物质代谢的联系与调节.ppt
物质代谢的联系与调节,第十一章,物质代谢的基本目的,（1）生成ATP ATP被称之为“通用能量货币”（2）生成还原辅酶 动物机体代谢过程中所产生还原力，其代表性物质是辅酶（NADPH+H+）（3）产生各种生物合成所需的小分子前体或代谢终产物,物质代谢的相互联系,第 一 节,（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,葡萄糖,乙酰CoA,脂肪,合成糖原储存（肝、肌肉）,磷酸二羟丙酮,甘油,脂肪酸,这就是摄取不含脂肪的高糖膳食可使人肥胖及血脂升高的原因,2.脂肪的甘油部分能在体内转变为糖,脂酸,乙酰CoA,葡萄糖,脂肪,甘油,甘油激酶,肝、肾、肠,磷酸-甘油,葡萄糖,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,脂肪大量动员,酮体生成增加,乙酰CoA,（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,氨基酸,乙酰CoA,脂肪,1.蛋白质可以转变为脂肪、胆固醇,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,脱羧,甲基化,胆固醇,3.脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸,（四）核酸与糖、脂、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,3.核苷酸在调节代谢中也起着重要作用 ATP是能量通用货币和转移磷酸基团的主要分子，UTP参与单糖的转变和多糖的合成，CTP参与磷脂的合成，而GTP参与蛋白质多肽链的生物合成。许多重要的辅酶辅基，如CoA、NAD、FAD等都是腺嘌呤核苷酸的衍生物，参与酶的催化作用。环核苷酸，如cAMP，cGMP作为胞内信号分子（第二信使）参与细胞信号的传导。,生物体内的各种物质，既有各自特殊的代谢途径，又通过一些共同的中间代谢物或代谢环节广泛地形成网络，彼此影响、相互转化，其中糖酵解（EMP）途径和三羧酸（TCA）循环便是沟通各代谢之间联系的重要渠道，所以EMP途径和TCA循环又被称为中心代谢途径（central metabolic pathway）或无定向代谢途径（amphibolic pathway）。,糖、脂类和蛋白质代谢之间的相互影响突出地表现在能量供应上。动物各种生理活动所需要的能量约70以上是由糖供应的。当糖类供应充足时，机体以糖作为能量的主要来源，而脂肪和蛋白质的分解供能较少。糖的供应量超过机体的需要时，过量的糖则转变成脂肪作为能量储备。糖类供应不足或饥饿时，一方面糖的异生作用加强，即主要动用机体蛋白转变为糖，另一方面动员脂肪分解供能。长期饥饿，体内脂肪分解大大加快，甚至会出现酮血症。在一般情况下，食物中蛋白质的主要营养作用是满足动物生长、修补和更新组织的需要。合成蛋白质需要的能量，主要依靠糖，其次是脂肪供给。蛋白质合成代谢增强时，糖和脂肪，并且首先是糖的分解代谢必然增强，除了提供所需要的能量外，还可合成某些非必需氨基酸作为蛋白质合成的原料。可见，食物中能源物质不足时，会影响蛋白质的合成。,物质代谢的调节,第 二 节,2.1 代谢调节的实质,恒态(stable state)是机体代谢的基本状态。恒态的破坏意味着疾病或机体的死亡。机体通过代谢调节维持恒态。代谢的调节主要是对酶进行调节，包括酶的活性和酶量。尤其是途径中的关键酶（限速酶、调节酶），使他们的活性不致过高或过低，不会缺乏也不会不适时表达，以保持整个机体的代谢以恒态的方式进行。代谢调节的实质，就是把体内的酶组织起来，在统一的指挥下，互相协作，以便使整个代谢过程适应生理活动的需要。,2.2 代谢调节的方式：,细胞水平代谢调节激素水平代谢调节整体水平代谢调节,三级水平代谢调节,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的调节而实现的。,（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。,多酶体系在细胞内的分布,酶的隔离分布的意义 保证了代谢途径的定向和有序，也使合成途径和分解途径彼此独立、分开进行。,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,快速代谢,迟缓代谢,数小时、几天,通过改变酶的含量（合成与降解）,变构调节,化学修饰调节,代谢调节主要是通过对关键酶的调节而实现的。,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。,1）关键酶的变构调节,（二）酶活性的调节,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：,底物、代谢产物、其他小分子代谢物,糖酵解 己糖激酶 AMP,ADP G-6-P,ATP PFK-1 FDP,AMP,ADP 柠檬酸,ATP 丙酮酸激酶 ATP,乙酰CoA TAC 柠檬酸合酶 AMP ATP,长链脂酰CoA 异柠檬酸脱氢酶 AMP,ADP ATP 糖异生 丙酮酸羧化酶 乙酰CoA,ATP AMP糖原分解 磷酸化酶b AMP,G-1-P,Pi ATP,G-6-P脂酸合成 乙酰CoA羧化酶 柠檬酸,异柠檬酸 长链脂酰CoA 氨基酸代谢 谷氨酸脱氢酶 ADP,亮氨酸,蛋氨酸 GTP,ATP,NADH嘌呤合成 Gln-PRPP酰胺转移酶 AMP,GMP嘧啶合成 Asp转甲酰酶 CTP,UTP核酸合成 脱氧胸苷激酶 dCTP,dATP dTTP,代谢途径中的变构酶及其变构剂,代谢途径 变构酶 变构激活剂 变构抑制剂,2.