《糖和糖代谢》课件

糖和糖代谢欢迎大家参加《糖和糖代谢》课程本课程将深入探讨糖类物质的结构、性质、生理功能以及在人体内的代谢过程我们将从基础的糖类定义开始，逐步深入到复杂的代谢途径，包括糖酵解、柠檬酸循环、氧化磷酸化等关键过程同时，我们还将探讨糖原合成与分解、糖异生、磷酸戊糖途径等重要生化过程，以及血糖调节机制和相关疾病通过系统学习，你将全面掌握糖代谢的基本原理及其临床应用意义课程目标1掌握糖类结构与分类2理解糖代谢关键途径理解单糖、二糖、多糖的基本结构特点及其化学性质，能掌握糖酵解、柠檬酸循环、电子传递链、糖原代谢和糖异够辨别不同类型糖分子的结构差异生等重要代谢途径的具体步骤与调控机制3了解糖代谢疾病4培养综合分析能力认识糖尿病、糖原累积症等常见代谢性疾病的发病机制、能够整合糖代谢与其他代谢途径的关系，培养从分子水平临床表现及治疗原则，建立代谢紊乱与疾病的联系分析生理、病理现象的能力糖的定义和分类什么是糖糖（碳水化合物）是一类由碳、氢、氧组成的有机化合物，分子式通常为CH₂On它们是生物体内重要的能源物质和结构组成成分，普遍存在于动植物组织中单糖最简单的糖类单元，不能被水解为更简单的糖常见的有葡萄糖、果糖、半乳糖（六碳糖），以及核糖、脱氧核糖（五碳糖）二糖由两个单糖通过糖苷键连接而成常见的有蔗糖（葡萄糖+果糖）、麦芽糖（两个葡萄糖）、乳糖（葡萄糖+半乳糖）多糖由多个单糖分子通过糖苷键连接形成的高分子化合物主要包括同多糖（如淀粉、糖原、纤维素）和杂多糖（如透明质酸、肝素）单糖的结构和性质直链与环状结构单糖在水溶液中主要以环状形式存在，而非直链形式如葡萄糖可形成α-D-吡喃糖和β-D-吡喃糖两种异构体，这种现象称为变旋现象立体异构根据羟基在碳链上的空间排布，单糖可分为D型和L型自然界中的单糖大多为D型同时，单糖还存在α和β两种构象异构体，区别在于C1位的羟基方向化学性质单糖具有还原性，因其分子中含有醛基或酮基这些基团可被氧化，因此能与斐林试剂、本尼迪克试剂等发生反应，产生特征性颜色变化，这是检测还原糖的重要方法生理特性葡萄糖是人体主要的能源物质，通过血液输送到各组织细胞果糖的甜度高于葡萄糖，主要存在于水果和蜂蜜中半乳糖是乳制品中的重要成分二糖和多糖的结构和性质二糖结构多糖结构物理化学性质二糖由两个单糖通过糖苷键连接形成多糖是由上百至上千个单糖通过糖苷键蔗糖无还原性，而麦芽糖和乳糖具有还根据糖苷键类型和连接位置的不同，形连接形成的高分子淀粉由支链淀粉（原性多糖通常不溶于冷水，部分可溶成多种二糖如蔗糖（α-D-葡萄糖与β-α-1,4和α-1,6糖苷键）和直链淀粉（仅α-于热水形成胶体溶液淀粉遇碘呈蓝色D-果糖通过α-1,2-糖苷键连接）、麦芽1,4糖苷键）组成；糖原结构与支链淀粉，糖原遇碘呈红棕色，这是它们的特征糖（两个α-D-葡萄糖通过α-1,4-糖苷键相似但分支更多；纤维素由葡萄糖通过反应多糖可水解为低分子糖类连接）、乳糖（β-D-半乳糖与β-D-葡萄β-1,4糖苷键连接糖通过β-1,4-糖苷键连接）糖的生理功能能量来源结构组成分子识别储能物质糖类是生物体最主要的能源物质某些多糖是生物体结构的重要组成细胞表面的糖蛋白和糖脂参与细胞糖原是动物体内储存葡萄糖的形式葡萄糖通过糖酵解和氧化磷酸化产部分例如，纤维素是植物细胞壁间识别、免疫反应和信号传导血，主要存在于肝脏和肌肉中；淀粉生ATP，为各种生理活动提供能的主要成分；几丁质构成甲壳类动型抗原就是由特定的糖分子决定的是植物储存能量的主要形式这些量大脑和红细胞尤其依赖葡萄糖物的外骨骼；透明质酸是结缔组织某些病毒和细菌通过识别宿主细多糖可以在需要时水解释放葡萄糖作为能量来源每克糖氧化可产生的重要成分核糖和脱氧核糖是核胞表面的特定糖结构来侵入细胞，为生物体提供能量约4千卡热量酸的骨架组成糖的消化和吸收过程口腔阶段1消化始于口腔，唾液中的α-淀粉酶开始分解多糖（主要是淀粉）为低聚糖和麦芽糖食物在口腔停留时间短，所以这一阶段的消化有限食物与唾液混合后经食道进入胃胃部阶段2在胃中，唾液淀粉酶的活性因酸性环境而降低，淀粉的消化暂时中断胃酸不直接参与糖类消化，但通过破坏食物结构帮助后续消化含糖食物在胃中停留约2-4小时小肠阶段3进入小肠后，胰液中的α-淀粉酶继续分解多糖为低聚糖小肠刷状缘酶（如麦芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶）进一步将二糖水解为单糖这是糖类消化的主要场所吸收过程4单糖通过小肠上皮细胞吸收葡萄糖和半乳糖主要通过Na⁺-葡萄糖共转运蛋白SGLT1主动吸收；果糖则通过GLUT5促进扩散吸收吸收的单糖进入毛细血管，最终通过门静脉运送到肝脏进行代谢糖代谢概述糖酵解丙酮酸代谢将葡萄糖分解为丙酮酸的十步反应过程，既可有氧条件下，丙酮酸进入线粒体转化为乙酰在有氧条件下进行，也可在无氧条件下进行CoA，进入三羧酸循环；无氧条件下，丙酮酸是糖代谢的第一阶段，发生在细胞质中12转化为乳酸或乙醇，以再生NAD⁺糖异生三羧酸循环从非糖前体（如乳酸、丙氨酸、甘油）合成又称柠檬酸循环，将乙酰CoA完全氧化为63葡萄糖的过程，是维持血糖水平的重要途径CO₂，同时产生还原性辅酶NADH和，主要发生在肝脏中FADH₂，发生在线粒体基质中糖原代谢电子传递链与氧化磷酸化54包括糖原的合成（糖原合成）和分解（糖原分NADH和FADH₂携带的电子通过电子传递链解），是调节血糖稳定的重要机制，主要发生传递给最终电子受体O₂，同时将释放的能量用在肝脏和肌肉中于ATP合成，发生在线粒体内膜上糖酵解概述定义与意义1糖酵解是将葡萄糖分解为两分子丙酮酸的十步反应过程，是细胞获取能量的基本途径这一过程不需要氧气参与，因此被认为是生命早期进化中最古老的能量获取方式反应场所2糖酵解发生在细胞质基质中，不需要任何细胞器参与几乎所有生物的细胞都能进行糖酵解，显示了这一代谢途径的普遍性和重要性过程划分3可分为三个阶段第一阶段为葡萄糖的磷酸化和活化（消耗ATP）；第二阶段为果糖-1,6-二磷酸的裂解生成两分子甘油醛-3-磷酸；第三阶段为甘油醛-3-磷酸氧化生成丙酮酸（产生ATP）能量收益4每分子葡萄糖经糖酵解生成两分子丙酮酸，净产生两分子ATP和两分子NADH虽然产能不高，但因其反应速率快而成为细胞快速获取能量的途径糖酵解第一阶段葡萄糖活化第一步葡萄糖磷酸化葡萄糖在己糖激酶（或葡萄糖激酶）的催化下，利用一分子ATP磷酸化为葡萄糖-6-磷酸这一反应不可逆，确保葡萄糖进入细胞后被保留并进入代谢过程己糖激酶对多种六碳糖有活性，而葡萄糖激酶专一性地催化葡萄糖第二步葡萄糖磷酸异构化-6-葡萄糖-6-磷酸在磷酸葡萄糖异构酶的催化下，转变为果糖-6-磷酸这一反应是可逆的，涉及醛糖（葡萄糖-6-磷酸）向酮糖（果糖-6-磷酸）的转变该反应是通过开环-闭环机制完成的第三步果糖磷酸磷酸化-6-果糖-6-磷酸在磷酸果糖激酶-1（PFK-1）的催化下，利用第二分子ATP磷酸化为果糖-1,6-二磷酸这是糖酵解中的第二个不可逆步骤，也是重要的调控点PFK-1受多种因素调节，包括ATP、AMP和果糖-2,6-二磷酸等糖酵解第二阶段果糖二磷酸裂解-1,6-阶段意义第五步三碳糖磷酸异构化第二阶段的关键在于产生两分子甘油醛-3-磷第四步果糖二磷酸裂解-1,6-二羟丙酮磷酸在三磷酸甘油异构酶的催化下酸，使代谢流量加倍从这一点开始，糖酵果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶的催化下，裂解为，异构化为甘油醛-3-磷酸这是因为只有甘解中的所有后续反应都将发生两次，这也是两个三碳糖磷酸化合物二羟丙酮磷酸（油醛-3-磷酸能继续参与后续的糖酵解反应为什么最终产生两分子丙酮酸的原因DHAP）和甘油醛-3-磷酸（G3P）这一步这一反应是可逆的，平衡趋向于形成二羟丙将六碳糖分子切分为两个三碳分子，使后续酮磷酸反应产能翻倍糖酵解第三阶段丙酮酸生成1第六步甘油醛-3-磷酸氧化与磷酸化甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1,3-二磷酸甘油酸，同时NAD⁺还原为NADH这一反应同时进行了底物水平磷酸化，将无机磷酸结合到氧化产物上，形成高能磷酸键此步骤为后续ATP生成做准备2第七步第一次ATP生成1,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下，将其高能磷酸基团转移给ADP，生成ATP和3-磷酸甘油酸每分子葡萄糖在此步骤产生两分子ATP，补偿了准备阶段消耗的ATP3第八和第九步3-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸经磷酸甘油酸变位酶催化转变为2-磷酸甘油酸，再经烯醇酶催化脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）PEP含有高能磷酸键，储存了足够能量用于后续ATP合成4第十步第二次ATP生成最后，丙酮酸激酶催化PEP转化为丙酮酸，同时将高能磷酸基团转移给ADP生成ATP这是糖酵解的最后一步，每分子葡萄糖在此步骤再产生两分子ATP糖酵解的能量收益2ATP消耗在糖酵解的准备阶段（第一阶段），每分子葡萄糖的磷酸化共消耗两分子ATP一分子用于葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸，另一分子用于果糖-6-磷酸→果糖-1,6-二磷酸4ATP产生在糖酵解的产能阶段（第三阶段），每分子葡萄糖产生四分子ATP两分子来自1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸反应，另外两分子来自磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸反应2净ATP产量因此，每分子葡萄糖通过糖酵解的净ATP产量为2分子（4分子产生-2分子消耗）这反映了糖酵解作为快速但能量效率相对较低的代谢途径的特点2NADH产生同时，每分子葡萄糖还产生2分子NADH，它们携带高能电子可进一步提供能量在有氧条件下，这些NADH可进入线粒体通过氧化磷酸化产生额外ATP；在无氧条件下，它们被用于将丙酮酸还原为乳酸等物质糖酵解的调节机制同工酶调节1不同组织表达特异性同工酶以适应其代谢需求变构调节2关键酶受底物、产物和代谢物的变构效应共价修饰3通过磷酸化/去磷酸化改变酶活性激素调控4胰岛素、胰高血糖素等调节糖酵解速率基因表达调控5长期适应性改变关键酶的合成量糖酵解的调节主要集中在三个不可逆步骤己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶PFK-1是最关键的调控点，ATP和柠檬酸高浓度时抑制该酶，而AMP和果糖-2,6-二磷酸则激活该酶这确保了当细胞能量充足时减缓糖酵解，而能量不足时加速糖酵解胰岛素通过促进葡萄糖转运蛋白表达和激活糖酵解关键酶来提高糖酵解率；而胰高血糖素则抑制糖酵解在长期适应中，基因表达水平的调控使组织能根据需要上调或下调糖酵解相关酶的量有氧条件下的丙酮酸去向丙酮酸进入线粒体氧化脱羧1通过丙酮酸转运蛋白穿过线粒体膜丙酮酸脱氢酶复合体催化生成乙酰CoA2完全氧化进入循环TCA4通过TCA循环和电子传递链完全氧化为CO₂和3乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸H₂O在有氧条件下，糖酵解产生的丙酮酸不会在细胞质中停留，而是迅速被转运到线粒体中在线粒体基质中，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合体的催化下，发生氧化脱羧反应，转变为乙酰CoA，同时释放一分子CO₂并还原一分子NAD⁺为NADH丙酮酸脱氢酶复合体是一个多酶复合体，包含三种主要酶（E

