第五节  糖代谢

 

糖是人体能量的主要来源，糖代谢中，葡萄糖占据中心的地位，人体储存的糖是糖原；血液中运输的也是葡萄糖。体内所有组织细胞都可利用葡萄糖。糖的主要生理作用是为机体提供生命活动所需的能量，1mol葡萄糖完全氧化成CO₂和H₂O可释能2 840kJ（679kcal），人类所需能量的50%～70%来自糖的氧化分解；糖类是机体重要碳源，可转变氨基酸、脂肪酸、核苷等含碳化合物。糖还是组织细胞的结构重要成分，如蛋白聚糖和糖蛋白参与结缔组织、软骨、骨基质的构成，糖蛋白、糖脂是细胞膜的重要组分，还有多种糖蛋白，如激素、酶、抗体、受体、血浆蛋白等，具有特殊生理功能。葡萄糖是体内糖利用、代谢最重要的功能形式，而葡萄糖的多聚体糖原是体内糖的储存形式。

一、糖的分解代谢

生物体中糖的分解主要有三条途径：糖的无氧分解、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途径。在供氧不足的缺氧情况下葡萄糖进行无氧分解生成乳酸。在氧供应充足时，葡萄糖彻底氧化成二氧化碳和水。磷酸戊糖途径是另一个重要途径，葡萄糖可经此途径生成磷酸戊糖和NADPH。

（一）糖的无氧分解

糖的无氧分解又称糖酵解。糖酵解是机体在缺氧情况下，葡萄糖转变为乳酸的过程。糖酵解的全部反应在细胞液中进行。

1．糖酵解的过程

糖酵解全部过程从葡萄糖开始，可划分为两个阶段：第一阶段是一分子葡萄糖分解二分子丙酮酸的过程，称为糖酵解途径；第二阶段为丙酮酸在缺氧条件下转变乳酸的过程。

（1）糖酵解途径  在这阶段中，通过两次磷酸化反应，将葡萄糖活化为1,6-双磷酸果糖，1，6-双磷酸果糖在醛缩酶催化下分解为2分子磷酸丙糖，磷酸二羟丙酮经异构酶作用可变成3-磷酸甘油醛。相当于一分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛。

这一阶段共消耗2分子ATP，可称为耗能的糖活化阶段，包括5步反应：

反应1：葡萄糖的磷酸化 

葡萄糖被ATP磷酸化形成6-磷酸葡萄糖（6-P-G），即第一个磷酸化反应，这个反应由己糖激酶（hexokinase）催化。己糖激酶是从ATP转移磷酸基团到各种六碳糖上去的酶，该酶是糖酵解过程中的第一个调节酶，催化的这个反应是不可逆的。肝中有已糖激酶的同工酶葡萄糖激酶，后者对葡萄糖底物专一性强，而亲和力低，Km值高，且活性受激素调控，在调节糖代谢中有重要作用

反应2：6-磷酸果糖的生成

这是磷酸己糖的同分异构化反应，由磷酸葡萄糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖异构化为6-磷酸果糖（6-P-F），即醛糖转变为酮糖。

反应3：1,6-双磷酸果糖的生成

6-磷酸果糖被ATP磷酸化为1,6-双磷酸果糖，即第二个磷酸化反应，这个反应由磷酸果糖激酶（phosphofructokinase）催化，是糖酵解过程中的第二个不可逆反应。磷酸果糖激酶是一种变构酶，此酶的活力水平严格地控制着糖酵解的速率。

反应4： 磷酸己糖的裂解成两个磷酸丙糖

1,6-双磷酸果糖裂解为3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，反应由醛缩酶催化。

反应5：磷酸丙糖的同分异构体

磷酸二羟丙酮不能继续进入糖酵解途径，但它可以在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速异构化为3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛可以继续进行糖酵解的反应。相当于一分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，继续进行酵解。

    反应6：1,3-二磷酸甘油酸的生成

在有NAD⁺和H₃PO₄时，3-磷酸甘油醛被3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，进行氧化脱氢，生成1,3-二磷酸甘油酸。该反应是糖酵解中唯一的一次氧化还原反应，同时又是磷酸化反应。在这步反应中产生了一个高能磷酸化合物，NAD⁺被还原为NADH。碘乙酸可与3-磷酸甘油醛脱氢酶的-SH基反应，因此能抑制3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性，是一种强的糖酵解抑制剂。

