代谢的整合与调节思维导图

这是一个关于代谢的整合与调节思维导图，代谢是指机体活细胞类的全部化学变化，其反应几乎全部是酶促反应。

代谢的整合与调节

• 代谢是指机体活细胞类的全部化学变化，其反应几乎全部是酶促反应
  • 代谢是生命活动的物质基础
  • 生命活动的基本特征:生物体内各种物质按一定规律不断进行新陈代谢
• 代谢的整体性
  • 体内代谢过程互相联系形成一个整体
    • 代谢的整体性
      • 物质的代谢是同时进行的，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
    • 体内各种代谢物都具有各自共同的代谢池
      • 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
    • 体内代谢处于动态平衡
      • • 体内各种营养物质的代谢总是处于一种动态的平衡之中
        • 生者化，化又生，生化即化生，新必陈，陈乃谢，新陈恒代谢
    • 氧化分解产生的NADPH为合成代谢提供所需的还原当量
      • 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
  • 物质代谢与能量代谢相互关联
    • 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，释出的能量均以ATP形式组成
    • 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
    • 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，三大营养物质可以相互替代，相互补充，但也相互制约
      • 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
      • 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
    • 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
    • 葡萄糖可转变为脂肪酸
      • 葡萄糖
        • 合成糖原储存(肝，肌肉)
        • 乙酰CoA
          • 合成脂肪(脂肪组织)
      • 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
      • 脂肪
        • 甘油
          • 甘油激酶/肝，肾，肠
            • 磷酸，甘油
              • 葡萄糖
        • 脂酸
          • 乙酰COA
            • 不能转换为葡萄糖
    • 葡萄糖与大部分氨基酸可以相互转变
      • 组成人体蛋白质的20种氨基酸中，除生酮氨基酸外都可通过脱氨作用生成相应α–酮酸
      • 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
      • 丙氨酸
        • +脱氨基
          • 丙酮酸
            • +糖异生
              • 葡萄糖
      • 糖
        • 丙酮酸
          • 丙氨酸
          • 草酰乙酸
            • 天冬氨酸，谷氨酸
            • +乙酰COA
              • 柠檬酸
                • α–酮戊二酸
    • 氨基酸可转变为多种脂质但脂质几乎不能转变为氨基酸
      • 氨基酸
        • 乙酰COA
          • 脂肪
      • 丝氨酸
        • 磷脂酰丝氨酸
        • 胆胺
          • 脑磷脂
          • 胆碱
            • 卵磷脂
    • 一些氨基酸，磷酸戊糖是合成核苷酸的原料
      • 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
      • 嘧啶碱床头合成需要天冬氨酸，谷氨酰胺和一碳单位为原料