1、E

2、E3）和五种辅酶因子该复合体的活性受到多种因素调节，包括产物抑制（乙酰CoA和NADH）和共价修饰（磷酸化抑制其活性）乙酰CoA形成后进入三羧酸循环，最终被完全氧化为CO₂和H₂O，同时产生大量还原性辅酶（NADH和FADH₂）用于氧化磷酸化无氧条件下的丙酮酸去向乳酸发酵酒精发酵在无氧条件下（如剧烈运动的肌肉在某些微生物（如酵母）中，丙酮组织），丙酮酸通过乳酸脱氢酶（酸首先被丙酮酸脱羧酶催化脱羧形LDH）的催化被还原为乳酸，同成乙醛和CO₂，然后乙醛在乙醇时将NADH氧化为NAD⁺这一脱氢酶的催化下被NADH还原为过程使糖酵解可以在无氧条件下持乙醇这一过程是酿酒、制面包等续进行，因为NAD⁺可以循环再发酵工艺的基础，同样是为了再生利用乳酸积累会导致肌肉酸痛和NAD⁺以维持糖酵解持续进行疲劳感其他发酵类型不同生物体进化出多种丙酮酸代谢途径，如丙酸发酵、丁酸发酵等这些发酵类型在特定微生物中发挥作用，也常用于工业发酵生产特定化合物这反映了生物在缺氧环境中获取能量的多样化适应策略乳酸发酵和酒精发酵乳酸发酵酒精发酵乳酸发酵发生在缺氧条件下的动物组织和某些微生物中在人体酒精发酵主要发生在酵母等微生物中，是酿造酒精饮料和面包制中，剧烈运动时肌肉中的氧气供应不足，便会发生乳酸发酵作的基础在这一过程中，丙酮酸首先被丙酮酸脱羧酶催化脱羧NADH+H⁺将丙酮酸还原为乳酸，同时再生NAD⁺乳酸可形成乙醛和CO₂，然后乙醛被乙醇脱氢酶催化，接受NADH的通过血液输送到肝脏，在有氧条件下转化回丙酮酸或进行糖异生电子形成乙醇，同时再生NAD⁺，这一过程称为Cori循环产生的CO₂可使面包发酵膨胀，而在酿酒过程中则形成气泡过长期依赖乳酸发酵不利于肌肉持续工作，因为乳酸堆积导致pH高浓度的乙醇会抑制酵母生长，这限制了酒精饮料的最大酒精浓降低，引起酸痛和疲劳，并最终抑制肌肉收缩每分子葡萄糖经度酒精发酵的净能量产出也是每分子葡萄糖2分子ATP乳酸发酵仅产生2分子ATP柠檬酸循环概述发生位置基本功能2线粒体基质1完全氧化乙酰CoA，释放能量循环性质催化剂不断再生，循环使用35能量产生代谢中心位置产生NADH、FADH₂和GTP4连接糖、脂肪和氨基酸代谢柠檬酸循环（三羧酸循环或Krebs循环）是有氧代谢的核心途径，将来自糖类、脂肪酸和氨基酸的乙酰CoA彻底氧化为CO₂每转一圈循环，一分子乙酰CoA（2碳原子）生成两分子CO₂，同时产生3分子NADH、1分子FADH₂和1分子GTP（或ATP）循环的本质是四碳化合物（草酰乙酸）接受两碳单位（乙酰CoA），形成六碳化合物（柠檬酸），然后通过一系列反应逐步释放两分子CO₂，同时产生还原性辅酶，最终再生四碳化合物，准备下一轮循环作为代谢的十字路口，除了能量产生外，该循环还为多种生物合成反应提供前体柠檬酸循环的八个步骤（第步）1-4步骤1柠檬酸合成乙酰CoA（2C）与草酰乙酸（4C）在柠檬酸合酶催化下缩合形成柠檬酸（6C），同时释放CoA这是一个放热反应，可视为循环的入口反应柠檬酸合酶活性受到ATP和NADH的抑制，这是循环的重要调控点步骤2顺乌头酸形成柠檬酸在顺乌头酸酶催化下，通过脱水和加水反应重排为其异构体顺乌头酸虽然分子式不变，但空间结构变化使-OH基团从三级碳转移到适合后续脱羧的位置步骤3异柠檬酸脱氢顺乌头酸（也称为异柠檬酸）在异柠檬酸脱氢酶催化下被氧化为α-酮戊二酸，同时还原NAD⁺为NADH+H⁺并释放CO₂这是第一个氧化脱羧步骤，循环中释放的第一个碳原子步骤4α-酮戊二酸脱氢α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脱氢酶复合体（结构类似于丙酮酸脱氢酶复合体）催化下，发生氧化脱羧生成琥珀酰CoA，同时产生NADH+H⁺并释放第二分子CO₂至此，乙酰CoA带入的两个碳原子已完全释放为CO₂柠檬酸循环的八个步骤（第步）5-8步骤5琥珀酰CoA合成酶反应琥珀酰CoA在琥珀酰CoA合成酶催化下水解为琥珀酸，同时将释放的能量用于将GDP磷酸化为GTP（基质水平磷酸化）在哺乳动物中，GTP可通过核苷酸激酶与ADP交换磷酸基团生成ATP这是循环中直接产生高能磷酸键的唯一步骤步骤6琥珀酸脱氢琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下被氧化为延胡索酸，同时将FAD还原为FADH₂这是循环中唯一使用FAD而非NAD⁺作为电子受体的反应琥珀酸脱氢酶是线粒体内膜的膜结合蛋白，FADH₂直接将电子传递给CoQ进入电子传递链步骤7延胡索酸酶反应延胡索酸在延胡索酸酶催化下加水形成苹果酸这一反应表面看似简单，实际涉及复杂的立体化学变化延胡索酸酶特异性地催化反式双键的加水反应，使后续NAD⁺能够特异性接受特定的氢原子步骤8苹果酸脱氢苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下被氧化为草酰乙酸，同时产生NADH+H⁺这是循环的最后一步，再生了草酰乙酸作为循环的催化剂，使循环可以继续进行草酰乙酸可接受新的乙酰CoA分子开始下一轮循环柠檬酸循环的能量收益反应步骤催化酶能量产物异柠檬酸→α-酮戊二酸异柠檬酸脱氢酶1NADHα-酮戊二酸→琥珀酰CoAα-酮戊二酸脱氢酶复合体1NADH琥珀酰CoA→琥珀酸琥珀酰CoA合成酶1GTP/ATP琥珀酸→延胡索酸琥珀酸脱氢酶1FADH₂苹果酸→草酰乙酸苹果酸脱氢酶1NADH每乙酰CoA总收益3NADH+1FADH₂+1GTP每葡萄糖总收益6NADH+2FADH₂+2GTP每一分子乙酰CoA通过柠檬酸循环完全氧化可产生3分子NADH、1分子FADH₂和1分子GTP由于每分子葡萄糖经过丙酮酸脱氢酶复合体和柠檬酸循环可产生2分子乙酰CoA，因此一分子葡萄糖在这个阶段共产生6分子NADH、2分子FADH₂和2分子GTP后续在电子传递链中，每分子NADH可产生约

