物质代谢的特点和调节要求

1、物质代谢的特点和调节要求1. 物质代谢的特点2. 物质代谢的相互联系在能量代谢上的相互联系糖、脂和蛋白质之间的相互联系3. 组织、器官的代谢特点及联系4. 代谢调节细胞水平的代谢调节激素水平的代谢调节整体水平的代谢调节主要内容 第 一 节物质代谢的特点The Specialty of Metabolism整体性代谢调节具有组织器官特异性具有各自共有的代谢池（动态平衡）ATP是机体能量利用的共同形式NADPH是合成代谢所需的还原当量一、整体性 糖类 脂类蛋白质水 无机盐维生素各种物质代谢之间互有联系，相互依存。 消化吸收中间代谢废物排泄二、代谢调节机体有精细的调节机制，调节代谢的强度、方向和速度

2、内外环境不断变化影响机体代谢适应环境的变化三、具有组织器官特异性结构不同酶系的种类、含量不同不同的组织、器官代谢途径不同、功能各异血糖食物糖 消化，吸收 肝糖原 分解 非糖物质 糖异生 氧化分解 CO2 + H2O 糖原合成 肝（肌）糖原 磷酸戊糖途径等 其它糖 脂类、氨基酸合成代谢 脂肪、氨基酸 例如四、具有各自共有的代谢池氨基酸代谢库食物蛋白质消化吸收 组织蛋白质分解 体内合成氨基酸 (非必需氨基酸)氨基酸代谢概况脱氨基作用 营养非必需AA糖、脂氧化供能胺 类脱羧基作用 -酮酸 氨 尿素代谢转变其它含氮化合物 (嘌呤、嘧啶等)合成 目 录胆固醇体内合成 （乙酰CoA）食物排出体外胆汁酸胆盐

3、7-脱氢胆固醇Vit D3肝雄激素孕酮、雌激素肾上腺皮质激素睾丸卵巢肾上腺 皮质随胆汁经过肠道皮肤五、ATP是机体能量利用的共同形式营养物分 解释放能量ADP+PiATP直接供能六、NADPH是合成代谢所需的还原当量乙酰CoANADPH + H+脂酸、胆固醇磷酸戊糖途径第 二 节物质代谢的相互联系Metabolic Interrelationships在能量代谢上的相互联系糖、脂和蛋白质之间的相互联系 Definition Location Pathway The rate-limiting enzymes (coenzymes) Regulation Functions Calculate

4、the energy yield Learning objectives:E1:己糖激酶 E2: 6-磷酸果糖激酶-1 E3: 丙酮酸激酶 NAD+ 乳 酸 糖酵解的代谢途径F-6-P丙 酮 酸 2-磷酸甘油酸 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 3-磷酸甘油酸 ADP ATP 1,3-二磷酸甘油酸 NAD+ NADH+H+ E2E1E3NADH+H+ ATPADP ATPGluG-6-PATP ADP ATPF-1, 6-2PATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸 H2OPi糖酵解途径（glycolytic pathway）： 1.糖酵解途径 2.丙酮酸的氧化脱羧 3. 三羧酸循环葡萄糖 丙酮酸 乙酰

5、CoA CO2 NADH+H+ FADH2H2O O ATP ADP TAC cycle 胞液线粒体有氧氧化的反应过程 4.氧化磷酸化丙酮酸的氧化脱羧(Pyruvate is oxidatively decarboxylated) 丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧为乙酰CoA (acetyl CoA)。丙酮酸 乙酰CoA NAD+ , HSCoA CO2 , NADH + H+ 丙酮酸脱氢酶复合体 CoASHNADH+H+NAD+CO2NAD+NADH+H+CO2GTPGDP+PiFADFADH2NADH+H+NAD+H2OH2OH2OCoASHCoASHH2O柠檬酸合酶顺乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶-酮

6、戊二酸脱氢酶复合体琥珀酰CoA合成酶琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶GTPGDPATPADP核苷二磷酸激酶目 录TAC小结 概念 反应部位：线粒体关键酶： 柠檬酸合酶,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体 整个循环反应为不可逆反应三羧酸循环的要点经四次脱氢，二次脱羧，一次底物水平磷酸化。生成1分子FADH2，3分子NADH+H+，2分子CO2， 1分子GTP。一次TAC,生成10分子的ATP TAC的本质：乙酰基分解为CO2，生成大量H。中间产物仅是催化剂。草酰乙酸也来自于葡萄糖 。因此，糖的不足，TAC会受到影响。生理意义 是三大营养物质氧化分解的共同途径, 为呼吸链提供H+ + e，生

