糖异生

生物体将多种非糖物质转变成葡萄糖的过程

生物体将多种非糖物质转变成葡萄糖或糖原的过程。在哺乳动物中，肝是糖异生的主要器官，正常情况下，肾的糖异生能力只有肝的1/10，长期饥饿时肾糖异生能力则可大为增强。糖异生的主要前体是乳酸、丙酮酸、氨基酸及甘油等。

简介

糖异生（Gluconeogenesis gluco-指糖，neogenesis是希腊语 νεογ?ννηση，neojénnissi - 重新生成）：又称为葡糖异生。由简单的非糖前体（乳酸、甘油、生糖氨基酸等）转变为糖（葡萄糖或糖原）的过程。糖异生不是糖酵解的简单逆转。虽然由丙酮酸开始的糖异生利用了糖酵解中的七步近似平衡反应的逆反应，但还必需利用另外四步酵解中不曾出现的酶促反应，绕过酵解过程中不可逆的三个反应。糖异生保证了机体的血糖水平处于正常水平。

糖异生的主要器官是肝。肾在正常情况下糖异生能力只有肝的1/10，但长期饥饿时肾糖异生能力可大为增强。

途径

当肝或肾以丙酮酸为原料进行糖异生时，糖异生中的其中七步反应是糖酵解中的逆反应，它们有相同的酶催化。但是糖酵解中有三步反应，是不可逆反应。在糖异生时必须绕过这三步反应，代价是更多的能量消耗。

这三步反应都是强放热反应，它们分别是：

1、葡萄糖经己糖激酶催化生成6磷酸葡萄糖 ΔG= -33.5 kJ/mol；

2、6磷酸果糖经磷酸果糖激酶催化生成1，6二磷酸果糖ΔG= -22.2 kJ/mol；

3、磷酸烯醇式丙酮酸经丙酮酸激酶生成丙酮酸 ΔG= -16.7 kJ/mol。

这三步反应会这样被绕过：

1、葡萄糖-6-磷酸酶催化6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖；

2、果糖1，6-二磷酸酶催化1，6-二磷酸果糖生成6-磷酸果糖；

3、此过程由两个反应组成，第一个反应由丙酮酸羧化酶催化，辅酶是生物素，反应消耗1分子ATP。第二个反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，反应消耗1分子GTP。

由于丙酮酸羧化酶仅存在于线粒体内，故胞液中的丙酮酸必须进入线粒体，才能羧化生成草酰乙酸。而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在线粒体和胞液中都存在，因此草酰乙酸可在线粒体中直接转变为磷酸烯醇式丙酮酸再进入胞液，也可在胞液中被转变成磷酸烯醇式丙酮酸。但是，草酰乙酸不能直接透过线粒体，需借助两种方式将其转运入胞液：一种是经苹果酸脱氢酶作用，将其还原成苹果酸，然后再通过线粒体膜进入胞液，再由胞液中苹果酸脱氢酶将苹果酸脱氢氧化为草酰乙酸而进入糖异生反应途径。另一种方式是经谷草转氨酶作用，生成天冬氨酸后再逸出线粒体，进入胞液的天冬氨酸再经胞液中谷草转氨酶的催化而恢复生成草酰乙酸。有实验表明，以丙酮酸或能转变成丙酮酸的某些生糖氨基酸作为原料异生成糖时，以苹果酸通过线粒体方式进行糖异生；而乳酸进行糖异生反应时，常在线粒体生成草酰乙酸后，再转变成天冬氨酸而进入胞液。

原料

1、凡是能生成草酰乙酸的物质都可以变成葡萄糖。例如三羧酸循环的中间物，柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可以转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。

2、大多数氨基酸是生糖氨基酸如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、缬氨酸等，它们可转化成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间物参加糖异生途径。

3、Cori循环：剧烈运动时产生的大量乳酸会迅速扩散到血液，随血流流至肝脏，先氧化成丙酮酸，再经过糖异生作用转变为葡萄糖，进而补充血糖，也可重新合成肌糖原被贮存起来。这一乳酸——葡萄糖的循环过程称为Cori循环或乳酸循环。

