代谢的整合和调节

代谢的整体性

体内代谢过程互相联系形成整体

  • 物质代谢与能量代谢相互关联
    • 一般情况下供能以糖及脂肪为主
    • 因疾病不能进食或无食物供给时,肝糖异生增强,蛋白质分解增强
    • 如饥饿持续一周以上,长期糖异生增强使蛋白质大量分解,威胁生命
    • 任一供能物质的分解代谢占优势,常能抑制其他供能物质的氧化分解
  • 糖、脂蛋白质代谢通过中间代谢产物而互相联系
    1. 糖-脂:
      • 葡萄糖可转变为脂肪酸:糖代谢生成乙酰 CoA,在胞质中用于脂肪酸合成
      • 脂肪酸不能转变为葡萄糖:脂肪酸(偶数碳链)线粒体内 β-氧化生成的乙酰 CoA 不能生糖
      • 甘油可以在肝、肾、肠等组织甘油激酶的作用下转变为磷酸甘油,进入糖酵解,但是量极少
      • 糖供给不足或者糖代谢障碍时,生成大量酮体,而由于缺乏草酰乙酸导致大量酮体并不能进三羧酸循环氧化,在血中堆积,造成高酮血症
    2. 糖-氨基酸:糖与大部分氨基酸(除了生酮氨基酸)可以互相转变
    3. 氨基酸-脂
      • 氨基酸都可以分解生成乙酰CoA,为脂质的合成提供原料
      • 还可以作为磷脂合成的原料
      • 但是脂肪酸、胆固醇不能变为氨基酸,仅能通过甘油异生为糖后转变为某些非必需氨基酸,但是量很少
    4. 氨基酸、磷酸戊糖是合成核苷酸的原料
      • 嘌呤:甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、一碳单位
      • 嘧啶:天冬氨酸、谷氨酰胺、一碳单位
“只进不出”的脂肪
糖、蛋白质(氨基酸)均可以转换为脂肪,但脂肪(甘油、奇数链脂肪氧化生成的丙酰 CoA 忽略不计)不能转换为糖或蛋白质(氨基酸)。

代谢的主要调节方式

调节关键酶的活性

关键酶活性决定整个代谢途径的速度和方向

  • 快速调节:化学修饰、别构调节、酶原激活
  • 迟缓调节:改变酶蛋白分子的合成/降解速度,改变细胞内酶的含量

主要物质代谢在人体内的分布

物质代谢
分布
物质代谢
分布
糖代谢
脂质代谢
有氧氧化、无氧氧化组织偏好脂肪动员白色脂肪
磷酸戊糖途径脂质合成旺盛的组织(肝、
脂肪、哺乳期乳腺),增
殖活跃的组织(骨髓、肿
瘤),红细胞
甘油利用肝(甘油激酶)
糖原合成和分解肝、骨骼肌脂肪分解除脑外的大多数组织,以
肝、心肌、骨骼肌能力最强
糖异生肝(主要)、肾酮体生成
氨基酸代谢
酮体利用心、肾、脑、骨骼肌
转氨基作用肝(ALT)、心肌(AST)甘油三酯合成甘油二酯途径:肝、脂肪组织
甘油一酯途径:小肠
L-谷氨酸脱氢酶肝、肾、脑等甘油磷脂合成各组织,以肝、肾、肠等活
性最高
尿素合成(尿素合成特异性器官)鞘氨醇合成各组织,以脑活性最高
核苷酸代谢
胆固醇合成各组织,主要是肝
嘌呤核苷酸合成从头合成:肝(主要)、
小肠黏膜、胸腺
补救合成:脑、骨髓
胆固醇转化肝;肾上腺皮质、睾丸、卵
巢;皮肤
嘧啶核苷酸合成主要是肝

主要代谢途径(多酶体系)在细胞内的分布

分布代谢途径(多酶体系)
细胞核DNA、RNA 合成
细胞质糖原合成,脂肪酸合成糖酵解,磷酸戊糖途径
内质网磷脂合成、@脂肪酸延长(≤ 24 碳)
线粒体三羧酸循环,氧化磷酸化、脂肪酸延长(24–26 碳)
内质网 + 细胞质蛋白质合成,胆固醇合成
细胞质 + 线粒体血红素合成,尿素合成,糖异生,脂肪酸氧化
溶酶体多种水解酶
  1. 别构调节通过别构效应改变关键酶活性:代谢产物的堆积表明其代谢过强,超过了需求,常可使其代谢途径的关键酶受到别构抑制,从而降低整个代谢途径的强度,避免产生超过需要的产物
  2. 化学修饰通过酶促共价修饰调节酶的活性:
    • 磷酸化/去磷酸化、乙酰化/去乙酰化、化学修饰的方式、甲基化/去甲基化、腺苷化/去腺苷化、-SH 与-S-S-互变
    • 磷酸化/去磷酸化最多见,通常需要消耗能量,酶蛋白分子中丝氨酸、苏氨酸以及酪氨酸 苏苏洛 的羟基是磷酸化修饰的位点。
    • 酶促化学修饰由于具有酶促反应的放大效应,催化效率比变构调节高