7、成大量能量；是三大营养物质代谢枢纽,为其它物质代谢提供小分子前体。磷酸戊糖途径第二阶段 26-磷酸果糖 C63-磷酸甘油醛 C3第一阶段 6-磷酸葡萄糖(C6)3 5-磷酸核酮糖(C5) 3 3NADP+ 3NADP+ +3H+ 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 3NADP+ +3H+ 3CO23NADP+UDPG焦磷酸化酶 G-1-P UTP UDPG PPi 糖原n+1 UDP G-6-P G 糖原合酶 己糖(葡萄糖)激酶 糖原n Pi 磷酸化酶 葡萄糖-6-磷酸酶（肝） 糖原n 小 结糖原合成和分解是两条不同的途径 部位：胞浆 乳酸丙酮酸PEP1,6-二磷酸果糖6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖葡萄糖3-磷

8、酸甘油醛磷酸二羟丙酮甘油氨基酸-2ATP能量的消耗？速度相等？草酰乙酸糖酵解途径糖异生E1E2E3E43-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸-ATP 饥饿血G 脂肪动员 FA分解 -H2、+ H2O、- H2 、硫解 ATP补充能量肉碱脂酰转移酶 乙酰CoA肾上腺素、胰高血糖素等脂解激素 -氧化线粒体内限速酶肉碱概念限速酶H S L载体 饱食血G、CM 缩、加、脱、加 胰 岛 素脂抑激素 主要组织 载 体 基本过程 A C P 限速酶乙酰CoA羧化酶 细胞定位16 ：0Gn、FA合成肠、肝、脂肪组织 原 料 乙酰CoA 合成产物 胞 液TG储存脂肪酸合成与氧化分解的比较:细胞质线粒体ACP-SHC

9、OA-SH丙二酰单酰COA乙酰COANADPHFAD、NAD+七种酶和一个蛋白质组成复合物四种酶肉碱穿梭系统柠檬酸转运系统D-型L-型要求不要求消耗7个ATP和14NADPH产生106个ATP组成血浆脂蛋白蛋白质：载脂蛋白脂 类：甘油三脂磷 脂胆固醇胆固醇酯血浆脂蛋白的分类、合成部位、功能和组成特点 CM VLDL IDL LDL HDL蛋白质 12 10 18 25 50 脂肪 8485 50 30 5 3胆固醇脂 4 14 22 40 17磷脂 8 18 22 21 27 Apo A C B48 C B100 E B100 A A B100合成部位 小肠粘膜 肝细胞 血浆、肝 肝、小肠 肝

10、细胞功能 转运外源 转运内源 转运内源 转运内源 逆向转运 甘油三脂 甘油三脂 胆固醇 胆固醇酯 胆固醇胆固醇 2 8 8 9 3血浆脂蛋白的组成、性质及功能糖脂肪 蛋白质 三大营养物乙酰CoA共同中间产物TAC2H + 2 e+呼吸链ATPCoA共同最终代谢通路一、在能量代谢上的相互联系三大营养素可在体内氧化供能。 脂肪分解 ATP ATP/ADP 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。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。 糖分解 6-磷酸果糖激酶-1（糖分解代谢限速酶之一）例如（一）（一）饥饿时 肝糖原分解 ，肌糖原分解 肝糖异生，蛋白质分解 以脂酸、

11、酮体分解供能为主蛋白质分解明显降低1 2 天3 4 周一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。（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?合成糖原储存（肝、肌肉）合成脂肪（脂肪组织）糖磷酸二羟丙酮脂肪脂肪酸-磷酸甘油乙酰CoA，NADPH有氧氧化酵解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-甘油葡萄糖缩合、加氢、脱水、加氢丙酮酸 乙酰CoA NAD+ , HSCoA CO2 , NADH + H+ 丙酮酸脱氢酶复合体 糖异生葡萄糖脂酸活化转运氧化(脱氢、加水、再脱氢、硫解）3.脂

12、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糖脂肪动员酮体生成TCA（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（除leu , lys外）脱氨基后，生成相应的-酮酸，可转变为糖。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H2NCH2COOHN5, N10-四烯基四氢叶酸甘氨酸胆胺与胆碱的合成甘油二酯合成途径 但不能

