母题一　一碗米饭之后的二十四小时

人一天吃两三顿饭，什么时候吃、吃多少都没有准，可是血液里的葡萄糖浓度几乎不动。健康人空腹血糖在 3.9～6.1 mmol/L 之间，饭后会升高一些，两小时内基本回落到 7.8 mmol/L 以下；饿上一整天，也不会跌出正常范围太多。

血糖要管得这么严，是因为有两类细胞离不开它。大脑在平时几乎只烧葡萄糖，一天要用掉 120 克左右，要饿上好几天，它才会大量改用酮体。红细胞没有线粒体，产能只能靠糖酵解。血糖一低，最先出问题的就是这两类细胞：人会头晕、出冷汗，严重时意识不清。

稳住血糖的不是哪一条代谢途径，而是几条途径在一天里轮流当班：刚吃完饭，要把多出来的糖收起来；饭后几个小时，要把收起来的糖再放出去；放完了，还得用别的原料现造。哪条途径什么时候开、什么时候关，是由几个酶的活性决定的，而这些酶又听激素的指挥。

这一课就跟着一个人过完二十四小时，在四个时间点上各问一个问题。四个问题合起来是一道母题。华农生化和细胞两门课里，有十几道大题问的其实都是这道母题的某一段。

1.1饭后：先给葡萄糖挂上磷酸

饭后半小时到一小时，米饭里的淀粉在小肠被消化成葡萄糖，吸收进门静脉。门静脉血先流经肝脏，再汇入全身循环，所以肝脏是第一个碰到这批糖的器官，这时门静脉血里的葡萄糖浓度比外周血高出一截。肝脏收下一部分，剩下的随血液流到肌肉、脂肪和大脑。

葡萄糖进细胞，靠的是膜上的葡萄糖转运蛋白，简称 GLUT。它们做的是易化扩散：只让葡萄糖顺着浓度差走，不消耗能量，方向也不固定，胞外浓度高就往里运，胞内浓度高就往外运。肝细胞膜上的是 GLUT2，肌肉和脂肪细胞上主要是 GLUT4。

方向不固定，问题就来了。葡萄糖进了门如果原样待着，胞内浓度很快和胞外持平，就不会再有糖进来；等血糖一回落，它还会顺着浓度差流回血液。细胞要把糖留住，必须在它进门之后马上把它变成另一种分子。

细胞的做法是在葡萄糖的 6 号碳上挂一个磷酸基团，生成 6-磷酸葡萄糖（G-6-P）。这一步同时办成了两件事。第一，磷酸基团在生理 pH 下带两个负电荷，带电的分子穿不过脂双层的疏水核心，而 GLUT 只运葡萄糖、不运 G-6-P，所以 G-6-P 出不了细胞。第二，进来的游离葡萄糖马上被转化掉，胞内浓度一直很低，膜两侧的浓度差保持住了，外面的葡萄糖就能接着往里走。

这一步在热力学上并不顺。葡萄糖直接和无机磷酸结合生成 G-6-P，标准自由能变 ΔG°′ 约为 +13.8 kJ/mol，自己不会发生。细胞让 ATP 把末端的磷酸基团直接交给葡萄糖，相当于把这个吸能反应和 ATP 水解（ΔG°′ 约 −30.5 kJ/mol）捆在一起，合起来 ΔG°′ 约为 −16.7 kJ/mol。在细胞里的实际条件下，这一步的 ΔG 更负，基本不可逆。凡是像这样把 ATP 上的磷酸基团转给别的分子的酶，都叫激酶。

同一个反应，两种酶

肝脏和肌肉都做这一步，用的酶却不一样。肌肉、大脑和大多数组织用己糖激酶（同工酶 I～III），肝脏和胰岛 β 细胞用葡萄糖激酶（又叫己糖激酶 IV）。两种酶催化同一个反应，性质却差得很远。

光看表格容易背成一堆零散的对比，把两条曲线画在同一张图上，再标出血糖的正常范围，道理就清楚了。

先看己糖激酶。它的 Km 远低于血糖，空腹 5 mmol/L 时已经接近饱和，血糖再升高，它也快不了多少。决定它快慢的是另一个因素：产物 G-6-P 积多了就反过来抑制它。肌肉细胞用多少，它就磷酸化多少，用不完就停下。换句话说，肌肉只为自己收糖。

