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代谢和代谢疾病概述

代谢和代谢疾病

代谢一词源自希腊语“改变”之意,因此,它定义维持平衡的细胞、组织和生物内的所有化学变化或过程。这里的重点是在细胞水平评价不同的代谢途径,以及这些途径在受到干扰时会如何引起不同的代谢疾病。能够评估引起代谢变化的各种信号转导活动和化学反应,是理解正常细胞生理和疾病的关键。拥有关键的工具,如对这些过程所涉及的关键酶和蛋白具有特异性的抗体,对了解人体疾病中代谢是如何出现故障的至关重要。

细胞代谢

在很大程度上,细胞代谢是由涉及生物分子合成(合成代谢)、维持或分解(分解代谢)的各种复杂生物化学反应定义的,而所有的综合起来可定义细胞的能量状态。这些代谢过程所涉及的分子包括细胞基本构成要素,如脂质、氨基酸、碳水化物和核苷酸以及参与代谢反应的许多酶和辅因子。这些大量的反应就是驱使细胞代谢的因子,并且包含添加到细胞整体基本构成要素和能量库或从中去除的每个过程。营养摄取会影响主要的细胞代谢反应,因此,理解细胞中包含脂质、碳水化合物、氨基酸和核苷酸代谢在内的关键营养代谢系统非常关键。

脂质代谢

脂质或脂肪是细胞用作燃料来支持细胞功能的重要高能营养物。此外,脂质还是关键细胞结构(如膜)的重要基本构成要素,同时还参与许多重要的信号转导网络。某些细胞类型(如脂肪细胞)专用于储存脂质,脂质在分解代谢中流动,以在营养或能量不足的条件下支持生物功能。甘油三酯和胆固醇等关键脂质从饮食中获得,必须适当消化和吸收。

Fatty Acid Synthase (C20G5) Rabbit mAb #3180

Fatty Acid Synthase (C20G5) Rabbit mAb #3180: 使用 #3180(绿色)对 HeLa 细胞进行共聚焦免疫荧光分析。肌动蛋白纤丝用 DY-554 鬼笔环肽 #13054(红色)标记。蓝色伪彩 = DRAQ5® #4084(DNA 荧光染料)。

AMPK 信号转导通路

碳水化合物代谢

碳水化合物是由碳、氢和氧 (CHO) 构成的“糖”,可以以简单单体(单糖,如葡萄糖)或更复杂的形式(包括二糖 [如蔗糖]、高度复杂的多糖 [如淀粉])存在。食物消化后,通过释放酶(如唾液淀粉酶)即开始碳水化合物代谢,酶会启动将多糖分解成不那么复杂的糖的过程。继续在小肠内消化,胰腺淀粉酶在其中完成多糖到单糖的分解。葡萄糖是人类饮食中的主要单糖,可满足一个人的多数日常能量需求。

碳水化合物代谢从口中一种称为唾液淀粉酶的酶开始。唾液淀粉酶将复杂的碳水化合物(即多糖)分解成不那么复杂的分子。碳水化合物继续在小肠中被消化,胰腺淀粉酶进一步将部分消化的多糖分解成为最简单的形式(即单糖)。葡萄糖是一种最重要的单糖,因为它提供身体所需的大部分燃料。葡萄糖在小肠中被吸收到血流中,并通过循环系统被运送到所有器官,随后在胰岛素的诱导下被吸收到细胞中。葡萄糖摄取在肝脏和肌细胞中尤其显著,代谢酶会在其中通过糖原生成过程将葡萄糖转化为多糖糖原。糖原生成是一种重要的能量储存功能,因为糖原储存物可以被快速水解回葡萄糖,如果血糖水平下降,便可为身体提供随时可用的能量来源(葡萄糖)。糖原由多个葡萄糖亚基构成,可作为紧急燃料储备,并可在血糖水平下降时随时被分解。糖原的分解被称为糖原分解。这种碳水化合物代谢途径内的酶功能变化会导致多种疾病(如糖尿病)以及各种糖原贮积病。

