人類營養學基礎/葡萄糖
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作者：安德烈·庫尼亞
代謝被廣泛定義為活生物體中產生或消耗能量的生化過程的總和（DeBerardinis, R.J et al. 2012）。核心代謝可以簡化為涉及碳水化合物、脂肪酸和氨基酸等豐富營養素的那些途徑，這些途徑對於人類的能量穩態和生物大分子合成至關重要。核心代謝途徑可以方便地分為三類：合成簡單分子或將它們聚合成更復雜的生物大分子（合成代謝）；那些分解分子以釋放能量（分解代謝）；以及那些幫助消除其他類別產生的有毒廢物（廢物處理）。這些途徑非常重要。直白地說，它們是生命抵抗降解為熵的唯一能量來源（DeBerardinis, R.J. 2012; Nelson, D & Cox, M. 2011）。
葡萄糖在植物、動物和許多微生物的代謝中佔有中心位置。它具有相對較高的潛在能量，因此是良好的燃料：一分子葡萄糖完全氧化為二氧化碳和水的標準自由能變化範圍為 - 2840 kJ/mol。透過將葡萄糖以高分子量聚合物形式儲存，如澱粉和糖原，細胞可以儲存大量的己糖單位，同時保持胞質滲透壓相對較低。當對能量的需求增加時，葡萄糖可以以有氧或無氧方式從這些細胞內儲存轉化為三磷酸腺苷（ATP）。（Nelson, D & Cox, M. 2011; Stryer, L. 2008）。
葡萄糖不僅是優良的燃料，而且也是用途廣泛的前體，能夠滿足生物合成反應中各種代謝中間體的需求（圖 02）。像大腸桿菌這樣的細菌可以利用葡萄糖作為碳骨架，用於合成生長所需的每種氨基酸、核苷酸、酶、脂肪酸或其他代謝中間體（Nelson, D & Cox, M. 2011）
糖酵解字面意思是“分裂糖”。在糖酵解中，葡萄糖（一種六碳糖）被分裂成兩分子三碳糖。糖酵解產生兩分子ATP（含自由能的分子）、兩分子丙酮酸和兩分子攜帶“高能”電子的NADH。糖酵解可以有氧或無氧進行。在有氧的情況下，糖酵解是細胞呼吸的第一階段。在無氧的情況下，糖酵解使細胞能夠產生少量ATP。這個過程被稱為發酵。
糖酵解（來自 glycose，一種較早的葡萄糖術語[1] + -lysis 降解）是將葡萄糖 C6H12O6 轉換為丙酮酸 CH3COCOO− + H+ 的代謝途徑。此過程中釋放的自由能用於形成高能化合物 ATP（三磷酸腺苷）和 NADH（還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸）。[2]
糖酵解是涉及十個中間化合物的十個反應的明確序列（其中一步涉及兩個中間體）。這些中間體提供了進入糖酵解的切入點。例如，大多數單糖，如果糖、葡萄糖和半乳糖，可以轉化為其中一箇中間體。這些中間體也可能直接有用。例如，中間體二羥基丙酮磷酸（DHAP）是與脂肪酸結合形成脂肪的甘油的來源。
它幾乎在所有生物體中都發生，無論是需氧的還是厭氧的。糖酵解的廣泛存在表明它是已知的古老代謝途徑之一。[3] 它發生在細胞的胞質溶膠中。
最常見的糖酵解型別是 Embden–Meyerhof–Parnas (EMP 途徑)，它是由 Gustav Embden、Otto Meyerhof 和 Jakub Karol Parnas 首次發現的。糖酵解也指其他途徑，如 Entner–Doudoroff 途徑和各種異型發酵和同型發酵途徑。然而，這裡的討論將限於 Embden–Meyerhof–Parnas 途徑。[4]
整個糖酵解途徑可以分為兩個階段（圖 1）[5]
準備階段 – 其中消耗 ATP，因此也稱為投資階段 支付階段 – 其中產生 ATP。