再看葡萄糖激酶。它的半饱和浓度在 10 mmol/L 左右，又是 S 形曲线，最陡的一段正好落在空腹到饭后的血糖区间里。空腹时它只发挥一小部分活性，肝脏不会去和大脑抢糖；饭后门静脉血糖冲高，它的活性跟着上来，肝脏就把多出来的那部分糖大量收进去。它不受 G-6-P 抑制，可以一直收，收进来的糖主要合成肝糖原。这就是为什么说 肝脏收的是“多出来的”糖，它在血糖调节里起的是缓冲作用。

胰岛 β 细胞也用葡萄糖激酶，原因相同：它要判断血糖高不高，就需要一个活性随血糖浓度变化的酶。如果用己糖激酶，血糖从 5 升到 10，酶的速度几乎不变，β 细胞就“感觉”不到差别。

肌肉收糖还有一个开关，不在激酶上，而在转运蛋白上。肌肉和脂肪细胞的 GLUT4 平时大多储存在胞内的小囊泡里。胰岛素和受体结合后，这些囊泡与质膜融合，把 GLUT4 送到细胞表面，葡萄糖的流入量随之大增。这是细胞生物学里膜泡运输调控的一个典型例子。肝细胞的 GLUT2 一直在膜上，进出都靠浓度差。

1.2糖酵解为什么先花两分子 ATP

G-6-P 是个路口。在肝脏，饭后它主要去合成糖原；在肌肉，除了合成肌糖原，还有不少直接沿糖酵解往下走，变成丙酮酸，顺手产生 ATP。

糖酵解一共十步，前五步可以叫准备阶段：一个六碳糖被磷酸化两次，再切成两个三碳糖。后五步是产能阶段：每个三碳糖被氧化，产生 2 分子 ATP 和 1 分子 NADH。一个葡萄糖切成两个三碳糖，后五步一共产生 4 分子 ATP，减去前面花掉的 2 分子，净得 2 分子 ATP 和 2 分子 NADH。

第一次看这张路线图的人，通常会在开头停下来：细胞分解葡萄糖是为了产能，为什么第一步（己糖激酶）和第三步（磷酸果糖激酶-1）要先各花一分子 ATP？第一分子花在哪里，上一节已经说过了：把葡萄糖留在细胞里。第二分子的道理在第四步，也就是醛缩酶把六碳糖切成两半的那一步。

醛缩酶从哪里下刀

六碳糖要劈开，断的是碳-碳单键。这种键很结实，酶也不能随便找个位置下刀。醛缩酶催化的是逆醛醇缩合，这类反应有固定的断键位置：断开的是羰基 α 碳和 β 碳之间的键，而且 β 碳上要有羟基。说得更直白一点，羰基在几号碳，刀就落在它后面隔一个碳的地方。

拿两种己糖套一下这条规则，差别马上出来了。

葡萄糖开链时，羰基（醛基）在 1 号碳上，按规则断的是 C2 和 C3 之间的键，切出来一个二碳片段和一个四碳片段。两个片段长短不一、结构不同，细胞得为它们各配一套酶，后面的路就走不成一条了。

果糖的羰基在 2 号碳上，断的是 C3 和 C4 之间的键，正好从正中间切开，得到两个三碳糖。

所以第二步把 G-6-P 异构化成 6-磷酸果糖（F-6-P），把羰基从 C1 挪到 C2，是为第四步能对半切开做准备。异构化还顺带让 C1 变成了一个 —CH₂OH，上面有了可以挂磷酸的羟基。第三步磷酸果糖激酶-1 就在这个位置挂上第二个磷酸，生成 1,6-二磷酸果糖（F-1,6-BP）。

两头都挂了磷酸，切开以后，磷酸二羟丙酮（DHAP）和 3-磷酸甘油醛（GAP）就各带一个磷酸。这有两个好处：两个三碳糖都带负电，一样留在细胞里；DHAP 经丙糖磷酸异构酶转成 GAP 后，两半走的是同一条后半程。前三步看起来各干各的，其实都是在为第四步这一刀做准备。

投进去的磷酸，后来去了哪里

把磷酸的去向跟踪到底，就能看清这两分子 ATP 并没有白花。每个三碳糖上原本那个磷酸（来自前面投入的 ATP），在后半程被挪到 2 号位，变成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），最后在丙酮酸激酶这一步交还给 ADP。也就是说，投进去的 2 个磷酸，最后由丙酮酸激酶如数还了回来。