4、反刍动物糖异生途径十分活跃，牛胃中的细菌分解纤维素成为乙酸、丙酸、丁酸等奇数脂肪酸可转变成为琥珀酰CoA参加糖异生途径合成葡萄糖。

过程

糖异生的主要前体是乳酸、丙酮酸、氨基酸及甘油等。在反刍动物的消化道中，经细菌作用能将大量纤维素等转变成丙酸，后者在体内也可转变成糖。

过程分两阶段：

①各种糖异生前体（除甘油外）转变成磷酸烯醇式丙酮酸；

②磷酸烯醇式丙酮酸转变为6-磷酸葡萄糖，再生成各种单糖或多糖。

从丙酮酸开始合成糖的过程虽然与糖酵解的逆反应类似，但是由于己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的三个反应很难逆向进行。在糖异生作用中，己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的两个反应的逆过程分别由葡萄糖-6-磷酸酶和果糖1，6-二磷酸酶催化完成。丙酮酸激酶催化的反应的逆过程，则通过丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸，再由磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化生成磷酸烯醇式丙酮酸。糖异生调节饥饿时，体内脂肪及蛋白质分解加强，剧烈运动时肌肉糖酵解加强，均可提供较多的前体加速肝中的糖异生。

肝细胞ATP或乙酰辅酶A（CoA）供应充分时，能加强丙酮酸羧化而成糖。

肾上腺素、胰高血糖素、肾上腺皮质激素都能增加肝细胞中的糖异生；胰岛素则抑制之。

生理意义空腹或饥饿时主要靠糖异生维持正常血糖浓度，以满足脑组织等对葡萄糖持续消耗的需要，也充分利用了体内过多的非糖物质如乳酸、戊糖氨基酸等。

能量消耗

从两分子丙酮酸开始，最终合成一分子葡萄糖，需要消耗6分子ATP/GTP。相比糖酵解过程能净产生2ATP，糖异生是耗能的过程。

这六分子ATP/GTP是在三步反应里面被消耗的，而生成一分子六碳化合物要重复这过程一次，所以总的能量消耗是3×2=6：

1、丙酮酸在丙酮酸羧化酶的催化下，消耗一分子ATP，生成草酰乙酸。

2、草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的帮助下成为磷酸烯醇式丙酮酸。反应消耗1分子GTP。

3、3磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的帮助下，消耗一分子ATP生成1,3二磷酸甘油酸。注意，这一反应是可逆的。

作用

一、糖异生作用的主要生理意义是保证在饥饿情况下，血糖浓度的相对恒定。

血糖的正常浓度为3.89-11mmol/L，即使禁食数周，血糖浓度仍可保持在3.40mmol/L左右，这对保证某些主要依赖葡萄糖供能的组织的功能具有重要意义，停食一夜（8-10小时）处于安静状态的正常人每日体内葡萄糖利用，脑约125g，肌肉（休息状态）约50g，血细胞等约50g，仅这几种组织消耗糖量达225g，体内贮存可供利用的糖约150g，贮糖量最多的肌糖原仅供本身氧化供能，若只用肝糖原的贮存量来维持血糖浓度最多不超过12小时，由此可见糖异生的重要性

二、糖异生作用与乳酸的作用密切关系

在激烈运动时，肌肉糖酵解生成大量乳酸，后者经血液运到肝脏可再合成肝糖原和葡萄糖，因而使不能直接产生葡萄糖的肌糖原间接变成血糖，并且有利于回收乳酸分子中的能量，更新肌糖原，防止乳酸酸中毒的发生。

三、协助氨基酸代谢

实验证实进食蛋白质后，肝中糖原含量增加；禁食、晚期糖尿病或皮质醇过多时，由于组织蛋白质分解，血浆氨基酸增多，糖的异生作用增强，因而氨基酸成糖可能是氨基酸代谢的主要途径。