2.5分子ATP，每分子FADH₂可产生约

1.5分子ATP因此，仅柠檬酸循环阶段，每分子葡萄糖可理论产生6×

2.5+2×

1.5+2=20分子ATP加上糖酵解阶段产生的ATP和NADH，单分子葡萄糖有氧氧化的理论最大产能约为30-32分子ATP柠檬酸循环的调节机制线粒体NAD⁺/NADH比值1影响多个脱氢酶的活性底物可用性2乙酰CoA和草酰乙酸的浓度直接影响循环速率能量状态3ATP/ADP比值通过变构调节影响关键酶钙信号4细胞内Ca²⁺浓度升高激活多个脱氢酶柠檬酸循环的关键调节点主要分布在三个不可逆反应上柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体这些酶对能量指示分子（如ATP、NADH）的浓度变化非常敏感当细胞能量充足时（ATP和NADH浓度高），这些关键酶被抑制，循环减缓；相反，当能量需求增加，ADP和NAD⁺浓度升高时，循环加速钙离子作为细胞信号分子，可以激活多个循环脱氢酶，将神经肌肉活动与线粒体能量产生联系起来此外，某些循环中间产物可作为反馈抑制剂，如琥珀酰CoA抑制α-酮戊二酸脱氢酶激素如胰岛素促进循环，而在饥饿状态下，脂肪酸氧化产生的乙酰CoA可抑制丙酮酸脱氢酶，减少葡萄糖的氧化电子传递链概述定义与位置质子泵功能电子传递链是位于线粒体内膜上的一系列蛋白质复合体和电子载复合体I、III和IV在传递电子的同时，将质子从线粒体基质泵出体，负责将NADH和FADH₂中的高能电子传递给最终电子受体到膜间隙，形成质子电化学梯度这一梯度包含两个组分pH梯氧分子，同时将释放的能量用于在内膜两侧建立质子梯度这一度（膜间隙pH约

7.0，基质pH约

7.8）和膜电位（膜间隙相对基过程也称为呼吸链或电子传递系统质约正70mV）1234组成成分耦联与效率主要包括四个大型蛋白质复合体（复合体I-IV）和两个电子载体电子传递与质子泵送紧密耦联，是线粒体能量转换的关键机制（辅酶Q和细胞色素c）这些组分按照氧化还原电位升高（电子该系统的效率较高，约40%的葡萄糖氧化能量被捕获为ATP形式亲和力增强）的顺序排列，确保电子沿着能量阶梯单向流动，逐，远高于热机效率异常的电子泄漏会导致自由基产生和氧化应步释放能量激电子传递链的四个复合体复合体复合体复合体和I IIIII IVNADH-辅酶Q氧化还原酶，是电子传递链中最琥珀酸-辅酶Q氧化还原酶，同时也是三羧酸循环复合体III（辅酶Q-细胞色素c氧化还原酶）通过大的复合体，由超过40个蛋白亚基组成它接受中的琥珀酸脱氢酶它接受FADH₂的电子（通Q循环机制，将电子从辅酶Q传递给细胞色素c，NADH的电子，通过FMN和多个铁硫中心，将过琥珀酸氧化产生），通过FAD和铁硫中心传递同时将4个质子泵送到膜间隙复合体IV（细胞电子传递给辅酶Q，同时将4个质子从基质泵送给辅酶Q与其他复合体不同，它不泵送质子，色素c氧化酶）接受来自细胞色素c的电子，将其到膜间隙这一复合体是许多线粒体疾病的靶点因此FADH₂的能量产出低于NADH传递给最终电子受体O₂，还原为H₂O，同时泵送2个质子这是呼吸链的终点电子通过复合体间的移动释放能量用于质子泵送，在内膜两侧建立质子动力势辅酶Q（泛醌）和细胞色素c作为可移动的电子载体，连接各个复合体这一精密系统可被多种药物和毒素抑制，如鱼藤酮抑制复合体I，氰化物抑制复合体IV氧化磷酸化过程质子梯度形成质子通过ATP合酶1电子传递链泵送H⁺到膜间隙H⁺顺浓度梯度返回基质2新能量载体循环利用4ATP合成3产生的ATP输出，ADP返回再利用质子流动能量用于ADP磷酸化氧化磷酸化是将电子传递链产生的质子动力势转化为ATP化学能的过程，是化学渗透偶联理论的核心内容根据这一理论，由Peter Mitchell提出并获得1978年诺贝尔化学奖，电子传递和ATP合成通过质子梯度间接偶联在这一过程中，电子传递链将质子泵出基质，创造约180-220mV的跨膜电位差随后，质子通过ATP合成酶（复合体V）的F₀部分顺浓度梯度流回基质，驱动F₁部分合成ATPF₀-F₁ATP合成酶的工作类似于由质子流驱动的分子马达每10个质子通过ATP合成酶大约可合成3分子ATP如果线粒体内膜变得通透（如被解偶联剂如DNP破坏），质子将绕过ATP合成酶回流，能量以热的形式散失，ATP合成减少合成酶的结构和功能ATP合成酶结构合成机制ATP ATPATP合成酶（F₀F₁-ATP合成酶）是一个高度复杂的分子马达ATP合成酶的工作机制基于旋转催化模型，横跨线粒体内膜，由两个主要部分组成质子流动驱动旋转质子从膜间隙流向基质时，与c-环中的负电F₀部分嵌入线粒体内膜，由a、b和c亚基组成c亚基形成一荷残基结合，使c-环绕轴旋转每个c亚基通过一个完整循环，个环状结构（c-环），含有8-14个c亚基（根据物种不同），每结合一个质子从膜间隙进入，然后在基质侧释放个可结合一个质子这一部分提供质子通道旋转催化c-环旋转带动γ亚基旋转，γ亚基插入F₁部分的α/β六F₁部分位于线粒体基质侧，由α、β、γ、δ和ε亚基组成包含边形中心根据结合变化机制binding changemechanism三对α/β亚基，排列成六边形结构，是ATP合成的催化中心γ，γ亚基的旋转引起β亚基构象变化，使其循环经过三种状态松亚基形成中央轴，连接F₀和F₁部分弛态结合ADP+Pi、紧张态催化ATP合成和开放态释放ATPATP合成酶是高度保守的生物分子马达，其催化效率极高在正常生理条件下，一个ATP合成酶每秒可合成约100分子ATP该酶也可逆工作在某些条件下，ATP水解可驱动质子逆浓度梯度泵送，这在细菌和某些特殊生理条件下尤为重要糖的有氧氧化总能量收益糖酵解产生ATP糖酵解产生丙酮酸脱氢酶三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环GTPNADH NADHFADH₂葡萄糖完全氧化的理论最大ATP产量约为30-32分子，但实际产量受多种因素影响从细胞质到线粒体的NADH电子传递比线粒体内NADH效率略低，这是因为NADH不能直接跨过线粒体内膜，需要通过穿梭系统（如甘油-3-磷酸穿梭或苹果酸-天冬氨酸穿梭）间接将电子传入此外，ATP合成的效率也受线粒体内膜的完整性、质子泄漏程度、电子传递链效率等因素影响组织差异也很显著，如心肌线粒体通常效率高于肝脏线粒体在生理状态下，实际P/O比（每原子氧消耗产生的ATP数）通常低于理论值，导致实际ATP产量约为26-28分子糖原的结构和功能糖原结构糖原的功能糖原是动物体内主要的葡萄糖储存形式，是一种高度分支的多糖糖原作为储能物质提供快速可用的葡萄糖来源，特别是在运动其基本结构由α-D-葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接形成直链和饥饿状态下由于高度分支的结构，糖原可同时从多个末端释，每8-12个葡萄糖残基处通过α-1,6-糖苷键形成分支放葡萄糖，比线性多糖更高效这种结构使糖原呈现树状形态，称为β颗粒，直径约20-30nm维持血糖稳定肝糖原（约100g）主要用于维持血糖水平，在多个β颗粒聚集形成更大的α颗粒（直径约100-200nm）禁食状态下可被分解释放葡萄糖入血肌糖原（约400g）主要每个糖原分子包含约30,000个葡萄糖单元，中心有一个称为糖用于满足肌肉自身能量需求，不能直接释放葡萄糖到血液中（因原蛋白（glycogenin）的起始蛋白肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶）高能代谢缓冲在剧烈运动开始时，当有氧代谢尚未完全启动时，糖原分解可提供快速能量支持糖原合成过程

