糖异生

糖异生(GNG)是一种代谢途径，可导致某些非碳水化合物碳底物产生葡萄糖。这是一个无处不在的过程，存在于植物、动物、真菌、细菌和其他微生物中。在脊椎动物中，糖异生主要发生在肝脏中，在较小程度上发生在肾脏皮质中。它是两种主要机制之一——另一种是糖原降解（糖原分解）——被人类和许多其他动物用来维持血糖水平，避免低水平（低血糖）。在反刍动物中，由于膳食碳水化合物往往被瘤胃生物代谢，因此无论禁食、低碳水化合物饮食、运动等如何，都会发生糖异生。在许多其他动物中，该过程发生在禁食、饥饿、低碳水化合物饮食或剧烈运动。

在人类中，糖异生的底物可能来自任何可以转化为丙酮酸或糖酵解中间体的非碳水化合物来源。对于蛋白质的分解，这些底物包括生糖氨基酸（虽然不是生酮氨基酸）；来自脂质（例如甘油三酯）的分解，它们包括甘油、奇数链脂肪酸；和来自其他代谢部分，它们包括来自Cori循环的乳酸。在长时间禁食的情况下，丙酮衍生自酮体也可以作为底物，提供从脂肪酸到葡萄糖的途径。虽然大多数糖异生发生在肝脏，但肾脏糖异生的相对贡献在糖尿病和长期禁食中增加。

糖异生途径在与ATP或GTP的水解相结合之前是高度吸能的，从而有效地使该过程产生能量。例如，从丙酮酸到6-磷酸葡萄糖的途径需要4分子ATP和2分子GTP才能自发进行。这些ATP由脂肪酸分解代谢通过β氧化提供。

在哺乳动物中，糖异生被认为仅限于肝脏、肾脏、肠、和肌肉，但最近的证据表明糖异生发生在大脑的星形胶质细胞中。这些器官使用有些不同的糖异生前体。肝脏优先使用乳酸、甘油和生糖氨基酸（尤其是丙氨酸），而肾脏优先使用乳酸、谷氨酰胺和甘油。来自Cori循环的乳酸从数量上讲，它是糖异生的xxx底物来源，尤其是肾脏。肝脏同时使用糖原分解和糖异生来产生葡萄糖，而肾脏仅使用糖异生。饭后，肝脏转向糖原合成，而肾脏增加糖异生。肠道主要使用谷氨酰胺和甘油。

丙酸盐是反刍动物肝脏糖异生的主要底物，当葡萄糖需求增加时，反刍动物肝脏可能会增加对糖异生氨基酸（例如丙氨酸）的利用。小牛和羔羊肝细胞利用乳酸进行糖异生的能力从反刍前期到反刍阶段下降。在绵羊肾组织中，已经观察到丙酸盐的糖异生率非常高。

在所有物种中，形成草酰乙酸从丙酮酸和TCA循环中间体仅限于线粒体，和酶转换磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）对葡萄糖-6-磷酸在细胞溶胶中被发现。通过将草酰乙酸转化为PEP来连接糖异生这两个部分的酶的位置——PEP羧激酶(PEPCK)——因物种而异：它可以完全在线粒体内、完全在细胞质内或均匀分散两者，就像在人类中一样。PEP跨线粒体膜的转运由专门的转运蛋白完成；然而，对于草酰乙酸不存在这样的蛋白质。因此，在缺乏线粒体内PEPCK的物种中，草酰乙酸必须转化为苹果酸或天冬氨酸，从线粒体中输出，然后再转化回草酰乙酸，以便糖异生继续进行。

具有关键分子和酶的糖异生途径。许多步骤与糖酵解中发现的步骤相反。

糖异生是由一系列11种酶催化反应组成的途径。该途径将在肝脏或肾脏、线粒体或这些细胞的细胞质中开始，这取决于所使用的底物。许多反应与糖酵解中的步骤相反。

• 糖异生在线粒体中开始，丙酮酸羧化形成草酰乙酸。该反应也需要一分子的ATP，并由丙酮酸羧化酶催化。这种酶受到高水平乙酰辅酶A（在肝脏β-氧化中产生）的刺激，并受到高水平ADP和葡萄糖的抑制。
• 使用NADH将草酰乙酸还原为苹果酸，这是将其运输出线粒体所需的步骤。
• 使用胞质溶胶中的NAD+将苹果酸氧化为草酰乙酸，糖异生的其余步骤发生在胞质溶胶中。
• 草酰乙酸被脱羧，然后使用酶PEPCK磷酸化以形成磷酸烯醇丙酮酸。在这个反应过程中，一个GTP分子被水解成GDP。
• 反应的下一步与反向糖酵解相同。然而，果糖1,6-二磷酸酶将果糖1,6-二磷酸转化为果糖6-磷酸，使用一个水分子并释放一个磷酸（在糖酵解中，磷酸果糖激酶1将F6P和ATP转化为F1,6BP和ADP）。这也是糖异生的限速步骤。
• 6-磷酸葡萄糖是通过磷酸葡萄糖异构酶（与糖酵解中的步骤2相反）从6-磷酸果糖形成的。6-磷酸葡萄糖可用于其他代谢途径或去磷酸化为游离葡萄糖。游离葡萄糖很容易扩散进出细胞，而磷酸化形式（6-磷酸葡萄糖）则被锁定在细胞中，这是细胞控制细胞内葡萄糖水平的一种机制。
• 最终糖异生，葡萄糖的形成，发生在管腔中的内质网，其中葡萄糖-6-磷酸被水解葡萄糖-6-磷酸酶以产生葡萄糖和释放的无机磷酸盐。与之前的两步一样，这一步不是糖酵解的简单逆转，其中己糖激酶催化葡萄糖和ATP转化为G6P和ADP。葡萄糖通过位于内质网膜上的葡萄糖转运蛋白穿梭到细胞质中。