生物化學與分子生物學/糖異生

糖代謝 - 糖的攝取與利用 - 糖的無氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途徑 - 糖原的合成與分解 - 糖異生 - 葡萄糖的其他代謝途徑 - 血糖及其調節

糖異生途徑概覽

體內糖原的儲備有限，如果沒有補充，在12～24小時肝糖原即被耗盡，血糖來源斷絕。但事實上即使禁食更長時間，血糖仍保持在正常範圍。這時除了周圍組織減少對葡萄糖的利用外，主要還依賴肝將胺基酸、乳酸等轉變成葡萄糖，不斷補充血糖。這種由非糖化合物（乳酸、甘油、生糖胺基酸等）轉變為葡萄糖或糖原的過程稱為糖異生(gluconeogenesis)。糖異生的主要器官是肝；腎的糖異生能力相對較弱，但在長期飢餓時可增強。

糖異生不完全是糖酵解的逆反應

丙酮酸能夠逆著糖酵解反應方向生成葡萄糖，乳酸和一些生糖胺基酸就是經由丙酮酸進行糖異生的。葡萄糖經糖酵解生成丙酮酸時，ΔG°'為-85kJ/mol, 從熱力學角度看，由丙酮酸進行糖異生不可能全部循糖酵解逆行。糖酵解與糖異生的多數反應是可逆的，但糖酵解中3個限速步驟所對應的逆反應需要由糖異生特有的關鍵酶來催化。

丙酮酸經丙酮酸羧化支路生成磷酸烯醇式丙酮酸

糖酵解的最後一步反應由丙酮酸激酶催化，將磷酸烯醇式丙酮酸轉變成丙酮酸。在糖異生中其逆過程需要丙酮酸進入線粒體，啟動丙酮酸狻化支路。

• 丙酮酸羧化支路包括兩步反應

丙酮酸轉變為磷酸烯醇式丙酮酸的反應分兩步進行，分別由兩個關鍵酶催化。催化第一個反應的是丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase), 其輔因子為生物素。CO₂先與生物素結合，需消耗ATP；然後活化的CO₂再轉移給丙酮酸生成草醯乙酸。第二個反應由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，將草醯乙酸脫羧轉變成磷酸烯醇式丙酮酸，消耗一個高能磷酸鍵。上述兩步反應共消耗1個ATP和1個GTP。
由於丙酮酸羧化酶僅存在於線粒體內，故細胞質中的丙酮酸必須進入線粒體，才能羧化生成草醯乙酸。而磷酸烯醇式丙酮酸狻激酶在線粒體和細胞質中都存在，因此，草醯乙酸可在線粒體中直接轉變為磷酸烯醇式丙酮酸再進入細胞質；也可先轉運至細胞質再轉變為磷酸烯醇式丙酮酸，這就涉及草醯乙酸從線粒體到細胞質的轉運過程。

• 將草醯乙酸運出線粒體有兩種方式 草醯乙酸不能直接透過線粒體內膜，需藉助兩種方式將其從線粒體轉運到細胞質:
  • 經蘋果酸轉運：由線粒體內蘋果酸脫氫酶催化，草醯乙酸還原成蘋果酸後運出線粒體，再經細胞質中蘋果酸脫氫酶催化，蘋果酸氧化而重新生成草醯乙酸，需注意此過程伴隨著NADH從線粒體到細胞質的轉運；
  • 經天冬氨酸轉運：由線粒體內穀草轉氨酶催化，草醯乙酸轉變成天冬氨酸後運出線粒體，再經細胞質中穀草轉氨酶催化，天冬氨酸再恢復生成草醯乙酸，此過程並無NADH的伴隨轉運。

草醯乙酸通過哪一種方式轉運，主要取決於不同糖異生原料對供氫體的需求。糖異生在細胞質階段的後續反應中有一步還原反應，1,3-二磷酸甘油酸還原成3-磷酸甘油酸，需NADH供氫。不同原料進行糖異生時，此供氫體的來源不同。 例如，從乳酸開始糖異生時，所需的NADH來源於細胞質。乳酸脫氫生成丙酮酸時，已在細胞質中產生了NADH以供利用，所以草醯乙酸經由天冬氨酸方式運出線粒體。又如，從丙酮酸或生糖胺基酸開始糖異生時，所需的NADH必須由線粒體提供，這些NADH可來自脂肪酸β-氧化或三羧酸循環。 此時草醯乙酸經由蘋果酸方式運出線粒體，以便同時將線粒體內的NADH運至細胞質以供利用。

果糖-1,6-二磷酸水解為果糖-6-磷酸

此反應由果糖二磷酸酶-1催化。C₁位的磷酸酯進行水解是放能反應，並不生成ATP,所以反應易於進行。

葡糖-6-磷酸水解為葡萄糖

此反應由葡糖-6-磷酸酶催化, 也是磷酸酯水解反應，而不是葡糖激酶催化反應的逆反應，熱力學上是可行的。
綜上，糖異生的4個關鍵酶是丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖二磷酸酶-1和葡糖－6-磷酸酶，它們與糖酵解中3個關鍵酶所催化的反應方向正好相反，使乳酸、丙氨酸等生糖胺基酸經丙酮酸異生為葡萄糖。

