糖酵解

糖酵解（glycolysis）是把葡萄糖（C6H12O6）轉化成丙酮酸（CH3COCOO− + H+）的代謝途徑。在這個過程中所釋放的自由能被用於形成高能量化合物三磷酸腺苷（ATP）和還原形式的煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。

糖解作用是所有生物細胞糖代謝過程的第一步。糖解作用是一共有10個步驟酶促反應的確定序列。在該過程中，一分子葡萄糖會經過十步酶促反應轉變成兩分子丙酮酸（嚴格來說，應該是丙酮酸鹽，即是丙酮酸的陰離子形式）。

糖解作用及其各種變化形式發生在幾乎所有的生物中，無論是有氧和厭氧。糖酵解的廣泛發生顯示它是最古老的已知的代謝途徑之一。事實上，構成糖解作用及其並行途徑的戊糖磷酸途徑，在金屬的催化下發生在還不存在酶的太古宙海洋。糖解作用可能因此源於生命出現之前世界的化學約束。

糖解作用發生在大多數生物體中的細胞的胞質溶膠。最常見的和研究最徹底的糖解作用形式是雙磷酸己糖降解途徑（Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱：EMP途徑），這是被古斯塔夫·恩伯登，奧托·邁爾霍夫，和雅各布·卡羅爾·帕爾納斯所發現的。糖解作用也指的其他途徑，例如，脫氧酮糖酸途徑（Entner-Doudoroff途徑）各種異型的和同型的發酵途徑，糖解作用一詞可以用來概括所有這些途徑。但是，在此處的討論卻是局限於雙磷酸己糖降解途徑（EMP途徑）。

整個糖解作用途徑可以分成兩個階段：

- 準備階段 – 在其中ATP被消耗，因此也被稱為投入階段。
- 放能階段 – 在其中ATP被生產。

## 糖解作用的總反應式

糖解作用的總體反應式：

C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 H3PO4 → 2 NADH + 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+

D-葡萄糖｜丙酮酸

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｜+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi｜

<image>

｜2｜

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｜+ 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

對於簡單發酵，一個葡萄糖分子到兩個丙酮酸分子的代謝具有淨產率2個ATP分子。然後，大部分細胞將進行進一步的反應，以「償還」用過的NAD+.，並產生最終產物乙醇或乳酸。許多細菌使用無機化合物作為氫的受體來再生NAD+。

細胞進行有氧呼吸合成更多的ATP，但不作為糖解作用的一部分。這些進一步的有氧反應使用來自糖解作用的丙酮酸和NADH + H+。真核生物有氧呼吸從每個葡萄糖分子產生額外的約34個ATP分子，但是其中大部分是由截然不同的機制，以在糖酵解的底物水平磷酸化產生的。

常見的單糖，包括糖酵解，糖異生，糖原和糖原分解的代謝。

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## 糖解作用的場所

糖解作用在細胞的細胞質中進行。早先人們只知道糖在無氧環境下可降解為乳酸，但今天人們終於清楚知道，不論有氧還是無氧環境，糖會經過同樣的過程分解為丙酮酸。不同的則是在有氧條件下，丙酮酸被移出一分子的二氧化碳，剩餘的二碳以不穩定的鍵結連接至輔酶A（一種衍生自維生素B5的含硫化合物），形成具有異常活潑乙醯基（附著的乙酸鹽）的化學修飾物乙醯輔酶A，從而進入三羧酸循環。

在原核生物和真核生物的大部分缺氧細胞或組織（骨骼肌）中，丙酮酸會轉化成乳酸，或者像糖類被酵母分解那樣，轉化為乙醇和二氧化碳（CO2）。在有氧環境下工作的組織（典型：心肌細胞）分解三碳的丙酮酸為乙醯輔酶A和二氧化碳，乙醯輔酶A會進一步行三羧酸循環分解為CO2和氫。氫會與氫載體煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）結合成（NADH和FADH2）。在線粒體裡進行的呼吸鏈，NADH和FADH的氧化會導致ATP的產生，能量會儲存在ATP的高能磷酸鍵供細胞使用。

