代谢的联系与调节

代谢的联系与调节第1页，课件共65页，创作于2023年2月新者陈,陈乃谢,新陈恒代谢生则化,化者生,生化即化生动态平衡第2页，课件共65页，创作于2023年2月第一节物质代谢的特点1、共有的代谢池2、动态平衡，以防止中间产物的堆积和缺乏3、代谢联系构成代谢网络4、代谢调节与协调5、组织、器官的代谢各有特色，相互配合形成整体6、ATP是机体能量利用的共同形式7、NADPH是合成代谢所需的还原当量8、以糖和脂肪为主要供能物质，节约蛋白质

第3页，课件共65页，创作于2023年2月第二节物质代谢的相互关系第4页，课件共65页，创作于2023年2月

北京填鸭是用含糖较多的谷类食物饲喂的，但久则鸭变肥胖。用光合作用生成的14C葡萄糖引入大白鼠体内，可以发现从组织中分离出的软脂酸中有14C存在。

酵母在含有糖培养基中可生成脂肪，最高生成量可达酵母干重的40%；用CH314COOH饲喂动物后，确有14C参入肝糖原分子中。

油料作物种子萌发时动用所贮存的大量脂肪并转化为糖类。第5页，课件共65页，创作于2023年2月糖类脂类蛋白质和核苷酸之间的代谢联系PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸丝氨酰苏氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸胆固醇亮氨酸赖氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸异亮氨酸甲硫酰氨苏氨酸缬氨酸琥珀酰CoA苹果酸草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸乙醛酸蛋白质淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨组氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖P320第6页，课件共65页，创作于2023年2月脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸琥珀酸苹果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循环乙醛酸循环甘油乙酰CoA三酰甘油脂肪酸氧化

糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物CO2ATP三羧酸循环分子重排P148、163P217第7页，课件共65页，创作于2023年2月糖类代谢与脂类代谢的相互关系糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成脂肪甘油磷酸二羟丙酮糖代谢脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖

(植物)乙醛酸循环-氧化糖异生TCA第8页，课件共65页，创作于2023年2月糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖

→→α-酮酸

氨基酸

蛋白质

NH3蛋白质

氨基酸

α-酮酸

糖（生糖氨基酸）

糖可以在体内转化成其他非必需氨基酸，但不能在体内合成必需氨基酸。用蛋白质饲养患人工糖尿病的狗，50%以上的食物蛋白质可以转变为葡萄糖，并随尿排出。改用丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等饲养患人工糖尿病的狗，随尿排出的葡萄糖大为增加。用氨基酸饲养饥饿动物，肝中糖原贮存量增加。

NH3第9页，课件共65页，创作于2023年2月脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪甘油磷酸二羟丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白质蛋白质氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）用只含蛋白质的膳食饲养动物，动物也能在体内存积脂肪。第10页，课件共65页，创作于2023年2月核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。

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；

核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用，CTP参与磷脂合成。第11页，课件共65页，创作于2023年2月生物系统中的能流第12页，课件共65页，创作于2023年2月通过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P209264第13页，课件共65页，创作于2023年2月