RNA 合成中使用的核苷酸与 DNA 合成中使用的核苷酸类似,但胸嘧啶除外 — RNA 合成中使用尿嘧啶。但去除核糖上的 -OH 基是产生脱氧核糖所必需的,其中脱氧核糖构成 DNA 的核苷酸基本构成要素。重要的是,细胞中会不断发生 DNA 和 RNA 分解。DNA 和 RNA 分解的嘌呤和嘧啶产物要么重新用于将来的核酸合成,要么作为废弃产物被清除。各类核酸的循环分解和合成对能量储存和产生至关重要,因此,对细胞平衡也非常重要。

α-Amylase (D55H10) XP® Rabbit mAb #3796

α-Amylase (D55H10) XP® Rabbit mAb #3796: 使用 α-Amylase (D55H10) XP® Rabbit mAb #3796 对石蜡包埋的人胰腺细胞进行 IHC 分析。

氨基酸代谢

蛋白有许多功能:提供胞内外结构(细胞/组织/器官);信号转导;运输转运蛋白;作为酶起作用(如蛋白催化剂);以及提供免疫力。蛋白由氨基酸构成,氨基酸串联在一起形成多肽链,多肽链在三维折叠时形成成熟的蛋白。蛋白构成所有细胞的很大一部分,因此也是细胞用于燃料和其他过程的一种关键营养物。

蛋白消化从胃里开始,胃酸和胃蛋白酶会在其中将蛋白分解成更简单的多肽。这些多肽随后进一步被分解成相应的结构性氨基酸基本构成要素,这些要素要么被重新用来形成其他蛋白,要么进一步被肝脏分解成为可用于能量、葡萄糖、脂肪或新氨基酸形成的 α-酮酸。氨基酸分解会导致铵离子的产生。下面,我们将讨论尿素循环及其在清除毒性氨中的作用。要注意的是,蛋白在饥饿时是一种非常有用的能量来源。这是因为蛋白分解会导致产生代谢中间物,代谢中间物会进入柠檬酸循环(论述见下文)。

Hexokinase I (C35C4) Rabbit mAb #2024

Hexokinase I (C35C4) Rabbit mAb #2024: 使用 Hexokinase I (C35C4) Rabbit mAb #2024(绿色)对 HeLa 细胞进行共聚焦免疫荧光分析。肌动蛋白丝用 DY-554 phalloidin #13054(红色)标记。蓝色伪彩 = DRAQ5® #4084(DNA 荧光染料)。

核苷酸代谢

核苷酸分为两大类:嘌呤和嘧啶,两者均由一个磷酸基和一个戊糖组成,但其含氮碱基大小不同。

腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤,而胞啶、尿苷和胸苷是嘧啶。嘌呤和嘧啶合成需要加入以三磷酸腺苷 (ATP) 和/或三磷酸鸟苷 (GTP) 形式存在的能量。ATP 和 GTP 是细胞的主要能量载体,并且在其磷酸基之间的键中含有高水平的能量。其中一个键断裂会导致释放会驱使细胞功能的能量。磷酸基随后通过磷酸酶从 ATP 和 GTP 中被清除,从而产生二磷酸和单磷酸腺苷和鸟苷(即 ADP、GDP、AMP、GMP)。这是一种可逆反应,并且通过一组称为激酶的酶便可将磷酸基加入到 ADP/GDP 和 AMP/GMP 上。在嘧啶合成通路中,还有 UTP 和 CTP 核酸,它们分别来源于尿苷和胞啶。

