《生物代谢》课件

生物代谢生物代谢是生物体内物质和能量转化的全部过程，是维持生命活动的基础它包括分解代谢和合成代谢两大类过程，前者释放能量，后者消耗能量本课程将全面介绍糖类、脂质、蛋白质和核酸的代谢过程，以及它们之间的相互联系与调节机制目录代谢基础主要物质代谢代谢概述、代谢途径的基本特糖代谢、脂肪代谢、蛋白质代点、能量转换谢、核酸代谢代谢整合与调控代谢物质的相互联系、代谢调节、代谢废物与排泄代谢概述代谢的定义代谢的分类代谢是指生物体内物质和能量转化的全过程，是生命活动的物质代谢分为分解代谢和合成代谢两大类分解代谢是指将复杂分子基础通过代谢，生物体能够获取、转化和利用能量，合成所需分解为简单分子的过程，通常释放能量；合成代谢是指将简单分的生物分子，并排出废物子合成复杂分子的过程，通常需要消耗能量细胞是代谢的基本单位，所有的代谢反应都在细胞内进行不同这两类代谢过程相互协调、相互依存，共同维持生物体内的物质的细胞器负责不同的代谢过程，如线粒体负责有氧呼吸，高尔基和能量平衡当这种平衡被打破时，就可能导致各种代谢性疾体负责蛋白质的修饰和分泌病代谢途径的基本特点多步骤进行代谢反应通常由一系列有序的化学反应组成，形成代谢途径酶催化特异性每一步反应都由特定的酶催化，确保反应的特异性和高效性能量耦联反应通过高能分子（如）将能量释放反应与能量需求反应耦联ATP代谢途径的可调控性通过调节关键酶的活性，实现对代谢流量的精确控制代谢途径的这些特点使得生物体能够高效地进行物质转化和能量转换，同时保持对内外环境变化的适应性代谢途径之间的相互联系形成了复杂的代谢网络，共同维持生命活动的正常进行糖代谢概述提供主要能量碳水化合物提供机体的能量160-70%代谢双向性包括糖的分解代谢和合成代谢关键中间产物葡萄糖磷酸是多种代谢途径的交叉点-6-主要产能途径糖酵解和三羧酸循环是主要的产能过程糖代谢是生物体内最基本也最重要的代谢途径之一碳水化合物在消化道中被分解为单糖（主要是葡萄糖）后进入血液，被组织细胞摄取并参与代谢葡萄糖在细胞内可以通过多种途径进行分解，产生能量；也可以被转化为糖原储存或合成其他物质糖代谢的异常与多种疾病相关，如糖尿病、糖原累积症等因此，了解糖代谢的过程及其调控机制，对于理解这些疾病的发病机制和开发治疗策略具有重要意义糖酵解途径起始反应葡萄糖在细胞质中被磷酸化，形成葡萄糖磷酸-6-中间转化经过一系列的酶促反应，最终形成丙酮酸能量产生每分子葡萄糖产生分子和分子2ATP2NADH无氧过程整个过程不需要氧气参与，可在厌氧条件下进行糖酵解是将一分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸的过程，共包括个酶促反应步骤这个过程在细胞10质中进行，不需要氧气参与，因此在缺氧条件下也能进行，为细胞提供紧急能量来源虽然糖酵解产生的能量效率较低，每分子葡萄糖仅产生分子，但由于其反应速度快、不依赖氧2ATP气，在某些情况下（如剧烈运动、缺氧环境）具有重要的生理意义糖酵解途径的异常与多种疾病相关，如癌症细胞常表现出旺盛的糖酵解活性，即使在有氧条件下也主要依赖糖酵解产能（瓦伯格效应）糖酵解关键酶己糖激酶催化葡萄糖磷酸化，形成葡萄糖磷酸，是糖酵解的第一步这一步骤将葡萄糖锁-6-定在细胞内，因为磷酸化的葡萄糖无法穿过细胞膜己糖激酶对葡萄糖的亲和力高，被葡萄糖本身激活，被产物葡萄糖磷酸抑制-6-磷酸果糖激酶催化果糖磷酸转化为果糖二磷酸，是糖酵解的限速步骤这一酶受多种代-6--1,6-谢物调节抑制其活性，而、和果糖二磷酸激活其活性，使糖ATP AMPADP-2,6-酵解速率能够根据细胞能量状态进行调整丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸，是糖酵解的最后一步这一步骤产生一分子丙酮酸激酶受果糖二磷酸激活，被和丙氨酸抑制，构成对糖酵解的ATP-1,6-ATP反馈调节这三种关键酶在糖酵解过程中起着调控作用，它们的活性受到多种因素的影响，包括底物浓度、代谢产物、激素等通过调节这些关键酶的活性，细胞可以根据能量需求和底物供应情况，灵活调整糖酵解的速率，维持能量平衡有氧和无氧条件下的丙酮酸去向有氧条件无氧条件在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体，经丙酮酸脱氢酶复合体催在无氧条件下（如剧烈运动时肌肉缺氧），丙酮酸无法进入三羧化，脱羧并与辅酶结合，形成乙酰乙酰随后进入三酸循环，而是在细胞质中被还原为乳酸这一过程由乳酸脱氢酶A CoA CoA羧酸循环，完全氧化为二氧化碳和水，释放大量能量催化，同时将糖酵解产生的氧化为，维持糖酵解NADH NAD+的持续进行这一过程高效利用葡萄糖中的能量，每分子葡萄糖最终可产生个分子，是无氧条件下的倍这是细胞在在某些微生物（如酵母）中，丙酮酸在无氧条件下被转化为乙36-38ATP18-19氧气充足时的主要产能方式醛，再进一步还原为乙醇，这就是酒精发酵过程无论是形成乳酸还是乙醇，无氧条件下每分子葡萄糖仅产生个2ATP三羧酸循环（循环）TCA乙酰进入循环脱羧和脱氢反应CoA乙酰与草酰乙酸结合形成柠檬酸柠檬酸经过一系列转化，脱去两个二氧化碳CoA循环完成高能电子载体生成最终再生草酰乙酸，准备接受下一个乙酰产生个、个₂和个CoA3NADH1FADH1GTP三羧酸循环，也称柠檬酸循环或克雷布斯循环，是有氧呼吸的中心环节，在线粒体基质中进行它不仅是主要的产能途径，也为多种生物合成提供中间产物每个循环有个反应步骤，每个乙酰完全氧化可产生个、个₂和个（相当于个）8CoA3NADH1FADH1GTP1ATP和₂携带的高能电子随后进入电子传递链，通过氧化磷酸化产生大量三羧酸循环的速率受多种因素调控，包括底物浓度、产物抑制NADH FADHATP和能量状态该循环的中间产物还参与氨基酸、血红素和脂肪酸的合成，体现了代谢途径的交叉与整合电子传递链与氧化磷酸化电子载体和₂携带高能电子进入呼吸链NADH FADH电子传递复合物电子经过复合物、、和，释放能量I