反应7：3-磷酸甘油酸和第一次ATP的生成

磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸分子C₁上高能磷酸基团到ADP上，生成3-磷酸甘油酸和ATP。3-磷酸甘油醛氧化产生的高能中间物将其高能磷酸基团直接转移给ADP生成ATP，这是糖酵解中第一次产生能量ATP的反应，而且这种ATP的生成方式是底物水平的磷酸化。因为1分子葡萄糖分解为2分子的丙糖，实际产生2分子ATP，

反应8：3-磷酸甘油酸异构化为2-磷酸甘油酸

磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸C₃上的磷酸基团转移到分子内的C₂原子上，生成2-磷酸甘油酸。该反应实际是分子内的重排，磷酸基团位置的移动。

反应9：磷酸烯醇式丙酮酸的生成

在有Mg²⁺或Mn²⁺存在的条件下，由烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸脱去一分子水，生成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）。这一脱水反应，使分子内部能量重新分布，C₂上的磷酸基团转变为高能磷酸基团，因此，磷酸烯醇式丙酮酸是高能磷酸化合物，而且非常不稳定。

反应10：丙酮酸和第二个ATP的生成

在Mg²⁺或Mn²⁺的参与下，丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基团转移到ADP上，生成烯醇式丙酮酸和ATP。而烯醇式丙酮酸很不稳定，迅速重排形成丙酮酸。这是糖酵解过程中第二次产生能量ATP的反应，ATP的生成方式也是底物水平的磷酸化。而且这步反应是细胞质中进行糖酵解的第三个不可逆反应。

从磷酸丙糖转变为丙酮酸阶段中，3-磷酸甘油醛经五步反应释放能量，总共生成4分子ATP。

   反应11：乳酸的生成

   氧供应不足时，糖酵解途径生成的丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下，由NADH+H⁺提供氢，还原成乳酸。反应产生的氧化型NAD⁺为上游的3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应提供辅酶，使整个途径能在无氧条件下不断运转。1mol葡萄糖经糖酵解途径氧化成2mol乳酸，净生成2molATP。糖酵解的全部反应可归纳如图5-16。

糖酵解整个过程的总反应可表示为：

葡萄糖＋2ADP ＋2Pi ＋2NAD⁺2丙酮酸＋2ATP ＋2NADH＋2H⁺＋2H₂O

2. 糖酵解的生理功能 

糖酵解可在无氧、缺氧条件下为机体迅速提供能量，糖酵解过程净产生2分子ATP，  在剧烈运动，肌肉局部血流不足，肌肉收缩时相对缺氧，葡萄糖有氧氧化过程较长，供能较慢，可由糖酵解迅速提供能量。在缺氧、缺血性疾病时，机体供氧不足，也需由糖酵解迅速供能；成熟红细胞没有线粒体，不能进行有氧氧化，完全依赖糖酵解供应能量；神经、白细胞、骨髓等代谢活跃组织，即使不缺氧也由糖酵解提供部分能量。

   3．糖酵解的调节 

在糖酵解中，除己糖激酶，磷酸果糖激酶（phosphate fructosekinase, PFK）和丙酮酸激酶所催化的反应是不可逆反应外，其余反应都是可逆反应，这三种酶是糖酵解过程中的关键酶，受到代谢物和激素的调控。如6-磷酸果糖激酶-1可被AMP、ADP、1，6-双磷酸果糖、2，6-双磷酸果糖激活，而被ATP和柠檬酸别构抑制；2，6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的激活剂， 6-磷酸果糖激酶-2和果糖双磷酸酶-2为双功能酶，分别催化其合成和分解。丙酮酸激酶受1，6-双磷酸果糖的别构激活，而被ATP别构抑制；己糖激酶可被6-磷酸葡萄糖别构抑制，而葡萄糖激酶被长链脂酰辅酶A别构抑制。

 

 图5-16 糖酵解途径

（二）糖的有氧氧化

糖酵解途径产生的丙酮酸在缺氧下被还原为乳酸，而在有氧状态下，丙酮酸进入线粒体被氧化脱羧生成乙酰CoA并进入三羧酸循环氧化成二氧化碳,水和释放能量。葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳的反应过程称为有氧氧化。葡萄糖分解途径中，将葡萄糖转变到丙酮酸的阶段，为糖有氧氧化和糖酵解共有的过程，这一代谢过程称糖酵解途径。

