第十二章物质代谢的联系与调节课件.ppt

第十二章物质代谢的联系与调节,重点,掌握物质代谢的相互联系及特点。了解物质代谢调节的意义及方式。熟悉重要物质代谢途径的亚细胞定位；掌握变构酶的概念及其生理意义；了解酶含量的调节酶合成的诱导与阻遏。熟悉激素与受体作用的特点，熟悉整体的物质代谢调节。,第一节,物质代谢的相互联系,概论,一切生物的生命都靠代谢的正常运转来维持。机体代谢途径异常复杂，一个细菌细胞的代谢反应已在1000个以上，其他高级生物的代谢反应之复杂可想而知了。生物体是一个组成极其复杂但又非常精密；代谢反应繁多但又有条不紊；各种物质代谢都有自己的独立过程但相互之间确联系密切；互相可以转化但又相互制约。总之，机体是一个完整统一的新陈代谢反应器。,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。,代谢途径之间的联系,1、代谢网络 细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数关键的反应如氧化还原、基团转移、水解合成、基团脱加及异构反应等，转化种类繁多的分子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和相互转化。这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通，形成经济有效、运转良好的代谢网络通路。其中三个关键的中间代谢物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。,2、分解代谢与合成代谢的单向性,虽然酶促反应是可逆的，但在生物体内，代谢过程是单向的。一些关键部位的代谢是由不同的酶催化正反应和逆反应的。这样可使两种反应都处于热力学的有利状态。一般酮酸脱羧的反应、激酶催化的反应、羧化反应等都是不可逆的。这些反应常受到严密调控，成为关键步骤。,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CoA,e-,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,生物系统中的能流,一、物质代谢的特点,整体性 代谢调节 各组织、器官物质代谢各具特色 各种代谢物均具有各自共同的代谢池 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,整体性,各种物质代谢之间互有联系，相互依存。,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,内外环境不断变化,影响机体代谢,适应环境的变化,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,肝是机体物质代谢的枢纽,是人体的中心生化工厂,肝耗氧量占全身的20%；肝在糖、脂、蛋白质、水盐、维生素代谢中均具重要作用。,肝是糖原合成及储存的主要部位肝可通过糖异生作用补充血糖肝能进行糖原分解补充血糖,组织、器官的代谢特点及联系,组织、器官的代谢特点及联系,心脏,依次以酮体、乳酸、自由脂酸及葡萄糖为耗用的能源物质，并以有氧氧化为主。故能确保ATP的供应。,脑,脑耗氧量占全身的20-25%,脑无糖原储存，平时依靠血糖供能：100g/日；长期饥饿时则主要利用酮体为能源：50-100g/日,组织、器官的代谢特点及联系,肌肉,肌肉通常以氧化脂酸供能为主，剧烈运动时则以糖的无氧酵解为主。肌糖原不能直接补充血糖。,组织、器官的代谢特点及联系,红细胞,红细胞能量主要来自葡萄糖的酵解。30g/日 成熟红细胞无线粒体，故不能进行糖的有氧化氧化，也不能利用脂酸及其它非糖物质供能。,组织、器官的代谢特点及联系,脂肪组织,脂肪组织是合成及储存脂肪的重要组织。脂肪组织通过脂肪动员将储存的脂肪分解为脂酸和甘油释放入血以供其它组织摄取利用。,组织、器官的代谢特点及联系,肾,肾也可进行糖异生和生成酮体，它是除肝外唯一可进行这两种代谢的器官。,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。,各种代谢物均具有各自共同的代谢池,例如,ATP是机体能量利用的共同形式,营养物分 解,NADPH是合成代谢所需的还原当量,例如,乙酰CoA,NADPH+H+,脂酸、胆固醇,磷酸戊糖途径,二、物质代谢的相互联系,（一）在能量代谢上的相互联系（二）糖、脂和蛋白质代谢之间的相互联系,三大营养素,共同中间产物,共同最终代谢通路,三大营养素可在体内氧化供能。,（一）在能量代谢上的相互联系,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。,例如,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 天,1、糖代谢与脂代谢的相互联系,摄入的糖量超过能量消耗时，糖可以转变成脂肪。,（二）糖、脂和蛋白质代谢之间的相互联系,磷酸二羟丙酮,a磷酸甘油,糖,乙酰CoA，NADPH,脂肪酸,磷酸二羟丙酮,-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,糖代谢与脂类代谢的相互关系,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,2、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,大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的-酮酸，可转变为糖。,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,在动物体内糖虽然可以通过糖代谢中的重要中间体；丙酮酸、草酰乙酸和-酮戊二酸可以通过转氨基作用形成相应的氨基酸，并且还可以进一步形成其他非必需氨基酸。但确不能合成8种必需氨基酸及合成量很少的2种半必需氨基酸。所以，动物体糖转变蛋白质是困难的。而组成蛋白质的20种天然氨基酸中可以生糖的达16种，显然，动物体将蛋白质转变成糖是顺利的。对于动物来说：蛋白质可以替代糖，糖不能替代蛋白质。