糖的无氧分解

在缺氧的情况下，葡萄糖生成乳酸的过程称为糖的无氧分解，也称糖酵解（glycolysis）。

（一）糖酵解的反应过程

该过程可分为两个阶段：第一个阶段是由葡萄糖分解成丙酮酸的过程称为糖酵解途径；第二个阶段为丙酮酸转变为乳酸的过程。由于催化糖酵解反应的酶均存在于细胞质中，故糖酵解的全部反应在细胞质中进行。

1．葡萄糖分解成丙酮酸——糖酵解途径

（1）葡萄糖磷酸化成6－磷酸葡萄糖（glucose－6－phosphate，G－6－P）：葡萄糖进入细胞后首先发生C6的磷酸化生成6－磷酸葡萄糖，磷酸基团由ATP提供。磷酸化的葡萄糖不能自由通过细胞膜而逸出细胞。此反应在细胞内不可逆，由己糖激酶（hexokinase，HK）催化。哺乳类动物体内已发现有四种己糖激酶的同工酶，分别称为Ⅰ至Ⅳ型。肝细胞中存在的是Ⅳ型，通常称为葡萄糖激酶（glucokinase，GK），它对葡萄糖的亲和力很低，Km值为10mmol／L左右，在较高的葡萄糖浓度时才能充分发挥作用。而Ⅰ～Ⅲ型己糖激酶对葡萄糖有较高的亲和力，Km值为0．1mmol／L左右。当血糖浓度升高时，GK的活性增高，肝脏可不断地将葡萄糖转变为6－磷酸葡萄糖，进而合成糖原而减缓血糖浓度的升高；血糖浓度降低时，GK活性降低，从而避免肝脏从血液中摄取过多的葡萄糖。因此，GK在调节葡萄糖的磷酸化及维持血糖水平恒定方面起着重要的生理作用。该步反应是耗能反应，消耗1分子ATP，反应不可逆。这是糖酵解过程中第一个限速步骤。己糖激酶（或葡萄糖激酶）为限速酶。

若糖原分子中的葡萄糖基进入糖酵解途径时，则必须先在磷酸化酶的作用下生成1－磷酸葡萄糖，然后再转变为6－磷酸葡萄糖。

（2）6－磷酸葡萄糖转变为6－磷酸果糖（fructose－6－phosphate，F－6－P）：这是由磷酸己糖异构酶催化的己醛糖和己酮糖之间的异构化反应，是需要Mg2＋参与的可逆反应。

（3）6－磷酸果糖转变为1，6－二磷酸果糖（fructose－1，6－biphosphate，F－1，6－BP或FBP）：该反应需ATP和Mg2＋参与，由6－磷酸果糖激酶－1（6－phosphofructo－kinase－1，PFK1）催化，反应不可逆，是糖酵解的第二个限速步骤，6－磷酸果糖激酶－1是糖酵解过程最重要的限速酶。

（4）磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖：此反应可逆，由醛缩酶催化1，6－二磷酸果糖裂解为磷酸二羟丙酮和3－磷酸甘油醛。

（5）磷酸二羟丙酮和3－磷酸甘油醛互为同分异构体，在磷酸丙糖异构酶催化下可相互转变。由于3－磷酸甘油醛不断进入糖酵解的后续反应，磷酸二羟丙酮就不断向3－磷酸甘油醛转化，其结果相当于1分子1，6－二磷酸果糖生成2分子3－磷酸甘油醛。

（6）3－磷酸甘油醛氧化为1，3－二磷酸甘油酸：3－磷酸甘油醛脱氢酶催化3－磷酸甘油醛的醛基氧化为羧基以及羧基的磷酸化，NAD＋为其辅酶接受氢和电子。氧化时释出的能量保存于羧酸与磷酸构成的混合酸酐内，生成高能化合物1，3－二磷酸甘油酸，这是糖酵解过程中惟一的脱氢反应，反应过程可逆。

（7）1，3－二磷酸甘油酸转变成3－磷酸甘油酸：在Mg2＋存在下，磷酸甘油酸激酶催化混合酸酐上的磷酸基团转移给ADP生成ATP和3－磷酸甘油酸，这是糖酵解过程中第一个产生ATP的反应。这种将底物分子中的高能磷酸基直接转移给ADP生成ATP的过程称为底物水平磷酸化。

