细胞能量代谢与疾病.ppt

细胞能量代谢障碍与老化性疾病 南京鼓楼医院干部保健中心苏爱梅 2011年ADA Outstanding奖得主Matthias H Tschop博士 ABesttreatmentstrategyturnedtonature stoolkit 最好的治疗仍需追本数源 转向自然 利用自身的信号沟通我们的内脏与大脑其不良反应比利用外源型物质治疗少得多 在进化过程中 保持体脂和保持强烈的饥饿感已成为物种生存至关重要的部分 正常的细胞能量代谢 三大营养物质的代谢无氧酵解有氧氧化的三羧循环细胞呼吸链线粒体功能自由基衰老 疾病的机理营养药物 真正的预防措施营养补充的危险性与安全性 一 三大物质能量代谢的途径 二 糖无氧酵解 总结 葡萄糖C6H12O6 2Pi 2ADP 2NAD 2丙酮酸 2ATP 2NADH 2H 2H2O 丙酮酸 NADH H 乳酸脱氢酶 乳酸 2C3H6O3 NAD 丙酮酸 丙酮酸脱羧酶 乙醛乙醛 NADH H 乙醇脱氢酶 乙醇 NAD 丙酮酸1 丙酮酸 CoASH NAD 丙酮酸脱氢酶复合体 乙酰CoA CO2 NADH H 三种酶 丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酰转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶 6个辅助因子 CoANAD TPP 硫辛酸和FAD Mg 还可经乙酰CoA进入TCA 经糖的异生转化为Ala 三 柠檬酸Krebs循环 三羧酸循环 TCA 三羧酸循环 生理意义 1 三羧酸循环是机体获取能量的主要方式 1个分子葡萄糖经无氧酵解仅净生成2个分子ATP 而有氧氧化可净生成32个ATP 2 三种主要有机物在体内氧化供能的共同通路 三羧酸循环的起始物乙酰 CoA 不但是糖氧化分解产物 它也可来自脂肪的甘油 脂肪酸和来自蛋白质的某些氨基酸代谢 估计人体内2 3的有机物是通过三羧酸循环而被分解的 3 三羧酸循环是体内三种主要有机物互变的联结机构 因糖和甘油在体内代谢可生成 酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物 这些中间产物可以转变成为某些氨基酸 而有些氨基酸又可通过不同途径变成 酮戊二酸和草酰乙酸 再经糖异生的途径生成糖或转变成甘油 柠檬酸循环的发现 Krebes参加了此项工作 并因此获诺贝尔奖 四 细胞呼吸链在三羧酸循环中 乙酰CoA氧化释放的大部分能量都储存在辅酶NADH和FADH2分子中 细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体 黄素蛋白 细胞色素 铁硫蛋白和辅酶Q 简称复合物I II III 和IV 呼吸链 伴随着逐步电子传递 将NADH或FADH2进行氧化 逐步收集释放的自由能最后用于ATP的合成 将能量储存在ATP的高能磷酸键 为细胞活动提供能量 氧化磷酸化过程 五 线粒体 有氧呼吸的主要场所 是细胞的动力工厂 生产能量ATP的地方 线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶 内膜为细胞色素氧化酶和ATP酶 存在的电子传递键 膜间隙为腺苷酸激酶 反应底物以及辅助因子等线粒体基质的为苹果酸脱氢酶脂类 蛋白质 核糖体 RNA及DNA在细胞代谢中起着重要作用也是电子转移的场所 