线粒体及线粒体在代谢中的功能

线粒体

线粒体: 线粒体全貌。

线粒体是在细胞代谢和能量中起着中心作用的胞内细胞器。在整合不同代谢输入、划分关键代谢和细胞命运通路,以及作为高效引擎将营养物输入转化成为能量货币(主要是 ATP)的过程中,这些动态细胞器起到关键作用。从营养代谢物中产生 ATP 被视为是线粒体功能的一个关键方面。通过将这些中间物中的电子传递到线粒体内膜上的呼吸链亚基,即可将柠檬酸循环中的代谢物转化成 ATP。随着电子被转移,质子被泵入内膜空间,从而形成一个生物化学梯。关键呼吸复合体 I、III 和 IV 位于线粒体内膜,并且是利用电子转移产生的电化学能量将质子从基质泵入内膜空间的蛋白单位。分子氧是复合体 IV 的最终电子受体,会还原成 H2O。重要的是,线粒体基质和内膜空间之间的质子失衡会产生一个电化学梯,从而提供促进 ADP 中合成 ATP 的潜在能量。与细胞中其他的产能过程相比,这种高效的能量产生过程(因其依赖于氧,被称为“好氧呼吸”)会在最初的营养物输入时产生最佳能量回馈 (ATP)(如厌氧呼吸,它不需要氧气,并能产生更少量的 ATP;这主要发生在糖酵解和葡萄糖-乳酸转化后)。线粒体功能和能量产生在需要能量的躯体组织和细胞中尤为关键,如脑(神经元)、心脏(心肌细胞)和胰腺(β-胰岛)细胞。线粒体功能对所有细胞都很重要,线粒体功能受损时,会出现疾病。所致疾病的严重程度取决于受影响细胞类型的代谢需求。线粒体功能障碍引起的不同代谢疾病在第 4 部分进行了更新。

COX IV (3E11) Rabbit mAb #4850

COX IV (3E11) Rabbit mAb #4850: 对用 COX IV (3E11) Rabbit mAb #4850(绿色)标记的 HeLa 细胞进行共聚焦免疫荧光分析。肌动蛋白丝用 Alexa Fluor® 555 phalloidin #8953(红色)标记。蓝色伪彩 = DRAQ5® #4084(DNA 荧光染料)。

线粒体还有一种独特的生理功能,能够调节其对细胞代谢的功能和影响。线粒体在细胞中不以单个实体的形式存在,而是会在整个细胞浆中形成一个动态网络。该网络内一个线粒体的生命周期是由生物发生、融合和裂变、运动和降解过程定义的。生物发生是新线粒体的形成。融合是指独立/不同线粒体合并成一个;裂变是相反的:单个线粒体分裂成独立/不同的线粒体。随着线粒体响应细胞的多变能量需求,以及作为线粒体损伤的反应,这些过程会持续发生,以保留细胞线粒体功能。线粒体移动或运动会让线粒体移动到需要其特定功能的地方。最后,mitophagy 是一种类似于自噬的过程,尤其会影响允许线粒体组分分解的线粒体。尤其是,自噬可清除受损的线粒体。线粒体自噬或 mitophagy 缺损会导致形成有功能障碍的线粒体。mitophagy 缺陷与某些疾病的发生有关,尤其是帕金森病。因此,线粒体功能的正常调节和维持是维持代谢平衡的一个关键方面。

主要代谢途径

下面,我们将讨论细胞使用的主要代谢途径。在通过多种中间步骤将一种最初的代谢底物转化为另一种底物的过程中,每种途径都依赖于酶来催化其中所涉及的特定化学反应,其中每种都会产生代谢物。

BNIP3 (D7U1T) Rabbit mAb #44060

BNIP3 (D7U1T) Rabbit mAb #44060: 使用 BNIP3 (D7U1T) Rabbit mAb #44060 对石蜡包埋的人非小细胞肺癌细胞进行 IHC 分析。

合成代谢、分解代谢与混合代谢

巨噬细胞可被触发来识别抗原,例如受损细胞或外来物质,从而根据需要进行破坏。巨噬细胞存在于大多数组织中,并在感染和将死细胞需要时作出反应。在巨噬细胞中,被识别的物质会通过吞噬被破坏,巨噬细胞因此而得名(在希腊语中为“大胃王”)。存在于不同位置时,巨噬细胞会采取不同形式,并且除了吞噬之外还可执行其他功能。