糖解作用是唯一一條現代生物都具有的代謝途徑，出現時間很早。糖解作用最早可能發生在35億年前第一個原核生物中。

## 糖酵解步驟

糖酵解的第一步是葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖。不同細胞類型中所含有的酶也不一樣，在所有的細胞中，皆由己糖激酶進行催化，而在肝和胰腺中，則另外含有一種稱為葡（萄）糖激酶（己糖激酶IV）的酵素。磷酸化過程消耗一分子ATP，後面的過程證明，這是回報很豐厚的投資。細胞膜對葡萄糖通透，但對磷酸化產物6-磷酸葡萄糖不通透，後者在細胞內積聚並繼續反應，將反應平衡向有利於葡萄糖吸收的那一面推移。之後6-磷酸葡萄糖會在磷酸己糖異構酶的催化下生成6-磷酸果糖。（在此果糖也可通過磷酸化進入糖解作用途徑）

接著6-磷酸果糖會在磷酸果糖激酶的作用下被一分子ATP磷酸化生成1,6-二磷酸果糖，ATP則變為ADP。這裡的能量消耗是值得的，：首先此步反應使得糖解作用不可逆地繼續進行下去，另外，兩個磷酸基團可以進一步在醛縮酶的參與下分解為磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛。磷酸二羥丙酮會在磷酸丙糖異構酶幫助下轉化為3-磷酸甘油醛。兩分子3-磷酸甘油醛會被NAD+和3-磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH）的氧化下生成1,3-二磷酸甘油酸。

下一步反應，1,3-二磷酸甘油酸轉變為3-磷酸甘油酸。此反應由磷酸甘油酸激酶催化，高能磷酸鍵由1,3-二磷酸甘油酸轉移到ADP上，生成兩分子ATP。在此，糖解作用能量盈虧平衡。兩分子ATP消耗了又重新生成。ATP的合成需要ADP作原料。如果細胞內ATP多（ADP則會少），反應會在此步暫停，直到有足夠的ADP。這種反饋調節很重要，因為ATP就是不被使用，也會很快分解。反饋調節避免生產過量的ATP，節省了能量。磷酸甘油酸變位酶推動3-磷酸甘油酸生成2-磷酸甘油酸，最終成為磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸是高能化合物。最後，在丙酮酸激酶的作用下磷酸烯醇式丙酮酸生成二分子ATP和丙酮酸。此步反應也受ADP調節。

## 反應序列

糖解作用反應序列可被分為十個步驟

### 準備階段

通常視前五步為準備（或投入）階段，因為這些步驟消耗能量以將葡萄糖轉變為兩個丙糖磷酸，即甘油醛-3-磷酸和磷酸二羥丙酮。

糖解作用準備階段的第一個步驟是將葡萄糖磷酸化，利用存於大部分動植物及微生物細胞內的己糖激酶所催化反應，此反應的標準自由能變化$\Delta G^{\circ'}=-4.0$千卡/莫耳，故這在胞內情況是不可逆的反應，將葡萄糖在6號碳處被ATP磷酸化，產生葡萄糖-6-磷酸。此步驟中的酵素，與己糖分子結合，本身的構形會發生改變，催化葡萄糖磷酸化，既然被命名為己糖激酶，代表其不僅僅催化右旋-葡萄糖，而也具備催化其他六碳的糖類，像是右旋-果糖以及右旋-甘露糖磷酸化的功能，而這種酶，以不同的同工酶存在於不同的生物體或組織中，在肌肉中，是一種調節性酶，當葡萄糖-6-磷酸和腺苷二磷酸的濃度超出正常值，便可以暫時的抑制己糖激酶，使之形成與利用的反應達到速率平衡。而肝臟中，存在於一種特殊的己糖激酶名叫葡萄糖激酶，這種酶只對葡萄糖有專一性，並不會與所有己糖發生作用，而且此酶並不受葡萄糖-6-磷酸的抑制作用。它對葡萄糖的米氏常數為5～10毫摩爾/升，比己糖激酶的0.1毫摩爾/升要高很多，根據米氏常數的意義，當葡萄糖濃度很高時它才作用。由於肝臟是糖原的重要生成器官，因此當血糖濃度增高時，肝臟中的葡萄糖激酶就運作，生成了葡萄糖-6-磷酸，肝臟以此合成肝糖原。然而，此酶的合成受到胰島素的誘導，因此，體內缺乏胰島素的糖尿病患者的肝臟中此酶的合成速率低，影響肝臟中葡萄糖轉變為葡萄糖-6-磷酸的速率，故分解葡萄糖以及合成肝糖原的過程受阻。輔因子：鎂離子｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=forward