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。第14页，课件共65页，创作于2023年2月脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段NADPH第15页，课件共65页，创作于2023年2月代谢途径间的相互联系一、枢纽性中间产物可以沟通不同的代谢通路1、糖酵解、异生、有氧氧化、磷酸戊糖途径及糖原代谢的交汇点：6磷酸葡萄糖（6C水平）2、糖、核苷酸代谢的交汇点：5磷酸核糖（5C）3、糖、甘油代谢的交汇点：磷酸二羟丙酮（3C）4、糖、脂、氨基酸分解代谢的交汇点：乙酰辅酶A（2C）5、3个重要氨基酸与糖代谢的交汇点：Asp-草酰乙酸（4C）；Glu-酮戊二酸(5C)；Ala-丙酮酸(3C)小结第16页，课件共65页，创作于2023年2月二、不同物质之间的代谢转变1、糖是良好的碳源，可转变为：脂肪、氨基酸、胆固醇等.但一般不能转变为酮体2、偶数碳原子的脂肪酸不能转变为葡萄糖3、生糖、生酮、生糖兼生酮的氨基酸4、磷酸戊糖途径可实现3、4、5、6、7C的转变5、两用代谢途径在物质转变中具有重要意义6、3个重要氨基酸的代谢转变：Asp；Glu；Ala6、奇数碳原子脂肪酸代谢与糖代谢的交汇点：琥珀酰辅酶A(4C,丙酰COA经3步酶反应生成)、乙酰辅酶A(2C)第17页，课件共65页，创作于2023年2月三、能量代谢的共性1、糖类、脂类是人体的主要供能物质2、糖类在动物供能中的优势3、脂肪是良好的能量储存形式，相同碳原子的脂肪酸氧化分解时提供的ATP最多四、细胞内、间的代谢联系1、细胞器之间的代谢分工及合作2、器官之间的代谢分工及合作4、ATP在能量代谢中的中心作用第18页，课件共65页，创作于2023年2月一、代谢调节的概念二、酶水平的调节三、细胞结构对代谢途径的分隔控制调节四、激素调节和跨膜信号转导第三节代谢调节第19页，课件共65页，创作于2023年2月

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么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。单细胞生物代谢调节的概念第20页，课件共65页，创作于2023年2月

1、细胞水平的调节---通过对细胞内酶的调节来实现

2、激素水平的调节---协调不同细胞间及组织与器官之间的代谢。

3、整体水平的调节---在神经系统参与下由酶和激素共同构成的调节网络。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动物植物第21页，课件共65页，创作于2023年2月IAAKT第22页，课件共65页，创作于2023年2月第23页，课件共65页，创作于2023年2月二、酶水平的调节

生物体内的代谢过程绝大多数是由酶催化的化学反应组成的，这些反应又是在精致的调节机制控制下完成的。根据作用性质和时间的快慢，酶水平的调节分成两大类：

★酶活性调节（以酶分子结构为基础）：酶的别构调节和共价修饰两种方式。

★酶合成的调节：基因表达调节。第24页，课件共65页，创作于2023年2月1、别构调节

（allostericregulation）某些小分子可与酶蛋白特殊部位结合，引起酶分子构象变化，由此改变酶活性。别构调节不引起酶的构型变化，不涉及共价键变化。受别位调节的酶称为别位酶（别构酶--allostericenzyme）能使酶发生构象变化的小分子物质为效应物或变构剂。一般多是代谢物或作用物.作用机制：效应物与酶蛋白特定部位以非共价键结合后，出现次级键的改变，酶蛋白的立体结构发生变化或引起亚基之间缔合状态的变化.P330第25页，课件共65页，创作于2023年2月

一些代谢途径中的变构酶及其效应剂P148P163P155P206P259P263P264P226第26页，课件共65页，创作于2023年2月变构调节的生理意义：*调节代谢的速度和强度；

*调节代谢的方向，由分解改为合成，防止产物过剩，多余能源合成储存；*调节能量代谢的平衡。【举例】蛋白激酶A：2个催化亚基C，2个调节亚基RC与R结合时抑制酶活性，当变构剂cAMP与调节亚基R结合时,使催化亚基C与R分离，解离出催化亚基而表现出催化活力。第27页，课件共65页，创作于2023年2月

蛋白激酶A变构调节别构效应物第28页，课件共65页，创作于2023年2月cAMP激活蛋白激酶的作用机理

第29页，课件共65页，创作于2023年2月【例1】ATP的调节作用抑制糖氧化和酵解的酶，使ATP减少激活糖异生，使分解代谢转为合成。【例2】柠檬酸的调节作用

柠檬酸，抑制磷酸果糖激酶。柠檬酸是乙酰CoA羧化酶的激活剂，将糖代谢转为脂肪酸的合成。P148P206第30页，课件共65页，创作于2023年2月2、酶的共价修饰

