生物化学第09章物质代谢的联系与调节ppt课件.ppt

1,第9章,物质代谢的联系与调节Metabolic Interrelationships&Regulation,2,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,3,生物体的新陈代谢,合成代谢,分解代谢,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。,4,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。,5,物质代谢的特点The Specialty of Metabolism,第一节,6,一、体内各种物质代谢过程互相联系形成一个整体,各种物质代谢之间不是孤立，而是互有联系，相互依存，同时整体进行的。某个代谢的紊乱可导致其他代谢的紊乱（糖尿病）,消化吸收中间代谢废物排泄,7,二、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,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。,8,三、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,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。,9,四、各种代谢物均具有各自共同的代谢池,各种来源的营养物质（内源+外源），都参与到共同的代谢池中参与代谢。（血糖、血脂、氨基酸代谢池等）,10,五、ATP是机体储存能量和消耗能量的共同形式,营养物分解,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,11,六、NADPH提供合成代谢所需的还原当量，供氢体,乙酰CoA,NADPH+H+,脂酸、胆固醇,磷酸戊糖途径,NAD（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,12,物质代谢的相互联系Metabolic Interrelationships,第二节,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,柠檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,PEP,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代谢的联系,T A C,14,一、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,三大营养物的代谢通过共同的中间代谢物、TAC和生物氧化相互联系、相互转变,15,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。,16,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。,例如：,17,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,18,（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,19,2.脂肪的甘油部分能在体内转变为糖,丙酮酸,不可逆步骤,20,3.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：,B氧化,酮体过量,21,（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）,22,2.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,23,1.蛋白质可以转变为脂肪,2.氨基酸可作为合成磷脂的原料,（三）脂类不能转变成氨基酸，但氨基酸能转变成脂肪,24,但不能说，脂类可转变为氨基酸。,3.脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸,25,（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,2.磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供,26,（五）枢纽性中间产物沟通不同的代谢通路,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）糖、核苷酸代谢的交汇点:5磷酸核糖（5C）糖、甘油代谢交汇点:磷酸二羟丙酮（3C）糖、脂、氨基酸分解代谢的交汇点:乙酰辅酶A（2C）氨基酸、核苷酸代谢的交汇点:一碳单位（1C）三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)奇数碳原子脂肪酸代谢与糖代谢的交汇点:琥珀酸辅酶A(4C)、乙酰辅酶A(2C)。,27,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,28,体内各组织、器官的代谢因为细胞分化与结构不同有着自身的特点，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,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,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,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,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,33,五、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。,34,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,35,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,36,代谢调节方式The Way for Regulation of Metabolism,第四节,37,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通过细胞水平代谢调节来实现的。,38,快速调节,迟缓调节,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,3.酶含量的调节,39,1.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。,40,主要代谢途径多酶体系在细胞内的分布,41,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。,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,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,43,2.1 酶的变构调节或别构调节：,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。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。,44,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。,45,变构效应剂+酶的调节亚基,变构酶,催化亚基,调节亚基,变构效应剂,底物、终产物其他小分子代谢物,46,一些代谢途径中的变构酶及其变构效应剂,47,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。,如长链脂酰CoA反馈抑制脂肪酸的合成：,48,变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。,不仅避免产生过多的ATP，还有助于能量的储存,49,变构调节使不同的代谢途径相互协调。,50,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,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,化学修饰的主要方式:,51,酶促化学修饰对酶活性的调节,52,酶的磷酸化与脱磷酸化,53,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。,54,3.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,55,3.2 调节细胞酶含量也可通过改变酶蛋白降解速度,56,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性,57,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：,58,1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,cAMP,59,2.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,60,（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,61,（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,62,2长期饥饿时，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,63,（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,64,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,65,代谢改变：,1.血糖升高,2.脂肪动员增强,3.蛋白质分解加强,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。,66,应激时机体的代谢改变,67,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,68,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%，或体重指数30即为肥胖。,69,2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）。,70,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,71,四、代谢组学是对低分子量代谢物集合的整体水平研究,代谢组学(metabonomics)，一门较新的组学领域。是对某一生物或细胞中所有低分子质量代谢产物进行定性和定量检测，分析活细胞中代谢物谱变化的研究领域。机体在各种生理、病理、药理因素的影响下，其代谢应答必然发生变化，通过高通量检测方法分析代谢物的变化，能够更真实地掌握机体的基因表达和代谢过程发生的改变，最终为疾病诊断或药物研究提供帮助。,72,代谢组学的研究样品有：血液、尿液、细胞提取物、细胞培养液和组织等代谢物组学研究需要高通量定量检测技术和大规模的计算，包括样品预处理、数据采集和数据分析解释三个阶段。代谢物组学研究涉及许多高分辨率的检测仪器，如色谱、质谱、核磁共振等，还需要生物信息学和计算生物学等计算方法的支持。,73,代谢物组学在新药开发和疾病诊断方面有巨大应用潜力,通过比较正常生理和病理状态下的代谢组变化，可发现疾病相关的代谢物特征模式和生物标志物，用于疾病的诊断和治疗。生物标志物药物靶点、疾病诊断标志物药物作用机制研究和新药研发新药的毒理学评价，大大提高药物安全性评价的技术分析水平,74,问答题,为什么说三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质代谢的共同通路？试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？,