| 词条 | 新陈代谢 |
| 释义 | xinchen daixie 新陈代谢(卷名：现代医学) metabolism 生命物质的新旧更替和生物体内能量转化诸般过程的总称，简称代谢。狭义的代谢仅指化学过程。广义的代谢包括代谢物质的转运过程，由细胞内外的跨膜转运直到生物体同环境间的物质交换。在药理学，外源物质在体内的转化分解也称为代谢。在医学生态学，代谢概念更推广到群体间的物质转移。一个地区的一切生物组成一个交互作用的整体，称生物群落。生物群落及其自然环境构成一个生态系统。生物群落内，植物(生产者)吸收无机物借助阳光能合成有机物，动物（消费者）以植物或其他动物为食，微生物（分解者）分解动植物的排遗和死体再以无机物形式归还自然界。在生态系统内，物质可以循环使用，但能量却只能沿食物链单向流动，最后以热能形式散失。这个物质循环和能量流是生态系统代谢的基本形式。 高度有序的生物结构有赖活跃的代谢过程来维持，一切生命活动都由代谢过程释放的能量来驱动。反过来说，日常生命活动也大都是为代谢服务的，例如呼吸、消化和循环无非都是代谢物质的转运。代谢活动的紊乱会产生病状，甚至影响生命，而较大的创伤、感染或手术都可能影响全身代谢。在药物中，营养药物为代谢提供原料，内分泌制剂则用来调节机体代谢。许多杀菌和杀虫药物都是利用细菌、寄生虫的代谢同人体代谢间的差别，例如四环素族抗生素可抑制细菌的蛋白质合成代谢却不伤及人体。20世纪下半叶生态观点进入医学，人们认识到不仅病原体与人之间存在寄生的生态关系，在人体的皮肤、鼻腔、口腔、肠腔及阴道里还存在着所谓的正常菌丛。这些菌与人体之间存在着复杂的代谢关系，正常菌丛的紊乱可导致人体的病态。于是群体层次的代谢开始受到重视；不过本文着重介绍的是个体层次的代谢。 代谢途径和酶 新陈代谢可分为物质代谢和能量代谢两方面，但两者实际上是偶合在一起的。能量是以化学能的形式流通于生物间及生物体内。动物从食物中的能源物质(主要为糖和脂肪)摄取能量。能源物质在体内分解释放的能量又转移到三磷酸腺苷(ATP)分子中。ATP储能密度高，而且便于利用；生物合成、肌肉收缩、跨膜转运，总之体内一切需能过程都直接或间接地从ATP取得能量。 新陈代谢又可分为合成代谢和分解代谢两类过程。合成常需外界供能才能进行，分解却往往是放能的自发反应。不过所谓自发反应，在生物体内的理化条件下也很难进行。体内代谢反应需要酶的催化才能实现，因此酶的有无、多少以及酶的活性就决定了反应是否进行及进行的速率。在这种意义上，酶是代谢的基本调节者。 机体内合成或分解有机物质的过程常由一系列酶促反应组成，这称为代谢途径，如嘌呤或嘧啶的合成途径及糖酵解途径等。一个途径常包含许多中间产物和催化各中间反应的特异性酶。大部分反应是可逆的；酶催化一个反应的双向进行，任一端反应物浓度高就有利于反应向另一端进行，酶本身并不决定反应方向。但许多途径里都有一两个反应是放能的，要它向反方向进行便必须供能，所以这个反方向反应实际上是不可逆的。这样的环节有利于代谢途径的单向进行。相应的酶起“开关”作用，常是代谢调节的主要控制点。 同一有机物的合成和分解途径有所不同，其区别即在于这些放能而不可逆的环节。在这些关键部位，合成酶不同于分解酶，而且合成反应要同ATP水解反应偶合在一起，利用ATP水解释放的能量来驱动这个需能反应。至于蛋白质和核酸的合成途径还存在其他问题。蛋白质的结构高度复杂，要按照一定的“蓝图”来合成。这个蓝图是核酸构成的模板。模板本身也常要整体复制或部分转录，这就是核酸的合成代谢。在这些过程里存在更多的可以调节的环节。 大多数代谢反应是在细胞基质内进行的，一部分在细胞器（如线粒体）内进行。不同的分室浓集不同的酶，有些酶就结合在膜上，另一些串连的酶系可能结合成复合体；这都提高了酶的工作效率。反应物可借助转运蛋白进入细胞或结合特异受体后经内吞入胞。在细胞器上也有特殊的转运系统。这些机制提供了另一类调节环节。 上面处处提到代谢调节，这是因为各个代谢途径必须紧密配合。例如机体某部位需要某个有机物就要启动该物质的合成途径。合成途径需要能量供应，如果现有能量储备（ATP等）不足，就还要启动能源物质分解放能的途径。当产物满足需要时还要及时关闭各有关途径。在途径内部也要前后协调，否则任一反应发生障碍必然造成下游产物的不足和上游反应物的积累。临床所见的许多代谢紊乱都是这种情况。 在个体水平，食物的摄入可说是全身代谢的第一个调节关口。但这里着重讨论细胞层次的代谢。一个代谢途径的原料可能来自外源营养或体内储备。在体液中的运输可能要靠特殊的运输蛋白，进入细胞可能需要特殊的受体或转运蛋白。机体可通过这些环节调节代谢，但更重要的调节部位还是酶。例如许多合成途径的产物可以反过来抑制途径开始部位的酶，从而避免产物积累过多（反馈抑制）；产物直接作用于酶蛋白，通过“别构效应”降低酶的活性。还有一种调节方式是通过酶蛋白的磷酸化或脱磷酸作用（分别由蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶催化）而迅速改变酶活性。这种对酶蛋白的共价修饰作用较上述产物抑制合成酶的别构作用更为持久。这常是激素作用的一个环节：激素通过第二信使激活细胞内蛋白激酶，再通过磷酸化作用激活或去活待调节的酶。因此这种方式不是局部调节，而是全身调节的一部分。再一种调节是增减酶蛋白的产生或降解过程。细胞内蛋白质总在周转中；一方面产生，另一方面降解。酶蛋白产生超过降解便可提高酶浓度，反之则降低酶浓度。固醇激素就是通过这种方式调节代谢：激素作用于染色体，使编码酶蛋白的基因得以表达。至于酶蛋白降解的调节机制，目前所知不多。 上述是正常的代谢调节机制。如果这些调节环节先天有缺陷或后天因病受损，就会导致代谢紊乱。主要因代谢反应紊乱而引起的疾病，习称代谢病。已查明许多代谢病是因一种分子（酶蛋白或膜转运蛋白）的缺陷造成的，这些疾病又称分子病。许多代谢病还是遗传的，故称先天性代谢缺陷。这些病的发病机制可大致分为四个层次：基因缺陷；所编码的蛋白质（如酶或转运蛋白）的缺陷；代谢途径障碍；临床症状。例如酶的缺陷可以导致产物不足或缺如；如酪氨酸酶的缺陷影响黑素的生物合成，导致白化病。酶缺陷还可造成上游代谢物质的储积，如溶酶体特异水解酶的缺陷造成的种种溶酶体贮积症。有关的代谢物贮积在溶酶体中，患者出现进行性神经系统功能障碍、内脏肿大、骨发育障碍等。再如肾小管上皮的膜转运蛋白缺陷可影响氨基酸的重吸收而造成种种高氨基酸尿症。在最常见的胱氨酸尿症中，难溶的胱氨酸在泌尿道中形成结石而引起症状。 代谢调节与激素 在较高等的动物体内，不同的组织器官之间还存在复杂的代谢分工。以人体的肝脏为例，吸收的营养素首先入肝。肝细胞膜可任葡萄糖自由出入。进入的糖中，一部分化为肝糖原在原地储存起来;一部分在肝内转化为脂肪酸后再运到脂肪组织，以甘油三酯的形式储存。其余的葡萄糖则循环于血液中。血糖的浓度经常保持在一定范围内。这点很重要，因为脑组织全靠葡萄糖维持营养，脑细胞中缺乏糖原或脂肪等储备。红细胞也主要依靠葡萄糖供能。脂肪组织中的甘油三酯经常有分解，分解出的脂肪酸作为能源供应肌肉等组织。但分解出的甘油不能直接再用于合成甘油三酯。合成甘油三酯需要甘油变为3-磷酸甘油，但脂肪组织缺乏催化这个步骤的酶。脂肪组织中的甘油返回肝脏再合成为葡萄糖，葡萄糖再回脂肪组织并在酵解过程中放出3-磷酸甘油供合成甘油三酯之用。静止的肌肉利用脂肪酸作燃料。运动时，肌细胞还要利用血糖和自身的肌糖原储备。不同于肝细胞，肌细胞膜的通透性受激素调节，而且葡萄糖进入肌细胞就被磷酸化而不能再流出。但无氧代谢产物──乳酸可流出，于是乳酸又返回肝脏再合成葡萄糖，葡萄糖可再返回供应肌肉。运动时，肌肉组织还可以分解蛋白质，利用氨基酸的碳链供能。分解出的氨基经转氨作用转到葡萄糖代谢产物丙酮酸上形成丙氨酸。丙氨酸返回肝脏，经转氨作用形成的丙酮酸用于合成葡萄糖，氨基则进入尿素循环。这样就以肝脏为中心形成三个循环：自肝脏释出的都是葡萄糖，但由脂肪组织返回的是甘油，由肌肉返回的是乳酸和丙氨酸，这些返回的代谢物又都用于再合成葡萄糖（糖异生作用）。 上述这些复杂变化主要靠激素调节，而且内分泌系统和神经系统是偶合在一起的，这就使机体代谢能针对环境变化作出适应性反应。有的激素作用徐缓持久，主要调节大时间尺度的生命过程，如生长、发育和生殖。这类激素包括生长激素、甲状腺素和性激素等。另一些激素则主要调节日常代谢活动，如胰岛素和肾上腺髓质及皮质激素等。激素可作用于多器官，且对不同器官的作用不同，但完成的生物功能是统一的。例如胰岛素促进肝内糖原及脂肪酸的合成；促进脂肪酸进入脂肪细胞并抑制甘油三酯的分解；促进血糖进入肌细胞和肌糖原的合成；促进血氨基酸进入肌细胞和肌组织蛋白质的合成，同时抑制肌组织蛋白质的分解。这些作用的一个明显后果是降低血糖；进食后大量涌入血中的葡萄糖可因此被控制在一定的限度内，不至超过肾阈而流失。胰岛素的分泌也主要是受血糖浓度的影响；神经作用不大。总的看，胰岛素是个促进合成增加储备的激素。与胰岛素相反，肾上腺髓质分泌的儿茶酚胺主要是个分解激素。首先它可抑制胰岛素的分泌。它的直接作用大都同胰岛素相反：刺激肝糖原分解，刺激脂肪分解，减少肌肉组织对糖的吸收同时刺激肌糖原的分解。肾上腺皮质分泌的糖皮质激素则增加组织对髓质激素的反应性，抑制脂肪细胞和肌细胞摄入血糖，刺激蛋白质分解从而增加糖异生作用。这些分解作用为机体提供能量以应急需，其具体表现是提高血糖。肾上腺髓质可视为是一个扩大的交感神经节，是中枢神经系统的延伸，它的产物同一般交感神经节后纤维的产物相同或同源。因此它的反应最快。中枢神经系统还通过垂体分泌的ACTP间接控制肾上腺皮质，但因固醇激素要通过基因表达过程发挥作用，生效较慢。 通过疾病中的代谢变化可以更好地了解上述代谢适应性变化。不同于前述酶的先天性缺陷等病，那是代谢机制本身的病态（原发性代谢紊乱），这里要谈的是因为感染、创伤（包括手术），或甚至精神刺激造成的病态(继发性代谢紊乱)。这种代谢紊乱是非特异性的，因为无论什么原因只要强烈到一定程度都会引起类似的变化。以创伤为例，除器官结构破坏及组织损失外可能还伴有体液紊乱和感染，伤病期间营养摄入也遇到障碍，所以代谢紊乱可以很明显。一般可以分为四期：①急性创伤期。机体通过肾上腺髓质激素和皮质糖激素的作用，动员体内储备，分解放能以满足行为适应(斗争、逃逸)和生理适应（循环和呼吸机能的加强）的需要。内源储备中糖原的分量有限，脂肪是最重要的能储。但此时组织蛋白质也发生分解，特别是肌肉蛋白质分解量占其中相当比例。于是出现氮的负平衡。值得注意的是，这个蛋白质分解过程一般不影响伤口和骨折的愈合，不影响血浆蛋白和血红蛋白的合成。与此同时，机体通过肾上腺皮质的醛固酮的作用储钠，通过垂体后叶的抗利尿激素的作用储水。机体力求保持细胞外液，首先要保证容积，因为此时维持循环防止休克是一个主要矛盾。创伤后常出现短期碱中毒，这可能与醛固酮有关。严重碱中毒时可使氧在组织中不易脱离血红蛋白而出现组织缺氧。此时若出现循环障碍，则因肌肉供血不足乳酸会大量积累，碱中毒很快又会转为酸中毒。