在糖酵解中，一分子葡萄糖被一系列酶催化的反應降解，生成兩分子三碳原子化合物丙酮酸。在這些糖酵解葡萄糖自由能的連續反應中，部分能量被儲存為 ATP 和 NADH（Nelson, D & Cox, M. 2011; Stryer, L. et al. 2008）。
糖酵解途徑（圖 01）從葡萄糖透過葡萄糖轉運蛋白（GLUTs）進入細胞開始，一旦進入細胞，它就被己糖激酶 2（HK2）磷酸化為葡萄糖-6-磷酸（G6P）。磷酸葡萄糖異構酶催化 G6P 轉化為果糖-6-磷酸（F6P），後者透過磷酸果糖激酶 1（PFK1）生成果糖-1,6-二磷酸，然後在糖酵解的最後一步中，透過丙酮酸激酶（PK）生成丙酮酸和 ATP。丙酮酸被轉化為乙醯輔酶 A，後者進入三羧酸迴圈。最終，糖酵解每單位葡萄糖產生兩個 ATP 分子和六個 NADH 分子。在正常組織中，大部分丙酮酸被導向線粒體，在丙酮酸脫氫酶（PDH）的作用下轉化為乙醯輔酶 A，或被轉氨基化形成丙氨酸（Marie, S. Shinjo, S. 2011; DeBerardinis, R.J. 2012）。
圖 01：糖酵解途徑
圖 02：葡萄糖利用的主要途徑。雖然它不是唯一可能的葡萄糖途徑，但對於大多數細胞而言，這四條途徑在葡萄糖流經其時的質量方面最為重要。
根據 Marie 和 Shinjo（2011 年）的說法，對於正常細胞在有絲分裂中產生兩個可存活的子細胞來說，所有細胞內容物都必須被複制，而能量對於此過程是必需的。葡萄糖透過糖酵解參與細胞能量產生，並透過其透過三羧酸迴圈和氧化磷酸化（OXPHOS）的完全分解代謝產生高達 36 個 ATPs。子細胞對核苷酸、氨基酸和脂類的巨大需求是由這些途徑的中間代謝產物提供的。
除了葡萄糖外，谷氨醯胺是大多數哺乳動物培養細胞中以可觀數量分解代謝的另一種分子。這兩種分子都提供碳、氮、自由能和還原當量，這些都是支援細胞生長和分裂所必需的。這意味著葡萄糖除了用於 ATP 合成外，還應被轉移到生物大分子前體，例如用於脂肪酸的乙醯輔酶 A、用於非必需氨基酸的糖酵解中間體和用於核苷酸的核糖，以產生生物量（Marie, S. Shinjo, S. 2011; Nelson, D & Cox, M. 2011; Stryer, L. et al. 2008）。
糖酵解/糖異生
糖酵解（實線）是葡萄糖氧化的主要途徑，它發生在所有細胞的胞質溶膠中，包括但不限於紅細胞、骨骼肌、脂肪組織、肝臟和大腦。它通常分為兩個階段：準備階段和支付階段。準備階段的目標是磷酸化葡萄糖並將其轉化為甘油醛-3-磷酸，而支付階段將甘油醛-3-磷酸氧化為丙酮酸，並形成 ATP 和 NADH。對於每分子經歷糖酵解的葡萄糖，淨增值為 2 個丙酮酸、2 個 ATP 和 2 個 NADH。
糖異生（虛線）是代謝途徑，透過該途徑，乳酸、丙酮酸、甘油和氨基酸等前體被轉化為葡萄糖。由於這些反應的 ΔG˚ 非常大（丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶-1 和己糖激酶），糖異生需要三個旁路步驟。第一個旁路步驟被分解為兩個酶促步驟。其中第一步發生在細胞的線粒體中，由丙酮酸羧化酶催化，第二步是由草醯乙酸合成磷酸烯醇丙酮酸（PEP）。草醯乙酸以蘋果酸的形式被轉運到細胞質中，一旦進入細胞質，它就被氧化回草醯乙酸，然後被轉化為 PEP。第二個旁路步驟是果糖-1,6-二磷酸的去磷酸化；它受到高度調節，是一個高度放能的不可逆水解反應。第三個旁路步驟是葡萄糖-6-磷酸的去磷酸化；它存在於肝臟、腎臟細胞和腸道上皮細胞中，但不存在於肌肉或其他組織中。
參考資料
Zeile, W. (2015)。第 22 課：糖酵解 [PowerPoint 幻燈片]。檢索自：https://ufl.instructure.com/courses/313829/files/23725587?module_item_id=5774537
