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生物化学与分子生物学/代谢的整体性

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代谢的整合与调节- 代谢的整体性 - 代谢调节的主要方式 - 体内重要组织和器官的代谢特点

体内代谢过程互相联系形成—个整体[编辑]

代谢的整体性[编辑]

在体内进行代谢的物质各种各样,不仅有糖、脂质、蛋白质这样的大分子营养物质,也有维生素这样的小分子物质,还有无机盐、甚至水。它们的代谢不是孤立进行的,同一时间机体有多种物质的代谢在进行,需要彼此间相互协调,以确保细胞乃至机体的正常功能。事实上,人类摄取的食物,无论动物性或植物性食物均同时含有蛋白质、脂质、糖类、水、无机盐及维生素等。从消化吸收开始、经过中间代谢、到代谢废物排出体外,这些物质的代谢都是同时进行的,且互有联系、相互依存,各种物质的代谢之间相互联系构成统一的整体。如糖、脂肪在体内氧化释出的能量可用于核酸、蛋白质等的生物合成,各种酶蛋白合成后又催化糖、脂质、蛋白质等物质代谢按机体的需要顺利进行。

体内各种代谢物都具有各自共同的代谢池[编辑]

人体主要营养物质如糖、脂质、蛋白质,既可以从食物中摄取,多数也可以在体内自身合成。在进行中间代谢时,机体不分彼此,无论自身合成的内源性营养物质和食物中摄取的外源性营养物质,均组成为共同的代谢池 (metabolic pool), 根据机体的营养状态和需要,同样地进入各种代谢途径进行代谢。如血液中的葡萄糖,无论是从食物中消化吸收的、肝糖原分解产生的、氨基酸转变产生的或是由甘油转化生成的,都参与组成血糖,在机体需要能量时,均可在各组织进行有氧氧化或无氧氧化,释放出能量供机体利用,机会均等。

体内代谢处于动态平衡[编辑]

体内各种营养物质的代谢总是处于一种动态的平衡之中。在正常生理状态下,体内糖、脂质、蛋白质等物质面临多条代谢途径,或合成或分解,有获取则随之被转变(消耗),有消耗则适时获得补充,使其中间代谢物不会出现堆积或匮乏的现象。如血糖浓度虽然维持一定浓度范围,但其成分每分钟钟都在不断更新。体内其他物质也均如此处于动态平衡之中。

氧化分解产生的NADPH为合成代谢提供所需的还原当量[编辑]

体内许多生物合成反应是还原性合成,需要还原当量,这些生物合成反应才能顺利进行。体内合成代谢所需的还原当量的主要提供者是NADPH,它主要来源于葡萄糖的磷酸戊糖途径。所以,NADPH能将氧化反应和还原反应联系起来,将物质的氧化分解与还原性合成联系起来,将不同的还原性合成联系起来。如葡萄糖经磷酸戊糖途径分解生成的NADPH, 既可为乙酰辅酶A合成脂肪酸,也可为乙酰辅酶A合成胆固醇提供还原当量。

物质代谢与能量代谢相互关联[编辑]

糖、脂肪及蛋白质是人体的主要能量物质,虽然这三大营养物质在体内分解氧化的代谢途径各不相同,但都有共同的中间代谢物乙酰辅酶A。三羧酸循环和氧化磷酸化是糖、脂肪、蛋白质最后分解的共同代谢途径,释出的能盘均以ATP形式储存。
机体的各种生命活动如生长、发育、繁殖、修复、运动,包括各种生命物质的合成等均需要能量。人体能量的来源是营养物质,但糖、脂肪、蛋白质中的化学能不能直接用于各种生命活动,机体需氧化分解营养物质,释放出化学能,并将其大部分储存在可供各种生命活动直接利用的ATP中。ATP作为机体可直接利用的能量载体,将产能的营养物质分解代谢与耗能的物质合成代谢联系在一起、将代谢与其他生命活动联系在一起。
从能量供应角度看,三大营养物质可以互相替代、互相补充,但也互相制约。一般情况下,供能以糖及脂肪为主,并尽量减少蛋白质的消耗。这不仅因为动物及人摄取的食物中以糖类最多,占总热量的50%~70%; 脂肪摄入量虽然不是最多,占总热量的10%~40%, 但它是机体储能的主要形式,可达体重的20%或更多(肥胖者可达30%~40%); 还因为蛋白质是机体最重要的组成成分,通常无多余储存。在因疾病不能进食或无食物供给时,为保证血糖恒定,肝糖异生增强,蛋白质分解加强。如饥饿持续(一周以上),长期糖异生增强使蛋白质大量分解,势必威胁生命,故机体通过调节作用转向以保存蛋白质为主,体内各组织包括脑组织以脂肪酸及酮体为主要能源,蛋白质的分解明显降低。
糖、脂肪、蛋白质都通过三羧酸循环和氧化磷酸化彻底氧化供能,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。如脂肪分解增强,生成ATP增多,ATP/ADP比值增高,可别构抑制糖分解代谢关键酶——磷酸果糖激酶-1的活性,可减缓葡萄糖的分解代谢。另一方面,上述物质又可激活果糖二磷酸酶-1,促进糖异生,将非糖物质转化为糖,使富裕的能源物质部分以糖原的形式储存起来。若葡萄糖氧化分解增强使ATP增多时,可抑制异柠檬酸脱氢酶活性,导致柠檬酸堆积;后者透出线粒体,激活乙酰辅酶A羧化酶,促进脂肪酸合成、抑制脂肪酸分解。

