糖酵解

糖酵解是细胞质中枢途径，它将一个葡萄糖分子裂解成两个丙酮酸分子，在此过程中产生少量净ATP和还原型NADH。它几乎普遍存在于所有活细胞中，无论有无氧气均可运行，并将葡萄糖分解产物输入有氧呼吸和发酵过程。

Definition

糖酵解是葡萄糖在细胞质中经过十步酶促反应，转化为两个丙酮酸分子的过程，通过底物水平磷酸化净产生两个ATP，并将两个NAD+还原为NADH。

Scope

本条目涵盖了从葡萄糖到丙酮酸的十步反应序列，其分为能量投入阶段和能量产出阶段，其在关键不可逆步骤的调控，以及丙酮酸在有氧和无氧条件下的去向。它将糖酵解作为生物化学中的代谢主题进行处理，而非作为临床指导。

Core questions

• 葡萄糖如何转化为丙酮酸，哪些步骤消耗ATP，哪些步骤产生ATP？
• 糖酵解如何在没有氧气的情况下产生ATP？
• 什么控制着糖酵解通量的速率？
• 在有氧和无氧条件下，丙酮酸和NADH会发生什么？

Key concepts

• 能量投入阶段和能量产出阶段
• 底物水平磷酸化
• 每个葡萄糖净产生两个ATP和两个NADH
• 丙酮酸作为最终产物
• 己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的调控
• 磷酸果糖激酶作为限速步骤
• NAD+再生与发酵的联系

Mechanisms

糖酵解分两个阶段进行。在能量投入阶段，葡萄糖被磷酸化和重排，消耗两个ATP，六碳中间体被裂解成两个可相互转化的三碳糖。在能量产出阶段，每个三碳单元被氧化，将NAD+还原为NADH，并经历底物水平磷酸化产生ATP，每个葡萄糖净产生两个ATP。该途径主要由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的三个不可逆反应控制，其中磷酸果糖激酶是主要的调控和限速步骤。由于糖酵解本身不需要氧气，它产生的NADH必须被再氧化——在有氧条件下通过电子转移到线粒体中，或者在缺氧时通过发酵过程中丙酮酸的还原。

Clinical relevance

许多快速增殖的肿瘤即使在有氧条件下也严重依赖糖酵解，这种现象被称为Warburg效应，这使得糖酵解代谢成为癌症生物学研究的焦点。糖酵解酶的遗传缺陷也可能损害依赖糖酵解获取ATP的细胞，例如红细胞。本条目描述的是生物化学，不作为个体诊断或治疗的依据。

History

糖酵解途径是在20世纪上半叶通过多位研究人员的工作重建的，通常以主要贡献者的名字命名为Embden-Meyerhof-Parnas途径。Otto Warburg对肿瘤细胞葡萄糖代谢的研究使糖酵解作为临床相关途径受到了持久关注，现代癌症代谢研究重新激发了这一兴趣。

Debates

为什么增殖细胞即使在有氧条件下也偏爱糖酵解？

Warburg效应——肿瘤中的有氧糖酵解——长期以来令人费解，因为它似乎在能量上是浪费的；目前的解释强调，高糖酵解通量提供快速增殖所需的生物合成前体和氧化还原中间体，而不是最大化ATP产量。

Key figures

• Otto Warburg
• Gustav Embden
• Otto Meyerhof
• Jakub Parnas

Seminal works

• warburg-1956
• vander-heiden-2009

Frequently asked questions

每个葡萄糖分子糖酵解产生多少ATP？

糖酵解产生四个ATP，但在其投入阶段消耗两个，因此每个葡萄糖净产生两个ATP，以及两个NADH分子和两个丙酮酸分子。

糖酵解需要氧气吗？

不需要。糖酵解本身不使用氧气；然而，它产生的NADH必须被再氧化，这可以通过有氧条件下的线粒体呼吸，或者在无氧条件下的发酵来实现。