糖異生

糖異生（Gluconeogenesis gluco-指糖，neogenesis是希臘語 νεογ?ννηση，neojénnissi - 重新生成）：又稱為葡糖異生。由簡單的非糖前體（乳酸、甘油、生糖氨基酸等）轉變為糖（葡萄糖或糖原）的過程。糖異生不是糖酵解的簡單逆轉。雖然由丙酮酸開始的糖異生利用了糖酵解中的七步近似平衡反應的逆反應，但還必需利用另外四步酵解中不曾出現的酶促反應，繞過酵解過程中不可逆的三個反應。糖異生保證了機體的血糖水平處於正常水平。

糖異生( gluconeogenesis)又稱為葡糖異生,是由簡單的非糖前體(乳酸、甘油、生糖氨基酸等)轉變為糖(葡萄糖或糖原)的過程。糖異生不是糖酵解的簡單逆轉。雖然由丙酮酸開始的糖異生利用了糖酵解中的七步近似平衡反應的逆反應,但還必須利用另外四步酵解中不曾出現的酶促反應,繞過糖酵解過程中不可逆的三個反應。糖異生保證了機體的血糖水平處於正常水平。糖異生的主要器官是肝。腎在正常情況下糖異生能力只有肝的1/10，但長期飢餓時腎糖異生能力可大為增強 ^[2]  。

當肝或腎以丙酮酸為原料進行糖異生時，糖異生中的其中七步反應是糖酵解中的逆反應，它們有相同的酶催化。但是糖酵解中有三步反應，是不可逆反應。在糖異生時必須繞過這三步反應，代價是更多的能量消耗。

這三步反應都是強放熱反應，它們分別是：

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

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

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

這三步反應會這樣被繞過：

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、此過程由兩個反應組成，第一個反應由丙酮酸羧化酶催化，輔酶是生物素，反應消耗1分子ATP。第二個反應由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，反應消耗1分子GTP。

由於丙酮酸羧化酶僅存在於線粒體內，故胞液中的丙酮酸必須進入線粒體，才能羧化生成草酰乙酸。而磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶在線粒體和胞液中都存在，因此草酰乙酸可在線粒體中直接轉變為磷酸烯醇式丙酮酸再進入胞液，也可在胞液中被轉變成磷酸烯醇式丙酮酸。但是，草酰乙酸不能直接透過線粒體，需藉助兩種方式將其轉運入胞液：一種是經蘋果酸脱氫酶作用，將其還原成蘋果酸，然後再通過線粒體膜進入胞液，再由胞液中蘋果酸脱氫酶將蘋果酸脱氫氧化為草酰乙酸而進入糖異生反應途徑。另一種方式是經穀草轉氨酶作用，生成天冬氨酸後再逸出線粒體，進入胞液的天冬氨酸再經胞液中谷草轉氨酶的催化而恢復生成草酰乙酸。有實驗表明，以丙酮酸或能轉變成丙酮酸的某些生糖氨基酸作為原料異生成糖時，以蘋果酸通過線粒體方式進行糖異生；而乳酸進行糖異生反應時，常在線粒體生成草酰乙酸後，再轉變成天冬氨酸而進入胞液。

1、凡是能生成草酰乙酸的物質都可以變成葡萄糖。例如三羧酸循環的中間物，檸檬酸、異檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和蘋果酸都可以轉變成草酰乙酸而進入糖異生途徑。

2、大多數氨基酸是生糖氨基酸如丙氨酸、穀氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、組氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬醯胺、甲硫氨酸、纈氨酸等，它們可轉化成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循環中間物參加糖異生途徑。

3、Cori循環：劇烈運動時產生的大量乳酸會迅速擴散到血液，隨血流流至肝臟，先氧化成丙酮酸，再經過糖異生作用轉變為葡萄糖，進而補充血糖，也可重新合成肌糖原被貯存起來。這一乳酸——葡萄糖的循環過程稱為Cori循環或乳酸循環。 ^[1] 