另外 2 分子 ATP 才是净赚的。3-磷酸甘油醛脱氢酶在氧化 GAP 的同时，从无机磷酸那里给 C1 加上一个新的磷酸，生成 1,3-二磷酸甘油酸；这个磷酸随后在磷酸甘油酸激酶那一步转给 ADP。氧化放出的能量就这样存进了 ATP。

别的单糖从哪里汇入

醛缩酶的切法还解释了另一道题：葡萄糖以外的单糖怎样进入糖酵解。原则只有一条：先变成糖酵解里已有的某个中间产物。

果糖在肝脏里由果糖激酶在 C1 磷酸化，生成 1-磷酸果糖，再由肝脏的醛缩酶 B 切开。羰基在 C2，切在 C3–C4，得到磷酸二羟丙酮和甘油醛，甘油醛再由丙糖激酶磷酸化为 3-磷酸甘油醛。这条路从磷酸果糖激酶-1 的下游汇入，绕开了糖酵解最主要的关卡，所以果糖在肝脏里的分解比葡萄糖更不受控制。在肌肉和脂肪组织，果糖可以直接由己糖激酶在 C6 磷酸化成 F-6-P。

半乳糖先经半乳糖激酶生成 1-磷酸半乳糖，再在 UDP-葡萄糖的参与下转换成 1-磷酸葡萄糖，由磷酸葡萄糖变位酶变成 G-6-P。甘露糖由己糖激酶磷酸化成 6-磷酸甘露糖，再异构化为 F-6-P。

1.3ATP 为什么反而抑制磷酸果糖激酶-1

糖酵解里不可逆的反应有三步：己糖激酶、磷酸果糖激酶-1 和丙酮酸激酶催化的反应。最主要的调控点是磷酸果糖激酶-1（PFK-1），而不是第一步的己糖激酶。原因还是上一节说的那个路口：G-6-P 可以去合成糖原，也可以进戊糖磷酸途径，在这里设卡，会把别的去路一起卡住。一旦生成了 F-1,6-BP，它就只剩糖酵解这一条路。PFK-1 催化的是糖酵解的第一个限速步骤，也是糖酵解特有的第一步，关卡设在这里，管的就只是糖酵解。

这道关卡由谁来开关？糖酵解的主要产物之一是 ATP，ATP 够用了就该慢下来，这在道理上很好懂。麻烦在于 ATP 本身就是 PFK-1 的底物：底物越多，反应应该越快才对。

2012 生化问的就是这个矛盾。解开它的关键是：PFK-1 上结合 ATP 的部位不止一个。

PFK-1 是由四个亚基组成的别构酶。每个亚基上有两个能结合 ATP 的部位。一个在活性中心，是底物部位，对 ATP 的亲和力高，ATP 浓度很低时就已经结合满了。另一个是别构部位，离活性中心有一段距离，对 ATP 的亲和力低，只有 ATP 浓度高时才结合上去。ATP 结合到别构部位以后，酶的构象发生变化，从高活性状态（R 态）偏向低活性状态（T 态），对另一个底物 F-6-P 的亲和力下降。表现在动力学曲线上，就是对 F-6-P 的曲线变得更 S 形，而且整体右移：同样的 F-6-P 浓度，反应速度慢了很多。

所以 ATP 在这里扮演了两个角色：在活性中心，它是被消耗的底物；在别构部位，它是告诉酶“能量够了”的信号。两个角色由不同的结合部位和不同的亲和力区分开来。低浓度 ATP 结合活性中心，高浓度 ATP 结合别构部位，880 题里有原题考这一点。

真正灵敏的信号是 AMP

细胞里的 ATP 浓度其实变化不大，肌肉里还有磷酸肌酸随时把 ADP 补回成 ATP。如果 PFK-1 只看 ATP，它就很难分辨“能量稍微紧张”和“能量充足”。真正灵敏的信号是 AMP。

腺苷酸激酶催化 2 ADP ⇌ ATP + AMP，这个反应接近平衡。细胞里 AMP 的浓度本来就很低，ATP 稍降一点、ADP 稍升一点，这个平衡一移动，AMP 的相对变化就被放大了：ATP 降一成，AMP 可以涨好几倍。AMP 结合在 PFK-1 的别构部位，能解除 ATP 的抑制。PFK-1 实际上读的是 ATP 与 AMP 的比值。