激素通过特异性受体调节靶细胞代谢

通过神经-体液途径协调整体代谢

  1. 饱餐状态:
    1. 高糖饮食
      • 胰岛素明显水平升高,葡萄糖转变为糖原、甘油三酯等物质进行存储
    2. 高蛋白饮食
      • 胰岛素水平中度升高,胰高血糖素水平升高,共同作用使得肝糖原分解补充血糖、供应脑组织
      • 小肠吸收的氨基酸在肝异生为糖
      • 部分氨基酸转化为乙酰CoA合成甘油三酯
    3. 高脂饮食
      • 胰高血糖素升高,胰岛素水平降低
      • 肝糖原分解补充血糖
      • 肌肉组织氨基酸分解、转化为丙酮酸,输送至肝异生为糖
  2. 空腹状态:
    1. 餐后 12 小时后
      • 胰岛素水平降低,胰高血糖素升高
    2. 餐后 6–8 小时
      • 肝糖原已经开始在胰高血糖素的作用下分解血糖
    3. 餐后 12–18 小时
      • 肝糖原即将耗尽,主要靠糖异生补充血糖,脂肪动员中度增加
  3. 饥饿状态:
    1. 短期饥饿(1-3天未进食)
      • 糖氧化供能减少,脂肪动员加强
      • 机体从葡萄糖氧化供能转变为脂肪氧化供能为主
      • 肝糖异生明显增强,主要来源于氨基酸
      • 骨骼肌蛋白质分解加强
    2. 长期饥饿(未进食3天以上,饥饿4-7天)
      • 脂肪动员进一步加强(可引起酮症酸中毒等严重代谢紊乱而致死)
      • 蛋白质分解减少
      • 糖异生明显减少
  4. 应激状态:与糖皮质激素的生理功能一致
    • 肝糖原分解加强,血糖升高;肌糖原分解加强,血乳酸增加
    • 脂肪动员加强,甘油、游离脂肪酸增加,酮体生成增加
    • (肌)蛋白质分解加强,血氨基酸浓度升高

人体主要器官代谢特点

人体内主要器官代谢特点

人体内主要器官代谢特点

    • 可以消耗葡萄糖、脂肪酸、甘油、氨基酸等,但不能利用酮体
    • 肝合成的糖原可达肝重的5%
    • 具有糖异生、酮体生成等特异性的代谢方式
    • 可以大量合成脂肪,但不能存储脂肪,肝细胞合成的脂肪随合成的VLDL释放入血
    • 葡萄糖和酮体是主要能量物质
    • 脑耗氧量高达全身总耗氧量1/4,是静息状态下单位重量组织耗氧量最大的器官
    • 具有特异的氨基酸及其代谢调节机制
  1. 心肌
    • 含有多种硫激酶,心肌优先利用脂肪酸分解供能
    • 也有丰富的酮体利用酶,使用酮体供能
    • 心肌富含LDH1,有利于乳酸氧化供能
    • 所以会抑制葡萄糖酵解
    • 所以主要通过有氧氧化,氧化脂肪酸,酮体和乳酸,极少进行糖酵解
    • 在饱餐状态下,不排斥利用葡萄糖,餐后数小时或饥饿时用脂肪酸和酮体,运动后利用乳酸
  2. 骨骼肌
    • 不同骨骼肌产能方式不同
      • 红肌(持久):耗能多,主要靠氧化磷酸化供能
      • 白肌(爆发):耗能少,主要靠糖酵解供能
    • 骨骼肌适应不同耗能状态选择不同能源
      • 直接能量来源:ATP(含量有限,不足以维持持续、剧烈运动)
      • ATP消耗后:磷酸肌酸间接利用)将高能磷酸键转移给ADP,生成ATP
      • 储备:肌糖原(不能补充血糖)
      • 静息状态下:有氧氧化肌糖原、脂肪酸、酮体
      • 剧烈运动时:无氧氧化
      • 乳酸循环:是整合糖异生与肌糖酵解途径的重要机制
  3. 脂肪组织
    • 摄取的能量存储于脂肪组织
      • 膳食脂肪:以乳糜微粒的形式运输至脂肪,在脂蛋白脂肪酶的作用下被水解摄取,用于合成脂肪细胞内脂肪存储
      • 膳食糖
        • 运输至肝转化为脂肪,以VLDL的形式运输至脂肪组织,在LPL作用下被水解摄取,合成脂肪存储于脂肪细胞
        • 脂肪细胞也能将糖转化为脂肪储存
    • 饥饿时主要靠分解存储于脂肪组织的脂肪供能
      • 脂解激素将脂肪组织的能量以脂肪酸和甘油的形式释放入血
      • 肝可以将脂肪酸分解为酮体,经血液运输至肝外利用
    • 供能
      • 肾髓质无线粒体,主要靠糖酵解供能
      • 肾皮质主要靠脂肪酸及酮体氧化供能
    • 糖异生:
      • 一般情况下肾糖异生产生的葡萄糖较少,只有肝的 10%,但长期饥饿后,糖异生的量大量增加,可跟肝几乎相等
      • 肾糖异生有调节酸碱平衡的作用
    • 酮体生成:极少