糖酵解glycolysis

糖在生物体内无氧降解为丙酮酸的一系列反应。又称EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnas Pathway)。糖酵解是除蓝绿藻外一切生物体共同的糖代谢途径。一分子葡萄糖经糖酵解生成2分子丙酮酸，同时得到2分子腺苷三磷酸(ATP)和2分子还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)。在无氧条件下，丙酮酸进行乳酸发酵或乙醇发酵，被NADH直接还原为乳酸或脱羧还原为乙醇。在有氧条件下，则进入三羧酸循环继续氧化，NADH在呼吸电子链中通过氧化磷酸化作用生成ATP。
化学历程 糖酵解的起始物质可以是淀粉或糖原，也可以是葡萄糖或果糖。如果是淀粉或糖原须先降解为葡糖-1-磷酸。糖酵解的化学历程（见图）可分为三个步骤：❶从一分子己糖形成2分子磷酸丙糖(甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮)。在此步骤消耗2分子ATP。
❷磷酸丙糖脱氢变成2-磷酸甘油酸。在此过程氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)被还原为NADH。并且每分子磷酸丙糖可产生一分子ATP。
❸2-磷酸甘油酸经过磷酸烯醇丙酮酸转变为丙酮酸。每形成一分子丙酮酸可产生一分子ATP。

糖 酵 解 途 径

总结整个糖酵解过程，如起始物质为己糖，总反应式为：

如起始物质为淀粉或糖原，总反应式为：

调控和生理意义 果糖-6-磷酸激酶和丙酮酸激酶是调节糖酵解的两个关键酶。前者是糖酵解速率的主要调节者，它被高浓度ATP所抑制，被ADP和Mg2+所活化，它的产物二磷酸果糖能活化丙酮酸激酶。后者被多种阳离子(Mg²⁺,K⁺)和ADP激活，受钙离子、ATP和柠檬酸的抑制。此外，糖酵解还可通过巴斯德效应来调节。
糖酵解的生理意义一为提供ATP，以满足各需能生理过程的需要，糖酵解除能通过底物水平磷酸化直接形成ATP外，生成的NADH在线粒体中又可通过氧化磷酸化产生ATP；二为提供生物合成反应所需的原料，糖酵解形成的一系列中间产物可参与植物体内其他代谢途径，合成植物需要的物质，如磷酸烯醇丙酮酸是合成莽草酸的重要原料，通过莽草酸可合成各种芳香族化合物，丙酮酸则是合成脂肪酸和萜类的原料。
巴斯德效应 指分子氧抑制乙醇发酵的现象，由巴斯德(L. Pasteur,1860年)所首先发现。乙醇发酵和乳酸发酵的正常进行都需要NAD和NADH的周转。当甘油醛-3-磷酸氧化为1,3-双磷酸甘油酸时，NAD被还原为NADH；而当丙酮酸被还原为乳酸或乙醛被还原为乙醇时，NADH又被氧化为NAD。这样周而复始。酵解作用得以连续进行。在有氧条件下NADH进入线粒体不断被氧化，丙酮酸或乙醛的还原受遏，发酵作用停止。供氧条件会影响糖酵解速度，因为调节糖酵解的果糖-6-磷酸激酶和丙酮酸激酶均受ATP的抑制，而被ADP所活化。在有氧条件下ADP浓度降低而ATP和柠檬酸浓度提高，因此这两种酶的活性都受到抑制，从而减慢了糖酵解速度。

糖酵解glycolysis

又称EMP途径。生物体内由葡萄糖降解为丙酮酸的一系列反应。在细胞质中进行。除蓝绿藻外，它是一切生物体内有氧和无氧条件下共同的糖代谢途径。起始物质是葡萄糖（或淀粉和糖元）,1分子葡萄糖经糖酵解生成2分子丙酮酸、2分子三磷酸腺苷(ATP)和2分子还原态二磷酸