1.葡萄糖活化葡萄糖首先被己糖激酶或葡萄糖激酶磷酸化为葡萄糖-6-磷酸随后，葡萄糖-6-磷酸在磷酸葡萄糖变位酶作用下转变为葡萄糖-1-磷酸这两步反应消耗一分子ATP，是糖原合成的准备阶段

2.UDP-葡萄糖形成葡萄糖-1-磷酸与UTP在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化下反应，生成UDP-葡萄糖和焦磷酸焦磷酸被细胞内的焦磷酸酶快速水解，使反应不可逆UDP-葡萄糖是糖原合成的直接前体和葡萄糖活化形式

3.引发与延长在新合成糖原时，首先需要糖原蛋白（glycogenin）自身催化将葡萄糖从UDP-葡萄糖转移到其酪氨酸残基上，形成引物随后，糖原合成酶催化将葡萄糖从UDP-葡萄糖转移到已有糖链的非还原末端，形成α-1,4-糖苷键，延长糖链

4.分支形成当糖链延长至至少11个葡萄糖单元时，支链酶将至少7个葡萄糖残基的片段从链末端切下，并通过α-1,6-糖苷键转移到同一链或相邻链的内部位置，形成分支点这一过程增加可用的非还原末端数量，提高糖原合成和分解的效率糖原合成的关键酶UDP-葡萄糖焦磷酸化酶糖原合成酶催化葡萄糖-1-磷酸与UTP反应生成催化UDP-葡萄糖中的葡萄糖残基转UDP-葡萄糖这一步骤是糖原合成移到糖链非还原末端，形成α-1,4-糖的关键控制点之一，酶活性受葡萄糖-苷键该酶存在两种形式磷酸化型1,6-二磷酸激活该酶决定了UDP-（低活性，D形）和非磷酸化型（高葡萄糖的可用量，直接影响糖原合成活性，I形）转换由蛋白磷酸酶和蛋速率该酶的表达和活性在不同组织白激酶催化，是糖原合成的主要调控中差异显著，反映了糖原代谢的组织点葡萄糖-6-磷酸是合成酶的变构激特异性调控活剂，可部分抵消磷酸化的抑制作用支链酶（淀粉转葡萄糖基酶）-1,4→1,6-催化α-1,4链段的切断和重新连接为α-1,6分支它有两个催化活性内切葡萄糖苷酶活性（切断α-1,4键）和转糖基酶活性（形成α-1,6键）支链酶确保糖原具有适当的分支度，这对糖原的溶解度和代谢效率至关重要支链酶缺陷导致糖原结构异常，是某些糖原累积症的病因糖原分解过程

1.磷酸解解除糖苷键糖原磷酸化酶催化糖原非还原末端的α-1,4-糖苷键的磷酸解裂解，从糖原释放葡萄糖-1-磷酸这一过程不消耗ATP，而是利用无机磷酸Pi作为攻击基团磷酸化酶可以持续分解糖链，直到距离分支点还有约4个葡萄糖残基处停止

2.转移酶作用当糖原磷酸化酶分解至距分支点仅剩4个葡萄糖残基时，α-1,4→α-1,4-葡萄糖基转移酶（转移酶）将三个葡萄糖残基从这一短链转移到另一条链的非还原末端，形成新的α-1,4键，只留下一个与分支点相连的葡萄糖残基

3.脱分支酶作用α-1,6-葡萄糖苷酶（脱分支酶）水解α-1,6-糖苷键，移除分支点，释放一个自由葡萄糖分子这是糖原分解中唯一生成游离葡萄糖而非葡萄糖-1-磷酸的步骤脱分支酶实际上与转移酶是同一个蛋白质的两个功能区域