糖解作用第二個步驟為將葡萄糖-6-磷酸轉化為果糖-6-磷酸，此步驟由磷酸葡萄糖異構酶所催化，此酶主要由高度純化自肌肉分離而出。此酶將前一步驟產物葡萄糖-6-磷酸的氧原子，由1號碳移至2號碳，將其異化為果糖-6-磷酸（F6P）。此反應的標準自由能變化$\Delta G^{\circ'}=+0.4$千卡/莫耳，由於自由能變化小，因此反應可往二側進行，而此異構酶亦須鎂離子，且對葡萄糖-6-磷酸及果糖-6-磷酸有專一性，由於產物F6P不斷被下一階段所消耗，造成F6P的濃度很低，反應往回進行的速率較低，若果糖-6-磷酸的濃度很高，反應將遵守勒沙烏地列原理，產生出葡萄糖-6-磷酸。｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=reversible

第三個步驟是將果糖-6-磷酸酸化為果糖-1,6-二磷酸，由磷酸果糖激酶所催化，這是糖解作用的第二個活化反應，將F6P的磷酸跟轉移到1號碳位置產生右旋-果糖-1,6-二磷酸。此反應的標準自由能變化$\Delta G^{\circ'}=-3.40$千卡/莫耳，故為不可逆反應。此反應為糖解作用中，第二個重要的控制點，在細胞內磷酸果糖激酶反應為不可逆的。而磷酸果糖激酶，與果糖激酶一樣，屬於一種調節性酶，且為肌肉糖解作用中主要的調節性酶，受到ATP與AMP數量比的影響：當ATP過多時，ATP結合到酶的調控部位，酶的構象發生變化而受抑制；AMP會解除此酶的抑制，使其恢復高效狀態。氫離子濃度對此酶也有抑制作用：當血液中的乳酸較多時，即氫離子濃度增高，這樣就抑制了酶，使得糖酵解效率下降，阻斷了糖酵解下游生成乳酸的途徑，因此這種調控有著重要的生理意義。輔因子：Mg2+｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=forward

前一步反應使得分子失穩，這使得己糖環可以被醛縮酶分成兩個丙糖：二羥丙酮磷酸，一種酮，以及甘油醛-3-磷酸，一種醛。有兩類醛縮酶：I類醛縮酶，存在於動物與植物中，以及II類醛縮酶，存在於真菌和細菌中；這兩類醛縮酶使用不同的機制切斷酮糖環。｜major_substrate_1_stoichiometric_constant=

磷酸丙糖異構酶迅速將二羥丙酮磷酸互變為甘油醛-3-磷酸，後者進入糖酵解的後續步驟。這是非常有用的，因為它引導二羥丙酮磷酸進入與甘油醛-3-磷酸相同的途徑，簡化了調控。｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=reversible

### 放能階段

糖解作用的第二階段為放能階段，此階段的目的在於產生高能分子ATP和NADH。因為一個葡萄糖在準備階段時已經變成兩個丙糖，所以在放能階段中每個反應會發生兩次。最後產生2個NADH和4個ATP，使得單一葡萄糖在經過整個糖解作用後淨得2個NADH和2個ATP。ATP會用於其他需能反應，而NADH則會進入呼吸鏈或作為還原劑參與細胞內其他還原加氫反應。

兩個丙糖分子被氧化並添加一分子無機磷酸，形成1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BPG）。被脫下的氫用於還原氫載體NAD+，形成NADH。｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=reversible

這步反應為磷酸甘油酸激酶將甘油酸-1,3-二磷酸的磷酸基團轉移至ADP，形成甘油酸-3-磷酸和一份子ATP，在這一步，糖酵解過程達到了能量收支平衡：2分子ATP在先前的反應中被消耗，而在這步反應中有兩分子ATP被合成。這步反應作為兩步底物水平磷酸化中的一步，以ADP作為底物，所以當細胞ATP水平較高時，該步反應被抑制；因此該步反應也是糖酵解過程中重要的控速步驟之一。｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=reversible

磷酸甘油酸變位酶催化形成甘油酸-2-磷酸。｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=reversible

由烯醇化酶催化從甘油酸-2-磷酸轉化為磷酸烯醇式丙酮酸。輔基：兩個Mg2+:｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=reversible

最後一步底物水平磷酸化由丙酮酸激酶催化，形成一份子丙酮酸和一分子ATP。輔基： Mg2+｜reaction_direction_(forward/reversible/reverse)=forward