• 代谢调节的主要方式
  • 细胞内物质代谢主要通过对关节酶活性的调节来实现
    • 带色调节的复杂程度，水净化程度增加而增高
      • 细胞水平代谢调节是基础，激素及神经对代谢的调节需通过细胞水平代谢调节实现
      • 细胞水平的代谢调节主要是酶水平的调节
      • 细胞内酶成隔离分布
      • 代谢途径的速度，方向由其中的关键酶的活性决定
      • 代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现
    • 各种代谢酶在细胞内区隔分布是物质代谢及其调节的亚细胞结构基础
      • 酶的这种区隔分布，能避免不同代谢途径之间彼此干扰，使同一代谢途径中的系列酶促反应能够更顺利的连续进行，既提高了代谢途径的进行速度，也有利于调控
    • 关键调节酶活性决定整个代谢途径的速度和方向
      • 关键酶的特点
        • 1常常催化一条代谢途径的第一步反应或分支点上的反应，速度最慢，其活性能决定整个代谢途径的总速度
        • 2常催化单向反应或非平衡反应，其活性能决定整个代谢途径的方向
        • 3酶活性除受底物控制外，还受多种效应剂调节
      • 关键酶催化的反应具有的特点
        • 1速度最慢
        • 2催化单向反应不可逆或不平衡反应
      • 代谢调节可按速度分为
        • 快速调节
          • 通过改变酶的分子结构改变酶活性，进而改变酶促反应速度，在数秒或数分钟内发挥调节作用
        • 迟缓调节
          • 通过改变酶蛋白分子的合成或降解速度，改变细胞内酶的含量，进而改变酶促反应速度。一般需数小时甚至数天才能发挥调节作用
    • 别构调节通过别构效应改变关键酶活性
      • 别构调节是生物界普遍存在的代谢调节方式
        • 一些小分子化合物能与酶蛋白分子活性中心外的特定部位特异结合，改变酶蛋白分子构象，从而改变酶活性
      • 别构效应剂通过改变酶分子构象改变酶活性
        • 机制
          • 酶的调节亚基还有一个"假底物"序列，当其结合催化亚基的活性位点时能阻止底物的结合，抑制酶活性，当效应剂分子结合调节亚基后，"假底物"序列构象变化，释放催化亚基使其发挥催化作用
          • 别构效应剂与调节亚基结合，能引起酶分子三级和四级结构在"T"构象与"R"构想之间互变，从而影响酶活性
      • 别构调节使一种物质的代谢与相应的代谢需求和相关物质的代谢协调
        • 别构效应既可能是酶的底物，也可能是酶促反应的终产物，或其他小分子代谢物
        • 别构调节作用
          • 1使其代谢途径的关键酶受到别的构抑制，避免产生超过需要的产物
          • 2别构调节可使机体根据需求生产能量，避免生产过多造成浪费
          • 3一些代谢中间产物可别构调节相关的多条代谢途径的关键酶，使这些代谢途径之间能协调进行
    • 化学修饰调节通过酶促共价修饰调节酶活性
      • 酶促共价修饰有多种形式
        • 酶蛋白肽链上某些氨基酸残基侧链可在另一酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而改变酶活性
        • 磷酸化与去磷酸化，乙酰化和去乙酰化，甲基化与去甲基化，腺苷化与去腺苷化
          • 磷酸化与去磷酸化是最常见的，且反应是不可逆的，分别由蛋白激酶，磷酸酶催化
      • 酶的化学修饰调节具有级联放大效应
        • 特点
          • 1绝大多数受化学修调节的关键雨都具无活性(或低活性)和有活性(或高活性)两种形式，它们可分别在两种不同随的化下发生共价修饰，互相转变。催化互变的静在体内受上游调节因素如激素控制
          • 2醇的化学修饰是另一病催化的促反应，一分子催化酶可催化多个底物酶分子发生共价修饰，特异性强，有放大放应
          • 磷酸化与去磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应。前的1分子亚基发生磷酸化常需要消耗1分子ATP，与合成酶蛋白所消耗的ATP要少得多，且作用迅速，又有放大效应，是调节酶活性经济有效的方式
