糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物的有机化合物。糖是人体最主要的供能物质，人体所需的50%～70%的能量来自糖的氧化分解，这是糖最主要的生理功能。在人体内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运输形式；糖原包括肝糖原、肌糖原和肾糖原等，是糖在体内的储存形式。葡萄糖与糖原都能在体内氧化提供能量。

食物中的糖是机体中糖的主要来源，被人体摄入经消化成单糖吸收后，经血液运输到各组织细胞进行合成代谢和分解代谢。机体内糖的代谢途径主要有葡萄糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成与糖原分解、糖异生以及其他己糖代谢等。本节重点介绍葡萄糖在机体中血糖浓度动态平衡的维持和前五种主要代谢的途径、生理意义及其调节。

食物中的糖主要是淀粉，另外包括一些双糖及单糖。食物中的淀粉主要在小肠中消化。淀粉首先在唾液中α-淀粉酶作用，又经小肠中胰腺分泌的α-淀粉酶、α-糊精酶、麦芽糖酶催化生成葡萄糖。蔗糖酶将蔗糖分解成葡萄糖和果糖，乳糖酶将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。这些单糖主要吸收部位是小肠上段，葡萄糖被小肠上皮细胞摄取是一个依赖Na ^＋的耗能的主动摄取过程。

血液中的葡萄糖，称血糖（blood sugar）。体内血糖浓度是反映机体内糖代谢状况的一项重要指标。正常情况下，血糖浓度是相对恒定的。正常人空腹血浆葡萄糖糖浓度为3.9～6.1mmol/L（葡萄糖氧化酶法）。空腹血浆葡萄糖浓度高于7.0mmol/L称高血糖，低于3.9mmol/L称低血糖。要维持血糖浓度的相对恒定，必须保持血糖的来源和去路的动态平衡。

①食物中的糖是血糖的主要来源；②肝糖原分解是空腹时血糖的直接来源；③非糖物质如甘油、乳酸及生糖氨基酸通过糖异生作用生成葡萄糖，在长期饥饿时作为血糖的来源。

①在各组织中氧化分解提供能量，这是血糖的主要去路；②在肝脏、肌肉等组织进行糖原合成；③转变为其他糖及其衍生物，如核糖等；④转变为非糖物质，如脂肪、非必需氨基酸等；⑤血糖浓度过高时，由尿液排出。血糖浓度大于8.88～9.99mmol/L，超过肾小管重吸收能力，出现糖尿。将出现糖尿时的血糖浓度称肾糖阈。糖尿在病理情况下出现，常见于糖尿病患者。

正常人体血糖浓度维持在一个相对恒定的水平，这对保证人体各组织器官的利用非常重要，特别是脑组织，几乎完全依靠葡萄糖供能进行神经活动，血糖供应不足会使神经功能受损，因此血糖浓度维持在相对稳定的正常水平是极为重要的。正常人体内存在着精细的调节血糖来源和去路动态平衡的机制，保持血糖浓度的相对恒定是神经系统、激素及组织器官共同调节的结果。

神经系统对血糖浓度的调节主要通过下丘脑和自主神经系统调节相关激素的分泌。激素对血糖浓度的调节，主要是通过胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素、生长激素及甲状腺激素之间相互协同、相互拮抗以维持血糖浓度的恒定。激素对血糖浓度的调节见表4-3。

