物质代谢调节与细胞信号转导.ppt

第 九 章,物质代谢调节与细胞信号转导,物质代谢与信号转导,物质代谢：糖、脂肪、蛋白、核苷酸四大基本物质在大分子、构件分子和小分子不同层次间的相互转化以及各类分子之间相互转化，为有机体提供必要的物质基础和能量基础。信号转导：环境因素变化(信息)作用于机体组织细胞，引起机体细胞内生物信息传递、调节生命活动的一种生物学过程。,物质代谢受到细胞信号转导的引导与调节细胞信号转导是细胞内物质代谢与外界环境变化之间相互联系与适应的桥梁,二者之间的关系,物质代谢与物质代谢调节,第 一 节,大多数有机物质可以相互联系、相互转变，组成共同的中间物质代谢池，是各种代谢途径之间的交汇点。,一、物质代谢的基本特点（一）物质代谢的网络性,G6P、丙酮酸和乙酰辅酶A是处于代谢通路分支口的重要分子TAC是三大营养物质的共同代谢通路，是联系糖、脂类和氨基酸代谢的纽带物质代谢之间相互联系、相互依赖,1.糖和脂肪之间的关系：体内糖可转变脂肪，但（偶数）脂肪酸不能转变成糖,(1)摄入的糖量超过能量消耗时：,如何相互联系？,(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：,2.糖和氨基酸之间的关系：体内糖与大部分氨基酸碳架部分可以相互转变,(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,3.脂类和氨基酸之间的关系：脂类不能转变成氨基酸，但氨基酸能转变成脂肪,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,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,Val、Ile、Met,Asp,Glu,ArgHis,甘油,脂肪酸,（二）物质代谢的集约性（集中、简约）,1.仅有六种最基本的酶促化反应类型,2.不同物质代谢大多采用类似的代谢策略,3.最古老的代谢途径为多数代谢所保留或共享,三羧酸循环,4.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,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。,（三）物质代谢的定位性,1.参与物质代谢的酶在各亚细胞器内区域化分布的差异 生物学意义：减少干扰；局部浓缩。,真核细胞内主要代谢酶系的区域化分布,产生隔离的原因：基因表达与靶向转运的差异、生物膜脂 质双分子结构等,消除隔离使物质代谢循环得以进行的主要方式 膜蛋白与运载体的协助；方式有主动转运、被动转运、偶联转运等，其中各种形式的线粒体穿梭、氨基酸的谷胱甘酰基循环等是偶联转运的重要形式。,2.参与物质代谢的酶在生物机体各器官组织内分布区域化的差异 生物学意义：各器官组织各司其职，肝脏是生物机体物质代谢的中心。,脑、红细胞、肌肉、脂肪组织、肺肾脏等各有其特殊的物质代谢要求,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。,心脏,正常优先以脂肪酸为燃料产生ATP。能量可依次以消耗自由脂肪酸、葡萄糖、酮体等能源物质提供。,耗能大，耗氧多。葡萄糖为主要能源，每天消耗约100g。不能利用脂肪酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体。,脑,合成、储存糖原；通常以脂肪酸氧化为主要供能方式；剧烈运动时，以糖酵解为主。,肌 肉,红细胞没有线粒体，因此能量主要来自糖酵解。每天消耗1520g葡萄糖。,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,重要器官及组织氧化供能的特点,（四）物质代谢的能量基础,1.物质代谢网络中的无效循环(futile cycle),合成分解的往返代谢需要耗能，表面上没有任何代谢上的实质价值，称为无效循环。无效循环中两物质自由能始终有差异，自由能一高一低。酶的参加不改变酶促反应的热力学性质，按照热力学第二定律，两物质间是否发生反应必须遵从熵减少的原则，因此要使无效循环发生，必须从无效循环外注入能量。,2.能量物质(fuel)的投入是推动无效循环的重要环节,证据：大多数分子参与合成前时均需ATP活化；以ATP能量的消耗，可将一些在自由能上根本不能进行的反应通过偶联作用得以进行；生物体始终是分解产能的反应大于合成反应。哲学意义：生物是贪婪的，自私的，耗能的。,3.ATP是生物机体中最重要的通用能源分子。,（五）物质代谢的生物学功利性与可调节性,1.物质代谢的功利性（1）适应外界环境的变化，尤其是食物营养物质供应变化的需要，即物质的可利用性；（2）适应细胞生物自身物质代谢和能量代谢不断变化发展的需求，例如能量指数ADP/ATP的动态变化；（3）适应自身结构化的器官或亚细胞结构单位生物化学功能分工的不同以及由此分工形成的相互补充性，即生物要解决物质的隔离与转运问题,2.物质代谢通路的可调节性 健全的生物调节系统包括环境变化的感受器、处理器和应答器,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,生物调节系统,物质代谢调节的层次,底物水平调节,细胞水平调节,整体水平调节,（1）底物水平调节（关键酶）,（2）细胞水平调节（细胞信号转导）,腺苷环化酶（无活性）,腺苷环化酶（有活性）,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+受体,PKA(无活性),（3）整体水平调节（神经激素水平协调）,二、关键酶的调节,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决定。关键酶催化的反应具有以下特点：一般位于代谢途径的起始或分支处；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。速度慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度。