人类营养学基础/葡萄糖
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作者：安德烈·库尼亚
代谢被广泛定义为活生物体中产生或消耗能量的生化过程的总和（DeBerardinis, R.J et al. 2012）。核心代谢可以简化为涉及碳水化合物、脂肪酸和氨基酸等丰富营养素的那些途径，这些途径对于人类的能量稳态和生物大分子合成至关重要。核心代谢途径可以方便地分为三类：合成简单分子或将它们聚合成更复杂的生物大分子（合成代谢）；那些分解分子以释放能量（分解代谢）；以及那些帮助消除其他类别产生的有毒废物（废物处理）。这些途径非常重要。直白地说，它们是生命抵抗降解为熵的唯一能量来源（DeBerardinis, R.J. 2012; Nelson, D & Cox, M. 2011）。
葡萄糖在植物、动物和许多微生物的代谢中占有中心位置。它具有相对较高的潜在能量，因此是良好的燃料：一分子葡萄糖完全氧化为二氧化碳和水的标准自由能变化范围为 - 2840 kJ/mol。通过将葡萄糖以高分子量聚合物形式储存，如淀粉和糖原，细胞可以储存大量的己糖单位，同时保持胞质渗透压相对较低。当对能量的需求增加时，葡萄糖可以以有氧或无氧方式从这些细胞内储存转化为三磷酸腺苷（ATP）。（Nelson, D & Cox, M. 2011; Stryer, L. 2008）。
葡萄糖不仅是优良的燃料，而且也是用途广泛的前体，能够满足生物合成反应中各种代谢中间体的需求（图 02）。像大肠杆菌这样的细菌可以利用葡萄糖作为碳骨架，用于合成生长所需的每种氨基酸、核苷酸、酶、脂肪酸或其他代谢中间体（Nelson, D & Cox, M. 2011）
糖酵解字面意思是“分裂糖”。在糖酵解中，葡萄糖（一种六碳糖）被分裂成两分子三碳糖。糖酵解产生两分子ATP（含自由能的分子）、两分子丙酮酸和两分子携带“高能”电子的NADH。糖酵解可以有氧或无氧进行。在有氧的情况下，糖酵解是细胞呼吸的第一阶段。在无氧的情况下，糖酵解使细胞能够产生少量ATP。这个过程被称为发酵。
糖酵解（来自 glycose，一种较早的葡萄糖术语[1] + -lysis 降解）是将葡萄糖 C6H12O6 转换为丙酮酸 CH3COCOO− + H+ 的代谢途径。此过程中释放的自由能用于形成高能化合物 ATP（三磷酸腺苷）和 NADH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）。[2]
糖酵解是涉及十个中间化合物的十个反应的明确序列（其中一步涉及两个中间体）。这些中间体提供了进入糖酵解的切入点。例如，大多数单糖，如果糖、葡萄糖和半乳糖，可以转化为其中一个中间体。这些中间体也可能直接有用。例如，中间体二羟基丙酮磷酸（DHAP）是与脂肪酸结合形成脂肪的甘油的来源。
它几乎在所有生物体中都发生，无论是需氧的还是厌氧的。糖酵解的广泛存在表明它是已知的古老代谢途径之一。[3] 它发生在细胞的胞质溶胶中。
最常见的糖酵解类型是 Embden–Meyerhof–Parnas (EMP 途径)，它是由 Gustav Embden、Otto Meyerhof 和 Jakub Karol Parnas 首次发现的。糖酵解也指其他途径，如 Entner–Doudoroff 途径和各种异型发酵和同型发酵途径。然而，这里的讨论将限于 Embden–Meyerhof–Parnas 途径。[4]
整个糖酵解途径可以分为两个阶段（图 1）[5]
准备阶段 – 其中消耗 ATP，因此也称为投资阶段 支付阶段 – 其中产生 ATP。
在糖酵解中，一分子葡萄糖被一系列酶催化的反应降解，生成两分子三碳原子化合物丙酮酸。在这些糖酵解葡萄糖自由能的连续反应中，部分能量被保存为 ATP 和 NADH（Nelson, D & Cox, M. 2011; Stryer, L. et al. 2008）。
糖酵解途径（图 01）从葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白（GLUTs）进入细胞开始，一旦进入细胞，它就被己糖激酶 2（HK2）磷酸化为葡萄糖-6-磷酸（G6P）。磷酸葡萄糖异构酶催化 G6P 转化为果糖-6-磷酸（F6P），后者通过磷酸果糖激酶 1（PFK1）生成果糖-1,6-二磷酸，然后在糖酵解的最后一步中，通过丙酮酸激酶（PK）生成丙酮酸和 ATP。丙酮酸被转化为乙酰辅酶 A，后者进入三羧酸循环。最终，糖酵解每单位葡萄糖产生两个 ATP 分子和六个 NADH 分子。在正常组织中，大部分丙酮酸被导向线粒体，在丙酮酸脱氢酶（PDH）的作用下转化为乙酰辅酶 A，或被转氨基化形成丙氨酸（Marie, S. Shinjo, S. 2011; DeBerardinis, R.J. 2012）。
