物质代谢的联系

物质代谢的联系 第一节 物质代谢的特点 机体与环境之间不断进行糖、脂及蛋白质等物质的交换， 即物质代谢。物质代谢是生命的本质特征，是生命活动的物质 基础。其特点为：整体性、在精细的调节下进行、维持动态平 衡、有共同的代谢池、ATP是“通用的高能化合物”、NADPH 是合成代谢所需的还原当量。 整体性是指糖、脂、蛋白质、水、无机盐、维生素等物质 的代谢是同时进行，彼此相互联系，或相互转变，或相互依存， 构成统一的整体。正常情况下，机体各种物质代谢能适应内外 环境不断的变化，有条不紊地进行。这是由于机体存在精细的 调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度以适应 内外环境的变化。代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要 特征。由于各组织、器官的结构不同所含有酶系的种类和含量 各不相同，因而代谢途径及功能各异，各具特色。例如肝在糖、 脂和蛋白质代谢上具有特殊重要的作用，是人体物质代谢的枢 纽。脂肪组织的功能是储存和动员脂肪，含有脂蛋白脂肪酶及 特有的激素敏感甘油三酯脂肪酶（HSL），而脑组织及红细胞因为不储存糖原，则以葡萄糖为唯一能源。无论是体外摄入的营 养物质或体内各组织的代谢物，只要是同一化学结构的物质在 进行中间代谢时，不分彼此，参与到共同的代谢池中进行代谢。 糖、脂及蛋白质在体内分解氧化释放出的能量，均储存在ATP 的高能磷酸键中。生命活动如生长、发育、繁殖、运动等所涉 及的蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的合成，肌收缩，神经 冲动的传导，以及细胞渗透压及形态的维持均直接利用ATP。 许多参与氧化分解代谢的脱氢酶常以NAD为辅酶，而参与还原 1 合成代谢的还原酶则多以NADPH为辅酶，提供还原当量。 第二节 物质代谢的相互联系 糖、脂、蛋白质可以在体内氧化供能。乙酰CoA是三大营 养物质共同的中间代谢物，三羧酸循环是糖、脂、蛋白质最后 分解的共同代谢途径。在能量供应上三大营养素可以相互代替， 并相互制约。一般情况下，糖是机体的主要供能物质，脂肪是 机体储能的主要形式。而蛋白质是组成细胞的重要物质，通常 并无多余的储存。由于糖、脂、蛋白质分解代谢有共同的通路， 所以任何一种供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他供 能物质的降解。 体内糖、脂、蛋白质和核酸等的代谢不是彼此独立，而是 相互关联的。它们通过共同的中间代谢物，即两种代谢途径汇 合时的中间产物，三羧酸循环和生物氧化等连成整体。三者之 间互相转变，当一种物质代谢障碍时可引起其他物质代谢的紊 乱，如糖尿病时糖代谢的障碍，可引起脂代谢、蛋白质代谢甚 至水盐代谢的紊乱。 糖代谢与脂代谢的相互联系:当摄入的糖量超过体内能量消耗时，除合成少量糖原储存在肝及肌肉组织外，生成的柠檬酸 及ATP可变构激活乙酰CoA羧化酶，使由糖代谢产生的乙酰CoA得以羧化成丙二酰CoA，进而合成脂酸及脂肪，即糖可以转变为脂肪。这就是为什么摄取不含脂肪的高糖膳食可使人肥 胖及甘油三酯升高的原因。而脂肪绝大部分不能在体内转变为 糖。这是因为脂酸分解生成的乙酰辅酶A不能转变为丙酮酸， 因为丙酮酸转变成乙酰辅酶A这步反应是不可逆的。尽管脂酸分解产物之一甘油可以在肝、肾、肠等组织中甘油激酶作用下 转变为磷酸甘油，进而转变成糖，但其量和脂肪中大量分解生 2 成的乙酰辅酶A相比是微不足道的。此外，脂肪分解代谢的强 度及顺利进行还是依赖于糖代谢的正常进行。当饥饿或糖供给 不足或代谢障碍时，引起脂肪大量动员，脂酸进入肝β氧化生成酮体量增加，由于糖的不足，致使草酰乙酸相对不足，由脂 酸分解生成的过量酮体不能及时通过三羧酸循环氧化，造成血 酮体升高，产生高酮血症。 