——十個可愛的糖酵解酶負責初步分解我們飲食中的糖

? ? 我們的細胞無不以葡萄糖（glucose）作為能量來源。葡萄糖既穩(wěn)定又可溶，因此它是個相當方便的“燃料”分子，很容易就能順著血液從儲存它的地方跑到需要它的地方。它渾身上下滿滿的都是化學能，就等著你來利用。你可以點燃試管里的葡萄糖，讓它變成二氧化碳與水，以及大量的光和熱。我們的細胞也要“燃燒”葡萄糖，不過它們把這個“燃燒”的過程分成了許許多多受到精密調(diào)控的小步驟，這樣一來釋放出的能量就能被捕獲并轉(zhuǎn)變?yōu)楦袃r值的形式，比方說ATP（adenosine triphosphate，腺苷三磷酸）。糖酵解（glycolysis，意思就是“分解糖”）是細胞“燃燒”葡萄糖的第一步。

分解糖

? ? 糖酵解這條途徑從一分子葡萄糖開始，由連續(xù)的十步化學反應組成。在整個過程中，糖分子先接受兩個磷酸基團（以兩分子ATP為代價）做好準備，然后被切成兩半，接著改變分子結(jié)構(gòu)、脫去水分子，一路上一共形成4個ATP分子?？偟膩碚f，糖酵解利用葡萄糖部分分解釋放出的能量凈合成了2分子ATP，而它們也許馬上就會被細胞內(nèi)林林總總的分子過程當成能源用掉。此外，糖酵解中有一步從糖分子上脫下了四個氫原子。它們一方面可以被生物合成過程利用掉，另一方面也能用來收獲更多的化學能。

糖酵解之后

? ? 糖酵解酶系中的第六個酶從底物上脫去了幾個氫原子，將它們交付給小小的載體分子NAD（nicotinamide adenine?dinucleotide，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）。如果說糖酵解是唯一一條走得通的途徑的話，帶著氫的NAD們就會堆積起來，因此細胞開發(fā)了許多處理它們的方法，好讓收支平衡。有很多細胞——也包括我們身上的大部分細胞——會讓NAD攜帶的氫最終去與氧結(jié)合而生成水，在此過程中生成大量的ATP（你可以去看看細胞色素c氧化酶的月度分子文章）。酵母細胞則利用另一個酶（瞧瞧醇脫氫酶的月度分子文章吧）將氫原子安回到糖的分解產(chǎn)物上，生成乙醇，并將其分泌到胞外。每次你喝啤酒或者葡萄酒之類的酒品時，你都是在喝以這種方式產(chǎn)生的乙醇。超負荷工作的肌肉收縮得太過激烈，以至于氧氣的供應跟不上需求，因此它們選擇把那些氫原子以一種不一樣的方式安回去，生成的就是乳酸。無氧運動時，乳酸會積累起來，等到氧氣的供應再次足夠時才會被慢慢分解掉。

十全十美

? ? 糖酵解的魅力永不褪色。就在這區(qū)區(qū)十個酶當中，你能夠發(fā)現(xiàn)許多支持著細胞生命活動的重要分子過程的實例。它們被進化打磨得近乎完美，迅速高效地催化著它們各自擅長的化學反應——添加、去除、移動原子，分毫不差，精準無誤。整條途徑都被嚴格地調(diào)控著，保證葡萄糖只在該分解的時候被分解。就在這糖酵解途徑當中，你能看見在工作時改變構(gòu)象的別構(gòu)酶，會發(fā)現(xiàn)催化反應時同底物形成共價鍵的酶，也可以找到請金屬離子或有機小分子作為助手完成催化的酶。其中有些酶的效率實在是太過驚人，連底物來到它身邊的速度都趕不上它的神速。糖酵解途徑被精心地調(diào)控著，每一步都順暢而又不至于失控地進行，只為了一個目標：捕獲葡萄糖分解時釋放出的能量。