肝脏是调节血糖浓度的最主要器官。当血糖浓度升高时，肝细胞通过合成糖原以降低血糖，当血糖浓度偏低时肝脏通过糖原分解及糖异生升高血糖浓度。

通过体外实验来了解机体对血糖浓度的调节能力，可以采用葡萄糖耐量试验。正常人由于存在精细的调节机制，空腹时正常血糖浓度是3.9～6.1mmol/L，在口服或静脉注射葡萄糖2小时后血糖浓度<7.8mmol/L。糖耐量减退患者，一般空腹血糖浓度<7.0mmol/L，口服或静脉注射葡萄糖0.5～1小时后最高浓度<11.1mmol/L，2小时血糖浓度≥7.8mmol/L，称亚临床或无症状的糖尿病，糖耐量试验在这类病人的早期诊断上颇具意义。典型的糖尿病患者糖耐量试验为：空腹血糖浓度在≥7.0mmol/L，口服或静脉注射葡萄糖2小时后血糖浓度≥11.1mmol/L，提示患者调节血糖浓度能力降低。目前临床上建议检测空腹血糖浓度和2小时餐后血糖浓度，以简化糖耐量试验过程。

当机体处于相对缺氧情况（如剧烈运动）时，葡萄糖或糖原分解生成乳酸，并产生能量的过程称之为糖的无氧酵解。这个代谢过程常见于运动时的骨骼肌，因与酵母的生醇发酵非常相似，故又称糖的无氧酵解（anaerobicglycolysis）。

参与糖酵解反应的一系列酶存在于细胞质中，因此糖酵解的全部反应过程均在细胞质中进行。根据反应特点，可将整个过程分为四个阶段：

己糖磷酸化包括3步反应：

葡萄糖进入细胞后先生成6-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖极性增高，不能自由进出细胞膜，因而不易逸出胞外，反应限制在细胞质中进行。由葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖的反应是己糖激酶（hexokinase，HK）催化的，需要Mg ^2＋参与，并消耗ATP，此反应基本是一个不可逆的反应。己糖激酶是糖酵解过程关键酶之一，它是别构酶，活性受到自身反应产物6-磷酸葡萄糖的抑制。己糖激酶广泛存在各组织中， K _m为0.1mmol/L，对葡萄糖的亲和力高。哺乳动物中已发现了四种己糖激酶的同工酶Ⅰ～Ⅳ型。Ⅳ型酶只存在于肝脏，对葡萄糖有高度专一性，又称葡萄糖激酶，葡萄糖激酶 K _m为10mmol/L，对葡萄糖的亲和力低，当血液中和肝细胞内葡萄糖浓度增高时，能激活葡萄糖激酶活性，催化葡萄糖生成G-6-P，进而由肝脏合成糖原。葡萄糖激酶属于变构酶，活性受到6-磷酸果糖的抑制，而不受6-磷酸葡萄糖的抑制，这样可保证肝糖原顺利合成。从糖原开始的分解途径生成6-磷酸葡萄糖，是糖原在磷酸化酶的作用下产生1-磷酸葡萄糖（G-1-P），再变位生成6-磷酸葡萄糖。

6-磷酸葡萄糖是一个重要的中间代谢产物，6-磷酸葡萄糖是许多糖代谢途径（无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成、糖原分解）的连接点。

6-磷酸葡萄糖转变成6-磷酸果糖，此反应由磷酸己糖异构酶催化，反应可逆。

6-磷酸果糖转变成1，6-二磷酸果糖，催化此反应的酶是6-磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase1-1，PFK-1），这是糖酵解途径的第二次磷酸化反应，需要ATP与Mg ^2＋参与，反应不可逆。6-磷酸果糖激酶1是糖酵解过程的主要限速酶，是糖酵解过程中的主要调节点。它是别构酶，高浓度ATP、柠檬酸是此酶的别构抑制剂。 ADP、AMP、2，6-二磷酸果糖（fructose 2，6 bisphosphate，F-2，6-BP）是此酶的别构激活剂，其中2，6-二磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶1最强烈的激活剂，促进糖酵解过程进行。

第一个阶段的主要特点是葡萄糖的磷酸化，并伴随着能量的消耗。在这阶段中若从葡萄糖开始，每生成1分子F-1，6-BP需消耗2分子ATP；若从糖原开始，每生成1分子F-1，6-BP消耗1分子ATP。在这阶段中有两个不可逆反应，从葡萄糖开始由两个关键酶，即己糖激酶和6-磷酸果糖激酶1催化；从糖原开始由两个关键酶磷酸化酶和6-磷酸果糖激酶1催化。