    1. 糖的有氧氧化的反应过程 

有氧氧化大致可分为三个阶段。反应过程在胞液和线粒体中进行。

（1）糖酵解途径 葡萄糖转变成2分子丙酮酸过程，在胞液中进行。但3-磷酸甘油醛脱氢产生的NADH+H+不再用于将丙酮酸还原成乳酸，而是进入线粒体经呼吸链氧化成H₂O并产生ATP。每分子葡萄糖经糖酵解可净生成2分子ATP。另外，生成的2分子NADH进入呼吸链氧化可产生6分子或4分子ATP。所有一分子葡萄糖经糖酵解途径可产生8分子或6分子ATP。

   （2）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A  在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体内氧化脱羧生成乙酰CoA，催化此反应的酶是丙酮酸脱氢酶复合体。丙酮酸脱氢酶复合体由3个酶和5个辅酶组成，三个酶是丙酮酸脱氢酶、转乙酰化酶、二氢硫辛酸脱氢酶。5种辅酶是TPP、CoASH、硫辛酸、FAD及NAD⁺。反应结果丙酮酸脱氢并脱羧，生成CO₂、NADH+H⁺和乙酰CoA。该反应是不可逆的。

（3）三羧酸循环  三羧酸循环是1937年Krebs提出，故又称Krebs循环。在线粒体基质中，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成三个羧基的柠檬酸开始，经过一系列反应，最后又生成草酰乙酸而形成一个循环的反应过程，故称为三羧酸循环（tricarboxylicacid cycle，简称TCAC循环），又称柠檬酸循环。

三羧酸循环的反应过程

反应1：乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸  在柠檬酸合酶（citratesynthetase）的催化下，乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸。缩合反应所需能量来自乙酰CoA高能硫酯键的水解，反应不可逆。

反应2：柠檬酸异构化生成异柠檬酸  柠檬酸先脱水生成顺乌头酸，然后再加水生成异柠檬酸。反应由顺乌头酸酶催化。

    反应3：异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸  在异柠檬酸脱氢酶（NAD⁺为辅酶）的催化下，异柠檬酸被氧化脱羧，生成草酰琥珀酸的中间产物，这是三羧酸循环的第一次氧化还原反应。草酰琥珀酸脱羧生成α-酮戊二酸，中间物草酰琥珀酸是一个不稳定的α-酮酸，迅速脱羧生成α-酮戊二酸。反应不可逆。

反应4：α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA  这是三羧酸循环中第二个氧化脱羧反应，由α-酮戊二酸脱氢酶系催化，该反应为不可逆反应，产生1分子NADH+H⁺和1分子CO₂。α-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体的结构和催化机制相似。受产物NADH、琥珀酰-CoA及ATP、GTP的反馈抑制。

反应5：琥珀酰CoA生成琥珀酸－底物水平磷酸  琥珀酰CoA含有一个高能硫酯键，是高能化合物，在琥珀酸硫激酶催化下，高能硫酯键水解释放的能量使GDP磷酸化生成GTP，同时生成琥珀酸。GTP很容易将磷酸基团转移给ADP形成ATP。这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的反应。

反应6：琥珀酸氧化生成延胡索酸  在琥珀酸脱氢酶的催化下，琥珀酸被氧化脱氢生成延胡索酸，该酶的辅基FAD是氢受体，这是三羧酸循环中的第三次氧化还原反应。该反应产物为延胡索酸（反丁烯二酸）。丙二酸、戊二酸等是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

反应7：延胡索酸加水生成苹果酸  在延胡索酸酶的催化下，延胡索酸水化生成苹果酸。

反应8：苹果酸氧化生成草酰乙酸  在苹果酸脱氢酶的催化下，苹果酸氧化脱氢生成草酰乙酸，NAD⁺是氢受体，这是三羧酸循环中的第四次氧化还原反应，也是循环的最后一步反应。至此，草酰乙酸得以再生，又可接受进入循环的乙酰CoA分子，进行下一轮三羧酸循环反应。三羧酸循环的整个反应历程图5-17。