图 01：糖酵解途径
图 02：葡萄糖利用的主要途径。虽然它不是唯一可能的葡萄糖途径，但对于大多数细胞而言，这四条途径在葡萄糖流经其时的质量方面最为重要。
根据 Marie 和 Shinjo（2011 年）的说法，对于正常细胞在有丝分裂中产生两个可存活的子细胞来说，所有细胞内容物都必须被复制，而能量对于此过程是必需的。葡萄糖通过糖酵解参与细胞能量产生，并通过其通过三羧酸循环和氧化磷酸化（OXPHOS）的完全分解代谢产生高达 36 个 ATPs。子细胞对核苷酸、氨基酸和脂类的巨大需求是由这些途径的中间代谢产物提供的。
除了葡萄糖外，谷氨酰胺是大多数哺乳动物培养细胞中以可观数量分解代谢的另一种分子。这两种分子都提供碳、氮、自由能和还原当量，这些都是支持细胞生长和分裂所必需的。这意味着葡萄糖除了用于 ATP 合成外，还应被转移到生物大分子前体，例如用于脂肪酸的乙酰辅酶 A、用于非必需氨基酸的糖酵解中间体和用于核苷酸的核糖，以产生生物量（Marie, S. Shinjo, S. 2011; Nelson, D & Cox, M. 2011; Stryer, L. et al. 2008）。
糖酵解/糖异生
糖酵解（实线）是葡萄糖氧化的主要途径，它发生在所有细胞的胞质溶胶中，包括但不限于红细胞、骨骼肌、脂肪组织、肝脏和大脑。它通常分为两个阶段：准备阶段和支付阶段。准备阶段的目标是磷酸化葡萄糖并将其转化为甘油醛-3-磷酸，而支付阶段将甘油醛-3-磷酸氧化为丙酮酸，并形成 ATP 和 NADH。对于每分子经历糖酵解的葡萄糖，净增值为 2 个丙酮酸、2 个 ATP 和 2 个 NADH。
糖异生（虚线）是代谢途径，通过该途径，乳酸、丙酮酸、甘油和氨基酸等前体被转化为葡萄糖。由于这些反应的 ΔG˚ 非常大（丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶-1 和己糖激酶），糖异生需要三个旁路步骤。第一个旁路步骤被分解为两个酶促步骤。其中第一步发生在细胞的线粒体中，由丙酮酸羧化酶催化，第二步是由草酰乙酸合成磷酸烯醇丙酮酸（PEP）。草酰乙酸以苹果酸的形式被转运到细胞质中，一旦进入细胞质，它就被氧化回草酰乙酸，然后被转化为 PEP。第二个旁路步骤是果糖-1,6-二磷酸的去磷酸化；它受到高度调节，是一个高度放能的不可逆水解反应。第三个旁路步骤是葡萄糖-6-磷酸的去磷酸化；它存在于肝脏、肾脏细胞和肠道上皮细胞中，但不存在于肌肉或其他组织中。
参考资料
Zeile, W. (2015)。第 22 课：糖酵解 [PowerPoint 幻灯片]。检索自：https://ufl.instructure.com/courses/313829/files/23725587?module_item_id=5774537
Zeile, W. (2015)。第 23 课：糖异生 [PowerPoint 幻灯片]。检索自：https://ufl.instructure.com/courses/313829/files/23725603?module_item_id=5774538
简介
顾名思义，这一过程需要合成新的葡萄糖。然而，这种葡萄糖的产生来自非碳水化合物来源，例如丙酮酸、乳酸、甘油和丙氨酸。糖异生主要发生在肝脏中，但肾脏和小肠也可能存在此活动的通路。为了维持血糖水平并满足大脑、心脏和骨骼肌等器官的需求，肝脏中持续发生糖异生，而在这些区域糖异生发生的量非常少（Ophardt，2003）。许多人认为，这个过程只是糖酵解的逆反应，尽管大多数步骤与之相似，但一些独特的反应特性只与糖异生有关。
为什么会出现这种情况？
我们身体通常处于两种状态之一：饱食或禁食。当我们每天持续或及时摄入食物时，这些形式会被消化，由此产生的葡萄糖会被吸收，直接用于维持我们的血糖水平。相反，当我们没有进食并且肝糖原水平耗尽时，肝脏中没有像饱食状态时那样充满的储存，这时就需要糖异生。隔夜禁食、饥饿、怀孕、哺乳、创伤和运动是此过程需求增加的情况。低血糖是指血糖浓度异常低，这对身体来说是一个特殊的问题，甚至可能危及生命，因为大脑和红细胞依赖葡萄糖作为能量来源，糖异生是防止低血糖的关键代谢途径（Barrit & Wallace，2002）。
