葡萄醣解

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葡萄醣解（粵讀：pou⁴ tou⁴ tong⁴ gaai²，英文：Glycolysis），又叫醣解、醣解作用、醣酵解等，係所有生物細胞醣代謝過程嘅第一步。喺呢個過程，一粒葡萄醣分子，經過十步酵素反應，轉變成兩粒丙酮酸分子。依個分子，嚴格嚟講，應該係丙酮酸鹽，即係丙酮酸嘅陰離子形式。葡萄醣解形式，最著名同研究得最徹底嘅，係雙磷酸六碳醣降解途徑（Embden-Meyerhof途徑）。另一途徑係脫氧酮醣酸途徑（Entner-Doudoroff途徑），葡萄醣解可以用嚟概括所有呢啲途徑，但響呢度係當做雙磷酸六碳醣降解途徑嘅同義詞。

葡萄醣解，來自學名glycolysis，glyco- 卽葡萄醣，-lysis卽解。係分解葡萄醣等能量嘅過程。

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 H₃PO₄ → 2 NADH + 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 H₂O + 2 H⁺

葡萄醣解，見於細胞嘅細胞質。早先淨係知道冇氧環境，醣喺可以降解成乳酸，但係現時終於知道，無論有氧定係冇氧環境，醣經過同樣嘅過程，會分解成丙酮酸。唔同嘅係喺有氧條件，攞走丙酮酸一粒二氧化碳分子，剩低二碳片段，形成乙酸鹽，之後輔酶A，卽一種喺微生素B度衍生出嚟嘅含硫化合物，以唔穩定嘅化學鍵，接上乙酸，令到乙酰基，卽黐著嘅乙酸鹽，好活潑，呢個就係化學修飾物乙酰輔酶A，之後再進入夏禮輔循環。依個循環，又叫做檸檬酸循環或者三羧酸循環。

原核生物同真核生物，大部分缺氧細胞或者組織，如骨骼肌，丙酮酸會轉化成乳酸，或者好似醣類畀酵母分解噉樣，轉化成乙醇同二氧化碳。喺有氧環境做嘢嘅組織，如心肌細胞，將三碳嘅丙酮酸，分解成乙酰輔酶A同二氧化碳，乙酰輔酶A會再行夏禮輔循環，分解成二氣化碳同氫。氫會同氫載體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）同黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）結合成（NADH 同FADH₂ ）。喺線粒體行呼吸鏈，NADH同FADH嘅氧化會導致三磷酸腺苷（ATP）嘅產生，能量會儲存喺三磷酸腺苷嘅高能磷酸鍵，供細胞用。

葡萄醣解係唯一一條現代生物都具有嘅代謝途徑，出現時間非常早。葡萄醣解，最早可能三十五億年前，第一個原核生物就有。

葡萄醣解第一步，葡萄糖磷酸化成葡萄醣-6-磷酸。唔同細胞類型，酵素各異，喺所有嘅細胞入便，都有六碳醣激酶嚟催化，而喺肝同胰腺入便，就另外葡萄醣激酶，卽六碳醣激酶IV嘅酵素^[1]。磷酸化過程消耗一粒三磷酸腺苷分子，後面嘅過程證明，呢個係用法，回報豐厚。 細胞膜畀葡萄醣通過，但磷酸化產物6-磷酸葡萄醣通唔過，後者喺細胞入便，積聚並且繼續反應，將反應平​​衡，推移向有利葡萄糖吸收嘅方向。之後

磷酸六碳醣異構酶，催化葡萄醣-6-磷酸，轉變成菓醣-6-磷酸。喺呢度，菓醣亦可通過磷酸化，走入葡萄糖解途徑。

跟住磷酸菓醣激酶催化菓醣-6-磷酸由三磷酸腺苷度獲得磷酸基變成菓醣-1,6-二磷酸，三磷酸腺苷就變成二磷酸腺苷（ADP）。咁消耗能量係好值得嘅，首先呢步反應令到葡萄醣分解，無得返轉頭，另外，醛縮酶會出手令到兩個磷酸基團分解成磷酸二羥丙酮同 3-磷酸​​甘油醛。之後磷酸丙醣異構酶出手，磷酸二羥丙酮會轉化成3-磷酸甘油醛。之後，NAD 同3-磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH），會氧化兩粒分子3-磷酸甘油醛，變成 1 ,3-二磷酸甘油酸。