糖酵解途径

(P)磷酸根；(R)无机磷酸

❶己糖激酶
❷葡萄糖磷酸异构酶
❸6-磷酸果糖激酶
❹果糖二磷酸醛缩酶
❺磷酸丙糖异构酶
❻磷酸甘油醛脱氢酶
❼磷酸甘油激酶
❽磷酸甘油酸激酶变位酶
❾烯醇化酶
❿丙酮酸激酶

吡啶核苷酸(NADH)。总反应式为：C₆H₁₂O₆+2NAD++2ADP+2Pi→2CH₃COCOOH+2NADH+2H⁺+2ATP。生成的丙酮酸在无氧条件下进行乳酸或乙醇发酵，在有氧条件下则进入三羧酸循环而被彻底氧化。糖酵解速率主要受氧浓度和关键酶——磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性所调节。其生理意义是供给生物可利用能量形式ATP。其中间代谢物是合成脂肪、蛋白质等物质的原料。

糖酵解tangjiaojie

指1分子葡萄糖(含6个碳原子)酶促降解成2分子丙酮酸(含3个碳原子)的过程，共包括10步连续的酶促反应。酵解是在动植物和许多

图531 酵解终产物丙酮酸的分解代谢途径，依生物和代谢条件的不同而变化

微生物中普遍存在的糖分解代谢途径。不同物种的糖酵解过程的差异，仅在于其速度的调节方式和产物丙酮酸如何进一步代谢。酵解后，丙酮酸有3条重要去路。在需氧生物中，酵解仅是葡萄糖彻底氧化分解生成CO₂和水的最初阶段。酵解生成的丙酮酸进一步氧化，经以CO₂的形式丢失其羧基，转变成乙酰辅酶A的乙酰基。随后在分子氧的参与下，乙酰基经三羧酸循环彻底氧化成CO₂和H₂O。这是需氧的动植物细胞中丙酮酸的分解代谢途径。丙酮酸的第2条代谢途径是还原成乳酸。当某些动物组织必须在无氧的条件下完成其功能时（特别是强烈收缩的骨骼肌），由于缺氧，从葡萄糖生成的丙酮酸不能进一步氧化，便还原成乳酸。这个过程叫做无氧酵解，是骨骼肌强烈活动时的重要三磷酸腺苷(ATP)来源。乳酸也是进行乳酸发酵的厌氧微生物的酵解产物，是乳酸菌引起牛奶变酸和发酵制成的泡菜有淡酸味道的原因。丙酮酸的第3条主要代谢途径是生成乙醇。在啤洒酵母等微生物中，葡萄糖酵解产生的丙酮酸在无氧条件下转变成乙醇和CO₂，这个过程叫做生醇发酵或酒精发酵。发酵是一个普通的词，表示生物为获取ATP所进行的葡萄糖或其他有机营养物的无氧分解，因物种不同而生成不同的产物。因为生物首先在缺少氧气的大气中出现，葡萄糖的无氧分解是从有机燃料分子获取能量的生物机制中最古老的类型。葡萄糖分子蕴藏很多能量，是大多数生物的主要能源物质。葡萄糖彻底氧化分解成CO₂和水可产生能量686千卡/摩尔，而酵解产生3碳化合物丙酮酸或乳酸，所产生的能量有限。每摩尔葡萄糖经无氧酵解生成乳酸，仅释放能量47千卡，占总能量的(47/686)6.9%。酵解作用与二磷酸腺苷(ADP)与磷酸(Pi)生成三磷酸腺苷(ATP)的反应偶联，葡萄糖分解所释放的能量，除一部分以热能的形式散失外（可以维持体温），其他转化为ATP的形式才能作功，为机体所利用。以葡萄糖分解产生乳酸为例，整个无氧酵解过程可分为两个阶段。第1阶段的结果是：含6个碳原子的葡萄糖转变成2分子的3-磷酸甘油醛(含3个碳)，在这个阶段中糖磷酸化时消耗ATP。第2个阶段是：3-磷酸甘油醛转变成乳酸。这个阶段与生成ATP的反应偶联，有两步反应产生ATP；还有一步脱氢反应，产生还原型的

