解糖系とは
解糖系（glycolysis）は、細胞質で行われる代謝経路で、1分子のグルコースを2分子のピルビン酸に分解し、その過程でATPとNADHを産生します。酸素の有無にかかわらず進行可能で、原核生物から真核生物まで広く保存された普遍的な経路です。
解糖系は10段階の酵素反応からなり、大きく以下の3つの段階に分けられます。
- エネルギー投資期（ATPを消費してグルコースを活性化する段階）
- 分裂期（6炭糖が2つの3炭糖に分かれる段階）
- エネルギー回収期（ATPとNADHを得る段階）
解糖系の各ステップ
① グルコースの活性化（エネルギー投資期）
- グルコース → グルコース-6-リン酸
酵素：ヘキソキナーゼ（または肝臓のグルコキナーゼ）
→ ATPを1分子消費し、グルコースをリン酸化。細胞外へ拡散できなくなり代謝経路へ固定される。 - フルクトース-6-リン酸 → フルクトース-1,6-ビスリン酸
酵素：ホスホフルクトキナーゼ-1（PFK-1）
→ 解糖系の律速段階。ATPを消費し、強力に不可逆反応が進む。
② 3炭糖への分裂
- フルクトース-1,6-ビスリン酸 → ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）＋ グリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P）
酵素：アルドラーゼ
→ 6炭糖が2つの3炭糖に分裂。DHAPは速やかにG3Pに変換されるため、最終的に2分子のG3Pが生成される。
③ エネルギー回収期
- G3P → 1,3-ビスホスホグリセリン酸
酵素：G3Pデヒドロゲナーゼ
→ NAD⁺がNADHに還元される。ここで細胞は還元力を獲得。 - 1,3-ビスホスホグリセリン酸 → 3-ホスホグリセリン酸
酵素：ホスホグリセリン酸キナーゼ
→ 基質レベルのリン酸化によりATP産生（2分子）。 - ホスホエノールピルビン酸（PEP） → ピルビン酸
酵素：ピルビン酸キナーゼ
→ 強力に不可逆的な反応。基質レベルのリン酸化でさらにATP産生（2分子）。
解糖系のエネルギー収支
- 消費：ATP 2分子
- 産生：ATP 4分子 + NADH 2分子
- 純利益：ATP 2分子 + NADH 2分子
（酸素がある場合はNADHがミトコンドリア電子伝達系に入り、さらにATPを産生）
酸素有無による分岐
- 好気条件：ピルビン酸はミトコンドリアに入り、TCA回路と電子伝達系で完全酸化されATPを大量に産生。
- 嫌気条件：ピルビン酸は乳酸発酵（乳酸デヒドロゲナーゼにより乳酸に変換）、あるいはアルコール発酵へ。
解糖系の調節
解糖系は細胞のエネルギー需要に応じて制御される。主要な制御点は：
- ヘキソキナーゼ/グルコキナーゼ（グルコース取り込みの制御）
- ホスホフルクトキナーゼ-1（PFK-1）：ATP/AMP比やクエン酸によるアロステリック制御
- ピルビン酸キナーゼ：ホルモン制御（インスリン/グルカゴン）
臨床・病態との関連
- がん細胞とワールブルグ効果
がん細胞は酸素存在下でも解糖系を強く利用し、大量の乳酸を産生する（ワールブルグ効果）。これにより迅速なエネルギー供給と生合成中間代謝産物を獲得。抗がん剤開発の標的となっている。 - 筋肉運動と乳酸
激しい運動時には嫌気的解糖系が活性化し、乳酸が蓄積して疲労や筋肉痛の一因となる。 - 遺伝性代謝疾患
ピルビン酸キナーゼ欠損症などは赤血球のATP産生障害を引き起こし、溶血性貧血につながる。
まとめ
解糖系は生命活動の最も基本的な代謝経路であり、細胞にとって迅速かつ普遍的なエネルギー源を供給します。さらに、がん代謝や運動生理、臨床疾患との関連からも研究が盛んに進められています。