另一个抑制剂是柠檬酸。它是三羧酸循环的第一个产物，柠檬酸在胞质里积累，说明下游的循环已经忙不过来，或者脂肪酸氧化正在提供大量乙酰 CoA，糖酵解没有必要再往里送料。柠檬酸会加强 ATP 对 PFK-1 的抑制。

在肝脏里，PFK-1 最强的激活剂是 2,6-二磷酸果糖（F-2,6-BP），它的浓度由激素控制。这一条要放到第 1.5 节和糖异生一起讲，因为它管的是糖酵解和糖异生之间的切换。

1.4夜里：激素进不了细胞，怎么让肝糖原分解

傍晚，离午饭已经六七个小时，肠道里早已没有糖进来，血糖开始回落。胰岛 α 细胞察觉到这一点，分泌胰高血糖素。半夜三点火警铃一响，交感神经兴奋，肾上腺髓质在几秒钟内释放肾上腺素。这两种激素都能升高血糖，最快的办法是让肝脏分解糖原。成年人的肝糖原有一百克上下，足够支撑一夜。

这里有个绕不开的问题。胰高血糖素是一条多肽，肾上腺素是儿茶酚胺，都是水溶性分子，穿不过细胞膜。可是要被调动的糖原磷酸化酶在细胞质里。激素在膜外面，酶在膜里面，消息是怎么传进去的？

一个分离实验

二十世纪五十年代，Earl Sutherland 研究的正是这个问题：肾上腺素和胰高血糖素怎样激活肝脏的糖原磷酸化酶。当时已经知道，磷酸化酶有活性低的 b 型和活性高的 a 型，b 型变成 a 型是磷酸化酶激酶给它挂上了一个磷酸。

Sutherland 先把肝组织打成匀浆，加入肾上腺素，磷酸化酶被激活了。说明整套机制在无细胞的匀浆里还保留着。然后他把匀浆离心，分成两部分：沉淀下来的颗粒组分，主要是细胞膜碎片；上清是可溶的胞质组分，磷酸化酶就在这里面。

把肾上腺素直接加到胞质组分里，磷酸化酶没有反应。把肾上腺素加到膜组分里，同时加入 ATP 和 Mg²⁺，保温一段时间，然后把这份反应液煮沸，让里面的酶全部失活，离心去掉沉淀，再把上清液加进胞质组分，磷酸化酶被激活了。

这说明激素作用于膜，膜上随之产生了某种物质，是它把信号带进了胞质。煮沸以后它照样有效，说明它不是酶，而是一种耐热的小分子。后来查明它是 3′,5′-环腺苷酸，也就是 cAMP。激素把信号送到细胞表面，cAMP 在细胞里面把信号接着传下去，所以人们把激素叫作第一信使，把 cAMP 叫作 第二信使。Sutherland 因此获得 1971 年诺贝尔生理学或医学奖。

2025 细胞有一道选择题几乎就是这个实验：把肝匀浆离心，分出膜组分和可溶性胞质组分，在胞质组分里加肾上腺素，会怎样？受体和腺苷酸环化酶都在膜上，胞质组分里没有它们，所以 cAMP 浓度不变。

从受体到葡萄糖：七个环节

现在把 Sutherland 找到的这条路从头走一遍。拖动下面的动画，可以一步一步看分子怎么动。

第一步，激素结合受体。肝细胞膜上的胰高血糖素受体和肾上腺素的 β 受体，都是 G 蛋白偶联受体（GPCR）：一条肽链来回穿膜七次。激素结合在胞外一侧，受体在胞内一侧的构象跟着改变。

第二步，受体激活 G 蛋白。受体胞内一侧挨着一个异三聚体 G 蛋白，这里是激动型的 Gs。它的 α 亚基平时结合着 GDP，处于关闭状态。被激活的受体促使 α 亚基放掉 GDP、换上 GTP。结合了 GTP 的 α 亚基与 βγ 亚基分开，进入开启状态。

第三步，G 蛋白激活腺苷酸环化酶。 Gsα-GTP 沿着膜的内表面移到腺苷酸环化酶旁边，结合并激活它。腺苷酸环化酶也是膜蛋白，它把 ATP 环化成 cAMP，释放焦磷酸。

