糖是一類化學本質為多羥醛或多羥酮及其衍生物的有機化合物。糖是人體最主要的供能物質，人體所需的50%～70%的能量來自糖的氧化分解，這是糖最主要的生理功能。在人體內糖的主要形式是葡萄糖（glucose，G）及糖原（glycogen，Gn）。葡萄糖是糖在血液中的運輸形式；糖原包括肝糖原、肌糖原和腎糖原等，是糖在體內的儲存形式。葡萄糖與糖原都能在體內氧化提供能量。

食物中的糖是機體中糖的主要來源，被人體攝入經消化成單糖吸收后，經血液運輸到各組織細胞進行合成代謝和分解代謝。機體內糖的代謝途徑主要有葡萄糖的無氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑、糖原合成與糖原分解、糖異生以及其他己糖代謝等。本節重點介紹葡萄糖在機體中血糖濃度動態平衡的維持和前五種主要代謝的途徑、生理意義及其調節。

食物中的糖主要是淀粉，另外包括一些雙糖及單糖。食物中的淀粉主要在小腸中消化。淀粉首先在唾液中α-淀粉酶作用，又經小腸中胰腺分泌的α-淀粉酶、α-糊精酶、麥芽糖酶催化生成葡萄糖。蔗糖酶將蔗糖分解成葡萄糖和果糖，乳糖酶將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。這些單糖主要吸收部位是小腸上段，葡萄糖被小腸上皮細胞攝取是一個依賴Na ^＋的耗能的主動攝取過程。

血液中的葡萄糖，稱血糖（blood sugar）。體內血糖濃度是反映機體內糖代謝狀況的一項重要指標。正常情況下，血糖濃度是相對恒定的。正常人空腹血漿葡萄糖糖濃度為3.9～6.1mmol/L（葡萄糖氧化酶法）。空腹血漿葡萄糖濃度高于7.0mmol/L稱高血糖，低于3.9mmol/L稱低血糖。要維持血糖濃度的相對恒定，必須保持血糖的來源和去路的動態平衡。

①食物中的糖是血糖的主要來源；②肝糖原分解是空腹時血糖的直接來源；③非糖物質如甘油、乳酸及生糖氨基酸通過糖異生作用生成葡萄糖，在長期饑餓時作為血糖的來源。

①在各組織中氧化分解提供能量，這是血糖的主要去路；②在肝臟、肌肉等組織進行糖原合成；③轉變為其他糖及其衍生物，如核糖等；④轉變為非糖物質，如脂肪、非必需氨基酸等；⑤血糖濃度過高時，由尿液排出。血糖濃度大于8.88～9.99mmol/L，超過腎小管重吸收能力，出現糖尿。將出現糖尿時的血糖濃度稱腎糖閾。糖尿在病理情況下出現，常見于糖尿病患者。

正常人體血糖濃度維持在一個相對恒定的水平，這對保證人體各組織器官的利用非常重要，特別是腦組織，幾乎完全依靠葡萄糖供能進行神經活動，血糖供應不足會使神經功能受損，因此血糖濃度維持在相對穩定的正常水平是極為重要的。正常人體內存在著精細的調節血糖來源和去路動態平衡的機制，保持血糖濃度的相對恒定是神經系統、激素及組織器官共同調節的結果。

神經系統對血糖濃度的調節主要通過下丘腦和自主神經系統調節相關激素的分泌。激素對血糖濃度的調節，主要是通過胰島素、胰高血糖素、腎上腺素、糖皮質激素、生長激素及甲狀腺激素之間相互協同、相互拮抗以維持血糖濃度的恒定。激素對血糖濃度的調節見表4-3。