下一步，磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸轉變成3-磷酸甘油酸。高能磷酸鍵由1,3-二磷酸甘油酸轉移到二磷酸腺苷上邊，形成兩分子三磷酸腺苷。依度葡萄醣解能量，賺蝕平衡。兩分子三磷酸腺苷，消耗咗又重新形成。合成三磷酸腺苷，要二磷酸腺苷做原料。若然細胞入便，三磷酸腺苷多，二磷酸腺苷少，反應暫停，直到有足夠嘅二磷酸腺苷。呢種反饋調節機制好重要，因為三磷酸腺苷就算無用到，都會好快分解。反饋調節避免生產過量嘅三磷酸腺苷，慳番能量。磷酸甘油酸變位酶出手，3-磷酸甘油酸轉成2-磷酸甘油酸，最終成咗磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸係高能化合物。最後，丙酮酸激酶出手將磷酸烯醇式丙酮酸化成丙酮酸，同時生成一分子三磷酸腺苷。呢步反應同樣受二磷酸腺苷調節。

可以分成十步：

通常將前面五步叫做準備階段，或者能量投入階段，因為呢啲步驟消耗能量，葡萄醣轉變成兩個三碳醣磷酸，即甘油醛-3-磷酸同磷酸二羥丙酮。

醣解準備階段，第一步將葡萄醣磷酸化。大部分動植物同微生物細胞入便，有六碳糖激酶，利用佢做催化反應，呢個反應，佢標準自由能變化${\displaystyle \Delta G^{\circ '}=-4.0}$千卡/摩耳，所以呢個反應，返唔到轉頭，葡萄醣個六號碳，三磷酸腺苷，過磷酸畀佢，卽係磷酸化，變成葡萄醣-6-磷酸。 呢個步驟入便嘅酵素，同六碳醣分子結合，本身構形改變，催化葡萄醣同磷酸分子。既然佢叫得六碳糖激酶，就係話佢，唔單單催化右旋-葡萄醣一種，亦都可以催化其它六碳嘅醣，叫醣食埋個磷酸分子。六碳醣諸如右旋-菓醣同右旋-甘露醣等等，一樣有效。呢種酵素，有唔同嘅同工酵素，唔同生物，同組織，各有唔同。喺肌肉入便，係一種調節性酵素，葡萄醣-6-磷酸同腺苷二磷酸，濃過正常嗰陣，就可以暫時抑制六碳醣激酶，利用速率，達到平衡。 肝入便，有一種特殊嘅六碳糖激酶，叫葡萄醣激酶。呢種酵素專對葡萄醣，唔會乜六碳糖都有作用，而且葡萄醣-6-磷酸嘅抑製作用，對佢無效。佢對葡萄醣嘅米氏常數係5～10毫摩爾/升，高過六碳醣激酶嘅0.1毫摩爾/升好多，根據米氏常數嘅意義，葡萄醣濃度非常高嗰時，佢先起作用。由於肝係醣原嘅重要生成器官，因此當血糖濃度增高嗰陣，肝入便嘅葡萄醣激酶就運作，產生葡萄醣-6-磷酸，肝用佢嚟合成肝醣原。但係，合成呢種酵素，要受胰島素誘導，因此，糖尿病人，體內缺乏胰島素，肝入便呢種酵素嘅合成速率低，肝入便葡萄醣，轉成葡萄醣-6-磷酸就慢咗，分解葡萄醣同埋合成肝醣原嘅過程受阻。 輔因子：鎂離子

Template:酵素反應

葡萄糖解第二步，將葡萄醣-6-磷酸轉化成菓醣-6-磷酸，呢步有磷酸葡萄醣異構酶催化。前一步產物，葡萄醣-6-磷酸，會畀呢種酵素，將佢個氧原子，由一號碳移到二號碳，將佢異化成菓醣-6-磷酸(F6P)。 呢個反應，佢標準自由能變化${\displaystyle \Delta G^{\circ '}=+0.4}$千卡/摩耳，由於自由能變化細，反應可以來回行都得，而呢個異構酵素亦要鎂離子，兼且要專對葡萄糖-6-磷酸同果糖-6-磷酸，由於產物F6P不斷畀下一階段消耗，造成F6P嘅濃度好低，反應掉轉頭進行嘅速率較低，如果醣-6-磷酸濃度好高，反應將遵守勒沙特列原理，產生出葡萄醣-6-磷酸。