第四步，cAMP 激活蛋白激酶 A。蛋白激酶 A（PKA）平时是由两个调节亚基（R）和两个催化亚基（C）组成的四聚体，调节亚基把催化亚基的活性压住。每个调节亚基结合两分子 cAMP 后改变构象，放开催化亚基，游离的催化亚基才有活性。

第五步，PKA 磷酸化磷酸化酶激酶。磷酸化酶激酶被磷酸化后活化。

第六步，磷酸化酶激酶把糖原磷酸化酶 b 磷酸化为 a。磷酸化酶 a 从糖原分子的非还原端开始，用无机磷酸逐个切下葡萄糖残基，生成 1-磷酸葡萄糖（G-1-P）。这叫磷酸解，不是水解：切下来的糖已经带着磷酸，不用再花 ATP 去磷酸化。切到离分支点还剩四个残基时，磷酸化酶就停下了，后面由脱支酶处理，分支点上的那个葡萄糖以游离葡萄糖的形式放出。

第七步，葡萄糖离开肝细胞。 G-1-P 经磷酸葡萄糖变位酶变成 G-6-P，G-6-P 被运进内质网腔，由那里的葡萄糖-6-磷酸酶切掉磷酸，生成游离葡萄糖，再经 GLUT2 顺浓度差出细胞，进入血液。

与此同时，PKA 还磷酸化了糖原合酶，使它失活。糖原的分解和合成是两条不同的途径，如果分解打开时合成也开着，刚切下来的糖又被接回去，ATP 就白白消耗了。一个 PKA 同时开启分解、关闭合成，两条路不会同时开。

这里有个命名上的坑，选择题常考。磷酸化酶和糖原合酶都分 a、b 两型，a 型都是活性高的那一型。可是磷酸化酶的 a 型是磷酸化的，糖原合酶的 a 型是去磷酸化的。磷酸化让磷酸化酶活化，让糖原合酶失活。

为什么要绕这么多级

从激素到葡萄糖，中间隔了五六个酶。之所以要这么多级，一个原因是放大。除了第一步，后面每一级都是一个酶分子去催化很多个下一级分子：一个活化的腺苷酸环化酶能产生许多 cAMP，一个 PKA 能磷酸化许多个磷酸化酶激酶，依此类推。级与级之间是相乘的关系，血液里极微量的激素，最后能动员出大量葡萄糖。另一个原因是，每一级都是一个可以单独调控的点，别的信号可以在任何一级插进来。

信号能开，也要能关。激素浓度降下来，离开受体；Gsα 自身有 GTP 酶活性，过一段时间把 GTP 水解成 GDP，重新与 βγ 结合，回到关闭状态；磷酸二酯酶把 cAMP 水解成 AMP；蛋白磷酸酶-1（PP1）把磷酸化酶 a、磷酸化酶激酶和糖原合酶上的磷酸去掉。胰岛素升高时，PP1 和磷酸二酯酶的活性都会增强，整条通路就关闭了，糖原合成重新开启。

肌肉里的糖原为什么帮不上忙

肌肉的糖原总量比肝脏还多，但它分解出来的 G-6-P 出不了肌细胞。原因在第七步：肌肉没有葡萄糖-6-磷酸酶，G-6-P 去不掉磷酸，就变不回能透过 GLUT 的葡萄糖。

肌肉也没有胰高血糖素受体，所以胰高血糖素不会引起肌糖原分解。肾上腺素能作用于肌肉，但肌糖原分解出来的 G-6-P 只进肌肉自己的糖酵解，给逃跑或搏斗时的肌肉收缩供能。肌肉收缩时还有两个不靠激素的信号：肌质网放出的 Ca²⁺ 能直接激活磷酸化酶激酶，ATP 消耗产生的 AMP 能别构激活磷酸化酶 b。肾上腺素在肝脏和肌肉里走的是同一条 cAMP 通路，结果却不同：在肝脏是为全身升血糖，在肌肉是给自己供能。

说肌糖原“不能直接补充血糖”，“直接”二字不能丢。肌肉剧烈活动产生的乳酸进入血液，运到肝脏，在肝脏经糖异生重新变成葡萄糖，这就是乳酸循环（Cori 循环）。肌糖原可以通过这条路间接补充血糖。