肝臟是調節血糖濃度的最主要器官。當血糖濃度升高時，肝細胞通過合成糖原以降低血糖，當血糖濃度偏低時肝臟通過糖原分解及糖異生升高血糖濃度。

通過體外實驗來了解機體對血糖濃度的調節能力，可以采用葡萄糖耐量試驗。正常人由于存在精細的調節機制，空腹時正常血糖濃度是3.9～6.1mmol/L，在口服或靜脈注射葡萄糖2小時后血糖濃度<7.8mmol/L。糖耐量減退患者，一般空腹血糖濃度<7.0mmol/L，口服或靜脈注射葡萄糖0.5～1小時后最高濃度<11.1mmol/L，2小時血糖濃度≥7.8mmol/L，稱亞臨床或無癥狀的糖尿病，糖耐量試驗在這類病人的早期診斷上頗具意義。典型的糖尿病患者糖耐量試驗為：空腹血糖濃度在≥7.0mmol/L，口服或靜脈注射葡萄糖2小時后血糖濃度≥11.1mmol/L，提示患者調節血糖濃度能力降低。目前臨床上建議檢測空腹血糖濃度和2小時餐后血糖濃度，以簡化糖耐量試驗過程。

當機體處于相對缺氧情況（如劇烈運動）時，葡萄糖或糖原分解生成乳酸，并產生能量的過程稱之為糖的無氧酵解。這個代謝過程常見于運動時的骨骼肌，因與酵母的生醇發酵非常相似，故又稱糖的無氧酵解（anaerobicglycolysis）。

參與糖酵解反應的一系列酶存在于細胞質中，因此糖酵解的全部反應過程均在細胞質中進行。根據反應特點，可將整個過程分為四個階段：

己糖磷酸化包括3步反應：

葡萄糖進入細胞后先生成6-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖極性增高，不能自由進出細胞膜，因而不易逸出胞外，反應限制在細胞質中進行。由葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖的反應是己糖激酶（hexokinase，HK）催化的，需要Mg ^2＋參與，并消耗ATP，此反應基本是一個不可逆的反應。己糖激酶是糖酵解過程關鍵酶之一，它是別構酶，活性受到自身反應產物6-磷酸葡萄糖的抑制。己糖激酶廣泛存在各組織中， K _m為0.1mmol/L，對葡萄糖的親和力高。哺乳動物中已發現了四種己糖激酶的同工酶Ⅰ～Ⅳ型。Ⅳ型酶只存在于肝臟，對葡萄糖有高度專一性，又稱葡萄糖激酶，葡萄糖激酶 K _m為10mmol/L，對葡萄糖的親和力低，當血液中和肝細胞內葡萄糖濃度增高時，能激活葡萄糖激酶活性，催化葡萄糖生成G-6-P，進而由肝臟合成糖原。葡萄糖激酶屬于變構酶，活性受到6-磷酸果糖的抑制，而不受6-磷酸葡萄糖的抑制，這樣可保證肝糖原順利合成。從糖原開始的分解途徑生成6-磷酸葡萄糖，是糖原在磷酸化酶的作用下產生1-磷酸葡萄糖（G-1-P），再變位生成6-磷酸葡萄糖。

6-磷酸葡萄糖是一個重要的中間代謝產物，6-磷酸葡萄糖是許多糖代謝途徑（無氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑、糖原合成、糖原分解）的連接點。

6-磷酸葡萄糖轉變成6-磷酸果糖，此反應由磷酸己糖異構酶催化，反應可逆。

6-磷酸果糖轉變成1，6-二磷酸果糖，催化此反應的酶是6-磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase1-1，PFK-1），這是糖酵解途徑的第二次磷酸化反應，需要ATP與Mg ^2＋參與，反應不可逆。6-磷酸果糖激酶1是糖酵解過程的主要限速酶，是糖酵解過程中的主要調節點。它是別構酶，高濃度ATP、檸檬酸是此酶的別構抑制劑。 ADP、AMP、2，6-二磷酸果糖（fructose 2，6 bisphosphate，F-2，6-BP）是此酶的別構激活劑，其中2，6-二磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶1最強烈的激活劑，促進糖酵解過程進行。

第一個階段的主要特點是葡萄糖的磷酸化，并伴隨著能量的消耗。在這階段中若從葡萄糖開始，每生成1分子F-1，6-BP需消耗2分子ATP；若從糖原開始，每生成1分子F-1，6-BP消耗1分子ATP。在這階段中有兩個不可逆反應，從葡萄糖開始由兩個關鍵酶，即己糖激酶和6-磷酸果糖激酶1催化；從糖原開始由兩個關鍵酶磷酸化酶和6-磷酸果糖激酶1催化。