己糖激酶（hexokinase，HK）

? ? 己糖激酶負責執(zhí)行糖酵解的第一步，消耗一分子ATP啟動整個過程。它將一個磷酸基團從ATP轉(zhuǎn)移到葡萄糖上，形成葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P）。在這個酶的結(jié)構(gòu)得到解明的十年前，Daniel Koshland便意識到這個反應必須在無水的環(huán)境下進行，要不然那個寶貴的磷酸基團很容易就會被從ATP身上水解下來。這樣想著，他提出己糖激酶發(fā)生了“誘導嵌合”，只要一與ATP和葡萄糖結(jié)合，就把它們環(huán)抱并封閉起來。酵母己糖激酶的結(jié)構(gòu)在二十世紀七十年代得解時，Koshland的理論被證明無誤。己糖激酶長得像個夾子，在一側(cè)有一條巨大的溝槽（圖上箭頭所示）。葡萄糖沒結(jié)合時的結(jié)構(gòu)（PDB條目2yhx）是“開放”的，使底物得以進入活性位點。不過，只要葡萄糖一結(jié)合（PDB條目1hkg），己糖激酶就會“關閉”，把底物包圍住。這兩個結(jié)構(gòu)是在己糖激酶的氨基酸序列被測定之前解明的，所以它們有些不完整。如果你想看更新版的結(jié)構(gòu)的話，請去PDB條目1ig8看“開放”狀態(tài)的己糖激酶，去PDB條目1bdg（這個酶來自血吸蟲，不過它們長得都差不多）看與葡萄糖結(jié)合的己糖激酶。

? ??按照生物學上的慣例，人的己糖激酶要比之前那幾個例子復雜許多。我們的細胞合成好幾種不同的己糖激酶，每一種都為不同細胞略有不同的需求量身打造。這里展示的例子來自腦細胞（PDB條目1dgk）。它是酵母己糖激酶的兩倍大，長得不可思議地像兩個頭尾相接的酵母己糖激酶，兩部分的活性位點看起來都幾乎一模一樣。不過，只有下面那部分有催化活性，而上面那部分已經(jīng)失去了催化磷酸基轉(zhuǎn)移的能力，轉(zhuǎn)而專門搞調(diào)控去了。

磷酸葡糖異構(gòu)酶（glucose-6-phosphate isomerase，GPI）

? ? 糖酵解的第二步是一步異構(gòu)化反應：底物分子的形狀改變了，但既沒有原子被添上也沒有原子被移除。磷酸葡糖異構(gòu)酶（圖示結(jié)構(gòu)來自PDB條目1hox）把葡萄糖-6-磷酸身上的幾個原子變個位置，形成果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate，F(xiàn)6P，就是圖上黃色的東西）。這個反應的正逆方向它都能催化。所以說，細胞里葡萄糖-6-磷酸很多的時候，磷酸葡糖異構(gòu)酶就把它變成果糖-6-磷酸；要是果糖-6-磷酸又多了的話，磷酸葡糖異構(gòu)酶就再把它變回去。

? ? 最近研究者們發(fā)現(xiàn)，這個蛋白在胞外也有著重要的功能。這一回，它不再催化反應，而是搖身一變成為了一個化學信使。它被白細胞分泌出去，調(diào)控許多種細胞的生長與運動。隨著對人類基因組的探究不斷深入，越來越多的“兼職蛋白”進入了科學家們的視線：它們在機體的這個地方發(fā)揮一種功能，又在那個地方執(zhí)行另一個完全不同的任務。

磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）

? ? 糖酵解的第三步是調(diào)控的關鍵地帶。前兩步生成的葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸還會被細胞內(nèi)其他過程所使用，然而一旦果糖-6-磷酸被磷酸果糖激酶安上第二個磷酸基團，它就注定要被徹底分解了。磷酸果糖激酶就像是一臺迷你分子計算機，能夠感知胞內(nèi)不同分子的濃度，并決定此時此刻到底要不要分解糖。舉個栗子，ADP和AMP多的時候，細胞需要ATP，磷酸果糖激酶就會激活。

? ? 磷酸果糖激酶像一臺機械計算機，由可以運動的部件組成。細菌磷酸果糖激酶（PDB條目4pfk）由四個完全一樣的亞基組成，而我們細胞的磷酸果糖激酶則更大更復雜。每個活性位點由兩個亞基形成，從兩邊環(huán)抱住糖與ATP兩個底物。ADP以及其他調(diào)控分子（星號所示）結(jié)合時，磷酸果糖激酶就會變構(gòu)。人們已經(jīng)確定了有活性（PDB條目4pfk）和無活性（PDB條目6pfk）的磷酸果糖激酶的結(jié)構(gòu)。通過它們可以發(fā)現(xiàn)，當酶分子變構(gòu)時，活性位點的結(jié)構(gòu)會改變，使得酶分子激活或失活。

? ? 提示：在PDB里查看磷酸果糖激酶的結(jié)構(gòu)時，記得要下載Biological Assembly的全部內(nèi)容，一共是四個亞基的結(jié)構(gòu)！