速度最慢的关键酶又称限速酶(limiting velocity enzymes)这类酶活性除受底物调控外，还受多种代谢物或效应剂的调节。,某些重要代谢途径的关键酶,（一）小分子结合或共价修饰对酶结构与活性的调节,1.变构调节（1）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。,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。,别构调节一般发生在底物水平，调节物质代谢通路中的关键酶；别构调节直接针对酶分子构象本身，因此是一种快速调节。,一些代谢途径中的变构酶及其变构效应剂,（2）代谢途径的起始物或产物通过变构调节影响代谢途径,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。,2.化学修饰调节,(1)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调节。,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,酶促化学修饰对酶活性的调节,酶的磷酸化与脱磷酸化,（2）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。,（二）酶的合成与降解对酶量及其酶活性的调节,1通过诱导或阻遏酶蛋白基因的表达来调节酶蛋白含量,诱导：在刺激因素作用下，酶蛋白编码基因激活或表达增加，酶蛋白的生物合成增加，酶活性增加的现象。,阻遏：酶蛋白编码基因被关闭或表达减弱，酶蛋白的生物合成停止或减少，酶活性降低的现象。,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,2通过改变酶蛋白降解速度来调节细胞酶含量,通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。,（三）酶蛋白分布差异调节与同工酶调节,（1）酶的区域化分布 含义：酶蛋白在不同亚细胞器和不同脏器内分布呈现区域化 意义：提高同一代谢途径酶促反应速率。使各种代谢途径互不干 扰，彼此协调，有利于调节物对各途径的特异调节。,（2）同工酶调节 概念：催化相同化学反应但化学性质不同的一类酶 举例：己糖激酶（4种）I型：脑，Km值较低，有利于在葡萄糖浓度较低时利用葡萄糖；IV型：肝，Km值较大，降低血液中高浓度葡萄糖水平。LDH（5种）V型：骨骼肌，对丙酮酸亲和力高，有利于丙酮酸转变为乳酸；I型：心肌及肝脏，对乳酸亲和力高，有利于心肌利用乳酸氧化分解提供能量，或者有利于肝脏利用乳酸作为糖异生的原料,（四）酶蛋白特异性剪接调节,细胞内信号转导过程与物质代谢,第 二 节,对于多细胞生物来说，为了协调和配合各组织细胞之间的功能活动，需要对各组织细胞的物质代谢或生理活动进行调节。此外当外界环境变化时也需通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。细胞信息的传递是由许多不同的信息物质所组成的信息传递链来完成的。,信号分子通过与受体结合，激活特定的信号放大系统，将外界环境调节信息传导到细胞内，影响细胞的物质代谢、基因表达或细胞生物学功能，从而产生出适应环境变化的应答反应。细胞信号转导是指特定的化学信号在靶细胞内的传递过程。,（一）信号分子,信号分子是指由特定的信号源产生的，可以通过扩散或体液转运等方式进行传递，作用于特定靶细胞并产生特异应答的一类化学物质。,1、激素 由内分泌细胞分泌，借助血液循环运输至远处发挥作用 类固醇衍生物 氨基酸类衍生物 多肽和蛋白质 脂肪酸类衍生物,信号分子的种类与化学本质,2、神经递质 由神经突触释放，通过突触间隙作用于突触后的靶细胞有机胺类氨基酸类神经肽类,3、生长因子 由普通细胞分泌，作用于邻近靶细胞主要有 表皮生长因子（EGF）成纤维细胞生长因子（FGF）血小板衍生生长因子（PDGF）,4、细胞因子 由普通细胞分泌，主要介导和调节免疫功能常见的有白介素(IL)、干扰素(IFN)、集落刺激因子(CSF)、肿瘤坏死因子(TNF)等5、无机物 主要有无机离子和气体分子,信号分子的传递方式,1、内分泌信号传递（激素）2、旁分泌信号传递（绝大部分生长因子和细胞因 子、神经递质）3、自分泌信号传递（一些生长因子）,（二）受体,受体是指存在于靶细胞膜上或细胞内的一类特殊蛋白分子，能够识别与结合化学分子，并触发靶细胞产生特应的生理效应能与受体呈特异性结合的信号分子称为配体,内、外环境改变,激素作用机制,一、细胞内信号转导过程,（一）作用于细胞膜受体的激素等信号分子及其 细胞内信号转导过程,H：激素 R：受体 GP：G蛋白 AC：腺苷酸环化酶PDE：磷酸 二酯酶PKr:蛋白激酶调节亚单位 PKc:蛋白激酶催化亚单位,第一信使：细胞外传递特异信号的信号分子第二信使：细胞内传递特异信号的小分子物质,G蛋白即鸟苷酸结合蛋白，是一类位于细胞膜胞液面的外周蛋白，通常由、和三种亚基构成的异三聚体。其中，亚基可与GTP或GDP结合，并具有GTPase活性。,G蛋白存在有活性和无活性两种状态。当亚基与GDP结合，并构成异三聚体时呈无活性状态；当亚基与GTP结合，并与亚基分离时呈活性状态；当亚基将GTP水解为GDP后，即可再与亚基结合而失活。活化的亚基激活腺苷酸环化酶，使ATP转变为cAMP。,关于 G 蛋白的叙述不正确的是:A、G 蛋白可与 GDP 或 GTP 结合 B、G 蛋白由、三个亚基构成 C、激素-受体复合物能激活 G 蛋白 D、G 蛋白的三个亚基结合在一起时才有活性 E、G 蛋白具有 GTP 酶活性,答案：D,（二）作用 于细 胞内受体的激素及其细胞内信号转导过程,甲状腺素或类固醇激素,二、肾上腺素通过细胞内信号转导途径 对糖原代谢的调节,三、影响物质代谢的主要激素分子及其 整合调节,四、神经激素对物质代谢调节的整合,谢 谢！,cAMP,蛋白激酶A的激活机制（演示）,cAMP发挥作用的方式是：A、cAMP与蛋白激酶的活性中心结合 B、cAMP与蛋白激酶活性中心外必需基团结合 C、cAMP使蛋白激酶磷酸化 D、cAMP与蛋白激酶调节亚基结合 E、cAMP使蛋白激酶脱磷酸,答案：D,返回,