糖代谢与氨基酸代谢的相互联系:体内蛋白质中的20种氨基酸，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-酮酸可通过三羧酸循环及生物氧化 生成CO和HO并释放出能量，也可转变成某些中间代谢物如22 丙酮酸，循糖异生途径转变为糖。同时糖代谢的一些中间产物 也可氨基化成某些非必需氨基酸。但是苏、缬、亮、异亮、蛋、 苯丙、色、赖氨酸8种氨基酸不能由糖代谢中间物转变而来， 必须由食物供给，因此称为必需氨基酸。由此可见，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12种非必需氨基酸，其余8种必需氨基酸必须从食物摄取。 脂类代谢与氨基酸代谢的相互联系:无论生糖、生酮氨基酸还是生糖兼生酮氨基酸（异亮、苯丙、色、酪、苏氨酸）分解后 均生成乙酰辅酶A，后者经还原缩合反应可合成脂酸进而合成 脂肪，即蛋白质可以转变为脂肪。乙酰辅酶A也可合成胆固醇以满足机体的需要。此外，氨基酸也可作为合成磷脂的原料， 但脂类不能转变为某些非必需氨基酸，仅脂肪的甘油可通过生 成磷酸甘油醛，循糖酵解途径逆行反应生成糖，转变为某些非 必需氨基酸。 核酸与氨基酸代谢的相互关系:氨基酸是体内核酸的重要原 3 料，如嘌呤的合成需甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺及一碳单位； 嘧啶的合成需天冬氨酸、谷氨酰胺及一碳单位为原料。合成核 苷酸所需的磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供。 第三节 组织器官的代谢特点及联系 机体各组织、器官的代谢由于细胞分化和结构不同及功能差 异，而各具特色。 肝是机体物质代谢的枢纽，是人体的中心生化工厂。它的耗 氧量占全身耗氧量的20%，在糖、脂、蛋白质、水、无机盐及 维生素代谢中具有独特而重要的作用。肝储存的糖原最多，又 含有葡萄糖6-磷酸酶，分解糖原，以维持血糖含量恒定；还可 以进行糖异生作用。而肌肉因缺乏葡萄糖6-磷酸酶，不能进行糖异生作用。 心脏依次以酮体、乳酸、自由脂酸及葡萄糖为耗用的能源物 质,并以有氧氧化途径为主。 脑是机体耗能大的器官，几乎以葡萄糖为唯一供能物质，每 天消耗葡萄糖约100g,由于脑无糖原储存，其耗用的葡萄糖主要 由血糖供应。长期饥饿时，则主要利用肝生成的酮体作为能源。 饥饿两周后耗用酮体可占耗氧量的60%。 肌肉组织通常以氧化脂酸为主，在剧烈运动时则以糖酵解产 生的乳酸为主由于肌肉缺乏葡萄糖6-磷酸酶，因此肌糖原不能直接分解成葡萄糖提供血糖。 红细胞的能量只能来自葡萄糖的酵解途径。不能利用脂酸及 其他糖类。脂肪组织是合成及储存脂肪的重要组织。又可以在 HSL的作用下把脂肪分解成甘油和脂酸入血。肾也可进行糖异 生和生成酮体，它是除肝外可进行这两种代谢的器官。在正常 情况下，肾生成的糖量仅占肝糖异生的10%，而长期饥饿时肾 4 几乎与肝生成葡萄糖的量相等。 第四节 代谢调节 物质代谢是生物的重要特征，也是生物进化过程中逐步形成 的一种适应能力，进化程度愈高的生物其代谢调节方式愈复杂。 高等动物的代谢调节可分三级水平，即细胞水平代谢调节、激 素水平代谢调节和以中枢神经为主导的整体水平代谢调节。细 胞水平代谢调节是基础，激素及神经对代谢的调节是通过细胞 水平代谢调节实现的，因此细胞水平代谢调节是主要的。 细胞水平代谢调节包括细胞内酶的隔离分布、变构调节、化 学修饰调节和酶含量的调节。 代谢途径有关酶类常常组成酶体系，分布于细胞的某一区域 或亚细胞结构中。例如：糖酵解酶系、糖原合成及分解酶系、 脂酸合成酶系均存在于胞液中，三羧酸循环酶系、脂酸β氧化 酶系则分布于线粒体，而核酸合成酶系绝大部分集中于细胞核 内。酶在细胞内隔离分布的意义是使有关代谢途径分别在细胞 的不同区域内进行，这样不致使各种代谢途径互相干扰。