生物化学第09章物质代谢的联系与调节课件

1、第9章物质代谢的联系与调节Metabolic Interrelationships & Regulation1动态生物化学 糖代谢 脂类代谢 生物氧化 氨基酸代谢 核苷酸代谢 物质代谢的联系与调节2生物体的新陈代谢3合成代谢分解代谢能量代谢物质代谢物质代谢与能量代谢的统一，二者相辅相成。生物小分子合成生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解成生物小分子新陈代谢泛指生物体与周围环境进行物质与能量交换的过程。是生物体物质代谢与能量代谢的有机统一。物质代谢物质代谢:指机体与环境间不断进行的物质交换。是生命的本质特征，是生命活动的物质基础。物质代谢停止，生命也随之终止。4物质代谢的特点The Spec

2、ialty of Metabolism第一节5二、机体物质代谢不断受到精细调节机体有精细的调节机制，调节代谢的强度、方向和速度内外环境不断变化影响机体代谢适应环境的变化7代谢调节是生物界普遍存在的重要特征，是机体适应内外环境变化的需要。三、各组织、器官物质代谢各具特色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8肝脏是物质代谢枢纽，对三大营养物质代谢作用最大脂肪组织因含有脂蛋白脂酶和激素敏感脂肪酶，所以是是具有存储和动员脂肪的功能脑和红细胞只能利用血液葡萄糖作为能源，因不能储存糖原。红细胞没有线粒体，脑没有脂肪酸B氧化酶体系。五、ATP是机体储存能量和消耗能量的共同形式营

3、养物分解释放能量ADP+PiATP直接供能10体内物质代谢释放的能量均储存于ATP高能磷酸键以ATP形式为生命活动直接供应能量六、NADPH提供合成代谢所需的还原当量，供氢体乙酰CoANADPH + H +脂酸、胆固醇 磷酸戊糖途径11NAD（CoA I），主要参与氧化分解代谢NADPH（CoA II），主要参与还原合成代谢物质代谢的相互联系Metabolic Interrelationships第二节12一、各种能量物质的代谢相互联系相互制约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CoATAC2H氧化磷酸化ATP +H2OCO2三大营养物的代谢通过共同的中间代谢物、TAC和生物

4、氧化相互联系、相互转变14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，机体优先利用燃料的次序是糖原、脂肪和蛋白质。供能以糖及脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。 蛋白质供能不够经济。15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、酮体分解供能为主蛋白质分解明显降低1 2 天3 4 周17（一）体内糖可转变成脂肪、氨基酸、胆固醇等，但偶数碳原子的脂肪酸不能转变成糖 1. 摄入的糖量超过能量消耗时： 二、糖、脂和蛋白质代谢通过中间代谢物而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）182. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖脂酸乙酰Co

5、A葡萄糖脂肪甘油甘油激酶肝、肾、肠磷酸-甘油葡萄糖19丙酮酸不可逆步骤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，不能进入TAC20B氧化酮体过量（二）体内糖与大部分氨基酸碳架部分可以相互转变例如：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（生糖氨基酸）212. 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22 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

6、. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸24（四）某些氨基酸是核苷酸/核酸合成的前体 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25体内重要组织、器官的代谢特点及联系Metabolic Specialty & Interrelationships of Important Tissues & Apparatus in the Body 第三节27器官组织特有的酶功能主要代谢途径主要供能物质代谢和输出的产物肝葡萄糖激酶，葡萄糖-6-磷酸酶，甘油激酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶代谢枢纽糖异生，脂酸-氧化，糖有氧氧化，糖原代谢，酮体生

7、成等葡萄糖，脂酸，乳酸，甘油，氨基酸葡萄糖，VLDL， HDL，酮体等脑神经中枢糖有氧氧化，糖酵解，氨基酸代谢葡萄糖，脂酸，酮体，氨基酸等乳酸，CO2, H2O心脂蛋白脂酶，呼吸链丰富泵出血液有氧氧化脂酸，葡萄糖，酮体，VLDLCO2，H2O脂肪组织脂蛋白脂酶，激素敏感脂肪酶储存及动员脂肪酯化脂酸，脂解VLDL，CM游离脂酸，甘油骨骼肌脂蛋白脂酶，呼吸链丰富收缩有氧氧化，糖酵解 脂酸，葡萄糖，酮体乳酸，CO2，H2O肾甘油激酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶排泄尿液糖异生，糖酵解，酮体生成脂酸，葡萄糖，乳酸，甘油葡萄糖红细胞无线粒体运输氧糖酵解葡萄糖乳酸体内各组织、器官的代谢因为细胞分化与结构不同有着