4.葡萄糖-1-磷酸的命运在肝脏中，葡萄糖-1-磷酸可通过葡萄糖-1-磷酸变位酶转变为葡萄糖-6-磷酸，然后经葡萄糖-6-磷酸酶水解为自由葡萄糖释放入血而在肌肉中，由于缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，葡萄糖-6-磷酸主要进入糖酵解产生能量，不能释放葡萄糖到血液中糖原分解的关键酶糖原磷酸化酶转移酶和脱分支酶葡萄糖-6-磷酸酶糖原分解的限速酶，催化双功能酶，N端区域具有催化葡萄糖-6-磷酸水解从糖原非还原末端依次释转移酶活性，将α-1,4连为葡萄糖和无机磷酸，为放葡萄糖-1-磷酸存在接的葡萄糖链段从分支点肝脏、肾脏和小肠特有两种形式磷酸化形式（附近转移到另一糖链；C该酶位于内质网膜上，需a型，活性高）和非磷酸端区域具有脱分支酶活性要特殊转运蛋白将底物转化形式（b型，活性低），水解α-1,6分支点这入内质网腔葡萄糖-6-磷酸化酶激酶催化b→a两种活性协同工作，确保磷酸酶是糖原分解和糖异转换，而蛋白磷酸酶催化糖原分子能被完全分解生的最后一步，其缺陷导a→b转换AMP是b型的该酶缺陷导致III型糖原致I型糖原累积症（von变构激活剂，而ATP和累积症（Cori病或限界Gierke病），特征为严葡萄糖-6-磷酸是抑制剂糖原病）重低血糖和肝肿大，反映能量状态对酶活性的调节糖原代谢的激素调节胰岛素胰高血糖素肾上腺素胰岛素是餐后分泌的主要激素，促进糖原合成并抑制糖原分解它通过激活胰岛素受体引发信号级联反应，导致蛋白磷酸酶激活，使糖原合成酶去磷酸化（活化）而糖原磷酸化酶去活化同时，胰岛素促进葡萄糖转运蛋白GLUT4向细胞膜转位，增加葡萄糖摄取相反，胰高血糖素和肾上腺素在血糖低时分泌增加，促进糖原分解它们通过各自的G蛋白偶联受体激活腺苷酸环化酶，增加细胞内cAMP水平，活化蛋白激酶A，进而磷酸化并激活磷酸化酶激酶，最终导致糖原磷酸化酶活化而糖原合成酶失活在肝脏，这些激素还促进糖异生，进一步提高血糖糖异生概述主要器官定义2肝脏90%和肾脏10%1从非碳水化合物前体合成葡萄糖生理意义维持血糖稳定，特别是在禁食状态35调控能量需求受底物供应和激素状态精密调控4耗能过程，需要6ATP等高能分子糖异生是一个生物合成途径，将非糖类物质（如乳酸、丙氨酸、甘油和某些氨基酸）转变为葡萄糖它是糖酵解的逆过程，但不完全是糖酵解反应的简单逆转糖酵解中的三个不可逆反应（己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶反应）在糖异生中由不同的酶催化葡萄糖-6-磷酸酶、果糖-1,6-二磷酸酶和丙酮酸羧化酶与磷酸烯醇丙酮酸羧激酶在长时间禁食（超过24小时）后，糖异生对维持血糖水平至关重要，成为肝脏释放葡萄糖的主要来源糖异生是一个高度耗能的过程，每合成一分子葡萄糖需要6分子ATP、2分子GTP、2分子NADH和2分子FADH₂的能量贡献，远高于糖酵解释放的能量这反映了合成过程通常比分解过程需要更多能量的生化原则糖异生的底物来源乳酸氨基酸甘油是糖异生的最主要前体，主要来源于肌蛋白质分解释放的氨基酸是禁食状态下来源于脂肪组织的脂肪分解甘油三酯肉、红细胞和其他组织的无氧糖酵解重要的糖异生底物氨基酸可分为糖原水解释放甘油，通过甘油激酶转化为甘在剧烈运动期间，肌肉产生大量乳酸通性（可转化为葡萄糖）、酮原性（转化油-3-磷酸，然后进入糖异生途径在长过血液运输到肝脏，转化为葡萄糖后再为酮体）和既糖原又酮原的三类糖原期禁食状态下，脂肪动员增加，甘油成返回肌肉使用，形成葡萄糖-乳酸循环（性氨基酸包括丙氨酸、谷氨酸、丝氨酸为重要的糖异生底物与其他底物不同Cori循环）这一循环使肌肉能够部分等，它们可转化为丙酮酸或TCA循环中，甘油直接进入三碳阶段，绕过糖异生借用肝脏的氧化能力来支持自身能量需间体，进而参与糖异生丙氨酸是主要的限速步骤，效率较高求的糖原性氨基酸，形成葡萄糖-丙氨酸循环不同底物对糖异生的贡献随生理状态变化短期禁食主要依赖乳酸和丙氨酸；中长期禁食则甘油和其他氨基酸贡献增加脂肪酸虽然不能直接转化为葡萄糖（因为乙酰CoA不能逆转TCA循环），但通过提供ATP和NADH支持糖异生，并通过抑制糖酵解间接增加糖异生底物供应糖异生的关键步骤（第步）1-3步骤丙酮酸转化为磷酸烯醇丙酮酸1这一步绕过了丙酮酸激酶的不可逆反应，分两个阶段完成首先，丙酮酸在线粒体中被丙酮酸羧化酶催化，结合一分子CO₂形成草酰乙酸，消耗一分子ATP然后，草酰乙酸被转运到细胞质（直接或转化为苹果酸后），由磷酸烯醇丙酮酸羧激酶催化脱羧并磷酸化生成磷酸烯醇丙酮酸，消耗一分子GTP步骤磷酸烯醇丙酮酸到磷酸甘油酸转换23-这一步由与糖酵解相同但反向运行的酶催化首先，磷酸烯醇丙酮酸经烯醇酶转化为2-磷酸甘油酸，然后由磷酸甘油酸变位酶转化为3-磷酸甘油酸这些反应在热力学上是可逆的，不需要额外能量输入，方向取决于底物和产物浓度步骤磷酸甘油酸到二磷酸甘油酸转换33-1,3-3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶催化下与ATP反应形成1,3-二磷酸甘油酸，这是糖酵解中产生ATP步骤的逆反应然后，1,3-二磷酸甘油酸被甘油醛-3-磷酸脱氢酶还原为甘油醛-3-磷酸，使用NADH作为还原剂这一系列反应在每个葡萄糖分子的合成中发生两次，因为每个葡萄糖分子需要两个三碳单位糖异生的关键步骤（第步）4-6步骤4三碳糖转化为果糖-1,6-二磷酸甘油醛-3-磷酸与二羟丙酮磷酸（由甘油-3-磷酸脱氢酶催化转化而来）在醛缩酶催化下缩合为果糖-1,6-二磷酸这是糖酵解中果糖-1,6-二磷酸裂解为三碳糖的逆反应，在热力学上是可逆的，受质量作用定律控制步骤5果糖-1,6-二磷酸水解果糖-1,6-二磷酸在果糖-1,6-二磷酸酶催化下水解为果糖-6-磷酸和无机磷酸这一反应绕过了糖酵解中磷酸果糖激酶催化的不可逆反应，是糖异生的关键调控点果糖-1,6-二磷酸酶受果糖-2,6-二磷酸的强烈抑制，这种调节与磷酸果糖激酶的调节正好相反，确保糖酵解和糖异生不会同时以高速率进行步骤6葡萄糖-6-磷酸形成和释放葡萄糖果糖-6-磷酸在磷酸葡萄糖异构酶催化下转变为葡萄糖-6-磷酸，这是一个可逆反应最后，葡萄糖-6-磷酸在葡萄糖-6-磷酸酶催化下水解为葡萄糖和无机磷酸这一反应绕过了糖酵解中己糖激酶催化的不可逆反应，只存在于肝脏、肾脏和小肠等组织中，使这些组织能够向血液释放葡萄糖糖异生与糖酵解的reciprocal regulation关键酶点对互斥调控果糖-2,6-二磷酸的双重调控作用糖酵解和糖异生通过精密调控机制确保不会同时以高速率进行，果糖-2,6-二磷酸F-2,6-BP是一种重要的变构调节剂，在肝脏避免ATP浪费的无用循环这种调控主要通过三对关键酶对中浓度受激素控制它具有双重调节作用的相互拮抗调节实现激活磷酸果糖激酶-1F-2,6-BP是PFK-1的强效正变构效应剂•己糖激酶/葡萄糖激酶vs.葡萄糖-6-磷酸酶，降低ATP和柠檬酸的抑制作用•磷酸果糖激酶-1vs.果糖-1,6-二磷酸酶抑制果糖-1,6-二磷酸酶F-2,6-BP与该酶的催化位点竞争结合•丙酮酸激酶vs.丙酮酸羧化酶+磷酸烯醇丙酮酸羧激酶，强烈抑制其活性其中磷酸果糖激酶-1和果糖-1,6-二磷酸酶的调控是最核心的控制F-2,6-BP的浓度由双功能酶磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸点酶PFK-2/FBPase-2控制，后者通过磷酸化/去磷酸化调节胰岛素促进PFK-2活性，增加F-2,6-BP浓度；而胰高血糖素则促进FBPase-2活性，降低F-2,6-BP浓度糖异生的激素调节胰高血糖素皮质醇胰高血糖素是促进糖异生的主要激素，皮质醇是一种糖皮质激素，在饥饿和应通过cAMP信号通路发挥作用它与肝激状态下分泌增加它通过多种机制促细胞表面受体结合，激活腺苷酸环化酶进糖异生诱导糖异生关键酶（主要是，增加细胞内cAMP水平cAMP激活PEPCK、果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-蛋白激酶APKA，后者通过磷酸化多6-磷酸酶）的基因表达；促进蛋白质分种靶蛋白调节代谢磷酸化并抑制丙酮解，增加氨基酸底物供应；增强其他促酸激酶；磷酸化双功能酶PFK-糖异生激素（如胰高血糖素）的作用2/FBPase-2，降低F-2,6-BP水平，抑长期皮质醇水平升高是Cushing综合征制糖酵解并促进糖异生；增加PEPCK和长期应用糖皮质激素导致高血糖的原和葡萄糖-6-磷酸酶基因表达因胰岛素胰岛素是糖异生的主要抑制剂，与胰高血糖素作用相反它通过多种机制抑制糖异生抑制肝脏和脂肪组织的脂解，减少甘油和脂肪酸供应；降低蛋白质分解，减少氨基酸供应；降低糖异生关键酶的基因表达；促进双功能酶PFK-2/FBPase-2的去磷酸化，增加F-2,6-BP水平，促进糖酵解并抑制糖异生胰岛素抵抗和分泌不足导致的糖异生过度活跃是2型糖尿病高血糖的重要原因磷酸戊糖途径概述供应NADPH1用于还原性生物合成产生核酸合成前体2提供核苷酸中的核糖链接不同代谢途径3连接糖代谢与其他生物合成氧化应激防御4维持细胞氧化还原平衡糖代谢副途径5是糖酵解的平行补充途径磷酸戊糖途径（PPP），也称为六磷酸葡萄糖旁路或磷酸戊糖分支，是平行于糖酵解的重要代谢途径它在细胞质中进行，不产生ATP，而是以其他形式提供代谢支持该途径可分为氧化阶段和非氧化阶段，前者是不可逆的，产生NADPH；后者是可逆的，重新排列糖骨架NADPH是多种生物合成反应的还原力来源，如脂肪酸和类固醇合成它也是对抗氧化应激的关键，通过谷胱甘肽还原酶和过氧化物酶系统维持细胞抗氧化防御磷酸戊糖途径的活性在不同组织中差异显著在肝脏、脂肪组织、乳腺等合成组织，或红细胞等面临氧化应激的细胞中活性较高；而在肌肉等主要用于能量产生的组织中活性较低磷酸戊糖途径的氧化阶段第一步葡萄糖磷酸脱氢-6-葡萄糖-6-磷酸脱氢酶催化葡萄糖-6-磷酸氧化为6-磷酸葡萄糖酸内酯，同时产生一分子NADPH该酶是整个途径的第一个和限速酶，受到多种因素调节其活性受NADP⁺/NADPH比率强烈影响高NADP⁺促进反应，高NADPH抑制反应这种反馈调节确保了细胞NADPH需求与供应的平衡第二步磷酸葡萄糖酸内酯水解6-6-磷酸葡萄糖酸内酯不稳定，在内酯酶催化下快速水解为6-磷酸葡萄糖酸这一步骤即使没有酶催化也会自发进行，但酶的存在显著加速了反应速率内酯酶的活性很少成为途径的限速因素，通常不是调控的重点第三步磷酸葡萄糖酸脱氢和脱羧6-6-磷酸葡萄糖酸在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下发生氧化脱羧反应，释放一分子CO₂，同时产生一分子NADPH和核糖-5-磷酸这是氧化阶段的最后一步，标志着六碳糖转变为五碳糖至此，氧化阶段总共产生了两分子NADPH，这是该途径最重要的生化贡献之一磷酸戊糖途径的非氧化阶段第四步核糖-5-磷酸异构化核糖-5-磷酸异构酶催化核糖-5-磷酸部分转变为其异构体木酮糖-5-磷酸这种转换涉及C1和C2之间醛基和酮基的相互转换，是可逆反应这两种五碳糖磷酸酯是进入非氧化阶段后续反应的底物，也是核酸合成的重要前体第五步转酮反应转酮酶催化核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸反应，转移木酮糖的C1-C2片段到另一分子核糖-5-磷酸上，生成七碳糖七碳糖-7-磷酸和三碳糖甘油醛-3-磷酸这一转酮反应是糖骨架重排的第一步，允许碳单元在不同大小的糖分子间转移第六步转醛反应转醛酶催化七碳糖-7-磷酸与甘油醛-3-磷酸反应，转移七碳糖的C1-C3片段到甘油醛-3-磷酸上，生成四碳糖赤藓糖-4-磷酸和六碳糖果糖-6-磷酸这一转醛反应是第二个糖骨架重排步骤，完成了从五碳糖到

