昆明日记(三十一)—— What I Talk About When I Talk About Aerobic Exercise
0 能量来源的底物(Substrates) 葡萄糖 脂肪酸 蛋白质 大多数情况下,能量来源是葡萄糖和脂肪酸,具体取决于运动强度:低强度运动时,脂肪酸提供的能量更多;而高强度运动时,则会消耗更多葡萄糖。当葡萄糖和脂肪储备耗尽,或长期饥饿时,蛋白质才会被用来供能。 换句话说,不用太担心跑个半马或者骑行俩小时会损失肌肉,人的肝脏和肌肉可以存储大概400g的糖原。 1 第一阶段:底物转化为转化为乙酰辅酶A(Acetyl-CoA, Acetyl Coenzyme A) 底物(葡萄糖/脂肪酸/蛋白质)必须分解为乙酰辅酶A才能进入第二阶段柠檬酸循环(见下一节)。 葡萄糖经过糖酵解(glycolysis,发生在细胞质cytoplasm中)转化为乙酰辅酶A,同时生成丙酮酸(pyruvate)。 脂肪通过β-氧化(beta oxidation),转化为乙酰辅酶A。准确的讲,是_游离脂肪酸_通过β-氧化转化为乙酰辅酶A。脂肪以非游离形式,也就是甘油三酯(triglycerides,空腹血脂测的就是这个,虽然小于150 mg/dL就是”正常“,但正常的定义是指95%的人群所落在的范围内。应当控制在70 mg/dL之内)存储在脂肪细胞,但需要先经过脂肪分解(lipolysis)才能转化为甘油和游离脂肪酸。trig的结构参见下图。 蛋白质通过蛋白水解(proteolysis)转化为乙酰辅酶A。 structure of a triglyceride 代谢的过程就是氧化还原反应的过程,而氧化还原的过程就是电子转移的过程,还原或氧化特定的底物。因此,需要有能够进行电子转移的中间体。这些中间体是辅酶NAD/NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+氢H)和FAD/FADH2(黄素腺嘌呤二核苷酸+2x氢H)。这些辅酶可以以氧化态(NAD+和FAD)或还原态(NADH和FADH2)存在。糖酵解和β-氧化主要目的是生成NADH和FADH2。 另外,糖酵解过程也净生成少量(2个单位)ATP,而β-氧化和蛋白水解不像糖酵解那样直接通过底物磷酸化产生ATP,β-氧化和蛋白水解消耗ATP。 糖酵解的速度快(比柠檬酸循环快),而脂肪酸比糖酵解慢。这解释了为什么在低强度运动下脂肪可以作为主要的能量来源。当强度提高时,lipolysis跟不上能量需求。 2 第二阶段:柠檬酸循环(Citric Acid Cycle) 柠檬酸循环又称为Krebs (发现的人)cycle,或三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle,以循环中的重要中间体三元羧酸柠檬酸命名)。这是一个复杂的过程: Citric Acid Cycle 上图无视即可,只是用来说明有氧呼吸是个复杂的过程。关于柠檬酸循环需要知道的是: 柠檬酸循环发生在线粒体(mitochondria)基质中。 使用乙酰辅酶A,生成更多的NADH和FADH2。 使用氧气。在厌氧条件下,柠檬酸循环显著减慢或停止。 这个过程也会产生少量ATP(2个单位)。 3 第三阶段:氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation) 前述两阶段产生的NADH与FADH2通过电子传递链将电子送达作为最终电子受体的氧气并被转换为更多的ATP。 氧化磷酸化发生在线粒体内膜(inner mitochondrial membrane, IMM)上。这一阶段需要氧的参,使用NADH和FADH2,通过电子传递链(electron transport chain, ETC)传递电子给氧气以生成大量的ATP。 氧化磷酸化生成30-32单位的ATP,对比糖酵解过程的2个单位以及柠檬酸循环的2个单位,可以得知大多数由有氧呼吸产生出来的ATP是由氧化磷酸化所制造的。 生物书上常称在细胞呼吸中每氧化一分子葡萄糖可以生成38个ATP分子(2个来自于糖酵解,2个来自于柠檬酸循环,以及大约34个来自于电子传递系统)。然而这个最大产量由于质子损失(内膜渗漏)以及推动丙酮酸进入线粒体基质的因素而永远无法达到,现在估计每一分子葡萄糖主要只能生成29~30个ATP分子。不过对于人类而言一分子葡萄糖生成30或32或36或38个ATP都是possible的,只是未必probable。 另外注意有氧呼吸的能量转换效率大约为40%,其他能量以热量散出(人类维持37度体温的原因)。40%大概也是转换效率特别高的燃油发动机的效率。40%虽然听起来很低,但比比无氧代谢(发生在细胞质中的糖酵解glycolysis,每个分子葡萄糖大约生成2分子ATP)的效率要高19倍。有氧无氧都有糖酵解这一起始步骤,但有氧继续进行了柠檬酸循环以及氧化磷酸化步骤。 4 Putting It All Together 真核细胞内的代谢途径 ...