果糖-1,6-二磷酸醛縮酶（fructose-1,6-bisphosphate aldolase，ALDO）

? ? 到了糖酵解的這個階段，我們的糖已經(jīng)做好了充分準備，細胞也總算可以開始對它動手了。糖酵解的第四個酶果糖-1,6-二磷酸醛縮酶把果糖-1,6-二磷酸（fructose-1,6-bisphosphate，F(xiàn)-1,6-BP）一分為二，變成兩個相似的分子，各帶有一個磷酸基團。（ATP吐槽：這步反應經(jīng)常被形象地稱為“腰斬”，心疼果糖-1,6-二磷酸一秒。）催化這個反應的逆反應對醛縮酶來說也并非難事，只要把兩個產(chǎn)物甘油醛-3-磷酸（glyceraldehyde-3-phosphate，GAP）和磷酸二羥丙酮（dihydroxyacetone phosphate，DHAP）拼在一起，就又能生成帶兩個磷酸基團的果糖了。事實上，醛縮酶名字的來源就是這個醇醛縮合的逆反應。這里展示的果糖-1,6-二磷酸醛縮酶（PDB條目4ald）來自我們的肌細胞。它擁有四個相同的亞基，每個亞基上都有一個活性位點?；钚晕稽c里有一個特殊的賴氨酸——在我們這個例子里是第229位的賴氨酸，用來攻擊底物的骨架。就像你在PDB條目1j4e里看到的那樣，在裂解底物的過程中，這個賴氨酸與底物形成了共價鍵。你看到的這個結(jié)構(gòu)圖像抓拍到了果糖-1,6-二磷酸（紅色為氧原子，白色為碳原子，黃色為磷原子）剛被裂解過后的樣子，所以活性位點里面只有它的半截身子。

? ? 多數(shù)細菌的醛縮酶和我們細胞的醛縮酶并不一樣。它們的利器是兩個金屬離子，而不是我們使用的賴氨酸。你可以去PDB條目1zen瞅一眼細菌醛縮酶的例子?？蓜e忘了找里面的金屬離子！另外，順便也去PDB條目1ojx看一下來自熱泉古菌的奇葩醛縮酶吧。和我們的酶一樣，它的活性位點仰仗的也是一個賴氨酸，但它是個由十條肽鏈組成的龐然大物。

磷酸丙糖異構(gòu)酶（triosephosphate isomerase，TPI/TIM）

? ? 來到這一步，細胞已經(jīng)把果糖-1,6-二磷酸拆成了不同的兩個分子。從經(jīng)濟劃算的角度考慮，給那兩個分子各自安排獨立的途徑并不合適，還是沿著一條通路走到底方便。通過兩個產(chǎn)物分子的互變，第五步把這個理想中的規(guī)劃變成了現(xiàn)實。磷酸丙糖異構(gòu)酶（這里展示的來自PDB條目2ypi）從底物的一個碳原子上取下一個氫原子，再把它安在相鄰的一個碳原子上。一個特殊的谷氨酸負責催化這樣的原子轉(zhuǎn)移。磷酸丙糖異構(gòu)酶向來被稱為“完美的酶”：它的催化能讓反應加速數(shù)十億倍。它的效率實在是高到不能再高了，以至于它催化反應進行的速率完全由底物到達它身邊的速度決定。（ATP胡言亂語：參見酶神?。。。?/span>

? ? 觀察磷酸丙糖異構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)時，請注意它的活性位點處在一個“β桶”（beta barrel）——一圈舒展的β股圍成的圓柱形，在特寫中以綠色標出——的中間。Jane Richardson創(chuàng)作的這幅圖畫展現(xiàn)了磷酸丙糖異構(gòu)酶肽鏈的折疊樣式：里面是一圈β股，外面則圍了一圈α螺旋（ATP注：這個折疊形式被稱為磷酸丙糖異構(gòu)酶桶/TIM桶，即TIM barrel）。注意，每個α螺旋都聯(lián)系著β桶上相鄰的兩條β股。在探究糖酵解里十個酶結(jié)構(gòu)的同時，要留意有些別的酶也擁有像這樣的美麗結(jié)構(gòu)。

甘油醛-3-磷酸脫氫酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）

? ? 糖酵解途徑至此已經(jīng)過半，細胞終于要準備收獲些能量了。第六步和第七步當中，細胞會往剛才得到的兩分子甘油醛-3-磷酸上再各加一個磷酸，然后利用這倆磷酸合成兩分子ATP。甘油醛-3-磷酸脫氫酶將一個無機磷酸轉(zhuǎn)移給底物分子，同時借助氫載體NAD（圖上的洋紅色分子）去掉兩個氫原子。就像之前說的那樣，這些氫原子要么在有氧氧化中被用來收獲更多能量，要么通過各種途徑被回收進糖的分解產(chǎn)物中去。

