醣分子代謝
Glucose matabolism overview
肝臟中 Glucose-6-phosphate
- 轉化為 Acetyl-CoA 用於脂肪酸合成：G6P經糖酵解和三羧酸循環（TCA cycle）生成乙醯輔酶A，進一步參與脂肪酸的生物合成。
- 參與戊糖磷酸途徑（PPP）生成NADPH和戊糖：NADPH用於還原生物合成，戊糖則用於核苷酸合成。
- 轉化為肝醣（Glycogen）儲存：G6P經異構化為G1P，進一步參與肝醣合成。
- 水解生成游離葡萄糖釋放至血液中：G6P在肝臟中被葡萄糖-6-磷酸酶催化生成游離葡萄糖，通過血液供應其他組織。 然而，G6P無法直接在肝臟中進行糖原分解（glycogenolysis）以外的其他代謝過程來釋放到血液中。
Glycolysis
- 總共產生：2ATP + 2NADH + 2Pyruvate + 2H+ + 2H2O
- 投資期：-2ATP
- 產能期：+4ATP + 2NADH
- 糖解作用(glycolysis）中，下列那些酵素催化之反應可生成 ATP
- phosphoglycerate kinase
- pyruvate kinase
- 酵素調控點：
- 第一步：Hexokinase
- insulin +
- glucagon -
- 第三步：phosphofructokinase-1
- insulin +
- glucagon -
- 第十步：pyruvate kinase
- insulin +
- glucagon -
- 第一步：Hexokinase
補充重點
- 當 glucose 結合至 hexokinase 時，酶會發生顯著的構象變化，這個現象符合 induced-fit 模型，使得活性位點「包覆」住 glucose，從而促進後續的磷酸化反應。
- 在 Step 6: Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase (GAPDH)
$$Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) + NAD⁺ + Pi ⇌ 1,3-Bisphosphoglycerate + NADH + H⁺$$
- 只有這步有電子轉移
- hexokinase 需要有 Mg2+ 才能活化。
- PFK-1
- 雖然由 phosphofructokinase-1 (PFK-1) 催化的 fructose 6-phosphate 轉換為 fructose-1,6-bisphosphate 的反應確實是 glycolysis 的關鍵、不可逆步驟（committed step），但其成為 committed step 的原因在於該反應受到嚴格調控且一旦進行便不可逆，而非因為它是 pathway 中最 strongly exergonic 的反應（實際上，pyruvate kinase 催化的反應 ΔG 更負）。
- 雖然由 phosphofructokinase-1 (PFK-1) 催化的 fructose 6-phosphate 轉換為 fructose-1,6-bisphosphate 的反應確實是 glycolysis 的關鍵、不可逆步驟（committed step），但其成為 committed step 的原因在於該反應受到嚴格調控且一旦進行便不可逆，而非因為它是 pathway 中最 strongly exergonic 的反應（實際上，pyruvate kinase 催化的反應 ΔG 更負）。
果糖（fructose）在肝臟代謝的特點使其容易轉化為脂肪的主要原因
- 果糖的代謝繞過了糖酵解途徑中的主要調控點磷酸果糖激酶-1（PFK-1）。
- 果糖代謝的關鍵特徵：
- 果糖幾乎完全在肝臟中代謝
- 果糖代謝不受胰島素或 變構調節的控制
- 果糖通過 fructokinase 直接轉化為 fructose-1-phosphate
Fermentation
酒精發酵
乳酸發酵
Gluconeogenesis
- When glycolysis is turned on, gluconeogenesis should be turned off
回饋調節機制
- 酵素比較：glycolysis, gluconeogenesis
| 糖解作用 | 糖質新生 | |
|---|---|---|
| 第一步酵素 | hexokinase | Glucode-6-phosphatase |
| 第三步酵素 | PFK-1 | Fructose-1,6-bisphosphatase |
| 第十步酵素 | pyruvate kinase | pyruvate carboxylase、phosphoenolpyruvate carboxylase |
花費能 量
- pyruvate --> OAA ： 1ATP
- OAA --> PEP ： 1GTP