F-1，6-BP裂解为2分子磷酸丙糖，此反应由醛缩酶催化，反应可逆。3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，两者互为异构体，在磷酸丙糖异构酶催化下可互相转变，当3-磷酸甘油醛在继续进行反应时，磷酸二羟丙酮可不断转变为3-磷酸甘油醛，这样1分子F-1，6-BP生成2分子3-磷酸甘油醛。

3-磷酸甘油醛转变成丙酮酸由5步代谢反应。

此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化脱氢、加磷酸，其辅酶为NAD ^＋，反应脱下的氢交给NAD ^＋成为NADH＋H ^＋；反应时释放的能量储存在所生成的1，3-二磷酸甘油酸1位的羧酸与磷酸构成的混合酸酐内，此高能磷酸基团可将能量转移给ADP形成ATP。

此反应由3-磷酸甘油酸激酶催化，产生1分子ATP，这是无氧酵解过程中第一次生成ATP。由于是1分子葡萄糖产生2分子1，3-二磷酸甘油酸，所以在这一过程中，1分子葡萄糖可产生2分子ATP。ATP的产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团直接转移给ADP形成ATP。

此反应由磷酸甘油酸变位酶催化，磷酸基团由3-位转至2-位。

此脱水反应由烯醇化酶所催化，Mg ^2＋作为激活剂。反应过程中，分子内部能量重新分配，形成含有高能磷酸基团的磷酸烯醇式丙酮酸。

此反应由丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）催化，Mg ^2＋作为激活剂，产生1分子ATP，在生理条件下，此反应不可逆。丙酮酸激酶也是无氧酵解过程中的关键酶及调节点。丙酮酸激酶也是别构酶，1，6-二磷酸果糖是此酶的别构激活剂，而ATP、乙酰辅酶A与游离长链脂肪酸是该酶的别构抑制剂。这是无氧酵解过程第二次生成ATP，产生方式也是底物水平磷酸化。由于是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，所以在这一过程中，1分子葡萄糖可产生2分子ATP。

第二阶段的特点是能量的产生。无氧酵解过程的能量产生主要在1，3二磷酸甘油酸成为3-磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸过程中，共产生4分子ATP，产生方式都是底物水平磷酸化。

此反应由乳酸脱氢酶催化，在反应中所需的NADH＋H ^＋来自3-磷酸甘油醛脱氢氧化生成1，3-二磷酸甘油酸。在缺氧的情况下，这对氢用于丙酮酸生成乳酸，NADH＋H ^＋重新转变成NAD ^＋，糖酵解能继续进行。

糖酵解的全部反应过程可用图4-30表示。

1分子葡萄糖在缺氧的条件下转变为2分子乳酸，同时伴随着能量的产生，净产生2分子ATP；糖原开始1分子葡萄糖单位糖酵解也生成2分子乳酸，净产生3分子ATP（表4-4）。在葡萄糖开始的糖酵解过程中，41%的自由能储存到ATP分子中，其他以热量的形式进行散发。

糖酵解为组织迅速提供应激状态下急需的ATP，尤其是肌肉剧烈运动收缩时，能量消耗增高，此时肌肉可通过葡萄糖及糖原的无氧酵解，短期内提供部分能量。

由于红细胞没有线粒体，糖酵解是提供能量的主要途径。此外，白细胞、皮肤、神经组织、睾丸、骨髓等代谢旺盛的组织在不缺氧的情况下，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，在有氧条件下，进一步氧化生成乙酰辅酶A，经三羧酸循环彻底氧化成水、二氧化碳及产生能量的过程。这是糖氧化的主要方式，是机体获得能量的主要途径。