4、反芻動物糖異生途徑十分活躍，牛胃中的細菌分解纖維素成為乙酸、丙酸、丁酸等奇數脂肪酸可轉變成為琥珀酰CoA參加糖異生途徑合成葡萄糖。

糖異生的主要前體是乳酸、丙酮酸、氨基酸及甘油等。在反芻動物的消化道中，經細菌作用能將大量纖維素等轉變成丙酸，後者在體內也可轉變成糖。

過程分兩階段：

①各種糖異生前體（除甘油外）轉變成磷酸烯醇式丙酮酸；

②磷酸烯醇式丙酮酸轉變為6-磷酸葡萄糖，再生成各種單糖或多糖。

從丙酮酸開始合成糖的過程雖然與糖酵解的逆反應類似，但是由於己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的三個反應很難逆向進行。在糖異生作用中，己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的兩個反應的逆過程分別由葡萄糖-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應的逆過程，則通過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。糖異生調節飢餓時，體內脂肪及蛋白質分解加強，劇烈運動時肌肉糖酵解加強，均可提供較多的前體加速肝中的糖異生。

肝細胞ATP或乙酰輔酶A(CoA）供應充分時，能加強丙酮酸羧化而成糖。

腎上腺素、胰高血糖素、腎上腺皮質激素都能增加肝細胞中的糖異生；胰島素則抑制之。

生理意義空腹或飢餓時主要靠糖異生維持正常血糖濃度，以滿足腦組織等對葡萄糖持續消耗的需要，也充分利用了體內過多的非糖物質如乳酸、戊糖氨基酸等。

從兩分子丙酮酸開始，最終合成一分子葡萄糖，需要消耗6分子ATP/GTP。相比糖酵解過程能淨產生2ATP，糖異生是耗能的過程。

這六分子ATP/GTP是在三步反應裏面被消耗的，而生成一分子六碳化合物要重複這過程一次，所以總的能量消耗是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幫助下成為磷酸烯醇式丙酮酸。反應消耗1分子GTP。

3、3磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的幫助下，消耗一分子ATP生成1,3二磷酸甘油酸。注意，這一反應是可逆的。

一、糖異生作用的主要生理意義是保證在飢餓情況下，血糖濃度的相對恆定。

血糖的正常濃度為3.89-11mmol/L，即使禁食數週，血糖濃度仍可保持在3.40mmol/L左右，這對保證某些主要依賴葡萄糖供能的組織的功能具有重要意義，停食一夜（8-10小時）處於安靜狀態的正常人每日體內葡萄糖利用，腦約125g，肌肉（休息狀態）約50g，血細胞等約50g，僅這幾種組織消耗糖量達225g，體內貯存可供利用的糖約150g，貯糖量最多的肌糖原僅供本身氧化供能，若只用肝糖原的貯存量來維持血糖濃度最多不超過12小時，由此可見糖異生的重要性

二、糖異生作用與乳酸的作用密切關係

在激烈運動時，肌肉糖酵解生成大量乳酸，後者經血液運到肝臟可再合成肝糖原和葡萄糖，因而使不能直接產生葡萄糖的肌糖原間接變成血糖，並且有利於回收乳酸分子中的能量，更新肌糖原，防止乳酸酸中毒的發生。

三、協助氨基酸代謝

實驗證實進食蛋白質後，肝中糖原含量增加；禁食、晚期糖尿病或皮質醇過多時，由於組織蛋白質分解，血漿氨基酸增多，糖的異生作用增強，因而氨基酸成糖可能是氨基酸代謝的主要途徑。

四、促進腎小管泌氨的作用

長期禁食後腎臟的糖異生可以明顯增加，發生這一變化的原因可能是飢餓造成的代謝性酸中毒，體液pH降低可以促進腎小管中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成，使成糖作用增加，當腎臟中α－酮戊二酸經草酰乙酸而加速成糖後，可因α－酮戊二酸的減少而促進谷氨醯胺脱氨成穀氨酸以及穀氨酸的脱氨，腎小管細胞將NH₃分泌入管腔中，與原尿中H⁺結合，降低原尿H⁺的濃度，有利於排氫保鈉作用的進行，對於防止酸中毒有重要作用。

糖異生的限速酶主要有以下4個酶：丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ^[4]  、果糖二磷酸酶和葡萄糖磷酸酶。