Zeile, W. (2015)。第 23 課：糖異生 [PowerPoint 幻燈片]。檢索自：https://ufl.instructure.com/courses/313829/files/23725603?module_item_id=5774538
簡介
顧名思義，這一過程需要合成新的葡萄糖。然而，這種葡萄糖的產生來自非碳水化合物來源，例如丙酮酸、乳酸、甘油和丙氨酸。糖異生主要發生在肝臟中，但腎臟和小腸也可能存在此活動的通路。為了維持血糖水平並滿足大腦、心臟和骨骼肌等器官的需求，肝臟中持續發生糖異生，而在這些區域糖異生髮生的量非常少（Ophardt，2003）。許多人認為，這個過程只是糖酵解的逆反應，儘管大多數步驟與之相似，但一些獨特的反應特性只與糖異生有關。
為什麼會出現這種情況？
我們身體通常處於兩種狀態之一：飽食或禁食。當我們每天持續或及時攝入食物時，這些形式會被消化，由此產生的葡萄糖會被吸收，直接用於維持我們的血糖水平。相反，當我們沒有進食並且肝糖原水平耗盡時，肝臟中沒有像飽食狀態時那樣充滿的儲存，這時就需要糖異生。隔夜禁食、飢餓、懷孕、哺乳、創傷和運動是此過程需求增加的情況。低血糖是指血糖濃度異常低，這對身體來說是一個特殊的問題，甚至可能危及生命，因為大腦和紅細胞依賴葡萄糖作為能量來源，糖異生是防止低血糖的關鍵代謝途徑（Barrit & Wallace，2002）。
挑戰
在糖酵解過程中，十種酶用於從葡萄糖合成丙酮酸。如前所述，糖異生可以被看作是糖酵解的逆反應，但有一個關鍵的區別。在這兩種過程中，只有七種酶是相同的，因為必須繞過三種反應。這是因為在糖酵解中，由於丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶-1和己糖激酶催化的反應，導致過大的負ΔG值或自由能變化，最終使這三個反應不可逆。（Diwan，2007）。糖異生途徑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，它們分別催化繞過丙酮酸激酶反應、磷酸果糖激酶-1反應和己糖激酶反應的反應。
參考資料
Barritt, G.J., Wallace J.C. (2002) 糖異生. 生命科學百科全書. 檢索自 http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/metabolismo/m etabolismo_archivos/Gluconeogenesis.pdf
Diwan, J.J. (2007). 糖異生；糖酵解和糖異生的調節. 檢索自 https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/gluconeo.htm#intro
Ophardt, C.E. (2003). 糖原合成、糖原分解和糖異生. 檢索自 http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/604glycogenesis.html
體內葡萄糖的儲存稱為肝糖原。當血糖水平低時，肝糖原可以透過糖異生過程轉化為葡萄糖。透過非碳水化合物碳底物（如氨基酸、丙酮酸和甘油）合成新的葡萄糖的過程稱為糖異生。這一過程主要發生在肝臟中，在腎臟和小腸中也有一定的程度發生。在這個過程中，兩摩爾的丙酮酸被轉化為兩摩爾的二磷酸甘油酸，這消耗了六摩爾的ATP作為能量（King，M 2015）。由於這個過程消耗了大量的能量，因此從能量角度來看，它被認為非常昂貴。
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).
