糖酵解

糖類最主要的生理功能是為機體提供生命活動所需要的能量。糖分解代謝是生物體取得能量的主要方式。生物體中糖的氧化分解主要有3條途徑：糖的無氧氧化、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途徑。其中，糖的無氧氧化又稱糖酵解（glycolysis）。葡萄糖或糖原在無氧或缺氧條件下，分解為乳酸同時產生少量ATP的過程，由於此過程與酵母菌使糖生醇發酵的過程基本相似，故稱為糖酵解。催化糖酵解反應的一系列酶存在於細胞質中，因此糖酵解全部反應過程均在細胞質中進行。糖酵解是所有生物體進行葡萄糖分解代謝所必須經過的共同階段。

基本介紹

• 中文名：糖酵解
• 外文名：glycolysis
• 生物化學：無氧呼吸作用 葡萄糖
• 階段：活化階段和放能階段

物質概述

生物在無氧條件下，從糖的降解代謝中獲得能量的途徑，也是大多數生物進行葡萄糖有氧氧化的一個準備途徑。在此過程中，六碳的葡萄糖分子經過十多步酶催化的反應，分裂為兩分子三碳的丙酮酸，同時使兩分子腺苷二磷酸(ADP)與無機磷酸(Pi)結合生成兩分子腺苷三磷酸(ATP)。

丙酮酸的進一步代謝，因生物種屬的不同以及供氧情況的差別而有不同的道路。例如在無氧情況下，強烈收縮的動物肌肉細胞中，丙酮酸還原為乳酸，在許多微生物中可分解為乙醇或乙酸等；在有氧情況下，則氧化成二氧化碳和水。

反應過程

糖酵解過程是從葡萄糖開始分解生成丙酮酸的過程，全過程共有10步酶催化反應。

1.葡萄糖磷酸化

糖酵解第一步反應是由己糖激酶催化葡萄糖的C6被磷酸化，形成6-磷酸葡萄糖。該激酶需要Mg2+離子作為輔助因子，同時消耗一分子ATP，該反應是不可逆反應。

2.6-磷酸葡萄糖異構轉化為6-磷酸果糖

這是一個醛糖-酮糖同分異構化反應，此反應由磷酸己糖異構酶催化醛糖和酮糖的異構轉變，需要Mg2+離子參與，該反應可逆。

3.6-磷酸果糖磷酸化生成1，6-二磷酸果糖

此反應是由磷酸果糖激酶催化6-磷酸果糖磷酸化生成1，6-二磷酸果糖，消耗了第二個ATP分子。

4.1，6-二磷酸果糖裂解

在醛縮酶的作用下，使己糖磷酸1，6-二磷酸果糖C3和C4之間的鍵斷裂，生成一分子3-磷酸甘油醛和一分子磷酸二羥丙酮。

5.3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮的相互轉換

3-磷酸甘油醛是酵解下一步反應的底物，所以磷酸二羥丙酮需要在丙糖磷酸異構酶的催化下轉化為3-磷酸甘油醛，才能進一步酵解。

6.3-磷酸甘油醛的氧化

3-磷酸甘油醛在NAD+和H3P04存在下，由3-磷酸甘油醛脫氫酶催化生成1，3-二磷酸甘油酸，這一步是酵解中惟一的氧化反應。

7.1，3-二磷酸甘油酸轉變為3-磷酸甘油酸

在磷酸甘油酸激酶的作用下，將1，3-二磷酸甘油酸高能磷醯基轉給ADP形成ATP和3-磷酸甘油酸。

8.甘油酸-3-磷酸轉變為甘油酸-2-磷酸

在磷酸甘油酸變位酶催化下，甘油酸-3-磷酸分子中C3的磷酸基團轉移到C2上，形成甘油酸-2-磷酸，需要Mg2+離子參與。

9.甘油酸-2-磷酸轉變為磷酸烯醇式丙酮酸

在烯醇化酶催化下，甘油酸-2-磷酸脫水，分子內部能量重新分布而生成磷酸烯醇式丙酮酸烯醇磷酸鍵，這是糖酵解途徑中第二種高能磷酸化合物。

10.丙酮酸的生成

在丙酮酸激酶催化下，磷酸烯醇式丙酮酸分子高能磷酸基團轉移給ADP生成ATP，是糖酵解途徑第二次底物水平磷酸化反應，需要Mg2+和K+參與，反應不可逆。

調節

正常生理條件下，人體內的各種代謝過程受到嚴格而精細的調節，以保持內環境穩定，適應機體生理活動的需要。這種調節控制主要是通過改變酶的活性來實現的。己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶是糖酵解的關鍵酶，它們的活性大小，直接影響著整個代謝途徑的速度和方向，其中以磷酸果糖激酶-1最為重要。