这一阶段和糖酵解过程相似，在细胞质中进行。在缺氧的条件下丙酮酸生成乳酸。在有氧的条件下丙酮酸进入线粒体生成乙酰辅酶A，再进入三羧酸循环。

在有氧条件下，丙酮酸从细胞质进入线粒体。在丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex）的催化下进行氧化脱羧反应（图4-31）。丙酮酸脱氢酶复合体是由三种酶组成的多酶复合体，它包括丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸乙酰转移酶及二氢硫辛酸脱氢酶（表4-5）。以乙酰转移酶为核心，周围排列着丙酮酸脱氢酶及二氢硫辛酸脱氢酶。参与的辅酶有TPP，硫辛酸，FAD，NAD ^＋，辅酶A。在多酶复合体中进行着紧密相连的连锁反应过程，反应迅速完成，催化效率高，使丙酮酸脱羧和脱氢生成乙酰辅酶A及NADH＋H ^＋。

丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰辅酶A要彻底进行氧化，这个氧化过程是三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）。三羧酸循环是Krebs于1937年发现的，故又称Krebs循环。因为循环中第一个中间产物是柠檬酸，故又称柠檬酸循环。乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成含有3个羧基的柠檬酸，再经过一系列反应重新变成草酰乙酸完成一轮循环，其中氧化反应脱下的氢，经线粒体内膜上的呼吸链传递氧化磷酸化生成水并产生ATP；而脱羧反应生成的二氧化碳则通过血液运输到呼吸系统而被排出，是体内二氧化碳的主要来源。

三羧酸循环由8步代谢反应组成。

此反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化，是三羧酸循环的关键酶，是重要的调节点。此反应不可逆。

此反应由顺乌头酸酶催化，柠檬酸脱水、加水生成异柠檬酸。

此反应在异柠檬酸脱氢酶催化下使异柠檬酸进行β-氧化、脱羧生成α-酮戊二酸的，这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧。异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）辅酶是NAD ^＋，脱氢生成的NADH＋H ^＋，经氧化磷酸化生成3分子ATP。异柠檬酸先脱氢生成草酰琥珀酸，再脱羧生成α-酮戊二酸。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环的限速酶，是最主要的调节点。

此反应在α-酮戊二酸脱氢酶复合体（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）催化下使α-酮戊二酸进行氧化、脱羧生成琥珀酰辅酶A，这是三羧酸循环中第二次氧化脱羧。α-酮戊二酸脱氢酶复合体是三羧酸循环的关键酶，是第三个调节点。α-酮戊二酸脱氢酶复合体是多酶复合体，其组成及反应方式都与丙酮酸脱氢酶复合体相似。它所含的三种酶是α-酮戊二酸脱氢酶（需TPP）；硫辛酸琥珀酰基转移酶（需硫辛酸和辅酶A）；二氢硫辛酸脱氢酶（需FAD、NAD ^＋）。脱氢生成NADH＋H ^＋，经氧化磷酸化生成3分子ATP。由于反应中分子内部能量重排，产物琥珀酰辅酶A中含有一个高能硫酯键，此反应不可逆。

此反应由琥珀酸合成酶催化，琥珀酰辅酶A中的高能硫酯键释放能量，可以转移给GDP，形成GTP。这是三羧酸循环中唯一的一次底物水平磷酸化，生成1分子ATP。

此反应由琥珀酸脱氢酶催化，辅酶是FAD，脱氢后生成FADH ₂，经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成2分子ATP。

此反应由延胡索酸酶催化，加水生成苹果酸。

此反应由苹果酸脱氢酶催化，辅酶是NAD ^＋，脱氢后生成NADH＋H ^＋，经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成3分子ATP。

