一般，人体中肝糖原含量约100克，若只用肝糖原的贮存量来维持血糖浓度最多不超过12小时。但在禁食甚至长期饥饿状态下，机体仍能保持血糖处于正常范围，除了周围组织减少对葡萄糖的利用外，主要还是依赖肝脏将氨基酸、乳酸等转变为葡萄糖来补充血糖。这种由非糖化合物（如乳酸、甘油、丙酮酸、生糖氨基酸等）转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生（gluconeogenesis）。机体内进行糖异生补充血糖的主要器官是肝脏，肾在正常情况下糖异生能力只有肝的1/10，长期饥饿时肾糖异生能力则可以大为增强。

从丙酮酸生成葡萄糖的反应过程称为糖异生途径。表面上看，糖异生途径似乎是糖酵解的逆反应。但葡萄糖经酵解途径分解为丙酮酸时，ΔG ^O′为-502kJ/mol（-120kcal/mol）。从热力学角度看，由丙酮酸进行糖异生不可能全部循糖酵解途径逆行。此外，因为糖异生途径的部分酶存在于线粒体内，而糖异生的最终产物在胞质中，所以存在中间代谢物的跨膜转移。

糖酵解途径中多数反应可逆，但由己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶所催化的三个反应过程都有相当大的能量变化：己糖激酶（包括葡萄糖激酶）及6-磷酸果糖激酶-1所催化的反应均需消耗ATP；而丙酮酸激酶所催化的反应则是使磷酸烯醇式丙酮酸转移分子内的能量和磷酸基团结合而生成ATP。这些反应逆行时需要吸收相等量的能量，因此构成“能障”（energy barrier），难以逆行。在糖异生途径中，这种“能障”必须借助于另外的酶促反应加以克服。

己糖激酶（或葡萄糖激酶）和6-磷酸果糖激酶-1所催化的两个反应的逆行过程，分别由葡萄糖6-磷酸酶和果糖二磷酸酶-1（fructose bisphosphatase-1）催化，以另外一种酶促反应绕过“能障”。这种由不同的酶催化两个单向反应使两种底物互变的循环称为底物循环（substrate cycle），见图4-10。

对于丙酮酸激酶所催化的不可逆反应，通过由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化的两步反应所构成的丙酮酸羧化支路（pyruvate carboxylation shunt），从而绕过磷酸烯醇式丙酮酸变为丙酮酸这一“能障”反应。丙酮酸羧化支路是耗能的酶促反应，它是许多物质在体内进行糖异生的必由之路（图4-11）。丙酮酸羧化酶的辅酶是生物素。该酶利用生物素固定CO ₂，消耗ATP催化丙酮酸羧化成草酰乙酸，这是线粒体内草酰乙酸的重要来源之一。

参与上述克服“能障”的4个酶——丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖二磷酸酶-1和葡萄糖-6-磷酸酶是糖异生途径的关键酶，催化不可逆反应。

线粒体内膜对物质的通透性有严格的选择性，几乎所有离子和不带电荷的小分子化合物都不能自由通过。糖异生途径中的关键物质──草酰乙酸就不能自由透过线粒体内膜，造成草酰乙酸在线粒体与胞质之间的交换受阻而构成“膜障”。为克服“膜障”，线粒体内膜两侧物质的交换依赖于内膜上的特殊蛋白质参与。这些特殊的蛋白质起着转运载体的作用。重要的蛋白载体有腺苷酸载体、谷氨酸/天冬氨酸载体和二羧酸载体等。这些载体还能协同作用，构成“穿梭系统”（shuttle system），克服“膜障”，完成转运。

丙酮酸羧化酶只存在于线粒体内，而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在线粒体和胞质中都存在。因此，胞质中的丙酮酸必须进入线粒体，羧化生成草酰乙酸。草酰乙酸可直接转变为磷酸烯醇式丙酮酸再进入胞质，或者依赖于苹果酸穿梭（苹果酸脱氢酶的作用下还原成苹果酸）或天冬氨酸穿梭系统（谷草转氨酶催化生成天冬氨酸）经载体完成线粒体内膜两侧转运（图4-12）。

乳酸脱氢生成NADH+H ⁺可供1，3-二磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛，故丙酮酸进入线粒体羧化生成草酰乙酸后，以天冬氨酸穿梭系统出线粒体。再转变成草酰乙酸循糖异生途径合成葡萄糖。

当以丙氨酸等生糖氨基酸或丙酮酸为原料进行糖异生时，草酰乙酸以苹果酸穿梭出线粒体，再脱氢生成NADH+H ⁺以供利用。

在甘油激酶的作用下，消耗1分子ATP生成3-磷酸甘油，再脱氢生成磷酸二羟丙酮，再循糖异生途径合成葡萄糖。

糖异生途径与糖酵解途径是方向相反的两条代谢途径。要进行有效的糖异生，就必须抑制糖酵解，反之亦然。激素和代谢物对糖异生与糖酵解的调节主要通过对关键酶的调节来实现。

胰高血糖素和胰岛素都可通过影响肝脏酶的磷酸化修饰状态来调节糖异生作用。胰高血糖素促进丙酮酸激酶磷酸化而使之受到抑制，阻止磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸转变，抑制糖酵解。胰高血糖素促进双功能酶（6-磷酸果糖激酶2/果糖2，6-二磷酸酶）磷酸化，降低2，6-二磷酸果糖在肝脏的浓度而促进1，6-二磷酸果糖转变为6-磷酸果糖，有利于糖异生过程。胰岛素的作用则与胰高血糖素正相反。