（8）3－磷酸甘油酸转变为2－磷酸甘油酸：由磷酸甘油酸变位酶催化，3－磷酸甘油酸C3位上的磷酸基转移到C2位上，生成2－磷酸甘油酸。此反应可逆，在反应中Mg2＋是必需的。

（9）2－磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸：由烯醇化酶催化，2－磷酸甘油酸在脱水过程中引起分子内部电子重排和能量重新分布，生成高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸。

（10）磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸：此反应由丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）催化，需要K＋和Mg2＋参与。磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸基转给ADP生成ATP及丙酮酸。这是糖酵解途径中第二次底物水平磷酸化，反应不可逆，是糖酵解途径中第三个限速步骤。

2．丙酮酸还原成乳酸　这一反应由乳酸脱氢酶催化，乳酸脱氢酶的辅酶是NAD＋或NADH＋H＋。丙酮酸还原成乳酸所需供氢体NADH来自于3－磷酸甘油醛的脱氢反应。在缺氧情况下，NADH＋H＋供氢给丙酮酸还原为乳酸后转变为NAD＋，继续参与3－磷酸甘油醛的脱氢，糖酵解才能继续进行，该反应可逆。当供氧充足时，细胞质中生成的NADH＋H＋则可进入线粒体，经呼吸链氧化生成水同时释出大量能量。

糖酵解的全部反应过程可归纳如图4－1。

图4－1　糖酵解的代谢途径

（二）糖酵解反应的特点

1．糖酵解反应的全过程没有氧的参与，乳酸是糖酵解的终产物。

2．糖酵解反应过程中释放的能量较少。通过两次底物水平磷酸化，1分子葡萄糖可净生成2分子ATP；若从糖原开始，则糖原分子的一个葡萄糖单位经糖酵解净生成3分子ATP。

3．糖酵解反应过程有三步不可逆反应，分别由己糖激酶（肝中为葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶－1和丙酮酸激酶催化，也是糖酵解途径的关键酶，其中以磷酸果糖激酶－1的活性最低，是最重要的限速酶。

（三）糖酵解的调节

糖酵解的调节主要通过调节上述三个关键酶的活性来实现。

1．激素的调节作用　胰岛素可诱导糖酵解反应中三个关键酶的合成，提高其催化活性，因而使糖酵解过程增强。

2．代谢物对限速酶的变构调节　6－磷酸果糖激酶－1是调节糖酵解速度最主要的调节点，它是一个四聚体，受多种变构效应剂的影响。ATP和柠檬酸是此酶的变构抑制剂；AMP、ADP、1，6－二磷酸果糖和2，6－二磷酸果糖是该酶的变构激活剂，其中2，6－二磷酸果糖的作用最强。AMP可与ATP竞争变构结合部位，抵消ATP的抑制作用。

当消耗能量过多，ATP／AMP比值降低时，6－磷酸果糖激酶－1被激活，加速糖的分解；反之，细胞内ATP储备丰富时，通过糖酵解分解的葡萄糖就减少。

（四）糖酵解的生理意义

糖酵解最主要的生理意义是为机体迅速提供能量，这对肌肉收缩尤为重要。1分子葡萄糖酵解可净生成2分子ATP，糖原分子中的每个葡萄糖单位酵解可净产生3分子ATP，糖酵解产生的能量虽然不多，但在某些情况下具有重要意义。

1．在机体缺氧时迅速提供能量供机体需要　正常生理情况下，人体主要靠糖的有氧氧化供能。但在氧供应不足时，如剧烈运动肌肉处于相对缺氧的状态，或者呼吸、循环障碍、严重贫血、大量失血等造成机体缺氧情况下，能量主要通过糖酵解获得。

2．是某些组织和细胞的主要获能方式　成熟红细胞没有线粒体，不能进行糖的有氧氧化，完全依赖糖酵解供应能量；神经、白细胞、骨髓等组织代谢极为活跃，即使不缺氧也常由糖酵解提供部分能量；视网膜、睾丸等也主要以糖酵解供能。