IIIII IV质子泵电子传递释放的能量用于将质子泵出线粒体内膜合成ATP质子通过合酶流回基质，驱动合成ATP ATP电子传递链位于线粒体内膜上，由一系列电子载体按照氧化还原电位递增的顺序排列和₂NADH FADH携带的高能电子沿着电子传递链传递，最终被氧接受形成水在电子传递过程中释放的能量用于将质子从基质泵入膜间隙，形成质子梯度这种质子梯度代表了一种储存能量的形式（称为质子动力势），质子沿着浓度梯度通过合酶流回基质ATP时，释放的能量驱动与无机磷酸结合形成这个过程称为氧化磷酸化，是有氧生物获取能量的ADP ATP主要方式在此过程中可产生约个，₂可产生约个电子传递链的功能障碍与NADH3ATP FADH2ATP多种线粒体疾病相关糖异生作用4主要原料乳酸、丙氨酸、甘油和丙酮酸是糖异生的主要底物11酶促反应糖异生包含个酶促反应步骤116消耗ATP每分子葡萄糖的合成需消耗个分子6ATP2主要器官肝脏和肾脏是进行糖异生的主要器官糖异生是从非糖物质合成葡萄糖的过程，主要在肝脏和肾脏中进行它与糖酵解的方向相反，但并非简单的逆转过程糖酵解中的三个不可逆步骤（己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应）在糖异生中由不同的酶催化，形成旁路糖异生在维持血糖稳定方面发挥重要作用，特别是在饥饿状态或长时间运动时此时，肝糖原逐渐耗尽，通过糖异生可以利用肌肉产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及蛋白质分解产生的氨基酸（如丙氨酸）合成葡萄糖，维持血糖水平，保证大脑和红细胞的能量供应糖原的合成与分解糖原的结构与功能合成与分解的能量关系糖原是动物体内主要的糖储存形式，由葡萄糖通过糖原的合成需要消耗能量，每合成一个糖苷键需要消耗α-D-α-α-1,4-糖苷键连接形成主链，每个葡萄糖单位有一个通过一个（相当于个）合成过程以葡萄糖磷酸为原1,4-8-12UTP2ATP-1-糖苷键连接的分支这种高度分支的结构增加了可溶性料，需要糖原合成酶和支链酶的参与α-1,6-和水解酶的作用效率而糖原的分解则不消耗，而是通过磷酸化酶（也称糖原磷ATP人体内主要有肝糖原（约）和肌糖原（约）两种酸化酶）催化，将糖原分解为葡萄糖磷酸这种不对称的能100g300g-1-肝糖原可以分解为葡萄糖释放到血液中，维持血糖水平；而肌糖量关系使得糖原能够有效地储存和释放能量，满足机体在不同生原只能在肌肉内分解利用，为肌肉活动提供能量理状态下的需求糖原合成与分解的全过程糖原合成起始糖原合成始于糖原蛋白，通过糖原合成起始酶将葡萄糖转移至酪氨酸残基上糖原链延长糖原合成酶催化糖苷键形成，将葡萄糖的葡萄α-1,4-UDP-糖基转移到已有链的非还原端形成分支支链酶将已有链上的片段（至少个葡萄糖单位）切下并通过7糖苷键连接到另一处α-1,6-糖原分解磷酸化酶从非还原端依次切下葡萄糖单位，同时加上磷酸基团，形成葡萄糖磷酸-1-最终转化磷酸葡萄糖变位酶将葡萄糖磷酸转变为葡萄糖磷酸，-1--6-进入糖酵解或在肝脏中生成游离葡萄糖磷酸戊糖途径途径概述主要功能磷酸戊糖途径（又称戊糖磷酸途径或六磷酸产生为还原生物合成反应提供还NADPH葡萄糖分支途径）是葡萄糖代谢的一条重要原力，如脂肪酸合成和谷胱甘肽还原支路，在细胞质中进行，与糖酵解并行该生成戊糖提供核酸合成所需的核糖磷-5-途径将葡萄糖磷酸氧化，产生-6-NADPH酸和核糖磷酸-5-连接糖酵解通过非氧化阶段，可以将糖C5转化为和糖，重新进入糖酵解C3C6途径的两个阶段氧化阶段葡萄糖磷酸氧化为核糖磷酸，产生个-6--5-2NADPH非氧化阶段戊糖通过一系列转化，生成果糖磷酸和甘油醛磷酸，可重新进入糖酵解-6--3-磷酸戊糖途径在红细胞中特别活跃，因为红细胞需要大量来维持谷胱甘肽的还原状态，保护NADPH血红蛋白免受氧化损伤该途径的缺陷可导致葡萄糖磷酸脱氢酶缺乏症，这是一种常见的遗传病，-6-患者对某些药物和食物（如蚕豆）敏感，可引起溶血性贫血血糖及其调节血糖平衡正常血糖浓度维持在（空腹）范围内，是多种因素共同作用的结果

3.9-

6.1mmol/L升高血糖的因素胰高血糖素促进肝糖原分解和糖异生肾上腺素应激时迅速动员肝糖原糖皮质激素促进糖异生，降低组织对葡萄糖的利用降低血糖的因素胰岛素促进组织摄取和利用葡萄糖，抑制糖原分解和糖异生运动增加肌肉对葡萄糖的摄取和利用生长抑素抑制多种激素的分泌血糖稳态失调高血糖血糖长期升高可导致糖尿病及其并发症低血糖血糖过低可引起意识模糊、头晕、昏迷等症状脂质代谢概述能量储存脂质种类脂质是重要的能量储存形式，每克脂肪脂质包括甘油三酯（储能）、磷脂（膜氧化可产生约千卡热量，是碳水化合结构）、胆固醇（膜流动性和激素前9物的倍体）等多种类型

2.25成人体内约有的重量是脂肪，脂肪酸是脂质的基本组成单位，分为饱15-20%主要储存在脂肪组织中，形成脂肪细胞和脂肪酸（如棕榈酸）和不饱和脂肪酸中的脂滴（如亚油酸）健康影响代谢特点脂质代谢异常与多种疾病相关，如肥脂肪酸可通过氧化分解产生能量，也β-胖、动脉粥样硬化、脂肪肝等可通过脂肪酸合成途径合成储存饮食中不同类型脂肪的比例对健康有重与碳水化合物相比，脂肪的氧化需要更要影响，过量摄入饱和脂肪和反式脂肪多的氧气，但能提供更多的能量可能增加心血管疾病风险脂肪酸的氧化β-脂肪酸活化脂肪酸在细胞质中被酰基合成酶活化，与辅酶结合形成脂酰，消耗个的能量CoA ACoA2ATP（实际消耗个和个）这一步对后续代谢至关重要，因为只有活化的脂肪酸才能1ATP1AMP进入线粒体跨膜转运长链脂酰不能直接穿过线粒体内膜，需要肉碱转运系统的协助首先，脂酰被肉碱CoA CoA酰基转移酶催化，将酰基从转移到肉碱上，形成脂酰肉碱然后，脂酰肉碱通过肉碱转I CoA运蛋白进入线粒体基质，再由肉碱酰基转移酶催化，将酰基转回上II CoA氧化循环β-在线粒体基质中，脂酰经过一系列氧化反应，每次循环去除两个碳原子，产生一分CoA子乙酰、一分子和一分子₂这个过程重复进行，直到整个脂肪酸链CoA NADHFADH被分解完毕对于偶数碳脂肪酸，最后产生的是两分子乙酰CoA能量产生氧化产生的乙酰进入三羧酸循环，完全氧化产生更多的和₂β-CoA NADHFADH这些还原性辅酶因子随后在电子传递链中被氧化，通过氧化磷酸化产生大量一ATP个碳脂肪酸（如棕榈酸）完全氧化可产生约个，能量效率远高于碳水化16129ATP合物脂肪酸合成合成位置脂肪酸合成主要在细胞质中进行，而不是在线粒体中合成原料以乙酰为主要原料，通过脂肪酸合成酶催化逐步延长碳链CoA还原力来源需要提供还原力，主要来自磷酸戊糖途径和苹果酸酶途径NADPH与分解的区别脂肪酸合成与氧化不是简单的逆过程，酶系统和细胞定位都不同β-脂肪酸合成是一个复杂的过程，由脂肪酸合成酶复合体催化这个复合体包含七种不同的酶活性，能够将乙酰和丙二酰逐步缩合，每次加入两个碳原子，最终合成十六碳棕榈酸在人体中，脂CoA CoA肪酸合成主要发生在肝脏、脂肪组织和乳腺中与脂肪酸分解不同，合成过程使用的是乙酰携带蛋白（）而不是辅酶，还原剂是CoA ACPA NADPH而不是这种差异使得合成和分解可以分别调控，避免出现无用循环脂肪酸合成受NAD+/FAD多种因素影响，包括饮食状态、激素水平和代谢产物浓度摄入过多碳水化合物时，多余的葡萄糖会转化为脂肪酸储存起来酮体的生成与利用酮体的类型合成条件酮体包括乙酰乙酸、羟丁酸和丙酮三酮体在以下情况下合成增多长期饥饿β-种它们都是由乙酰在肝脏中合成（小时以上）、高脂低碳水饮食、未CoA24的小分子乙酰乙酸是最初形成的酮控制的糖尿病这些情况的共同特点是体，羟丁酸是由乙酰乙酸还原形成肝脏中乙酰水平升高，但草酰乙酸β-CoA的，而丙酮是乙酰乙酸自发脱羧形成不足，导致乙酰无法全部进入三羧CoA的，数量很少酸循环，转而形成酮体利用与功能酮体通过血液从肝脏运输到外周组织，特别是大脑、心脏和骨骼肌在这些组织中，酮体被重新转化为乙酰，进入三羧酸循环产生能量在长期饥饿状态下，酮体可以提CoA供大脑所需能量的，减少对葡萄糖的依赖，从而降低蛋白质分解75%酮体代谢在长期饥饿或限制碳水化合物摄入时具有重要的生理意义它使肝脏能够将脂肪酸氧化产生的乙酰转化为可溶性形式（酮体），供给不能直接利用脂肪酸的组织（如大CoA脑）然而，酮体生成过度可导致酮症酸中毒，这是未控制糖尿病的严重并发症，表现为血液酸化、呼吸急促、恶心呕吐和意识障碍，需要紧急医疗干预胆固醇代谢胆固醇的生理功能胆固醇的合成与调控胆固醇是细胞膜的重要组成部分，影响膜的流动性和通透性它胆固醇主要在肝脏合成，以乙酰为起始物质，经过一系列复CoA还是多种重要生物分子的前体，包括类固醇激素（如皮质醇、睾杂的酶促反应最终形成合成过程中的关键限速酶是HMG-酮、雌激素）、维生素和胆汁酸人体每天约需要还原酶，它催化转化为甲羟戊酸这一步骤是D1000mg CoAHMG-CoA胆固醇，其中约来自内源性合成，来自饮食他汀类降脂药的作用靶点700mg300mg胆固醇合成受到严格调控饮食中胆固醇摄入增加会抑制内源性尽管胆固醇常被视为有害物质，但它对生命活动至关重要只有合成；胰岛素促进胆固醇合成，而胰高血糖素抑制合成胆固醇当其水平过高或分布异常时，才会对健康造成负面影响，如促进通过负反馈机制调节自身合成，高水平的胆固醇抑制HMG-动脉粥样硬化还原酶的活性和表达CoA脂蛋白代谢脂蛋白类型密度主要脂质主要功能乳糜微粒最低甘油三酯运输饮食脂肪极低密度脂蛋白很低甘油三酯运输内源性甘油三酯VLDL低密度脂蛋白低胆固醇酯向外周组织运输胆固醇LDL高密度脂蛋白高磷脂、胆固醇从外周组织转运胆固醇至肝脏HDL脂蛋白是一类由脂质和载脂蛋白组成的复合物，其功能是在水性环境（血浆）中运输不溶性脂质根据密度和成分的不同，脂蛋白可分为上述四种主要类型在血液循环中，这些脂蛋白不断转化逐渐失去甘油三酯转变为；而则参与反向胆固醇运输，将外周VLDL LDLHDL组织的多余胆固醇运回肝脏常被称为坏胆固醇，因为其水平升高与动脉粥样硬化风险增加相关；则被称为好LDLHDL胆固醇，因为它具有保护作用脂蛋白代谢异常是心血管疾病的重要危险因素某些遗传性疾病，如家族性高胆固醇血症，是由脂蛋白代谢相关基因（如受体基因）突变引起的LDL蛋白质代谢概述生命活动的承担者蛋白质是细胞结构和功能的主要执行者氨基酸组成由种氨基酸以肽键连接而成20必需氨基酸人体无法合成，必须从食物获取动态平衡4蛋白质不断合成与分解，维持周转平衡蛋白质是生命活动的主要承担者，在人体中承担着结构支持、催化反应、信号传导、免疫防御、物质运输等多种功能人体中含有数万种不同的蛋白质，它们都由种基20本氨基酸按特定顺序排列组成其中，有种氨基酸（组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸）是人体无法合成的，必须从食9物中获取，称为必需氨基酸蛋白质代谢包括合成和分解两个方面在正常情况下，成年人的蛋白质合成和分解处于动态平衡状态，称为蛋白质周转不同蛋白质的周转速率差异很大，从几分钟到几个月不等蛋白质周转使机体能够调整蛋白质组成以适应环境变化，同时清除损伤或错误折叠的蛋白质蛋白质代谢异常与多种疾病相关，如肌肉萎缩、营养不良和某些遗传性疾病蛋白质的合成转录过程在细胞核中，上的基因被聚合酶识别并转录为信使（）DNA RNA RNA mRNA加工mRNA原始经过剪接、加帽和加尾修饰，成熟后运出细胞核mRNA翻译过程在细胞质中，核糖体按照上的密码子序列，将氨基酸连接成多肽链mRNA蛋白质成熟新合成的多肽链折叠成特定的三维结构，必要时还会进行翻译后修饰蛋白质合成是一个高度复杂和精确的过程，需要多种分子的协同作用转运（）负责将特定的RNA tRNA氨基酸带到核糖体上；核糖体作为蛋白质合成的工厂，由大小两个亚基组成，提供肽键形成的场所；各种翻译因子协助启动、延伸和终止翻译过程蛋白质合成需要消耗大量能量，形成每个肽键约需个这一过程受到严格调控，包括转录水平调4-5ATP控（如基因表达的开启和关闭）和翻译水平调控（如翻译起始的调控、稳定性的调控）蛋白质mRNA合成的错误可能导致功能异常的蛋白质，引起多种疾病例如，囊性纤维化是由蛋白编码基因突变CFTR导致的，而阿尔茨海默病与淀粉样蛋白的异常沉积有关氨基酸代谢蛋白质分解脱氨基作用1蛋白酶将蛋白质水解为氨基酸氨基被移除形成酮酸和氨α-氨的代谢碳骨架代谢4氨通过尿素循环转化为尿素排出体外酮酸进入循环或转化为糖、脂肪α-TCA氨基酸代谢是蛋白质代谢的重要组成部分当蛋白质被水解为氨基酸后，这些氨基酸可以被重新用于合成新的蛋白质，也可以被分解用于产能或转化为其他物质氨基酸分解的第一步通常是脱氨基作用，由转氨酶和谷氨酸脱氢酶催化，将氨基转移到酮戊二酸上形成谷氨酸，再由谷氨酸脱氢酶将谷氨酸转化为酮戊二酸和氨α-α-脱氨基后形成的酮酸可以有不同的代谢去向有些可以直接进入三羧酸循环氧化产能（如丙氨酸、天冬氨酸）；有些可以转化为糖（糖原性氨基酸，如丙氨酸、谷氨α-酸）；有些可以转化为酮体或脂肪酸（酮原性氨基酸，如亮氨酸、赖氨酸）；还有些既是糖原性又是酮原性的（如苯丙氨酸、酪氨酸）不同氨基酸的分解途径不同，但最终都会将碳骨架转化为常见的代谢中间产物氨的代谢与尿素循环氨的毒性氨对神经系统有毒，需要及时清除尿素循环肝脏通过尿素循环将氨转化为无毒的尿素发生位置反应部分在线粒体中进行，部分在细胞质中进行相关疾病尿素循环酶缺陷可导致高氨血症和脑损伤氨是氨基酸代谢产生的有毒废物，它对神经系统有强烈的毒性作用在哺乳动物中，氨主要通过尿素循环（也称鸟氨酸循环）转化为无毒的尿素排出体外尿素循环主要在肝脏中进行，包括五个酶促反应步骤，其中两个发生在线粒体中，三个发生在细胞质中尿素循环的第一步是氨与二氧化碳和反应，在碳酰磷酸合成酶的催化下形成碳酰磷酸；然后碳酰磷ATP I酸与鸟氨酸反应，在鸟氨酸转碳酰酶的催化下形成瓜氨酸；瓜氨酸与天冬氨酸结合，在精氨琥珀酸合成酶的催化下形成精氨琥珀酸；精氨琥珀酸裂解为精氨酸和延胡索酸；最后，精氨酸在精氨酸酶的作用下水解为尿素和鸟氨酸，完成循环核酸代谢概述核酸的基本结构核酸的功能核酸是由核苷酸聚合而成的大分子，包括脱氧核糖核酸是遗传信息的载体，携带着编码蛋白质和的基因它DNA RNA（）和核糖核酸（）核苷酸由一个含氮碱基、一个的主要功能是储存和传递遗传信息，确保遗传物质在细胞分裂过DNA RNA五碳糖（为脱氧核糖，为核糖）和一个或多个磷酸基程中准确复制和传递给子代DNA RNA团组成种类多样，包括信使（，传递遗传信息）、转RNA RNAmRNA碱基分为嘌呤（腺嘌呤和鸟嘌呤）和嘧啶（胞嘧啶、胸腺运（，运送氨基酸）、核糖体（，构成A GC RNAtRNA RNArRNA嘧啶和尿嘧啶，其中只存在于中，只存在于核糖体）以及多种非编码（如微小、长链非编码T UT DNAU RNARNARNARNA中）这些碱基通过特定的配对规则（配对，配对）等），参与基因表达调控、蛋白质合成等多种生物学过程A T/U GC维持的双螺旋结构和的各种功能结构DNA RNA核苷酸除了作为核酸的组成单位外，还具有许多其他重要功能例如，是细胞的主要能量货币；参与蛋白质合成和信号转ATP GTP导；环腺苷酸（）和环鸟苷酸（）是重要的第二信使；辅酶、、等含有核苷酸结构，参与氧化还原反cAMP cGMPNAD+NADP+FAD应因此，核苷酸代谢的异常可能影响多种生理过程，导致各种疾病嘌呤核苷酸的合成与分解合成途径嘌呤核苷酸的合成有两条途径从头合成和补救途径从头合成是以简单前体（氨基酸、甲酰四氢叶酸、₂等）构建嘌呤环；补救途径是利用已有的嘌呤碱基或核苷重新合成核苷CO酸，节约能量嘌呤环来源嘌呤环的各个原子来自不同来源来自天冬氨酸，和来自甲酰四氢叶酸，和N1C2C8N3N9来自谷氨酰胺，、和来自甘氨酸，来自₃⁻这种多源性使嘌呤合成受多C4C5N7C6HCO种因素影响分解过程嘌呤核苷酸的分解最终产生尿酸在人类和灵长类动物中，尿酸是嘌呤代谢的终产物，通过肾脏排出体外这是因为人类缺乏尿酸氧化酶，无法将尿酸进一步分解为更易溶的尿囊素相关疾病高尿酸血症和痛风是常见的嘌呤代谢紊乱疾病高尿酸血症是指血液中尿酸浓度升高；当尿酸浓度超过其溶解度时，会以尿酸钠晶体形式沉积在关节和软组织中，引起急性炎症反应，即痛风嘧啶核苷酸的合成与分解合成途径特点分解产物代谢异常与疾病嘧啶核苷酸的合成途径与嘌呤嘧啶核苷酸的分解相对简单，嘧啶代谢异常与多种疾病相关不同，先合成嘧啶环，再与核嘧啶环被打开，最终产物包括例如，尿嘧啶症是由二氢嘧啶糖磷酸结合第一步是碳酰磷氨基酸（如丙氨酸）、脱氢酶缺陷引起的，导致血液β-β-酸与天冬氨酸结合形成碳二氧化碳和氨与嘌呤不同，和尿液中尿嘧啶和胸腺嘧啶浓N-酰天冬氨酸，这一步由碳酰磷嘧啶的分解产物更易溶，不易度升高；遗传性高尿嘧啶血症酸合成酶催化，是嘧啶合成形成结晶沉积，因此很少引起可导致神经系统异常和智力障II的限速步骤代谢性疾病碍抗代谢药物核苷酸代谢途径是多种抗癌药物的作用靶点如氟尿嘧5-啶（）是一种嘧啶类似5-FU物，可抑制胸苷酸合成酶活性，干扰合成；甲氨蝶呤抑DNA制二氢叶酸还原酶，影响嘌呤和嘧啶合成，用于治疗白血病和自身免疫性疾病代谢产物的相互联系概述4主要代谢类型糖、脂肪、蛋白质和核酸是生物体内四大类主要代谢物质∞代谢网络所有代谢途径相互联系，形成复杂的代谢网络12关键交叉点乙酰、丙酮酸等是不同代谢途径的重要交叉点CoA1整体调控代谢网络受到统一的调控，维持机体稳态生物体内的各种代谢途径并非孤立存在，而是相互联系、相互影响，形成一个高度整合的代谢网络这种整合使得细胞能够根据环境变化和自身需求，灵活调整各种物质的合成和分解，维持生命活动所需的物质和能量供应代谢途径之间的联系主要通过共同的中间产物实现，如乙酰是糖、脂肪和某些氨基酸代谢的共同中间产物；丙酮酸是糖酵解的产物，也可由某CoA些氨基酸转化而来；三羧酸循环的中间产物既参与能量代谢，也为多种生物合成反应提供原料这种无物不相联的代谢网络使得生物体能够高效利用各种营养物质，并在不同生理状态下进行适当调整糖代谢与脂肪代谢的相互关