出现组织损伤或病原体感染时,血液中的单核细胞会被募集到受影响的组织,并分化成巨噬细胞。根据不同的组织位置,存在不同类型的巨噬细胞,例如肝脏中的枯否细胞、肺中的肺泡巨噬细胞、脑中的小胶质细胞等。这些不同类型的巨噬细胞都来自单核细胞,但其功能专门针对常驻组织。大部分一般吞噬作用都由常驻组织巨噬细胞来执行。除了吞噬死细胞和外来物质外,巨噬细胞还通过细胞因子向其他免疫细胞发出信号。在一定程度上,巨噬细胞执行抗原呈递的关键功能,因此与 T 细胞一起作用来支持适应性免疫。此外,巨噬细胞会分泌 IL-12 等细胞因子,并在局部免疫应答中起作用,而其他巨噬细胞则分泌大量的 IL-10,IL-10 可介导它们在组织修复中的作用。因此,除了主要任务(吞噬)外,“大胃王”还在免疫系统中起到各种作用。

糖酵解

糖酵解是指葡萄糖在细胞内被分解为丙酮酸和 ATP。糖酵解发生在细胞浆中,利用一系列酶将每个六碳葡萄糖分子分裂为两个三碳丙酮酸分子。糖酵解不需要氧,因此,它是厌氧生物中的主要分解代谢途径。当氧气不足时,“其他好氧”生物也会使用糖酵解。

PKM2 (D78A4) XP® Rabbit mAb #4053

PKM2 (D78A4) XP® Rabbit mAb #4053: 使用 PKM2 (D78A4) XP® Rabbit mAb #4053(绿色)对 A204 细胞进行共聚焦免疫荧光分析。蓝色伪彩 = DRAQ5® #4084(DNA 荧光染料)。

柠檬酸循环(克雷布斯循环)

克雷布斯循环

克雷布斯循环: 克雷布斯循环蛋白。

柠檬酸循环(也称克雷布斯循环)是胞内葡萄糖代谢的下一步。它发生在线粒体中,并且由乙酰辅酶 A(乙酰 CoA)启动,乙酰 CoA 是糖酵解期间产生的一种丙酮酸氧化衍生物。柠檬酸循环需要氧气,并将二氧化碳和水作为副产物释放。它由一系列会产生高能分子 NADH、FADH2 和 ATP 的氧化还原反应构成。对于每个葡萄糖分子,两个丙酮酸是通过糖酵解产生的,因此,柠檬酸循环约两次,每轮产生两个二氧化碳分子、三个 NADH、一个 FADH2和一个 ATP。虽然柠檬酸循环本身不会产生很多 ATP(细胞的主要能量货币),但 NADH 和 FADH2 分子是电子载体,穿梭进入电子传递链,以实现氧化磷酸化和高能量产生。

氧化磷酸化

细胞呼吸的最终阶段是氧化磷酸化 (OXPHOS)。OXPHOS 还会发生在整个线粒体内膜中。在一系列氧化还原反应中,有五种跨膜酶复合体驱动电子从一个分子转移到另一个分子。这称为电子传递链。电子沿着电子传递链转移会释放能量,这种能量随后沿着其浓度梯促进质子泵从线粒体基质转位质子,穿过线粒体内膜,并进入膜间隙。这是促进 OXPHOS 的电化学梯的源头。膜间隙中的累积质子然后沿着其浓度梯,通过电子传递链(ATP 合成酶)中的最终复合体,并随后进入线粒体基质。通过 ATP 合成酶分子,沿着其浓度梯流下来的质子所释放的能量会促进其作为一种“分子马达”的功能,这种功能利用该能量来催化将一个磷酸基添加到 ADP 前体的过程,从而形成 ATP。一个葡萄糖分子会在氧化磷酸化后产生 30 至 36 个 ATP 分子。

磷酸戊糖途径

正如上面讨论的,在细胞呼吸中,糖酵解期间产生的丙酮酸被分流到柠檬酸循环和氧化磷酸化中。但有一种备选胞质途径会分流糖酵解,并导致形成 DNA 和 RNA 产生所需的糖。磷酸戊糖途径利用在糖酵解第一步中产生的分子——葡萄糖-6-磷酸。葡萄糖-6-磷酸通过加入磷酸基到葡萄糖上而产生,并且磷酸戊糖途径用于生成 NADPH(被称为戊糖的五碳糖)和核糖-5-磷酸,以用作核苷酸合成的前体分子。NADPH 不仅在磷酸戊糖途径中起到重要功能作用,还在脂肪酸代谢和活性氧类 (ROS) 控制等其他生物合成过程中起到重要功能作用。