13、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 非必需氨基酸的甘油部分可转变为（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 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸。 ATP是能量的“通货” UTP参与多糖的合成 CTP参与磷脂合成 GTP参与蛋白质合成3.核酸与蛋白质、糖、脂的关系葡萄糖、糖原丙酮酸乙酰CoA脂肪Leu、Lys草酰乙酸- 酮戊二酸琥珀酸延

14、胡索酸TyrProVal, Ile,Met, ThrAspGluArgHisPro胆固醇、酮体AlaTrpSerGlyThrCys甘油脂酸第三节组织、器官的代谢特点及联系Metabolic Specialty and Interrelationships of Tissues and Apparatus肝 糖类脂类蛋白质水无机盐维生素合成、储存糖原糖原分解为葡萄糖提供血糖糖异生 对维持血糖恒定起重要作用 糖类脂类蛋白质酮体乳酸自由脂酸葡萄糖 以有氧氧化途径为主心耗能大，耗氧多。葡萄糖为主要能源。不能利用脂酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体。脑合成并储存糖原；肌糖原分解不能提供葡萄糖；通常以脂酸氧化

15、为主要供能方式；剧烈运动时，以糖酵解为主。肌肉能量主要来自糖酵解红细胞合成、储存脂肪 脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用脂肪组织肾也可进行糖异生和生成酮体；肾髓质主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、酮体有氧氧化供能。重要器官及组织氧化供能的特点 第四 节代 谢 调 节The Regulation of Metabolism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。单细胞生物生物体内的代谢不是孤立，各行其是进行的，即相互联系转化，协调一致，又互相限制与制约。体内代谢能保持这种动态的平衡，应归

16、功于它的精确的调节机构。 高等生物 三级水平代谢调节细胞水平代谢调节 -通过对细胞内酶的调节来实现。激素水平代谢调节整体水平代谢调节-协调不同细胞、组织与器官之间的代谢。-在神经系统参与下由酶和激素共同构成的调节网络。 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(Compartmentation)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 。主要代谢途径多酶体系在细胞内的分布 胞液胞液胞液胞液胞液线粒体线粒

17、体线粒体线粒体胞液，线粒体 酶的隔离分布的意义 可避免代谢途径之间相互干扰。有利于不同调节因素对不同代谢途径的特异调节。区域分布使代谢物浓度对代谢速度产生重要影响。 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：某些重要代谢途径的关键酶 己糖激酶磷酸果糖激酶-1丙酮酸激酶丙酮酸脱氢酶系柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸化酶糖原合酶乙酰辅酶A羧化酶HMG辅酶A还

18、原酶 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。酶蛋白合成酶蛋白降解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）关键酶的变构调节使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂 (allosteric effector) 被调节的酶称为变构酶或别构酶(allosteric enzyme)变构激活剂allo

19、steric 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。变构效应剂 + 酶的调节亚基酶的构象改变酶的活性改变（激活或抑制）亚基聚合亚基解聚疏松紧密酶分子多聚化非共价键结合2.变构调节的机制变构酶：包括催化亚基、调节亚基变构效应剂：底物、终产物和其他小分子代谢物C 催化亚基R 调节亚基变构酶的解聚与聚合柠檬酸或异柠檬酸 多聚体（高活性）ATP-Mg2+ 原聚体（无活性）乙酰辅酶A羧化酶蛋白激酶A的变构调节3.变构调节的生理意义 代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的酶，使代谢物不

20、致生成过多。乙酰CoA 乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA长链脂酰CoA 变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。G-6-P+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促进糖的储存变构调节使不同的代谢途径相互协调。柠檬酸+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化乙酰辅酶A羧化酶 促进脂酸的合成（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。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SS互变酶的磷酸

21、化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白酶级联系统调控示意图意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。肾上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸环化酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶 b（无活性）磷酸化酶 a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血

22、液肾上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATP ADPATP ADP4563.化学修饰的特点酶蛋白有两种状态,发生共价键改变,在不同 酶的作用下,可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控具有放大效应，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。PDH (active) ATP ADP Pi 蛋白磷酸化酶Protein phosphatase(inactive) PPDH胰岛素Insulin 蛋白激酶Protein kinase+丙酮酸Pyruvate_乙酰CoANADH+H+ATPNAD+ADP_乙酰CoAAce