系葡萄糖转化为脂肪酸当碳水化合物摄入过多时，多余的葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸，丙酮酸转化为乙酰，进而合成CoA脂肪酸甘油提供脂肪合成骨架葡萄糖代谢产生的甘油磷酸为甘油三酯合成提供骨架，与脂肪酸结合形成甘油三酯-3-脂肪酸氧化产物进入循环TCA脂肪酸通过氧化分解产生乙酰，进入三羧酸循环完全氧化产生能量β-CoA脂肪不能转化为葡萄糖由于乙酰不能逆转为丙酮酸，脂肪酸无法转化为葡萄糖，这就是植物油不升血糖的原因CoA糖代谢和脂肪代谢之间存在密切的相互关系在能量充足时，多余的碳水化合物会转化为脂肪酸储存起来；而在能量不足时，储存的脂肪会被动员分解供能这种关系主要通过共同的中间产物乙酰实现连接CoA需要注意的是，虽然糖可以转化为脂肪，但脂肪（特别是脂肪酸）不能转化为葡萄糖这是因为脂肪酸氧化产生的乙酰不能直接转化为丙酮酸或草酰乙酸，因此不能通过糖异生途径合成葡萄糖这种单向转化关系在生理和病CoA理状态下都有重要意义，例如长期饥饿或未控制的糖尿病时，脂肪动员增加，但由于无法转化为葡萄糖，只能产生酮体，可能导致酮症酸中毒糖代谢与蛋白质代谢的关系糖异生碳骨架提供糖原性氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸）可转化为丙1糖代谢产物（如丙酮酸、酮戊二酸）可提供非α-酮酸或循环中间产物，进而合成葡萄糖必需氨基酸合成的碳骨架TCA应激状态下的相互关系脱氨基氨基酸利用代谢应激时（如严重感染、创伤）蛋白质分解增氨基酸脱去氨基后的酮酸可进入循环氧化α-TCA加，为糖异生和急性期蛋白合成提供氨基酸产能糖代谢和蛋白质代谢之间的相互关系主要体现在两个方面一方面，某些氨基酸可以转化为葡萄糖，参与维持血糖稳定；另一方面，糖代谢产物可以提供非必需氨基酸合成所需的碳骨架，节约必需氨基酸在长期饥饿状态下，这种关系尤为重要随着肝糖原耗尽，机体主要依靠糖异生维持血糖水平最初，糖异生主要利用肌肉产生的乳酸和脂肪组织释放的甘油；但随着饥饿持续，蛋白质分解增加，释放的氨基酸成为糖异生的重要底物这种状态如果长期持续，将导致肌肉萎缩和功能下降在某些疾病状态（如未控制的糖尿病、严重感染）中，蛋白质分解增加，糖异生加强，也会导致肌肉消耗和负氮平衡脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系生酮氨基酸转化为酮体某些氨基酸（如亮氨酸、赖氨酸）被降解为乙酰或乙酰乙酰，可直接参与酮体合成这些氨基酸CoA CoA被称为酮原性氨基酸，在长期饥饿状态下可以提供酮体，为大脑提供替代能源，减少对葡萄糖的需求氨基酸转化为脂肪酸某些氨基酸的碳骨架可以转化为乙酰，进而用于脂肪酸合成在高蛋白饮食条件下，多余的氨基酸不CoA会直接储存，而是转化为脂肪或用于产能这解释了为什么过量摄入蛋白质也可能导致体重增加磷脂合成需要氨基酸参与磷脂（如磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸）的合成需要特定氨基酸提供头基例如，胆碱来源于甲硫氨酸，丝氨酸和精氨酸直接参与相应磷脂的合成这种关系在细胞膜合成和更新过程中尤为重要饥饿状态下的代谢优先级在饥饿状态下，机体对不同营养物质的利用存在优先顺序初期主要消耗糖原；随后脂肪动员增加，成为主要能源；只有在长期严重饥饿时，蛋白质才大量分解这种策略最大限度保护重要器官的功能蛋白核酸与其他物质代谢的相互关系1氨基酸为核苷酸合成提供原料多种氨基酸参与嘌呤和嘧啶合成甘氨酸提供整个嘌呤环；天冬氨酸参与嘌呤和嘧啶合成；谷氨酰胺提供氮原子糖代谢与核苷酸合成的关系磷酸戊糖途径产生的核糖磷酸是核苷酸合成的直接前体；糖代谢还提供用于-5-ATP核苷酸合成的能量需求核酸通过控制蛋白质合成影响代谢和通过控制酶的合成，间接调节各种代谢途径；核酸突变可导致酶缺陷，引DNA RNA起代谢疾病遗传信息流中的代谢关系从到蛋白质的信息流需要多种代谢途径的参与核苷酸合成、合成、氨基酸DNA RNA合成和蛋白质合成核酸代谢与其他代谢途径有着密切的联系核苷酸的合成需要氨基酸、糖代谢产物和能量的参与；而核酸通过控制蛋白质（尤其是酶）的合成，间接调控几乎所有的代谢过程这种双向关系体现了生物体内代谢网络的复杂性和整合性代谢整合的中心分子乙酰CoA ATP NADH/NADPH乙酰是连接糖、脂肪和蛋是细胞的能量货币，连接和是重要的还CoA ATPNADH NADPH白质代谢的关键枢纽分子它分解代谢和合成代谢分解代原力载体，分别参与分解代谢是糖酵解的产物（通过丙酮酸谢产生，为需要能量的合和合成代谢主要在分ATPNADH脱氢复合体），脂肪酸氧化成代谢提供动力解代谢中产生（如糖酵解、三β-ATP/ADP的产物，某些氨基酸分解的产比例是反映细胞能量状态的重羧酸循环、脂肪酸氧化），通物，同时也是脂肪酸合成、酮要指标，影响多种代谢酶的活过电子传递链氧化产生ATP体合成和某些氨基酸合成的底性不仅提供能量，其组主要用于合成代谢（如ATP NADPH物乙酰还是三羧酸循环成部分（腺嘌呤、核糖）也参脂肪酸合成、谷胱甘肽还CoA的入口分子，其水平直接影响与核酸和辅酶合成，体现了能原），主要来源于磷酸戊糖途能量代谢效率量代谢与物质代谢的统一径和苹果酸酶途径丙酮酸丙酮酸是代谢的重要分叉点它是糖酵解的终产物，可以转化为乙酰进入三羧酸循CoA环，或在缺氧条件下转化为乳酸，或通过丙酮酸羧化酶转化为草酰乙酸参与糖异生丙酮酸还可以转化为丙氨酸，或用于某些氨基酸的合成丙酮酸的去向受氧气供应、能量需求和底物可用性的影响代谢调节概述分子水平调节酶活性、底物可用性、辅因子水平的调控1细胞水平调节基因表达、蛋白质合成、细胞信号转导组织器官水平调节不同组织间的代谢物交换与协作系统水平调节神经内分泌系统对全身代谢的统一调控代谢调节是指生物体通过各种机制控制代谢速率和方向的过程，目的是满足机体的能量和物质需求，同时维持内环境稳态代谢调节具有多层次性，从分子水平