糖解作用（Glycolysis，Embden-Meyerhof-Parnas pathway）是細胞質中將葡萄糖分解為丙酮酸的十步酵素催化途徑，是中心碳代謝的核心節點。此途徑在三域生物（Bacteria、Archaea、Eukarya）中高度保守，暗示其可能起源於最後共同祖先（LUCA）之前的原始生命。
熱力學與動力學分析
十步反應中，三個不可逆步驟（ΔG < 0 且遠離平衡）構成調控節點：
己糖激酶（Hexokinase, HK）：ΔG°' = −16.7 kJ/mol，體內 ΔG ≈ −33.4 kJ/mol。哺乳類有四個 isozyme（HK I-IV）。HK I-III 的 Km(glucose) ≈ 0.1 mM，在生理血糖濃度（~5 mM）下幾乎飽和。HK IV（glucokinase）的 Km ≈ 10 mM，呈 sigmoidal 動力學（Hill 係數 ~1.7），作為肝臟和胰島β細胞的葡萄糖感測器。Glucokinase 突變導致 MODY2（Maturity-Onset Diabetes of the Young type 2）。
磷酸果糖激酶-1（PFK-1）：ΔG°' = −14.2 kJ/mol，體內 ΔG ≈ −18.8 kJ/mol。這是糖解的 committed step 和主要 flux control point。PFK-1 是同源四聚體，對 ATP 表現 allosteric inhibition（ATP 結合調控位點而非催化位點時降低對 F6P 的親和力）。最強正調控因子 fructose-2,6-bisphosphate（F2,6BP）由雙功能酶 PFK-2/FBPase-2 合成。PFK-2 受 insulin 活化（透過 PP2A 去磷酸化）、glucagon 抑制（透過 PKA 磷酸化轉為 FBPase-2 活性），實現荷爾蒙對糖解的系統級調控。肝臟的 PFKFB1 isozyme 與肌肉的 PFKFB3 對磷酸化反應不同，解釋了肝臟和肌肉在 glucagon 刺激下的不同代謝反應。
丙酮酸激酶（Pyruvate Kinase, PK）：ΔG°' = −31.4 kJ/mol。PK 有組織特異性 isozyme：L（肝臟）、R（紅血球）、M1（肌肉/腦）、M2（胚胎/增殖細胞/腫瘤）。PKM2 以 dimer 形式存在時催化活性低，允許上游中間物轉向生合成途徑（pentose phosphate pathway、serine biosynthesis），支持增殖細胞的 anabolic 需求。PKM2 的 tetramer↔dimer 轉換是 Warburg 效應的分子機制之一。
代謝組學與通量控制
Metabolic Control Analysis（MCA, Kacser & Burns, 1973; Heinrich & Rapoport, 1974）框架下，糖解通量的控制並非由單一「限速酶」壟斷，而是分散於多個步驟。各酵素的 flux control coefficient（C^J）隨代謝條件變動。在紅血球中 HK 的 C^J 最大（~0.7），但在肌肉激烈運動時 PFK-1 的 C^J 升高。此框架修正了傳統「rate-limiting step」的過度簡化觀念。
Warburg 效應的分子機制與臨床應用
Otto Warburg（1924, Nobel 1931）觀察到腫瘤組織即使在有氧條件下仍偏好糖解。現代理解：(1) HIF-1α 在缺氧或 pseudohypoxia 下上調糖解酵素和 LDHA 的轉錄；(2) PKM2 的低活性形式促進 anabolic flux；(3) PI3K-Akt-mTOR 信號活化增加葡萄糖攝取（GLUT1 上調）和 HK2 表達。臨床上，¹⁸F-FDG PET 利用腫瘤高攝取葡萄糖的特性進行影像診斷。針對 Warburg 效應的治療策略包括 HK2 抑制劑（2-DG）、LDHA 抑制劑、以及 PKM2 activators（將 PKM2 鎖定在高活性 tetramer 形式以抑制增殖）。
2,3-BPG 旁路與紅血球代謝
紅血球缺乏粒線體，完全依賴糖解產能。Bisphosphoglycerate mutase 將 1,3-BPG 轉為 2,3-BPG（Rapoport-Luebering shunt），2,3-BPG 結合 deoxyhemoglobin 的 β 鏈中央空腔，穩定 T-state 並降低 O₂ 親和力（右移氧解離曲線）。高海拔適應時 2,3-BPG 濃度上升，促進 O₂ 釋放至組織。胎兒血紅素（HbF，α₂γ₂）因 γ 鏈對 2,3-BPG 結合力低，O₂ 親和力高於成人 HbA，有利於胎盤氣體交換。