Template:酵素反應

第三步，菓醣-6-磷酸酸化成菓醣-1,6-二磷酸，由磷酸菓醣激酶催化，呢個係醣解作用嘅第二個活化反應，將F6P嘅磷酸根轉移到一號碳位置產生右旋-菓醣-1,6-二磷酸。 呢個反應，佢個標準自由能變化${\displaystyle \Delta G^{\circ '}=-3.40}$千卡/莫耳，故為唔可逆行反應。此反應為醣解作用中，第二個重要嘅控制點，喺細胞內磷酸菓醣激酶反應為唔可逆嘅。而磷酸菓醣激酶，與菓酬激酶一樣，屬於一種調節酶，且為肌肉醣解作用中，主要調節酶，受到三磷酸腺苷與單磷酸腺苷（AMP）數量比嘅影響。三磷酸腺苷過多時，三磷酸腺苷結合到酶嘅調控部位， 酶嘅構象變而受抑制；單磷酸腺苷會解除抑制此酶，令佢恢復高效狀態[2][3]。氫離子濃度高，會抑製此酶，故此血中乳酸多，即氫離子濃度增高，噉就抑制咗酶，令葡萄醣解效率下降，阻斷咗葡萄醣解下游生成乳酸嘅途徑，因此呢種調控有重要嘅生理意義。 輔因子：Mg2+

Template:酵素反應

前一步反應令分子失穩，噉令到六碳醣環，可以畀醛縮酶分成兩個三碳醣：二羥丙酮磷酸，一種酮，同埋甘油醛-3-磷酸，一種醛。有兩類醛縮酶：I 類醛縮酶，喺動物同植物入邊，同埋II類醛縮酶，喺真菌同細菌入邊；呢兩類醛縮酶，有唔同機制切斷酮醣環。

Template:複雜酵素反應

磷酸三碳醣異構酶好快將二羥丙酮磷酸變成甘油醛-3-磷酸，後者進入葡萄醣解嘅後續步驟。咁非常有用，引導二羥丙酮磷酸進入同甘油醛-3-磷酸相同嘅途徑， 調控簡化。

Template:酵素反應

醣解作用嘅第二階段，係放能階段，呢個階段嘅目的，係產生高能分子三磷酸腺苷同NADH。因為一粒葡萄糖分子喺準備階段嗰陣，經已變成兩粒三碳醣分子，所以喺放能階段個個反應都會發生兩次。最後產生兩個NADH同四個三磷酸腺苷，令一粒葡萄醣分子，喺經過成個醣解作用之後，淨得兩個NADH同兩個三磷酸腺苷。 三磷酸腺苷會用喺其它需要能量嘅反應，二個NADH就會入到呼吸鍊，或者做還原劑，參與細胞入邊其它還原加氫反應。

兩個三碳糖分子氧化咗之後又得到一分子無機磷酸，成咗1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BPG）。 被攞走嘅氫用於還原氫載體NAD+，形成NADH。

Template:酵素反應

呢步反應係磷酸甘油酸激酶將甘油酸-1,3-二磷酸嘅磷酸基團轉移到ADP嗰度，形成甘油酸-3-磷酸同一份子ATP，喺呢一步，葡萄糖解過程達到咗能量收支平衡：2分子ATP喺先前嘅反應度消耗咗，而喺呢步反應入邊有兩分子ATP被合成。呢步反應作為兩步底物水平磷酸化嘅一步，以ADP作為底物，所以當細胞ATP水平較高嗰陣，呢步反應被抑制；因此呢步反應亦係葡萄糖解過程中重要嘅控速步驟之一。

Template:酵素反應

磷酸甘油酸變位酶催化形成甘油酸-2-磷酸.

Template:酵素反應

由烯醇化酶催化由甘油酸-2-磷酸轉化成磷酸烯醇式丙酮酸. 輔基： 兩個Mg2+:

Template:酵素反應

最後一步底物水平磷酸化由丙酮酸激酶催化，形成一份子丙酮酸同一分子ATP。 輔基： Mg2+

Template:酵素反應

人體可通過葡萄糖逆生，即由非糖化合物，例如丙酮酸同乳酸等物質重新合成葡萄糖。葡萄糖逆生係肝或腎以丙酮酸做原料進行。葡萄糖逆生嘅其中七步反應係葡萄糖解嘅逆反應，佢哋由相同嘅酵素催化。但係葡萄糖解中有三步反應，係不可逆反應。喺葡萄糖逆生嗰陣必須兜過呢三步反應，代價係更多嘅能量消耗。