? ? 甘油醛-3-磷酸脫氫酶由四個相同的亞基組成。PDB中許多甘油醛-3-磷酸脫氫酶的結(jié)構(gòu)圖像（比如這里這個來自PDB條目3gpd的人甘油醛-3-磷酸脫氫酶）都是它四個位點全結(jié)合有NAD以及兩個磷酸根或硫酸根離子時的樣子。其中一個酸根結(jié)合在底物的磷酸基團本應占據(jù)的位置，而另一個則被認為位于參與反應的無機磷酸所處的位置上。PDB條目1nqo抓拍到了反應進行的第一步——底物結(jié)合的那一瞬間。旁邊的一個半胱氨酸很快就會進攻底物，與底物身上的一個碳原子形成共價鍵。無機磷酸與底物相連時，半胱氨酸成的鍵便會斷裂。這個結(jié)構(gòu)圖像中，半胱氨酸被換成了反應活性低些的絲氨酸以方便研究。旁邊的一個組氨酸也參與反應。

? ? 探究PDB條目1nqo時，記住一定要下載正確的生物學單位。原版PDB文件包含四條肽鏈，但它并不是那個有生物學意義的四聚體。

磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase，PGK）

? ? 現(xiàn)在咱們已經(jīng)到了糖酵解的第七步，細胞馬上就要合成ATP了。最初的葡萄糖現(xiàn)在已經(jīng)被分成了兩半，每一半現(xiàn)在各帶著兩個磷酸基團（ATP注：指甘油酸-1,3-二磷酸，1,3-bisphosphoglycerate，1,3-BPG）。磷酸甘油酸激酶接過甘油酸-1,3-二磷酸，將它身上其中一個磷酸基團轉(zhuǎn)移給ADP，一個新鮮的ATP就這樣出爐了。與第一個酶干的活兒同理，這步反應必須與水隔絕，以保證磷酸基團被轉(zhuǎn)移到正確的地方。磷酸甘油酸激酶的辦法與己糖激酶一樣：它包圍住反應進行的空間，不讓礙事兒的水分子靠近。磷酸甘油酸激酶由兩“葉”組成，由一個靈活的連接段連在一起。上半葉與ADP結(jié)合，下半葉有一個容納甘油酸-1,3-二磷酸的口袋。結(jié)合底物之后，它就折疊起來，催化磷酸轉(zhuǎn)移。PDB條目3pgk（圖上左側(cè)）展示了酶與ADP結(jié)合時的開放構(gòu)象，PDB條目1vpe（圖上右側(cè)）則是酶的封閉構(gòu)象。

磷酸甘油酸變位酶（phosphoglycerate mutase，PGM）

? ? 糖酵解最后這三步會把底物上剩下的磷酸基團去下來，用它們總共再合成兩分子ATP。通過把底物身上的磷酸基團從分子末端轉(zhuǎn)移到正中間的一個巧妙位置，磷酸甘油酸變位酶為這最后一次捕獲能量的行動開了個好頭。這個酶有好幾種不同的“版本”：酵母磷酸甘油酸變位酶（PDB條目3pgm）由四個相同的亞基組成；我們的磷酸甘油酸變位酶長得很像，但只含有兩個亞基。植物和許多細菌合成的磷酸甘油酸變位酶和以上提到的那些截然不同，它們使用錳離子來催化反應（見PDB條目1eqj）。

? ? 我們細胞的磷酸甘油酸變位酶催化時使用的是一個特殊的組氨酸，和這里展示的這個來自細菌的磷酸甘油酸變位酶（PDB條目1e58）一樣。這個組氨酸取下底物的磷酸基團，然后把它放回到與之前不同的位置上。不過，事實上，磷酸甘油酸變位酶催化時真正做的事與上面的描述恰恰相反：它先給底物一個磷酸基團，然后再從帶著兩個磷酸基團的底物身上取走一個。為了進行這樣的催化，磷酸甘油酸變位酶必須先拿到那個額外的磷酸基團才能開始干活兒。小小的代謝中間產(chǎn)物甘油酸-2,3-二磷酸（2,3-bisphosphoglycerate，2,3-BPG）負責把這個高反應活性的磷酸基團送給磷酸甘油酸變位酶。裝備上磷酸基團之后，磷酸甘油酸變位酶就會活化，忙忙碌碌地催化N多次反應，直到一兩分鐘之后磷酸基團脫落下來。這時，它就又只能等著新的磷酸基團送過來了。

烯醇化酶（enolase，ENO）

? ? 在糖酵解的第九步，細胞把磷酸基團安放在了一個十分不得勁的位置上，好讓它很容易就能脫離下來并參與合成ATP。烯醇化酶從底物甘油酸-2-磷酸（glycerate-2-phosphate，2-PGA）上脫下一分子水，由此新形成的雙鍵恰好處在底物碳鏈上一個讓它非常不爽的地方。PDB條目2one不可思議地同時捕捉到了這個酶促反應的兩面：脫水前和脫水后的狀態(tài)。烯醇化酶有兩個相同的活性位點，而PDB條目2one當中的兩個活性位點剛好就分別處于不同的狀態(tài)。有兩個金屬離子在催化時做烯醇化酶的助手。第一個是一個鎂離子，就是圖上淺藍色的家伙。它將底物錨定到酶的活性位點，把它擺在合適的位置上。然后，第二個離子結(jié)合，協(xié)助酶的催化。在這個晶體結(jié)構(gòu)的其中一個活性位點中，一個鋰離子占據(jù)了第二個離子應在的空間。一個位置恰到好處的組氨酸也參與催化。

丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）

? ? 糖酵解終于來到了最后一步，細胞也可算要開始凈收入ATP了。丙酮酸激酶取下底物上的磷酸基團送給ADP，形成新的ATP分子。與此同時，不穩(wěn)定的磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）變成了穩(wěn)定的丙酮酸（pyruvate）。從糖酵解途徑出來之后，這些丙酮酸或者被徹底燃燒為二氧化碳和水，或者轉(zhuǎn)變成乙醇和乳酸之類的“廢料”分子。

? ? 離開糖酵解途徑的大門由丙酮酸激酶把守，確保ATP只在需要的時候合成。底物濃度升高時，它的活性也會隨之提升，就像血紅蛋白一樣。磷酸化的糖也會激活它，因為它們的存在暗示糖酵解的原料十分充裕。反過來，細胞能量充沛時含量高的分子，比方說ATP和氨基酸會抑制它的活性。丙酮酸激酶是個別構(gòu)酶，能感知各種調(diào)節(jié)分子的濃度，并根據(jù)結(jié)果改變構(gòu)象。它含有四個靈活的亞基，排列成鉆石一樣的形狀。調(diào)節(jié)分子結(jié)合時，四聚體的構(gòu)象就會發(fā)生變化?；钚晕稽c處在靠近圖中四聚體最上邊和最下邊的位置上，而調(diào)控位點則處于更靠近四聚體中間的位置。圖左側(cè)的細菌丙酮酸激酶（PDB條目1e0u）處于無活性狀態(tài)；圖右側(cè)的酵母丙酮酸激酶（PDB條目1a3w）調(diào)控位點中結(jié)合有調(diào)控分子（洋紅色），已經(jīng)進入了活性狀態(tài)。活性位點包含兩個金屬離子——一個鉀離子和一個鎂離子（綠色），它們協(xié)助催化反應。

探索結(jié)構(gòu)

? ? 你可以去上述的PDB條目中探索這些酶的結(jié)構(gòu)細節(jié)，只要點擊3D viewing中的隨便一個選項就好啦！(≧?≦)?

灰常重要的備注：作者為了增加本文對非生化專業(yè)讀者的友好程度，故意減少了專業(yè)名詞的使用（事實上這是PDB-101月度分子的通用風格），尤其是化學物質(zhì)的名字，并選擇用比較間接的方式來指稱那些分子，比如說他會用“the unstable little sugar fragment”來指代磷酸烯醇式丙酮酸。這的確增加了可讀性，然而如果翻譯得太直白的話反而會不清不楚且看得不舒服。因此，無論是此次還是今后，我在翻譯時都會用較正式的名詞替換原文作者使用的類似詞語，或以注釋形式標明原文指稱的對象。

因技術(shù)與能力限制，請前往原網(wǎng)頁以查看原文中所有超鏈接。這一次文中沒有JSmol文件，一是因為這是比較早的文章（Goodsell他老人家早期文章里沒有JSmol），二是本文中能看的結(jié)構(gòu)太多，直接去PDB里看要更方便而且更舒服。

墻裂推薦去PDB-101官網(wǎng)查看原文，即使用網(wǎng)頁翻譯也沒關系。

話說回來，糖酵解酶系是PDB-101月度分子的第50整篇文章，這很巧。

作者：David S. Goodsell

搬運·翻譯：過來瞻仰酶神TPI并順便復習糖代謝的ATP

原文網(wǎng)址：https://pdb101.rcsb.org/motm/50

PDB-101首頁：https://pdb101.rcsb.org/

RCSB PDB首頁：https://www.rcsb.org/