三羧酸循环的总反应方程式为：

三羧酸循环的反应过程见图4-32。

①在三羧酸循环中草酰乙酸反应前后并无量的变化。②三羧酸循环是能量的产生过程，1分子乙酰CoA通过TCA经历了4次脱氢（3次脱氢生成NADH＋H ^＋，1次脱氢生成FADH ₂）、2次脱羧生成CO ₂、1次底物水平磷酸化，共产生12分子ATP。③三羧酸循环中柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是反应的关键酶，是反应的调节点。最重要的调节点是异柠檬酸脱氢酶。最主要的调节因素是ATP和NADH的浓度。当[ATP]/[ADP]，[NADH]/[NAD ^＋]很高时，提示能量足够，三个关键酶活性被抑制；反之，这三个关键酶的活性被激活。此外，底物乙酰CoA、草酰乙酸的不足，产物柠檬酸、ATP产生过多，都能抑制柠檬酸合酶。

①三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大物质代谢的最终代谢通路。糖、脂和蛋白质在体内代谢都最终生成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环彻底氧化分解成水、CO ₂和产生能量。②三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大物质代谢的枢纽。

糖有氧氧化的主要功能是提供能量，人体内绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化获取能量。体内1分子葡萄糖彻底有氧氧化生成38（或36）分子ATP，其中通过氧化磷酸化反应得到34（或32）分子ATP，通过底物水平磷酸化生成6分子ATP（表4-6）。从糖原的葡萄糖残基开始氧化，则每分子糖基彻底氧化可形成39（或37）分子ATP。葡萄糖彻底氧化生成CO ₂、H ₂O的过程中，产生能量的效率为40%左右。

磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway）是葡萄糖氧化分解的另一条重要途径，它的功能不是产生ATP，而是产生细胞所需的具有重要生理作用的特殊物质，如NADPH和5-磷酸核糖。这条途径存在于肝脏、脂肪组织、甲状腺、肾上腺皮质、性腺、红细胞等组织中。代谢相关的酶存在于细胞质中。

磷酸戊糖途径是一个比较复杂的代谢途径：反应可分为两个阶段：第一阶段是氧化反应，产生NADPH及5-磷酸核糖；第二阶段是非氧化反应，是一系列基团的转移过程，见图4-33。

6-磷酸葡萄糖由6-磷酸葡萄糖脱氢酶（glucose 6-phosphate dehydrogenase，G-6-PD）及6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化作用，NADP ^＋是它们的辅酶，G-6-P在第一位碳原子上脱氢脱羧而转变为5-磷酸核酮糖，同时生成2分子NADPH＋H ^＋及1分子CO ₂。5-磷酸核酮糖在异构酶的作用下成为5-磷酸核糖。

在这一阶段中产生了NADPH＋H ^＋和5-磷酸核糖这两个重要的代谢产物。

在这一阶段中磷酸戊糖继续代谢，通过一系列的反应进行基团转移，中间生成三碳、七碳、四碳和六碳等的单糖磷酸酯，最后转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。

6分子葡萄糖经磷酸戊糖途径可以使1分子葡萄糖转变为6分子CO ₂。随后的分子重排反应再产生4分子G-6-P和2分子3-磷酸甘油醛。总反应：

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

NADPH＋H ^＋参与多种代谢反应，发挥不同的功能：

在脂肪酸、类固醇激素等生物合成时都需NADPH＋H ^＋，所以脂类合成旺盛的组织如肝脏、乳腺、肾上腺皮质、脂肪组织等磷酸戊糖途径比较活跃。

NADPH＋H ^＋是加单氧酶体系的辅酶之一，参与体内羟化反应，例如一些药物、毒物等化合物在肝脏中生物转化时被羟化后极性增加有利于排出体外。

NADPH使氧化型谷胱甘肽变为GSH，对维持红细胞中还原型谷胱甘肽（GSH）的正常含量起重要作用。GSH能去除红细胞中的H ₂O ₂，维护红细胞的完整性：H ₂O ₂在红细胞中的积聚，会加快血红蛋白氧化生成高铁血红蛋白的过程，降低红细胞的寿命；H ₂O ₂对脂类的过氧化会导致红细胞膜的破坏，造成溶血。遗传性G-6-PD缺乏的患者，磷酸戊糖途径不能正常进行，造成NADPH＋H ^＋减少，GSH含量低下，红细胞易破裂，发生溶血性黄疸。他们常在食用蚕豆后诱发，故称蚕豆病。