谷氨酸代谢

谷氨酰胺是快速增殖细胞的一种重要燃料源。它通过一种特定氨基酸转运蛋白被转运到细胞中,并被转化成线粒体中的谷氨酸。在那里,谷氨酸被转化为柠檬酸循环中的中间物 α-酮戊二酸。

尿素循环

尿素循环(也称鸟氨酸循环)是预防身体中氨毒性形成所必需的,并且主要发生在肝脏中。它包含从铵离子中产生尿素(氨基酸分解的副产物)的生物化学反应。在这个循环中,二氧化碳结合蛋白代谢期间氨基酸转氨产生的氨,导致尿素和水在生成后作为尿液被肾脏排出。尿素循环的初始步骤发生在线粒体中,并且后续步骤在胞质中继续进行。

脂肪酸合成

脂肪酸是细胞中的能量源和储存单位。此外,脂肪酸在细胞信号转导中起到主要作用,因此,会严重影响细胞功能。脂肪酸合成发生在胞质中,并且在一个由脂肪酸合成酶催化的过程中乙酰辅酶 A 和 NADPH 会产生脂肪酸。糖酵解分解葡萄糖会提供对脂肪酸合成所需的乙酰辅酶 A 单位。葡萄糖分解还会产生甘油,甘油与三个脂肪酸亚基合并成甘油三酯。磷脂产生也是脂肪酸代谢的一个关键部分,因为磷脂是生物膜的一种主要组分。甘油结合两个脂肪酸和一个磷酸基时,这会导致磷脂形成。磷脂在细胞内有许多功能,但最重要的是,它们会形成构成细胞膜的脂质双层。

除了是细胞和细胞器膜的基本构成要素,磷脂还用于药物合成,以增加膜的渗透性,并提高药物生物利用度。

Lipin 1 (D2W9G) Rabbit mAb #14906

Lipin 1 (D2W9G) Rabbit mAb #14906: 使用 Lipin 1 (D2W9G) Rabbit mAb #14906(红色)对 3T3-L1 脂肪细胞(分化,7 天)进行共聚焦免疫荧光分析。用 BODIPY® 493/503(绿色)标记脂肪滴。蓝色伪彩 = DRAQ5® #4084(DNA 荧光染料)。

脂肪酸 β 氧化

脂肪酸 β-氧化是一个脂肪酸在线粒体中被分解成其结构性乙酰辅酶 A 亚基的过程。这种乙酰辅酶 A 随后进入柠檬酸循环进行顺序氧化,并产生 NADH 和 FADH2

糖异生

糖异生是指碳水化合物之外来源的葡萄糖生成。类似于糖原分解,糖异生是一种主要在肝脏发生的适应过程,以确保血糖水平不会降到太低。糖异生通常发生在低营养摄入、剧烈运动或低碳水化合物进食期间。

一碳代谢

一碳代谢是指一组叶酸依赖性代谢途径,这些途径对氨基酸和核苷酸等多种分子的合成代谢非常重要。在这样的途径中,叶酸是一碳基团的载体,促进这些基团从供体分子中的移除和转移。有三种分子可用于移动一碳基团:四氢叶酸,一种作为多种酶的辅因子的叶酸衍生物;S-腺苷甲硫氨酸,一种甲基供体;维生素 B12,甲基化和碳重排反应中的一种辅酶。除了在氨基酸和核苷酸合成中的作用外,一碳代谢还对 DNA 和组蛋白甲基化很重要。