又是自由基生成的主要来源又是首要的攻击目标 五 线粒体结构及功能示意图线粒体的形态结构 五 线粒体功能测定 1 乳酸盐与丙酮酸盐比值显著升高2 线粒体NADH O2氧化还原酶活性 NADH O2氧化还原酶活性降低反映呼吸链的总活性3 柠檬酸合酶活性降低 最低4 肌酸激酶 1 在电刺激引起C2C12细胞产生氧化应激 导致细胞线粒体功能的下降中 内源性的ROS会激活NF B信号转导通路 且通过IKK 的磷酸化这一经典的通路来表达 2 在电刺激强度一定时 NF B的活性对电刺激的应答有一定的时相性 3 NF B的表达可能上调了C2C12细胞线粒体内MnSOD的表达 同时 MnSOD又反过来进一步活化了NF B通路 形成正向循环 在一定程度上实现了细胞的自我保护 六 自由基的生成 非脂性自由基 氧诱发的自由基称为反应性氧自由基ROS O2 H2O2 OH 脂性自由基 氧自由基与多聚不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物 烷自由基 L 烷氧基 LO 烷过氧基 LOO 超氧化物自由基SuperoxideRadical 过氧化氢自由基HydrogenPeroxide 羟自由基HydroxylRadical e e e e O2 O2 H2O2 OH H2O 2H H H2O H 六 自由基产生的原因 过量的运动可明显增加自由基的数量 库珀医生在看过几名勤奋的运动员过早的死于心脏病 中风和癌症之后非常关心这一问题 空气污染空气污染 臭氧 二氧化碳 二氧化硫和多种碳氢化合物 是导致我们肺部和体内氧化压力的主要原因之一 是哮喘 慢性支气管炎 心脏病 甚至是癌症的致病原因之一 吸烟与日益增多的哮喘 肺气肿 慢性支气管炎 肺癌和心血管疾病紧密相连 烟雾对我们身体造成的氧化压力 多种毒素使肺部和身体各部分的自由基数量增加 二手烟中的人们患哮喘 肺气肿 心脏病 甚至肺癌的可能性显著增加 食物和水源污染甚至连我们的食谱也是不健全的 我们的食物明显地缺乏足够的营养阳光紫外线辐射皮肤中的自由基 这些自由基已被证明能够破坏皮肤细胞的DNA 从而导致皮肤癌 快节奏高压力的生活习惯叠加在一起对我们身体施加着压力 药物和放射很多药物都能增加体内的氧化压力 化疗和放射疗法的基本原理就是对癌症细胞产生的氧化压力以杀死癌细胞 也会间接地破坏正常细胞 七 衰老的理论 结构损伤理论 热量限制理论 自由基理论 分子交联理论 AGES 废物累积理论 磨损理论 错误再造理论 错误修复理论 线粒体损伤理论 免疫抑制理论 程式化退化理论 基因决定理论 Hayflick理论120岁 端粒理论 50次 120岁 长寿基因理论 5 10个基因 热量限制不够 自由基毒素 废物累积 累积性氧化损伤 错误修复 错误再造 线粒体损伤 基因受损 长寿老人抗氧化能力强 七 氧化导致衰老 疾病的机理 糖尿病患者氧化应激增加氧化应激增强 氧化应激标记物增加脂质过氧化 F2 异前列烷 DNA碱基氧化损伤 8 OHdG 8 羟基脱氧鸟苷 蛋白子损伤 硝基酪氨酸 抗氧化剂水平下降VitE VitC 还原型GSH MonnierJAMA 2006 295 1681 1687 细胞内氧化应激的结局过度热量摄入 运动减少引起细胞内葡萄糖和游离脂肪酸增高 引发氧化应激 细胞氧化应激 功能降低 发生糖尿病肌肉 脂肪组织氧化应激 胰岛素抵抗内皮细胞氧化应激 内皮功能失调 动脉粥样硬化 发生心血管疾病三者之间的互动加重损害 七 