【预备知识】
- 细胞化学与生物合成 #13
- 细胞如何从食物中获取能量？ #44
氧化糖类的主要过程被称为糖酵解 (glycolysis) 的反应序列，它不涉及分子氧 (O2) 的参与即可产生 ATP。它发生在大多数细胞（包括许多厌氧微生物）的胞质溶胶中。糖酵解可能在生命史的早期，即在光合生物将氧气引入大气之前就已经进化出来。
在糖酵解过程中，一个具有六个碳原子的葡萄糖分子被转化为两个丙酮酸 (pyruvate) 分子，每个丙酮酸含有三个碳原子。对于每个葡萄糖分子，早期的步骤会水解两个 ATP 分子以提供驱动反应的能量，但在后期的步骤中会产生四个 ATP 分子。因此，在糖酵解结束时，每分解一个葡萄糖分子，净增益是两个 ATP 分子。
在 20 世纪 30 年代生物化学的重大胜利是将完整的糖酵解途径拼凑，因为该途径由一个包含 10 个独立反应的序列组成，每个反应产生不同的糖中间产物，并由不同的酶催化。这些酶和大多数酶一样，名称都以 “-ase” 结尾——比如异构酶 (isomerase) 和脱氢酶 (dehydrogenase)——它们表明了自己催化的反应类型。
糖的氧化发生在电子被 NAD+ 移除（生成 NADH）时，这些电子来自葡萄糖分子衍生的某些碳原子。这次氧化释放的部分能量驱动 ADP 和磷酸直接合成 ATP 分子，另一部分能量则以活化的电子载体 NADH 中的电子形式保留下来。
在糖酵解过程中，每分子葡萄糖形成两个 NADH 分子。在有氧生物中，这些 NADH 分子会将其电子捐献给电子传递链，这使得 NADH 氧化后形成的 NAD+ 可以被回用于糖酵解。
糖酵解说明了酶如何将氧化与能量储存偶联起来
糖酵解过程中 ATP 的形成，清晰地展示了酶如何将在能量上不利的反应与有利的反应偶联起来，从而驱动使生命成为可能的许多化学反应。
糖酵解中两个核心反应将三碳糖中间体甘油醛 3-磷酸转化为 3-磷酸甘油酸，从而将一个醛基氧化成一个羧酸基团。这个糖氧化过程释放了足够的自由能，以将一个 ADP 分子转化为 ATP，并将两个电子（和一个质子）从醛转移到 NAD+ 上形成 NADH，同时仍向环境释放足够的热量，使得整个反应在能量上是有利的（整个反应的 ΔG∘ 为 −12.5 kJ/mole）。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 2–47 甘油醛 3-磷酸的氧化如何与糖酵解的第 6 步和第 7 步中 ATP 和 NADH 的形成偶联。(A) 在第 6 步中，甘油醛 3-磷酸脱氢酶将醛基在能量上有利的氧化与高能磷酸键在能量上不利的形成偶联起来。同时，这种氧化使得能量能够储存在 NADH 中。在第 7 步中，磷酸甘油酸激酶将新形成的 1,3-二磷酸甘油酸中的高能磷酸键转移给 ADP，形成一个 ATP 分子，并在被氧化的糖上留下一个游离的羧酸基团。分子中发生变化的部分用蓝色阴影标出；分子的其余部分在整个反应过程中保持不变。(B) 第 6 步和第 7 步反应产生的总化学变化的总结。
化学反应由两种酶精确指导，糖中间产物与这两种酶紧密结合。
第一种酶（甘油醛 3-磷酸脱氢酶）通过酶上一个反应性的 −SH 基团与糖的醛基形成共价键，然后催化将该醛基氧化成一个羧酸。
这形成了一个高活性的酶-底物键，该键随后被一个无机磷酸离子取代，产生一个高能糖磷酸中间体。
这个中间体（1,3-二磷酸甘油酸）接着结合到第二种酶（磷酸甘油酸激酶）上，该酶催化将其高能磷酸基团以能量上有利的方式转移给 ADP，形成 ATP，从而完成了将糖醛氧化成羧酸的过程。
步骤 6 和 7 是糖酵解中唯一直接从无机磷酸产生高能磷酸键的反应。因此，它们解释了每分子葡萄糖净产生两个 ATP 分子和两个 NADH 分子的原因。
当一个反应中间体形成的磷酸键的能量高于 ATP 中末端磷酸键的能量时，ATP 就可以很容易地由 ADP 形成。
磷酸键的能量可以通过比较水解每个键时的标准自由能变化 (ΔG∘) 来排序。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 2–49 糖酵解过程中形成的具有不同水解能量的磷酸键，以及这些键水解时的标准自由能变化 (ΔG∘)（单位为 kJ/mole）。
如果供体分子的磷酸键水解标准自由能变化 (ΔG∘) 比受体的更负，则磷酸基团从一个分子到另一个分子的转移在能量上是有利的。（水解反应可以被视为将磷酸基团转移给水）。因此，磷酸基团很容易从 1,3-二磷酸甘油酸转移到 ADP 上，从而形成 ATP。请注意，标准条件通常不适用于活细胞，活细胞中反应物和产物的相对浓度会影响实际的自由能变化。
【进阶】
- 动物细胞在什么时候使用脂肪的能量 #48