到系统水平都有相应的调控机制，这些机制相互协调，共同确保代谢的有序进行代谢调节可分为短期调节和长期调节短期调节主要通过改变酶的活性实现，如变构调节、共价修饰等，响应迅速但持续时间有限；长期调节则通过改变酶的合成速率和降解速率实现，响应较慢但效果持久这种多重控制机制使得生物体能够灵活应对各种内外环境的变化，确保代谢过程的精确调节酶水平调节底物水平控制底物浓度影响酶催化反应速率，通常遵循米氏动力学当底物浓度低于酶的值时，反应速率与底物Km浓度成正比；当底物浓度远高于值时，反应速率接近最大值某些酶对底物表现出正协同效应，使Km反应对底物浓度变化更加敏感反馈抑制和激活代谢途径的终产物可以抑制该途径中的关键酶，这种称为反馈抑制，能防止产物过度积累；反之，某些代谢中间产物或其他相关物质可以激活特定酶，称为前馈激活，有助于协调代谢流向例如，果糖-二磷酸激活磷酸果糖激酶，同时抑制果糖二磷酸酶，促进糖酵解并抑制糖异生2,6--1,6-共价修饰酶蛋白可通过共价修饰改变活性，最常见的是可逆的磷酸化去磷酸化磷酸化通常由蛋白激酶催化，/去磷酸化由蛋白磷酸酶催化例如，糖原合成酶和糖原磷酸化酶的活性受到磷酸化状态的严格调控，确保糖原合成和分解不会同时进行其他共价修饰还包括乙酰化、甲基化、泛素化等变构调节许多代谢酶是变构酶，具有催化活性位点和调节位点调节物质结合到调节位点后，引起酶的构象变化，从而影响催化活性变构调节可以是激活性的（如激活磷酸果糖激酶）或抑制性的（如AMP ATP抑制磷酸果糖激酶）变构调节使酶能够感知细胞的能量状态和代谢需求，并做出适当调整关键代谢酶的调节机制酶名功能激活因素抑制因素磷酸果糖激酶糖酵解限速酶、果糖二磷酸、柠檬酸AMP-2,6-ATP丙酮酸脱氢酶复合体连接糖酵解和循环、、、乙酰、TCA NAD+CoA ADPNADH CoAATP乙酰羧化酶脂肪酸合成第一步柠檬酸、胰岛素脂肪酰、CoACoAAMP还原酶胆固醇合成限速酶胰岛素胆固醇、甾醇HMG-CoA代谢酶的调节机制精密复杂，确保代谢途径在不同条件下能够适当调整以磷酸果糖激酶为例，它是糖酵解的关键限速酶，受到多种因素的严格调控作为能量丰富的信号，高浓度ATP时抑制该酶，防止葡萄糖过度分解；而作为能量不足的信号，则激活该酶，促进葡萄糖分解产能果糖二磷酸是一种重要的调节分子，其浓度受激素如胰岛素和胰高血糖素AMP-2,6-影响，从而将激素信号转化为代谢调节丙酮酸脱氢酶复合体是连接糖酵解和三羧酸循环的关键酶，其活性受产物底物比率（、乙酰）的严格调控，确保氧化磷酸化与糖酵解速率相匹配此外，该复/NADH/NAD+CoA/CoA合体还受到可逆磷酸化的调节，高能量状态下被磷酸化而失活还原酶除了受到产物胆固醇的反馈抑制外，还受到激素和日夜节律的调控，体现了代谢调节的复杂性和多层次HMG-CoA性酶在细胞内的集中存在与隔离分布酶在细胞内的分布具有高度的组织性和特异性，不同的代谢途径通常定位在特定的细胞区室或细胞器中这种空间隔离有多重意义一方面可以使特定反应在最适环境中进行（如、离子浓度）；另一方面可以防止中间产物的泄漏和不同途径的干扰；此外，还可以通过控制物质在不pH同区室间的转运来调节代谢流向例如，糖酵解在细胞质中进行，而三羧酸循环和氧化磷酸化在线粒体中进行；脂肪酸氧化在线粒体和过氧化物酶体中进行，而脂肪酸合成在β-细胞质中进行某些代谢途径中的酶以复合体形式存在，如丙酮酸脱氢酶复合体、脂肪酸合成酶复合体等，这种排列形式可以提高反应效率，减少中间产物的扩散，实现底物通道化细胞内的这种代谢分区对于维持正常的代谢功能至关重要，其异常可导致多种代谢疾病激素对代谢的调节胰岛素1主要同化激素，促进葡萄糖摄取和利用、糖原合成、脂肪酸合成胰高血糖素2主要分解代谢激素，促进糖原分解、糖异生、脂肪动员肾上腺素3应急激素，迅速动员能量储备，提高血糖和脂肪酸水平糖皮质激素应激激素，促进蛋白质分解和糖异生，维持长期应激反应激素是机体内重要的化学信使，通过血液运输到靶组织，调节多种生理过程，包括代谢不同激素对代谢的影响各异，形成复杂的调控网络例如，胰岛素是主要的同化激素，在进食后分泌增加，促进组织摄取和利用葡萄糖，同时促进糖原、脂肪和蛋白质的合成，抑制其分解相反，胰高血糖素在血糖降低时分泌增加，促进肝糖原分解和糖异生，升高血糖肾上腺素在应激状态下迅速分泌，动员能量储备，为战斗或逃跑反应提供能量糖皮质激素（如皮质醇）在长期应激中分泌增加，促进蛋白质分解和糖异生，维持血糖水平这些激素通过结合细胞表面或细胞内的受体，激活特定的信号转导途径，最终影响代谢酶的活性或表达，从而调节代谢胰岛素与胰高血糖素的拮抗作用血糖升高时的调节血糖降低时的调节当血糖升高时（如进食后），胰腺细胞感知到葡萄糖浓度增当血糖降低时（如空腹或运动时），胰腺细胞分泌胰高血糖素βα加，分泌胰岛素增加胰岛素促进骨骼肌、脂肪组织和肝脏等组增加胰高血糖素主要作用于肝脏，促进糖原分解和糖异生，增织摄取和利用葡萄糖，同时抑制肝糖原分解和糖异生，从而降低加血糖水平此外，胰高血糖素还促进脂肪分解和酮体生成，为血糖机体提供替代能源在分子水平上，胰岛素通过结合细胞表面的胰岛素受体，激活一胰高血糖素通过结合肝细胞表面的蛋白偶联受体，激活腺苷酸G系列信号转导途径，包括通路，最终导致葡萄糖转运环化酶，增加细胞内水平，进而激活蛋白激酶蛋白激PI3K-Akt