代谢 途径实质是一系列酶催化的化学反应，其速度和方向不是由这 条途径中每一单个酶而是其中一个或几个具有调节作用的关键 酶的活性所决定的。这些调节代谢的酶称为调节酶（regulatory enzymes）或关键酶（key enzymes）。调节酶或关键酶所催化的反应具有以下特点：?它催化的反应速度慢，因此又称为限速 酶（limiting velocity enzymes），它的活性决定整个代谢途径的总速度；?这类酶催化单向反应，或非平衡反应，因此它 的活性决定整个代谢途径的方向；?这类酶活性除受底物控制 外，还受多种代谢物或效应剂的调节。因此代谢调节主要是通 过对关键酶活性的调节而实现的。按调节的快慢可分为快速调 5 节及迟缓调节两类。快速调节在数秒及数分钟内即可发生调节， 是通过改变酶的分子结构，从而改变其活性来调节酶促反应的 速度。快速调节又分为变构调节及化学修饰调节两种。迟缓调 节则是通过对酶蛋白分子的合成或降解以改变细胞内酶的含量 的调节，一般需数小时或几天才能实现。 变构调节是指小分子化合物与酶蛋白分子活性中心以外的 某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶活 性，这种调节称为酶的变构调节或别位调节（allosteric regulation）。被调节的酶称为变构酶或别位酶（allosteric enzyme），使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂 （allosteric effector），能引起酶活性增加的为变构激活剂， 引起酶活性降低的则为变构抑制剂。代谢途径中的关键酶大多 是变构酶。变构酶常由两个以上亚基组成的具有一定构象的四 级结构的聚合体。在变构酶分子中有的亚基能与底物结合，起 催化作用，称为催化亚基；有的亚基能与变构效应剂结合而起 调节作用，称为调节亚基。变构效应剂是通过非共价键与调节 亚基结合，引起酶的构象改变，从而影响酶与底物的结合，使 酶的活性受到抑制或激活。有的变构效应剂与底物均结合在同 一亚基上，只是结合的部位不同。 变构效应物可以是酶的底物，也可以是酶体系的终产物或其 他小分子代谢物。它们在细胞内的浓度改变能灵活地反映代谢 途径的强度和能量供求情况，并使关键酶构象改变影响酶活性， 从而调节代谢的强度、方向以及细胞能量的供需平衡。变构效 应物引起酶分子构象的改变，有的现为亚基的聚合或解聚； 有的由原聚体聚合为多聚体从而引起活性的改变。变构调节的 生理意义即可以使代谢物的生成不致过多，还可使能量得以有 6 效利用。 酶的化学修饰是指酶蛋白肽链上某些氨基酸残基在酶的催 化下发生可逆的共价修饰（covalent modification）,从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化学修饰（chemical modification）。酶的化学修饰主要有磷酸化与脱磷酸化，乙酰化与脱乙酰化， 甲基化与脱甲基化，腺苷化与脱腺苷化及SH与—S—S---互变等方式，其中以磷酸化与脱磷酸化最为重要。是快速调节的另一 种重要方式。酶蛋白分子中丝氨酸、苏氨酸及酪氨酸的羟基是 磷酸化修饰的位点。酶蛋白的磷酸化是在蛋白激酶（protein kinase）的催化下，由ATP提供磷酸基及能量完成的，而脱磷 酸化则是由磷蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化的水解反应。完成酶的磷酸化与脱磷酸化反应是不可逆的，分别由蛋白 激酶及磷蛋白磷酸酶催化完成。 酶促化学修饰具有如下特点：?这类酶的绝大多数具有无活 性（或低活性）和有活性（或高活性）两种形式。?是由酶催 化引起的共价键的变化，且因其是酶促反应，故有放大效应。 催化效率常较变构调节高。?磷酸化与脱磷酸化是最常见的酶 促化学修饰反应，消耗能量。 