1．激素的調節胰島素可誘導GK、PFK-1、PK的合成，因而使糖酵解過程增強。

2．代謝物對限速酶的變構調節磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是三個限速酶中催化效率最低的，故而是糖酵解途徑中最重要的調節點。該酶分子為四聚體。分子中不僅具有與底物結合的部位，還具有與變構激活劑和變構抑制劑結合的部位。F-1,6-BP、ADP、AMP等是其變構激活劑，而ATP、檸檬酸等為其變構抑制劑。在這些代謝物的共同調節下，機體可根據能量需求調整糖分解速度。當細胞內能量消耗增多，ATP濃度降低，AMP、ADP濃度增加，則磷酸果糖激酶-1被激活，糖分解速度加快，使ATP生成量增加；當細胞內有足夠的ATP儲備時，ATP濃度增加，AMP、ADP濃度下降，磷酸果糖激酶-1被抑制，糖分解速度減慢，減少ATP生成量，避免能量的浪費；當飢餓時，機體動員儲存脂肪分解氧化，生成大量乙醯CoA，乙醯CoA可與草醯乙酸縮合成檸檬酸，抑制磷酸果糖激酶-1的活性，從而減少糖的分解，以維持飢餓狀態下血糖濃度。

反應特點

1.糖酵解反應的全過程沒有氧的參與。

2.糖酵解反應中釋放能量較少。糖以酵解方式進行代謝，只能發生不完全的氧化。

3.糖酵解反應的全過程中有3個限速酶。在糖酵解反應的全過程中。有三步是不可逆反應。這三步反應分別由己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶3個限速酶催化。

生理意義

糖酵解可以把釋放的自由能轉移到ATP中。糖酵解也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途徑。果糖及甘露糖通過己糖激酶的催化作用可轉變成果糖-6-磷酸,果糖還可以通過一系列酶的作用轉變成3-磷酸甘油醛。半乳糖可以在一些酶催化下轉變成1-磷酸葡萄糖。有些先天性代謝疾病是由於上述果糖與半乳糖代謝中的某些酶缺失所致。如缺失磷酸果糖醛縮酶，則果糖-1-磷酸在肝、腸及腎中堆積引起肝腫大及肝腎及腸吸收功能衰退，患這種病的兒童不能服用果糖或蔗糖。

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-24kJ/mol。

無氧環境和有氧環境

在糖酵解中，每分子葡萄糖提供兩分子ATP。真核生物的線粒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通過線粒體膜的方式。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(ΔG´=-25kJ/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）。
無氧環境下糖酵解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。

重要性

6-磷酸果糖激酶-1>丙酮酸激酶>己糖激酶
ATP/AMP比值的高低對6-磷酸果糖激酶-1活性的調節有重要意義。當ATP濃度較高時，6-磷酸果糖激酶-1幾乎無活性，糖酵解作用減弱；當AMP累積，ATP較少時，酶活性恢復，糖酵解作用加強；此外，H+也可抑制6-磷酸果糖激酶-1的活性，這樣可防止肌肉中形成過量的乳酸。

發現

1897年，德國生化學家E.畢希納發現離開活體的釀酶具有活性以後，極大地促進了生物體內糖代謝的研究。釀酶發現後的幾年之內，就揭示了糖酵解是動植物和微生物體內普遍存在的過程。英國的F.G.霍普金斯等於1907年發現肌肉收縮同乳酸生成有直接關係。英國生理學家A.V.希爾，德國的生物化學家O.邁爾霍夫、O.瓦爾堡等許多科學家經歷了約20年，從每一個具體的化學變化及其所需用的酶、輔酶以及化學能的傳遞等各方面進行探討，於1935年終於闡明了從葡萄糖（6碳）轉變其中乳酸（3碳）或酒精（2碳）經歷的12箇中間步驟，並且闡明在這過程中有幾種酶、輔酶和ATP等參加反應。

臨床意義

1.糖酵解是機體相對缺氧時生理獲得能量的主要途徑。生物體在進行劇烈運動或長時間運動時，能量需求增加，糖酵解加速，此時即使呼吸和循環加快以增加氧的供應，仍不能滿足需要，肌肉處於相對缺氧狀態，必須通過糖酵解提供急需的能量。

2.糖酵解是某些組織在有氧時獲得能量的有效方式，糖酵解是成熟紅細胞獲得能量的惟一方式。也是神經、白細胞、骨髓等組織細胞在有氧情況下獲得部分能量的有效方式。

3.在病理情況下，如呼吸或循環功能障礙、嚴重貧血、大量失血等造成機體缺氧時，導致糖酵解加速甚至過度，可因乳酸產生過多，造成乳酸酸中毒。