F-1，6-BP裂解為2分子磷酸丙糖，此反應由醛縮酶催化，反應可逆。3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮，兩者互為異構體，在磷酸丙糖異構酶催化下可互相轉變，當3-磷酸甘油醛在繼續進行反應時，磷酸二羥丙酮可不斷轉變為3-磷酸甘油醛，這樣1分子F-1，6-BP生成2分子3-磷酸甘油醛。

3-磷酸甘油醛轉變成丙酮酸由5步代謝反應。

此反應由3-磷酸甘油醛脫氫酶催化脫氫、加磷酸，其輔酶為NAD ^＋，反應脫下的氫交給NAD ^＋成為NADH＋H ^＋；反應時釋放的能量儲存在所生成的1，3-二磷酸甘油酸1位的羧酸與磷酸構成的混合酸酐內，此高能磷酸基團可將能量轉移給ADP形成ATP。

此反應由3-磷酸甘油酸激酶催化，產生1分子ATP，這是無氧酵解過程中第一次生成ATP。由于是1分子葡萄糖產生2分子1，3-二磷酸甘油酸，所以在這一過程中，1分子葡萄糖可產生2分子ATP。ATP的產生方式是底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation），能量是由底物中的高能磷酸基團直接轉移給ADP形成ATP。

此反應由磷酸甘油酸變位酶催化，磷酸基團由3-位轉至2-位。

此脫水反應由烯醇化酶所催化，Mg ^2＋作為激活劑。反應過程中，分子內部能量重新分配，形成含有高能磷酸基團的磷酸烯醇式丙酮酸。

此反應由丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）催化，Mg ^2＋作為激活劑，產生1分子ATP，在生理條件下，此反應不可逆。丙酮酸激酶也是無氧酵解過程中的關鍵酶及調節點。丙酮酸激酶也是別構酶，1，6-二磷酸果糖是此酶的別構激活劑，而ATP、乙酰輔酶A與游離長鏈脂肪酸是該酶的別構抑制劑。這是無氧酵解過程第二次生成ATP，產生方式也是底物水平磷酸化。由于是1分子葡萄糖產生2分子丙酮酸，所以在這一過程中，1分子葡萄糖可產生2分子ATP。

第二階段的特點是能量的產生。無氧酵解過程的能量產生主要在1，3二磷酸甘油酸成為3-磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸過程中，共產生4分子ATP，產生方式都是底物水平磷酸化。

此反應由乳酸脫氫酶催化，在反應中所需的NADH＋H ^＋來自3-磷酸甘油醛脫氫氧化生成1，3-二磷酸甘油酸。在缺氧的情況下，這對氫用于丙酮酸生成乳酸，NADH＋H ^＋重新轉變成NAD ^＋，糖酵解能繼續進行。

糖酵解的全部反應過程可用圖4-30表示。

1分子葡萄糖在缺氧的條件下轉變為2分子乳酸，同時伴隨著能量的產生，凈產生2分子ATP；糖原開始1分子葡萄糖單位糖酵解也生成2分子乳酸，凈產生3分子ATP（表4-4）。在葡萄糖開始的糖酵解過程中，41%的自由能儲存到ATP分子中，其他以熱量的形式進行散發。

糖酵解為組織迅速提供應激狀態下急需的ATP，尤其是肌肉劇烈運動收縮時，能量消耗增高，此時肌肉可通過葡萄糖及糖原的無氧酵解，短期內提供部分能量。

由于紅細胞沒有線粒體，糖酵解是提供能量的主要途徑。此外，白細胞、皮膚、神經組織、睪丸、骨髓等代謝旺盛的組織在不缺氧的情況下，糖酵解也提供部分能量。

糖的有氧氧化（aerobic oxidation）是指葡萄糖生成丙酮酸后，在有氧條件下，進一步氧化生成乙酰輔酶A，經三羧酸循環徹底氧化成水、二氧化碳及產生能量的過程。這是糖氧化的主要方式，是機體獲得能量的主要途徑。