图532 无氧酵解的两个阶段
(括号内数字表示参加反应的分子数目，葡-6-磷即6-磷酸葡萄糖，果-6-磷即6-磷酸果糖)

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH+H⁺。此辅酶用于丙酮酸还原成乳酸的反应中，本身转变成氧化型(NAD⁺)。总的平衡方程式是：葡萄糖+2Pi+2ADP→2乳酸+2ATP+2H₂O，即在每分子葡萄糖转变成2分子乳酸的过程中净生成2分子ATP，这个过程虽包含一个脱氢反应，但整个过程可在无氧条件下进行。在有氧情况下，丙酮酸不还原成乳酸而是进一步氧化分解；酵解过程所产生的NADH+H⁺通过呼吸链将氢传递给氧，可多产生(2×3)=6个ATP分子。虽然无氧酵解产生的能量较少，葡萄糖分解到乳酸阶段并不是浪费，而是不经过氧化反应，就能从葡萄糖获取自由能的成功手段；它可以完成独特的功能，特别在某些动物的肌肉活动中非常重要。肌肉收缩后扩散入血的乳酸，在恢复期内，可在肝中再转变成血糖重新利用。大多数骨骼肌含有红纤维和白纤维两种纤维。白纤维的收缩速度很快，含有的线粒体较少，主要从糖的无氧酵解获得能量；因此只能作短期的、高速度的功。与此相反，红纤维收缩较慢，富含线粒体，主要通过能源物质的有氧氧化来得到能量，有持久的活性。家火鸡的飞肌几乎全由白纤维组成，只能作极短时间的飞行。马的腿肌主要含红纤维，能长期奔跑。一般说，小动物的循环系统能快速地向其肌肉输送足够的氧，以避免在无氧的条件下利用肌糖原。如候鸟作长距离高速飞行，中途也不休息。许多中等大小、善跑动物的红肌中，也有必要的需氧代谢，较大的动物一般在正常的环境中动作迟缓，遇到意外事故时才有激烈的肌肉活动。因为其血液循环不能供应维持肌肉有氧代谢所需的氧。如鳄鱼平时又懒又迟钝，可是当受刺激时能在一眨眼间发起袭击，用有力的尾巴猛抽。在这种快速的意外动作中，从贮量不多的肌糖原无氧酵解获取能量，事后需要许多小时的休息或恢复期，以再合成肌糖原和清除肌肉和体液中积累的高浓度乳酸。对于人类来说，突发的肌肉活动，如100米短跑，也主要依靠肌糖原的无氧酵解。短跑时糖酵解的速度可增加达1000倍左右。高速度的酵解在短期内可为短跑者提供足够的能量。按肌糖原完全耗尽计算，可维持全速短跑80秒，但实际上全速短跑持续时间最多不超过20秒，说明肌糖原仅消耗不到一半。跑后要休息到呼吸速度恢复正常才意味着积累的乳酸已清除，肌糖原也达到正常的贮量。一个训练有素的运动员在100米跑后只需要不到半小时的恢复期。有时糖酵解专指糖的无氧酵解。

糖酵解

糖的无氧分解是指在组织细胞内无氧条件下，一分子葡萄糖分解为二分子乳酸的过程。此过程和酵母使糖发酵生成乙醇的过程基本相同，因此，亦称为糖酵解作用。葡萄糖经糖酵解和生醇发酵都转变为丙酮酸，二者不同的地方是在于糖酵解生成的丙酮酸直接被还原为乳酸，而生醇发酵生成的丙酮酸则先脱羧成乙醛，然后还原成乙醇。
各种生物，从低等微生物直到人体，普遍存在糖酵解途径，它是生物进化中古老的代谢方式，经过漫长的进化过程，在人类，糖酵解已非主要的供应能量的途径。糖酵解的化学步骤 葡萄糖酵解转变为乳酸要经过许多步反应。全部过程可分为两个阶段，第一阶段是释放能量的准备阶段，包括从葡萄糖转变为3磷酸甘油醛的四步反应； 第二阶段为产生能量阶段，包括从3磷酸甘油醛氧化到生成丙酮酸各步反应。分述如下：
(1) 6磷酸葡萄糖的生成 糖酵解第一步是自由葡萄糖被ATP磷酸化，生成6磷酸葡萄糖。这一步是耗能反应，消耗一个ATP。
催化此反应的酶是己糖激酶，此酶的特异性不很严格，它能催化葡萄糖、果糖、甘露糖、氨基葡萄糖等进行磷酸化作用。高等动物有四种己糖激酶同功酶，分别称为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型，它们在体内分布情况不同，催化的性质也不完全相同（见表）。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型三者较相近，它们与Ⅳ型酶有较大的差别，前三者与作用物的亲和力较后者高、而且可作用于葡萄糖及果糖，而Ⅳ型只作用于葡萄糖，所以Ⅳ型己糖激酶又称为葡萄糖激酶。在组织中的分布，Ⅰ型主要在脑及肾，Ⅱ型主要在骨胳肌及心肌，Ⅲ型在肺、肝、脾脏，Ⅳ型则在肝脏。Ⅰ、Ⅱ、

