【PDB-101】2004年2月 月度分子 糖酵解酶系【搬运·翻译】

——十个可爱的糖酵解酶负责初步分解我们饮食中的糖

    我们的细胞无不以葡萄糖（glucose）作为能量来源。葡萄糖既稳定又可溶，因此它是个相当方便的“燃料”分子，很容易就能顺着血液从储存它的地方跑到需要它的地方。它浑身上下满满的都是化学能，就等着你来利用。你可以点燃试管里的葡萄糖，让它变成二氧化碳与水，以及大量的光和热。我们的细胞也要“燃烧”葡萄糖，不过它们把这个“燃烧”的过程分成了许许多多受到精密调控的小步骤，这样一来释放出的能量就能被捕获并转变为更有价值的形式，比方说ATP（adenosine triphosphate，腺苷三磷酸）。糖酵解（glycolysis，意思就是“分解糖”）是细胞“燃烧”葡萄糖的第一步。

分解糖

    糖酵解这条途径从一分子葡萄糖开始，由连续的十步化学反应组成。在整个过程中，糖分子先接受两个磷酸基团（以两分子ATP为代价）做好准备，然后被切成两半，接着改变分子结构、脱去水分子，一路上一共形成4个ATP分子。总的来说，糖酵解利用葡萄糖部分分解释放出的能量净合成了2分子ATP，而它们也许马上就会被细胞内林林总总的分子过程当成能源用掉。此外，糖酵解中有一步从糖分子上脱下了四个氢原子。它们一方面可以被生物合成过程利用掉，另一方面也能用来收获更多的化学能。

糖酵解之后

    糖酵解酶系中的第六个酶从底物上脱去了几个氢原子，将它们交付给小小的载体分子NAD（nicotinamide adenine dinucleotide，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）。如果说糖酵解是唯一一条走得通的途径的话，带着氢的NAD们就会堆积起来，因此细胞开发了许多处理它们的方法，好让收支平衡。有很多细胞——也包括我们身上的大部分细胞——会让NAD携带的氢最终去与氧结合而生成水，在此过程中生成大量的ATP（你可以去看看细胞色素c氧化酶的月度分子文章）。酵母细胞则利用另一个酶（瞧瞧醇脱氢酶的月度分子文章吧）将氢原子安回到糖的分解产物上，生成乙醇，并将其分泌到胞外。每次你喝啤酒或者葡萄酒之类的酒品时，你都是在喝以这种方式产生的乙醇。超负荷工作的肌肉收缩得太过激烈，以至于氧气的供应跟不上需求，因此它们选择把那些氢原子以一种不一样的方式安回去，生成的就是乳酸。无氧运动时，乳酸会积累起来，等到氧气的供应再次足够时才会被慢慢分解掉。

十全十美

    糖酵解的魅力永不褪色。就在这区区十个酶当中，你能够发现许多支持着细胞生命活动的重要分子过程的实例。它们被进化打磨得近乎完美，迅速高效地催化着它们各自擅长的化学反应——添加、去除、移动原子，分毫不差，精准无误。整条途径都被严格地调控着，保证葡萄糖只在该分解的时候被分解。就在这糖酵解途径当中，你能看见在工作时改变构象的别构酶，会发现催化反应时同底物形成共价键的酶，也可以找到请金属离子或有机小分子作为助手完成催化的酶。其中有些酶的效率实在是太过惊人，连底物来到它身边的速度都赶不上它的神速。糖酵解途径被精心地调控着，每一步都顺畅而又不至于失控地进行，只为了一个目标：捕获葡萄糖分解时释放出的能量。

