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生物化學與分子生物學/血糖及其調節

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糖代謝 - 糖的攝取與利用 - 糖的無氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途徑 - 糖原的合成與分解 - 糖異生 - 葡萄糖的其他代謝途徑 - 血糖及其調節
血糖(bloodsugar, blood glucose)指血中的葡萄糖。血糖的來源為腸道吸收、肝糖原分解和糖異生生成的葡萄糖釋入血液內。血糖的去路則是被機體各組織器官所攝取,用於氧化供能、合成糖原、轉變成其他糖和脂肪或者胺基酸等。

血糖水平保持恆定[編輯]

血糖水平相當恆定,始終維持在3.9~6.Ommol/L, 這是由於血糖的來源與去路保持動態平衡所致。餐後血糖來自食物消化吸收,此時所有去路均活躍進行;短期飢餓時,血糖來自肝糖原分解,僅用於滿足基本供能需求;長期飢餓時,血糖來自非糖物質的糖異生,此時除少數對葡萄糖極為依賴的組織仍用糖供能外,其他大多數組織改用脂質能源,以節約葡萄糖。 因此,恆定的血糖水平是糖、脂肪、胺基酸代謝相協調的結果,也是肝、肌、脂肪組織等各器官組織代謝相協調的結果。

血糖穩態主要受激素調節[編輯]

血糖的來去平衡主要受激素調控。調節血糖的激素主要有胰島素、胰高血糖素、腎上腺素和糖皮質激素等。這些激素聯合作用,通過整合調節各組織中各代謝途徑的關鍵酶,不斷適應體內能量需求和燃料供給的變化,從而維持血糖穩態。

胰島素是降低血糖的主要激素[編輯]

胰島素(insulin)由胰腺β細胞分泌,是體內具有降糖作用的主要激素。胰島素的分泌受血糖控制,血糖升高使胰島素分泌加強,血糖降低使之分泌減少。
胰島素降低血糖的機制是使血糖的去路增強、來源減弱,主要包括:

  • 促進肌、脂肪組織等通過GLUT4攝取葡萄糖;
  • 通過激活磷酸二酣酶而降低cAMP水平,使糖原合酶被活化、磷酸化酶被抑制,從而加速糖原合成、抑制糖原分解;
  • 通過激活丙酮酸脫氫酶磷酸酶而使丙酮酸脫氫酶複合體活化,加快糖的有氧氧化;
  • 抑制肝內糖異生,這一方面是因為磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成受到抑制,另一方面是由於胺基酸加速合成肌蛋白質從而使糖異生的原料減少;
  • 糖的分解產物乙醯CoA和NADPH供應增多,有利於以此為原料合成脂肪酸。簡而言之,胰島素的總效應是促進葡萄糖分解利用,抑制糖異生,同時將多餘的血糖轉變為糖原(儲存於肝和肌)和甘油三酯(儲存於脂肪組織),從而控制餐後血糖水平不至於過高。

體內有多種升高血糖的激素[編輯]

飢餓或應激等狀況發生時,機體可分泌多種升高血糖的激素。其中,胰高血糖素對於飢餓時的血糖生理調節尤為重要。 胰高血糖素是升高血糖的主要激素
胰高血糖素(glucagon)由胰腺α細胞分泌,是體內升高血糖的主要激素。血糖降低或血中胺基酸升高可促進胰高血糖素分泌。
胰高血糖素升高血糖的機制是使血糖的來源增強、去路減弱,主要包括:

  • 抑制糖原合酶而激活磷酸化酶,加速肝糖原分解;
  • 通過抑制磷酸果糖激酶-2、激活果糖二磷酸酶-2,減少果糖-2,6-二磷酸的合成。由於後者是磷酸果糖激酶-1的最強別構激活劑,也是果糖二磷酸酶-1的抑制劑,故糖酵解被抑制而糖異生則加速;
  • 抑制肝內丙酮酸激酶從而阻止磷酸烯醇式丙酮酸進行糖酵解,同時促進磷酸烯醇式丙酮酸狻激酶的合成,使糖異生加強;
  • 激活脂肪組織內激素敏感性脂肪酶,促進脂肪分解供能,以節約血糖。

以上作用均通過cAMP依賴的磷酸化反應而實現。簡而言之,胰高血糖素的總效應是促進肝糖原分解和糖異生,以補充血糖,同時抑制糖酵解而改用脂質供能,從而使血糖回升到正常水平。
值得注意的是,胰腺分泌的胰島素和胰高血糖素相互拈抗,兩者比例的動態變化使血糖在正常範圍內保持較小幅度的波動。例如,進食後血糖升高,使胰島素分泌增多而胰高血糖素分泌減少,血糖水平趨於回落;但胰島素分泌增加到一定程度又會促進胰高血糖素分泌,使後者快速發揮相反的升血 糖作用,以保證血糖不會無限制地降低。反之亦然。
糖皮質激素可升高血糖
糖皮質激素(glucocorticoid)升高血糖的機制主要包括:

  • 促進肌蛋白質分解而使糖異生的原料增多,同時使磷酸烯醇式丙酮酸狻激酶的合成加強,從而加速糖異生;
  • 通過抑制丙酮酸的氧化脫羧,阻止體內葡萄糖的分解利用;
  • 協同增強其他激素促進脂肪動員的效應,促進機體利用脂肪酸供能。

腎上腺素是強有力的升高血糖的激素
腎上腺素(adrenaline或epinephrine)升高血糖的效力很強。給動物注射腎上腺素後,血糖水平迅速升高且持續幾小時,同時血中乳酸水平也升高。其作用機制是引發肝和肌細胞內依賴cAMP的磷酸化級聯反應,加速糖原分解。肝糖原分解為葡萄糖,直接升高血糖;肌糖原無氧氧化生成乳酸,再經乳酸循環間接升高血糖。腎上腺素主要在應激狀態下發揮調節作用,對經常性血糖波動(尤其是進食-飢餓循環)沒有生理意義。