该途径生成的5-磷酸核糖为核苷酸、核酸的合成。

三碳糖、四碳糖、五碳糖、七碳糖及六碳糖通过磷酸戊糖途径互相转换。

糖原是体内糖的储存形式。主要以肝糖原、肌糖原形式存在。肝糖原的合成与分解主要是为了维持血糖浓度的相对恒定；肌糖原主要可以通过糖酵解供肌肉收缩的急需的能量。糖原由许多葡萄糖通过α-1，4-糖苷键（直链）及α-1，6-糖苷键（分支）相连而成的带有分支的多糖，存在于细胞质中。

糖原合成（glycogenesis）是由葡萄糖合成糖原的过程。糖原分解（glycogenolysis）是指肝糖原分解为葡萄糖的过程。糖原合成及分解反应都是从糖原分支的非还原性末端开始，分别由两组不同的酶催化（图4-34）。

糖原合成代谢在肝脏和肌肉中进行。首先以葡萄糖为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，将UDPG转给肝、肌肉中的糖原蛋白上，延长糖链合成糖原。其次糖链在分支酶的作用下再分支合成多支的糖原。反应可以分为两个阶段：

第一阶段：糖链的延长

1.

2.

3.

4.

游离的葡萄糖不能直接合成糖原，它必须先磷酸化为G-6-P再转变为G-1-P，后者与UTP作用形成UDPG及焦磷酸（PPi）。UDPG是糖原合成的底物，葡萄糖残基的供体，称活性葡萄糖。UDPG在糖原合酶催化下将葡萄糖残基转移到糖原蛋白中糖原的直链分子非还原端残基上，以α-1，4-糖苷键相连延长糖链。

第二阶段：糖链分支

糖原合酶只能延长糖链，不能形成分支。当直链部分不断加长到超过11个葡萄糖残基时，分支酶可将一段糖链（至少含有6个葡萄糖残基）转移到邻近糖链上，以α-1，6-糖苷键相连接，形成新的分支（图4-35），分支以α-1，4-糖苷键继续延长糖链。

糖原合酶是糖原合成的限速酶，是糖原合成的调节点。糖原蛋白每增加一个葡萄糖残基要消耗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过程。在限速酶糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）的催化下，糖原从分支的非还原端开始，逐个分解以α-1，4-糖苷键连接的葡萄糖残基，形成G-1-P。G-1-P转变为G-6-P后，肝及肾中含有葡萄糖-6-磷酸酶，使G-6-P水解变成游离葡萄糖，释放到血液中，维持血糖浓度的相对恒定。由于肌肉组织中不含葡萄糖-6-磷酸酶，肌糖原分解后不能直接转变为血糖，产生的G-6-P在有氧的条件下被有氧氧化彻底分解，在无氧的条件下糖酵解生成乳酸，后者经血液循环运到肝脏进行糖异生，再合成葡萄糖或糖原（见糖异生）。

1.

2.

3.

当糖原分子的分支被糖原磷酸化酶作用到距分支点只有4个葡萄糖残基时，糖原磷酸化酶不能再发挥作用。此时脱支酶发挥作用，脱支酶具有转寡糖基酶和α-1，6-葡萄糖苷酶两个酶活性：转寡糖基酶将分支上残留的3个葡萄糖残基转移到另外分支的末端糖基上，并进行α-1，4-糖苷键连接；而残留的最后一个葡萄糖残基则通过α-1，6-葡萄糖苷酶水解，生成游离的葡萄糖；分支去除后，糖原磷酸化酶继续催化分解葡萄糖残基形成G-1-P（图4-36）。