,蛋白质可以转变为脂肪,氨基酸可作为合成磷脂的原料,3、脂类与氨基酸代谢的相互联系,但不能说，脂类可转变为氨基酸。,脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸,生物体内通过脂肪合成蛋白质的可能性几乎为0。（脂肪酸经-氧化得到乙酰CoA，进入TCA、再经转氨基作用后，只能间接得到谷氨酸）而蛋白质转化为脂肪确非常顺利。,4、核酸与糖、脂、蛋白质代谢的相互联系,核酸及其衍生物和多种物质代谢有关。但脂类代谢除供应CO2外，和核酸代谢并无明显的关系。蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的来源。许多核苷酸在代谢中起着重要的作用。核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型。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。,（1）氨基酸是体内合成核酸的重要原料,（2）磷酸核糖和NADPH由磷酸戊糖途径提供,（3)多种酶和蛋白质参与了核酸的生物合成。（4)糖、脂类等燃料物质为核酸提供能量。（5）各类物质代谢都离不开具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，CTP参与磷脂合成,GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。（6）核苷酸组成许多重要的辅酶(如CoA,NAD+，NADP+）。（7）环核苷酸cAMP和cGMP作为胞内信号分子参与细胞信号的转导。,葡萄糖、糖原,丙酮酸,乙酰CoA,脂肪,草酰乙酸,-酮戊二酸,琥珀酸,延胡索酸,第二节,代谢的调节,生物体所以能有条不紊的进行错综复杂的代谢过程，主要是具有一套完整的调控系统。而生物体的调控系统是与其进化水平逐渐完善的。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,高等生物 三级水平代谢调节,细胞水平代谢调节,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。,细胞水平的调节主要为细胞内跨膜的集中和隔离的分布。见P301。,（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。,酶在细胞中的分布,1.细胞核核膜上有大量酶类，这些酶参与糖、脂类、蛋白质代谢及核酸运输，DNA复制、RNA合成、加工和修饰。它们镶嵌在核膜上，或结合在膜表面，有利于各种反应的定向进行。,2.胞液 指细胞质的连续液相部分。大部分中间代谢在此进行，如糖酵解、异生、磷酸戊糖途径、糖、脂类、氨基酸以及核苷酸的生物合成等。其重量的20是蛋白质，所以是高度组织的胶状物质，而不是溶液。与糖原代谢有关的酶结合在糖原颗粒表面。3.内质网 粗糙型内质网与蛋白质的加工有关，光滑内质网与糖类和脂类的合成有关，细胞的磷脂、糖脂和胆固醇几乎都是内质网上的酶合成的。,4.高尔基体 可对细胞合成或吸收的物质进行加工、浓缩、包装和运输，参与细胞的分泌和吸收过程。其膜的内表面有加工寡聚糖的酶类。5.溶酶体 含水解酶类，主要功能为消化、吸收、防御、吞噬和细胞自溶。6.线粒体 内膜形成嵴，其上有与呼吸链有关的细胞色素和氧化还原酶、ATP合成酶以及调节代谢物进出的运输蛋白。内膜中的基质含有三羧酸循环、b氧化、氨基酸分解等酶类。,多酶体系在细胞内的分布,酶的隔离分布的意义 避免了各种代谢途径互相干扰。,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。,某些重要代谢途径的关键酶代谢途径 关键酶糖原合成 糖原合成酶糖原分解 磷酸化酶糖酵解 已糖激酶、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶糖有氧氧化 丙酮酸脱氢酶系、TAC 柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶系,某些重要代谢途径的关键酶代谢途径 关键酶糖异生 丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果 糖二磷酸酶-1、葡萄糖-6-磷酸酶脂肪动员 甘油三酯脂肪酶脂酸合成 乙酰CoA羧化酶胆固醇合成 HMGCoA还原酶嘌呤合成 谷氨酰胺PRPP酰胺转移酶,快速代谢,迟缓代谢,代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。,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,被调节的酶称为变构酶或别构酶 使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂,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。,2.变构调节的机制,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,变构效应剂+酶的调节亚基,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，使代谢物不致生成过多。,变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。,变构调节使不同的代谢途径相互协调。,（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 S S 互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,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。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。,（四）基因表达的调节,主要表现在转录调节和翻译调节两个水平上，总之，就是酶的合成的调节。