酶蛋白肽链上的某些基团，在另一种酶的催化下发生化学共价修饰，使酶处于活性与无活性的互变状态，从而调节酶的活性，这种调节方式称为共价修饰调节作用。磷酸化/去磷酸化是最常见的最重要的真核生物的共价修饰形式；细菌主要是腺苷酰化/去腺苷酰化。2.1

修饰形式：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/还原(2SH)。P328第31页，课件共65页，创作于2023年2月【催化磷酸化的蛋白激酶】：通常由一种蛋白激酶催化作用物上的ser/thr磷酸化过程，此酶又叫丝/苏蛋白激酶；另一种叫酪氨酸激酶。【磷酸化位点】：酶蛋白中带羟基的氨基酸上，如：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸第32页，课件共65页，创作于2023年2月

2.2酶促化学修饰的特点

修饰过程需要其它酶的催化，酶从活性到非活性的互变需不同的酶分别催化;

化学修饰引起酶分子共价键的改变，因一个酶可催化多个酶蛋白修饰，即出现级联放大作用;

修饰过程需耗能。

2.3化学修饰调节的生理意义

以调节代谢的强度为主，也调节速度；调节过程耗能少；调节速度快、节能、经济有效。第33页，课件共65页，创作于2023年2月

糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为糖原磷酸化酶（变构酶）和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。第34页，课件共65页，创作于2023年2月【例1】糖原磷酸化酶的共价修饰【例2】促进糖原合成的糖原合酶

糖原合酶I(有活性)糖原合酶D(无活性)ATPADPPiH2O糖原合酶激酶糖原合酶磷酸酶激酶ATPADP磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶a

P（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP第35页，课件共65页，创作于2023年2月一些可被共价修饰调节的酶

酶酶的来源修饰机制活性变化糖原磷酸化酶磷酸化酶激酶糖原合成酶丙酮酸脱氢酶乙酰CoA羧化酶谷氨酰胺合成酶黄嘌呤氧化酶真核生物哺乳动物真核生物真核生物哺乳动物大肠杆菌哺乳动物磷酸化/去磷酸化磷酸化/去磷酸化磷酸化/去磷酸化磷酸化/去磷酸化磷酸化/去磷酸化腺苷酰化/去腺苷酰化S-S/S-H增强/减弱增强/减弱减弱/增强减弱/增强增强/减弱减弱/增强增强/减弱P328改表12-2第36页，课件共65页，创作于2023年2月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液肾上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATPADPATPADP456P329第37页，课件共65页，创作于2023年2月

别构调节与化学修饰调节的异同点别构调节

共价调节

共同点

具有两种活性形式相互转变

构象改变

不同点共价键的改变

无

有

其它酶的参与不需要

需要

级联放大无有构型改变

无有

能量不一定需要意义调节代谢方向信号转导第38页，课件共65页，创作于2023年2月P321

同工酶：在同一生物体中，催化相同反应，但由于结构基因不同，因而酶的一级结构、物理化学性质以及其他性质有所差别的酶。

形成原因：

不同基因编码的蛋白质（细胞和线粒体的苹果酸脱氢酶MDH）；

两条或多条肽链非共价的多聚体（乳酸脱氢酶LDH及LDH5）；

等位基因突变编码的蛋白质（LDH2、LDH3、LDH4）。3、同工酶第39页，课件共65页，创作于2023年2月三、细胞水平的调节

(酶的空间分布)

区域化的意义：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。4、酶的合成调节----基因表达调控(第四节)第40页，课件共65页，创作于2023年2月代谢途径