变构调节与化学修饰调节只是调节酶活性的两种不同方式， 而对某一具体酶而言，它可同时受这两种方式的调节。变构调 节是细胞的一种基本调节机制，然而当效应剂浓度过低，不足 以与酶分子全部调节亚基或部位结合时，就不能使所有酶发挥 作用，故难以应急。当在应急情况下，少量激素的释放，即可 通过一系列级联酶促化学修饰反应，迅速引起关键酶活性的级 联放大及生理效应，以适应应激的需要。 除通过改变酶的活性外，还可以通过改变酶的合成或降解调 7 节代谢的速度和强度。由于酶的合成或降解所需时间较长，消 耗ATP量较多，通常要数小时甚至数日，属迟缓调节。 酶的底物、产物、激素或药物均可以影响酶的合成。一般加 速酶合成的化合物称为酶的诱导剂（inducer），减少酶合成的化合物称为酶的阻遏剂（repressor）。诱导剂和阻遏剂在酶蛋白生物合成的转录或翻译中发挥作用，以影响转录较常见。底 物、激素和药物可诱导酶的合成，而产物可阻遏酶的合成。改 变酶蛋白分子的降解速度也能调节细胞内酶的含量。细胞溶酶 体蛋白水解酶影响酶蛋白的降解。此外，细胞内由多种水解酶 组成的蛋白酶体可降解与泛素结合的蛋白酶。泛素诱导细胞周 期蛋白的降解在细胞周期的调节中起重要作用。 激素水平的代谢调节是通过激素来调节物质代谢。也是高等 动物体内代谢调节的重要方式。不同激素作用于不同组织产生 不同的生物效应表现出较高的组织特异性和效应特异性，这是 激素作用的一个重要特点。激素之所以能对特定的组织或细胞 发挥作用，是由于组织或细胞存在有特异识别和结合相应激素 的受体（receptor）。按激素受体在细胞的部位不同，可将激素 分为两大类：膜受体激素和胞内受体激素。膜受体是存在于细 胞表面质膜上的跨膜糖蛋白，膜受体激素包括胰岛素、生长激 素、促性腺激素、促甲状腺激素、甲状旁腺素等蛋白质类激素， 生长因子等肽类及肾上腺素等儿茶酚胺类激素。这些亲水的激 素难以越过脂双层构成的细胞表面质膜。这类激素作为第一信 使分子与相应的膜受体结合后，通过跨膜传递将所携带的信息 传递到细胞内。然后通过第二信使将信号逐级放大，产生生物 效应；胞内受体激素包括类固醇激素，前列腺素、甲状腺素、1， 25（OH）维生素 D及视黄酸等疏水性激素。这些激素可透过23 8 脂双层细胞质膜进入细胞。它们的受体大多数位于细胞核内， 激素与胞液中受体结合后再进入核内或与核内特异受体结合， 引起受体构象改变，然后与DNA的特定序列即激素反应元件 （hormone response element,HRE）结合调节相邻的基因转录， 进而影响蛋白质的合成，从而对细胞代谢进行调节。 当内外环境发生变化时，机体通过神经系统及神经体液对代 谢进行调节。以饥饿及应激时调节最为常见。 短期饥饿时肝糖原显著减少，血糖趋于降低，引起胰岛素分 泌减少和胰高血糖素分泌增加后，引起一系列的变化：肌肉蛋 白质分解加强；糖异生作用增加；脂肪动员加强；酮体生成增 多；组织对葡萄糖的利用降低。主要能量来源时储存的蛋白质 和脂肪，其中脂肪约占能量来源的85%以上。 长期饥饿时代谢的改变与短期饥饿不同：脂肪动员进一步加 强，肝生成大量的酮体，脑组织利用酮体增加，超过葡萄糖； 肌肉以脂酸为主要能源，以保证酮体优先供应脑组织；肌肉蛋 白分解减少，乳酸和丙酮酸成为肝糖异生的主要来源；肾糖异 生作用明显增强，几乎和肝相等；负氮平衡有所改善。 应激（stress）是人体受到一些异常的刺激，（创伤、剧痛、 冻伤、缺氧、中毒以及剧烈情绪激动等）所作出一系列反应的 “紧张状态”。此时，交感神经兴奋，肾上腺髓质及皮质激素分 泌增多，血浆胰高血糖素及生长激素水平增加，而胰岛素分泌 减少，引起一系列代谢变化：血糖升高、脂肪动员增强、蛋白 质分解增强。总的特点是分解代谢增强，合成代谢受到抑制。 1.比较酶的变构调节与化学修饰调节的异同。 2.短期饥饿体内糖、脂和蛋白质有何变化？ 9 3.试述变构酶的特点。 4.酶促化学修饰有何特点？ 5.糖、脂、蛋白质在机体内是否可以相互转变？简要说明理由。 10