己糖激酶（hexokinase，HK）

    己糖激酶负责执行糖酵解的第一步，消耗一分子ATP启动整个过程。它将一个磷酸基团从ATP转移到葡萄糖上，形成葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P）。在这个酶的结构得到解明的十年前，Daniel Koshland便意识到这个反应必须在无水的环境下进行，要不然那个宝贵的磷酸基团很容易就会被从ATP身上水解下来。这样想着，他提出己糖激酶发生了“诱导嵌合”，只要一与ATP和葡萄糖结合，就把它们环抱并封闭起来。酵母己糖激酶的结构在二十世纪七十年代得解时，Koshland的理论被证明无误。己糖激酶长得像个夹子，在一侧有一条巨大的沟槽（图上箭头所示）。葡萄糖没结合时的结构（PDB条目2yhx）是“开放”的，使底物得以进入活性位点。不过，只要葡萄糖一结合（PDB条目1hkg），己糖激酶就会“关闭”，把底物包围住。这两个结构是在己糖激酶的氨基酸序列被测定之前解明的，所以它们有些不完整。如果你想看更新版的结构的话，请去PDB条目1ig8看“开放”状态的己糖激酶，去PDB条目1bdg（这个酶来自血吸虫，不过它们长得都差不多）看与葡萄糖结合的己糖激酶。

    按照生物学上的惯例，人的己糖激酶要比之前那几个例子复杂许多。我们的细胞合成好几种不同的己糖激酶，每一种都为不同细胞略有不同的需求量身打造。这里展示的例子来自脑细胞（PDB条目1dgk）。它是酵母己糖激酶的两倍大，长得不可思议地像两个头尾相接的酵母己糖激酶，两部分的活性位点看起来都几乎一模一样。不过，只有下面那部分有催化活性，而上面那部分已经失去了催化磷酸基转移的能力，转而专门搞调控去了。

磷酸葡糖异构酶（glucose-6-phosphate isomerase，GPI）

    糖酵解的第二步是一步异构化反应：底物分子的形状改变了，但既没有原子被添上也没有原子被移除。磷酸葡糖异构酶（图示结构来自PDB条目1hox）把葡萄糖-6-磷酸身上的几个原子变个位置，形成果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate，F6P，就是图上黄色的东西）。这个反应的正逆方向它都能催化。所以说，细胞里葡萄糖-6-磷酸很多的时候，磷酸葡糖异构酶就把它变成果糖-6-磷酸；要是果糖-6-磷酸又多了的话，磷酸葡糖异构酶就再把它变回去。

    最近研究者们发现，这个蛋白在胞外也有着重要的功能。这一回，它不再催化反应，而是摇身一变成为了一个化学信使。它被白细胞分泌出去，调控许多种细胞的生长与运动。随着对人类基因组的探究不断深入，越来越多的“兼职蛋白”进入了科学家们的视线：它们在机体的这个地方发挥一种功能，又在那个地方执行另一个完全不同的任务。

磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）

    糖酵解的第三步是调控的关键地带。前两步生成的葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸还会被细胞内其他过程所使用，然而一旦果糖-6-磷酸被磷酸果糖激酶安上第二个磷酸基团，它就注定要被彻底分解了。磷酸果糖激酶就像是一台迷你分子计算机，能够感知胞内不同分子的浓度，并决定此时此刻到底要不要分解糖。举个栗子，ADP和AMP多的时候，细胞需要ATP，磷酸果糖激酶就会激活。

    磷酸果糖激酶像一台机械计算机，由可以运动的部件组成。细菌磷酸果糖激酶（PDB条目4pfk）由四个完全一样的亚基组成，而我们细胞的磷酸果糖激酶则更大更复杂。每个活性位点由两个亚基形成，从两边环抱住糖与ATP两个底物。ADP以及其他调控分子（星号所示）结合时，磷酸果糖激酶就会变构。人们已经确定了有活性（PDB条目4pfk）和无活性（PDB条目6pfk）的磷酸果糖激酶的结构。通过它们可以发现，当酶分子变构时，活性位点的结构会改变，使得酶分子激活或失活。

    提示：在PDB里查看磷酸果糖激酶的结构时，记得要下载Biological Assembly的全部内容，一共是四个亚基的结构！

果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（fructose-1,6-bisphosphate aldolase，ALDO）