          • 催化共价修饰的醇自身也常受别构调节、化学修饰调节，并与激素调节偶联，形成由信号分子(激素等)、信号转导分子和效应分子(受化学修饰调节的关键酶)组成的级联反应，使细胞内酶活性调节更精细协调
        • 同一个酶可以同时受别构调节和化学修饰调节
    • 通过改变细胞内酶含量调节酶活性
      • 改变酶含量也能改变酶活性，是重要的代谢调节方式
      • 诱导或阻遏酶蛋白编码基因表达调节酶含量
        • 因素:酶的底物，产物，激素和药物
      • 改变酶蛋白降解速度调节酶含量
        • 改变酶蛋白分子的降解速度是调节酶含量的重要途径
        • 酶蛋白降解的两条途径
          • 溶酶体蛋白水解酶可非特异降解酶蛋白质
          • 酶蛋白质的特异性降解通过ATP依赖的泛素–蛋白酶体途径完成
  • 激素通过特异性受体调节靶细胞的代谢
    • 内，外环境改变
      • 机体相关组织分泌激素
        • 激素与靶细胞上的受体结合
          • 靶细胞产生生物学效应，适应内外环境改变
    • 膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢
      • 膜受体是存在于细胞膜上的跨膜蛋白质
    • 胞内受体激素通过激素-胞内受体复合物改变基因表达，调节代谢
      • 存在于细胞质的胞内受体与激素结合后形成的激素受体复合物进入核内同样作用于激素反应元件，通过改变相应基因的表达，发挥代谢调节作用
  • 机体通过神经系统及神经-体液途径协调整体的代谢
    • 整体水平调节:在神经系统主导下，调节激素释放，并通过激素整合不同组织器官的各种代谢，实现整体调节，以适应饱食，空腹，饥饿，营养过剩，应激等状态，维持整体代谢平衡
    • 饱食状态下机体三大物质代谢与膳食组成有关
      • 摄入混合膳食后
        • 1饱食状态下，机体主要分解葡萄糖
        • 2未被分解的葡萄糖，部分在胰岛素作用下，在肝合成肝糖原、在骨骼肌合成肌糖原贮存；部分在肝内转换为丙酮酸、乙酰辅酶A，合成甘油三酯，以VLDL形式输送至脂肪等组织
        • 3吸收的甘油三酯部分经肝转换成内源性甘油三酯，大部分输送到脂肪组织、骨骼肌等转换、储存或利用
      • 摄入高糖膳食后
        • 1小肠吸收的葡萄糖部分在骨骼肌合成肌糖原、在肝合成肝糖原和甘油三酯，后者输送至脂肪等组织储存
        • 2大部分葡萄糖直接被输送到脂肪组织、骨骼肌、脑等组织转换成甘油三酯等非糖物质储存或利用
      • 摄入高蛋白膳食后
        • 1肝糖原分解补充血糖、供应脑组织
        • 2氨基酸主要在肝通过丙酮酸异生为葡萄糖，供应脑组织及其他肝外组织
        • 3部分氨基酸转化为乙酰辅酶A，合成甘油三酯
        • 4还有部分氨基酸直接输送到骨骼肌
      • 摄入高脂膳食后
        • 1肝糖原分解补充血糖、供给脑组织
        • 2肌组织氨基酸分解，转化为丙酮酸，输送至肝异生为葡萄糖，供应血糖及肝外组织
        • 3入肠吸收的甘油三酯主要输送到脂肪、肌组织
        • 4脂肪组织在接受吸收的甘油三酯同时，也部分分解脂肪成脂肪酸输送到其他组织
        • 5肝氧化脂肪酸，产生酮体，供应脑等肝外组织
    • 空腹机体代谢与糖原分解，糖异生和中度脂肪动员为特征
      • 空腹通常指餐后12小时以后，此时体内胰岛素水平降低，胰高血糖素升高
    • 饥饿时机体主要氧化分解脂肪供能
      • 短期饥饿后糖氧化供能减少而脂肪动员加强
        • 肝糖原基本耗尽
          • 血糖趋于降低
            • 氨基酸增加，胰岛素分泌极少，胰高血糖素分泌增加
              • 引起一系列的代谢变化
        • 机体从葡萄糖氧化功能为主转变为脂肪氧化功能为主
        • 脂肪动员加强且肝酮体生成增多
        • 肝糖异生作用明显增强
        • 骨骼肌蛋白质分解加强
      • 长期饥饿可造成器官损害甚至危及生命
        • 脂肪动员进一步加强
        • 蛋白质分解减少
        • 糖异生明显减少
    • 应激使机体分解代谢加强
