基础代谢的产热途径

基础代谢的产热途径

基本代谢率（bmr）是动物为了维持正常的生理功能而实现的最小生产热量。除了在特殊情况下的氧气代谢外，生物体产生的热量与消耗的氧气成正比。BMR是生理生态学中的重要指标,能反映不同物种和个体间的能量消耗水平,在动物适应环境的过程中具有重要的意义。对基础代谢机理的分析,有助于理解BMR在适应中的作用,从而进一步阐述动物对环境的特殊适应性。结合近几年的研究进展,以下分别就基础代谢的功能、产生的原因、产热途径及各途径对整体产热的贡献作一简要综述。一、全能量消耗的主要功能动物在基础条件下没有存储能量,也没有对外作功。此时消耗的氧全部用来驱动静止细胞内的代谢反应以及对细胞内代谢进行调控的过程。Baldwin等在分析基础条件下产热原因时指出,整个机体的能量消耗用来维持两类功能:第一类是生物体作为一个整体所必需的“服务功能”,是各组织为整个机体的利益而进行的功能,包括心肺供氧的能耗、肾脏排泄代谢废物的能耗、肝脏的服务功能以及中枢神经活动的能耗。第二类是“细胞维持功能”,包括离子运输、蛋白质和脂类以及其它成分的更新,这些功能对于维持机体组织和细胞是必需的。服务功能承担了总能耗的36%~50%,细胞维持功能消耗了总能量的40%~56%。这两种功能并不是完全独立的,因而进行精确地分析比较困难。二、进行解偶联反应后代谢的产物的代谢细胞中存在许多低熵结构(如蛋白质大分子和膜两侧的离子梯度等),这些结构的形成需要消耗能量。在动物体内,能量来自食物分子(如糖、脂肪和蛋白质等)的氧化,这一氧化过程是与NADH的产生相偶联的。NADH通过电子传递链的氧化与线粒体内膜的质子电化学梯度的形成相偶联。质子动力势驱动质子通过ATP合成酶返回基质与ATP的合成相偶联。ATP的水解与蛋白质的合成、Na+、K+梯度的维持、肌肉收缩等过程偶联。在基础条件下,动物没有对外作功,如果体内的反应完全偶联,合成的蛋白质不会降解,膜两侧的离子梯度也不会被降低,那么整个代谢体系将达到稳定,不会有ATP的消耗,也就没有了氧气消耗和代谢率。不过在基础条件下,机体内的蛋白质依然会老化,膜两侧的离子梯度之间存在离子漏,心肌收缩后也有一个恢复和松弛的过程,也就是说存在着解偶联反应,这些解偶联反应使得ATP的合成持续进行,因而代谢体系中就出现了明显的能量流动和氧气消耗。很明显,解偶联过程导致了基础代谢率的产生。三、动物体内的热量和水分ATP是机体进行各项功能所需要的直接能源。ATP的生产是在线粒体中进行的,线粒体呼吸被阻断后,仍能消耗少量氧气,这是非线粒体反应引起的(Nobes等.1990)。在线粒体中,解偶联反应可以发生在质子泵出和ATP的合成之间(质子漏),也可能发生在ATP合成后的周转过程中。相应地,热能也分别在质子漏和ATP周转过程中释放。动物体内产生的热量包括非线粒体产热、质子漏产热和ATP周转产热。以下依次叙述这三条产热途径。(一)非线虫呼吸的细胞抗氧化能力细胞代谢体系中有些氧化反应不在线粒体内进行,因而不与质子泵出偶联,也就不涉及ATP的生产,如脂肪酸的氧化。非线粒体氧耗可以通过添加线粒体电子传递链的特定抑制剂后,测定组织中剩余的氧耗速率来获得。非线粒体呼吸在离体的鼠肝细胞中占21%,在灌流的鼠骨骼肌中占14%(Rolfe等.1996),在大鼠心脏的氧耗中约占3%(Challoner.1968)。再根据各个器官对总氧耗的贡献率,可以计算出这些器官中非线粒体氧耗对鼠和人整体氧耗的贡献约为8.3%和6.5%。在其它的器官中也存在着相对较少但比例很显著的非线粒体呼吸。一般非线粒体氧耗对整体BMR的贡献约为10%。线粒体中也有小部分的氧气消耗不与质子泵出偶联,这是因为部分电子从电子传递链漏出形成了超氧化物和过氧化氢(刘树森.1999)。通过过氧化氢生产速率的测定估计这一比例最大为1%~2%(Turrens等.1985)。(二)不同组织中部分细胞的无效循环在线粒体中,质子动力势驱动质子通过ATP合成酶返回基质,同时生成线粒体内ATP。然而质子的返回和ATP的合成并不是完全偶联的。质子可以通过其它的途径流回基质,称为“质子漏”(protonleak)。线粒体质子漏形成了由呼吸链驱动的质子泵出和质子回漏的无效循环通路,这一过程中没有ATP的合成,能量以热的形式释放。这些产热是BMR的重要组成部分,主要产生在肝、肌肉、心、脑和肾等器官中。肝脏是动物氧气消耗的重要器官,承担了呼吸率的15%~20%。