糖酵解中有三個反應本質上是不可逆的：磷酸果糖激酶、己糖激酶和丙酮酸激酶。為了使糖異生正常進行，必須跳過或繞過糖酵解中的這三個反應。糖酵解酶催化的正向反應與糖異生酶催化的旁路反應相配（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（糖異生）：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（糖異生）：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)
糖酵解和糖異生的途徑受到嚴格的控制，以確保它們不會在同一個細胞中同時進行。這很重要，因為如果兩者同時工作，就會損失2個ATP和2個GTP，最終沒有任何淨收益。持續導致淨變化為零的途徑被認為是無效迴圈（Berg，JM，Tymoczko，JL & Stryer L，2002）。 參考資料
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. 生物化學. 第5版. 紐約: W H Freeman; 2002. 第16章，糖酵解和糖異生。 可從以下網址獲取: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21150/ Diwan, J. (2007). 糖異生；糖酵解和糖異生的調節. 檢索自 https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/gluconeo.htm King, M. (2015. 10月17日). 糖異生：內源性葡萄糖合成. 在醫學生物化學頁面. 檢索自 http://themedicalbiochemistrypage.org/gluconeogenesis.php#substrates
乳酸是一種可以自然或人工合成的有機化合物，是白色、水溶性或透明液體。與名稱所提倡的相反，它並非來自牛奶，而實際上是酸奶、發酵水果和蔬菜以及香腸中的一種酸性成分。它存在於動物和人體中，是肌肉組織中提供能量的最重要來源，由氧氣供應不足時肝糖原的無氧分解產生。關於乳酸的許多誤解聲稱它是運動期間疲勞和運動後痠痛的原因之一。然而，它實際上是肌肉在長時間運動期間使用的重要燃料。（運動時乳酸積累並導致肌肉痠痛時的發酵過程是什麼？（n.d.）於2015年12月3日檢索自 http://livehealthy.chron.com/fermentation-happens-lactic-acid-builds-up-muscles-sore-5577.html）。因為乳酸可以在另一塊肌肉中氧化，所以它有助於延遲疲勞的出現並提高運動表現。這種酸的積累只發生在短時間的高強度運動中，因為它在運動後會迅速從血液和肌肉中清除，因此乳酸不太可能是肌肉痠痛的根源。另一方面，在耐力運動中，肌肉肝糖原的減少會導致疲勞。在這種情況下，乳酸可以作為能量來源。由於乳酸不依賴胰島素，因此它能夠提供一種隨時可用的能量底物。運動過程中血液中乳酸水平的峰值可以透過適應來緩解，這與運動能力的提高有關。（網路練習 | 乳酸會導致肌肉痠痛嗎？（n.d.）於2015年12月3日檢索自 https://www.webexercises.com/2007/08/does-lactic-acid-cause-muscle-soreness.html）。由此得出，訓練和乳酸補充劑可以提高乳酸清除率。乳酸存在於各種各樣的食品中，最常作為pH調節劑或防腐劑，有時也作為調味劑。除了食品外，乳酸還可用於製藥、生物材料、技術和洗滌劑。乳酸的生產來自蔗糖或葡萄糖、水和石灰或粉筆，然後在細菌的幫助下進行乳酸發酵。現在被認為是粗製乳酸鈣，去除石膏將乳酸鈣轉化為粗製乳酸，最後進行純化和濃縮，形成最終產品；乳酸。關於環境pH，乳酸是弱酸的一個例子，它可以在高pH值時以離子鹽的形式存在於其關聯形式中，或者在低pH值時以其關聯形式存在。體內的大部分乳酸會解離並以乳酸鹽的形式存在。以非電離形式存在時，底物能夠穿過脂質膜，這與無法穿過膜的電離形式不同。（乳酸和運動。 (n.d.). 檢索自 http://www.lactic-acid.com/lactate_and_exercise.html)
參考資料
運動時乳酸積累並導致肌肉痠痛時的發酵過程是什麼？（n.d.）於2015年12月3日檢索自 http://livehealthy.chron.com/fermentation-happens-lactic-acid-builds-up-muscles-sore-5577.html
網路練習 | 乳酸會導致肌肉痠痛嗎？（n.d.）於2015年12月3日檢索自 https://www.webexercises.com/2007/08/does-lactic-acid-cause-muscle-soreness.html
乳酸和運動。 (n.d.). 檢索自 http://www.lactic-acid.com/lactate_and_exercise.html