物质代谢的相互联系和调节控制.ppt

第十四章 物质代谢的相互联系和调节控制,研究新陈代谢时,我们分别叙述了糖类、脂肪、蛋白质与核酸等物质的代谢,但是这种分类是人为的,这样作法仅仅是为了便于叙述,实际上,机体内的新陈代谢是一个完整统一的过程。是在各个反应过程密切相互作用与制约下进行的。甚至人及动物代谢的第一步食物的消耗就是糖类、脂肪、蛋白质在消化管同时进行分解的过程糖类、脂肪、蛋白质与核酸等物质的代谢在组织内,糖类、脂肪、蛋白质及核酸在中间代谢过程的变化也是密切关连的。,第一节 物质代谢的特点,2、动态平衡，以防止中间产物的堆积和缺乏,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,3、代谢联系构成代谢网络,1、共有的代谢池,8、以糖和脂肪为主要供能物质，节约蛋白质,9、存在两用代谢途径，简化机构,第二节 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,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、脂肪、氨基酸分解代谢的交汇点：乙酰 辅酶 A（2C）,5、氨基酸、核苷酸代谢的交汇点：一碳单位（1C）,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）,6、3个重要氨基酸与糖代谢的交汇点：天冬氨酸-草 酰乙酸（4C）；谷氨酸-酮戊二酸(5C)；丙氨酸-丙酮酸(3C),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,5、两用代谢途径在物质转变中具有重要意义,7、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)、乙酰辅酶A(2C),6、3个重要氨基酸的代谢转变：Asp；Glu；Ala,二.不同物质之间的代谢转变,4、磷酸戊糖途径可实现3、4、5、6、7C的转变,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,三.能量代谢的共性,4、ATP在能量代谢中的中心作用,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,动物细胞结构和代谢途径,（一）糖代谢与脂肪代谢的相互关系,1、糖可以在生物体内变成脂肪。,2、脂肪不能大量转变为糖，除了油料作物种子。,（二）糖代谢与蛋白质代谢的关系,1、糖可以转变为非必需氨基酸。,2、蛋白质可以转变为糖。,五.糖、脂肪、蛋白质及核酸代谢的相互联系,（三）脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系,1、由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，实际上仅限于谷氨酸。,2、蛋白质间接地转变为脂肪。,（四）核酸与其他物质代谢的相互关系,1、蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料；2、糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的来源。,3、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。,糖代谢与脂类代谢的相互联系,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,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖-酮酸 氨基酸 蛋白质,NH3,蛋白质 氨基酸-酮酸 糖,（生糖氨基酸）,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）,1.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,核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,4.核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。,2.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。,3.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，CTP参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。,糖类脂类氨基酸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,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,乙酰乙酰CoA,脂肪,核苷酸,天冬氨酸天冬酰氨,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CoA,1-磷酸葡萄糖,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 五.神经的调节,第三节 代 谢 调 节,一.代谢调解,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。,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,二.酶水平调节,1.酶活性的调节,（1）别构调节作用,一般为寡聚酶，由催化亚基和调节亚基组成，别构效应物与调节亚基结合，引起酶分子的构象发生变化，从而改变酶的活性。,反馈调节（包括正反馈和负反馈）。,酶活性的前馈和反馈调节,前馈（feedforward）和反馈（feedback）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现的。,S0,Sn,S2,S1,E0,E1,En-1,或,+,或,+,反馈,前馈,反馈调节中酶活性调节的机制,代谢物,（2）共价修饰调节作用,不同类型的可逆共价修饰作用：磷酸化/脱磷酸化；乙酰化/脱乙酰化；腺苷酸化/脱腺苷酸化；尿苷酸化/脱尿苷酸化；ADP-核糖基化；甲基化/脱甲基化；S-S/SH相互转变。,共价修饰调节对调节信号有放大作用。如磷酸化酶激活的级联反应(见教材P297图145 磷酸化酶激活的级联反应)。,酶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、ATP,cAMP,R、cAMP,3、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,1,3,2,102,104,106,108,葡萄糖,4,5,6,2.基因表达的调控(节),酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。,(1)原核和真核基因组(2)原核生物酶合成调节的遗传机制(3)真核生物基因表达的调控,基因（gene）是指DNA分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNAr、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。,(1)原核和真核基因组,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，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。,酶诱导和阻遏的操纵子模型 合成途径操纵子的衰减作用,(2)原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说,a,y,z,o,p,i,结构基因,控制位点,调节基因,乳糖操纵子,CAP与cAMP形成复合物，结合在lac operon的启动基因上，促进转录的进行。,cAMP-CAP是正调控因子，阻遏蛋白是负调控因子。,启动基因,操纵基因,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),阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达,诱导物,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,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,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,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（有活性）,酶合成的诱导作用之负反馈作用,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）(CRP:cAMP受体蛋白)CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）(代谢产物活化蛋白),使CAP呈失活状态,酶合成的诱导作用(之正反馈作用),乳糖操纵子的降解物阻遏,A,B,C,D,E,o,p,L,a,酶合成的阻遏作用 E.coli 色氨酸操纵子模型,阻遏蛋白原(无活性),调节基因,启动基因,操纵基因,前导序列,衰减子,结构基因,A,B,C,D,E,o,p,L,a,酶合成的阻遏作用 E.coli 色氨酸操纵子模型,Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。,阻遏蛋白原(无活性),调节基因,启动基因,操纵基因,前导序列,衰减子,结构基因,(色氨酰RNA或色氨酸),形成有活性的阻遏蛋白,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,(3)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转录前调节,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,1.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 2.真核基因调控主要是正调控 3.顺式作用元件和反式作用因子 基因转录的顺式作用元件包括启动子和增强子两种特异性DNA调控序列。启动子是RNA聚合酶识别并与之结合,从而起始转录前的一段特异性DNA序列。增强子是能够增强基因转录活性的调控序列。这种增强作用是通过结合特定的转录因子或改变染色质DNA的结构而促进转录。基因调控的反式作用因子主要是各种蛋白质调控因子,这些蛋白质调控因子一般都具有功能结构域。研究基因调控序列和蛋白质调控因子的相互作用是阐明真核生物基因表达调控分子机制的基础。4.转录因子的相互作用控制转录,转运调节,三.酶定位的区域化,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,(四)激素调节的机制,1、含氮激素作用模式2、甾醇类激素作用模式,肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,ATP,cATP+PPi,内在蛋白质的磷酸化作用,改变细胞的生理过程,细胞膜,细胞膜,c,R,蛋白激酶（无活性）,c,+,R,cATP,蛋白激酶（有活性）,受体,环化酶,激素,G蛋白,甾醇类激素作用原理示意图,直接控制 简接控制,(五)神经的调节,