反过来，如果肝脏缺了葡萄糖-6-磷酸酶，会怎样？这就是 I 型糖原贮积症。患者的肝脏里糖原越积越多，肝脏肿大，空腹时却发生严重的低血糖，因为糖原分解到 G-6-P 这一步就卡住了。一个酶的缺失，同时证明了这一步在肝脏补充血糖中的位置。

1.5第二天上午：糖原见底以后

一夜过去，到第二天上午，小王已经空腹二十个小时左右，肝糖原消耗了一大半。血糖越来越多地依靠糖异生：用非糖物质在肝脏里重新合成葡萄糖。空腹时间再长，肾脏的糖异生也会逐渐加入。

糖异生的原料主要有三类。一是乳酸，来自红细胞和活动的肌肉，经乳酸循环运到肝脏。二是丙氨酸等生糖氨基酸，空腹时肌肉蛋白分解，氨基酸的氨基转给丙酮酸生成丙氨酸，运到肝脏（葡萄糖-丙氨酸循环）。三是甘油，来自脂肪组织里甘油三酯的分解。

偶数碳的脂肪酸不在这张单子里。脂肪酸 β-氧化的产物是乙酰 CoA，丙酮酸脱氢酶催化的反应不可逆，乙酰 CoA 变不回丙酮酸；进入三羧酸循环的两个碳，转一圈正好以两分子 CO₂ 的形式放出去，草酰乙酸没有净增加。所以在动物体内，偶数碳脂肪酸不能净生成葡萄糖。不过脂肪酸氧化为糖异生提供了 ATP 和 NADH，乙酰 CoA 还是糖异生的激活信号，下面会讲到。

为什么不能把糖酵解倒过来走

最直接的想法是把糖酵解十步反过来走一遍。可是第 1.3 节说过，糖酵解里有三步不可逆。把每一步在细胞里实际的 ΔG 画出来，看得最清楚。

那七步接近平衡的反应，往哪个方向走由底物和产物的浓度决定，同一个酶正反都能催化，糖异生可以直接借用。三处陡坡在细胞里的实际 ΔG 在 −17 到 −33 kJ/mol 之间，倒过来就是一个很大的正值，任何浓度条件都推不上去。每一处陡坡都需要另一个酶、另一个反应，这个反应自己的 ΔG 为负。这三条绕行的路，就是糖异生和糖酵解不同的地方。

第一处：丙酮酸到 PEP，分两步。丙酮酸先进入线粒体，由丙酮酸羧化酶加上一个 CO₂，生成草酰乙酸，消耗 1 分子 ATP，辅酶是生物素。草酰乙酸穿不过线粒体内膜，要先还原成苹果酸（或者转氨基成天冬氨酸）运出来，在胞质里再变回草酰乙酸。然后由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）脱去刚加上的那个 CO₂，同时消耗 1 分子 GTP，生成 PEP。先羧化再脱羧，看上去多此一举，其实脱羧这一步放能，正是它推动了生成 PEP 这个难走的反应。

第二处：F-1,6-BP 到 F-6-P。由果糖-1,6-二磷酸酶（FBPase-1）水解掉 C1 上的磷酸，放出无机磷酸。这里不是磷酸果糖激酶-1 的逆反应，不会生成 ATP。

第三处：G-6-P 到葡萄糖。由内质网上的葡萄糖-6-磷酸酶水解掉磷酸。这个酶只在肝脏和肾脏里有，所以只有这两个器官能把糖异生的产物送进血液。

把账算一下：2 分子丙酮酸合成 1 分子葡萄糖，消耗 4 分子 ATP、2 分子 GTP 和 2 分子 NADH。而 1 分子葡萄糖经糖酵解变成 2 分子丙酮酸，只产生 2 分子 ATP 和 2 分子 NADH。来回一趟要多花 4 个高能磷酸键，这是为了让两个方向的 ΔG 都为负而付出的代价。

同一个胞质里，两条路怎么不打架

糖酵解和糖异生的大部分反应都在肝细胞的胞质里。如果磷酸果糖激酶-1 和果糖-1,6-二磷酸酶同时开着，F-6-P 刚被磷酸化成 F-1,6-BP，又被水解回 F-6-P，一圈下来什么都没合成，只是净水解了一分子 ATP。这种循环叫作无效循环，也叫底物循环。