肝细胞在休眠状态下用于驱动质子漏的氧耗比率可以达到26%,在合成尿素和糖等活性状态下也能达到22%。因而肝脏线粒体的质子漏就可以单独承担BMR的5%。骨骼肌承担了基础条件下氧气消耗的45%。Brand等分析了整体灌流肌肉系统中的质子漏,结果发现有52%的氧气消耗用来驱动跨线粒体内膜质子泵出和回漏的无效循环。在痉挛收缩的肌肉中,质子漏耗氧也能占到细胞耗氧的1/3。因此,骨骼肌的线粒体质子漏在能量代谢中的作用比肝脏更重要,可以占到基础代谢产热的15%。心脏、大脑和肾脏中也发现了质子漏,其特征与肝线粒体质子漏相似(Rolfe等.1994)。不过,在基础条件下,这些器官比骨骼肌的ATP需求量相对要大,因而质子漏所占比重相对较少。总之,如果心脏、大脑和肾脏等组织中用以驱动质子漏的氧耗比率与肝中相似,各种组织中线粒体质子漏就可能共同承担了BMR的25%~30%。考虑到脑和肾等器官中的ATP需求量相对要大,质子漏所占比重相对较少,因而质子漏对BMR的贡献较为合理的值约为20%。(三)热的释放释放基础状态下,ATP中存储的能量在周转过程中最终也将以热的形式释放。ATP的主要消耗者包括Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶、肌动肌球蛋白ATP酶、蛋白质更新、糖异生和尿素合成等,以下依次论述它们对BMR的贡献。1.乌本苷对呼吸的抑制作用Na+-K+-ATP酶一个很重要的ATP消耗者。Na+-K+泵对BMR的贡献可以通过离子流速测定,也可以通过检测乌本苷对呼吸的抑制作用来测定。用于驱动Na+-K+-ATP酶的氧气占成年大鼠BMR的14%,在人体中可以达到20%(Clausen等.1991)。Na+-K+-ATP酶在脑和肾脏中尤为活跃,可以消耗器官呼吸的50%~60%。2.基础氧耗的2.6%ca2+循环Ca2+-ATP酶对BMR的贡献可以通过跨膜Ca2+的流速来计算。根据Rolfe等的估计,在心脏和肝脏中,Ca2+循环可以承担人体基础氧耗的4%~6%;在大鼠中为3%~4%(Clausen等.1991)。如果骨骼肌收缩运动,用于Ca2+循环的氧耗将会急剧增加。3.骨骼肌的收缩即使在基础条件下也存在肌肉收缩,如心脏跳动、呼吸运动、动脉、肠胃和其它平滑肌的节律收缩以及骨骼肌的节律收缩等。这些肌肉节律的维持对BMR的贡献也很显著,根据心脏中的肌动肌球蛋白ATP酶(actinomyosin-ATPase)特征,Rolfe等推测肌动肌球蛋白ATP酶对人体BMR的贡献是5%~6%,对大鼠为1.3%~1.5%。4.蛋白质合成耗氧蛋白质合成和分解反应对BMR的贡献可以通过蛋白质合成的速度来测定,也可以通过抑制蛋白质合成后的呼吸速率来计算。Waterlow等(1989)利用带有标记的氨基酸估计了人体内蛋白质合成所消耗的氧气,结果发现蛋白质合成耗氧可以占到BMR的15%~18%。蛋白质降解过程中的能量消耗目前尚不清楚。5.放射性标记加入量的检测糖异生是一个消耗ATP的过程,在基础条件下也以很高的速度进行。糖异生的速度可以通过活体注入小剂量带有放射性标记的葡萄糖合成底物(如丙氨酸),观察放射性标记转入葡萄糖的速度来测定。Martineau等(1985)利用这种方法测得人体糖异生耗氧占人体BMR的5%,在大鼠中约为7%(Kusaka等.1977)。6.不同产热反应对bmr的影响基础条件下仍进行尿素的合成。人体每天平均合成25g尿素,需1.7molATP(4ATP/Urea),约0.67mol的氧气,占人体呼吸总量的2%。在大鼠中情况也相似,约占2.3%(Cori等.1926)。除了以上6类反应外,RNA和DNA周转、底物循环、酶的磷酸化和信号转导过程中的氧气消耗对BMR也有显著贡献。总体看来,ATP周转反应对BMR的贡献可以达到60%~70%。各类产热反应对细胞呼吸的贡献因组织而异,如质子漏对肝细胞和肌肉细胞呼吸的贡献相差比较大。然而产热反应只有组织特异性,却没有种属特异性。大鼠和蜥蜴的肝细胞进行比较,尽管呼吸速率相差7倍,但非线粒体呼吸所占的比重没有改变,肝细胞中质子漏耗氧在细胞呼吸中所占的比重也接近一致。体重相同的大鼠和蜥蜴,同一组织尽管整体呼吸率相差很大,但钠循环在呼吸中承担的比重接近一致。Hulbert等认为这是膜对整体代谢活性的同步调节。因此各类代谢反应对BMR的贡献,不仅取决于反应自身的活性,还可能取决于体内各器官的相对重量。四、产热途径的影响在基础条件下,动物体内的氧气消耗主要用于两大功能,即服务功能和