糖異生和糖酵解的反向調節主要針對兩個底物循環

糖異生與糖酵解是方向相反的兩條代謝途徑，其中3個限速步驟分別由不同的酶催化底物互變，稱為底物循環(substrate cycle)。如果催化互變反應的兩種酶活性相等時，代謝不能向任何方向推進，結果是無謂地消耗ATP而釋放熱能，形成無效循環(futile cycle)。通常情況下，細胞內兩酶的活性不相等，因此代謝朝著酶活性強的方向進行。
要進行有效的糖異生，就必須抑制糖酵解；反之亦然。這種協調主要依賴對2個底物循環的調節。維持底物循環雖然損失一些ATP,但卻使代謝調節更為靈敏、精細。

第—個底物循環調節果糖-6-磷酸與果糖-1,6-二磷酸的互變

糖酵解時，果糖-6-磷酸發生磷酸化而生成果糖-1,6-二磷酸，反應耗能；糖異生時，果糖-1,6-二磷酸水解去磷酸而轉變為果糖-6-磷酸，反應並無產能，由此構成第一個底物循環。催化此互變反應的兩種酶活性常呈相反的變化。

• 果糖-2,6-二磷酸和AMP反向調節第一個底物循環 果糖-2,6-二磷酸和AMP既是磷酸果糖激酶-1的別構激活劑，又是果糖二磷酸酶-1的別構抑制劑。這一底物循環的調控最為重要，通過能量負反饋與果糖二磷酸正反饋的雙重調節作用，對互逆反應中兩個關鍵酶進行高效的同步反向調節，確保糖酵解活躍進行、而糖異生被抑制。
• 果糖-2,6-二磷酸是肝內糖異生與糖酵解的主要調節信號 果糖-2,6-二磷酸的生成暈可受激素調節。胰高血糖素使果糖-2,6-二磷酸的生成減少，這是因為胰高血糖素通過cAMP和蛋白激酶A,使磷酸果糖激酶-2磷酸化而失活，引起果糖-2,6-二磷酸水平降低，因此飢餓時肝糖異生增強而糖酵解減弱。胰島素則作用相反，可升高果糖-2,6-二磷酸水平，因此進食後肝糖異生減弱而糖酵解增強。

第二個底物循環調節磷酸烯醇式丙酮酸與丙酮酸的互變

糖酵解時，磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸並產生能量；糖異生時，丙酮酸消耗能量生成磷酸烯醇式丙酮酸，由此構成第二個底物循環。在這一底物循環中，所涉及的3個關鍵酶的調節方式有所差異。

• 丙酮酸激酶受別構調節和磷酸化修飾調節 丙酮酸激酶的活性受到別構調節：
  • 果糖-1,6-二 磷酸是其別構激活劑，可促進糖酵解。果糖-1,6-二磷酸的生成量也受胰高血糖素調節，這是因為胰高血糖素可降低果糖-2,6-二磷酸水平，從而減少果糖-1,6-二磷酸的生成。
  • 丙氨酸是肝內丙酮酸激酶的別構抑制劑，可阻止肝進行糖酵解。飢餓時，丙氨酸是主要的糖異生原料，故丙氨酸抑制糖酵解有利於肝內糖異生。
  • 此外，丙酮酸激酶的活性還可受到化學修飾調節。胰高血糖素通過cAMP使丙酮酸激酶發生磷酸化，從而抑制其活性，減弱糖酵解。
• 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶受激素誘導的含量調節 胰高血糖素通過cAMP, 快速升高磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的mRNA水平，促進合成酶蛋白，加強糖異生。胰島素則顯著降低磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的mRNA和酶蛋白含量，使糖異生減弱。
• 丙酮酸狻化酶受乙醯CoA的別構激活 乙醯CoA是丙酮酸羧化酶的別構激活劑，也是丙酮酸脫氫酶複合體的別構抑制劑。這種雙重調節作用使第二個底物循環與丙酮酸氧化脫羧的反應相協調。飢餓時，大量脂醯CoA在線粒體內進行β-氧化，生成大量乙醯CoA,一方面激活丙酮酸羧化酶，使丙酮酸轉變為草醯乙酸，加速糖異生；另一方面抑制丙酮酸脫氫酶複合體，阻止葡萄糖經由丙酮酸氧化分解。

兩個底物循環的調節相互聯繫和協調

兩個底物循環的調節並非孤立進行，而是通過一些代謝物和激素共同發揮調節作用：

• 通過中間代謝物協調兩個底物循環。例如，果糖-1,6-二磷酸既可以激活第一個底物循環中的磷酸果糖激酶-1，又可以激活第二個底物循環中的丙酮酸激酶，從而使兩個底物循環同時向促進糖酵解的方向進行。
• 通過激素協調兩個底物循環。例如，胰高血糖素既可以作用於第一個底物循環，降低果糖-2,6-二磷酸的水平；還可以作用於第二個底物循環，使丙酮酸激酶磷酸化而失活，從而協同抑制糖酵解、促進糖異生。