变构调节的机制,变构酶,催化亚基,调节亚基,与底物结合起催化作用,与变构效应剂非共价结合起调节作用,变构效应剂+酶的调节亚基,酶活性的变构调节(抑制)示意图,变构剂,酶,底物,活性中心,变构中心,变构抑制,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。,2）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,糖原磷酸化酶 磷酸化/脱磷酸 激活/抑制磷酸化酶b激酶 磷酸化/脱磷酸 激活/抑制 糖原合酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活丙酮酸脱羧酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活磷酸果糖激酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活丙酮酸脱氢酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活HMGCoA还原酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活HMGCoA还原酶激酶磷酸化/脱磷酸 激活/抑制乙酰CoA羧化酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活甘油三酯脂肪酶 磷酸化/脱磷酸 激活/抑制黄嘌呤氧化脱氢酶 SH/-S-S-脱氢酶/氧化酶,酶 化学修饰类型 酶活性改变,酶促化学修饰对酶活性的调节,酶的磷酸化与脱磷酸化,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1992,for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism,Edmond H.Fischer,Edwin G.Krebs,1920-,1918-2009,University of Washington，Seattle,WA,USA,(1)化学修饰酶一般都具有无活性（低活性）和有活性（高活性）两种形式，它们之间在两种不同的酶催化下可相互转变。酶受激素调节。(可控),(2)化学修饰由酶催化引起共价键的变化，酶促反应具有级联放大效应。（效率高）,(3)磷酸化与脱磷酸是最常见的。(经济有效),(4)许多化学修饰酶也同时受到变构调节，酶的化学修饰和变构调节两者相辅相成。（完善）,例：糖原分解作用中的磷酸化酶b,3.化学修饰的特点,（三）酶含量的调节,1.酶蛋白合成,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),酶合成的调节方式有两种类型：酶合成的诱导 酶合成的阻遏,酶的底物、产物、激素或药物都有可能在转录水平增加或减少酶的合成。,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。,内、外环境改变,激素作用机制,二、激素水平的代谢调节,内、外环境改变,激素作用机制,二、激素水平的代谢调节,1.膜受体激素,激素分为膜受体激素和细胞内受体激素,膜受体是细胞表面质膜上的跨膜糖蛋白。,这类激素都是亲水的，包括：,胰岛素、生长激素、促性腺激素、促甲状腺激素等蛋白类激素；生长因子等肽类激素；及肾上腺素等氨基酸衍生物类激素。,膜受体激素的作用方式,信号逐级放大,cAMP-蛋白激酶途径,组成,胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)，cAMP，蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA),1.cAMP 的合成与分解,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE),腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC),2cAMP的作用机理,PKA的激活R 调节亚基 C 催化亚基,3PKA的作用,对代谢的调节作用,通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。,激素（肾上腺素或胰高血糖素）对糖原分解的调节,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。,(2)对基因表达的调节作用,ATP,cAMP,蛋 白 磷 酸 化,结构基因,细胞核,DNA,蛋白质,2.细胞内受体激素,有类固醇激素、甲状腺素、前列腺素、1,25(OH)2-D3及视黄酸等疏水性激素，均为分子量较小的脂溶性激素。,胞内受体激素的作用方式,激素-受体复合物,三、整体水平的代谢调节,在不同生理和病理状况下，机体的神经系统的活动、激素的分泌和各代谢途径中的酶(三个调节水平)均发生相应的变化，使各种物质代谢的速度与同外环境的变化相适应，以保证机体的能量需要和内环境的相对恒定。,在饥饿状态下，机体发生一系列生理和代谢变化。,基本表现为各个组织细胞从依赖食物提供葡萄糖，逐步转变并适应以自身储脂为主要能量来源的过程；蛋白质分解提供能量作用加强；氮平衡转向负氮平衡。,例：在饥饿状态下的物质代谢调节,饥饿分期,短期饥饿(13天),长期饥饿(56天以上),又称糖异生期。主要靠肝脏糖异生葡萄糖和肝外组织节省葡萄糖的利用维持血糖水平，以满足脑组织对糖的需求。,又称蛋白保存期。体内各个组织包括脑组织都以脂肪酸和酮体作为主要能源。,糖原消耗,胰岛素分泌（胰腺细胞）胰高血糖素分泌（胰腺细胞）,1.短期饥饿（13天）,血糖趋于降低,2.长期饥饿,（1）蛋白质代谢变化,蛋白质分解,（2）糖代谢变化,肝肾糖异生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，脑组织利用酮体,