整个反应过程可概括总结出如下特点：

乙酰CoA进入三羧酸循环后，两个碳原子被氧化成CO₂离开循环，在整个循环中消耗了2分子水，1分子用于合成柠檬酸，另1分子用于延胡索酸的水合作用；在三羧酸循环过程中有四步氧化反应，生成3分子NADH＋H⁺和一分子FADH_2，在琥珀酰CoA生成琥珀酸时，偶联底物水平磷酸化生成1分子GTP，NADH＋H⁺和FADH₂在电子传递链中被氧化，所以1分子乙酰CoA通过三羧酸循环被氧化共产生12个ATP。

（4）三羧酸循环的生理意义   氧化供能；  1mol乙酰CoA通过三羧酸循环彻底氧化可推动12molATP的生成。是三大营养物质彻底氧化分解的共同途径：糖、脂肪及蛋白质经氧化分解都能最转变为乙酰CoA，而各种来源的乙酰CoA最终都需通过三羧酸循环完成彻底氧化。三羧酸循环又是三大物质代谢的互相联系通路；如糖代谢中间物α-酮戊二酸和草酸乙酸可分别与谷氨酸和天冬氨酸互相转换。脂肪酸氧化生成的乙酰CoA可经三羧酸循环分解，糖代谢产生的乙酰CoA又是合成脂肪酸的原料。三羧酸循环为其它合成代谢提供小分子前体； 如琥珀酰CoA为血红素合成前体，柠檬酸透出线粒体裂解出乙酰CoA作为脂肪酸、胆固醇合成的前体。

2.糖有氧氧化的生理意义 

1mol葡萄糖有氧氧化三阶段中产生的 NADH+H⁺和FADH₂携带的氢原子将通过电子传递链氧化成H₂O，并与ADP生成ATP的磷酸化过程偶联产生ATP。因此1mol葡萄糖经有氧氧化全过程，通过上述三个阶段，彻底氧化成CO₂和H₂O，总共生成36或38molATP。在肌肉等中生成36 molATP ，在肝脏等中生成38 molATP 。葡萄糖氧化成CO₂和H₂O时，△G⁰′为-2840kJ/mol，生成38molATP ，共贮能30.5×38＝1159 kJ/mol ，效率为40％左右，远超过一般机械能的效率

    3．糖有氧氧化的调节  丙酮酸脱氢酶复合体的调节和三羧酸循环关键酶调节。丙酮酸氧化为乙酰CoA,由丙酮酸脱氢酶复合体催化,TPP,硫辛酸,CoASH,FAD和NAD+为辅酶。进行氧化脱羧反应。乙酰CoA/CoASH,及NADH/NAD+的比例升高,可抑制丙酮酸脱氢酶复合体,丙酮酸脱氢酶复合体磷酸化失活。

三羧酸循环的速率受到精细的调节控制以适应细胞对ATP的需要。循环过程的多个反应是可逆的，但柠檬酸的合成及α-酮戊二酸的氧化脱羧这两步反应不可逆，因此整个循环只能单方向进行。三羧酸循环中，主要有三个控制部位：

第一个控制部位是柠檬酸合酶。柠檬酸合酶是三羧酸循环途径的关键限速酶，该酶催化乙酰CoA和草酰乙酸生成柠檬酸。ATP是此酶的变构抑制剂，它能提高柠檬酸合酶对其底物乙酰-CoA的K_m值，即当ATP水平高时，有较少的酶被乙酰CoA所饱和，因而合成的柠檬酸就少。而作为底物的草酰乙酸和乙酰CoA浓度高时，可激活柠檬酸合成酶。

第二个控制部位是异柠檬酸脱氢酶。ATP、琥珀酸-CoA和NADH抑制异柠檬酸脱氢酶的活性；而ADP是该酶的变构激活剂，能增大此酶对底物的亲和力。

第三个控制部位是α-酮戊二酸脱氢酶系。该酶受ATP及其所催化的反应产物琥珀酰CoA、NADH的抑制

 

图5-17  三羧酸循环

 

（三）磷酸戊糖途径

    糖的无氧酵解和有氧氧化过程是生物体内糖分解代谢的主要途径，但并非唯一途径。此外尚存在其他代谢途径，磷酸戊糖途径就是另一个重要途径。磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖不必经过糖酵解和三羧酸循环，脱氢酶的辅酶不是NAD^＋而是NADP⁺，产生的NADPH作为还原力以供生物合成用，而不是传递给O₂，产生5-磷酸核糖和CO_2，无ATP的产生与消耗。

