代谢的联系与调控.ppt

第 九 章 物质代谢的联系与调节 Metabolic Interrelationships and Regulation 授课教师：陈希宏 物质代谢的特点 The Specialty of Metabolism 第 一 节 目 录 一、新陈代谢的概念 新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛 指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的 过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质， 通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作 用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一 系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外， 即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地 进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途 径逐步进行 目 录 分解代谢：将从外界摄取或机体原有的物质物 质通过一系列的反应步骤变为较小的、较简 单的物质的过程。 合成代谢：生物利用小分子或大分子结构元件 构建自身大分子的过程。 物质的分解代谢与合成代谢 目 录 新陈代谢的概念及内涵 小分子 大分子 合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量 分解代谢（异化作用） 大分子 小分子 物 质 代 谢 能 量 代 谢 新 陈 代 谢 信 息 交 换 目 录 生 物 界 能 量 传 递 及 转 化 总 过 程 太 阳 电子传递 合成 分解 电子传递 光 合 作 用 呼 吸 作 用 生 命 现 象 自 养 细 胞 异 养 细 胞 ATPADP (CH2O) +O2 (CO2) +H2O ATP ADP （光 能） （电 能） （化 学 能） （化 学 能） （电 能） （化 学 能） 生物合成 机 械 功 主动运输 生物发光 生物发电 生物发热 目 录 能量源自 能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解 分解代谢 氧化产能产能 ADP 机械能（运动） 化学能（合成反应） 渗透能（分泌、吸收） 电能（生物电） 热能（体温维持） 光能（生物发光） UTP、GTP、CTP、TTP 合成，供能 ATP 物质代谢的相互联系 Metabolic Interrelationships 第 二 节 目 录 一、 代谢途径交叉形成网络 1、糖代谢与脂类代谢的相互关系 2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 3、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系 4、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 目 录 目 录 一、在能量代谢上的相互联系 三大营养素 共同中 间产物 共同最终 代谢通路 糖 脂肪 蛋白质 乙酰CoA TAC 2H 氧 化 磷 酸 化 ATP CO2 三大营养素可在体内氧化供能。 从能量供应的角度看，三大营养素可以互相代 替，并互相制约。 一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约 蛋白质的消耗。 任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约 其他物质的降解。 目 录 （一）糖代谢与脂代谢的相互联系 1. 摄入的糖量超过能量消耗时 二、糖、脂和蛋白质之间的相互联系 葡 萄 糖 乙酰CoA 合成脂肪 （脂肪组织） 合成糖原储存（肝、肌肉） 目 录 2. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖 脂酸乙酰CoA葡萄糖 脂 肪 甘油 甘油激酶 肝、肾、肠 磷酸-甘油 葡 萄 糖 目 录 3. 脂肪的分解代谢受糖代谢的影响 饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时 高酮血症 草酰乙酸 相对不足 糖不足 脂肪大量动员酮体生成增加 氧化受阻 目 录 （二）糖与氨基酸代谢的相互联系 例如 丙氨酸丙酮酸 脱氨基 糖异生 葡萄糖 1. 大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的- 酮酸，可转变为糖。 目 录 2. 糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸 糖丙酮酸草酰乙酸 乙酰CoA 柠檬酸-酮戊二酸 丙氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 目 录 氨基酸乙酰CoA脂肪 1. 蛋白质可以转变为脂肪 2. 氨基酸可作为合成磷脂的原料 丝氨酸磷脂酰丝氨酸 胆胺脑磷脂 胆碱卵磷脂 （三）脂类与氨基酸代谢的相互联系 目 录 但不能说，脂类可转变为氨基酸。 脂肪甘油磷酸甘油醛 糖酵解途径 丙酮酸 其他-酮酸 某些非必需氨基酸 3. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸 目 录 （四）核酸与糖、蛋白质代谢的相互联系 1. 氨基酸是体内合成核酸的重要原料 甘氨酸 天冬氨酸 谷氨酰胺 一碳单位 合成嘌呤合成嘧啶 2. 磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供 目 录 ATP携带能量由能源传递给细胞的 需能过程 ATP ADP+Pi 太阳能 化学能 生物合成 细胞运动 膜运输 目 录 通过NADPH循环将还原力由分解代谢 转移给生物合成反应 NADPH+H+NADP+ 分解代谢 还原性有机物 还原性生物合成反应 氧化物 还原性生物 合成产物 氧化前体 目 录 代谢的基本要略 代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元以用 于生物合成。 由ATP、还原力和构造单元可合成各类生物分 子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形 态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流、 能量流和信息流来支持。 