- 3-Phosphoglycerate --> 1,3-bisphosphoglycerate ： 1ATP
各種物質的糖質新生
- 必經過程：
OAA --> Malate (mitochondria)-->(cytosol) Malate --> OAA -
<PEP carboxykinase>-> PEP --> (Reverse step of glycolysis) - amino acid： 進入 TCA cycle 後轉成 OAA
- fatty acid： $\beta$-oxidation --> acetyl-CoA --> TCA cycle --> OAA
- 部分胺基酸、膽固醇、單碳數脂肪酸 --> propionyl-CoA --> malonyl-CoA --> Succinyl-CoA --> OAA
升&降血糖 調節
glycogen phosphorylase
- 升糖素透過cAMP-PKA信號路徑間接活化肝醣磷酸化酶，從而促進肝臟中的肝醣分解。
- 在 $\alpha$-(1-->4) 位剪切
肝臟 與肌肉的肝醣
| 項目 | Muscle | Liver |
|---|---|---|
| 酵素 | muscle glycogen phosphorylase | liver glycogen phosphorylase |
| 調控 | regulated allosterically and hormonely(腎上腺素...) | regulated by hormones and blood glucose |
| 異位調控 | allosteric regulation by AMP and ATP | - |
| 激素 | epinephrine | glucagon |
| 酵素活性 | 無 glucose-6-phosphatase | 有 glucose-6-phosphatase 可催化：glucose-6-phosphate + H₂O → glucose + Pi |
| 註 | phosphorylase a : active phosphorylase b : inactive |
Pentose Phosphate Pathway
- cytosol of liver and adipose cells
- Cells are provided with a constant supply of NADPH
- NADPH is used in cytosol for fatty acid synthesis
- This pathway also produces ribose-5-P
- To make DNA and RNA
- 當具有戊糖磷酸途徑的細胞需要更多的戊糖磷酸，但不需要額外的 NADPH 時：非 氧化酶會從 fructose-6-phosphate和 glucono‐δ‑lactone 產生PP。
氧化部分流程
非氧化部分流程
補充：unclassicial Glucose metabolism - Entner-Doudoroff pathway
- 在某些哺乳動物與細菌中，葡萄糖分解可以透過非經典的糖解途徑進行
- 在 Entner‑Doudoroff pathway（ED途徑）中，6‑phosphogluconate 會先由 6‑phosphogluconate dehydratase 脫水形成 2‑keto‑3‑deoxy‑6‑phosphogluconate (KDPG)。
- 接著，KDPG 經由 KDPG aldolase 作用分裂，生成 pyruvate（丙酮酸）與 glyceraldehyde 3‑phosphate（G3P）。
Glucose oxidase 測血糖
TCA cycle
產生 (2個Pyruvate)
- 2 * 3 NADH = 2 * 3 * 2.5 = 15
- 2 * 1 FADH2 = 2 * 1 * 1.5 = 3
- 2 * 1 ATP =
- 一個NADH：10H+ out
- 每個 NADH 等於產生 2.5 ATP
- 一個FADH2：6+ out
- 每個 FADH2 等於產生 1.5 ATP
Pyruvate Dehydrogenase Complex
結構
- pyruvate dehydrogenase complex (PDC) is formed from multiple copies of three enzymes:
- Pyruvate dehydrogenase (E1)
- Dihydrolipoamide acetyltransferase (E2)
- Dihydrolipoamide dehydrogenase (E3)
