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ATP和NADH。[1][2]

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。[3]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。[4]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）。[5]

整個糖解作用途徑可以分成兩個階段：[1]

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[編輯]

糖解作用的總體反應式：

D-[葡萄糖]				[丙酮酸]
	+ 2 [NAD]+ + 2 [ADP] + 2 [P]i		2		+ 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，以在糖解的受質級磷酸化產生的。

常見的單醣，包括糖解，糖質新生，肝糖和肝糖分解的代謝。

糖解作用的場所[編輯]

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[編輯]

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[6]。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[編輯]

糖解作用反應序列可被分為十個步驟

閱 論 編 糖解代謝途徑
葡萄糖 己醣激酶 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖-6-磷酸異構酶 果糖-6-磷酸 磷酸果糖激酶1 果糖-1,6-雙磷酸 果糖二磷酸醛縮酶 ATP ADP ATP ADP 二羥丙酮磷酸 甘油醛-3-磷酸 磷酸丙醣異構酶 甘油醛-3-磷酸 甘油醛-3-磷酸去氫酶 1,3-雙磷酸甘油酸 NAD+ + Pi NADH + H+ + 2 2 磷酸甘油酸激酶 3-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸變位酶 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸水合酶（烯醇化酶） 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶 丙酮酸 ADP ATP H2O ADP ATP 2 2 2 2 醫學導航：遺傳代謝缺陷 代謝、k,c/g/r/p/y/i,f/h/s/l/o/e,a/u,n,m k,cgrp/y/i,f/h/s/l/o/e,au,n,m,人名體徵 藥物(A16/C10)、中間產物(k,c/g/r/p/y/i,f/h/s/o/e,a/u,n,m)

準備階段[編輯]

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。

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醣激酶所催化反應，此反應的標準自由能變化千卡/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，與己醣分子結合，本身的構形會發生改變，催化葡萄糖磷酸化，既然被命名為己醣激酶，代表其不僅僅催化右旋-葡萄糖，而也具備催化其他六碳的醣類，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醣激酶，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醣激酶名叫葡萄糖激酶，這種酶只對葡萄糖有專一性，並不會與所有己醣發生作用，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毫莫耳/升，比己醣激酶的0.1毫莫耳/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。由於肝臟是肝糖的重要生成器官，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

D-葡萄糖 己醣激酶 一種轉移酶 α-D-葡萄糖-6-磷酸   ATP H+ + ADP

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[7][8]。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，使得糖解效率下降，阻斷了糖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+

β-D-果糖-6-磷酸 磷酸果糖激酶 一種轉移酶 β-D-果糖-1,6-二磷酸   ATP H+ + ADP

放能階段[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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。[10]

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[編輯]

平衡點[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

• 檸檬酸循環
• 發酵
• 糖質新生
• 磷酸戊醣途徑

參考文獻[編輯]

1. ^ 1.0 1.1 Glycolysis – Animation and Notes. [2015-01-17]. （原始內容存檔於2012-03-25）.
2. ^ Bailey, Regina. 10 Steps of Glycolysis. [2015-01-17]. （原始內容存檔於2013-05-15）.
3. ^ Romano AH, Conway T. (1996) Evolution of carbohydrate metabolic pathways. Res Microbiol. 147(6–7):448–55 PMID 9084754
4. ^ Keller, Ralser & Turchyn (2014). Non-enzymatic glycolysis and pentose phosphate pathway-like reactions in a plausible Archean ocean. Mol Syst Biol. 2014 Apr 25;10:725. doi: 10.1002/msb.20145228. PMID 24771084
5. ^ Kim BH, Gadd GM. (2011) Bacterial Physiology and Metabolism, 3rd edition.
6. ^ David L. Nelson & Michael M. cox. Lehinger. Principles of Biochemistry. 4th edition. Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
7. ^ Reeves, R. E.; South D. J., Blytt H. J. and Warren L. G. Pyrophosphate: D-fructose 6-phosphate 1-phosphotransferase. A new enzyme with the glycolytic function 6-phosphate 1-phosphotransferase. J Biol Chem. 1974, 249 (24): 7737–7741. PMID 4372217.
8. ^ Selig, M.; Xavier K. B., Santos H. and Schönheit P. Comparative analysis of Embden-Meyerhof and Entner-Doudoroff glycolytic pathways in hyperthermophilic archaea and the bacterium Thermotoga. Arch Microbiol. 1997, 167 (4): 217–232. PMID 9075622.
9. ^ 楊榮武生物化學原理，高等教育出版社, 2006. ISBN 7-04-019260-8
10. ^ Stryer et al. Biochemistry, WH Freeman Complany, 2006. ISBN 0-71-678724-5

外部連結[編輯]

• （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

閱 論 編 新陳代謝圖
葡糖醛酸代謝 戊醣相互轉換 肌醇代謝 纖維素與蔗糖代謝 澱粉與肝糖代謝 其他醣類代謝 磷酸戊醣途徑  糖解 與糖質新生 胺基糖代謝 小胺基酸合成 支鏈胺基酸合成 嘌呤生物合成 組胺酸代謝 芳香族氨 基酸合成 丙酮酸脫羧 發酵 脂肪酸代謝 尿素循環 天門冬胺酸族胺基酸合成  紫質類和 類咕啉代謝 檸檬酸循環  麩胺酸族 胺基酸合成 嘧啶生物合成

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