這一階段和糖酵解過程相似，在細胞質中進行。在缺氧的條件下丙酮酸生成乳酸。在有氧的條件下丙酮酸進入線粒體生成乙酰輔酶A，再進入三羧酸循環。

在有氧條件下，丙酮酸從細胞質進入線粒體。在丙酮酸脫氫酶復合體（pyruvate dehydrogenase complex）的催化下進行氧化脫羧反應（圖4-31）。丙酮酸脫氫酶復合體是由三種酶組成的多酶復合體，它包括丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸乙酰轉移酶及二氫硫辛酸脫氫酶（表4-5）。以乙酰轉移酶為核心，周圍排列著丙酮酸脫氫酶及二氫硫辛酸脫氫酶。參與的輔酶有TPP，硫辛酸，FAD，NAD ^＋，輔酶A。在多酶復合體中進行著緊密相連的連鎖反應過程，反應迅速完成，催化效率高，使丙酮酸脫羧和脫氫生成乙酰輔酶A及NADH＋H ^＋。

丙酮酸氧化脫羧生成的乙酰輔酶A要徹底進行氧化，這個氧化過程是三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）。三羧酸循環是Krebs于1937年發現的，故又稱Krebs循環。因為循環中第一個中間產物是檸檬酸，故又稱檸檬酸循環。乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合生成含有3個羧基的檸檬酸，再經過一系列反應重新變成草酰乙酸完成一輪循環，其中氧化反應脫下的氫，經線粒體內膜上的呼吸鏈傳遞氧化磷酸化生成水并產生ATP；而脫羧反應生成的二氧化碳則通過血液運輸到呼吸系統而被排出，是體內二氧化碳的主要來源。

三羧酸循環由8步代謝反應組成。

此反應由檸檬酸合酶（citrate synthase）催化，是三羧酸循環的關鍵酶，是重要的調節點。此反應不可逆。

此反應由順烏頭酸酶催化，檸檬酸脫水、加水生成異檸檬酸。

此反應在異檸檬酸脫氫酶催化下使異檸檬酸進行β-氧化、脫羧生成α-酮戊二酸的，這是三羧酸循環中第一次氧化脫羧。異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase）輔酶是NAD ^＋，脫氫生成的NADH＋H ^＋，經氧化磷酸化生成3分子ATP。異檸檬酸先脫氫生成草酰琥珀酸，再脫羧生成α-酮戊二酸。異檸檬酸脫氫酶是三羧酸循環的限速酶，是最主要的調節點。

此反應在α-酮戊二酸脫氫酶復合體（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）催化下使α-酮戊二酸進行氧化、脫羧生成琥珀酰輔酶A，這是三羧酸循環中第二次氧化脫羧。α-酮戊二酸脫氫酶復合體是三羧酸循環的關鍵酶，是第三個調節點。α-酮戊二酸脫氫酶復合體是多酶復合體，其組成及反應方式都與丙酮酸脫氫酶復合體相似。它所含的三種酶是α-酮戊二酸脫氫酶（需TPP）；硫辛酸琥珀酰基轉移酶（需硫辛酸和輔酶A）；二氫硫辛酸脫氫酶（需FAD、NAD ^＋）。脫氫生成NADH＋H ^＋，經氧化磷酸化生成3分子ATP。由于反應中分子內部能量重排，產物琥珀酰輔酶A中含有一個高能硫酯鍵，此反應不可逆。

此反應由琥珀酸合成酶催化，琥珀酰輔酶A中的高能硫酯鍵釋放能量，可以轉移給GDP，形成GTP。這是三羧酸循環中唯一的一次底物水平磷酸化，生成1分子ATP。

此反應由琥珀酸脫氫酶催化，輔酶是FAD，脫氫后生成FADH ₂，經線粒體內膜上經呼吸鏈傳遞生成水，氧化磷酸化生成2分子ATP。

此反應由延胡索酸酶催化，加水生成蘋果酸。

此反應由蘋果酸脫氫酶催化，輔酶是NAD ^＋，脫氫后生成NADH＋H ^＋，經線粒體內膜上經呼吸鏈傳遞生成水，氧化磷酸化生成3分子ATP。

三羧酸循環的總反應方程式為：

三羧酸循環的反應過程見圖4-32。

①在三羧酸循環中草酰乙酸反應前后并無量的變化。②三羧酸循環是能量的產生過程，1分子乙酰CoA通過TCA經歷了4次脫氫（3次脫氫生成NADH＋H ^＋，1次脫氫生成FADH ₂）、2次脫羧生成CO ₂、1次底物水平磷酸化，共產生12分子ATP。③三羧酸循環中檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶復合體是反應的關鍵酶，是反應的調節點。最重要的調節點是異檸檬酸脫氫酶。最主要的調節因素是ATP和NADH的濃度。當[ATP]/[ADP]，[NADH]/[NAD ^＋]很高時，提示能量足夠，三個關鍵酶活性被抑制；反之，這三個關鍵酶的活性被激活。此外，底物乙酰CoA、草酰乙酸的不足，產物檸檬酸、ATP產生過多，都能抑制檸檬酸合酶。