1．磷酸戊糖途径的过程 

戊糖途径在细胞液进行，磷酸戊糖途径包括第一阶段的氧化反应和第二阶段的基团转移反应。第一阶段，葡萄糖转变成的6-磷酸葡萄糖，后者在6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化下，以NADP+为辅酶，脱氢再加水生成6-磷酸葡萄糖酸及NADPH+H+。6-磷酸葡萄糖酸在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下，以NADP+为辅酶，再次脱氢并自发脱羧生成CO₂、NADPH+H+和5-磷酸核酮糖。第二阶段，通过一系列基团转移反应，5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸核糖，途径最终生成3-磷酸甘油醛及6-磷酸果糖。此途径的两种重要生成物为5-磷酸核糖和NADPH+H+。　6-磷酸葡萄糖脱氢酶是途径的限速酶。

2. 磷酸戊糖途径的生理意义 

戊糖途径的生理意义在于为机体提供5-磷酸核糖和NADPH。糖代谢生成的5-磷酸核糖是人体合成各类核苷酸和核酸的基本原料；NADH的作用是参与多种代谢过程，

（1）NADPH+H⁺是体内许多合成代谢氢原子的来源，如从乙酰CoA合成脂肪酸或胆固醇，由α-酮戊二酸还原并氨基化生成谷氨酸等。

（2） 体内某些物质的生物合成和肝脏生物转化过程有一些羟化反应，如由胆固醇合成胆汁酸和类固醇激素；药物、毒物在生物转化中的羟化。羟基化反应由加单氧酶催化，需要O₂、NADPH+H+，将一个氧原子还原成H2O，另一个氧原子加入底物形成羟基，加单氧酶还需要细胞色素P450及黄素蛋白。

（3） 还原型谷胱甘肽（G-SH）通过自身的氧化可以保护一些含-SH基的重要酶与蛋白质免受氧化剂，尤其是H₂O₂的破坏，维持红细胞膜的完整性，而谷胱甘肽则转变成为氧化型（GS-SG）。在谷胱甘肽还原酶催化下，以NADH+H+为供氢体，是氧化型谷胱甘肽重新转变成还原型，保持足够的还原型G-SH，以对抗体内产生或体外进入的氧化剂，保持红细胞膜的完整性。

  二、糖原的合成和分解及糖异生

糖原是体内糖的储存形式。摄入的糖类大部分转变成脂肪后储存于脂肪组织内，只有一小部分以糖原形式储存。糖原作为葡萄糖储备的生物学意义在于当机体需要葡萄糖时它可以迅速被动用以供急需；而脂肪则不能。肝和肌肉是储存糖原的主要组织器官，人体肝糖原总量约70－100g,肌糖原约180－300g。肌糖原主要供肌肉收缩时能量的需要；肝糖原则是血糖的重要来源。

（一）糖原的合成代谢

体内由葡萄糖合成糖原的过程为糖原合成作用。糖原是有多个葡萄糖分子聚合成的高度分支的多糖。各葡萄糖单位通过1，4-糖苷键连接成糖链，由1，6-糖苷键连接分支点糖基。糖原合成包括下列几步反应：

反应1：葡萄糖磷酸化 葡萄糖由葡萄糖激酶催化，ATP提供磷酸，生成6-磷酸葡萄糖。

反应2：6-磷酸葡萄糖转化成1-磷酸葡萄糖  催化这步反应的是磷酸葡萄糖变位酶。

反应3：UDP-葡萄糖（UDPG）的生成 1-磷酸葡萄糖在UDPG焦磷酸化酶催化下，消耗UTP，转化成UDP-葡萄糖（UDPG）和焦磷酸（Ppi）。

反应4：糖原的生成 UDPG为合成糖原的活性葡萄糖。在糖原合酶催化下，UDPG将葡萄糖基转移给小分子的糖原引物，提供的糖基通过α-1，4-糖苷键逐个连接在糖原引物非还原端，从而使糖链延长，而分支酶则可催化α-1，6-糖苷键分支的形成。在糖原合成过程中，每增加1个糖基消耗2个ATP，糖原合酶为糖原合成的关键酶。

