第六节　血糖代谢基础

一、糖、血糖及其主要生理功能

糖(carbohydrates)即碳水化合物，是一类多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物的有机化合物。糖是人类食物的主要成分，约占食物总量的50%以上，是机体的一种重要的能量来源，人体所需能量的50%～70%来自于糖。

食物中的糖主要是淀粉，还包括一些单糖及双糖。双糖及多糖都必须经过酶的催化水解为单糖才能在小肠上段被吸收。

血糖即人体血液中的糖，其主要形式是葡萄糖(glucose，Glc)及糖原(glycogen，Gn)，大多数是以葡萄糖的形式存在，葡萄糖是糖在血液中的运输形式。糖原是葡萄糖的多聚体，包括肝糖原、肌糖原和肾糖原等，是糖在体内的储存形式。葡萄糖与糖原都能在体内氧化并提供能量。

血糖的主要来源是食物中的糖，后者被人体摄入经消化成单糖吸收后，经血液运输到各组织细胞进行合成代谢和分解代谢，保持血糖稳定在一定水平，以维持体内各器官和组织的能量需求。

二、血糖的来源和去路

(一)血糖的来源

主要包括以下三个方面:

1.食物中的糖，是血糖的主要来源。

2.肝糖原分解，这是空腹时血糖的直接来源。

3.非糖物质如甘油、乳酸及生糖氨基酸等均能通过糖异生作用生成葡萄糖，这是机体在长时间处于饥饿状态时的血糖来源。

(二)血糖的去路

主要包括以下五个方面:

1.在体内各组织中氧化分解并提供能量，这是血糖的主要去路。

2.在肝脏、肌肉等组织内进行糖原合成备用，这是血糖的次要去路。

3.在体内转变为其他形式的糖及其衍生物，如核糖、氨基糖和糖醛酸等，进而发挥其生理功能。

4.转变为非糖物质，如脂肪、非必需氨基酸等。

5.当血糖水平过高时，超过肾小管的重吸收能力，即可由尿液排出。

三、血糖代谢的主要途径

(一)糖的无氧分解

体内组织在无氧或缺氧情况下，葡萄糖或糖原在胞浆中分解产生乳酸和少量ATP的过程，这个代谢过程常见于运动时的骨骼肌，因与酵母的生醇发酵非常相似，故又称为糖酵解过程。

参与糖酵解反应的一系列酶存在于细胞质中，因此糖酵解的全部反应过程均在细胞质中进行。根据反应特点，可将整个过程分为四个阶段:第一阶段为磷酸己糖的生成(活化) ;第二阶段为磷酸丙糖的生成(裂解) ;第三阶段为3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸并释放能量(氧化、转能) ;第四阶段为丙酮酸还原为乳酸(还原)。

糖酵解途径中有3个不可逆的化学反应，是这一途径的三个调节点，它们分别由己糖激酶(葡萄糖激酶)、6-磷酸果糖激酶1和丙酮酸激酶所催化，其中6-磷酸果糖激酶1的活性是这一分解途径中的主要调节点。通过糖酵解，1分子葡萄糖可转变为2分子乳酸，同时伴随着2分子ATP的产生;而从糖原开始，1分子葡萄糖单位糖酵解成乳酸并可净产生3分子ATP。

糖酵解途径的生理意义:

1.在无氧条件下，如剧烈运动或在高原活动时，可迅速提供能量，供机体需要。

2.可作为某些细胞(如成熟红细胞、视网膜细胞及肿瘤细胞等)在不缺氧条件下的能量来源。

3.可作为某些病理情况下(如严重贫血、大量失血及严重心肺疾病等)机体获得能量的方式。

4.既是糖的有氧氧化的前过程，也是糖异生作用大部分逆过程。

5.当糖的无氧分解过度时，可因乳酸生成过多而造成乳酸酸中毒。

(二)糖的有氧氧化

体内组织在有氧条件下，葡萄糖进一步氧化生成乙酰辅酶A，经三羧酸循环彻底氧化成水、二氧化碳及能量的过程。有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数组织细胞都通过有氧氧化获得能量。其整个过程可分为三个阶段:第一阶段在胞浆中进行，为丙酮酸的生成;第二阶段在线粒体中完成，为丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A(coenzyme A，CoA) ;第三阶段在线粒体中完成，为乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化。