①三羧酸循環是糖、脂和蛋白質三大物質代謝的最終代謝通路。糖、脂和蛋白質在體內代謝都最終生成乙酰輔酶A，然后進入三羧酸循環徹底氧化分解成水、CO ₂和產生能量。②三羧酸循環是糖、脂和蛋白質三大物質代謝的樞紐。

糖有氧氧化的主要功能是提供能量，人體內絕大多數組織細胞通過糖的有氧氧化獲取能量。體內1分子葡萄糖徹底有氧氧化生成38（或36）分子ATP，其中通過氧化磷酸化反應得到34（或32）分子ATP，通過底物水平磷酸化生成6分子ATP（表4-6）。從糖原的葡萄糖殘基開始氧化，則每分子糖基徹底氧化可形成39（或37）分子ATP。葡萄糖徹底氧化生成CO ₂、H ₂O的過程中，產生能量的效率為40%左右。

磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway）是葡萄糖氧化分解的另一條重要途徑，它的功能不是產生ATP，而是產生細胞所需的具有重要生理作用的特殊物質，如NADPH和5-磷酸核糖。這條途徑存在于肝臟、脂肪組織、甲狀腺、腎上腺皮質、性腺、紅細胞等組織中。代謝相關的酶存在于細胞質中。

磷酸戊糖途徑是一個比較復雜的代謝途徑：反應可分為兩個階段：第一階段是氧化反應，產生NADPH及5-磷酸核糖；第二階段是非氧化反應，是一系列基團的轉移過程，見圖4-33。

6-磷酸葡萄糖由6-磷酸葡萄糖脫氫酶（glucose 6-phosphate dehydrogenase，G-6-PD）及6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化作用，NADP ^＋是它們的輔酶，G-6-P在第一位碳原子上脫氫脫羧而轉變為5-磷酸核酮糖，同時生成2分子NADPH＋H ^＋及1分子CO ₂。5-磷酸核酮糖在異構酶的作用下成為5-磷酸核糖。

在這一階段中產生了NADPH＋H ^＋和5-磷酸核糖這兩個重要的代謝產物。

在這一階段中磷酸戊糖繼續代謝，通過一系列的反應進行基團轉移，中間生成三碳、七碳、四碳和六碳等的單糖磷酸酯，最后轉變成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。

6分子葡萄糖經磷酸戊糖途徑可以使1分子葡萄糖轉變為6分子CO ₂。隨后的分子重排反應再產生4分子G-6-P和2分子3-磷酸甘油醛。總反應：

磷酸戊糖途徑不是供能的主要途徑，它的主要生理作用是提供生物合成所需的一些原料。

NADPH＋H ^＋參與多種代謝反應，發揮不同的功能：

在脂肪酸、類固醇激素等生物合成時都需NADPH＋H ^＋，所以脂類合成旺盛的組織如肝臟、乳腺、腎上腺皮質、脂肪組織等磷酸戊糖途徑比較活躍。

NADPH＋H ^＋是加單氧酶體系的輔酶之一，參與體內羥化反應，例如一些藥物、毒物等化合物在肝臟中生物轉化時被羥化后極性增加有利于排出體外。

NADPH使氧化型谷胱甘肽變為GSH，對維持紅細胞中還原型谷胱甘肽（GSH）的正常含量起重要作用。GSH能去除紅細胞中的H ₂O ₂，維護紅細胞的完整性：H ₂O ₂在紅細胞中的積聚，會加快血紅蛋白氧化生成高鐵血紅蛋白的過程，降低紅細胞的壽命；H ₂O ₂對脂類的過氧化會導致紅細胞膜的破壞，造成溶血。遺傳性G-6-PD缺乏的患者，磷酸戊糖途徑不能正常進行，造成NADPH＋H ^＋減少，GSH含量低下，紅細胞易破裂，發生溶血性黃疸。他們常在食用蠶豆后誘發，故稱蠶豆病。