三、

四、六碳糖的转换第七步最终转换赤藓糖-4-磷酸可在赤藓糖磷酸异构酶催化下转化为果糖-6-磷酸最终，果糖-6-磷酸可重新进入糖酵解或转化为葡萄糖-6-磷酸重新进入磷酸戊糖途径这种灵活性允许途径根据细胞需要调整NADPH和糖中间体的产生比例磷酸戊糖途径的生理意义提供还原力核酸合成抗氧化防御产生NADPH是该途径最重要的功能产生的核糖-5-磷酸是核苷酸合成的直NADPH是维持细胞抗氧化系统的关NADPH用于多种还原性生物合成接前体它可被转化为磷酸核糖焦磷键它通过谷胱甘肽还原酶将氧化型反应，如脂肪酸合成（乙酰CoA羧化酸PRPP，后者用于嘌呤、嘧啶核谷胱甘肽GSSG还原为还原型谷胱酶和脂肪酸合酶需要NADPH）、类苷酸的从头合成和挽救合成在快速甘肽GSH，后者是细胞主要的抗氧固醇合成（多个羟化反应需要分裂的细胞（如骨髓、肿瘤细胞）中化剂，保护细胞免受氧化损伤在红NADPH）和谷胱甘肽生成特别是，对核苷酸的需求增加，磷酸戊糖途细胞等面临高氧化应激的细胞中，该在肝脏、脂肪组织和泌乳乳腺，径活性上调功能尤为重要NADPH需求量很大代谢灵活性途径可根据NADPH和核糖-5-磷酸需求灵活运行可以完全循环（产生最大NADPH）或部分运行（平衡NADPH和核糖-5-磷酸产生）这种灵活性使细胞能够适应不同的代谢需求例如，在G6PD缺乏症患者服用某些药物后，红细胞无法产生足够NADPH对抗氧化应激，导致溶血血糖的来源和去路肝糖原分解膳食碳水化合物2在低血糖时释放葡萄糖1消化吸收后直接进入血液肝脏糖异生从非糖前体合成葡萄糖35肝糖原合成组织摄取利用高血糖时将过量葡萄糖储存4被各组织细胞摄取并氧化或储存血糖来源主要包括膳食碳水化合物的消化吸收，这是进食后血糖的主要来源；肝糖原分解，在两餐之间或短期禁食时维持血糖水平；糖异生，在长期禁食状态下成为血糖的主要来源，利用乳酸、氨基酸和甘油合成葡萄糖血糖的去路包括被各种组织摄取用于能量产生，其中大脑、红细胞和肾髓质几乎完全依赖葡萄糖；转化为糖原储存在肝脏和肌肉中；转化为脂肪（在肝脏和脂肪组织中）；少量通过肾小球滤过但被近曲小管重吸收（血糖超过肾阈值约180mg/dL时出现尿糖）血糖的总周转率约为每天150-250克，其中50-75%用于大脑血糖水平反映了各种进出途径之间的动态平衡，受到多种激素和神经因素的精密调控血糖浓度的正常范围

3.9-

6.1空腹血糖mmol/L通常在清晨空腹8小时以上测定

3.9-

7.8餐后2小时血糖mmol/L餐后高峰一般在1-

1.5小时出现

4.4-

6.7全天平均血糖mmol/L24小时内平均水平较为稳定4-7%糖化血红蛋白HbA1c反映近2-3个月血糖平均控制情况血糖浓度是生理上受到最严格调控的参数之一，正常人即使摄入大量碳水化合物或长时间禁食，血糖波动范围也相对有限这是因为大脑等组织对持续稳定的葡萄糖供应高度依赖临床上，血糖检测通常包括空腹血糖、餐后血糖、全天血糖监测和糖化血红蛋白等血糖的单位有两种表示方法国际单位mmol/L（常用于中国和欧洲等地）和传统单位mg/dL（常用于美国）转换关系为mg/dL÷18=mmol/L糖尿病诊断标准主要基于空腹血糖≥

