二、糖酵解

二、糖酵解

糖的无氧分解是指动物体内组织在无氧情况下，细胞液中葡萄糖降解为乳酸并伴随着少量ATP生成的一系列反应，因与酵母菌使糖生醇发酵的过程相似，因而又称为糖酵解（glycolysis）。糖酵解全过程的揭示，浸透着许多科学家的心血，尤以生物化学家G.Embden、O.Meyerhof、J.K.Parnas等的贡献最大，故糖酵解途径又叫Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径。

（一）糖酵解的反应过程

糖酵解是在细胞液中进行的一系列酶促反应。从葡萄糖开始直到生成乳酸，全过程共有11步，分为两个阶段。1分子葡萄糖经第一阶段共5步反应，消耗2分子ATP，为耗能过程，葡萄糖或糖原通过磷酸化作用为其分解代谢做好准备，然后再裂解为三碳糖，即3-磷酸甘油醛。第二阶段6步反应生成4分子ATP，为释能过程。

1.糖酵解的反应

（1）第一阶段生成三碳糖；由葡萄糖经过磷酸化分解为三碳糖，每分解1分子葡萄糖消耗2分子ATP。该阶段有5步反应：磷酸化、异构化、再磷酸化、裂解及异构化。

①葡萄糖的磷酸化　进入细胞内的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phophate, G-6-P），磷酸根由ATP供给，这一过程不仅活化了葡萄糖，有利于它进一步参与合成与分解代谢，同时还能使进入细胞的葡萄糖不再逸出细胞（图3-16），催化此反应的酶是己糖激酶（hexokinase, HK）。己糖激酶催化的反应不可逆，反应需要消耗能量ATP, Mg2+是反应的激活剂，它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖进行不可逆的磷酸化反应，生成相应的6-磷酸酯。6-磷酸葡萄糖是HK的反馈抑制物。HK是糖氧化反应过程的限速酶（rate-limiting enzyme）或称关键酶（key enzyme），它有同工酶Ⅰ～Ⅳ型，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外组织，Ⅳ型主要存在于肝，特称葡萄糖激酶（glucokinase, GK）。

磷酸基团的转移是生物化学中的一个基本反应，将磷酰基从ATP上转移至受体上的酶称为激酶（kinase）。己糖激酶就是把ATP上的磷酰基转移到各种己糖上的酶。

②6-磷酸葡萄糖异构化为6-磷酸果糖　在磷酸己糖异构酶（phosphohexose isomerase）的催化下，6-磷酸葡萄糖的六元吡喃环转变为6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate, F-6-P）的五元呋喃环（图3-17）。此反应是可逆的。

在葡萄糖的开链形式中，C1上有一个醛基，而果糖的开链形式在C2上有一个酮基。因此，6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖的异构化反应，就是醛糖向酮糖的转变。开链反应式可以表示这一反应的实质（图3-18）。

③6-磷酸果糖被ATP磷酸化为1，6-二磷酸果糖　此反应由磷酸果糖激酶（phosphofructokinase, PFK）催化，将ATP的磷酰基转移到6-磷酸果糖的C1上，形成1，6-二磷酸果糖（图3-19）。

④1，6-二磷酸果糖的裂解　1，6-二磷酸果糖在醛缩酶（aldolase）的催化下使C2和C4之间的键断裂产生2个三碳糖，即3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（图3-20）。此反应是可逆的。醛缩酶的名称来自其逆向反应的性质——醛醇缩合反应。

平衡有利于向左进行。但在正常生理条件下，由于3-磷酸甘油醛在下一阶段的反应中不断地被氧化消耗，使细胞中3-磷酸甘油醛的浓度大大降低，从而使反应向裂解方向进行。

⑤磷酸三碳糖的互变　3-磷酸甘油醛在糖酵解途径的主线上，磷酸二羟丙酮不能继续进入糖酵解途径，但可以很快转变成3-磷酸甘油醛。这两种化合物互为异构体，可在磷酸三碳糖异构酶（triose phosphate isomerase）的催化下相互转变（图3-21）。

这个反应是一个快速的可逆反应，达到平衡时，三碳糖中的96%为磷酸二羟丙酮。但由于3-磷酸甘油醛被后面的反应有效利用，因此该反应仍然向着生成3-磷酸甘油醛的方向进行。

（2）第二阶段生成乳酸；前面的反应已经将1分子的葡萄糖转变为2分子的3-磷酸甘油醛，还没有任何能量产生，但有2分子的ATP被消耗掉。接着进入收集3-磷酸甘油醛储存的能量的阶段。在这一阶段中，3-磷酸甘油醛氧化释放能量，并形成ATP，包括6步反应：

①3-磷酸甘油醛氧化为1，3-二磷酸甘油酸。3-磷酸甘油醛在有NAD+和无机磷酸（Pi）时，被3-磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehydes-3-phosphate dehydrogenase）所催化，氧化脱氢并磷酸化转变为含1个高能磷酸键的1，3-二磷酸甘油酸（1，3-biphospho glycerate）（图3-22）。

此反应既是氧化反应，又是磷酸化反应，是糖酵解中最复杂的一步反应。在这步氧化还原反应中有高能磷酸化合物形成。3-磷酸甘油醛C1的醛基被转化成酰基磷酸，这是由磷酸和羧酸形成的混合酸酐，它具有转移磷酸基的高势能，形成这种酐所需要的能量来自于醛基的氧化。NAD+是该氧化反应的电子受体，被还原后形成1分子NADH。