    到了糖酵解的这个阶段，我们的糖已经做好了充分准备，细胞也总算可以开始对它动手了。糖酵解的第四个酶果糖-1,6-二磷酸醛缩酶把果糖-1,6-二磷酸（fructose-1,6-bisphosphate，F-1,6-BP）一分为二，变成两个相似的分子，各带有一个磷酸基团。（ATP吐槽：这步反应经常被形象地称为“腰斩”，心疼果糖-1,6-二磷酸一秒。）催化这个反应的逆反应对醛缩酶来说也并非难事，只要把两个产物甘油醛-3-磷酸（glyceraldehyde-3-phosphate，GAP）和磷酸二羟丙酮（dihydroxyacetone phosphate，DHAP）拼在一起，就又能生成带两个磷酸基团的果糖了。事实上，醛缩酶名字的来源就是这个醇醛缩合的逆反应。这里展示的果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（PDB条目4ald）来自我们的肌细胞。它拥有四个相同的亚基，每个亚基上都有一个活性位点。活性位点里有一个特殊的赖氨酸——在我们这个例子里是第229位的赖氨酸，用来攻击底物的骨架。就像你在PDB条目1j4e里看到的那样，在裂解底物的过程中，这个赖氨酸与底物形成了共价键。你看到的这个结构图像抓拍到了果糖-1,6-二磷酸（红色为氧原子，白色为碳原子，黄色为磷原子）刚被裂解过后的样子，所以活性位点里面只有它的半截身子。

    多数细菌的醛缩酶和我们细胞的醛缩酶并不一样。它们的利器是两个金属离子，而不是我们使用的赖氨酸。你可以去PDB条目1zen瞅一眼细菌醛缩酶的例子。可别忘了找里面的金属离子！另外，顺便也去PDB条目1ojx看一下来自热泉古菌的奇葩醛缩酶吧。和我们的酶一样，它的活性位点仰仗的也是一个赖氨酸，但它是个由十条肽链组成的庞然大物。

磷酸丙糖异构酶（triosephosphate isomerase，TPI/TIM）

    来到这一步，细胞已经把果糖-1,6-二磷酸拆成了不同的两个分子。从经济划算的角度考虑，给那两个分子各自安排独立的途径并不合适，还是沿着一条通路走到底方便。通过两个产物分子的互变，第五步把这个理想中的规划变成了现实。磷酸丙糖异构酶（这里展示的来自PDB条目2ypi）从底物的一个碳原子上取下一个氢原子，再把它安在相邻的一个碳原子上。一个特殊的谷氨酸负责催化这样的原子转移。磷酸丙糖异构酶向来被称为“完美的酶”：它的催化能让反应加速数十亿倍。它的效率实在是高到不能再高了，以至于它催化反应进行的速率完全由底物到达它身边的速度决定。（ATP胡言乱语：参见酶神！！！）

    观察磷酸丙糖异构酶的结构时，请注意它的活性位点处在一个“β桶”（beta barrel）——一圈舒展的β股围成的圆柱形，在特写中以绿色标出——的中间。Jane Richardson创作的这幅图画展现了磷酸丙糖异构酶肽链的折叠样式：里面是一圈β股，外面则围了一圈α螺旋（ATP注：这个折叠形式被称为磷酸丙糖异构酶桶/TIM桶，即TIM barrel）。注意，每个α螺旋都联系着β桶上相邻的两条β股。在探究糖酵解里十个酶结构的同时，要留意有些别的酶也拥有像这样的美丽结构。

甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）

    糖酵解途径至此已经过半，细胞终于要准备收获些能量了。第六步和第七步当中，细胞会往刚才得到的两分子甘油醛-3-磷酸上再各加一个磷酸，然后利用这俩磷酸合成两分子ATP。甘油醛-3-磷酸脱氢酶将一个无机磷酸转移给底物分子，同时借助氢载体NAD（图上的洋红色分子）去掉两个氢原子。就像之前说的那样，这些氢原子要么在有氧氧化中被用来收获更多能量，要么通过各种途径被回收进糖的分解产物中去。