7.0mmol/L126mg/dL；口服葡萄糖耐量试验2小时血糖≥

11.1mmol/L200mg/dL；或HbA1c≥

6.5%胰岛素的分泌和作用机制胰岛素的合成胰岛素由胰腺β细胞合成，初始合成为前胰岛素原，在内质网中转化为胰岛素原，然后在高尔基体和分泌颗粒中通过蛋白酶切割生成活性胰岛素和C肽成熟胰岛素是由A链21个氨基酸和B链30个氨基酸通过两对二硫键连接的小肽胰岛素分泌的调控胰岛素分泌最重要的刺激因素是血糖升高葡萄糖通过GLUT2转运蛋白进入β细胞，经氧化产生ATP，导致ATP敏感性钾通道关闭，细胞膜去极化，钙通道开放，钙内流触发胰岛素分泌颗粒释放此外，某些氨基酸如精氨酸、肠促胰岛素GIP、胰高血糖素样肽-1GLP-1和迷走神经兴奋也促进胰岛素分泌胰岛素受体信号转导胰岛素与靶细胞膜上的胰岛素受体结合，激活受体酪氨酸激酶活性，导致受体自身磷酸化和底物IRS磷酸化这启动了两条主要信号通路PI3K-Akt通路主要调节代谢效应和MAP激酶通路主要调节生长效应胰岛素的生物学效应胰岛素促进葡萄糖摄取主要通过促进GLUT4向细胞膜转位，增加肌肉和脂肪组织葡萄糖摄取；促进糖原合成激活糖原合成酶；抑制糖原分解和糖异生；促进脂肪合成，抑制脂肪分解；促进蛋白质合成，抑制蛋白质分解；促进细胞生长与分化胰高血糖素的分泌和作用机制胰高血糖素的合成与分泌胰高血糖素的作用机制胰高血糖素是由胰腺α细胞分泌的29个氨基酸的多肽激素，由前胰高血糖素通过G蛋白偶联受体发挥作用，主要靶器官是肝脏胰高血糖素前体经蛋白酶切割产生其分泌主要受血糖水平调控胰高血糖素与受体结合激活腺苷酸环化酶，增加细胞内cAMP水，但与胰岛素相反，低血糖是最强刺激因素，而高血糖抑制其分平，激活蛋白激酶APKA，后者通过磷酸化不同靶蛋白引起一泌系列代谢反应除血糖外，多种因素影响胰高血糖素分泌氨基酸特别是精氨胰高血糖素的主要生物学效应包括激活肝糖原磷酸化酶，促进酸和丙氨酸刺激分泌；胃肠激素如GLP-1抑制分泌；交感神经糖原分解；抑制糖原合成酶，减少糖原合成；通过增加糖异生关活性增加如运动和应激促进分泌；胰岛素和生长抑素抑制分泌键酶表达和活性，促进糖异生；促进肝脏脂肪分解和酮体生成；这种复杂调控确保胰高血糖素水平适应机体需要轻度促进蛋白质分解，提供糖异生氨基酸底物这些作用的净效果是增加血糖水平，胰高血糖素是维持禁食状态血糖的关键激素，在应激和运动状态下也起重要作用其他调节血糖的激素除胰岛素和胰高血糖素外，多种激素参与血糖调节肾上腺素和去甲肾上腺素肾上腺髓质分泌通过β-肾上腺素受体促进肝糖原分解和糖异生，抑制胰岛素分泌并降低外周组织对胰岛素敏感性，在应激反应中迅速升高血糖皮质醇肾上腺皮质分泌促进糖异生，增加肝脏对其他促糖异生激素的敏感性，降低外周组织葡萄糖利用，长期升高导致胰岛素抵抗生长激素垂体前叶分泌降低组织葡萄糖摄取，促进脂肪分解提供糖异生底物，对抗胰岛素作用甲状腺激素通过增加肠道葡萄糖吸收、促进肝糖原分解并增加糖异生，具有升高血糖的作用这些应激激素与胰岛素作用相反，共同构成复杂的血糖调节网络，确保血糖稳定和适应不同生理状态糖尿病的类型和病因1型糖尿病2型糖尿病1自身免疫性胰岛β细胞破坏胰岛素抵抗和分泌功能逐渐衰退2特殊类型糖尿病4妊娠糖尿病3由基因缺陷、疾病或药物引起妊娠期间首次出现的糖耐量异常糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢疾病，由胰岛素分泌缺陷和/或胰岛素作用障碍引起根据病因和发病机制，糖尿病主要分为以下几种类型1型糖尿病占总病例约5-10%，主要由自身免疫导致胰岛β细胞破坏，通常起病急，多见于儿童和青少年，但任何年龄都可发病患者体内可检测到胰岛细胞抗体ICA、胰岛素自身抗体IAA等自身抗体该类型患者绝对依赖外源性胰岛素维持生命2型糖尿病占总病例约90-95%，特征是胰岛素抵抗和胰岛素分泌相对不足，发病缓慢，多见于中老年人，与遗传因素、肥胖、久坐不动等生活方式密切相关近年来青少年患病率增加，主要与儿童肥胖流行相关妊娠糖尿病在怀孕期间首次被诊断，产后大多恢复正常，但这些女性未来发展为2型糖尿病的风险增加特殊类型糖尿病包括单基因缺陷、胰腺疾病、内分泌疾病和药物诱导等多种原因导致的糖尿病型糖尿病的特征和治疗1发病机制临床表现1型糖尿病是自身免疫性疾病，机体T淋巴典型症状包括三多一少多饮、多食、细胞攻击并破坏胰岛β细胞，导致胰岛素多尿和体重减轻起病通常急剧，常在感绝对缺乏发病涉及遗传易感性与HLA染、应激等诱因后发病儿童和青少年最基因密切相关和环境因素如病毒感染、常见，但任何年龄都可发病未及时治疗饮食因素相互作用β细胞损失约80-可迅速发展为酮症酸中毒，表现为脱水、90%时出现临床症状自身免疫标记物包呼吸急促酸中毒代偿、腹痛、恶心呕吐括胰岛细胞抗体ICA、胰岛素自身抗体，严重者昏迷，危及生命IAA、谷氨酸脱羧酶抗体GADA和酪氨酸磷酸酶抗体IA-2A治疗原则胰岛素替代治疗是1型糖尿病的基石，需终身使用主要胰岛素方案包括多次胰岛素注射MDI，通常包含基础胰岛素长效和餐时胰岛素速效；胰岛素泵连续皮下胰岛素输注CSII，更接近生理性胰岛素分泌模式除胰岛素外，治疗还包括饮食管理碳水化合物计数、规律运动、血糖监测包括持续血糖监测系统CGM和糖尿病教育现代治疗趋势包括闭环胰岛素输注系统人工胰腺和免疫干预以保护残余β细胞功能型糖尿病的特征和治疗2发病机制危险因素治疗策略2型糖尿病的核心病理生理特征是胰岛素抵2型糖尿病的主要危险因素包括肥胖（特2型糖尿病治疗采用阶梯式策略，包括生抗和胰岛β细胞功能进行性减退的双重缺陷别是腹型肥胖）、缺乏体力活动、高热量活方式干预（饮食控制、增加体力活动、胰岛素抵抗主要表现为肌肉、肝脏和脂饮食、遗传因素（一级亲属患病风险增加减轻体重）是基础治疗；口服降糖药单药肪组织对胰岛素作用的敏感性下降，导致40-60%）、种族（亚洲人、非洲裔等风险或联合使用（二甲双胍通常作为首选药物葡萄糖利用减少、肝糖输出增加和脂肪分较高）、年龄增长、妊娠糖尿病史、多囊）；必要时加用胰岛素或GLP-1受体激动解增强初期β细胞通过增加胰岛素分泌代卵巢综合征和某些药物（如糖皮质激素）剂治疗不仅关注血糖控制，还要综合管偿，但随时间推移，β细胞功能衰竭，导致的长期使用代谢综合征各组分也是重要理血压、血脂等心血管危险因素，以及积相对或绝对胰岛素分泌不足危险因素极预防慢性并发症糖尿病的并发症微血管并发症大血管并发症急性并发症糖尿病视网膜病变是发达国家成人失明的主要原因冠心病糖尿病患者冠心病风险是非糖尿病人群的2-糖尿病酮症酸中毒DKA主要见于1型糖尿病，特，特征为视网膜微血管损伤、渗出、出血和新生血管4倍，且临床表现常不典型脑血管疾病缺血性脑征为高血糖、酮症和代谢性酸中毒，常由感染、创伤形成糖尿病肾病表现为蛋白尿、肾小球滤过率下卒中风险增加，且预后较差外周动脉疾病下肢动或胰岛素治疗中断诱发高渗性高血糖状态HHS降，可进展至终末期肾病糖尿病神经病变最常见脉硬化导致间歇性跛行、疼痛和组织缺血，严重时需多见于老年2型糖尿病患者，特征为严重高血糖通形式是远端对称性多发性神经病变，表现为袜套样截肢糖尿病足由神经病变、血管病变、感染和外常