挑战
在糖酵解过程中，十种酶用于从葡萄糖合成丙酮酸。如前所述，糖异生可以被看作是糖酵解的逆反应，但有一个关键的区别。在这两种过程中，只有七种酶是相同的，因为必须绕过三种反应。这是因为在糖酵解中，由于丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶-1和己糖激酶催化的反应，导致过大的负ΔG值或自由能变化，最终使这三个反应不可逆。（Diwan，2007）。糖异生途径中特有的新酶是丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶，它们分别催化绕过丙酮酸激酶反应、磷酸果糖激酶-1反应和己糖激酶反应的反应。
参考资料
Barritt, G.J., Wallace J.C. (2002) 糖异生. 生命科学百科全书. 检索自 http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/metabolismo/m etabolismo_archivos/Gluconeogenesis.pdf
Diwan, J.J. (2007). 糖异生；糖酵解和糖异生的调节. 检索自 https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/gluconeo.htm#intro
Ophardt, C.E. (2003). 糖原合成、糖原分解和糖异生. 检索自 http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/604glycogenesis.html
体内葡萄糖的储存称为肝糖原。当血糖水平低时，肝糖原可以通过糖异生过程转化为葡萄糖。通过非碳水化合物碳底物（如氨基酸、丙酮酸和甘油）合成新的葡萄糖的过程称为糖异生。这一过程主要发生在肝脏中，在肾脏和小肠中也有一定的程度发生。在这个过程中，两摩尔的丙酮酸被转化为两摩尔的二磷酸甘油酸，这消耗了六摩尔的ATP作为能量（King，M 2015）。由于这个过程消耗了大量的能量，因此从能量角度来看，它被认为非常昂贵。
Most of the same enzymes used in glycolysis are used in gluconeogenesis in the synthesis of glucose from pyruvate. The main source of carbon atoms for synthesizing glucose during gluconeogenesis is lactate. Pyruvate becomes reduced to lactate with the aide of lactate dehydrogenase (LDH). For lactate to form, the lactate dehydrogenase needs the help of NADH, and then will yield NAD+ in the process. The NAD+ then becomes readily available so it can then be used by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase of the glycolysis reaction. After these two reactions take place they become coupled during anaerobic glycolysis. In the step that follows, the lactate that was produced by the lactate dehydrogenase reaction is released within the bloodstream, transported to the liver and then converted to glucose. The glucose loops back to the blood where it is then used for the muscles as an energy source. This process is known as the Cori cycle (King, M 2015).
