Edit Date: 2025.06 by Neo
本文为Prime Lab的内部研究报告 (Internal Research Memo)，为对某个课题的持续关注。不代表Prime Lab对该课题的最终意见。该Memo会基于最新研究持续更新。
本期Primus的文章介绍了糖类和脂肪被人体摄入后的代谢路径异同，本文将从更加底层的分子机制角度向大家介绍不同的糖类/脂肪分子是如何被细胞所利用，进而启动三羧酸循环，为人体供能。
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糖类的代谢过程
碳水化合物被消化分解为单糖 (如葡萄糖、果糖)，吸收进入血液后成为人体首选的能量来源。葡萄糖 (主要碳源) 在胰岛素作用下进入细胞，经过糖酵解 (Embden–Meyerhof途径) 和后续的三羧酸循环被氧化为二氧化碳和水，并释放出ATP供能。这一基础代谢通路早在20世纪中叶已被阐明 (克雷布斯因发现三羧酸循环获1953年诺贝尔奖)。
当葡萄糖充足时，多余的部分可在肝脏和肌肉中合成糖原储存；如果糖原储存已满，肝脏会将剩余葡萄糖通过新生脂肪合成 (de novo lipogenesis, DNL) 转化为脂肪酸，用于脂肪组织储存。由此，过量摄入糖可能转化为脂肪储存下来。相反，在禁食或低碳水情况下，机体还能通过糖异生将氨基酸、甘油等前体转化回葡萄糖，以保证血糖稳定[1][2]。
从葡萄糖和果糖具体的分子代谢路径来看：
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葡萄糖被吸收后刺激胰岛素分泌，大部分可直接由肌肉等外周组织消耗用于供能，亦或进入肝脏更储存为糖原；
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果糖大部分在肝脏中经果糖激酶 (KHK，也称酮糖激酶) 快速磷酸化为果糖-1-磷酸，再进入糖代谢途径，这一路径绕过了磷酸果糖激酶等糖酵解限速步骤；
人体对葡萄糖的利用效率最高，几乎所有组织都可直接摄取葡萄糖并用于产能。而果糖则需要先在肝脏中转化。研究显示，果糖比等量葡萄糖更容易在肝脏合成脂肪，是比葡萄糖更强的“肝脂肪合成诱导剂”。长期高果糖摄入会使肝脏果糖代谢通路过度活跃，可导致非酒精性脂肪肝及胰岛素抵抗，诱导脂肪合成相关基因表达上调，促进肝脏脂肪沉积。相比之下，等热量的葡萄糖更倾向于补充肝糖原和被外围组织利用，导致的脂肪生成相对较少[3]。同时，果糖代谢不受胰岛素调控，果糖本身也不会像葡萄糖那样直接促进胰岛素和瘦素等激素分泌，这意味着摄入果糖后饱腹感信号较弱，更容易过量摄入热量[4][5]。
简单来说，在代谢利用率方面，葡萄糖更倾向于成为即时能量被全身利用，而果糖更容易被快速转化为脂肪储存起来。
图1 糖及脂肪分子代谢途径
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脂肪的代谢过程
脂肪在消化道中被分解为脂肪酸和甘油，经小肠黏膜重组形成乳糜微粒，先由淋巴系统运输再进入血液循环。
膳食脂肪主要以甘油三酯形式被全身组织摄取：脂蛋白酶使脂肪酸从脂蛋白中释放，进入细胞后，不需要胰岛素即可被利用。肌肉等组织的线粒体会通过β-氧化途径逐步将脂肪酸分解为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环进一步氧化供能。若能量暂时过剩，脂肪酸则在脂肪细胞内重新合成甘油三酯储存起来，成为身体的能量储备。在碳水摄入不足时 (如饥饿或低碳水饮食)，肝脏还能将多余脂肪酸转化为酮体供脑组织等使用[1][2][6]。
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三羧酸循环TCA
图2 三羧酸循环示意图
从代谢途径的角度，我们可以得知，糖和脂肪虽然代谢途径不同，但最终都能生成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)。三羧酸循环作为生命体的“碳流路口”，几乎所有可代谢营养素最终都在此交汇或分流，以乙酰辅酶A和草酰乙酸为起点，通过生物酶的层层作用，氧化生成GTP，再转化为ATP，周而复始，进而为生命活动提供能量。有氧条件下约90%以上的ATP通过三羧酸循环-氧化磷酸化通路产生，这也直接决定了高等动物得以维持高代谢速率和复杂器官功能。
ATP：腺苷三磷酸 (ATP, Adenosine Triphosphate)，由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团构成的含氮嘌呤核苷酸。是细胞内“通用能量货币”，末端两个磷酸键的水解释放 ≈ 30.5 kJ/mol，为跨膜主动转运、肌肉收缩、生物合成、讯号传递等生物功能直接供能；
GTP：鸟苷三磷酸 (GTP, Guanosine Triphosphate)，由鸟嘌呤、核糖和三磷酸组成，结构与ATP仅嘌呤碱基不同。是特定生物过程的“专用能量载体”，主要功能是为蛋白质翻译供能、与信号分子传递结合、转化成ATP等，维持细胞通讯和蛋白质工厂运转；
NADH：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH, Nicotinamide Adenine Dinucleotide, reduced form)，即辅酶I NAD+的还原态。是能量的“便携式充电宝”，将分解代谢释放的能量以电子形式暂存，在线粒体中储存并传递高能电子，驱动ATP合成[7][8][9][10]。
小结一下
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糖代谢通路与调控机制：葡萄糖通过糖酵解、糖原合成与糖异生途径调节能量供需平衡；胰岛素与胰高血糖素精细调控此过程。
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脂肪代谢通路与调控机制：脂肪酸通过脂解释放并经β-氧化进入三羧酸循环供能；受胰岛素、肾上腺素和自噬机制共同调控。
参考文献
[1]Sir Hans Adolf Krebs. Encyclopædia Britannica, 10 Dec. 2021
[2]Yan, Rina Ruolin et al. “Current WHO recommendation to reduce free sugar intake from all sources to below 10% of daily energy intake for supporting overall health is not well supported by available evidence.” The American journal of clinical nutrition vol. 116,1 (2022): 15-39.
[3]Febbraio, Mark A., and Michael Karin. “ ‘Sweet Death’: Fructose as a Metabolic Toxin That Targets the Gut-Liver Axis.” Cell Metabolism, vol. 33, no. 12, 2021, pp. 2316–2328.
[4]Collins S, et al. “ Fructose reprogrammes glutamine-dependent oxidative metabolism to support LPS-induced inflammation.” Nat Commun. 2021;12:1209.
[5]Page KA, Chan O, Arora J, et al. Effects of Fructose vs Glucose on Regional Cerebral Blood Flow in Brain Regions Involved With Appetite and Reward Pathways. JAMA. 2013;309(1):63–70.
[6]Houten, Sander M., and Ronald J. A. Wanders. “A General Introduction to the Biochemistry of Mitochondrial Fatty Acid β-Oxidation.” Journal of Inherited Metabolic Disease, vol. 33, no. 5, 2010, pp. 469–477
[7]Nelson, David L., and Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed., W.H. Freeman, 2021.
[8]Berg, Jeremy M., et al. Biochemistry. 9th ed., W.W. Norton, 2019.
[9]Stryer, Lubert, et al. Biochemistry. 9th ed., W.H. Freeman, 2022.
[10]Martìnez-Reyes, I., and N. S. Chandel. “Mitochondrial TCA Cycle Metabolites Control Physiology and Disease.”Nature Reviews Molecular Cell Biology, vol. 21, no. 4, 2020, pp. 157–171.