33.3mmol/L、高渗和脱水，但无明显酮症感觉异常和疼痛，也可影响自主神经系统，导致心动伤共同作用导致的足部溃疡和组织坏死，是非创伤性低血糖胰岛素或某些口服降糖药过量、进食不足或过速、直立性低血压、胃轻瘫和勃起功能障碍等截肢的主要原因剧烈运动可导致，表现为出汗、心悸、饥饿感、震颤、意识障碍等，严重时可致死糖尿病并发症的发生与高血糖持续时间和程度密切相关，但其他因素如高血压、血脂异常和遗传因素也起重要作用严格控制血糖、血压和血脂，规律体检和早期干预是预防和减缓并发症的关键糖代谢糖原累积症disorders类型缺陷酶主要表现累积物质I型von Gierke病葡萄糖-6-磷酸酶严重低血糖、肝肿大、生肝、肾糖原长迟缓II型庞贝病溶酶体α-1,4-葡萄糖苷酶进行性肌无力、心肌病全身组织糖原III型Cori病脱分支酶肝肿大、肌无力、轻度低限界糖原血糖IV型Andersen病支链酶肝硬化、进行性肝衰竭直链糖原V型McArdle病肌糖原磷酸化酶运动不耐受、肌痉挛、肌肌肉糖原溶解VI型Hers病肝糖原磷酸化酶轻度肝肿大和低血糖肝糖原糖原累积症glycogen storagediseases,GSDs是一组由糖原代谢相关酶缺陷导致的遗传性疾病，特征为糖原在不同组织中异常积累根据缺陷酶和累及组织的不同分为多种类型I型糖原累积症von Gierke病是最常见和最严重的类型，由葡萄糖-6-磷酸酶缺陷导致患者无法将葡萄糖-6-磷酸水解为葡萄糖释放入血，导致严重低血糖、肝肾肿大、血脂异常和高尿酸血症治疗包括频繁喂养、夜间鼻胃管持续喂养或生玉米淀粉以维持血糖II型庞贝病是溶酶体贮积病，由溶酶体α-葡萄糖苷酶缺乏导致婴儿型表现为严重心肌病和全身肌无力，预后差；成人型主要表现为骨骼肌无力，进展较慢目前酶替代治疗可改善预后大多数糖原累积症尚无根治方法，治疗主要是对症支持和预防并发症糖代谢半乳糖血症disorders经典半乳糖血症半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶缺乏1最常见和严重的类型，发病率约1/60,000新生儿期开始出现喂养困难、呕吐、腹泻、黄疸、肝肿大和体重不增如不及时干预，可导致白内障、智力发育迟2半乳糖激酶缺乏症缓和卵巢早衰一旦诊断，应立即开始无乳糖饮食，婴儿期可使用大豆基配方奶粉早期治疗可防止严重肝损伤和神经系统后遗症该疾病通常通过新生儿筛查更罕见的类型，症状通常较轻患者仍可在一定程度上代谢半乳糖，因此临床表早期发现现不如经典型严重可能表现为轻度发育迟缓、学习障碍和白内障治疗同样基于限制半乳糖摄入，但饮食限制可能不需要像经典型那样严格UDP-半乳糖-4-表异构酶缺乏症3最罕见的类型，发病率低于1/100,000临床表现多样，从轻微或无症状到类似经典型的严重疾病某些患者可能仅表现为白内障或肝功能轻度异常治疗同样基于限制半乳糖摄入，但严格程度需根据患者具体症状和生化指标个体化半乳糖血症是一组常染色体隐性遗传病，由半乳糖代谢途径中的酶缺陷导致摄入的半乳糖（主要来自乳糖）不能正常代谢，导致体内半乳糖及其代谢物积累，对肝脏、脑、眼和卵巢等组织产生毒性作用长期半乳糖摄入限制可能导致钙摄入不足，因此需注意补充钙和维生素D随着年龄增长，一些患者对半乳糖的耐受性可能提高，饮食限制可适当放宽糖代谢果糖不耐受disorders遗传性果糖不耐受果糖-1,6-二磷酸酶缺乏症肠道果糖吸收不良这是一种罕见的常染色体隐性遗传病，由醛这种疾病影响糖异生途径，患者无法从非碳这是一种功能性消化不良，由小肠上皮细胞缩酶B（也称果糖-1-磷酸醛缩酶）缺陷导致水化合物前体（如乳酸和氨基酸）合成葡萄中果糖转运蛋白（GLUT5）活性不足导致当患者摄入果糖后，果糖-1-磷酸在肝脏、糖表现为禁食状态下严重低血糖、代谢性不同于遗传性酶缺陷，这种情况较为常见肾脏和小肠中积累，导致ATP耗竭、细胞功酸中毒和高乳酸血症，常在感染或长时间禁，估计影响30-40%的人口能障碍和组织损伤食后加重未吸收的果糖在结肠中被细菌发酵，产生气典型症状在婴儿开始食用含果糖食物（如水与遗传性果糖不耐受不同，患者对果糖本身体和短链脂肪酸，导致腹胀、腹痛、腹泻等果、蜂蜜或含蔗糖的食品）时出现，包括恶的耐受性正常，但需避免长时间禁食治疗症状，常被误诊为肠易激综合征诊断可通心、呕吐、腹痛、低血糖、黄疸、肝肿大和包括避免禁食、急性发作时静脉给予葡萄糖过氢呼气试验治疗主要是限制高果糖食物生长迟缓长期未诊断可导致肝肾损伤、凝和碱性药物纠正酸中毒摄入，某些情况下可尝试逐渐增加果糖摄入血障碍甚至死亡以提高耐受性诊断基于临床表现、果糖负荷试验（谨慎进行）和基因检测治疗主要是终身严格限制果糖、蔗糖和山梨醇的摄入多数患者通过严格饮食控制可有良好预后糖代谢与其他代谢的关系糖代谢与脂质代谢糖代谢与氨基酸代谢糖代谢与核苷酸代谢糖代谢与能量代谢糖代谢是细胞代谢网络的核心枢纽，与其他代谢途径紧密联系与能量代谢的关系最为直接葡萄糖是细胞主要能源，通过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化产生ATP；同时，ATP/ADP比值反过来调节糖代谢关键酶活性，形成反馈调控与脂质代谢的交互体现在多个方面葡萄糖可转化为乙酰CoA用于脂肪酸合成；糖酵解中间产物甘油-3-磷酸是甘油三酯骨架；胰岛素促进糖代谢同时抑制脂肪分解；柠檬酸可从线粒体输出到细胞质作为脂肪酸合成前体，同时抑制糖酵解；脂肪酸氧化产生的乙酰CoA和NADH抑制丙酮酸脱氢酶，减少葡萄糖氧化与氨基酸代谢的联系包括多种氨基酸可转化为糖异生中间体（糖原性氨基酸）；葡萄糖代谢中间产物如α-酮戊二酸和丙酮酸可用于氨基酸合成；磷酸戊糖途径提供NADPH用于氨基酸合成；丙氨酸-葡萄糖循环在组织间转运氨基和碳骨架核苷酸合成依赖磷酸戊糖途径产生的核糖，形成另一条重要联系糖代谢与脂质代谢的交互作用脂肪酸抑制葡萄糖氧化脂肪酸诱导胰岛素抵抗脂肪酸氧化产生的乙酰CoA长期升高的血浆游离脂肪酸胆固醇合成依赖糖代谢和NADH抑制丙酮酸脱氢通过多种机制导致胰岛素抵葡萄糖抑制脂肪分解酶活性，减少葡萄糖向乙酰抗，包括干扰胰岛素信号葡萄糖促进脂肪合成葡萄糖通过刺激胰岛素分泌CoA的转化这是葡萄糖-通路、促进脂毒性中间产物胆固醇合成的关键前体乙酰间接抑制脂肪组织脂解胰脂肪酸循环Randle循环如神经酰胺、二酰甘油积CoA主要来自葡萄糖代谢高碳水化合物饮食时，过量岛素激活磷酸二酯酶降低的基础，解释了脂肪酸与葡累、诱导炎症因子释放和内同时，NADPH主要由磷激素协调代谢平衡葡萄糖转化为乙酰CoA，进cAMP水平，抑制激素敏感萄糖作为能源的竞争关系质网应激酸戊糖途径产生是胆固醇而合成脂肪酸和甘油三酯胰岛素和胰高血糖素通过协性脂肪酶活性，减少甘油三合成多个还原步骤的必需辅这一过程称为从头脂肪合成同作用调节糖脂代谢平衡酯水解和脂肪酸释放酶de novolipogenesis，进食状态，胰岛素促进葡萄主要在肝脏进行胰岛素通糖利用和脂肪合成；禁食状过激活乙酰CoA羧化酶和脂态，胰高血糖素促进糖异生34肪酸合成酶促进这一过程和脂肪分解2516糖代谢与氨基酸代谢的交互作用糖原性氨基酸转化为葡萄糖多种氨基酸（包括丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等）可通过各自的代谢途径转化为丙酮酸、α-酮戊二酸或草酰乙酸等TCA循环中间体，进而参与糖异生生成葡萄糖这一过程在肝脏进行，对维持长期禁食状态的血糖水平至关重要其中，丙氨酸是最主要的糖原性氨基酸，形成肌肉-肝脏间的葡萄糖-丙氨酸循环葡萄糖代谢提供氨基酸合成碳骨架糖代谢中间产物可作为非必需氨基酸合成的碳骨架例如，丙酮酸是丙氨酸的前体；α-酮戊二酸可转化为谷氨酸，进而合成谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸；草酰乙酸可转化为天冬氨酸，进而合成天冬酰胺和嘌呤核苷酸这些转化反应通常涉及转氨基作用，将其他氨基酸（如谷氨酸）的氨基转移至α-酮酸NADPH供应与氨基酸合成磷酸戊糖途径产生的NADPH不仅用于脂肪酸合成，也是多种氨基酸代谢反应的还原力来源例如，谷氨酸合成酶将α-酮戊二酸转化为谷氨酸的过程需要NADPH提供还原力；精氨酸合成中将谷氨酸半醛还原为脯氨酸的反应也需要NADPH这种NADPH依赖性建立了糖代谢与氨基酸合成间的直接联系蛋白质合成与糖代谢调控胰岛素作为糖代谢的关键调控激素，同时也是强效的蛋白质合成促进剂高血糖刺激胰岛素分泌，胰岛素通过激活mTOR信号通路促进蛋白质合成相反，饥饿状态下，能量传感器AMPK被激活，同时抑制糖异生和蛋白质合成，确保细胞在能量缺乏时协调不同代谢路径这种整合调控确保了糖代谢与蛋白质/氨基酸代谢的平衡糖代谢研究的最新进展糖代谢研究正经历革命性进展，主要集中在几个前沿领域精准代谢组学技术允许研究者实时追踪单个代谢物的动态变化，特别是稳定同位素示踪法如¹³C-葡萄糖结合质谱和核磁共振技术，能够精确测量代谢通量，揭示疾病状态下代谢重编程机制单细胞代谢组学的发展使研究者能够分析组织内不同细胞类型的代谢特征，揭示了代谢的空间异质性肿瘤代谢研究发现，除经典的Warburg效应外，肿瘤细胞表现出代谢可塑性，可根据微环境条件灵活调整代谢模式这促进了基于代谢特征的肿瘤分类和靶向代谢治疗策略的发展脑代谢研究揭示了神经元-胶质细胞代谢耦联的重要性，以及大脑能量代谢与认知功能的关系代谢与表观遗传学的交叉研究确立了代谢-表观遗传轴的概念，解释了营养、代谢与基因表达调控的联系利用CRISPR-Cas9基因编辑技术和机器学习算法构建的全基因组代谢网络模型，正帮助研究者更全面理解复杂代谢调控网络，并预测潜在的治疗靶点这些进展正推动精准医学在代谢性疾病中的应用总结与展望糖代谢基础与临床意义糖代谢研究展望糖类是生物体最基本的能源物质，其代谢过未来糖代谢研究将更加关注个体化代谢特征程（包括糖酵解、三羧酸循环、电子传递链，结合基因组学、转录组学、蛋白质组学和等）构成了细胞能量获取的核心途径糖原代谢组学的多组学整合分析，揭示代谢调控代谢和糖异生是维持血糖稳定的关键机制，的分子机制人工智能和机器学习算法的应对人体生理功能至关重要糖代谢异常与多用将加速从海量代谢数据中发现新的生物标种疾病密切相关，包括糖尿病、肥胖、代谢志物和治疗靶点代谢可塑性和组织间代谢综合征、某些神经退行性疾病和癌症深入相互作用将成为研究热点，有望解释许多复理解糖代谢有助于这些疾病的防治和新药开杂疾病的发病机制发临床应用前景基于糖代谢靶点的新型药物正在开发中，例如靶向糖酵解或线粒体功能的抗肿瘤药物，改善胰岛素敏感性的2型糖尿病药物，以及调节大脑能量代谢的神经保护剂精准营养学将根据个体代谢特征定制饮食方案，最大化健康获益可穿戴设备和连续血糖监测技术的进步将实现糖代谢的实时监测和个性化干预，为代谢性疾病的预防和管理开辟新途径随着对糖代谢认识的不断深入，我们对这一基础生命过程的理解正从描述性向功能性和整合性转变糖代谢研究的进展不仅拓展了生命科学的边界，也为临床医学提供了新的视角和工具在精准医学时代，糖代谢研究将继续发挥重要作用，为健康长寿和疾病治疗提供科学基础和创新策略。