cAMPA蛋白转位到细胞膜，增加葡萄糖摄取；同时激活糖原合酶通过磷酸化多种酶，激活糖原磷酸化酶和糖异生关键酶，同GLUT4A成酶，抑制糖原磷酸化酶，促进糖原合成时抑制糖原合成酶和糖酵解关键酶，使肝脏从利用葡萄糖转变为产生葡萄糖神经系统对代谢的调节下丘脑代谢调节中枢交感神经系统动员能量储备副交感神经系统促进消化吸收下丘脑是大脑中的一个小区域，但在代谢调节中发挥交感神经系统是应激反应的主要执行者，其活化会导副交感神经系统主导休息与消化状态，促进消化道核心作用它包含多个核团，如弓状核、腹内侧核和致肾上腺素和去甲肾上腺素的释放，这些神经递质和活动，增加胰岛素分泌，促进葡萄糖利用和能量储外侧核等，这些核团中的神经元可以感知血液中的葡激素可以迅速动员能量储备，包括促进肝糖原分解、存迷走神经是副交感神经系统的主要成分，它直接萄糖、脂肪酸、氨基酸水平及激素信号，整合这些信脂肪分解和心率增加交感神经系统的活化是战斗支配胰腺、肝脏和消化道，调节这些器官的功能副息后调节食欲、能量消耗和内分泌功能或逃跑反应的重要组成部分，为机体应对紧急情况交感神经系统的活化有助于机体在进食后有效吸收和提供能量利用营养物质神经系统与内分泌系统、免疫系统共同构成一个复杂的调节网络，协调控制全身代谢这三大系统通过神经递质、激素和细胞因子等信号分子相互通讯，使机体能够对内外环境的变化做出整体反应例如，压力不仅激活下丘脑垂体肾上腺轴，释放糖皮质激素，还会影响肠道菌群和免疫功能，这些变化反过来又会影响代谢--不同生理状态下的代谢调节进食后状态以同化代谢为主，胰岛素分泌增加，促进葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的摄取与利用空腹状态动员储备能量，胰高血糖素和肾上腺素分泌增加，促进糖原分解和脂肪动员长期饥饿脂肪和蛋白质分解，酮体利用增加，大脑适应使用酮体作为能源，减少对葡萄糖的依赖运动状态需求增加，肌糖原和血糖利用加速，长时间运动导致脂肪动员增加ATP机体在不同的生理状态下会采取不同的代谢策略，以满足能量和物质需求进食后，胰岛素分泌增加，促进葡萄糖摄取和利用，多余的能量以糖原和脂肪的形式储存这一阶段的主要代谢途径包括糖酵解、糖原合成、脂肪酸合成和蛋白质合成，总体呈现同化代谢为主的特点而在空腹状态（小时未进食），机体开始动员储备能量，肝糖原分解增加，血糖逐渐下降；长期10-14饥饿（天以上）时，肝糖原耗尽，脂肪动员和酮体生成显著增加，蛋白质分解也增加以提供糖异生底3物这种代谢调整的目的是保护脑功能和维持血糖稳定运动时，肌肉能量需求增加，短时间内主要依靠肌糖原和血糖；长时间运动则逐渐转向利用脂肪酸这些代谢调整都是通过激素和神经系统的协调作用实现的代谢疾病糖尿病脂代谢异常糖尿病是最常见的代谢性疾病，特征是血糖长期升高型糖尿病由胰岛细高脂血症是指血液中一种或多种脂质（如胆固醇、甘油三酯）浓度升高根1β胞破坏导致胰岛素绝对缺乏；型糖尿病则主要由胰岛素抵抗和相对胰岛素据升高的脂质类型，可分为高胆固醇血症、高甘油三酯血症或混合型高脂血2分泌不足引起糖尿病的代谢特点包括葡萄糖利用减少、糖异生增加、脂肪症这些异常与动脉粥样硬化密切相关，是心脑血管疾病的重要危险因素分解增强、酮体生成增多等，长期血糖控制不良可导致多器官并发症高脂血症可能由遗传因素（如家族性高胆固醇血症）或环境因素（如高脂饮食、缺乏运动）引起痛风氨基酸代谢异常痛风是嘌呤代谢紊乱导致的疾病，特征是血尿酸水平升高和尿酸盐晶体在关苯丙酮尿症是常见的氨基酸代谢异常疾病，由苯丙氨酸羟化酶缺陷导致患节和软组织中沉积高尿酸血症可能由尿酸产生增多（如嘌呤摄入过多、嘌者无法将苯丙氨酸转化为酪氨酸，导致苯丙氨酸及其代谢产物在体内积累，呤代谢异常）或尿酸排泄减少（如肾功能不全）引起急性痛风发作表现为对发育中的大脑造成损害早期诊断和治疗（主要是限制苯丙氨酸摄入）可关节红、肿、热、痛，慢性痛风可导致痛风石形成和关节破坏以预防智力障碍的发生其他氨基酸代谢异常还包括枫糖尿病、高胱氨酸尿症等代谢组学与精准医疗代谢组学的定义与方法代谢组学在医学中的应用代谢组学是研究生物体内所有小分子代谢产物（代谢组）的科代谢指纹图谱是代谢组学的重要应用，通过分析患者体液（如血学，是系统生物学的重要组成部分它通过高通量技术如质谱和液、尿液）或组织中的代谢物谱，可以识别特定疾病的代谢标志核磁共振等分析细胞、组织或生物体内的代谢产物谱，反映机体物，辅助疾病诊断和预后评估例如，肿瘤组织通常表现出特征在特定生理或病理状态下的代谢状况性的代谢改变，如旺盛的有氧糖酵解（瓦伯格效应）与基因组学和蛋白质组学相比，代谢组学更直接地反映生物体的在药物研发和个体化用药中，代谢组学可以帮助了解药物代谢过功能状态，因为代谢产物是生物化学反应的最终产物，直接影响程、预测药物疗效和毒性，指导个体化给药方案此外，代谢组表型代谢组学研究通常包括样本收集、代谢物提取、仪器分学还有助于发现新的代谢干预靶点，开发针对代谢疾病的新型治析、数据处理和生物信息学分析等步骤疗策略，如靶向癌细胞特异性代谢途径的抗肿瘤药物人体产生的代谢废物二氧化碳（₂）CO二氧化碳是有氧呼吸的主要终产物，主要来源于三羧酸循环中酮戊二酸和柠檬酸的脱羧反应，以及丙α-酮酸脱氢酶复合体催化的反应一个成年人每天约产生升₂，主要通过肺部呼出₂在400-800CO CO血液中主要以碳酸氢盐形式运输，并参与维持血液平衡pH尿素尿素是氨基酸代谢的主要终产物，通过肝脏中的尿素循环将有毒的氨转化为无毒的尿素一个成年人每天约产生克尿素，主要通过肾脏排出尿素的产生量反映了蛋白质代谢的强度，高蛋白饮食或组织25-30分解增加时，尿素生成增多肾功能不全时，尿素在血液中积累，导致高氮血症尿酸尿酸是嘌呤核苷酸代谢的终产物在人体内，嘌呤碱基（腺嘌呤和鸟嘌呤）最终被分解为尿酸，由肾脏排出尿酸在血液中的溶解度有限，当其浓度过高时，容易形成晶体沉积在关节和软组织中，引起痛风尿酸也是一种重要的抗氧化剂，在体内有一定的保护作用其他代谢废物胆红素是血红蛋白分解的产物，通过胆汁排入肠道，部分转化为尿胆素后随粪便排出肌酐是肌酸代谢的产物，主要通过肾脏排出，其血清水平常用于评估肾功能各种酮体（如丙酮）在某些条件下（如长期饥饿、糖尿病酮症酸中毒）可能大量产生，通过尿液和呼吸排出代谢废物的排出途径肺气体废物排出肾液体废物排出肺是排出₂的主要器官，也排出少量水和挥发性物肾脏是排出水溶性代谢废物的主要器官，包括尿素、尿CO质（如丙酮）₂从组织细胞扩散到血液，主要以酸、肌酐等肾小球过滤血液，形成原尿，然后通过肾CO碳酸氢盐形式运输到肺，在肺泡中重新转化为₂并小管的重吸收和分泌作用，调整水、电解质和废物的排CO扩散到肺泡腔内，随呼气排出出量，最终形成尿液每分钟呼出的₂量（约）与机体的代谢率密成年人每天产生约升尿液，其成分和浓度受多种因CO200ml1-2切相关，运动或发热时会显著增加呼吸的调节主要通素影响，包括饮水量、饮食成分、代谢状态和激素水平过₂水平和血液值的变化实现，确保气体交换与等肾脏功能障碍可导致代谢废物在体内积累，引起尿CO