氧化导致衰老 疾病的机理 AntonioCeriello ATVB 2004 24 816 营养过剩运动缺乏 葡萄糖FFA细胞内超负荷 内皮细胞内皮功能障碍 细胞胰岛素分泌功能受损 肌肉脂肪细胞胰岛素抵抗 心血管疾病 代谢综合征 IGT 餐后高血糖 糖尿病 长期高血糖 AntonioCeriello etal ArteriosclerThrombVascBiol 2004 24 816 823 七 氧化导致衰老 疾病的机理 氧化应激 引起胰岛素抵抗 糖尿病和心血管疾病的 共同土壤 遗传易感性 氧化应激 统一机制学说 高血糖通过氧化应激激活4条代谢旁路引起糖尿病并发症 Brownlee Nature 2001 414 13 813 820MichaelBrownlee Diabetes2005 54 1615 1625 MichaelBrownlee 七 氧化导致衰老 疾病的机理氧化应激是糖尿病并发症的统一机制 CerielloandMotzArteriosclerThrombVascBiol May2004 七 氧化应激是糖尿病并发症的共同土壤 2004年 七 氧化应激与糖尿病微血管并发症 2006年 DrugsoftheFuture 2006 31 503 511 PKC 血管内皮细胞生长因子 内皮型NO合酶 内皮素 1 血管紧张素II 转化生长因子 胶原 纤维粘连蛋白 NADPH ROS Na K ATP酶 血管通透性新血管生成 系膜增生肾小球高滤过 轴突变性和脱髓鞘 视网膜病变 黄斑水肿 肾病 周围神经病变 失明 肾功能衰竭 溃疡 截肢 高血糖 氧化应激 DF SX0201P 1 氧化应激 SOD VitC GSH VitE 超氧化物 抗氧化剂 氧化应激 ALA 自由基 ROS OH H2O2 NO 八 营养药物 真正的预防措施抗氧化物质 抗氧化物质指的是任何能够为自由基释放出一个电子 使其电子能够配对从而中和作用的物质 酶类 超氧化物歧化酶 H 过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化酶 H2O2 身体产生三种天然抗氧化酶防御系统非酶性部分 VitA VitC VitE GSH 辅酶Q 硫辛酸 类胡萝卜素 生物类黄酮类 硒 镁 铜 锌等微量元素 需外界饮食补充 抗氧化物质协同作战 各负其职 维E是溶脂性的作用于细胞膜的自由基 LPO 维C是水溶性的 对付细胞外液 血液和血浆中的自由基 与谷胱甘肽协同工作 VE VC与硒共同增加胡萝卜素的功效 辅酶Q10在线粒体作用 恢复VE活性 硫辛酸可以消灭细胞内外的自由基 使VC和GSH再生 需要充足的抗氧化矿物质 例如铜 锌 锰和硒来完成抗自由基的职责 否则氧化压力仍会发生 还需要一些辅助因子来与酶联合产生化学反应 主要是指B族辅助因子 叶酸 维生素B1 B2 B6和B12 八 营养药物 真正的预防措施抗氧化物质 谷胱甘肽 古拉丁 细胞内谷胱甘肽严重消耗导致编程性细胞死亡 谷胱甘肽过氧化物酶除去H2O2 保护线粒体内外不受自由基攻击 再生其它抗氧化剂 VA VE 类胡萝卜素组成抗氧化剂供应站 谷胱甘肽可保存VC VC也可储存谷胱甘肽 最佳的解毒剂 肝脏中结合毒素排毒 许多肝病 COPD IPF 多发性硬化症 AD PD等体内谷胱甘肽过氧化物酶降低 硒可增加其活性 S 腺苷蛋氨酸增加谷胱甘肽 N乙酰半胱氨酸600mg 日 八 营养药物 真正的预防措施高半胱氨酸与B族维生素 