（二）糖原的分解代谢

   糖原分解是指肝糖原分解成为葡萄糖，肌糖原分解为乳酸。分解过程经过以下反应：

   反应1：糖原分解为1-磷酸葡萄糖  在糖原磷酸化酶催化下，糖原的绝大部分葡萄糖基自糖原各支链的非还原端加磷酸分解，生成1-磷酸葡萄糖。糖原磷酸化酶只能分解1，4-糖苷键连接成的糖链，对α-1，6-糖苷键无作用。脱支酶是一种双功能酶：葡萄糖基转移酶活性将支链上约4个葡萄糖基时转移3个葡萄糖基到临近直链末端，仍以1，4-糖苷键相连，剩下1个以1，6-糖苷键与糖链形成分支的葡萄糖基被脱支酶水解成游离的葡萄糖。除去分支后，糖原磷酸化酶即可继续将糖原水解。

   反应2：6-磷酸葡萄糖生成 1-磷酸葡萄糖由变位酶催化成6-磷酸葡萄糖。

   反应3：葡萄糖生成  糖原分解生成的6-磷酸葡萄糖在葡萄糖-6-磷酸酶作用下脱磷酸生成葡萄糖。葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝、肾中，因此只有肝糖原可直接分解为葡萄糖以补充血糖，肌糖原只能经糖酵解成乳酸，后者再间接转变成葡萄糖。糖原分解的关键酶是磷酸化酶，

   （三）糖异生

葡萄糖异生作用由非糖物质（如乳酸、丙酮酸、甘油、成糖氨基酸等）转变成葡萄糖或糖原的过程称糖异生。机体内进行糖异生补充血糖的主要器官是肝，肾在正常情况下糖异生能力只有肝的1/10，长期饥饿时肾脏糖异生能力则大大增强。

葡萄糖异生并不是糖酵解的简单逆转。因为在糖酵解中，由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的三步反应释放大量的自由能，是不可逆反应，所以必须通过另一些酶催化三个相应反应饶过能障和线粒体膜障碍，葡萄糖异生作用才能顺利进行，如图5-13。

1．反应过程

反应1：丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸  反应通过两步完成：

（1）丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化成草酰乙酸：丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）是一个生物素蛋白，以生物素为辅酶，反应消耗一分子ATP。丙酮酸羧化酶存在于线粒体内，而糖酵解是在细胞质中进行的，因此，丙酮酸需从细胞质转移到线粒体内才能羧化成草酰乙酸，后者只有在转变为苹果酸后才能再进入细胞质。苹果酸再经细胞质中的苹果酸脱氢酶转变成草酰乙酸。乳酸以天冬氨酸进入胞液。

（2）磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化草酰乙酸形成PEP  草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEP）的催化下由GTP提供磷酸基，脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）。 反应2：.1,6-二磷酸果糖生成6-磷酸果糖  该反应由二磷酸果糖磷酸酶（fructose-1,6-diphosphatase）催化，水解C₁上的磷酸酯键，生成6-磷酸果糖。

反应3：6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖  该反应由6-磷酸葡萄糖磷酸酶（glucose6-phosphatase）催化，将6-磷酸葡萄糖的磷酸酯键水解，生成葡萄糖。在葡萄糖异生中，2mol乳酸异生为1mol葡萄糖消耗6molATP。丙酮酸羧化酶及PEP羧激酶，果糖二磷酸酶、葡萄糖6磷酶为糖异生关键酶。糖异生羧化支路如图5-18。

 

图5-18    糖异生羧化支路途径

2.糖异生的生理意义

（1）维持血糖水平 糖异生的功用是补充及维持血糖，特别在肝糖原接近耗竭时更为重要。糖异生的原料主要是乳酸、氨基酸及甘油，饥饿时糖异生的原料主要是氨基酸和甘油。在空腹或饥饿时，脂肪动员增加，生成的甘油运输至肝脏异生成葡萄糖；组织蛋白分解加强，以丙氨酸、谷氨酰胺的形式运送到肝异生成葡萄糖。由于糖异生原料增多，糖异生增加，使血糖水平维持恒定。这对依赖葡萄糖供能的大脑等组织的正常活动有重要意义。

（2）肝糖原储备的恢复 虽然肝葡萄糖激酶与葡萄糖亲和力小，肝摄取葡萄糖能力较低，当饥饿后再进食时，肝糖原仍可迅速合成。因为一部分摄入的葡萄糖先在小肠、肝、肌中分解成丙酮酸、乳酸等三个碳化合物，这些三个碳化合物转运到肝中可以异生成糖原，优先增加肝糖原储备。合成肝糖原这条途径称为三个碳途径。肾糖异生促进泌氨排酸维持酸碱平衡。