該途徑生成的5-磷酸核糖為核苷酸、核酸的合成。

三碳糖、四碳糖、五碳糖、七碳糖及六碳糖通過磷酸戊糖途徑互相轉換。

糖原是體內糖的儲存形式。主要以肝糖原、肌糖原形式存在。肝糖原的合成與分解主要是為了維持血糖濃度的相對恒定；肌糖原主要可以通過糖酵解供肌肉收縮的急需的能量。糖原由許多葡萄糖通過α-1，4-糖苷鍵（直鏈）及α-1，6-糖苷鍵（分支）相連而成的帶有分支的多糖，存在于細胞質中。

糖原合成（glycogenesis）是由葡萄糖合成糖原的過程。糖原分解（glycogenolysis）是指肝糖原分解為葡萄糖的過程。糖原合成及分解反應都是從糖原分支的非還原性末端開始，分別由兩組不同的酶催化（圖4-34）。

糖原合成代謝在肝臟和肌肉中進行。首先以葡萄糖為原料合成尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose，UDPG），在限速酶糖原合酶（glycogen synthase）的作用下，將UDPG轉給肝、肌肉中的糖原蛋白上，延長糖鏈合成糖原。其次糖鏈在分支酶的作用下再分支合成多支的糖原。反應可以分為兩個階段：

第一階段：糖鏈的延長

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2.

3.

4.

游離的葡萄糖不能直接合成糖原，它必須先磷酸化為G-6-P再轉變為G-1-P，后者與UTP作用形成UDPG及焦磷酸（PPi）。UDPG是糖原合成的底物，葡萄糖殘基的供體，稱活性葡萄糖。UDPG在糖原合酶催化下將葡萄糖殘基轉移到糖原蛋白中糖原的直鏈分子非還原端殘基上，以α-1，4-糖苷鍵相連延長糖鏈。

第二階段：糖鏈分支

糖原合酶只能延長糖鏈，不能形成分支。當直鏈部分不斷加長到超過11個葡萄糖殘基時，分支酶可將一段糖鏈（至少含有6個葡萄糖殘基）轉移到鄰近糖鏈上，以α-1，6-糖苷鍵相連接，形成新的分支（圖4-35），分支以α-1，4-糖苷鍵繼續延長糖鏈。

糖原合酶是糖原合成的限速酶，是糖原合成的調節點。糖原蛋白每增加一個葡萄糖殘基要消耗2分子ATP（葡萄糖磷酸化以及生成UDPG）。

糖原分解不是糖原合成的逆過程。在限速酶糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）的催化下，糖原從分支的非還原端開始，逐個分解以α-1，4-糖苷鍵連接的葡萄糖殘基，形成G-1-P。G-1-P轉變為G-6-P后，肝及腎中含有葡萄糖-6-磷酸酶，使G-6-P水解變成游離葡萄糖，釋放到血液中，維持血糖濃度的相對恒定。由于肌肉組織中不含葡萄糖-6-磷酸酶，肌糖原分解后不能直接轉變為血糖，產生的G-6-P在有氧的條件下被有氧氧化徹底分解，在無氧的條件下糖酵解生成乳酸，后者經血液循環運到肝臟進行糖異生，再合成葡萄糖或糖原（見糖異生）。

1.

2.

3.

當糖原分子的分支被糖原磷酸化酶作用到距分支點只有4個葡萄糖殘基時，糖原磷酸化酶不能再發揮作用。此時脫支酶發揮作用，脫支酶具有轉寡糖基酶和α-1，6-葡萄糖苷酶兩個酶活性：轉寡糖基酶將分支上殘留的3個葡萄糖殘基轉移到另外分支的末端糖基上，并進行α-1，4-糖苷鍵連接；而殘留的最后一個葡萄糖殘基則通過α-1，6-葡萄糖苷酶水解，生成游離的葡萄糖；分支去除后，糖原磷酸化酶繼續催化分解葡萄糖殘基形成G-1-P（圖4-36）。