20世纪60年代末70年代初的几期医学杂志上公开凯尔默 迈考利 KilmerMcCully 医生的研究的高半胱氨酸理论 1990年 哈佛公共卫生学院梅尔 斯坦佛医生 调查的一万五千名内科医生血液中的高半胱氨酸水平发现 轻微的偏高也会直接增加患上心脏疾病的可能性 三倍 这是显示出高半胱氨酸可能是心脏疾病的一个独立发病原因的第一次大型研究 1995年2月 雅各布 塞尔赫伯医生也在 新英格兰医学杂志 上发表文章指出高水平的高半胱氨酸可以直接增加颈动脉狭窄的发病率 还指出多数高半胱氨酸水平较高的患者体内往往缺少叶酸 维生素B12和B6 今天 医学证据已经无可辩驳地表明 高半胱氨酸可以协助导致冠心病 中风和周边血管疾病 高半胱氨酸是强氧化剂 VB6使其转化为半胱氨酸和牛磺酸 叶酸使其转变为蛋氨酸 VB12是活化叶酸循环代谢的辅酶 老年痴呆抑郁与缺乏VB12有关 补充叶酸必需血中有足够的VB6 VB12 才能更好降低血中高半胱氨酸 三因素 叶酸800微克 VB66mg VB1218微克 其他维生素微量元素脑血管病死亡减低37 AMJEPIDEMLIL 1996 143 658 叶酸2 5mg VB650mg VB121mg卒中风险降低25 stroke 2009 40 1375 72 HOPE 2研究5000例5年降低CVD死亡 75 H型高血压 正在研究CSPPT营养学建议 叶酸400 800微克 VB650 100mg VB120 3 1mg 八 营养药物 真正的预防措施辅酶Q10研究历史 1 1957年Crane博士在牛心脏中找到辅酶Q102 1958年 默克公司成功绘制出首张辅酶Q10的化学分子结构图 3 1960 S中期 在日本首次使用辅酶Q7治疗充血性心力衰竭 4 1970 S 研究人员对患病心脏内辅酶Q10缺失有相关记载 日本人完善了这项技术 生产大量的辅酶Q10 以用于临床试验5 1978年美国人PeterMitchell因其对辅酶Q10 能量转移系统 的贡献而荣获诺贝尔奖 八 辅酶Q10在人体内的含量 人体内辅酶Q10的总含量仅为500 1500mg并随着年龄的增长而减少 在人的器官中辅酶Q10的含量在20岁时达到高峰期 然后迅速减少 子心脏中辅酶Q10浓度的减少特别明显 77岁的老人比20岁的年轻人心肌中的辅酶Q10减少了57 辅酶Q10在脏器 心脏 肝脏 肾脏 牛肉 豆油 沙丁鱼 鲭鱼和花生等食物中含量相对较高 摄入大约1斤沙丁鱼 2斤牛肉或3斤花生可分别提供约30mg辅酶Q10 八 硫辛酸 抗氧化剂的首选 硫辛酸满足所有上述条件 独特的抗氧化剂 高效抑制氧化应激造成损伤 NutrRev 2008November 66 11 646 657 八 硫辛酸 ALA 有效的DPN对因治疗药物 通过抗氧化应激 减少自由基起效 已为多项RCT研究证实有效 并且有临床试验正在进行 DanZiegler DiabetesCare2008 31 s2 s255 s261 氧化应激 硫辛酸 多项随机对照试验证明有效 临床试验继续进行中 八 认识强效抗氧化剂硫辛酸 国外医学内分泌学分册 2005 25 4 262 264 硫辛酸是代谢性抗氧化剂 可从食物 马铃薯 菠菜和肉类中含少量 中获得在线粒体内合成 能被组织摄取并转变为二氢硫辛酸 DHLA 二者均是强抗氧化剂 既有水溶性又有脂溶性 可以深入到细胞中的各个部位而起到抗氧化作用对长时间的氧化损伤有较强的抵抗作用 八 硫辛酸 药品名称通用名称 