8、自身的特点，但并非孤立进行，而是通过血液循环及神经系统联合统一的整体重要器官及组织氧化供能的特点 28在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具有独特而重要的作用。合成、储存糖原分解糖原生成葡萄糖，释放入血是糖异生的主要器官肝在糖代谢中的作用例如：肝在维持血糖稳定中起重要作用。一、肝是人体最重要的物质代谢中心和枢纽29酮体乳酸 游离脂酸葡萄糖正常优先以脂酸为燃料产生ATP。能量可依次以消耗自由脂酸、葡萄糖、酮体等能源物质提供。 二、心可利用多种能源物质，以有氧氧化为主30耗能大，耗氧多。不能储存糖原、有意义的脂肪、蛋白质葡萄糖为主要能源，每天消耗约100g。 长期饥饿时，葡萄糖供应不足时，脑虽

9、不能直接利用脂酸，但可间接利用脂肪代谢中间物酮体供能。 三、脑主要利用葡萄糖供能且耗氧量大 31合成、储存肌糖原；通常以脂酸氧化为主要供能方式； 剧烈运动时，以糖酵解为主。缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，使肌糖原不能直接分解成葡萄糖四、肌肉主要氧化脂肪酸，强烈运动产生大量乳酸32五、糖酵解是为成熟红细胞提供能量的主要途径红细胞没有线粒体，每天消耗1520g葡萄糖。33将脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用。 六、脂肪组织是合成、储存脂肪的重要组织34肾髓质，无线粒体，主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、酮体有氧氧化供能。七、肾是可进行糖异生和生成酮体两种代谢的器官35代谢调节方式The Way f

10、or Regulation of Metabolism第四节36代谢调节是生物适应环境的一种能力，是生物的重要特征。高等生物存在三种水平的代谢调节。细胞水平代谢调节:单细胞生物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。激素水平代谢调节: 高等生物有专司调节功能的内分泌系统（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: 高等动物还有中枢神经系统，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某些细胞的代谢及功能，并通过各种激素的互相协调而对机体代谢进行综合调节。细胞水平代谢调节最为基础，激素和神经对代谢的调节都是

11、通过细胞水平代谢调节来实现的。37快速调节 迟缓调节数秒、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) 1. 细胞酶系的区域化隔离分布 2. 酶活性的调节一、细胞水平的代谢调节383. 酶含量的调节1. 酶的区域性隔离分布线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;细胞核:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成细胞内与代谢途径有关的酶类常常组成多酶体系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中。多酶体系的隔离分

12、布有利于提高同一代谢途径的酶促反应连续进行，提高反应速率；使各种代谢途径互不干扰，彼此协调，有利于代谢途径的特异调节。39多酶体系分布多酶体系分布DNA及RNA合成细胞核糖酵解胞液蛋白质合成内质网，胞液戊糖磷酸途径胞液糖原合成胞液糖异生胞液脂酸合成胞液脂酸氧化线粒体胆固醇合成内质网，胞液多种水解酶溶酶体磷脂合成内质网三羧酸循环线粒体血红素合成胞液，线粒体氧化磷酸化线粒体尿素合成胞液，线粒体呼吸链线粒体主要代谢途径多酶体系在细胞内的分布 40 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

13、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。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(key enzyme)的活性决定 。细胞水平的代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。2. 酶活性的调节41关键酶催化的反应具有以下特点：代谢途径关键酶糖原降解磷酸化酶糖原合成糖原合酶糖酵解己糖激酶磷酸果糖激酶-1丙酮酸激酶糖有氧氧化丙酮酸脱氢酶系柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶糖异生丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶果糖双磷酸酶-1脂酸合成乙酰辅酶A羧化酶胆固醇合成HMG辅酶A还原酶某些重要代谢途径的关键酶 422.1 酶的变构调节或别构调节：小分子

14、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。代谢途径关键酶多数受此种变构调节。代谢途径的起始物或产物通过变构调节影响代谢途径 。43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。44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 ）疏松亚基聚合紧密亚基解聚酶分子多聚化变构酶催

15、化亚基调节亚基变构效应剂底物、终产物其他小分子代谢物45代谢途径变构酶变构激活剂变构抑制剂糖酵解己糖激酶AMP、ADP、FDP、PiG-6-P磷酸果糖激酶-1FDP柠檬酸丙酮酸激酶ATP，乙酰CoA三羧酸循环柠檬酸合酶AMPATP，长链脂酰CoA异柠檬酸脱氢酶AMP，ADPATP糖异生丙酮酸羧化酶乙酰CoA，ATPAMP糖原分解磷酸化酶bAMP，G-1-P，PiATP，G-6-P脂酸合成乙酰辅酶A羧化酶柠檬酸，异柠檬酸长链脂酰CoA氨基酸代谢谷氨酸脱氢酶ADP，亮氨酸，蛋氨酸GTP，ATP，NADH嘌呤合成谷氨酰胺PRPP酰胺转移酶AMP，GMP嘧啶合成天冬氨酸转甲酰酶CTP，UTP核酸合成脱

16、氧胸苷激酶dCTP，dATPdTTP一些代谢途径中的变构酶及其变构效应剂 46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，使代谢物不致生成过多。乙酰CoA 乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA长链脂酰CoA如长链脂酰CoA反馈抑制脂肪酸的合成：47 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不仅避免产生过多的ATP，还有助于能量的储存48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49磷酸化 - - - 去磷酸乙酰化 - - -

17、脱乙酰甲基化 - - - 去甲基腺苷化 - - - 脱腺苷SH 与 S S 互变 2.2 酶的化学修饰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。通过对酶蛋白的化学修饰可调节代谢途径关键酶的活性50 化学修饰的主要方式:酶化学修饰类型酶活性改变糖原磷酸化酶磷酸化/脱磷酸激活/抑制磷酸化酶b激酶磷酸化/脱磷酸激活/抑制糖原合酶磷酸化/脱磷酸抑制/激活丙酮酸脱羧酶磷酸化/脱磷酸抑制/激活磷酸果糖激酶磷酸化/脱磷酸抑制/激活丙酮酸脱氢酶磷酸化/脱磷酸抑制/激活HMG-CoA还原酶磷酸化/脱磷酸抑制/激活HMG-CoA还原酶激酶

18、磷酸化/脱磷酸激活/抑制乙酰CoA羧化酶磷酸化/脱磷酸抑制/激活脂肪细胞甘油三酯脂肪酶磷酸化/脱磷酸激活/抑制黄嘌呤氧化脱氢酶SH/-S-S-脱氢酶/氧化酶酶促化学修饰对酶活性的调节 51酶的磷酸化与脱磷酸化-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52酶促化学修饰的特点 ：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。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。533.

19、酶含量的调节3.1 调节酶蛋白含量可通过诱导或阻遏酶蛋白基因的表达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54 3.2 调节细胞酶含量也可通过改变酶蛋白降解速度溶酶体蛋白酶体 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55内、外环境改变机体相关组织分泌激素激素与靶细胞上的特异受体结合靶细胞产生生物学效应，适应内外环境改变激素的调节机制：二、激素通过作用特异受体调节代谢过程激素调节表现出较高的组织特异性和效应特异

20、性56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：571膜受体激素的作用模式：信号通过跨膜受体传递调节细胞代谢58cAMP 2. 胞内受体激素的作用方式：激素-胞内受体复合物可影响基因转录调节细胞代谢59（一）饥饿时的物质代谢调节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（1-3天），脂肪动员增加而减少糖的利用 三、机体通过神经系统及神经-体液途径整体调节体内物质代谢60 （1）脂代谢变化脂肪动员加强，酮体生成增多（2）糖代谢变化 糖异生加强，组织对葡萄糖利用降低（3）蛋白质代谢变化肌蛋白质分解加强，氨基酸异生成糖612长期

21、饥饿时，各组织发生与短期饥饿不同的代谢改变 （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（3）脂代谢变化脂肪动员进一步加强脑组织利用酮体增加62（二）应激状态下的物质代谢调节应激(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 ”。应激能增加糖、脂和蛋白质分解的能源供应，限制能源存积63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64代谢改变：1. 血糖升高2. 脂肪动员增强3. 蛋白质分解

22、加强这对保证大脑、红细胞的供能有重要意义。 为心肌、骨骼肌及肾等组织供能。 肌肉释出丙氨酸等氨基酸增加。 65内分泌腺或组织代谢改变血中含量胰腺-细胞、-细胞胰高血糖素分泌增加、胰岛素分泌抑制胰高血糖素胰岛素肾上腺髓质、皮质去甲肾上腺素及肾上腺素分泌增加、皮质醇分泌增加肾上腺素皮质醇肝糖原分解增加、糖原合成减少、糖异生增强、脂酸氧化增加、酮体生成增加葡萄糖酮体肌糖原分解增加、葡萄糖的摄取利用减少、蛋白质分解增加、脂酸-氧化增强乳酸葡萄糖氨基酸脂肪组织脂肪分解增强、葡萄糖摄取及利用减少、脂肪合成减少游离脂酸甘油应激时机体的代谢改变 66代谢综合征(Metabolic Syndrome, MS)

23、：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67体质性肥胖 ：青少年期多见的肥胖，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)/身高的平方 (m2)。如体重超过标准体重的20%，或体