    甘油醛-3-磷酸脱氢酶由四个相同的亚基组成。PDB中许多甘油醛-3-磷酸脱氢酶的结构图像（比如这里这个来自PDB条目3gpd的人甘油醛-3-磷酸脱氢酶）都是它四个位点全结合有NAD以及两个磷酸根或硫酸根离子时的样子。其中一个酸根结合在底物的磷酸基团本应占据的位置，而另一个则被认为位于参与反应的无机磷酸所处的位置上。PDB条目1nqo抓拍到了反应进行的第一步——底物结合的那一瞬间。旁边的一个半胱氨酸很快就会进攻底物，与底物身上的一个碳原子形成共价键。无机磷酸与底物相连时，半胱氨酸成的键便会断裂。这个结构图像中，半胱氨酸被换成了反应活性低些的丝氨酸以方便研究。旁边的一个组氨酸也参与反应。

    探究PDB条目1nqo时，记住一定要下载正确的生物学单位。原版PDB文件包含四条肽链，但它并不是那个有生物学意义的四聚体。

磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase，PGK）

    现在咱们已经到了糖酵解的第七步，细胞马上就要合成ATP了。最初的葡萄糖现在已经被分成了两半，每一半现在各带着两个磷酸基团（ATP注：指甘油酸-1,3-二磷酸，1,3-bisphosphoglycerate，1,3-BPG）。磷酸甘油酸激酶接过甘油酸-1,3-二磷酸，将它身上其中一个磷酸基团转移给ADP，一个新鲜的ATP就这样出炉了。与第一个酶干的活儿同理，这步反应必须与水隔绝，以保证磷酸基团被转移到正确的地方。磷酸甘油酸激酶的办法与己糖激酶一样：它包围住反应进行的空间，不让碍事儿的水分子靠近。磷酸甘油酸激酶由两“叶”组成，由一个灵活的连接段连在一起。上半叶与ADP结合，下半叶有一个容纳甘油酸-1,3-二磷酸的口袋。结合底物之后，它就折叠起来，催化磷酸转移。PDB条目3pgk（图上左侧）展示了酶与ADP结合时的开放构象，PDB条目1vpe（图上右侧）则是酶的封闭构象。

磷酸甘油酸变位酶（phosphoglycerate mutase，PGM）

    糖酵解最后这三步会把底物上剩下的磷酸基团去下来，用它们总共再合成两分子ATP。通过把底物身上的磷酸基团从分子末端转移到正中间的一个巧妙位置，磷酸甘油酸变位酶为这最后一次捕获能量的行动开了个好头。这个酶有好几种不同的“版本”：酵母磷酸甘油酸变位酶（PDB条目3pgm）由四个相同的亚基组成；我们的磷酸甘油酸变位酶长得很像，但只含有两个亚基。植物和许多细菌合成的磷酸甘油酸变位酶和以上提到的那些截然不同，它们使用锰离子来催化反应（见PDB条目1eqj）。

    我们细胞的磷酸甘油酸变位酶催化时使用的是一个特殊的组氨酸，和这里展示的这个来自细菌的磷酸甘油酸变位酶（PDB条目1e58）一样。这个组氨酸取下底物的磷酸基团，然后把它放回到与之前不同的位置上。不过，事实上，磷酸甘油酸变位酶催化时真正做的事与上面的描述恰恰相反：它先给底物一个磷酸基团，然后再从带着两个磷酸基团的底物身上取走一个。为了进行这样的催化，磷酸甘油酸变位酶必须先拿到那个额外的磷酸基团才能开始干活儿。小小的代谢中间产物甘油酸-2,3-二磷酸（2,3-bisphosphoglycerate，2,3-BPG）负责把这个高反应活性的磷酸基团送给磷酸甘油酸变位酶。装备上磷酸基团之后，磷酸甘油酸变位酶就会活化，忙忙碌碌地催化N多次反应，直到一两分钟之后磷酸基团脱落下来。这时，它就又只能等着新的磷酸基团送过来了。