      • 应激是机体或细胞为应对内，外环境刺激做出一系列非特异性反应
        • 刺激包括中毒，感染，发热，创伤，疼痛，大剂量运动或恐惧等
        • 应激状态下，交感神经兴奋，肾上腺髓质，皮质激素分泌增多，血浆胰高血糖素，生长激素水平增加，而胰岛素分泌减少，并引起一系列代谢改变
      • 应激使血糖升高
        • 对保证大脑，红细胞的供能有重要意义
      • 应激使脂肪动员增强
      • 应激使蛋白质分解加强
    • 肥胖是多因素引起代谢失衡的结果
      • 肥胖是多种重大慢性疾病的危险因素
        • 肥胖人群，动脉粥样硬化，冠心病，卒中，糖尿病。高血压等疾病的风险显著高于正常人群，是这些疾病的主要危险因素之一
        • 代谢综合征是指一组以肥胖，高血糖，高血压以及血脂异常集结发病的临床综合征，特点是机体代谢上相互关联的危险因素在同一个体的组合，表现为体脂过剩，高血压，胰岛素耐受，血浆胆固醇水平升高以及血浆脂蛋白异常
      • 较长时间的能量摄入大于消耗导致肥胖
        • 抑制食欲的激素功能障碍引起肥胖
        • 刺激食欲的激素功能异常增强引起肥胖
        • 胰岛素抵抗导致肥胖
        • 肥胖源于代谢失衡，它一旦形成，又反过来加重代谢紊乱
          • 在肥胖形成期，靶细胞对胰岛素敏感，血糖降低，耐糖能力正常
          • 在肥胖稳定期表现出高胰岛素血症，组织对胰岛素抵抗，耐糖能力降低，血糖正常或升高
          • 越肥胖或胰岛素抵抗，血糖浓度越高，糖代谢的紊乱程度越重
• 体内重要组织和器官的代谢特点
  • 肝是人体代谢的中枢器官，在糖，脂质，蛋白质代谢中均具有重要的特殊作用
    • 肝在糖代谢中的作用
      • 1合成，储存糖原
      • 2分解糖原生成葡萄糖，释放入血
      • 3是糖异生的主要器官
    • 脂肪组织的重要功能是将能量以脂肪形式储存，所以脂肪组织含有脂蛋白，脂肪酶及特有的激素敏感甘油三酯脂肪酶
      • 既能将血液循环中的脂肪水解，用于合成脂肪细胞内的脂肪而储存
      • 也能在机体需要时进行脂肪动员，释放脂肪酸供其他组织利用
  • 肝是人体物质代谢中心和代谢枢纽
    • 肝具有特殊的组织结构和组织化学构成，是机体物质代谢的枢纽，是人体的中心生化工厂
    • 肝虽可大量合成脂肪，但不能储存脂肪，肝细胞合成的脂肪随即合成VLDL释放入血
  • 脑主要利用葡萄糖供能且耗氧量大
    • 葡萄糖和酮体是脑的主要能量物质
      • 脑没有糖原，也没有作为能量储存的脂肪及蛋白质用于分解代谢，葡萄糖是脑主要的供能物质
    • 脑耗氧量高达全身耗氧总量的1/4
      • 脑功能复杂，活动频繁，能量消耗多且连续，是人体静息状态下消耗氧很大的器官
    • 脑具有特异的氨基酸及其代谢调节机制
  • 心肌可利用多种能源物质
    • 心肌可利用多种营养物质及其代谢中间产物为能源
      • 心肌细胞含有多种硫激酶，可催化不同长度碳链脂肪酸转变成脂酰辅酶A，所以心肌优先利用脂肪酸氧化分解供能
      • 心肌细胞含有丰富的酮体利用酶，也能彻底氧化脂肪酸分解的中间产物–酮体供能
    • 心肌细胞分解营养物质供能方式以有氧氧化为主
      • 心肌细胞富含肌红蛋白，细胞色素及线粒体
      • 心肌富含乳酸脱氢酶以LDH1为主，与乳酸亲和力强，能催化乳酸氧化成丙酮酸，后则可羧化为草酰乙酸，有利于有氧氧化
  • 骨骼肌以肌糖原和脂肪酸为主要能量来源
    • 不同类型骨骼肌产能方式不同
      • 不同类型骨骼肌具有的糖酵解，氧化磷酸化能力不同
    • 骨骼肌适应不同耗能状态选择不同能源
      • 骨骼肌收缩所需的能量直接来源是ATP
      • 肌糖原分解不能直接补充血糖，乳酸循环是整合糖异生与低糖酵解途径的重要机制
      • 骨骼肌有一定糖原储备，静息状态下机组织获取能量，通常以有氧氧化肌糖原，脂肪酸，酮体为主，剧烈运动时糖无氧氧化功能大大增加
  • 脂肪组织是储存和动员甘油三酯的重要组织
    • 机体将从膳食中摄取的能量主要储存于脂肪组织
      • 机体从膳食摄取的能量物质主要是脂肪和糖
    • 饥饿时主要靠分解储存与脂肪组织的脂肪供能
  • 肾可进行糖异生和酮体生成