此外，胰高血糖素和胰岛素还分别诱导或阻遏糖异生和糖酵解的关键酶。胰高血糖素/胰岛素比例增高可诱导大量磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖6-磷酸酶等促进糖异生的酶合成而阻遏葡萄糖激酶和丙酮酸激酶的合成。

胰高血糖素促进脂肪组织分解脂肪，增加血浆脂肪酸，抑制糖的氧化，促进糖异生；而胰岛素的作用则正相反。

一般，对糖异生关键酶起变构激活作用的代谢物，对糖酵解途径的关键酶就是变构抑制剂；而变构抑制糖异生途径关键酶的代谢物，就是糖酵解关键酶的变构激活剂。

血浆中乳酸、甘油和氨基酸浓度增加时，增强糖异生作用。例如，激烈运动时，血液中乳酸含量剧增；在饥饿情况下，脂肪动员增加，组织蛋白质分解加强，血液中的甘油和氨基酸增高，都可促进糖异生作用。

乙酰CoA浓度决定了丙酮酸代谢的方向。高浓度的乙酰CoA可以抑制丙酮酸脱氢酶系，使丙酮酸大量积累，为糖异生提供原料，同时又可激活丙酮酸羧化酶，加速丙酮酸生成草酰乙酸，增强糖异生作用。此外，乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸由线粒体内透出而进入细胞质中，可以抑制磷酸果糖激酶，使果糖二磷酸酶活性升高，促进糖异生。

ADP是糖异生的1，6-二磷酸果糖酶-1的变构抑制剂，是糖酵解中6-磷酸果糖激酶-1的变构激活剂。ATP是6-磷酸果糖激酶-1的变构抑制剂。这两个酶相互协调，共同调节糖异生和糖酵解。肝细胞内ATP/ADP比值增加时，糖异生加强而糖酵解被抑制；反之，当ATP/ADP比值下降时，糖酵解加速，而糖异生被抑制。

2，6-二磷酸果糖不仅是6-磷酸果糖激酶-1最强烈的变构激活剂，也是1，6-二磷酸果糖酶-1的变构抑制剂。在葡萄糖供应充足时，2，6-二磷酸果糖浓度增高激活6-磷酸果糖激酶-1，抑制1，6-二磷酸果糖酶-1，加快糖酵解过程。在葡萄糖供应缺乏时，2，6二磷酸果糖浓度降低，减弱了对6-磷酸果糖激酶-1的激活，解除了对1，6-二磷酸果糖酶-1的抑制，糖异生加强。

糖异生作用最重要的生理意义是在空腹或饥饿状态下维持血糖浓度的相对恒定，即使禁食数周，血糖浓度仍可维持4mmol/L（70mg/dl）左右，这对于保证主要依靠葡萄糖供能的组织细胞（如大脑、红细胞等）的正常功能具有重要意义。在安静状态下，正常成人每天体内葡萄糖的消耗量为：大脑约125g，肌肉约50g，血细胞约50g。仅这几种组织的耗糖量就多达225g，而肝糖原只有150g左右，如果只依赖肝糖原维持血糖浓度，最多可维持12小时，机体必须通过糖异生获得葡萄糖，才能维持血糖浓度的相对恒定。

糖异生是肝脏补充或恢复糖原的重要途径，这在饥饿后进食的情况下更为重要。肝脏灌注和肝细胞培养实验表明：只有当葡萄糖浓度达12mmol/L以上时，才观察到肝细胞摄取葡萄糖。这么高浓度的葡萄糖在体内是很难达到的，即使在消化吸收时期，门静脉的血液中葡萄糖浓度也只达8mmol/L。原因主要是葡萄糖激酶的K _m太高导致肝摄取葡萄糖能力低。当在灌注液中加入一些可异生成糖原的甘油、谷氨酸、丙酮酸、乳酸，则肝糖原迅速增加。同位素示踪研究表明，摄入的葡萄糖相当一部分先分解成丙酮酸、乳酸等三碳化合物，然后再异生成糖原，该途径即三碳途径，也称为间接途径。相应的葡萄糖经UDPG合成糖原的过程称为直接途径（见本章第五节）。

目前认为，肝脏主要通过三碳途径合成糖原，这主要与6-磷酸葡萄糖激酶对葡萄糖亲和力低，而肝细胞中含有活力高的糖异生途径的酶有关。肌肉细胞主要以直接合成方式合成糖原，这也与肌肉己糖激酶对葡糖亲和力高，肌肉细胞缺乏糖异生功能有关。

在缺氧情况下（如剧烈运动、呼吸或循环衰竭等），肌肉中糖酵解增强，生成大量乳酸，红细胞糖酵解也产生乳酸，这些乳酸均经细胞膜弥散入血并运送至肝脏，通过糖异生作用合成肝糖原或葡萄糖，葡萄糖再释放入血液被肌肉等组织摄取，如此构成一个循环，称为乳酸循环（lactate cycle），也称为Cori氏循环（图4-13）。虽然乳酸循环是耗能的过程，2分子乳酸异生成葡萄糖需消耗6分子ATP，但该循环对体内乳酸的再利用，防止发生乳酸中毒，促进肝糖原的不断更新有着重要生理意义。

长期禁食后，肾糖异生作用增强，可能是饥饿造成的代谢性酸中毒造成的。此时，体液pH降低，促进肾小管细胞的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，使糖异生作用增强。另外，当肾脏中α-酮戊二酸因异生成糖而减少时，肾小管细胞将加快谷氨酰胺脱氨生成谷氨酸，肾小管细胞将NH ₃分泌入管腔中，与原尿中H ⁺结合，降低原尿中H ⁺的浓度，有利于排氢保钠作用的进行，对于防止酸中毒有重要作用。