### 糖酵解中的不可逆反應

人體可通過糖異生，即從非糖化合物，如丙酮酸和乳酸等物質重新合成葡萄糖。當肝或腎以丙酮酸為原料進行糖異生時，糖異生中的其中七步反應是糖酵解中的逆反應，它們有相同的酶催化。但是糖酵解中有三步反應，是不可逆反應。在糖異生時必須繞過這三步反應，代價是更多的能量消耗。

這三步反應都是強放能反應，它們分別是：

1葡萄糖經已糖激酶催化生成6磷酸葡萄糖ΔG= -33.5 kJ/mol

2 6磷酸果糖經磷酸果糖激酶催化生成1，6二磷酸果糖ΔG= -22.2 kJ/mol

3磷酸烯醇式丙酮酸經丙酮酸激酶生成丙酮酸ΔG= -16.7 kJ/mol

### 糖解作用中的調節位點

糖解作用在體內可被精確調節，這樣一方面可以滿足機體對能量的需要，另一方面又不會造成浪費。同時，當細胞內還進行糖異生的時候，調節就顯得非常重要了，因為要避免空循環的發生。

調節是通過改變底物濃度，酶的活性實現的。

磷酸果糖激酶是其中最重要的限速酶，這也是巴斯德效應的關鍵參與者，它也決定了糖異生的速度，成為調節位點。AMP的濃度越高，酶的活性越高。就是當機體大量消耗了ATP，而相應又產生了很多AMP的時候，酶的活性提高，使得糖酵解按生成ATP的方向快速前進，以提高ATP產量。

## NADH的去路

在細胞中，NADH與NAD+是處於動態平衡的。在糖酵解過程中生成的NADH必須被進一步氧化，轉化為NAD+才能夠讓糖酵解持續進行。另外足夠的NAD+是3磷酸甘油醛成為1，3二磷酸甘油酸這一步反應重要的前提。在此過程中NAD+會被還原為NADH+H+，即是氫載體，通過穿梭將氫帶到呼吸鏈。

NAD+的再生可通過這三種不同的過程來實現。

- 乳酸脫氫酶：由丙酮酸形成乳酸，此過程發生在骨骼肌及部分微生物中。
- 乙醇脫氫酶：經丙酮酸脫羧酶將丙酮酸轉變為乙醛，再由乙醛經乙醇脫氫酶催化還原形成乙醇，此過程發生在大多數植物和一些產乙醇的微生物中。人類基因組可以編碼乙醇脫氫酶，但是並沒有編碼丙酮酸脫羧酶的基因，因此無法將丙酮酸轉化為乙醇。
- 線粒體穿梭：經線粒體穿梭途徑進入線粒體的呼吸鏈生成ATP。

## 能量轉化

### 平衡點

值得一提的是，生成1，6-二磷酸果糖後的大部分反應都是向能量升高的方向進行的，沒有酶（磷酸果糖激酶（PFK），磷酸甘油酸激酶（PGK））的催化，是不會自發進行的。而糖酵解的逆過程--糖異生（從甘油等非糖物質生成葡萄糖）則容易進行，此過程用到大部分在糖酵解裡面出現過的酶，除了提到的兩位「車夫」外，它們只出現在糖酵解中。在糖異生這兩步逆反應會放出大量的熱，分別為-14及-24 kJ/mol。

### 無氧環境和有氧環境的能量轉化

在糖解作用中，每分子葡萄糖提供兩分子ATP。真核生物的粒線體能同時從兩分子丙酮酸中另外獲得36分子ATP。能量轉化的多少取決於在細胞質中產生的NADH + H+通過粒線體膜的方式。

不論在無氧還是有氧環境中，糖酵解成丙酮酸這一過程都能進行。3-磷酸甘油醛在3－磷酸甘油醛脫氫酶GAPDH的作用下脫氫。脫下的氫離子會將氧化劑（輔酶）NAD+還原成NADH + H+。NAD+會在呼吸鏈中再生。若在無氧環境，放熱的（ΔGo´ = - 25 kJ/mol）乳糖脫氫酶（LDH）反應會再生NAD+：丙酮酸的還原會生成乳糖和再生NAD+（酵母則會使用另外兩種酶—丙酮酸脫羧酶加乙醇脫氫酶）。下圖可闡明此過程：

無氧環境下糖解作用GAPDH-和LDH-反應的相互聯繫，除了少部分NADH+H+會被磷酸甘油脫氫酶（GDH）轉化外，大部分會用於再生NAD+。