四、促进肾小管泌氨的作用

长期禁食后肾脏的糖异生可以明显增加，发生这一变化的原因可能是饥饿造成的代谢性酸中毒，体液pH降低可以促进肾小管中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成，使成糖作用增加，当肾脏中α－酮戊二酸经草酰乙酸而加速成糖后，可因α－酮戊二酸的减少而促进谷氨酰胺脱氨成谷氨酸以及谷氨酸的脱氨，肾小管细胞将NH3分泌入管腔中，与原尿中H+结合，降低原尿H+的浓度，有利于排氢保钠作用的进行，对于防止酸中毒有重要作用。

调节

糖异生的限速酶主要有以下4个酶：丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖二磷酸酶和葡萄糖磷酸酶。

一、激素对糖异生的调节

激素调节糖异生作用对维持机体的恒稳状态十分重要，激素对糖异生调节实质是调节糖异生和糖酵解这两个途径的调节酶以及控制供应肝脏的脂肪酸，更大量的脂肪酸的获得使肝脏氧化更多的脂肪酸，也就促进葡萄糖合成，胰高血糖素促进脂肪组织分解脂肪，增加血浆脂肪酸，所以促进糖异生；而胰岛素的作用则正相反。胰高血糖素和胰岛素都可通过影响肝脏酶的磷酸化修饰状态来调节糖异生作用，胰高血糖素激活腺苷酸环化酶以产生cAMP，也就激活cAMP依赖的蛋白激酶，后者磷酸化丙酮酸激酶而使之抑制，这一酵解途径上的调节酶受抑制就刺激糖异生途径，因为阻止磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸转变。胰高血糖素降低2，6-二磷酸果糖在肝脏的浓度而促进1，6-二磷酸果糖转变为6磷酸果糖，这是由于2，6-二磷酸果糖是果糖二磷酸酶的别位抑制物，又是6磷酸果糖激酶的别位激活物，胰高血糖素能通过cAMP促进双功能酶（6磷酸果糖激酶2/果糖2，6-二磷酸酶）磷酸化。这个酶经磷酸化后就灭活激酶部位却活化磷酸酶部位，因而2，6-二磷酸果糖生成减少而被水解为6磷酸果糖增多。这种由胰高血糖素引致的2，6-二磷酸果糖下降的结果是6磷酸果糖激酶1活性下降，果糖二磷酸酶活性增高，果糖二磷酸转变为6磷酸果糖增多，有利糖异生，而胰岛素的作用正相反。

除上述胰高血糖素和胰岛素对糖异生和糖酵解的短快调节，它们还分别诱导或阻遏糖异生和糖酵解的调节酶，胰高血糖素/胰岛素比例高诱导大量磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，果糖6-磷酸酶等糖异生酶合成而阻遏葡萄糖激酶和丙酮酸激酶的合成。

二、代谢物对糖异生的调节

1、糖异生原料的浓度对糖异生作用的调节：血浆中甘油、乳酸和氨基酸浓度增加时，使糖的异生作用增强。例如饥饿情况下，脂肪动员增加，组织蛋白质分解加强，血浆甘油和氨基酸增高；激烈运动时，血乳酸含量剧增，都可促进糖异生作用。

2、乙酰辅酶A浓度对糖异生的影响：乙酰辅酶A决定了丙酮酸代谢的方向，脂肪酸氧化分解产生大量的乙酰辅酶A可以抑制丙酮酸脱氢酶系，使丙酮酸大量蓄积，为糖异生提供原料，同时又可激活丙酮酸羧化酶，加速丙酮酸生成草酰乙酸，使糖异生作用增强。

此外乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸由线粒体内透出而进入细胞液中，可以抑制磷酸果糖激酶，使果糖六磷酸酶活性升高，促进糖异生。

糖酵解的逆过程

从丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程称为糖异生途径，基本上是糖酵解的逆过程。糖酵解途径中的大多数反应是可逆的，但由己糖激酶(或葡萄糖激酶)、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶这三个关键酶催化的反应是放能的不可逆反应，又称能障。在糖异生中它们由另一些酶来催化绕过这三个能障，需要ATP供能,以保证合成途径的进行。