烯醇化酶（enolase，ENO）

    在糖酵解的第九步，细胞把磷酸基团安放在了一个十分不得劲的位置上，好让它很容易就能脱离下来并参与合成ATP。烯醇化酶从底物甘油酸-2-磷酸（glycerate-2-phosphate，2-PGA）上脱下一分子水，由此新形成的双键恰好处在底物碳链上一个让它非常不爽的地方。PDB条目2one不可思议地同时捕捉到了这个酶促反应的两面：脱水前和脱水后的状态。烯醇化酶有两个相同的活性位点，而PDB条目2one当中的两个活性位点刚好就分别处于不同的状态。有两个金属离子在催化时做烯醇化酶的助手。第一个是一个镁离子，就是图上浅蓝色的家伙。它将底物锚定到酶的活性位点，把它摆在合适的位置上。然后，第二个离子结合，协助酶的催化。在这个晶体结构的其中一个活性位点中，一个锂离子占据了第二个离子应在的空间。一个位置恰到好处的组氨酸也参与催化。

丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）

    糖酵解终于来到了最后一步，细胞也可算要开始净收入ATP了。丙酮酸激酶取下底物上的磷酸基团送给ADP，形成新的ATP分子。与此同时，不稳定的磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）变成了稳定的丙酮酸（pyruvate）。从糖酵解途径出来之后，这些丙酮酸或者被彻底燃烧为二氧化碳和水，或者转变成乙醇和乳酸之类的“废料”分子。

    离开糖酵解途径的大门由丙酮酸激酶把守，确保ATP只在需要的时候合成。底物浓度升高时，它的活性也会随之提升，就像血红蛋白一样。磷酸化的糖也会激活它，因为它们的存在暗示糖酵解的原料十分充裕。反过来，细胞能量充沛时含量高的分子，比方说ATP和氨基酸会抑制它的活性。丙酮酸激酶是个别构酶，能感知各种调节分子的浓度，并根据结果改变构象。它含有四个灵活的亚基，排列成钻石一样的形状。调节分子结合时，四聚体的构象就会发生变化。活性位点处在靠近图中四聚体最上边和最下边的位置上，而调控位点则处于更靠近四聚体中间的位置。图左侧的细菌丙酮酸激酶（PDB条目1e0u）处于无活性状态；图右侧的酵母丙酮酸激酶（PDB条目1a3w）调控位点中结合有调控分子（洋红色），已经进入了活性状态。活性位点包含两个金属离子——一个钾离子和一个镁离子（绿色），它们协助催化反应。

探索结构

    你可以去上述的PDB条目中探索这些酶的结构细节，只要点击3D viewing中的随便一个选项就好啦！(≧∇≦)ﾉ

灰常重要的备注：作者为了增加本文对非生化专业读者的友好程度，故意减少了专业名词的使用（事实上这是PDB-101月度分子的通用风格），尤其是化学物质的名字，并选择用比较间接的方式来指称那些分子，比如说他会用“the unstable little sugar fragment”来指代磷酸烯醇式丙酮酸。这的确增加了可读性，然而如果翻译得太直白的话反而会不清不楚且看得不舒服。因此，无论是此次还是今后，我在翻译时都会用较正式的名词替换原文作者使用的类似词语，或以注释形式标明原文指称的对象。

因技术与能力限制，请前往原网页以查看原文中所有超链接。这一次文中没有JSmol文件，一是因为这是比较早的文章（Goodsell他老人家早期文章里没有JSmol），二是本文中能看的结构太多，直接去PDB里看要更方便而且更舒服。

墙裂推荐去PDB-101官网查看原文，即使用网页翻译也没关系。

话说回来，糖酵解酶系是PDB-101月度分子的第50整篇文章，这很巧。

作者：David S. Goodsell

搬运·翻译：过来瞻仰酶神TPI并顺便复习糖代谢的ATP

原文网址：https://pdb101.rcsb.org/motm/50

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