一、激素對糖異生的調節

激素調節糖異生作用對維持機體的恆穩狀態十分重要，激素對糖異生調節實質是調節糖異生和糖酵解這兩個途徑的調節酶以及控制供應肝臟的脂肪酸，更大量的脂肪酸的獲得使肝臟氧化更多的脂肪酸，也就促進葡萄糖合成，胰高血糖素促進脂肪組織分解脂肪，增加血漿脂肪酸，所以促進糖異生；而胰島素的作用則正相反。胰高血糖素和胰島素都可通過影響肝臟酶的磷酸化修飾狀態來調節糖異生作用，胰高血糖素激活腺苷酸環化酶以產生cAMP，也就激活cAMP依賴的蛋白激酶，後者磷酸化丙酮酸激酶而使之抑制，這一酵解途徑上的調節酶受抑制就刺激糖異生途徑，因為阻止磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸轉變。胰高血糖素降低2，6-二磷酸果糖在肝臟的濃度而促進1，6-二磷酸果糖轉變為6磷酸果糖，這是由於2，6-二磷酸果糖是果糖二磷酸酶的別位抑制物，又是6磷酸果糖激酶的別位激活物，胰高血糖素能通過cAMP促進雙功能酶（6磷酸果糖激酶2/果糖2，6-二磷酸酶）磷酸化。這個酶經磷酸化後就滅活激酶部位卻活化磷酸酶部位，因而2，6-二磷酸果糖生成減少而被水解為6磷酸果糖增多。這種由胰高血糖素引致的2，6-二磷酸果糖下降的結果是6磷酸果糖激酶1活性下降，果糖二磷酸酶活性增高，果糖二磷酸轉變為6磷酸果糖增多，有利糖異生，而胰島素的作用正相反。

除上述胰高血糖素和胰島素對糖異生和糖酵解的短快調節，它們還分別誘導或阻遏糖異生和糖酵解的調節酶，胰高血糖素/胰島素比例高誘導大量磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ^[4]  ，果糖6-磷酸酶等糖異生酶合成而阻遏葡萄糖激酶和丙酮酸激酶的合成。

二、 代謝物對糖異生的調節

1、糖異生原料的濃度對糖異生作用的調節：血漿中甘油、乳酸和氨基酸濃度增加時，使糖的異生作用增強。例如飢餓情況下，脂肪動員增加，組織蛋白質分解加強，血漿甘油和氨基酸增高；激烈運動時，血乳酸含量劇增，都可促進糖異生作用。

2、乙酰輔酶A濃度對糖異生的影響：乙酰輔酶A決定了丙酮酸代謝的方向，脂肪酸氧化分解產生大量的乙酰輔酶A可以抑制丙酮酸脱氫酶系，使丙酮酸大量蓄積，為糖異生提供原料，同時又可激活丙酮酸羧化酶，加速丙酮酸生成草酰乙酸，使糖異生作用增強。

此外乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成檸檬酸由線粒體內透出而進入細胞液中，可以抑制磷酸果糖激酶，使果糖六磷酸酶活性升高，促進糖異生。

從丙酮酸生成葡萄糖的具體反應過程稱為糖異生途徑，基本上是糖酵解的逆過程。糖酵解途徑中的大多數反應是可逆的，但由己糖激酶(或葡萄糖激酶)、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶這三個關鍵酶催化的反應是放能的不可逆反應，又稱能障。在糖異生中它們由另一些酶來催化繞過這三個能障，需要ATP供能,以保證合成途徑的進行 ^[3]  。

科學家通過對感染新冠病毒的肝細胞中新冠RNA拷貝數量的檢測表明，新冠病毒可以在肝臟細胞內複製，但並不會造成肝細胞的直接損傷。接下來，是一個關鍵的研究步驟，科學家證明，感染新冠病毒的肝細胞在感染後48小時時葡萄糖產量增加了約2倍。

進一步研究發現，感染後的肝細胞中與糖異生或糖原分解相關基因的mRNA表達不但沒有增加，甚至出現了減少；但在感染後48小時，糖異生途徑的限速酶磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)的活性增加了2倍到4倍。這意味着，非糖尿病患者新冠感染引發的高血糖是通過直接感染肝臟細胞，增加糖異生途徑的磷酸烯醇丙酮酸羧激酶活性，增加了通過糖異生途徑產生葡萄糖的量導致的。