3.乳酸循环 

肌肉组织肌糖原可经酵解产生乳酸，乳酸通过血液运到肝脏，在肝内乳酸经糖异生转化成葡萄糖，葡萄糖进入血液又可被肌肉摄取利用，此过程称乳酸循环，也称Cori循环。乳酸循环的意义是一方面使机体可利用乳酸分子的能量，避免乳酸的损失；另一方面，因乳酸是酸性物质，乳酸循环能及时转化乳酸，防止乳酸在组织堆积引起酸中毒。乳酸循环是耗能的过程，2分子乳酸异生成葡萄糖需消耗6分子ATP图5-19。

 

 图5-19 乳酸循环

三、血糖水平的调节

（一）血糖的来源和去路

血糖指血液中的葡萄糖，正常值为3.89～6.11mmol／L。血糖的来源有：食物经肠道的消化和吸收；肝糖原分解；非糖物质的糖异生。血糖去路有：糖主要经氧化途径氧化分解为机体供能；肝、肌肉等组织合成糖原；转化成脂肪及氨基酸等。

（二）血糖水平的调节

血糖升高时，糖原储存加强。血糖降低时，肝糖原加速分解，直接生成葡萄糖补充血糖。肝脏是糖异生的主要器官，不断将非糖物质转变为葡萄糖，补充血糖。肝是其它单糖（果糖、半乳糖等）代谢和转变为葡萄糖的主要部位。在维持血糖水平稳定方面有重要作用。机体的各种代谢以及各器官之间能这样精确协调，以适应能量、燃料供求的变化，主要依赖激素的调节.调节血糖最重要的激素是胰岛素和胰高血糖素。

1.胰岛素 

胰岛素由胰岛β细胞分泌，含51个氨基酸残基的蛋白质，有降低血糖作用，血糖升高时胰岛素分泌增加。胰岛素降低血糖的机理包括：（1）可通过调节细胞膜葡萄糖转运载体的数量，促进葡萄糖进入肌肉、脂肪组织等，有利于糖的利用。（2）可通过增强磷酸二酯酶活性，降低cAMP水平，从而使糖原合酶活性增强，磷酸化酶活性降低，加速糖原合成，抑制糖原分解。（3）可通过诱导糖酵解途径的关键酶，激活丙酮酸脱氢酶而加快糖的氧化分解过程；（4）可抑制糖异生关键酶合成，促进氨基酸进入组织合成蛋白，减少异生原料，抑制糖异生作用。（5） 抑制脂肪动员，增加葡萄糖利用，促进葡萄糖转变成脂肪。

2.胰高血糖素   

胰高血糖素由胰岛α细胞合成，29个氨基酸残基组成的肽类激素，主要升高血糖作用，其升高血糖的机制包括：（1） 通过调节糖原代谢的关键酶，抑制糖原合成，促进糖原分解。（2）通过抑制关键酶活性，抑制糖分解的糖酵解途径，减少糖的氧化。（3）促进磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶合成，并加速肝摄取氨基酸原料，加强糖异生。（4） 通过加速脂肪动员，生成的大量脂肪酸可抑制周围组织摄取利用葡萄糖。

3. 糖皮质激素   

糖皮质激素为肾上腺皮质分泌的类固醇激素，有升高血糖的作用，其机制为：（1）促进肌肉蛋白分解成氨基酸，并使之转移肝中，增加糖异生原料。（2）促进糖异生途径关键酶合成。（3）抑制肝外组织摄取、利用葡萄糖，抑制葡萄糖的氧化。

4.肾上腺素  

肾上腺素可增高血糖和血乳酸,主要通过cAMP-PKA级联抑制糖原合成促进肝糖原分解,肌糖原酵解。增加糖异生原料乳酸及激活果糖双磷酸酶-1增加糖异生,而增高血糖。

  （三）血糖水平异常

   1.高血糖及糖尿病 

空腹时血糖浓度高于7.25 mmol／L称为高血糖。如果血糖值超过肾糖阈值8.96mmol／L，尿中还可出现糖，就称为糖尿病。

2.低血糖与低血糖昏迷 

血糖浓度低于3.92 mmol／L时，可出现低血糖。血糖浓度继续下降于2.52 mmol／L时，出现低血糖昏迷。