细胞的办法是让同一个信号对两个方向的酶起相反的作用。在 PFK-1 和 FBPase-1 这一对上：AMP 激活 PFK-1、抑制 FBPase-1；柠檬酸抑制 PFK-1、激活 FBPase-1；F-2,6-BP 激活 PFK-1、抑制 FBPase-1。在丙酮酸这一头，乙酰 CoA 别构激活丙酮酸羧化酶。脂肪酸大量氧化时乙酰 CoA 增多，这本身就说明身体在动用脂肪、处于空腹状态，正该做糖异生。

其中 F-2,6-BP 最关键，因为它把激素和别构调节接在了一起。

F-2,6-BP 不是糖酵解的中间产物，它由一个双功能酶负责合成和分解：这条肽链上一个结构域是磷酸果糖激酶-2（PFK-2），在 F-6-P 的 C2 上挂磷酸，生成 F-2,6-BP；另一个结构域是果糖-2,6-二磷酸酶（FBPase-2），把这个磷酸水解掉。在肝脏里，这个双功能酶是 PKA 的底物。

空腹时，胰高血糖素经过第 1.4 节那条通路升高 cAMP、激活 PKA。PKA 磷酸化这个双功能酶，PFK-2 失活、FBPase-2 激活，F-2,6-BP 浓度下降。PFK-1 失去了最强的激活剂，FBPase-1 摆脱了抑制，F-6-P 和 F-1,6-BP 之间的方向就从糖酵解拨到了糖异生。PKA 同时磷酸化肝脏的丙酮酸激酶，使其失活，PEP 就不会再被转回丙酮酸，而是向上走。饭后胰岛素升高，这些磷酸被去掉，F-2,6-BP 回升，方向又拨回糖酵解。

回头看，第 1.4 节里分解肝糖原的那个 cAMP，在这里同时关掉了肝脏的糖酵解、打开了糖异生。一个第二信使，同时调动了三条途径。

以上都是几秒到几分钟就能完成的调节：改变已有酶分子的活性。空腹时间长了，还有慢的一层：胰高血糖素经 cAMP–PKA–CREB 诱导 PEPCK 和葡萄糖-6-磷酸酶基因的转录，几个小时后，肝脏里这些酶的数量本身增多了；胰岛素的作用相反。快的靠共价修饰和别构调节，慢的靠改变酶的合成量。

1.6回到母题

现在可以把四个小问连起来回答了。

第一问：挂磷酸是为了把葡萄糖留在细胞里，并保持膜内外的浓度差，让葡萄糖持续流入。肌肉用己糖激酶，亲和力高，空腹时就已饱和，受 G-6-P 反馈抑制，只按自身需要收糖；肝脏用葡萄糖激酶，亲和力低，活性随血糖升降，不受 G-6-P 抑制，只在饭后血糖高时大量收糖，合成肝糖原。

第二问：第一分子 ATP 用来锁住葡萄糖，第二分子用来在 C1 再挂一个磷酸，使醛缩酶能把六碳糖对半切成两个都带磷酸的三碳糖。投入的两个磷酸后来由丙酮酸激酶还回，净赚的两分子 ATP 来自无机磷酸。ATP 抑制 PFK-1，是因为高浓度 ATP 结合在低亲和力的别构部位，使酶对 F-6-P 的亲和力下降。

第三问：胰高血糖素和肾上腺素经 GPCR–Gs–腺苷酸环化酶–cAMP–PKA–磷酸化酶激酶–磷酸化酶这条级联，使肝糖原磷酸解，同时抑制糖原合酶；G-6-P 由葡萄糖-6-磷酸酶脱磷酸后入血。肌肉没有葡萄糖-6-磷酸酶，也没有胰高血糖素受体，肌糖原只能供肌肉自身使用。

第四问：肝糖原耗尽后靠糖异生，原料是乳酸、生糖氨基酸和甘油。糖异生在三处不可逆反应上绕行；同一组信号对两个方向的酶起相反作用，其中胰高血糖素经 PKA 降低 F-2,6-BP，是肝脏在两个方向之间切换的主开关。

血糖的来源与去路

2019 生化2023 生化都问到了血糖的来源与去路，2019 年还问了激素如何调节。这道题如果单独背，是一张清单；放在这二十四小时里看，每一项都有自己的时间段。