硫辛酸注射液商品名称 奥力宝 英文名称 LipoicAcidInjection活性成分 硫辛酸化学名称 5 3 1 2 二硫杂环戊烷 戊酸适应症糖尿病周围神经病变引起的感觉异常 硫辛酸 强效抗氧化 优于其它抗氧化剂 细胞培养证实 ALP对氧化损伤细胞的恢复效果优于VC VE 刘红林等 中国药物与临床 2005 5 1 37 38 注 与对照组相比p 0 01 与维生素C组相比p 0 01 与维生素E组相比p 0 01 与1周组相比p 0 01 与2周组相比p 0 01 硫辛酸 再生其他抗氧化剂 硫辛酸在清除氧化剂的同时生成还原型硫辛酸 辅酶Q VitC以及谷胱甘肽 GSH 再生 进一步再生氧化型VitE 延长了体内普通抗氧化剂的寿命 NutritionVolume17 Number10 2001 增加神经内抗氧化剂谷胱甘肽 GSH 水平 Diabetes 2000 49 1006 1015 硫辛酸 再生其他抗氧化剂 注 STZ 链脲佐菌素 九 营养补充的危险性与安全性 烟酸 维生素B3 大剂量服用可导致皮肤潮红 恶心和肝脏损伤 临床研究显示烟酸缓释片可以减少皮肤潮红的现象 但是可能还会增加肝脏损伤的危险 许多人都把大剂量服用烟酸作为一种天然的降低胆固醇的手段 把烟酸作为药物服用应该遵从医嘱 现在还将烟酸与降胆固醇药物同时使用 这样降胆固醇的效果会特别明显 维生素B6是极少数有可能中毒的水溶性维生素之一 大于2000毫克的剂量可导致神经中毒的症状 但是每天50 100毫克的剂量尚未出现过任何中毒记录 大剂量使用维生素B6一定要小心 叶酸可以掩盖维生素B12不足的症状 因此人们服用叶酸的时候应该一直同时服用B12 但是至今尚未有关于叶酸的毒副作用报告 即使是大至每天5克的剂量 这也是之所以说细胞营养可以安全地补充饮食的另一个理由 胆碱的耐受性非常高 虽然超大剂量 每天20克 时可以产生一种鱼腥臭并导致一些恶心 腹泻和腹痛的症状 九 营养补充的危险性与安全性 VE 3200IU 日的临床实验无任何副作用 一些实验证明VE可以抑制血小板凝固 因此可以像阿司匹林那样减少血凝块的可能性 VE的这种特性有助于减少心脏病 VC 2000mg内是安全的 可能会腹胀 排气或者腹泻 只有一次临床实验发现有增加肾结石这个问题 而且最新的四次相似的临床实验都没有证实增加肾结石 VA 成人长期超过50 000IU 日就会中毒 肝病长期低剂量也可出现中毒 中毒的症状 皮肤发干 指甲发脆 脱发 齿龈炎 厌食 恶心 疲劳和易怒 妇女怀孕期间不应补充维生素A VD 最有可能导致中毒 我们不建议服用超过1 500国际单位的维生素D 维生素的毒副作用包括增加血液钙含量并导致钙沉积在体内器官中 从而增加肾结石的可能性 CA 补钙剂量高达2000毫克 曾经有人担心大量补钙会增加肾结石的可能性 但是最近一次实验显示大剂量的钙实际上可以降低肾结石的可能性 九 营养补充的危险性与安全性 碘 服用碘的剂量大于750毫克时可以促进甲状腺分泌 研究表明大量补碘可以使皮肤出现许多粉刺状的丘疹及诱发甲状腺疾病补铁 特别是无机铁 补铁可能会造成铁质过多 有可能会增加男性心脏病肿瘤的危险 补铁实际上可能会增加氧化压力 镁补充镁是非常安全的 虽然有报告称人们可能会因为环境因素出现镁中毒的现象 这通常可见于挖掘镁矿或暴露在含有大量镁的环境中的人群 这些人可能会出现幻觉并且变得急噪易怒 钼是很安全的 但是每日服用量大于10 15毫克时可能会出现类似痛风的症状 硒 