23、tyl CoA NAD+HSCoANADH+H+CO2丙酮酸脱氢酶复合体（PDH） 化学修饰与别构调节的异同点:共同点：均通过影响酶的结构，转而影响酶的活性。不同点：（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)常见的诱导或阻遏方式： 底物对酶合成的诱导和阻遏 产物对酶合成的阻遏 激素对酶合成的诱导 药物对酶合成的诱导底物的诱导作用：受酶催化的作用物，可以诱导该酶的合成。 产物的阻遏作用：终产物反馈阻遏代谢中的关键酶的合成。 药物的诱导作用：乳糖-半乳糖苷酶合成 无分解乳糖的酶【例1】 大肠杆菌无乳糖【

24、例2】肝脏：2乙酰CoA乙酰乙酰CoAHMG CoA还原酶胆固醇（-）【例3】药物 作用 微粒体 诱导 加单氧酶合成 加速药物氧化失活激素对酶合成的诱导 胰岛素诱导糖酵解和脂酸合成中关键酶的合成 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。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 组织特异性、效应特异性激素分类 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：激素作用方式1.膜受体激素的作用方

25、式2.胞内受体激素的作用方式 膜受体激素的作用方式胰岛素、肾上腺素、生长激素等通过膜受体调节生理过程 胞内受体激素的作用方式类固醇激素与甲状腺素通过胞内受体调节生理过程激素反应元件 (hormone response element, HRE) *X代表任一核苷酸 不同的激素受体复合物结合于不同的激素反应元件 中枢神经 神经递质 激素 受体 酶激活or诱导 抑制or阻遏 S P三、整体水平的代谢调节（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） （3）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

26、低（1）脂代谢变化 脂肪动员加强，酮体生成增多2.长期饥饿（1周以上）（3）蛋白质代谢变化 蛋白质分解减少，氮负平衡有所改善（2）糖代谢变化肾糖异生作用明显增强肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸（1）脂代谢变化脂肪动员进一步加强脑组织利用酮体增加（二）应 激1.概念应激(stress)指人体受到一些异乎寻常的刺激，如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染及剧烈情绪波动等所作出一系列反应的“紧张状态”。2.机体整体反应交感神经兴奋肾上腺髓质及皮质激素分泌增多胰高血糖素、生长激素增加，胰岛素分泌减少 引起一系列的代谢变化3.代谢改变（1）血糖升高（2）脂肪动员增强（3）蛋白质分解加强应激是机体对强烈刺激

27、所产生的非特异性的防御反应，应激时糖、脂、蛋白质代谢的特点： 分解代谢增强，合成代谢受抑制。 应激时机体的代谢改变 代谢综合征(Metabolic Syndrome, MS) ：以肥胖、高血压、糖代谢及血脂异常等为主要临床表现的症候群 。表现为心脑血管病的多种代谢危险因素在同一个体内集结的状态。而超重和肥胖在MS发生、发展中起着决定性的作用。 （三）肥胖是多种因素引起的进食行为和能量代谢调节的紊乱高脂血症冠心病 糖尿病脂肪肝胆石症痛 风阻塞性睡眠呼吸暂停综合症肥胖减 肥茶、含片、饼干、纤维膳药健美腹带健瘦鞋、紧身衣泻药、膏药、康丽亭闻香味笔手术抽吸吃二十一世纪?穿体质性肥胖 ：青少年期多见的肥

28、胖，主要由于脂肪细胞数量增加所致。获得性肥胖：成人因营养过剩引起的肥胖，主要由于脂肪细胞体积增加，也有数量增加。1肥胖者增加脂肪储存有不同类型单纯性肥胖继发性肥胖症 某些神经、内分泌疾病引起。肥胖诊断常用标准是体重指数（body mass index, BMI, BMI=体重 (kg)/身高2 (m2)。如体重超过标准体重的20%，或体重指数30即为肥胖。 2正常食欲、进食和能量消耗的平衡受到神经、内分泌系统复杂调节短期进食调节激素主要包括生长激素释放肽(ghrelin)和胆囊收缩素(cholecystokinin, CCK) 。参与食欲、进食长期调节的激素包括胰岛素和瘦蛋白（leptin）。高胰岛素血症是肥胖的重要特征，也是促进肥胖形成的重要因素。肥胖者常可表现胰岛素抵抗和高胰岛素血症。肥胖者糖代谢表现异常。 肥胖者也存在脂代谢异常。 3肥胖者常表现胰岛素分泌、功能异常和糖脂代谢的紊乱 代谢变化的防御意义在于为机体应付“紧急情况”提供足够的能量