氧化应激及其在代谢中的作用

在线粒体中,通过电子传递生成 ATP 的副产物包括活性氧类 (ROS),这些是高反应性分子,会对细胞器和其他细胞结构造成氧化性损伤。在低生理水平下,ROS 毒性可以通过超氧物歧化酶 (SOD)、谷胱甘肽和催化酶等胞内抗氧化系统得到充分控制。现在,基础 ROS 水平已知还会在生理细胞途径中起着关键作用。但病理性 ROS 水平经证实会损害蛋白、脂质和 DNA,这会导致线粒体代谢缺陷以及有害的细胞功能和活力后果。有效应对 ROS 诱导的线粒体损伤是在不同细胞应激形式下维持细胞功能和活力的关键。

什么是氧化应激

不同环境条件或细胞干扰会诱导氧化应激。在代谢环境下,当营养供应超出能量需求时,会出现氧化应激。这会引发电子传递链备份,导致电子“泄漏”并与 O 2 反应形成 ROS。呼吸链组分的功能障碍还会导致电子传递干扰和 ROS 水平升高。同样,蛋白表达降低或功能减退导致的抗氧化酶能力缺陷会导致 ROS 累积。虽然线粒体是 ROS 的一大主要来源,但其他细胞来源的 ROS 和活性氮类 (RNS) 水平升高也会导致氧化应激,包括自噬细胞等细胞中的黄嘌呤氧化酶和细胞色素 P450 氧化酶系统。

氧类 (ROS)

ROS 有不同形式,其中有两大组是自由基(有不成对电子的类别)和非自由基(无不成对电子)。当自由电子首先与 O2 发生反应时,这会形成超氧阴离子 (O2-),后者是一种非常有反应性但不稳定的 ROS。超氧化物岐化酶 (SOD) 会将超氧化物快速转化为过氧化氢 (H2O2)。虽然过氧化氢更稳定,但在一个称为芬顿反应的过程中,它会在与过渡金属相互作用之后,被转化成为有害的羟自由基 (-OH)。羟自由基是反应性最强的 ROS,因此,最有可能对胞内蛋白和脂质造成氧化性损伤。

缺氧和细胞呼吸

在缺氧(氧不足)条件下,电子传递正常进行,但作为最终电子受体的可用氧气有限。在这些情况下,电子传递正常进行,但没有氧气来接受电子。如果不加抑制,这会导致电子泄漏和 ROS 产生增加。相应地,细胞衍生出了会影响细胞呼吸和相关氧化应激的特化缺氧反应通路。这些通路会使代谢活性下调,从而避免压垮生物能分子组。一种称为缺氧诱导因子 1 (HIF-1) 的关键转录因子会降低电子传递链活性,并使蛋白翻译(一种需要 ATP 的过程)和 Na-K-ATP 酶活性下调,从而应对降低的氧利用率。这种协调反应会使细胞和线粒体承受更低氧气的周期,直到恢复正常水平。

HIF-1α (D1S7W) XP® Rabbit mAb #36169

HIF-1α (D1S7W) XP® Rabbit mAb #36169: 使用 HIF-1α (D1S7W) XP® Rabbit mAb #36169(绿色)对未经(左图)或氯化钴(500 μM,24 小时;右图)处理的 Hep G2 细胞进行共聚焦免疫荧光分析。肌动蛋白纤丝用 DyLight™ 554Phalloidin #13054(红色)标记。

氧化应激的生物标记物

氧化应激是一种多面复杂的过程,定义细胞和组织中氧化应激的最佳生物标记物具有挑战性。

一种方法是检查氧化性损伤引起的靶分子(如蛋白)生物化学修饰 —例如,使用 2,4-二硝基苯肼 (DNPH) 的蛋白羰基化测定法,用来检测经反应性氧化学修饰的蛋白产物。氧化的低密度脂蛋白也是一种常见的生物标记物,尤其是对于心血管疾病。氧化性损伤后也可检测到脂质修饰。一种常见的生物标记物是 4-羟基壬烯醛 (4-HNE),这是一种在脂质过氧化下产生的羟基壬烯醛。还可以检测内源性抗氧化系统活性中的生物化学变化(如谷胱甘肽水平),以作为氧化应激的标志。DNA 和 RNA 也是 ROS 的靶标,这些核苷酸的氧化可用作氧化应激的生物标记物。研究人员还考虑对已知受 Nrf2 和 HIF-1 等氧化应激调节的常见通路进行干扰。对可靠的氧化应激生物标记物的检测正在不断演变,因此,人们应该回顾最近的文献来确定哪些测定法最符合他们的需求。