四种己糖激酶同功酶的性质

性质	Ⅰ型	Ⅱ型	Ⅲ型	Ⅳ型
分子量×103 Km(mmol/L)葡萄糖 6-磷酸葡萄糖抑制	100 0.05 +	100 0.2 +	100 0.007 +	50.68 12 -

Ⅲ型都受产物6磷酸葡萄糖的抑制，Ⅳ型不受抑制，但胰岛素可以诱导Ⅳ型酶的生成，Ⅳ型的这一特性，对于保证肝脏合成糖原的功能有重要意义。6磷酸葡萄糖是合成糖原的中间产物，当细胞内自由葡萄糖的浓度增高时，可以不受阻碍地转变为6磷酸葡萄糖，进而合成为糖原。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型己糖激酶都受6磷酸葡萄糖抑制。在6磷酸葡萄糖浓度高时，糖的降解受到抑制，避免能源的浪费。无机磷酸能迅速解除6磷酸葡萄糖对Ⅰ型酶的抑制。无机磷酸虽也能解除6磷酸葡萄糖对Ⅱ型酶的抑制，但远不及对Ⅰ型酶那样敏感。这可能是由于Ⅰ型酶存在于脑组织中，脑组织始终要保持一定的糖的氧化分解速度，只要有少量的无机磷酸存在，就能解除6磷酸葡萄糖的抑制，使糖降解代谢以正常的速度进行。
(2) 6磷酸葡萄糖转变为6磷酸果糖： 在磷酸己糖异构酶催化下，6磷酸葡萄糖转变为6磷酸果糖。
此酶已从人骨胳肌纯化，分子量是130 000，可以解离为亚基，不需要辅助因子。
(3) 6磷酸果糖转变为1,6二磷酸果糖： 6磷酸果糖在磷酸果糖激酶催化下，与ATP起反应，进行磷酸化生成1,6二磷酸果糖。磷酸果糖激酶已从肌肉制成纯品。此酶需要Mg²⁺，对6磷酸果糖有特异性。
磷酸果糖激酶是一变构酶，对酵解途径起调节作用。ATP及柠檬酸抑制它的活性，AMP、ADP及6磷酸果糖能促进它的活性。
磷酸果糖激酶的分子量为3至6×105，可以解离为四个亚基。它也像其他变构酶一样，它的反应动力学曲线呈S型。
(4) 1,6二磷酸果糖裂解为磷酸丙糖： 1,6二磷酸果糖在醛缩酶的催化下，裂解生成二分子磷酸丙糖，即磷酸二羟丙酮和3磷酸甘油醛。Warburg首先从酵母纯化此酶，现在已从许多动物、植物及微生物制得此酶的结晶，证明此酶广泛存在于自然界中。
(5)磷酸丙糖的互变： 磷酸二羟丙酮和3磷酸甘油醛是同分异构体，在磷酸丙糖异构酶作用下可以互相转变。
磷酸二羟丙酮和3磷酸甘油醛在体内可以互变，但只有3磷酸甘油醛能循酵解途径转化，所以，磷酸二羟丙酮都转变为3磷酸甘油醛继续代谢。
(6) 3磷酸甘油醛氧化为1,3二磷酸甘油酸： 此反应是糖酵解途径产能阶段的第一步。3磷酸甘油醛在3磷酸甘油醛脱氢酶催化下，氧化为1,3二磷酸甘油酸。反应过程需要无机磷酸参加。在醛基氧化为羧基时，释出的能量不是以热的形式发散，而是保存在1,3二磷酸甘油酸的酰磷酸基上。NAD+是3磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶。
3磷酸甘油醛脱氢酶已从兔肌肉制得结晶，分子量为145000，是由四个相同的亚基构成的四聚体。此酶含有
—SH基，在催化3磷酸甘油醛脱氢时，酶分子的—SH基与醛基以硫酯键结合，脱下的氢原子(2H)由NAD+接受，变为NADH+H+。