糖酵解中有三个反应本质上是不可逆的：磷酸果糖激酶、己糖激酶和丙酮酸激酶。为了使糖异生正常进行，必须跳过或绕过糖酵解中的这三个反应。糖酵解酶催化的正向反应与糖异生酶催化的旁路反应相配（Diwan，J 2007）。己糖激酶（糖酵解）：葡萄糖 + ATP ⇒ 葡萄糖-6-磷酸 + ADP 葡萄糖-6-磷酸酶（糖异生）：葡萄糖-6-磷酸 + H2O ⇒ 葡萄糖 + Pi 磷酸果糖激酶（糖酵解）：果糖-6-磷酸 + ATP ⇒ 果糖-1,6-二磷酸 + ADP 果糖-1,6-二磷酸酶（糖异生）：果糖-1,6-二磷酸 + H2O ⇒ 果糖-6-磷酸 + Pi 丙酮酸激酶（糖酵解）：磷酸烯醇丙酮酸 + ADP ⇒ 丙酮酸 + ATP
(Diwan, J 2007)
糖酵解和糖异生的途径受到严格的控制，以确保它们不会在同一个细胞中同时进行。这很重要，因为如果两者同时工作，就会损失2个ATP和2个GTP，最终没有任何净收益。持续导致净变化为零的途径被认为是无效循环（Berg，JM，Tymoczko，JL & Stryer L，2002）。 参考资料
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. 生物化学. 第5版. 纽约: W H Freeman; 2002. 第16章，糖酵解和糖异生。 可从以下网址获取: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21150/ Diwan, J. (2007). 糖异生；糖酵解和糖异生的调节. 检索自 https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/gluconeo.htm King, M. (2015. 10月17日). 糖异生：内源性葡萄糖合成. 在医学生物化学页面. 检索自 http://themedicalbiochemistrypage.org/gluconeogenesis.php#substrates
乳酸是一种可以自然或人工合成的有机化合物，是白色、水溶性或透明液体。与名称所提倡的相反，它并非来自牛奶，而实际上是酸奶、发酵水果和蔬菜以及香肠中的一种酸性成分。它存在于动物和人体中，是肌肉组织中提供能量的最重要来源，由氧气供应不足时肝糖原的无氧分解产生。关于乳酸的许多误解声称它是运动期间疲劳和运动后酸痛的原因之一。然而，它实际上是肌肉在长时间运动期间使用的重要燃料。（运动时乳酸积累并导致肌肉酸痛时的发酵过程是什么？（n.d.）于2015年12月3日检索自 http://livehealthy.chron.com/fermentation-happens-lactic-acid-builds-up-muscles-sore-5577.html）。因为乳酸可以在另一块肌肉中氧化，所以它有助于延迟疲劳的出现并提高运动表现。这种酸的积累只发生在短时间的高强度运动中，因为它在运动后会迅速从血液和肌肉中清除，因此乳酸不太可能是肌肉酸痛的根源。另一方面，在耐力运动中，肌肉肝糖原的减少会导致疲劳。在这种情况下，乳酸可以作为能量来源。由于乳酸不依赖胰岛素，因此它能够提供一种随时可用的能量底物。运动过程中血液中乳酸水平的峰值可以通过适应来缓解，这与运动能力的提高有关。（网络练习 | 乳酸会导致肌肉酸痛吗？（n.d.）于2015年12月3日检索自 https://www.webexercises.com/2007/08/does-lactic-acid-cause-muscle-soreness.html）。由此得出，训练和乳酸补充剂可以提高乳酸清除率。乳酸存在于各种各样的食品中，最常作为pH调节剂或防腐剂，有时也作为调味剂。除了食品外，乳酸还可用于制药、生物材料、技术和洗涤剂。乳酸的生产来自蔗糖或葡萄糖、水和石灰或粉笔，然后在细菌的帮助下进行乳酸发酵。现在被认为是粗制乳酸钙，去除石膏将乳酸钙转化为粗制乳酸，最后进行纯化和浓缩，形成最终产品；乳酸。关于环境pH，乳酸是弱酸的一个例子，它可以在高pH值时以离子盐的形式存在于其关联形式中，或者在低pH值时以其关联形式存在。体内的大部分乳酸会解离并以乳酸盐的形式存在。以非电离形式存在时，底物能够穿过脂质膜，这与无法穿过膜的电离形式不同。（乳酸和运动。 (n.d.). 检索自 http://www.lactic-acid.com/lactate_and_exercise.html)
参考资料
运动时乳酸积累并导致肌肉酸痛时的发酵过程是什么？（n.d.）于2015年12月3日检索自 http://livehealthy.chron.com/fermentation-happens-lactic-acid-builds-up-muscles-sore-5577.html
网络练习 | 乳酸会导致肌肉酸痛吗？（n.d.）于2015年12月3日检索自 https://www.webexercises.com/2007/08/does-lactic-acid-cause-muscle-soreness.html
乳酸和运动。 (n.d.). 检索自 http://www.lactic-acid.com/lactate_and_exercise.html