pH代谢需求相匹配毒症肠道胆汁排出皮肤汗腺排出肝脏通过胆汁排出胆红素、胆固醇、某些药物代谢产物皮肤通过汗腺排出水、电解质和少量尿素等废物汗液和重金属胆红素是血红蛋白分解的产物，经肝脏处理的主要成分是水（约），还含有钠、氯、钾等电解99%后以胆红素葡萄糖醛酸结合物的形式排入胆汁，随胆汁质和少量有机物汗液排出主要服务于体温调节，但也进入肠道，部分被肠道细菌转化为尿胆素和粪胆素，赋具有辅助排泄功能予粪便特征性颜色在正常情况下，通过皮肤排出的代谢废物量较少；但在肠道也是许多药物和环境毒素代谢产物的排出途径此大量出汗时（如剧烈运动或高温环境下），这一途径的外，肠道菌群代谢产生的物质，如短链脂肪酸，一部分排泄作用变得更为重要某些代谢异常时，汗液成分可被机体吸收利用，一部分随粪便排出肠道排泄功能的能发生变化，如囊性纤维化患者汗液中氯化钠含量显著障碍可导致多种病理状态，如黄疸增高代谢研究的新方向代谢重编程与肿瘤治疗肿瘤细胞通常表现出异常的代谢模式，如增强的有氧糖酵解（瓦伯格效应）、谷氨酰胺代谢改变和脂质合成增强等线粒体功能与代谢疾病线粒体作为能量代谢的中心，其功能异常与多种疾病相关，包括神经退行性疾病、糖尿病和心血管疾病微生物组与宿主代谢肠道微生物群与宿主代谢密切相关，参与食物消化、产生短链脂肪酸和维生素，影响药物代谢和免疫功能代谢调控与健康长寿代谢调控策略如热量限制、间歇性禁食和靶向特定代谢途径的药物干预，可能延缓衰老过程和预防年龄相关疾病代谢研究正在经历从描述性向功能性和整合性的转变，新技术和新理念不断涌现代谢重编程研究已成为肿瘤生物学的前沿领域，研究者试图通过靶向肿瘤特异性代谢途径开发新型抗癌药物例如，针对异柠檬酸脱氢酶突变的靶向药IDH物已在某些白血病治疗中取得成功线粒体功能研究揭示了能量代谢与细胞信号、氧化应激和细胞死亡的复杂关系，为多种疾病提供了新的治疗思路微生物组研究则揭示了肠道菌群与宿主代谢的双向互动，菌群可以产生多种影响宿主代谢的分子，而宿主饮食和代谢状态也会塑造菌群组成在健康长寿研究中，多个代谢通路（如、和相关通路）被确定为潜在干预靶点，mTOR AMPKNAD+相关药物和保健品已进入研发或应用阶段代谢科学的跨学科应用代谢科学已经突破传统生物化学的边界，与多个学科深度融合，形成了许多新兴研究领域代谢工程是其中最具应用前景的方向之一，通过基因编辑和合成生物学技术，研究者可以重新设计微生物的代谢网络，使其高效生产特定的化合物，如生物燃料、药物前体和工业原料这一领域已经实现了从实验室到工业化生产的转化系统生物学采用计算模型模拟和预测复杂的代谢网络行为，通过整合大规模组学数据和代谢通量分析，构建全细胞代谢模型运动营养学研究如何通过营养干预优化运动表现和恢复，深入探索不同营养素对能量代谢和肌肉适应的影响环境代谢组学则研究环境污染物如何影响生物体的代谢，为生态毒理学和环境风险评估提供新工具这些跨学科应用体现了代谢科学的广阔前景和重要价值总结代谢网络的整体观代谢的整体性代谢是一个高度整合的网络，而非孤立的反应代谢的动态性2代谢流向和速率不断调整以适应环境变化代谢的适应性代谢网络能够根据生理需求进行短期和长期调整代谢平衡与健康代谢平衡的维持是健康的基础，失衡导致疾病通过本课程的学习，我们已经系统了解了生物代谢的基本概念、主要途径及其调控机制代谢不是简单的化学反应集合，而是一个精密协调的网络系统，各个部分相互联系、相互影响糖类、脂质、蛋白质和核酸代谢之间存在多重交叉点和调控环路，共同构成了生命活动的物质基础代谢的整体性体现在不同营养物质之间的转化和共享中间产物；动态性体现在代谢流向和速率可以根据需要进行调整；适应性体现在面对不同生理状态（如进食、饥饿、运动）和病理条件时的代谢重编程理解代谢的这些特性，有助于我们认识健康与疾病的本质，开发针对代谢异常的干预策略代谢科学的进步不仅深化了我们对生命本质的理解，也为医学、农业、环境科学和生物技术等领域提供了重要支持参考文献与学习资源经典教材与参考书在线学习资源《生物化学》（第版），王镜岩、朱圣庚、徐长法主编，高等教育出版社代谢途径数据库9KEGG https://www.genome.jp/kegg/pathway.html《生物化学原理》（第版），和著，代谢途径数据库Lehninger7Nelson D.L.Cox M.M.MetaCyc https://metacyc.org/科学出版社生物化学课程Khan Academy《代谢生物化学》，王希成、裴钢主编，科学出版社https://www.khanacademy.org/science/biology/chemistry--of-life《分子细胞生物学》（第版），等著，科学出版社中国大学平台生物化学课程8Lodish H.MOOC《》（第版），Harpers IllustratedBiochemistry31Rodwell V.W.Human MetabolomeDatabase https://hmdb.ca/等著，McGraw-Hill Education期刊代谢专题Nature ReviewsMolecular CellBiology以上列出的资源可以帮助您进一步深入学习生物代谢相关知识经典教材提供了系统完整的理论框架，而在线资源则提供了最新的研究进展和可视化工具建议结合使用，既掌握基础理论，又了解前沿动态学习代谢科学需要建立空间思维和网络思维，建议使用代谢途径图谱作为学习辅助工具，如数据库中的代谢途径图此外，代谢是一个实验科学，KEGG有条件的同学可以参加相关实验课程，亲自操作酶活性测定、代谢产物分析等实验，加深对理论知识的理解如果您对特定领域感兴趣，还可以阅读相关的综述文章和原始研究论文，了解最新研究进展。