NRF2 (D9J1B) Rat mAb (IF Specific) #14596

NRF2 (D9J1B) Rat mAb (IF Specific) #14596: 使用 NRF2 (D9J1B) Rat mAb (IF Specific) #14596(绿色假色)对未经(左图)或经 MG-132 #2194(10 μM,8 小时;中间)处理的 MEF NRF2 野生型细胞及经 MG-132 #2194(10 μM,8 小时;右图)处理的 MEF NRF2 敲除型细胞进行共聚焦免疫荧光分析。肌动蛋白丝用 Alexa Fluor® 488 Phalloidin #8878(红色假色)标记。

代谢疾病

由于维持细胞代谢平衡的关键重要性,代谢途径中断会导致大量代谢疾病。下面,我们总结了主要代谢疾病及其潜在病因。

代谢疾病的原因

基因突变或在功能上影响主要消化器官或具有重要代谢功能的器官(如肝脏、胰腺)的环境干扰会引起代谢疾病。

代谢疾病类型

目前,国立卫生研究院将代谢疾病分为以下类别:

  • 酸碱失衡
  • 代谢性脑疾病
  • 钙代谢疾病
  • DNA 修复-缺陷疾病
  • 葡萄糖代谢疾病
  • 高乳酸血症
  • 铁代谢疾病
  • 脂质代谢疾病
  • 吸收不良综合征
  • 代谢综合征 X
  • 先天性代谢缺陷
  • 线粒体疾病
  • 磷代谢疾病
  • 卟啉病
  • 蛋白平衡缺陷
  • 代谢性皮肤疾病
  • 消耗性综合征
  • 水-电解质失衡

显著代谢疾病

显著代谢疾病构成影响人群的大多数代谢疾病,即糖尿病/胰岛素抗性、肥胖/代谢综合征、心血管疾病、肾组织损伤以及先天性代谢缺陷。

癌症和代谢

代谢是癌细胞生物学日益重要的一个方面。在癌症研究中就代谢作用获得的早期见解是由于 Otto Warburg 的发现,该发现表明癌细胞依赖于低效发酵代谢途径,而不是更节能的好氧呼吸。这种“Warburg 效应”是许多癌症的标志,反映了癌细胞中会促进其生长和存活的代谢适应。盛行的假设是,这些代谢适应为癌细胞提供生存优势,而不是正常细胞,因为在氧有限的条件下,大量细胞组分(即蛋白、脂质、核酸)的产生是支持其快速而不受控的增殖所必需的。另一系列研究表明,癌细胞需要使用其营养输入作为细胞基本构成要素;因此,它们从分解代谢(营养消耗)转换为合成代谢(生物质构成)通路来支持其高增殖率。除了 Warburg 效应,还有其他记录的癌细胞代谢标志,包括葡萄糖和氨基酸摄入不受损,使用不同的营养获取模式,利用糖酵解/TCA 循环中间物来实现生物合成和 NADPH 产生,对氮的要求更高,代谢物驱使的基因调控变化,以及与微环境产生代谢性相互作用。

糖尿病/胰岛素抗性

当血糖水平始终高于生理健康水平时,就会出现糖尿病。有两种类型的糖尿病:1 型糖尿病和 2 型糖尿病。对于 1 型糖尿病,一般在儿童期或成年早期(可能包括青春期)有表现,身体无法产生足够的胰岛素,胰岛素是会诱导从血液摄取葡萄糖进入细胞的激素。糖尿病是一种代谢疾病,身体产生胰岛素的细胞-胰岛 β 细胞的自身免疫破坏会导致糖尿病。对于 2 型糖尿病,不会产生胰岛素,或在有胰岛素的情况下身体会不敏感(即胰岛素抗性)。2 型糖尿病可能在任何年龄有表现,并且通常是不健康饮食的结果。1 型和 2 型糖尿病患者出现心脏病、肾脏疾病、牙病、循环异常、眼病和神经损伤的风险更高。