糖、脂质和蛋白质代谢通过中间代谢物而相互联系[编辑]

体内糖、脂质、蛋白质和核酸等的代谢不是彼此孤立的,而是通过共同的中间代谢物、三羧酸循环和生物氧化等彼此联系、相互转变。一种物质的代谢障碍可引起其他物质的代谢紊乱,如糖尿病时糖代谢的障碍,可引起脂质代谢、蛋白质代谢甚至水盐代谢紊乱。

葡萄糖可转变为脂肪酸[编辑]

当摄入的葡萄糖超过体内需要时,除合成少量糖原储存在肝及肌外,葡萄糖氧化分解过程中生成的柠檬酸及最终产生的ATP增多,可别构激活乙酰辅酶A羧化酶,使葡萄糖分解产生的乙酰辅酶A羧化成丙二酸单酰辅酶A,进而合成脂肪酸及脂肪。这样,可将葡萄糖转变成脂肪储存于脂肪组织。所以,摄取不含脂肪的高糖膳食过多,也能使人血浆甘油三酯升高,并导致肥胖。但是,脂肪分解产生的脂肪酸不能在体内转变为葡萄糖,因为脂肪酸分解生成的乙酰辅酶A不能逆行转变为丙酮酸。尽管脂肪分解产生的甘油可以在肝、肾、肠等组织甘油激酶的作用下转变成磷酸甘油,进而转变成糖,但与脂肪中大最脂肪酸分解生成的乙酰辅酶A相比,其量极少。此外,脂肪酸分解代谢能否顺利进行及其强度,还依赖于糖代谢状况。当饥饿、糖供给不足或糖代谢障碍时,尽管脂肪可以大量动员,并在肝经β-氧化生成大量酮体,但由于糖代谢不能满足相应的需要,草酰乙酸生成相对或绝对不足,导致大量酮体不能进入三羧酸循环氧化,在血中蓄积,造成高酮血症。

葡萄糖与大部分氨基酸可以相互转变[编辑]

组成人体蛋白质的20种氨基酸中,除生酮氨基酸(亮氨酸、赖氨酸)外,都可通过脱氨作用,生成相应的α-酮酸。这些α-酮酸可转变成某些能进入糖异生途径的中间代谢物,循糖异生途径转变为葡萄糖。如丙氨酸经脱氨基作用生成的丙酮酸,可异生为葡萄糖。精氨酸、组氨酸、脯氨酸可先转变成谷氨酸,进一步脱氨生成α-酮戊二酸,再经草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸异生为葡萄糖。葡萄糖代谢的一些中间代谢物,如丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等也可氨基化生成某些非必需氨基酸。但苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、苯丙氨酸及色氨酸等9种氨基酸不能由糖代谢中间物转变而来。总之,20种氨基酸除亮氨酸及赖氨酸外均可转变为糖,而糖代谢中间代谢物仅能在体内转变成11种非必需氨基酸。

氨基酸可转变为多种脂质但脂质几乎不能转变为氨基酸[编辑]

体内的氨基酸,无论是生糖氨基酸、生酮氨基酸(亮氨酸、赖氨酸),还是生酮兼生糖氨基酸(异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、苏氨酸,均能分解生成乙酰辅酶A,经还原缩合反应可合成脂肪酸,进而合成脂肪。氨基酸分解产生的乙酰辅酶A也可用于合成胆固醇。氨基酸还可作为合成磷脂的原料,如丝氨酸脱羧可变为乙醇胺,乙醇胺经甲基化可变为胆碱。丝氨酸、乙醇胺及胆碱分别是合成丝氨酸磷脂、脑磷脂及卵磷脂的原料。所以,氨基酸能转变为多种脂质。但脂肪酸、胆固醇等脂质不能转变为氨基酸,仅脂肪中的甘油可异生成葡萄糖,转变为某些非必需氨基酸,但量很少。

一些氨基酸、磷酸戊糖是合成核苷酸的原料[编辑]

嘌呤碱从头合成需要甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺和一碳单位为原料;嘧啶碱从头合成需要天冬氨酸、谷氨酰胺和一碳单位为原料。一碳单位是一些氨基酸在分解过程中产生的。这些氨基酸可直接作为核苷酸合成的原料、也可转化成核苷酸合成的原料。核苷酸中的另一成分磷酸戊糖是葡萄糖经磷酸戊糖途径分解的重要产物。所以,葡萄糖和一些氨基酸可在体内转化为核酸分子的组成成分。