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澳门威威尼斯棋牌大乐小讲堂丨经典代谢途径:糖异生

2023-01-28 17:55:36

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糖异生的概念
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糖异生是指从非碳水化合物生成葡萄糖(或其磷酸盐,后者进一步转化为多糖或低聚糖),如氨基酸(丙氨酸首先转化为丙酮酸,其他氨基酸转化为柠檬酸循环中间体)和甘油,在植物和一些微生物中也存在脂肪酸(通过乙醛酸循环)。在动物体内,糖异生主要发生在肝脏和少量的肾皮质,其主要作用是为大脑和肌肉提供足够的葡萄糖。在植物中,糖异生作用很重要,如在油种子中将脂质转化为糖,从而供胚利用

除了部分在糖酵解中高度调控的反应,大多数糖异生反应步骤是各自糖酵解反应的逆转,因此糖酵解和糖异生并不平衡。它们被替代反应所取代,这些替代反应在能量上更有利于葡萄糖的合成(葡萄糖-6-磷酸酶代替葡萄糖激酶/己糖激酶;己糖二磷酸酶代替磷酸果糖激酶)。

在葡萄糖→丙酮酸的途径中产生2个ATP,但为了使其在热力学上可行,反向转换需要消耗6个ATP。

2丙酮酸盐 4ATP 2GTP 2NADH 6H₂O = 葡萄糖 4ADP 2GDP 6Pi 2NAD⁺  2H⁺

ΔG₀'= −37.7 kJ/mol

糖异生的调控:除果糖2,6- P₂抑制果糖双磷酸酶反应外,该酶还被AMP抑制,被柠檬酸激活。此外,酶的表达也受激素的调节(见表1)。

表1 胰岛素、儿茶酚胺/cAMP和糖皮质激素对酶表达的调节(L=肝脏,A=脂肪组织)

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葡萄糖的吸收和转运 
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葡萄糖进入大多数细胞膜是通过调控的转运蛋白GLUT1-5,每个转运蛋白有12个跨膜结构域。葡萄糖转运是由蛋白质的构象变化提供的(图1)。


葡萄糖通过Na⁺-葡萄糖同向转运体从肠道进入上皮细胞,再通过GLUT5从细胞进入血液


GLUT1和3在哺乳动物细胞中几乎无处不在。由于KM低(约1mmol/l),它们只提供基本的葡萄糖供应。


肝脏和胰腺的β细胞也具有GLUT2蛋白,其KM高达20mmol/l,远高于生理血糖水平(4-7mmol/l)。因此,葡萄糖摄取与血液水平成正比,只有在葡萄糖浓度升高时血糖才会很高。


中间KM为8mmol/l的GLUT4为肌肉和脂肪组织提供葡萄糖。当胰岛素存在时,细胞膜上的转运蛋白数量大大增加,表明葡萄糖供应充足。这是通过GLUT4从内部囊泡到细胞质膜的可逆转移来实现的。


图1 葡萄糖吸收与转运

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不同器官对不同血糖水平的反应 
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不同的器官对不同的血糖浓度有不同的反应,这取决于它们的功能(图2)。血糖浓度对糖酵解和糖原储存均发挥作用。

图2 在高(左)和低(右)葡萄糖水平时的反应


血液中含有少量葡萄糖仅作为器官之间的运输媒介。


肝脏是糖原的中央储存器官,并在食物摄取期间起到缓冲作用,它可以释放葡萄糖供其他器官使用。


肌肉储存了相当数量的糖原,但只能用于自身的功能。


所有其他器官都从血液中摄取葡萄糖,其中一些还可以使用其他化合物进行新陈代谢,但大脑除外。

葡萄糖摄入后的影响:在高葡萄糖水平下,储存反应和生物合成目的的转化占主导地位。


在肝脏中,GLUT2对葡萄糖的摄取和葡萄糖激酶对葡萄糖的磷酸化都对高葡萄糖浓度做出反应,并通过形成葡萄糖6-P从血液中去除大部分葡萄糖。这抑制了葡萄糖-6-磷酸酶的拮抗反应。


在胰岛的β细胞中,葡萄糖6-P的形成是胰岛素释放的主要信号。


通过胰岛素作用于GLUT4转运体,肌肉和脂肪组织对葡萄糖的摄取增加。在所有器官中,葡萄糖磷酸化是由己糖激酶完成的。


葡萄糖6-P的糖原合成在肝脏和肌肉中被激活,而糖原降解被抑制。


葡萄糖6-P的糖酵解在肝脏和脂肪组织中被激活。这使得甘油三酯作为能量储存形式和氨基酸的生物合成反应的终产物。


饥饿或突然能量需求的影响:在低血糖水平下,糖原合成受到抑制,而糖原降解和肝脏葡萄糖释放被激活。


在肝脏中,糖原形成的葡萄糖6-P被去磷酸化,葡萄糖被释放到血液中,以保持生理葡萄糖水平。这对大脑/神经(成人每日150克)、肾上腺髓质和红细胞尤其重要。肝脏中葡萄糖6-P以外的糖酵解过程受到抑制。


在肌肉运动期间,葡萄糖摄取和内源性糖原发生分解,以满足ATP的需求。糖原形成的葡萄糖6-P不被去磷酸化为葡萄糖,而是通过糖酵解生成丙酮酸,进一步生成乳酸。形成的乳酸通过血液输送到肝脏,在那里被重新转化为葡萄糖(“Cori循环”)。丙酮酸除被还原为乳酸外,还可以被转氨化为丙氨酸,丙氨酸同样被转运到肝脏,作为糖异生的来源。


在长时间的葡萄糖饥饿后,肌肉和其他器官将蛋白质降解为氨基酸,用于糖异生或直接氧化。


在脂肪组织中,甘油三酯被降解,并向肝脏和肌肉供应脂肪酸和甘油。它们可以用于糖异生或被直接氧化。


END


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