- Five coenzymes are required: ➔ Coenzyme A (CoA) ➔ Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) as electron carriers ➔ Flavin adenine dinucleotide (FAD) as electron carriers ➔ Thiamine pyrophosphate (TPP) ➔ Lipoate
- 催化反應時會打斷 lipoic acid 結構的雙硫鍵
- 產生 acetyl-CoA
補充 Enzymes commonly require lipoic acid as a cofactor
- Pyruvate dehydrogenase complex (converts pyruvate to acetyl-CoA)
- α-Ketoglutarate dehydrogenase complex (converts α-ketoglutarate to succinyl-CoA)
- Branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex (in amino acid catabolism)
- These enzyme complexes share a similar overall mechanism, and all employ the same five cofactors:
- Thiamine pyrophosphate (TPP)
- FAD
- NAD⁺
- Coenzyme A
- Lipoic acid
主要速率調節酵素
- 內部調控(Internal regulation)
- Citrate synthase
- 被 ATP、NADH、succinyl CoA 所抑制，亦被其產物 citrate acid 所抑制
- Isocitrate dehydrogenase
- 被 ADP、NAD+ 活化
- 被 ATP、NADH 抑制
- α-ketoglutarate dehydrogenase
- 被 ADP、NAD+ 活化
- 被 ATP、NADH、succinyl CoA 抑制
- Citrate synthase
- 外部調控
- pyruvate dehydrogenase complex
- Succinate dehydrogenase 是檸檬酸循環中唯一的膜結合酶(與電子傳遞鏈的共同酶)
酶的立體特異性(stereospecific)
1. Citrate synthase (檸檬酸合成酶)
- 反應： Acetyl-CoA + Oxaloacetate + H₂O → Citrate + CoA-SH
- 立體特異性：
- 催化 Acetyl-CoA 的 methyl carbon 和 Oxaloacetate 的 carbonyl carbon 之間形成 C-C 鍵。
- 反應具有高度立體特異性，只產生 (S)-Citrate (Citrate 本身不是 chiral molecule，但在反應中其前驅物具有 stereochemistry 的概念)。
- Acetyl-CoA 的 methyl 上的 hydrogen atom 被移除時，是 pro-R hydrogen 被移除。
2. Aconitase
- 反應： Citrate ⇌ cis-Aconitate ⇌ Isocitrate
- 立體特異性：
- 催化 Citrate 的可逆 isomerization，經過中間產物 cis-Aconitate，形成 Isocitrate。
- 反應具有立體特異性，只產生 (2R,3S)-Isocitrate。
- 在從 Citrate 生成 cis-Aconitate 的過程中，移除的是 Citrate 的 pro-R carboxymethyl arm 上的 pro-R hydrogen 和 pro-R hydroxyl group。
- 在 cis-Aconitate 生成 Isocitrate 時，加成到 double bond 上的 H 是加到 Re face，而 OH group 加到 Si face。
3. Isocitrate dehydrogenase (異檸檬酸脫氫酶)
- 反應： Isocitrate + NAD⁺ → α-Ketoglutarate + CO₂ + NADH
- 立體特異性：
- 催化 Isocitrate 的 oxidative decarboxylation，生成 α-Ketoglutarate 和 NADH。
- 反應具有立體特異性，只作用於 (2R,3S)-Isocitrate。
- 生成的 NADH 中的 hydride 是來自 Isocitrate 的 C2 上的 pro-R hydrogen。
4. α-Ketoglutarate dehydrogenase complex (α-酮戊二酸脫氫酶複合體)