然后3磷酸甘油酰酶复合物裂解，酰基从酶分子上转移给无机磷酸，生成含有高能磷酸键的1,3二磷酸甘油酸，酶恢复自由状态。
3磷酸甘油醛脱氢酶分子的—SH基，必须呈还原状态，此酶才具有活性。碘代乙酸及其酰胺对糖酵解有强烈的抑制作用，是由于这些化合物与酶的—SH基生成不可逆的共价结合，因此不可逆地阻断酶的催化活性。
(7) 1,3二磷酸甘油酸转变为3磷酸甘油酸： 磷酸甘油酸激酶催化1,3二磷酸甘油酸把磷酸基转移给ADP，生成ATP和3磷酸甘油酸。此酶的名称是从逆反应而来的，即催化一个高能磷酸键从ATP转移给3磷酸甘油酸。
1,3二磷酸甘油酸1位上磷酸基水解时，△G′=-49kJ(11.8KCal),ATP末端磷酸基水解时，△G′=-31kJ(-7.3KCal)，照此计算，反应(6)的△G′应是-18.82kJ(4.5KCal)。这在热力学上有利于ATP的生成，但如果ATP: ADP的比率是10:1,3磷酸甘油酸与1,3二磷酸甘油酸的比率超过200:1，则反应(6)将是可逆的。
当一分子葡萄糖通过糖酵解途径从反应(1)到反应(6)转变为二分子3磷酸甘油酸时，在反应(1)和反应(3)共消耗掉二分子ATP，而在反应(6)进行两次，共生成二分子ATP，刚好互相抵销。从这步以后，反应过程添加多少个分子ATP，就是代表净生成的数量。
(8) 3磷酸甘油酸转变为2磷酸甘油酸： 3磷酸甘油酸转变为它的异构体2磷酸甘油酸是由磷酸甘油酸变位酶催化的。
此酶的作用机理尚未充分了解。从兔肌肉制得结晶的磷酸甘油酸变位酶(分子量64 000)，需要2,3二磷酸甘油酸为辅助因子。
(9) 2磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸： 从2磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，是由烯醇化酶催化的。
此酶(分子量88,000)需要Mg2+或Mn2+以维持酶的活性构象，氟离子抑制糖酵解途径，就是由于氟磷酸镁的形成而抑制烯醇化酶。氟与镁和无机磷酸形成一个复合物，取代了天然情况下酶分子上镁离子的位置，从而使酶失活。此酶催化的脱水反应，引起分子内的电子重排，因而改变了能量分布的状态，又产生一个高能磷酸键。
(10) 磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸 丙酮酸激酶催化高能磷酸基从磷酸烯醇式丙酮酸转移到ADP，生成一分子A^TP及丙酮酸。
从兔肉制得的丙酮酸激酶的分子量为237 000，是一个四聚体，含有两个相同的催化单位，K+对酶有激活作用。此酶催化的反应在生理情况下是一种不可逆反应。酶的活性受一些效应剂的调节，是一个变构酶。鼠及人体组织中至少有三种同功酶，L型主要在肝脏，A型主要在肾脏，M型主要在肌肉。三种同功酶反应动力学有差异，L型对变构效应剂最敏感。从鼠、猪肝制得的L型丙酮酸激酶，能被肝脏的蛋白激酶催化磷酸化，此蛋白激酶受cAMP的激活。但肌肉中M型酶及肾中A型酶都没有磷酸化作用发生。所以丙酮酸激酶的磷酸化，是L型酶所特有。L型酶磷酸化后，酶的活力就降低。鼠肝内存在一种磷酸酶，可以使磷酸化的丙酮酸激酶脱磷酸，脱磷酸后，被抑制的酶活力又明显恢复。