糖異生的主要生理意義是維持血糖恆定

肝的糖異生作用主要是飢餓或運動時調節血糖，也可在飢餓後進食初期恢復合成肝糖原儲備。腎的糖異生可在長期飢餓時維持酸鹼平衡。

維持血糖恆定是肝糖異生最重要的生理作用

即使在飢餓狀況下，機體也需消耗一定量的葡萄糖，以維持生命活動。正常成人的腦組織對葡萄糖依賴程度大，腦中已糖激酶K_m低於其他組織，即使在血糖水平較低時也能利用葡萄糖。紅細胞只能通過糖的無氧氧化獲得能量。骨髓、視網膜、神經等組織常由糖的無氧氧化提供部分能量。此時這些葡萄糖全部依賴糖異生生成。經異生補充的血糖有限，所以除此之外的其他大多數組織改用脂質供能，以節約葡萄糖。
飢餓導致肝糖原耗盡後，肝通過糖異生維待血糖水平恆定。蛋白質的分解產物生糖胺基酸、脂肪的分解產物甘油是飢餓時糖異生的主要原料。一方面，肌內大量的蛋白質分解為胺基酸，再以丙氨酸和穀氨醯胺的形式運輸至肝進行糖異生，這是飢餓時血糖補給的主要來源；另一方面，隨著脂肪組織中脂肪分解增強，運送至肝的甘油增多，也可經糖異生補充少盤葡萄糖。但在長期飢餓時，如果持續大量消耗蛋白質，將無法維待生命。經過適應，腦每天消耗的葡萄糖可減少，其餘依賴酮體供能；此時甘油仍可經糖異生持續供應少量葡萄糖，這樣可使機體對蛋白質的消耗量顯著降低。
在劇烈運動時，肌糖原分解生成乳酸，機體可利用乳酸進行糖異生。肌內糖異生活性低，生成的乳酸不能在肌內重新合成糖，需經血液轉運至肝內進行糖異生，從而完成對乳酸的回收再利用，這樣既輸出血糖，又避免酸中毒。

糖異生是補充或恢復肝糖原儲備的重要途徑

糖異生可補充或恢復肝糖原儲備，這在飢餓後進食尤為重要。肝糖原的合成並不完全是利用肝細胞直接攝入的葡萄糖。事實上，肝內葡糖激酶的K_m很高，因而對葡萄糖的親和力低，在飢餓後進食初期血糖雖有升高，但尚不足以達到葡糖激酶催化所需的有效底物濃度。此時進行糖異生，就可經由丙酮酸等生成葡糖-6-磷酸而進入糖原合成途徑，從而繞開葡糖激酶催化的瓶頸反應。
這一解釋已被實驗證實：

• 向肝灌注液中加入一些可異生成糖的甘油、穀氨酸、丙酮酸和乳酸，可使肝糖原迅速增加；
• 以放射性核素標記葡萄糖的不同碳原子後輸入動物，分析其肝糖原中葡萄糖的標記情況，結果表明相當一部分攝入的葡萄糖先分解成丙酮酸、乳酸等三碳化合物，後者再異生成糖，合成糖原。這條途徑稱為糖原合成的三碳途徑，它既解釋了肝攝取葡萄糖的能力低，但仍可合成糖原；又可解釋為什麼進食2～3小時內，肝仍要保持較高的糖異生活性。

腎糖異生增強有利於維持酸鹼平衡

長期飢餓時，腎糖異生增強。這是由於長期禁食導致酮體代謝旺盛，此時體液pH降低，促進腎小管中磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，從而使糖異生作用增強。腎糖異生的增強有利於維待酸鹼平衡。其原因是腎中α-酮戊二酸因異生成糖而減少，可促進穀氨醯胺脫氨生成穀氨酸和後續的穀氨酸脫氨。腎小管細胞將脫下的NH₃分泌入管腔，與原尿中W結合，從而降低原尿的H⁺濃度，利於排氫保鈉，對防止酸中毒有重要作用。

肌收縮產生的乳酸在肝內糖異生形成乳酸循環

科里循環

肌收縮（尤其是氧供應不足時）通過糖的無氧氧化生成乳酸，乳酸通過細胞膜彌散進入血液後入肝，在肝內異生為葡萄糖。葡萄糖釋入血液後又可被肌攝取，由此構成了個循環，稱為乳酸循環，又稱Cori循環。乳酸循環的形成取決於肝和肌組織中酶的特點：肝內糖異生活躍，又有葡糖-6-磷酸酶，可將葡糖-6-磷酸水解為葡萄糖；而肌內糖異生活性低，且沒有葡糖-6-磷酸酶，因此肌內生成的乳酸不能異生為葡萄糖。乳酸循環的生理意義在於，既能回收乳酸中的能量，又可避免乳酸堆積而引起酸中毒。乳酸循環是耗能的過程，2分子乳酸異生成葡萄糖需消耗6分子ATP。