- 反應： α-Ketoglutarate + NAD⁺ + CoA-SH → Succinyl-CoA + CO₂ + NADH
- 立體特異性： 類似於 Pyruvate dehydrogenase complex，這個反應沒有直接的 stereospecificity 討論 (因為產生的 Succinyl-CoA 沒有 chiral center)，但它產生的 NADH 帶有來自 substrate 的 hydride。
5. Succinyl-CoA synthetase (琥珀醯輔酶A合成酶)
- 反應： Succinyl-CoA + Pi + GDP (or ADP) ⇌ Succinate + CoA-SH + GTP (or ATP)
- 立體特異性：此反應不涉及建立或消除chiral center，因此不涉及 stereospecificity。
6. Succinate dehydrogenase (琥珀酸脫氫酶)
- 反應： Succinate + FAD → Fumarate + FADH₂
- 立體特異性：
- 催化 Succinate 的 dehydrogenation，生成 Fumarate。
- 反應具有高度立體特異性，只產生 trans-Fumarate (Fumarate)。
- 移除的兩個 hydrogen atoms 分別來自 Succinate 的兩個 methylene groups，且是 anti-elimination (一個 pro-R hydrogen 和一個 pro-S hydrogen)。
7. Fumarase (延胡索酸酶)
- 反應： Fumarate + H₂O → L-Malate
- 立體特異性：
- 催化 water 對 Fumarate 的 double bond 的 trans-addition。
- 反應具有高度立體特異性，只產生 ( S )-Malate (L-Malate)。
- OH⁻ 加到 Re face，H⁺ 加到 Si face。
8. Malate dehydrogenase (蘋果酸脫氫酶)
- 反應： L-Malate + NAD⁺ → Oxaloacetate + NADH + H⁺
- 立體特異性：
- 催化 L-Malate 的 oxidation，生成 Oxaloacetate。
- 反應具有立體特異性, 只作用在 (S)-Malate。
- 生成的 NADH 中的 hydride 是來自 L-Malate 的 C2 上的 pro-R hydrogen。
乙醛酸循環（glyoxylate cycle）
- 一種特殊的代謝途徑，相似於 TCA cycle
- 主要存在於植物、細菌、原生生物和真菌中
- 乙醛酸循環是三羧酸循環（TCA cycle）的一種變體，其核心功能是將 acetyl-CoA 轉化為 Succinate，用於合成碳水化合物。
- 在種子發芽過程中扮演關鍵角色，使植物能夠將儲存的脂質轉化為碳水化合物
- 允許植物將acetyl-CoA轉化為碳水化合物，使其能夠進行糖質新生
- 能夠將兩分子的acetyl-CoA轉化為一分子的malate，實現 四碳二羧酸的淨合成
- 這個循環使用了TCA循環中的五種酶，包括：
- Citrate Synthase
- Pyruvate dehydrogenase
- Succinate dehydrogenase
- fumarase
- Malate dehydrogenase
兩個關鍵酶：
- Isocitrate lyase：將 Isocitrate 裂解為 glyoxylate 和 Succinate
- Malate synthase：催化 glyoxylate 與acetyl-CoA結合形成Malate
生物學意義
在植物中：
- 存在於特殊的過氧化物體（glyoxysomes）中
- 使種子能夠在發芽過程中利用脂質作為能量來源
在微生物中：
- 當缺乏葡萄糖等簡單糖類時，能夠利用乙酸鹽等二碳化合物作為碳源
- 在某些致病真菌中，可能與其致病性有關
獨特性
與動物的主要區別在於：
- 動物（除了線蟲胚胎發育早期外）通常缺乏這個循環[1]
- 這個循環允許生物體將脂肪轉化為葡萄糖，這是動物所不能實現的過程
ATP citrate lyase (ACYL)
- 反應方程式
這個反應在細胞質中由 ATP citrate lyase 催化，將來自粒線體(經由檸檬酸穿梭)的 citrate「切開」生成細胞質中的 acetyl-CoA 與 oxaloacetate (OAA)。
-
(1) ATP citrate lyase
- 如同反應式所示，能夠將 citrate 分解為 acetyl-CoA 與 OAA 的關鍵酵素確實是 ATP citrate lyase。
-
(2) 產生的 acetyl-CoA 為脂質合成（脂肪酸合成）的起始原料
- 在脂肪酸生合成過程中，細胞質中的 acetyl-CoA 是關鍵起始物。由於 acetyl-CoA 大多在粒線體生成（例如：丙酮酸去羧作用、β-氧化等），需先與 oxaloacetate 結合為 citrate，運出粒線體到細胞質後，再由 ATP citrate lyase 釋放出 acetyl-CoA。
-
oxaloacetate 提供間接產生 NADPH 的路徑
- 細胞質中的 OAA 可以先被 malate dehydrogenase 還原成 malate（消耗 NADH），再經由 malic enzyme (又稱 NADP⁺-dependent malic enzyme) 把 malate 氧化脫羧生成 pyruvate，同時產生 NADPH。
- NADPH 對於脂肪酸合成至關重要，因此 OAA 在此路徑中扮演「間接提供 NADPH」的角色。
Electron transport chain
- 一個NADH：10H+ out
- 每個 NADH 等於產生 2.5 ATP
- 一個FADH2：6+ out
- 每個 FADH2 等於產生 1.5 ATP
Uncoupler & inhibitors & toxin
解偶聯劑（uncouplers）和抑制劑（inhibitors）對ATP合成的影響機制不同，以下是兩者的作用原理及例子：
解偶聯劑（Uncouplers）
解偶聯劑是一類化合物，通過擾亂內線粒體膜上的質子梯度來干擾ATP的合成，但不直接影響電子傳遞鏈或ATP合酶（F1F0-ATPase）。其主要作用是讓質子繞過ATP合酶，直接回到基質中，從而解除電子傳遞與ATP合成之間的緊密耦合。這會導致：
- 電子傳遞鏈持續運行，氧氣消耗增加。
- 質子動力勢（proton motive force）被耗散，能量以熱的形式釋放，而非用於ATP合成。 例子：
- 2,4-二硝基苯酚（2,4-DNP）：一種經典的解偶聯劑，可將質子從 inner mambrane 運回 matrix。
- FCCP（碳氰化-p-三氟甲氧基苯肼）：一種強效解偶聯劑。
抑制劑（Inhibitors）
抑制劑則直接作用於電子傳遞鏈或ATP合酶，阻止其正常功能。例如：
- 寡黴素（Oligomycin）：一種多酮類抗生素，通過結合ATP合酶的F0亞基，阻止質子通道的運作，從而抑制氧化磷酸化中的ADP轉化為ATP。
- 導致電子傳遞鏈中的電子流減緩，但並未完全停止。
兩者的區別
| 特性 | 解偶聯劑 | 抑制劑 |
|---|---|---|
| 作用機制 | 擾亂質子梯度 | 阻止ATP合酶或電子傳遞鏈運作 |
| 對電子傳遞鏈的影響 | 不直接影響 | 減少或停止電子流 |
| ATP合成 | 停止（因質子梯度被破壞） | 停止（因質子無法通過ATP合酶） |
| 能量釋放形式 | 熱 | 無 |
toxin
- cyanide：氰化物主要是通過抑制細胞色素c氧化酶（複合物IV）來發揮毒性作用，而不是與細胞色素C結合。
Malate–aspartate shuttle（常見於肝臟與心肌）
作用
- 將細胞質中的 NADH 送到粒線體基質內。
具體步驟：
- 過程中，利用細胞質 NADH 將 oxaloacetate 轉換成 malate；malate 進入基質後，再轉換回 oxaloacetate，同時將 NAD⁺ 還原成 NADH。
- 結果：產生粒線體 NADH，供給電子傳遞鏈的 complexI 使用。
- 是可逆（reversible）的，可以在雙向運作
Glycerophosphate shuttle
作用
- 在 glycerol phosphate shuttle 中，細胞質 NADH 使 dihydroxyacetone phosphate (DHAP) 還原為 glycerol 3-phosphate。
- 進入粒線體後，粒線體 glycerol-3-phosphate dehydrogenase 將 glycerol 3-phosphate 氧化回 DHAP，同時將 FAD 還原為 FADH₂。
- 相對Malate–aspartate shuttle，glycerol phosphate shuttle 在生理條件下基本上不可逆（irreversible）的。
- 雖然 ATP 產量較低，但 glycerophosphate shuttle 基本上是不可逆的
- 即使在細胞中 NADH 水平相對 NAD⁺ 很低時，該 shuttle 仍能有效運作
- 相對Malate–aspartate shuttle，glycerol phosphate shuttle 在生理條件下被視為基本上不可逆（irreversible）的。
各物質的穿膜機制
- Pyruvate is imported into the mitochondrial matrix by the mitochondrial pyruvate carrier.