(11) 丙酮酸还原为乳酸： 糖酵解途径最后一个反应，是丙酮酸还原为乳酸。3磷酸甘油醛氧化时，NAD+被还原为NADH。NADH必须再生为NAD+，而且其再生速率要与酵解速率相适应，酵解才能继续进行。在无氧条件下，NAD+的再生是由乳酸脱氢酶催化丙酮酸还原为乳酸的反应来实现的。乳酸是糖酵解代谢的最终产物。
乳酸脱氢酶是由两种(H及M)不同的四个亚基 (MW=35 000)所组成的四聚体，有五种同功酶，即H4(LD1)、MH3(LD2)、M2H 2(LD3)、M3H(LD4)、M4(LD5)。H4型酶主要存在于心肌中，M4型酶主要存在于骨胳肌中。H4型酶受作用物丙酮酸的抑制，故在心肌中反应趋向于丙酮酸一侧。M4型酶催化效力随丙酮酸的浓度升高而增加，所以在骨胳肌中，反应趋向于乳酸一侧。H4和M4型酶所具有的不同性质，与心肌及骨胳肌这两种组织实现不同的任务是一致的。心肌需要恒定地供应能量，这由葡萄糖转变为丙酮酸，然后丙酮酸经过三羧酸循环，氧化为CO2及H2O，释放出最大量的能量，以满足这种要求。这一过程需要供应充分的氧。而骨胳肌在氧供应不足，而短期内又需要大量能量时，其所需能量将由糖酵解途径供应。糖酵解途径中有ATP生成，但无需氧的供应，故大量的丙酮酸被还原为乳酸，以满足骨胳肌的需要。事实上，像心脏这样连续跳动的组织，心肌中有H4型乳酸脱氢酶存在，而鸡及雉鸡要作突然短程飞翔的飞翔肌中，则M4型乳酸脱氢酶占优势。
糖酵解的全过程，虽然有氧化还原反应，但无需氧分子参加，因此是一个不需氧的产能途径。在生理情况下，糖酵解的酶系中，除了己糖激酶，6磷酸果糖激酶及丙酮酸激酶所催化的反应为不可逆的反应外，其余都是可逆反应，故上述三个酶为调节糖酵解进行的关键酶。
糖酵解的生理意义 糖酵解是生物界普遍存在的供能途径，但此途径净生成二分子ATP，产生的能量不多，而且在一般生理情况下，大多数组织有足够的氧，以供有氧氧化之需，故糖酵解途径供能意义不大，但少数组织，例如视网膜，睾丸，肾髓质及血细胞等在氧充分供应时，也能进行强烈酵解。成熟的红细胞则仅靠葡萄糖酵解以获得能量。
在某些情况下，糖酵解有特殊的生理意义。例如激烈运动时，能量的需要增加，糖分解加速，此时即使呼吸和循环加快以增加氧的供应量，但仍不足以满足体内糖完全氧化时所需要的氧量，这时肌肉处于相对缺氧状态，糖酵解过程因之增加，以补充运动所需的能量。在激烈运动后，血中乳酸浓度成倍地增高，这是糖酵解加强的结果。又如人们从平原进入高原的初期，组织细胞也往往通过增强糖酵解来获得能量。
在病理情况下，例如严重贫血，大量失血，呼吸严重障碍，肺及心血管等疾患引起机体缺氧，组织细胞也可增强糖酵解以获得能量。但糖酵解所供给的能量毕竟很少，糖酵解过度，甚至可因乳酸产生过多，而导致酸中毒。