代谢调节生物化学.ppt

第十一章 物质代谢调节,生命存在的三大要素,物质代谢能量代谢代谢调节,物质代谢的特点The Specialty of Metabolism,第 一 节,一、整体性,各种物质代谢之间互有联系，相互依存。,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,内外环境不断变化,影响机体代谢,适应环境的变化,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,四、各种代谢物均具有各自共同的代谢池,例如,五、ATP是机体能量利用的共同形式,营养物分 解,六、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,物质代谢的相互联系Metabolic Interrelationships,第 二 节,一、在能量代谢上的相互联系,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。,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 周,（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,2.脂肪的甘油部分能在体内转变为糖,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,（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,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）脂类与氨基酸代谢的相互联系,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,（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,2.磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供,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,目 录,组织、器官的代谢特点及联系,Metabolic Specialty and Interrelationships of Tissues and Apparatus,第 三 节,是机体物质代谢的枢纽。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。,肝,肝在维持血糖稳定中起重要作用。,以葡萄糖有氧氧化供能为主。,心脏,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、储存糖原；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。,肌 肉,能量主要来自糖酵解。,红细胞,合成及储存脂肪的重要组织；将脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用。,脂肪组织,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。,肾脏,代 谢 调 节The Regulation of Metabolism,第 四 节,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。,细胞内酶的隔离分布,一、酶在细胞内的分隔分布,催化不同代谢的酶分隔分布在不同的亚细胞结构中但个代谢途径又相互联系,酶的隔离分布的意义 避免了各种代谢途径互相干扰。,多酶体系在细胞内的分布,二、代谢调节作用点 限速酶、关键酶,限速酶（rate-limiting enzyme)体内代谢是一系列酶促反应的总和，整个代谢途径速度取决于多酶体系中催化活力最低、米氏常数最大、催化反应速度最慢的酶此酶起着限速作用，代谢调节的作用点。,限速酶,关键酶（key enzyme),几条代谢途径有交叉/共同的代谢中间物丙酮酸6-磷酸葡萄糖 乙酰CoA-酮戊二酸,乙酰CoA的来源和去路,葡萄糖 脂肪酸 酮体 氨基酸 乙酰CoA胆固醇 三羧酸循环 酮体 脂肪酸,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。,例：糖代谢的关键酶,关键酶的活力调节,酶活性调节方式别构调节化学修饰调节,酶含量调节方式诱导阻遏,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。,三、酶的别构调节,1、概念酶（别构酶,四级结构）分子因受某些物质（别构剂:激活剂/抑制剂）的影响,在调节亚基部位非共价结合,而发生轻微的构象变化(疏松/紧密)，从而影响酶的活性。,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。,变构效应剂+酶的调节亚基,R,R,C,C,R,R,R,R,C,C,C,C,酶活性增加/降低,-生理小分子物质：代谢产物、底物、其他 和调节基团非共价、可逆结合 酶的别构调节,酶分子,R,R,C,C,R,R,R,R,C,C,C,C,酶活性增加/降低,-生理小分子物质：代谢产物、底物、其他 和调节基团非共价、可逆结合 酶的别构调节,酶分子,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,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。,四、酶的化学修饰调节,1、概念 酶蛋白多肽链上某些基团可在另一酶的催化下发生可逆地共价修饰，如：酶蛋白上的-OH基团可磷酸化或去磷酸化，或者是某些基团的乙酰化，去乙酰化的互变等，而导致酶活性的改变，受这类作用影响的酶称为修饰酶，这种作用称为酶的化学修饰。为酶活性的快调节。,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,-OH,酶活性增加/降低,-磷酸基团、乙酰基、甲基等，和调节基团共价、可逆结合 酶的化学修饰（共价修饰）调节,酶分子,酶,ATP,ADP,-OH,-OH,-OH,P,P,酶活性增加/降低,-磷酸基团、乙酰基、甲基等，和调节基团共价、可逆结合 酶的化学修饰（共价修饰）调节,酶分子,磷酸酶,ATP,ADP,-OH,P,-OH,-OH,-OH,P,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。,酶别构调节与化学修饰调节的比较,某些酶同时存在两种调节方式别构调节是细胞的基本调节方式化学修饰调节是高效的调节方式,六、酶含量的调节,1、酶蛋白生物合成的诱导与阻遏诱导（induction）-使蛋白质合成增加阻遏（repression）-使蛋白质合成减少诱导与阻遏转录/翻译过程是迟缓调节,诱导底物诱导 Trp诱导色氨酸吡咯酶的合成激素诱导 糖皮质激素药物 药物诱导 安眠药苯巴比妥,阻遏产物阻遏 高胆固醇抑制HMG-CoA还原酶,2.酶蛋白降解,通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。,第二节 激素水平的调节,制造分泌 血液 内分泌细胞 激素 靶细胞 生物学效应（第一信使）（受体）,激素,作用特点,量小作用大有特异性作用迅速,激素的受体（receptor）,化学本质存在部位,蛋白质靶细胞质膜靶细胞内靶细胞质膜和靶细胞内,特点（1）高度的特异性（2）高度的亲和（3）结合的可逆性（4）生物学效应,激素1-受体1非共价键结合（可逆）和结合量成正比 1.血中激素的量2.靶细胞上的受体的量3.激素与受体的亲和力,激素的受体（receptor）,胰岛素主要通过靶细胞膜受体发挥作用胰岛素抵抗的异质性胰岛素抗性蛋白,举例：胰岛素调节代谢的作用机制,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,整体调节=神经-体液调节神经系统协调调节几种激素多种激素共同协调调节,一、饥饿时的代谢调节,饥饿：正常生活、工作病理情况：昏迷、胃肠道手术后、消化道疾病、厌食饥饿时机体综合调节目标-血糖浓度的低水平维持（提供草酰乙酸）,激素水平的调节,降血糖激素抗脂解激素胰岛素,升血糖激素脂解激素胰高血糖素肾上腺皮质激素肾上腺素,细胞水平调节,肝脏肝糖原分解糖异生增加,外周组织葡萄糖利用减少酮体利用增加脂肪酸分解增加蛋白质分解增加,低血糖临床症状和处置,=2mmol/L时:心悸、出汗、脸色苍白、心动过速酮症酸中毒负氮平衡：明显消耗体质、抵抗力下降处置：及时抢救，输入葡萄糖,二、应急时的代谢调节,应急(stress)创伤、手术、缺氧、寒冷、休克、感染、剧烈疼痛、中毒、强烈情绪激动 应急时的代谢调节：-神经-体液综合整体调节,应急时机体各组织的供能物质,葡萄糖脂肪酸酮体氨基酸,急中生智,神经水平调节,交感神经兴奋 肾上腺髓质激素释放（肾上腺素/去甲肾上腺素）,激素水平的调节,降血糖激素抗脂解激素胰岛素,升血糖激素脂解激素胰高血糖素肾上腺皮质激素肾上腺素,细胞水平调节,肝脏肝糖原分解糖异生增加糖原合成减少,外周组织血糖利用增加酮体利用增加脂肪酸分解增加蛋白质分解增加脂肪合成减少,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,本章结束,附 录,目 录,