代 谢 调 节 The Regulation of Metabolism 第 四 节 目 录 代谢调节 生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同 时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调 节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发 育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及 生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理 功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。 代谢调节的四级水平： 酶水平调节 细胞水平调节 激素水平调节 神经水平调节 多细胞整体水平调节 目 录 代谢调节普遍存在于生物界，是生物的 重要特征。 主要通过细胞内代谢物浓 度的变化，对酶的活性及含量 进行调节，这种调节称为原始 调节或细胞水平代谢调节。 单细胞生物 目 录 高等生物 三级水平代谢调节 细胞水平代谢调节 激素水平代谢调节 高等生物在进化过程中，出现了专司调节功能的内 分泌细胞及内分泌器官，其分泌的激素可对其他细胞发 挥代谢调节作用。 整体水平代谢调节 在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及神经 递质对靶细胞直接发生影响，或通过某些激素的分泌来 调节代谢及功能，并通过各种激素的互相协调而对代谢 进行综合调节。 目 录 一、细胞水平的代谢调节 细胞水平的代谢调节主要是酶水平的调节。 细胞内酶呈隔离分布。 代谢途径的速度、方向由其中的关键酶(key enzyme)的活性决定。 代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而 实现的。 （一）细胞内酶的隔离分布 代谢途径有关酶类常常组成多酶体系，分布于 细胞的某一区域 。 目 录 多酶体系在细胞内的分布 目 录 目 录 酶的隔离分布的意义 避免了各种代谢途径互相干扰。 目 录 速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度， 故又称其为限速酶(limiting velocity enzymes)。 催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定 整个代谢途径的方向。 这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效 应剂的调节。 关键酶催化的反应具有以下特点： 代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及 方向由其中的关键酶决定 。 目 录 快速代谢 迟缓代谢 数秒、数分钟 通过改变酶的活性 数小时、几天 通过改变酶的含量 变构调节 (allosteric regulation) 化学修饰调节 (chemical modification) 代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。 目 录 1. 变构调节的概念 小分子化合物与酶分子活性中心以外 的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构 象变化，从而改变酶的活性，这种调节称 为酶的变构调节或别构调节。 （二）关键酶的变构调节 目 录 被调节的酶称为变构酶或别构酶 (allosteric enzyme) 使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂 (allosteric effector) 变构激活剂allosteric effector 引起酶活性增加的变构效应剂。 变构抑制剂allosteric effector 引起酶活性降低的变构效应剂。 目 录 （三）酶的化学修饰调节 1. 化学修饰的概念 酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发 生可逆的共价修饰(covalent modification)， 从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化 学修饰。 目 录 2. 化学修饰的主要方式 磷酸化 - - - 去磷酸 乙酰化 - - - 脱乙酰 甲基化 - - - 去甲基 腺苷化 - - - 脱腺苷 SH 与 S S 互变 目 录 酶的磷酸化与脱磷酸化 -OH Thr Ser Tyr 酶蛋白 H2OPi 磷蛋白磷酸酶 ATPADP 蛋白激酶 Thr Ser Tyr -O-PO32- 磷酸化的 酶蛋白 目 录 3. 化学修饰的特点 酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在 不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互 相转变。 具有放大效应，效率较变构调节高。 磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。 同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。 目 录 （四）酶量的调节 1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏 加速酶合成的化合物称为诱导剂(inducer) 减少酶合成的化合物称为阻遏剂(repressor) 目 录 2. 酶蛋白降解 溶酶体 蛋白酶体 释放蛋白水解酶，降解蛋白质 泛素识别、结合蛋白质； 蛋白水解酶降解蛋白质 通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调 节酶的含量。 目 录 内、外环境改变 机体相关组 织分泌激素 激素与靶细胞 上的受体结合 靶细胞产生生物学 效应，适应内外环 境改变 激素作用机制 二、激素水平的代谢调节 目 录 激素分类 膜受体激素 胞内受体激素 按激素受体在细胞的部位不同，分为： 目 录 1. 膜受体激素的作用方式 激素作用方式 目 录 2. 胞 内 受 体 激 素 的 作 用 方 式 目 录 （一）饥饿 糖原消耗血糖趋于降低 胰岛素分泌减少 胰高血糖素分泌增加 引起一系列的代谢变化 1. 短期饥饿（13天） 三、整体水平的代谢调节 目 录 （1）蛋白质代谢变化 分解加强，氨基酸异生成糖 （2）糖代谢变化 糖异生加强， 组织对葡萄糖利用降低 （3）脂代谢变化 脂肪动员加强，酮体生成增多 目 录 2. 长期饥饿 （1）蛋白质代谢变化 蛋白质分解减少 （2）糖代谢变化 肝肾糖异生增强 肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸 （