糖解作用Glycolysis

[TinyNotes]

基本概念

• 在細胞中，有些反應在生理條件下可逆，但蠻多是不可逆的，需要經由其他的enzyme，才能進行。這種one way的反應，常為被調控的位置

• metabolism：利用nutrient使之成為building block或是能量

• 經電子傳遞鏈，一個NADH的能量約等於2.5ATP；一個FADH2約等於1.5ATP

糖解作用

10個reaction，前四個步驟主要是準備期；後五個則進行氧化

(1) 常見幾個enzyme的作用

• kinase：磷酸化反應；phosphatase：去磷酸化反應
• isomerase：異構酶，結構轉換為另一異構物
• mutase：將一官能基從同一分子的A位置移到B位置

(2) 第一部分：preparative phase

• glucose經hexokinase，消耗1ATP，磷酸化形成G6P(glucose-6-phosphate)
  * G6P經由isomerase，由glucose(醛)異構成fructose(酮)，形成了fructose-6-phosphate
  * 經由phosphofructose kinase 1(PFK1)，消耗1ATP，在一號碳上的OH進行磷酸化， 得到fructose-1,6-bisphosphate
  * 經由aldoase，將上述產物切成兩半，得到glyceroaldehyde-3-phosphate (G3P，醛糖)與dihydroxyacetone-1-phosphate(酮糖)。兩者可由isomerase互換
  * 最後一個步驟，主要是形成兩個三碳醣，進入接下來的反應。會發現兩者具有對稱性(1→6，2→5，3→4)
  * 整個preparative phase消耗了2個ATP
  其中，hexokinase，PFK1兩個kinase生理下不可逆，為重要調控點

(3) 第二部分：oxidative phase

• 一個葡萄糖可以產生兩個3碳糖，產兩倍的產物

• G3P經由dehydrogenase的催化，NAD+接收電子形成NADH，同時將醛基氧化成酸，並接上磷酸根，形成1.3-bisphosphoglycerate(高能量)

• 1.3-bisphosphoglycerate經由phosphoglycerate kinase去磷酸，產生ATP與3-phosphoglycerate

• 經由mutase將磷酸根transfer到2號碳上的O，2-phosphoglycerate

• 經由enolase，去水產生enol，phopho-enol-pyruvate(PEP)

• 最後，經由pyruvate kinase的作用，將PEP去磷酸，產生丙酮酸(pyruvate)與1個ATP

• 總結：產生2個ATP，1個NADPH→因有一glucose可以進行兩次反應，故第二部分共產生2(2+2.5)：9個ATP

• 其中，只有pyruvate kinase不可逆

(4) 總結：整個糖解作用

• 共產生9-2：7個ATP
• 調控點酵素：hexokinase，PFK1，pyruvate kinase

Feeder pathway：糖解作用原料的多元性

• 細胞中以糖解作用為取得能量的第一步

• 動物體以肝醣glycogen的形式儲存glucose，可breakdown成為G1P，在由mutase形成G6P進入glycolysis

• 除了glucose外，其他醣類亦可利用其他的pathway，進入糖解作用鏈中

• 半乳糖(galactose)可經由數個enzyme，轉成G1P，在利用mutase形成G6P

• 果糖為酮醣，可直接經由hexokinase，磷酸化形成F6P；或經由其他酵素轉成G3P或DHAP

pyruvate的命運

(1) 有氧呼吸：進入mitochondria，經過TCA循環，最後得到37~39ATP

(2) 無氧呼吸：在細胞質中進行，詳述於下

• 將pyruvate的酮，消耗1NADH，使之還原成醇，產生lactate(乳酸)

• 1 mol葡萄糖的無氧呼吸，最後只能產生2mol的ATP (2x2-2=2)

• 進行無氧呼吸處：紅血球，肌肉，tumor

• 肌肉的無氧呼吸，導致乳酸堆積，產生痠痛感

(3) Warburg effect：腫瘤的無氧呼吸

• 腫瘤發生處初期常無微血管網提供氧氣，導致腫瘤細胞處在無氧環境下，進行無氧呼吸。
• 然而，其所需的能量高，無氧呼吸提供的能量少，所以會利用各種機制來快速intake葡萄糖。
  Ex.製造不受insulin調控的GLUT(glucose transporter)
• 正子攝影(PET)
  注入氟18標定的glucose，進入血流後快速被腫瘤細胞利用分解，而後產生正子，trace後攝影，即可作腫瘤造影

glycolysis的調控

(1)簡介

• 人類需要使血糖維持在某一個恆定值，因為大腦只能利用glucose，若太高太低皆會有影響。Glycolysis牽涉glucose的使用情況，需要作精密的調控

(2) 最重要的要了解G6P的每個pathway!!!!!

• G6P→由mutase形成G1P→合成glycogen
• G6P→經由G-6-pase→血糖
• G6P→經由isomerase→進入glycolysis的作用

(3) glycolysis的調控常出現在於『one-way』的反應

• hexokinase，PFK1，pyruvate kinase，以下將分別作介紹
• 若要進行逆向的反應，會需要其他酵素的參與！！
• glycolysis的逆向反應，也就是糖質新生作用gluconeogenesis

(4) 第一個條控點：hexokinase→有四種isozyme

• 其中1~3為hypobolic的曲線，km小，快速使用glucose，並受到G6P的負回饋抑制

• hexokinase4僅出現於肝臟的hepatocyte

  • hepatocyte具有GLUT2能夠快速使血液中的glucose與cytosol的含量達平衡，也提供其調控血糖的功能(不受insulin調節)

  • 為一homotropic enzyme，km較大，需要達一定濃度後才快速作用

  • 平常hexokinase 4會被regulatory protein所抑制，進到nucleus中；當glucose經由GLUT2進入細胞後，會促進regulatory protein分離

  • 不受G6P的負回饋條控，即使在高G6P的條件，仍能有效的進行作用。使肝臟能持續進行肝醣的合成

  • Glucose-6-phosphatase的效果與hexokinase相反，當收到ATP缺少的訊號，hexokinase的合成量增加；在血糖低的情況下，則會促進G6Pase的合成，以升高血糖的量

(5) 第二個調控點：phosphofructokinase-1(PFK-1)

• 為first commited step of glycolysis

• 其逆反應由FBPase-1進行，與PFK調控glycolysis的進行

• ATP，citrate會抑制反應的進行

• ADP，fructose-2,6-bisphosphate(F26BP)則會促進反應的進行

• F26BP的功能

  • 為肝臟調控血醣的一個重要調節者，為PFK-1與FBPase-1的allosteric effector
  • 當bind上PFK-1時，會增加其親和力，加速反應的進行

• F26BP的合成與分解

  • F6BP經由phosphofructolinase2的作用，消耗1ATP，形成F26BP

  • F26BP經由FBPase去磷酸化，回到F6BP，注意他沒有產生ATP
    整個反應並非循環，需要提供能量！！！

  • 上述的kinase與phosphatase為同一個酵素的不同domain，稱為『bifunctional enzyme』，一次只會活化一個部位，進行某個功能。至於其活化，則受到insulin與glucagon的調控

  • 當血糖低時，肝臟細胞接收glucagon的訊號，促進PFK-2/FBPase-2酵素的磷酸化，使得FBPase-2的部位產生活性，F26BP減少，使得glycolysis的速度變慢，促進糖質新生

  • 當血糖高時，肝臟細胞接收insulin的訊號，促進PFK-2/FBPase-2酵素的去磷酸化，使得PFK-2的部位產生活性，加速glycolysis的進行