- Malate is shuttled via the dicarboxylate carrier.
- Citrate is exchanged with malate through the citrate–malate antiporter.
- Phosphate is transported by the phosphate carrier.
ATP-ADP translocase
機制
- ATP-ADP translocase（又稱 adenine nucleotide translocator）負責交換：將線粒體基質內生成的 ATP 交換至細胞質，同時將細胞質中的 ADP 轉運至基質，穿越內線粒體膜（inner mitochondrial membrane）。
- 該過程並不伴隨質子（proton）的共同運輸
總共能量生成
1. Glycolysis
- 淨產生 ATP：2 ATP （投資 2 ATP、產出 4 ATP，淨得 2 ATP）
- NADH：2
- Pyruvate：2
2. Pyruvate oxidation
- 1 分子葡萄糖在糖解後生成 2 分子丙酮酸，經丙酮酸去氫酶複合體 (PDH complex) 反應：
- ATP：0
- NADH：2（每個丙酮酸產 1 分子 NADH × 2）
3. TCA Cycle
- 2 分子丙酮酸都轉成 acetyl-CoA 之後，TCA 需「轉兩圈」：
- 1 回合 TCA 產物： 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP(≈1 ATP)
- 2 回合合計：
- NADH：6
- FADH₂：2
- ATP (GTP)：2
4. 小結：不含電子傳遞鏈的累計
| 來源 | ATP (直接) | NADH | FADH₂ |
|---|---|---|---|
| 糖解(Glycolysis) | 2 | 2 | 0 |
| PDH | 0 | 2 | 0 |
| TCA | 2 | 6 | 2 |
| 合計 | 4 | 10 | 2 |
ETC & OP.
- 經典教科書的 P/O ratio：
- 1 NADH 約生成 3 ATP
- 1 FADH₂ 約生成 2 ATP
- NADH (10 個) → 10 × 3 = 30 ATP
- FADH₂ (2 個) → 2 × 2 = 4 ATP
全程總 ATP 估算
- 從「磷酸化層級(直接)」取得：
- 糖解 + TCA = 4 ATP
- 從「電子傳遞鏈/氧化磷酸化」取得：
- 來自 10 NADH + 2 FADH₂ = 30 + 4 = 34 ATP
final
- 糖解 (Glycolysis)：2 ATP、2 NADH
- PDH：0 ATP、2 NADH
- TCA：2 ATP、6 NADH、2 FADH₂
- 最後合計約 38 ATP（以 3/2 的經典換算）。
實際細胞中若使用 malate-aspartate shuttle（常見於肝臟與心肌），較易達到理論上的 38 ATP；若使用 glycerol-3-phosphate shuttle（如骨骼肌），NADH 電子送進粒線體時的 P/O ratio 可能較低，可能算到 36 ATP 甚至更少。
Cori cycle
- 在骨骼肌進行劇烈運動時，無氧糖解產生乳酸。
- 乳酸經血液運送至肝臟，肝臟利用糖質新生 (gluconeogenesis) 將乳酸轉化為葡萄糖。
- 再將葡萄糖釋放回血液供應肌肉使用。
substrate-level phosphorylation
- 指高能磷酸化合物藉轉移磷酸基團給 ADP 而形成 ATP 的機制
- 受質階層磷酸化可分別在細胞質及粒線體中進行，氧化磷酸 化在粒線體中進行