肥胖

肥胖是脂肪组织过量,可以是皮下或内脏脂肪。肥胖通常使用身体质量指数来诊断,身体质量指数是一种根据性别和年龄测量、表示体重和升高之间函数关系的计算值。肥胖是美国最普遍的疾病之一,惊人的统计数据每年都在上升。肥胖与其他健康并发症密切相关,包括心脏和心血管疾病、2 型糖尿病,甚至是某些癌症,它是早产、可预防死亡的主要原因之一。虽然有些人的肥胖有遗传素因,但大多数肥胖病例是因饮食和相关生活方式选择而导致的。

代谢综合征

代谢综合征是另一种与肥胖有关的疾病。它是一组合并发生的代谢疾病,并且与糖尿病、心脏病和卒中等其他健康并发症密切有关。当一个患者出现以下三种情况时,便可诊断为代谢综合征:腹部肥胖、血清甘油三酯升高、低血清 HDL(胆固醇良好)、高血压和空腹血糖水平高。

心血管疾病

美国心脏协会将心血管疾病定义为以下一种或多种疾病:心脏病、心脏病发作、卒中、心衰、心律失常和心脏瓣膜问题。肥胖和糖尿病会大大增加心血管疾病的风险。此外,由于对能量高度依赖,在心肌细胞出现胞内代谢途径被破坏时,不管是否有代谢性综合征/肥胖,都会出现心血管疾病。

肾组织损伤和功能

代谢综合征还与慢性肾脏疾病有关。不同临床特征与代谢综合征有关,并且被认为会导致肾功能障碍和组织损伤。这些包括高胰岛素血症、肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活、氧化应激增加和炎性细胞因子产生。

先天性代谢缺陷

先天性代谢缺陷是罕见的遗传疾病,会导致代谢途径所涉及的关键酶出现功能障碍或缺失。下面,我们将讨论溶酶体贮积病、氨基酸代谢疾病和碳水化合物代谢疾病。

溶酶体贮积病

溶酶体贮积病是一系列疾病,其中关键溶酶体酶中缺乏溶酶体,导致被靶向降解的溶酶体物质降解减少,储存增多。溶酶体贮积病的两个例子是戈谢病和尼曼-皮克病。戈谢病的病因是葡糖脑苷脂酶缺损,它会导致白细胞和巨噬细胞中形成葡糖脑苷脂(鞘脂类)。尼曼-皮克病是一种脂质储存疾病,其中病理性水平的脂质在脾脏、肝脏、肺、骨髓和脑中聚集。根据其遗传基础和有关症状划分,尼曼-皮克病有四种类型。

氨基酸代谢疾病

氨基酸代谢疾病是影响氨基酸分解代谢的遗传性疾病。氨基酸代谢疾病的两个例子是苯丙酮尿和枫糖浆尿病。无法将氨基酸苯丙氨酸分解成为酪氨酸的婴儿会出现苯丙酮尿。这会导致血液中出现苯丙氨酸积聚。苯丙氨酸对脑有毒,如果苯丙酮尿不治疗,它会导致引发智力残疾的发育缺陷。同样,在无法分解亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸,导致氨基酸副产物累积以及体液闻起来像枫糖浆并最终导致神经功能障碍的儿童中,会出现枫糖浆尿病。

碳水化合物代谢疾病

碳水化合物代谢疾病是碳水化合物代谢所涉及的酶出现功能障碍所致。一组称为糖原贮积病的疾病是由于糖原生物化学加工所涉及的关键酶出现突变而导致的遗传病。根据受影响的酶来划分,有超过 10 类糖原贮积病。受影响的器官系统取决于受影响酶的组织分布,因此会导致各种症状。碳水化合物代谢疾病的另一个例子是糖原-6-磷酸脱氢酶 (G6PD) 缺损,它与碳水化合物分解代谢有关。这种 G6PD 缺损因活性氧类聚集会导致红细胞裂解,导致溶血性贫血症状。

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