亚细胞定位

糖原分解

细胞液、微粒体

糖原合成

细胞液糖酵解

细胞液丙酮酸氧化线粒体TCA线粒体糖异生

线粒体、细胞液、微粒体磷酸戊糖途径细胞液第41页，课件共65页，创作于2023年2月脂肪分解细胞液脂肪酸分解

线粒体脂肪酸合成细胞液酮体生成

线粒体

酮体利用

线粒体胆固醇合成

细胞液、微粒体

胆固醇酯生成

细胞液、脂蛋白

氧化磷酸化线粒体尿素生成

线粒体、细胞液第42页，课件共65页，创作于2023年2月酶定位的区域化线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸电子传递链;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;磷脂合成第43页，课件共65页，创作于2023年2月细胞膜结构对代谢的调节和控制作用

控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制细胞和细胞器的物质运输内膜系统对代谢途径的分隔作用膜与酶的可逆结合第44页，课件共65页，创作于2023年2月第四节基因表达的调控一、原核和真核基因组二、原核生物酶合成调节的遗传机制三、真核生物基因表达调控P321第45页，课件共65页，创作于2023年2月

基因（gene）是指DNA分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNA、rRNA)和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。

基因组（genome）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。

原核细胞的“染色体”DNA分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。一、原核和真核基因组第46页，课件共65页，创作于2023年2月原核生物基因组的特点1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA中（多顺反子）；3、有基因重叠，以此增加信息容量。真核生物基因组的特点1、基因组大，有多个复制子；mRNA为单顺反子；2、有大量重复序列，根据重复次数可分为：

单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少

中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA和表达量大的蛋白质高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后才成为可翻译的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。第47页，课件共65页，创作于2023年2月操纵子——原核基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）启动子（premotor,P）二、原核生物酶合成调节的遗传机制

操纵子学说

第48页，课件共65页，创作于2023年2月1、乳糖操纵子(元)的结构：I-CAP-P-O-Z-Y-A

结构基因：Z、Y及A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶

控制序列：操纵序列O、启动序列P、分解代谢物基因激活蛋白(CAP，cAMP结合蛋白)结合位点

调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）

乳糖操纵子第49页，课件共65页，创作于2023年2月大肠杆菌乳

糖

操

纵

子

模型调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA

阻遏蛋白（有活性，负控制）基因关闭启动子ORPLacZLacYLaca调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa

阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构

B、乳糖酶的诱导

乳糖

阻遏蛋白（有活性）P322第50页，课件共65页，创作于2023年2月乳糖操纵子的降解物阻遏(正控制)RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCGP(CAP)OCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）

CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态第51页，课件共65页，创作于2023年2月

2、阻遏蛋白的负性调节

诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）机理：别乳糖与阻遏蛋白结合，促使阻遏蛋白从操纵序列脱离，诱导基因表达。

3、CAP的正性调节

正调节物：cAMP

。葡萄糖可促使cAMP浓度降低

机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶。

4、协调调节功能相关基因协调合作，共同表达。负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作。第52页，课件共65页，创作于2023年2月酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因

阻遏蛋白(有活性)诱导物酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达第53页，课件共65页，创作于2023年2月大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制Trp密码子111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4碱基配对，转录终止。A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。第54页，课件共65页，创作于2023年2月三、真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质

真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节

转录水平调节

转录后加工的调节

翻译水平调节

翻译后加工的调节真核基因调控主要是正调控顺式作用元件和反式作用因子转录因子的相互作用控制转录第55页，课件共65页，创作于2023年2月基因表达第56页，课件共65页，创作于2023年2月高等生物酵母调控元件启动子的常见组件原核生物Consensussequenceforpromotersthatregulatetheexpressionofgenesinvolvedintheheat-shockresponseinE.coli.BindingofRNApolymerasetoheat-shockpromotersismediatedbyaspecializedβsubunitoftheenzymecalledσ32,whichreplacesσ70第57页，课件共65页，创作于2023年2月真核基因表达调控

★真核基因转录激活调节

1、顺式作用元件：启动子、增强子、沉默子

启动子（promoter）：RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，包括至少一个转录起始点及一个以上的机能组件（TATA盒、GC盒、CAAT盒，等）

典型的启动子由TATA盒及上游的CAAT盒和/或GC盒组成。第58页，课件共65页，创作于2023年2月增强子（enhancer）：远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增