1.三羧酸循环的特点

三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle，TCA)是最重要的阶段。其主要特点为:

(1)三羧酸循环是乙酰CoA的彻底氧化过程，草酰乙酸在反应前后并无量的变化，TCA中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化。

(2) TCA是能量的产生过程，1分子乙酰CoA通过TCA经历了4次脱氢(3次脱氢生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，即NADH+H+，1次脱氢生成还原型黄素腺嘌呤二核苷酸，即FADH2)、2次脱羧生成CO2，1次底物水平磷酸化，共产生12分子ATP。

(3) TCA中枸橼酸合酶、异枸橼酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是反应的关键酶，是反应的调节点，其中最重要的调节点是异枸橼酸脱氢酶，最主要的调节因素是ATP和NADH的浓度。

2.糖的有氧氧化途径的生理意义

(1)人体内绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化获取能量，所以其主要生理功能是氧化供能。

(2)糖有氧氧化是体内三大营养物质代谢的总枢纽。

(3)糖有氧氧化途径与体内其他代谢途径有着密切的联系。

(4)糖有氧氧化和无氧分解之间存在相互调节，当肌肉组织供氧充分的情况下，有氧氧化抑制糖酵解，产生大量能量供肌肉组织活动所需。缺氧时，则以糖酵解为主。

(三)磷酸戊糖途径

1.磷酸戊糖途径

又称磷酸己糖旁路，即以6-葡萄糖开始，在6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化下形成6-磷酸葡萄糖酸，进而代谢生成磷酸戊糖为中间代谢物的过程。这一途径是葡萄糖氧化分解的另一条重要途径，它的功能不是产生ATP，而是产生细胞所需的具有重要生理作用的特殊物质，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和5-磷酸核糖等。这条途径存在于肝脏、脂肪组织、甲状腺、肾上腺皮质、性腺、红细胞等组织中。代谢相关的酶存在于细胞质中。

磷酸戊糖途径整个过程分为两个阶段

第一阶段为氧化阶段，6分子的6-磷酸葡萄糖经脱氢、水合、氧化脱羧生成6分子5-磷酸核酮糖、6分子NADPH和6分子CO2。

第二阶段为异构阶段，6分子5-磷酸核酮糖经一系列基团转移反应异构成4分子6-磷酸果糖和2分子3-磷酸甘油醛回到下一个循环。磷酸戊糖途径的反应部位在胞浆，反应底物为6-磷酸葡萄糖，NADPH、5-磷酸核糖是其重要反应底物，6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)是整个反应的限速酶。

2.磷酸戊糖途径的生理意义

(1)提供NADPH，其作为体内多种物质生物合成的供氢体，脂肪酸、胆固醇和类固醇化合物的生物合成均需要大量的NADPH。

(2)提供5-磷酸核糖，为核苷酸、核酸的合成提供原料。

(3)三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖及七碳糖通过磷酸戊糖途径互相转换。

(四)糖原的合成和分解

糖原主要以肝糖原和肌糖原两种形式存在，是动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。肝糖原主要是为了维持血糖浓度的相对恒定，而肌糖原则主要供肌肉收缩所需的能量。

1.糖原的合成(glycogenesis)

指由葡萄糖合成糖原的过程，主要发生在肝脏和肌肉组织的胞浆中。其过程主要包括:

(1)葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖;

(2) 6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖;

(3) 1-磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖;

(4)α-1，4-糖苷键式结合;

(5)糖链分支的形成。

2.糖原的分解(glycogenolysis)

指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。其过程主要包括:

(1)糖原的磷酸化;

(2)在脱支酶的作用下转移葡萄糖残基并水解1，6-糖苷键;