糖代謝障礙導致血糖水平異常[編輯]

正常人體內存在一整套精細調節糖代謝的機制,當一次性食入大量葡萄糖後,血糖水平不會持續升高,也不會出現大的波動。此過程可通過糖耐量試驗 (glucose tolerance test) 進行檢測:先測量空腹靜脈血糖,飲用 75g 無水葡萄糖後,分別於 30 分鐘、1 小時、2 小時測量靜脈血糖值,繪製曲線。正常人對攝入的葡萄糖具有很強的耐受能力:服糖後血糖在0.5~1小時達到高峰,但一般不超過腎小管的重吸收能力(約為 lOmmol/L,稱為腎糖閾),所以很難檢測到糖尿;血糖在此峰值之後逐漸降低,一般在2小時左右降至 7.8mmol/L 以下,3小時左右回落至接近空腹血糖水平。
臨床上可由糖代謝障礙引發血糖水平紊亂,導致出現低血糖或高血糖。其中,糖尿病是最常見的糖代謝紊亂疾病。糖尿病病人空腹血糖高於正常值;服糖後血糖濃度急劇升高,超過腎糖闕,從而出現糖尿;血糖在此峰值之後緩慢降低,—般 2 小時後仍可高於 11.lmmol/L。

低血糖是指血糖濃度低於 2.8mmol/L[編輯]

對於健康人群,血糖濃度低於2.8mmol/L時稱為低血糖 (hypoglycemia)。腦細胞主要依賴葡萄糖氧化供能,因此血糖過低就會影響腦的正常功能,出現頭暈、倦怠無力、心悸等,嚴重時發生昏迷,稱為低血糖休克。如不及時給病人靜脈補充葡萄糖,可導致死亡。
出現低血糖的病因有:

  • 胰性(胰腺β細胞功能亢進、胰腺α細胞功能低下等);
  • 肝性(肝癌、糖原貯積症等);
  • 內分泌異常(垂體功能低下、腎上腺皮質功能低下等);
  • 腫瘤(胃癌等);
  • 飢餓或不能進食者等。

高血糖是指空腹血糖高於 7mmol/L[編輯]

空腹血糖濃度高於 7mmol/L時稱為高血糖 (hyperglycemia)。如果血糖濃度高於腎糖閾,就會形成糖尿。
引起糖尿的原因分為病理性和生理性兩大類,具體包括:

  • 遺傳性胰島素受體缺陷;
  • 某些慢性腎炎腎病綜合徵等引起腎對糖的重吸收障礙,但血糖及糖耐量曲線均正常;
  • 情緒激動時交感神經興奮,腎上腺素分泌增加,使肝糖原大量分解,導致生理性高血糖和糖尿;
  • 臨床上靜脈滴注葡萄糖速度過快,使血糖迅速升高而出現糖尿。

糖尿病是最常見的糖代謝紊亂疾病[編輯]

糖尿病 (diabetes mellitus) 的特徵是持續性高血糖和糖尿,特別是空腹血糖和糖耐量曲線高於正常範圍。其主要病因是部分或完全胰島素缺失、胰島素抵抗(因細胞胰島素受體減少或受體敏感性降低,導致對胰島素的調節作用不敏感)。臨床上將糖尿病分為四型:胰島素依賴型(1型)、非胰島素依賴型(2型)、妊娠糖尿病(3型)和特殊類型糖尿病(4型)。1型糖尿病多發生於青少年,因自身免疫而使胰腺B細胞功能缺陷,導致胰島素分泌不足。2型糖尿病和肥胖關係密切,可能是由細胞膜上胰島素受體功能缺陷所致。
糖尿病常伴有多種併發症,如糖尿病視網膜病變、糖尿病性周圍神經病變、糖尿病周圍血管病變、糖尿病腎病等。這些併發症的嚴重程度與血糖水平升高的程度、病史的長短有相關性。

高糖刺激產生損傷細胞的生物學效應[編輯]

引起糖尿病併發症的生化機制仍不太清楚,目前認為血中持續的高糖刺激能夠使細胞生成晚期糖化終產物(advanced glycation end products, AGEs), 同時發生氧化應激。例如,紅細胞通過GLUTl攝取血中的葡萄糖,首先使血紅蛋白的氨基發生不依賴酶的糖化作用(hemoglobin glycation) , 生成糖化血紅蛋白(glycated hemoglobin, GHB), 此過程與酶催化的糖基化反應(glycosylation)不同。GHB可進一步反應生成AGEs,如羧甲基賴氨酸、甲基乙二醛等,它們與體內多種蛋白質發生廣泛交聯,對腎、視網膜、心血管等造成損傷。AGEs 還能被其受體(AGER) 識別,激活多條信號通路,產生活性氧而誘發氧化應激,使細胞內多種酶類、脂質等發生氧化,從而喪失正常的生理功能。氧化應激又可進一步促進 AGEs 的形成及交聯,兩者交互作用,共同參與糖尿病併發症的發生與發展。
糖化血紅蛋白(GHB)可作為臨床診治糖尿病的參考。紅細胞的壽命約為 120 天,因此檢測 GHB的相對數量可反映近期血糖控制的平均水平,這比實時檢測葡糖氧化酶活性的血糖絕對定量方法更為穩定、準確。目前有國家已將 GHB 納入糖尿病的診斷指標,超過 6.5%~7.0% 即可確診,糖尿病的治療目標是將 GHB 控制在 7.0% 以下。