一些临床实验显示每天服用400 500毫克的硒是安全的 但是我相信补硒的剂量不应该超过每天300毫克 硒中毒的症状包括抑郁 急噪 恶心 呕吐和脱发 补充维生素K 维生素B1 硫胺 维生素B2 核黄素 维生素H 维生素B5 双泛酰乙胺 肌糖 维生素B12 铬 硅 硼和硫辛酸尚未发现毒副作用 雷卡L 肉碱 其主要功能是促进脂类代谢 在缺血 缺氧时 线粒体内的长链脂酰CoA也堆积 游离卡尼汀因大量消耗而减低 导致ATP水平下降 细胞膜和亚细胞膜通透性升高 堆积的脂酰CoA可致膜结构改变 膜相崩解而导致细胞死亡 另外 缺氧时以糖无氧酵解为主 脂肪酸等堆积导致酸中毒 离子紊乱 细胞自溶死亡 足够量的游离卡尼汀可以使堆积的脂酰 CoA进入线粒体内 减少其对腺嘌呤核苷酸转位酶的抑制 使氧化磷酸化得以顺利进行 左旋卡尼汀是肌肉细胞尤其是心肌细胞的主要能量来源 脑 肾等许多组织器官亦主要靠脂肪酸氧化供能 卡尼汀还能增加NADH细胞C色素还原酶 细胞色素氧化酶的活性 加速ATP的产生 参与某些药物的解毒作用 对于各种组织缺血缺氧 左旋卡尼汀通过增加能量产生而提高组织器官的供能 左旋卡尼汀的其他功能有 中等长链脂肪酸的氧化作用 脂肪酸过氧化物酶的氧化作用 对结合的辅酶A和游离辅酶A二者比率的缓冲作用 从酮类物质 丙酮酸 氨基酸 包括支链氨基酸 中产生能量 去除过高辅酶A的毒性 调节血中氨浓度 长春西汀 药理作用 本品对大脑血管有选择性作用能抑制磷酸二酯酶活性增加血管平滑肌松弛信使C GMP的作用 增加脑血流量 改善大脑氧的供给 此外还能抑制血小板凝集 降低人体血液粘度 增强红细胞变形力 改善血液流动性和微循环 促进脑组织摄取葡萄糖 改善脑代谢 国外多年研究发现长春西汀药理作用 1 增加脑血流 2 促进脑部葡萄糖和氧的摄取和利用 增加ATP 减少缺血缺氧时乳酸的生成 3 防止脑细胞兴奋中毒性死亡 兴奋性氨基酸导致的过度的受体兴奋 4 减轻脑缺氧损害 保护神经元 5 增强多巴胺能 5羟色胺能和去甲肾上腺素能神经的功能 6 防止脑 肝脏 肌肉组织和其它部位的缺血性损害 7 清除自由基 抗脂质过氧化 8 增强长期和短期记忆 9 提高警醒程度 10 减轻衰老性脑功能障碍 11 清除动脉粥样硬化斑块 12 增加心输出量和至各器官的营养血流 13 促进血管舒张 改善血液循环 但对外周血流影响极小 14 改善血液中脂蛋白构成 15 提高红细胞的变形能力 脂肪代谢 一 合成代谢1 磷酸二羟丙酮 3磷酸甘油 甘油一酯 小肠粘膜 脂肪酸 TG2 甘油二酯 肝脂肪组织中 脂肪酸 TG3 乙酰CoA 柠檬酸 丙酮酸 丙二酰CoA 乙酰CoA羧化酶 生物素 ATP NADPH 磷酸戊糖通路 缩合 还原 脱水 还原 脂酰CoA 脂肪酸 二 分解代谢甘油 甘油激酶 3 磷酸甘油 磷酸二羟丙酮 糖酵解或有氧氧化供能 也可转变成糖脂肪酸与清蛋白结合转运入各组织经 氧化供能 三 脂肪酸的分解代谢 氧化1 脂肪酸活化 生成脂酰CoA 2 脂酰CoA进入线粒体肉碱转运 肉碱脂酰转移酶I是限速酶 3 脂肪酸的 氧化 丁酰CoA经最后一次 氧化 生成2分子乙酰CoA故每次 氧化1分子脂酰CoA生成1分子FADH 1分子NADH H 1分子乙酰CoA 通过呼吸链氧化前者生成2分子ATP 后者生成3分子ATP 4脂肪酸氧化的能量生成能量生成多少与其所含碳原子数有关 以软脂酸为例 1分子软脂酸含16个碳原子 靠7次 氧化生成7分子NADH H 7分子FADH 8分