基因表达的调节，原核生物和真核生物无论在调节机制、调节层次、复杂程度和参与的因素等诸方面差异很大。原核生物主要表现为：酶合成的诱导作用和阻遏作用。见P298-299中文字和图14-6、14-7。真核生物的基因表达调节见P300和图14-10,1）原核生物基因表达调节,酶浓度的调节,诱导,阻遏,终产物的阻遏,分解代谢产物阻遏,诱导作用（induction）：,指用诱导物（inducer）来促进酶的合成，这种作用称诱导作用。,阻遏作用（repression）：,指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏作用。,乳糖操纵子(lac operon)调节机制,5/,3/,3/,5/,启动子 操纵序列 3个结构基因,调控区 信息区,乳糖操纵子,调节基因,阻遏蛋白,P,O,I,Z Y A,CAP结合点,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,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 关 闭,启动子,O,I,A、乳糖操纵子的结构,缺乏乳糖时：I基因阻遏蛋白与O序列结合阻止RNA聚合酶的结合阻止结构基因转录,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（无活性）,存在乳糖时：乳糖（诱导剂）阻遏蛋白+乳糖复合物阻止阻遏蛋白与O的结合结构基因开放表达合成利用乳糖的酶,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CGP(CAP),O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP-CAP,P,CGP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CAP呈失活状态,CAP-cAMP的正性调节,存在葡萄糖时：腺苷酸环化酶葡萄糖代谢产物 磷酸二酯酶cAMPcAMP-CAP复合物不能激活RNA聚合酶活性结构基因不能表达,没有葡萄糖时：cAMPcAMP-CAP复合物与操纵子的CAP位点结合激活RNA聚合酶活性结构基因转录表达,CAP与cAMP结合后，可结合到乳糖操纵子的CAP位点，促进转录,（-）,（+）,色氨酸操纵子的调控机制,色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。,色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。,色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。,大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,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。,Trp密码子,2）真核生物基因表达调控,DNA,转录初产物RNA,mRNA,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,内、外环境改变,激素作用机制,二、激素水平的代谢调节,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：,1.膜受体激素的作用方式,激素作用方式,2.胞内受体激素的作用方式,（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,（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,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,（3）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,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,直接控制 间接控制,神经的调节,神经水平的调节是最高级的调节方式。这是进化程度最高的高等动物才具备的调控方式。见P307。,一、选择题,1、糖酵解中，下列哪一个催化的反应不是限速反应？（）A、丙酮酸激酶 B、磷酸果糖激酶 C、己糖激酶 D、磷酸丙糖异构酶2、磷酸化酶通过接受或脱去磷酸基而调节活性，因此它属于：（）A、别（变）构调节酶 B、共价调节酶 C、诱导酶 D、同工酶3、下列与能量代谢有关的途径不在线粒体内进行的是：（）A、三羧酸循环 B、脂肪酸氧化 C、氧化磷酸化 D、糖酵解作用4、阻遏蛋白结合的位点是：（）A、调节基因 B、启动因子 C、操纵基因 D、结构基因5、下面哪一项代谢是在细胞质内进行的：（）A、脂肪酸的-氧化 B、氧化磷酸化 C、脂肪酸的合成 D、TCA 6、在乳糖操纵子模型中，操纵基因专门控制 是否转录与翻译。（）A、结构基因 B、调节基因 C、起动因子 D、阻遏蛋白,二、是非题（在题后括号内打或）,1、共价调节是指酶与底物形成一个反应活性很高的共价中间物。（）2、在酶的别构调节和共价修饰中，常伴有酶分子亚基的解聚和缔合，这种可逆的解聚/缔合也是肌体内酶活性调节的重要方式。（）3、细胞的区域化在代谢调节上的作用，除了把不同的酶系统和代谢物分隔在特定的区间，还通过膜上的运载系统调节代谢物、辅酶和金属离子的浓度。（）4、操纵基因又称操纵子，如同起动基因又称启动子一样。（）,三、问答题：,1、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？哪些化合物可以被认为是联系糖、脂、蛋白质和核酸代谢的重要环节？为什么？2、举例说明核苷酸及其衍生物在代谢中的作用。3、试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？4、分别写出谷氨酸在体内氧化分解生成CO2和H2O生成糖生成甘油三酯的主要历程，注明催化反应的酶，并计算分解时所产生的ATP数目。5.何谓操纵子学说？试以大肠杆菌乳糖操纵子为例说明酶合成的诱导和阻遏。,