糖解作用

**糖解**（英語：**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）和還原形式的菸鹼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醣磷酸途徑，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醣降解途徑（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，去氧酮醣酸途徑（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醣降解途徑（EMP 途徑）。

整個糖解作用途徑可以分成兩個階段：

1. 準備階段 – 在其中 ATP 被消耗，因此也被稱為投入階段。
2. 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+

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，以在糖解的受質級磷酸化產生的。

## 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，從而進入檸檬酸循環。

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，或者像醣類被酵母分解那樣，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 會進一步行檸檬酸循環分解為 CO2 和氫。氫會與氫載體菸鹼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）。在粒線體裡進行的呼吸鏈，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。

## 糖解步驟

糖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，皆由己醣激酶進行催化，而在肝和胰腺中，則另外含有一種稱為葡（萄）糖激酶（己醣激酶 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醣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醣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 - 磷酸甘油醛去氫酶（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醣磷酸，即甘油醛 - 3 - 磷酸和磷酸二羥丙酮。

 

 

 

### 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醣，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。

 

 

 

 

### 糖解中的不可逆反應

人體可通過糖質新生，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質新生時，糖質新生中的其中七步反應是糖解中的逆反應，它們有相同的酶催化。但是糖解中有三步反應，是不可逆反應。在糖質新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，當細胞內還進行糖質新生的時候，調節就顯得非常重要了，因為要避免空循環的發生。

調節是通過改變受質濃度，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，它也決定了糖質新生的速度，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。

1. 乳酸去氫酶：由丙酮酸形成乳酸，此過程發生在骨骼肌及部分微生物中。
2. 乙醇去氫酶：經丙酮酸脫羧酶將丙酮酸轉變為乙醛，再由乙醛經乙醇去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去氫酶，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。
3. 粒線體穿梭：經粒線體穿梭途徑進入粒線體的呼吸鏈生成 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。而糖解的逆過程 -- 糖質新生（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，它們只出現在糖解中。在糖質新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－磷酸甘油醛去氫酶 GAPDH 的作用下去氫。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）乳糖去氫酶（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去氫酶）。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+ 會被磷酸甘油去氫酶（GDH）轉化外，大部分會用於再生 NAD+。

## 參看

* 檸檬酸循環
* 發酵
* 糖質新生
* 磷酸戊醣途徑

## 參考文獻

## 外部連結

* （英文）糖解
* （德文）Ulrich Helmich 主頁上的糖解
* （德文）詳細講解糖解 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* NAD/NADH 的結構
* _植物學在線_上的糖解
* 糖解基礎
* （英文）糖解中 NADH 和質子波動