激素调节按“降糖只有一个，升糖有好几个”来组织。降低血糖的只有胰岛素：促进肌肉和脂肪细胞经 GLUT4 摄取葡萄糖，促进糖原合成和糖的氧化，抑制糖原分解和糖异生。升高血糖的有胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素等：前两者经 cAMP–PKA 促进肝糖原分解和糖异生，糖皮质激素主要诱导糖异生相关酶的合成，并促进肌肉蛋白分解，为糖异生提供原料。

血糖超过肾糖阈（约 8.9～10 mmol/L）时，肾小管来不及全部重吸收，葡萄糖会从尿中排出。这是病理情况下的去路，答题时可以作为最后一条补上。

本课小结

1. 葡萄糖进细胞后立即被磷酸化，生成的 G-6-P 带负电、没有转运蛋白，留在细胞里；胞内游离葡萄糖浓度因此保持很低，葡萄糖能持续流入。
2. 己糖激酶亲和力高、受 G-6-P 抑制，保证组织自身用糖；葡萄糖激酶亲和力低、不受 G-6-P 抑制，使肝脏只在血糖高时大量摄糖。
3. 糖酵解前半段花两分子 ATP：一分子锁住葡萄糖，一分子在 C1 挂磷酸，配合异构化使醛缩酶能在 C3–C4 对半切开。
4. PFK-1 有高亲和力的底物部位和低亲和力的别构部位，高浓度 ATP 结合别构部位而抑制酶；AMP 是更灵敏的能量信号。
5. 胰高血糖素和肾上腺素经 GPCR–Gs–cAMP–PKA 级联激活糖原磷酸化酶、抑制糖原合酶。cAMP 是 Sutherland 用肝匀浆分离实验发现的第二信使。
6. 肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶和胰高血糖素受体，肌糖原不能直接补充血糖，只能经乳酸循环间接补充。
7. 糖异生在三处不可逆反应上绕行，2 分子丙酮酸合成 1 分子葡萄糖消耗 4 ATP 和 2 GTP；偶数碳脂肪酸不能净生成葡萄糖。
8. 糖酵解与糖异生受相反的调节，避免无效循环；肝脏中 PKA 磷酸化双功能酶、降低 F-2,6-BP，是两个方向之间的主开关。

关键术语

易化扩散　激酶　己糖激酶　葡萄糖激酶　醛缩酶　别构酶　腺苷酸激酶　第二信使　G 蛋白偶联受体　蛋白激酶 A　糖原磷酸化酶　磷酸解　葡萄糖-6-磷酸酶　乳酸循环　糖异生　无效循环　2,6-二磷酸果糖　双功能酶

易混概念辨析

复习题

一、概念检查

1. 如果把肝细胞的葡萄糖激酶换成己糖激酶，饭后肝糖原的合成会怎样变化？空腹时呢？
2. 葡萄糖开链形式如果直接被醛缩酶类型的反应切开，会得到什么产物？这对后面的代谢有什么麻烦？
3. 为什么说 PFK-1 读的是 ATP 与 AMP 的比值，而不只是 ATP 浓度？
4. 咖啡因能抑制磷酸二酯酶。按照本课的通路，喝大量浓咖啡后，肝脏的糖原分解会怎样变化？
5. I 型糖原贮积症患者缺乏葡萄糖-6-磷酸酶。为什么他们肝糖原堆积，空腹时却严重低血糖？
6. 2 分子乳酸经糖异生生成 1 分子葡萄糖，共消耗多少高能磷酸键？
7. 2017 生化如何用实验证明双功能酶所催化的两种化学反应是否发生在同一催化部位？（提示：可以分别突变两个结构域中的关键残基，看两种活性是否同时丧失；也可以用有限蛋白酶解把两个结构域分开，分别测活性。）

二、判断自测

1. 胰高血糖素既可以促进肝糖原的分解，又能促进肌糖原的分解。（　）

答案：错。肌肉没有胰高血糖素受体。促进肌糖原分解的是肾上腺素。

1. 人和动物体内，肝糖原降解可以使血糖水平升高，而肌糖原分解不能直接补充血糖。（　）

答案：对。肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶。注意“直接”二字，肌糖原可以经乳酸循环间接补充血糖。

1. 磷酸果糖激酶-1 有两个结合 ATP 的部位，低浓度 ATP 结合的是别构部位。（　）

答案：错。低浓度 ATP 结合的是高亲和力的活性中心（底物部位），高浓度 ATP 才结合别构部位。