呢三步反應都係強放能反應，佢哋分別係：

1. 葡萄糖經六碳糖激酶催化產生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產生丙酮酸ΔG= -16.7 kJ/mol

生物體可以精確調節葡萄糖解，噉樣一方面可以滿足機體對能量嘅需要，另一方面又唔會造成浪費。同時，當細胞內重進行葡萄糖逆生嘅時候，調節就顯得好重要，因為要避免空循環嘅發生。

調節係通過改變底物濃度，酵素嘅活性實現嘅。

磷酸果糖激酶係其中最重要嘅限速酵素，亦係巴斯德效應嘅關鍵參與者，佢亦決定咗葡萄糖逆生嘅速度，成為控制點。AMP嘅濃度越高，酵素嘅活性越高。就係當機體大量消耗咗ATP，而相應又產生咗非常多AMP嘅時候，酵素嘅活性提高，令葡萄糖解按生成ATP嘅方向快速前進，以提高ATP產量。

喺細胞入面，NADH同埋NAD⁺係處於動態平衡嘅。喺葡萄糖解過程中產生嘅NADH必須被進一步氧化，轉化成NAD⁺先至能夠使葡萄糖解持續進行。另外，足夠嘅NAD⁺係3磷酸甘油醛成為1，3二磷酸甘油酸呢一步反應嘅重要前提。喺呢个過程入便NAD⁺會被還原成NADH+H⁺，即係氫載體，通過穿梭將氫帶入呼吸鏈。 ^[4]

NAD⁺嘅再生可通過下边呢三種唔同嘅過程嚟實現。

1. 乳酸脫氫酶：由丙酮酸形成乳酸，呢个過程發生喺骨骼肌同部分微生物入便。
2. 乙醇脫氫酶：經丙酮酸脫羧酶將丙酮酸轉變成乙醛，再由乙醛經乙醇脫氫酶催化還原形成乙醇，呢个過程發生喺大多數植物同一啲產乙醇嘅微生物入边。人類基因組可以編碼乙醇脫氫酶，但係並冇編碼丙酮酸脫羧酶嘅基因，因此無辦法將丙酮酸轉化成乙醇。
3. 線粒體穿梭：經線粒體穿梭途徑進入線粒體嘅呼吸鏈產生ATP。

產生1，6-二磷酸果糖後嘅大部分反應都係向能量升高嘅方向進行嘅，冇咗酵素（磷酸果糖激酶（PFK），磷酸甘油酸激酶（PGK））嘅催化，係唔會無喇喇進行嘅。而葡萄糖解嘅逆過程－葡萄糖逆生（從甘油等非糖物質產生葡萄糖）就好容易進行，呢個過程用到大部分喺葡萄糖解入邊出現過嘅酵素，除咗前邊提到嘅兩位「車夫」外，佢哋淨係出現喺葡萄糖解入邊。喺葡萄糖逆生，呢兩步逆反應會放出大量嘅熱，分別係-14 同埋-24 kJ/mol。

喺葡萄糖解，一分子葡萄糖提供兩分子ATP。真核生物嘅線粒體可以同時從兩分子丙酮酸入邊另外獲得36分子ATP。能量轉化嘅多少取決於喺細胞質入邊產生嘅NADH + H⁺通過線粒體膜嘅方式。

唔論喺冇氧定係有氧環境，葡萄糖解成丙酮酸呢個過程都可以進行。3-磷酸甘油醛喺3－磷酸甘油醛脫氫酶GAPDH嘅作用下脫氫。攞走咗嘅氫離子會將氧化劑（輔酶）NAD⁺還原成NADH + H⁺。 NAD⁺會喺呼吸鏈度再生。若果喺冇氧環境，放熱嘅（ΔG^o´ = - 25 kJ/mol）乳糖脫氫酶（LDH）反應會再生NAD⁺：丙酮酸嘅還原會產生乳糖同再生NAD⁺（酵母會用另外兩種酶—丙酮酸脫羧酶同埋乙醇脫氫酶）。下圖可以講清楚呢个個過程：

冇氧環境下邊葡萄糖解GAPDH-同LDH-反應嘅相互聯繫，除咗少部分NADH+H⁺會被磷酸甘油脫氫酶（GDH）轉化外，大部分會用於再生NAD⁺。