(3) 1-磷酸葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖;

(4) 6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖。

肌糖原分解的前三步反应与肝糖原分解过程相同，只是生成6-磷酸葡萄糖后，由于肌肉组织中不存在葡萄糖-6-磷酸酶，所以生成的6-磷酸葡萄糖不能转变成葡萄糖释放入血，而只能进入酵解途径以提供能量。

3.体内糖原的合成和分解的调节

体内糖原的合成和分解主要受到肾上腺素、胰高血糖素、胰岛素等激素的调节:肾上腺素主要作用于肌肉;胰高血糖素、胰岛素主要调节肝脏中糖原合成和分解的平衡。糖原合酶与糖原磷酸化酶分别是糖原合成和糖原分解的限速酶，二者的活性不会同时被激活或同时抑制，它们通过别构调节和共价修饰调节两种方式进行活性的调节。

(五)糖异生

是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。糖异生主要发生在肝、肾细胞的胞浆及线粒体内，其原料主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸。糖异生的反应过程基本上是糖酵解反应的逆过程，糖酵解途径中有3个由关键酶催化的不可逆反应，在糖异生时则分别由另外的反应和酶代替。

1.糖异生的阶段

其整个过程分为三个阶段。

(1)丙酮酸羧化生成草酰乙酸，后者脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，这一阶段主要由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化;

(2) 1，6-二磷酸果糖转变为6-磷酸果糖，这一阶段主要由1，6-二磷酸果糖酶1催化;

(3) 6-磷酸葡萄糖转变为葡萄糖，这一阶段主要由葡萄糖-6-磷酸酶催化。

糖异生过程中四个关键酶催化的反应是其主要调节点。

糖异生与糖酵解是互为调节的两条逆代谢途径。当体内糖充足时，糖酵解途径的关键酶活性会增强，糖异生途径的关键酶活性会减弱;当体内糖不足时，两类酶活性发生相反的变化。机体通过改变酶的合成速度、共价修饰调节和别构调节来调控关键酶的活性，以达到最佳生理效应。

2.糖异生途径的生理意义

(1)最重要的生理意义是在饥饿情况下保证血糖浓度的相对恒定;

(2)补充糖原储备;

(3)通过乳酸循环达到乳酸再利用;

(4)促进肾脏排H+，调节酸碱平衡。

四、血糖水平的调节

人体需要维持血糖水平的恒定以保证组织器官的能量供应，稳定的血糖水平对某些依赖葡萄糖供能的组织器官至关重要。如脑组织不能利用脂酸，正常情况下主要依赖葡萄糖供能;红细胞没有线粒体，完全通过糖酵解获能;骨髓及神经组织代谢活跃，经常利用葡萄糖供能。

人体血糖不稳定的原因主要包括:①上呼吸道感染;②各种严重的疾病所造成的机体应激状态;③降糖药使用不规范或用量不足;④进食过多高脂高糖食物;⑤长期排便不畅，饮水不足;⑥气候变化，特别是骤冷骤热;⑦工作环境、生活环境的突然改变。

血糖水平的调节，血糖水平的调节是生命活动调节的重要组成部分，是保持内环境稳态的重要条件，其调节机制包括激素调节和神经调节。

当血液中的血糖水平上升时，会刺激体内胰岛素释放以降低血糖;当血糖水平下降时，则会引起体内胰高血糖素、糖皮质激素及肾上腺素的释放以升高血糖。通过激素调节机制，使体内血糖水平保持在正常范围内。

(一)胰岛素

是体内唯一降低血糖水平的激素，它不能直接发挥作用，必须与细胞膜上的胰岛素受体紧密结合后，才能产生生理效应。其作用机制有:

1.促进葡萄糖转运进入肝细胞、肌细胞、脂肪细胞及其他组织细胞。

2.加速糖原合成，抑制糖原分解。

3.加快糖的有氧氧化。

4.抑制肝内糖异生。

5.减少脂肪动员。

(二)胰高血糖素

是体内升高血糖水平的主要激素。其作用机制有:

1.促进肝糖原分解，抑制糖原合成。

2.抑制酵解途径，促进糖异生。

3.促进脂肪动员。

(三)糖皮质激素

可引起血糖升高，肝糖原增加。其作用机制有:

1.促进肌肉蛋白质分解，分解产生的氨基酸转移到肝进行糖异生。

2.抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖，抑制点为丙酮酸的氧化脱羧。

3.在糖皮质激素存在时，其他促进脂肪动员的激素才能发挥最大的效果，间接抑制周围组织摄取葡萄糖。

(四)肾上腺素

是强有力的升高血糖的激素，主要在应急状态下发挥作用。其作用机制主要是通过肝和肌肉的细胞膜受体、cAMP、蛋白激酶级联激活磷酸化酶，加速糖原分解。

(五)生长激素

主要通过刺激糖异生来升高血糖。

此外，神经调节在血糖水平调节上也起着一定作用。当血糖水平下降到一定程度并出现饥饿感时，可以通过中枢神经系统反射来提高食欲，以增加进食并索取能量;进食后血糖水平上升到一定程度时，大脑又会发出指令使食欲减退，从而减少进食以避免血糖过度升高，并最终达到维持血糖水平动态平衡的效果。

五、血糖水平的异常

正常血糖浓度是3. 9～6. 1mmol/L之间。在血糖调节机制出现失代偿后，即出现低血糖或高血糖。低血糖是指空腹血糖浓度低于3. 9mmol/L;而高血糖是指空腹血糖高于6. 1mmol/L，或餐后血糖(随机血糖)高于7. 8mmol/L，当血糖浓度超过肾小管的重吸收能力，则可出现糖尿。

(一)低血糖

主要见于以下六种情况:

1.胰性因素，如胰岛β-细胞功能亢进、胰岛α-细胞功能低下等。

2.肝性因素，如肝癌、糖原积累病等。

3.内分泌异常，如垂体功能低下、肾上腺皮质功能低下等。

4.肿瘤因素，如胃癌等。

5.饥饿或不能进食。

6.降糖药物过度，尤其多见于胰岛素或磺脲类药物治疗的糖尿病患者。

(二)高血糖及糖尿病

主要见于以下三种情况:

1.持续性高血糖和糖尿，主要见于Ⅰ型(胰岛素依赖型)及Ⅱ型(非胰岛素依赖型)糖尿病。

2.血糖正常而出现糖尿，见于慢性肾炎、肾病综合征等引起肾小管对糖的吸收障碍。

3.生理性高血糖和糖尿可因疾病应激及情绪激动而出现。

(三)口服葡萄糖糖耐量试验(OGTT)

为口服葡萄糖糖负荷试验，用以了解胰岛β细胞功能和机体对进食葡萄糖后的血糖调节能力。正常情况下，体内存在调节糖代谢的机制，可保证一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不会出现大的波动和持续升高。通过OGTT，可以早期发现糖代谢异常，早期诊断糖尿病。

OGTT具体方法:被试者清晨空腹静脉采血测定血糖浓度，然后一次服用75g无水葡萄糖，服糖后的1/2、1、2小时(必要时可在3小时)各测血糖一次。以测定血糖的时间为横坐标(空腹时为0小时)，血糖浓度为纵坐标，绘制糖耐量曲线。正常人在服糖后1/2～1小时血糖达到高峰，然后逐渐降低，一般在2小时左右恢复正常。在OGTT过程中，注意以下几点:①糖水在5分钟内服完;②从服糖第一口开始计时，于服糖前和服糖后分别在前臂采血测血糖;③试验前3天内，每日碳水化合物摄入量不少于150g;④试验前停用可能影响OGTT的药物如避孕药、利尿剂或苯妥英钠等3～7天。

(四)糖代谢分类及糖耐量异常、糖尿病诊断标准

见表Ⅰ-2-6-1、表Ⅰ-2-6-2。

(黄淑云　邵燕)

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