糖原合成與糖原分解受到彼此相反的調節。當糖原合成途徑活躍時，分解途徑則被抑制，才能有效地合成糖原；反之亦然。糖原合酶與糖原磷酸化酶分別是糖原合成和糖原分解的限速酶，這兩個酶分別是糖原合成與分解代謝途徑的調節點，它們可以通過別構調節和共價修飾調節兩種方式進行活性的調節。

糖原磷酸化酶以a、b兩種形式存在。機體可以通過共價修飾調節方式調節糖原磷酸化酶的活性。腎上腺素通過信號傳導途徑使cAMP的濃度提高，激活A激酶，使無活性的糖原磷酸化酶激酶b磷酸化成為有活性的糖原磷酸化酶激酶b，糖原磷酸化酶激酶a進一步使無活性的糖原磷酸化酶b成為有活性的糖原磷酸化酶a，促進糖原分解。磷酸化的糖原磷酸化酶激酶b可經磷蛋白磷酸酶-1催化脫去磷酸，成為無活性的糖原磷酸化酶激酶b。從而抑制糖原分解。

糖原分解過程同時涉及別構調節機制。在劇烈運動的肌肉中Ca ^2＋能結合別構激活無活性的糖原磷酸化酶b，使之轉變為有活性的糖原磷酸化酶a。在劇烈運動時AMP在肌肉中積聚，別構激活糖原磷酸化酶；當ATP足夠時，ATP和別構位點結合，使糖原磷酸化酶失活。當葡萄糖進入肝細胞，與糖原磷酸化酶a的別構位點結合，引起構象改變，使糖原磷酸化酶a上磷酸化的絲氨酸殘基暴露，在磷蛋白磷酸酶-1催化下脫磷酸成無活性的糖原磷酸化酶b。因此當血糖濃度升高時，可降低肝糖原的分解。

糖原合酶也分為a、b兩種形式。糖原合酶a具有活性，糖原合酶a被磷酸化轉變成無活性的糖原合酶b。催化其磷酸化的也是依賴cAMP的蛋白激酶。在磷蛋白磷酸酶-1的作用下，無活性的糖原合酶b脫磷酸轉變為有活性的糖原合酶a。

糖原磷酸化酶和糖原合酶的活性在磷酸化與去磷酸化作用下相互調節，一個酶被激活，另一個酶活性被抑制，兩個酶不會同時被激活或同時抑制。

磷酸化的糖原磷酸化酶激酶a、糖原磷酸化酶a和糖原合酶b，它們的去磷酸均由磷蛋白磷酸酶-1催化。磷蛋白磷酸酶-1的活性受到磷蛋白磷酸酶抑制劑精細調節，磷蛋白磷酸酶抑制劑是一種胞內蛋白質，和磷蛋白磷酸酶-1結合可抑制磷蛋白磷酸酶-1的活性。此抑制物磷酸化后具有活性，去磷酸化則無活性。抑制物的激活也是由依賴cAMP的蛋白激酶調節的。

因此，cAMP激活A激酶，不僅促進糖原磷酸化酶激酶b磷酸化成為糖原磷酸化酶激酶a、磷酸化酶b磷酸化成為磷酸化酶a，又通過磷蛋白磷酸酶抑制劑的磷酸化，達到抑制磷蛋白磷酸酶-1對糖原磷酸化酶激酶a、糖原磷酸化酶a和糖原合酶b脫磷酸化的目的，最終促進糖原分解，抑制糖原合成（圖4-37）。

圖4-37中酶的磷酸化與去磷酸化使酶活性相應改變，構成一組連續的、級聯式的酶促反應過程，各級反應不僅都可被調節，而且有放大效應。這種調節機制有利于機體針對不同生理狀況作出反應。

糖異生作用（gluconeogenesis）是指非糖物質如生糖氨基酸、乳酸、丙酮酸及甘油等轉變為葡萄糖或糖原的過程。糖異生的最主要器官是肝臟，腎臟在正常情況下糖異生能力只有肝臟的1/10，當長期饑餓時腎臟糖異生的能力則可增強。

糖異生反應過程不完全是糖酵解反應的逆過程。由于糖酵解過程中由己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1及丙酮酸激酶催化的三個反應釋放了大量的能量，構成難以逆行的能障，因此這三個反應是不可逆的。這三個反應可以分別通過相應的酶催化，使反應逆行（圖4-38），完成糖異生反應過程。

丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸是丙酮酸激酶催化反應的逆過程，在此過程中包括丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化的兩步反應，構成一條所謂“丙酮酸羧化支路”。丙酮酸羧酶的輔酶是生物素，并需ATP、Mg ^2＋（Mn ^2＋）參與羧化反應；磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，由GTP提供能量，釋放CO ₂。這兩步反應共消耗2個ATP。

丙酮酸羧酶存在于線粒體內，因此胞液中的丙酮酸必須進入線粒體，才能羧化生成草酰乙酸。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在人體的線粒體及胞液中均存在，這樣存在于線粒體中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，可直接催化草酰乙酸脫羧生成PEP再進入胞液。而存在于細胞液中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，由于草酰乙酸不能自由進出線粒體內膜，需通過2種途徑將草酰乙酸從線粒體轉運到細胞液中：草酰乙酸先要在線粒體內還原生成蘋果酸或經轉氨基作用生成天冬氨酸，蘋果酸、天冬氨酸能自由進入細胞液，在細胞液中蘋果酸可脫氫氧化、天冬氨酸可再經轉氨基作用生成草酰乙酸，完成了將草酰乙酸從線粒體轉運到胞液的過程。然后，轉運到胞液中的草酰乙酸可在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化下脫羧生成PEP。

此反應由1，6-二磷酸果糖酶-1催化進行。這個反應是糖酵解過程中6-磷酸果糖酶-1催化6-磷酸果糖生成1，6-二磷酸果糖的逆過程。

此反應由葡萄糖-6-磷酸酶催化進行。這個反應是糖酵解過程中己糖激酶催化葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖的逆過程。

以上四個關鍵酶催化的反應是糖異生的主要調節點。糖異生與糖酵解是兩條相同但方向相反的代謝途徑，體內通過改變酶的合成速度、共價修飾調節和別構調節來調控這兩條途徑中關鍵酶的活性，以達到最佳生理效應。

糖異生是在機體不能從食物中攝取足夠的碳水化合物時，為滿足機體的需求而進行的代謝過程。由于糖異生過程的存在，即使禁食數周，血糖濃度仍可維持在正常的最低限，這對于保證某些主要依賴葡萄糖供能的組織，如腦和紅細胞等的功能具有重大意義。若沒有外來葡萄糖補充，單純依靠體內儲備的肝糖原來維持血糖濃度，則10多個小時后糖原耗盡。但通過糖異生可將非糖物質，如組織蛋白質分解后產生的氨基酸及脂肪分解后產生的甘油等轉變為血糖，使血糖水平能在較長時間內維持相對恒定。

乳酸大部分是由肌肉和紅細胞中糖酵解生成的，經血液運輸到肝臟或腎臟，經糖異生再形成葡萄糖，后者可經血液運輸回到各組織中繼續氧化提供能量。這個過程稱是乳酸循環或Cori循環（圖4-39）。在安靜狀態下產生乳酸的量甚少，此途徑意義不大。但在某些生理或病理情況下，如劇烈運動時，肌糖原酵解產生大量乳酸，大部分可經血液運到肝臟，通過糖異生作用合成肝糖原或葡萄糖以補充血糖，而血糖又可供肌肉利用。乳酸循環可避免損失乳酸以及防止因乳酸堆積引起的酸中毒。

酸中毒時H ^＋能激活腎小管上皮細胞中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，促進糖異生進行。由于三羧酸循環中間代謝物進行糖異生，造成α-酮戊二酸含量降低，促使谷氨酸和谷氨酰胺的脫氨生成的α-酮戊二酸補充三羧酸循環，產生的氨則分泌進入腎小管，與原尿中H ^＋結合成NH ₄ ^＋，對H ^＋過多起到緩沖作用，可緩解酸中毒。

肝攝取葡萄糖的能力低，但仍可合成糖原，并且在進食2～3小時內，肝仍保持較高的糖異生活性。其原因已有實驗結果表明，肝細胞可將谷氨基酸、乳酸、丙酮酸及甘油等迅速地轉變為肝糖原來補充或恢復肝糖原儲備。葡萄糖經UDPG合成糖原的過程稱直接途徑，通過糖異生補充肝糖原途徑稱間接途徑。

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