创伤时消化功能下降，心肺功能代偿性亢进。肾脏是保障内环境稳态的重要脏器，但休克时因全身血液优先供应心和脑，肾脏可因缺血而发生急性功能衰竭。心肺肾的功能障碍会使代谢情况急剧恶化。在择期手术，于手术开始时即进入急性创伤期，一般持续2～5天。但在战伤或事故创伤，这期始于创伤发生时，而手术则意在减短本期。但如果伤口持续开放或伴有感染，或体液紊乱未能纠正，则这期可以延长很久。②转折期。病人体温、脉率下降。血中肾上腺髓质激素下降，胰岛素上升。食欲恢复，病人开始对周围事物表现兴趣。出现自动利尿现象，尿氮明显减少。③合成代谢期。由此才可说进入真正的康复。蛋白质的合成使患者体力恢复。本期的长短由原创伤的大小而定，可能要几周。本期中体重可无明显增加，初时因水盐外排体重甚至会表现下降。④脂肪增加期。当损失的蛋白质得到基本修复后，病人体内开始积累脂肪，恢复原有的能量储备。至此期体重才明显增加。在大创伤后，此期可延续几个月。 代谢与疾病 代谢紊乱可见于多种疾病。代谢病一词通常仅指代谢(化学)反应障碍导致的疾病，已查明的大部分是酶分子的遗传缺陷。这些都是全身性疾病，但因酶在组织间的不均分布和不同器官间的代谢分工，明显的症状和体征可能只见于某些器官系统。习惯上归于营养病和内分泌病类的疾病，事实上也都是代谢病。因为无论是外源代谢物质的缺乏还是代谢调节因子的紊乱，其后果都是代谢障碍。消化系统、呼吸系统和排泄系统经管代谢物质的体内外交换而循环系统则负责代谢物质在体内的运输，它们的功能紊乱当然要影响全身代谢。这些系统的一些疾病也可视为广义的代谢病。 由另外一个角度来看，疾病可大致分为遗传因子和环境因子造成的两大类。在遗传病中已查明发病机理的大部分是代谢病。这并不奇怪，因为基因编码产物主要是蛋白质大分子，而许多这样的大分子正是细胞代谢机制的成分。环境致病因子又可分为物理、化学、生物及社会心理等几类。其中化学因子造成的中毒病，已查明机制的多是作用于酶蛋白分子，其后果也多是代谢障碍。根据前述，物理因子（创伤）、生物因子（感染）和社会心理因子（精神刺激）也都可以直接或通过神经内分泌机制引起种种代谢反应和紊乱。因此某种程度的代谢障碍可能存在于一切全身性疾病中。 原发性代谢障碍一般缺乏根治的方法。原则上讲，基因疗法较为理想。但我们虽然已知道不少编码功能蛋白的基因区段，却不清楚有关的控制区段，因此制备的基因引入培养细胞后常不能发挥功能。我们更不知道如何才能把外源基因引入人体患病的细胞中并让它们在那里稳定地工作。因此目前主要是在蛋白质这个层次上想办法。对于某些血清蛋白质的缺陷，可以直接用正常蛋白来补充，如对血友病患者可补充第Ⅷ因子。但酶蛋白通常是在细胞内工作，因此难以用正常酶蛋白去替换细胞中的缺陷酶蛋白。但它们造成的异常代谢后果却可设法纠正。下游产物的缺乏可以直接补充，如因甲状腺素合障碍造成的甲状腺肿可用甲状腺激素来治疗。针对上游代谢物的积累或其毒副作用也有一些办法，如对苯丙酮酸尿症患儿在生后须限制饮食中的苯丙氨酸含量可以防止发生生长和智力障碍。有的代谢产物过量时可致病，也可用药物抑制有关途径上游的酶，如在痛风症中使用别嘌呤醇抑制黄嘌呤氧化酶以减少尿酸的产生。 对于继发性代谢紊乱，首要的是纠正原发病因，如修复创伤、控制感染、纠正器官功能障碍等。其次便是纠正代谢紊乱本身，这可能包括给氧、输血、输液以纠正体液容积、成分、酸碱度和渗透压的异常，以及保证充足且平衡的营养供应等等。机体代谢变化迅速，各项生物化学和生理指标必须随时监测，处理更要果断及时。 |
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