糖原合成与糖原分解受到彼此相反的调节。当糖原合成途径活跃时，分解途径则被抑制，才能有效地合成糖原；反之亦然。糖原合酶与糖原磷酸化酶分别是糖原合成和糖原分解的限速酶，这两个酶分别是糖原合成与分解代谢途径的调节点，它们可以通过别构调节和共价修饰调节两种方式进行活性的调节。

糖原磷酸化酶以a、b两种形式存在。机体可以通过共价修饰调节方式调节糖原磷酸化酶的活性。肾上腺素通过信号传导途径使cAMP的浓度提高，激活A激酶，使无活性的糖原磷酸化酶激酶b磷酸化成为有活性的糖原磷酸化酶激酶b，糖原磷酸化酶激酶a进一步使无活性的糖原磷酸化酶b成为有活性的糖原磷酸化酶a，促进糖原分解。磷酸化的糖原磷酸化酶激酶b可经磷蛋白磷酸酶-1催化脱去磷酸，成为无活性的糖原磷酸化酶激酶b。从而抑制糖原分解。

糖原分解过程同时涉及别构调节机制。在剧烈运动的肌肉中Ca ^2＋能结合别构激活无活性的糖原磷酸化酶b，使之转变为有活性的糖原磷酸化酶a。在剧烈运动时AMP在肌肉中积聚，别构激活糖原磷酸化酶；当ATP足够时，ATP和别构位点结合，使糖原磷酸化酶失活。当葡萄糖进入肝细胞，与糖原磷酸化酶a的别构位点结合，引起构象改变，使糖原磷酸化酶a上磷酸化的丝氨酸残基暴露，在磷蛋白磷酸酶-1催化下脱磷酸成无活性的糖原磷酸化酶b。因此当血糖浓度升高时，可降低肝糖原的分解。

糖原合酶也分为a、b两种形式。糖原合酶a具有活性，糖原合酶a被磷酸化转变成无活性的糖原合酶b。催化其磷酸化的也是依赖cAMP的蛋白激酶。在磷蛋白磷酸酶-1的作用下，无活性的糖原合酶b脱磷酸转变为有活性的糖原合酶a。

糖原磷酸化酶和糖原合酶的活性在磷酸化与去磷酸化作用下相互调节，一个酶被激活，另一个酶活性被抑制，两个酶不会同时被激活或同时抑制。

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，它们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剂精细调节，磷蛋白磷酸酶抑制剂是一种胞内蛋白质，和磷蛋白磷酸酶-1结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，去磷酸化则无活性。抑制物的激活也是由依赖cAMP的蛋白激酶调节的。

因此，cAMP激活A激酶，不仅促进糖原磷酸化酶激酶b磷酸化成为糖原磷酸化酶激酶a、磷酸化酶b磷酸化成为磷酸化酶a，又通过磷蛋白磷酸酶抑制剂的磷酸化，达到抑制磷蛋白磷酸酶-1对糖原磷酸化酶激酶a、糖原磷酸化酶a和糖原合酶b脱磷酸化的目的，最终促进糖原分解，抑制糖原合成（图4-37）。

图4-37中酶的磷酸化与去磷酸化使酶活性相应改变，构成一组连续的、级联式的酶促反应过程，各级反应不仅都可被调节，而且有放大效应。这种调节机制有利于机体针对不同生理状况作出反应。

糖异生作用（gluconeogenesis）是指非糖物质如生糖氨基酸、乳酸、丙酮酸及甘油等转变为葡萄糖或糖原的过程。糖异生的最主要器官是肝脏，肾脏在正常情况下糖异生能力只有肝脏的1/10，当长期饥饿时肾脏糖异生的能力则可增强。

糖异生反应过程不完全是糖酵解反应的逆过程。由于糖酵解过程中由己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1及丙酮酸激酶催化的三个反应释放了大量的能量，构成难以逆行的能障，因此这三个反应是不可逆的。这三个反应可以分别通过相应的酶催化，使反应逆行（图4-38），完成糖异生反应过程。

丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸是丙酮酸激酶催化反应的逆过程，在此过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两步反应，构成一条所谓“丙酮酸羧化支路”。丙酮酸羧酶的辅酶是生物素，并需ATP、Mg ^2＋（Mn ^2＋）参与羧化反应；磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，由GTP提供能量，释放CO ₂。这两步反应共消耗2个ATP。

丙酮酸羧酶存在于线粒体内，因此胞液中的丙酮酸必须进入线粒体，才能羧化生成草酰乙酸。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在人体的线粒体及胞液中均存在，这样存在于线粒体中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，可直接催化草酰乙酸脱羧生成PEP再进入胞液。而存在于细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进出线粒体内膜，需通过2种途径将草酰乙酸从线粒体转运到细胞液中：草酰乙酸先要在线粒体内还原生成苹果酸或经转氨基作用生成天冬氨酸，苹果酸、天冬氨酸能自由进入细胞液，在细胞液中苹果酸可脱氢氧化、天冬氨酸可再经转氨基作用生成草酰乙酸，完成了将草酰乙酸从线粒体转运到胞液的过程。然后，转运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脱羧生成PEP。

此反应由1，6-二磷酸果糖酶-1催化进行。这个反应是糖酵解过程中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过程。

此反应由葡萄糖-6-磷酸酶催化进行。这个反应是糖酵解过程中己糖激酶催化葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖的逆过程。

以上四个关键酶催化的反应是糖异生的主要调节点。糖异生与糖酵解是两条相同但方向相反的代谢途径，体内通过改变酶的合成速度、共价修饰调节和别构调节来调控这两条途径中关键酶的活性，以达到最佳生理效应。

糖异生是在机体不能从食物中摄取足够的碳水化合物时，为满足机体的需求而进行的代谢过程。由于糖异生过程的存在，即使禁食数周，血糖浓度仍可维持在正常的最低限，这对于保证某些主要依赖葡萄糖供能的组织，如脑和红细胞等的功能具有重大意义。若没有外来葡萄糖补充，单纯依靠体内储备的肝糖原来维持血糖浓度，则10多个小时后糖原耗尽。但通过糖异生可将非糖物质，如组织蛋白质分解后产生的氨基酸及脂肪分解后产生的甘油等转变为血糖，使血糖水平能在较长时间内维持相对恒定。

乳酸大部分是由肌肉和红细胞中糖酵解生成的，经血液运输到肝脏或肾脏，经糖异生再形成葡萄糖，后者可经血液运输回到各组织中继续氧化提供能量。这个过程称是乳酸循环或Cori循环（图4-39）。在安静状态下产生乳酸的量甚少，此途径意义不大。但在某些生理或病理情况下，如剧烈运动时，肌糖原酵解产生大量乳酸，大部分可经血液运到肝脏，通过糖异生作用合成肝糖原或葡萄糖以补充血糖，而血糖又可供肌肉利用。乳酸循环可避免损失乳酸以及防止因乳酸堆积引起的酸中毒。

酸中毒时H ^＋能激活肾小管上皮细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，促进糖异生进行。由于三羧酸循环中间代谢物进行糖异生，造成α-酮戊二酸含量降低，促使谷氨酸和谷氨酰胺的脱氨生成的α-酮戊二酸补充三羧酸循环，产生的氨则分泌进入肾小管，与原尿中H ^＋结合成NH ₄ ^＋，对H ^＋过多起到缓冲作用，可缓解酸中毒。

肝摄取葡萄糖的能力低，但仍可合成糖原，并且在进食2～3小时内，肝仍保持较高的糖异生活性。其原因已有实验结果表明，肝细胞可将谷氨基酸、乳酸、丙酮酸及甘油等迅速地转变为肝糖原来补充或恢复肝糖原储备。葡萄糖经UDPG合成糖原的过程称直接途径，通过糖异生补充肝糖原途径称间接途径。

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