②从1，3-二磷酸甘油酸形成ATP　这一步反应是利用1，3-二磷酸甘油酸的磷酸基团转移势能来形成ATP。磷酸甘油酸激酶（phosphaglycerate kinase, PGK）催化1，3-二磷酸甘油酸分子C1上的高能磷酸基团转移给ADP，生成3-磷酸甘油酸和ATP（图3-23）。

3-磷酸甘油醛氧化产生的高能中间产物将其高能磷酸基团直接转移给ADP而生成ATP，这是糖酵解途径中第一次产生能量的反应。因为至此1分子葡萄糖已分解产生了2分子的三碳糖，所以实际上共产生了2分子ATP，这样就抵消了葡萄糖在磷酸化过程中消耗的2分子ATP。这种底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）。此激酶催化的反应是可逆的。

③α-磷酸甘油酸异构化　在磷酸甘油酸变位酶（phosphoglycerate mutase）的作用下，3-磷酸甘油酸变为2-磷酸甘油酸，这一步反应实际上是分子内磷酸基团的重排。变位酶一般指能催化分子内部化学基团转移的酶。此反应是可逆的（图3-24）。

④2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸　在Mg2+或Mn2+参与的条件下，由烯醇化酶（enolase）催化2-磷酸甘油酸脱去1分子水，生成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）（图3-25）。

这是一个分子内脱水形成双键的反应。在脱水过程中发生了歧化反应，C2被氧化，C3被还原，使分子内部能量重排，C2上的低能磷酸基转变为高能磷酸基团。反应需要Mg2+或Mn2+存在。磷酸烯醇式丙酮酸是高能化合物，且非常不稳定。

⑤磷酸烯醇式丙酮酸转移磷酸基团产生ATP　在Mg2+、K+或Mn2+的参与下，丙酮酸激酶（pyruvate kinase, PK）催化磷酸烯醇式丙酮酸的磷酰基转移给ADP，形成烯醇式丙酮酸和ATP（图3-26）。因为烯醇式丙酮酸很不稳定，它迅速重排形成丙酮酸，这一步反应不需要酶的参加（图3-27）。

这是糖酵解过程中第二次产生能量的反应，ATP生成的方式也是底物水平的磷酸化反应，反应是不可逆的。

⑥丙酮酸的进一步代谢为乳酸　葡萄糖降解为丙酮酸，是所有生物细胞糖酵解的共同途径，而丙酮酸产生代谢能的途径是各式各样的。在无氧途径中，丙酮酸不能进一步氧化，只能进行乳酸发酵或乙醇发酵降解为乳酸或乙醇。在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA，经柠檬酸循环和电子传递链彻底氧化成CO2和H2O。

在许多微生物内，丙酮酸通常形成乳酸。当供氧不足时，高等生物的细胞，缺氧的细胞必须用糖酵解产生的ATP分子才能暂时满足对能量的需要。为了使3-磷酸甘油醛继续氧化，必须提供氧化型的NAD+。丙酮酸作为NADH的受氢体，使细胞在无氧条件下重新生成NAD+，于是丙酮酸的羧基被还原，生成乳酸。

丙酮酸被NADH还原为乳酸是由乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase）催化的。反应式如图3-28。

从葡萄糖转变为乳酸的总反应如下：

葡萄糖+2Pi+2ADP→2乳酸+2ATP+2H2O

⑦乙醇发酵　在大多数植物和微生物中，丙酮酸可经丙酮酸脱羧酶（pyruvate decarboxylase）催化脱羧生成乙醛，接着在乙醇脱氢酶的催化下，由NADH还原生成乙醇。反应分两步进行：

第一步反应是丙酮酸脱羧，由丙酮酸脱羧酶催化，焦磷酸硫胺素（thiamine pyrophosphate, TPP）作为辅酶参与反应，TPP是许多种脱羧酶的辅酶。第二步反应是在乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase）的作用下，乙醛被NADH还原为乙醇（图3-29）。

由葡萄糖转化为乙醇称为乙醇发酵（或酒精发酵），净反应如下：

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O

2.糖酵解的其他底物

葡萄糖不是糖酵解的唯一底物。细胞中的许多其他糖类通过转变，也可成为糖酵解的底物或中间产物进入酵解途径。不同底物进入糖酵解途径见图3-30。

（二）糖酵解的调节

糖酵解途径有双重作用：一是使葡萄糖降解产生ATP；二是为合成反应提供含碳单元。为适应细胞的代谢需求，葡萄糖转化为丙酮酸的速率是受到严格调节的。调节的位点常常是不可逆反应步骤。糖酵解中，己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应是不可逆的，这些酶除具有催化功能外，还有调节功能。它们的活性调节是通过变构调节或共价修饰来实现的。此外，这些关键酶的量，还可以随着转录调节而变化。变构调节、磷酸化调节和转录调节分别在毫秒、秒和小时数量级的时间内进行。

（三）糖酵解的生理意义

糖酵解在生物体中普遍存在，是葡萄糖进行无氧分解的共同代谢途径。通过糖酵解，生物体获得生命活动所需的部分能量。

在某些情况下，糖酵解具有特殊的生理意义。例如剧烈运动时，能量需求增加，糖分解加速，此时即使呼吸和循环加快以增加氧的供应量，仍不能满足体内糖完全氧化所需要的能量，这时肌肉处于相对缺氧状态，必须通过糖酵解过程，以补充所需的能量。在某些病理情况下，如严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肿瘤组织等，组织细胞也需通过糖酵解来获取能量。倘若糖酵解过度，可因乳酸产生过多，而导致酸中毒。

此外，糖酵解途径中形成的许多中间产物，可作为合成其他物质的原料，如磷酸二羟丙酮可转变为甘油等，这样就使糖酵解与其他代谢途径联系起来，实现物质间的相互转化。