生命的主要特色-代谢网络.ppt

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1、清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,909,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,910,什么是网络(network)?指把所有相关的事物连接起来形成的一个巨大的系统,常作为一个整体看待的、由相互连接的元件所构成的集。,概 述,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,911,近十几年来的网络化时代都带来了什么变化？（网络电视、网络游戏、网络营销）联系密切（世界范围）；资源共享（世界范围）；集团优势的充分体现几亿年前生物小小的细胞内就已经进化出了网络化行为代谢网络。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,912,什么是代谢网络(metabolic network)

2、?由生物体内所有的代谢反应或途径，以及相关的调节过程所构成的复杂网络系统。通过代谢途径交叉点上的关键中间产物实现各代谢途径间的联系与转化。,目 录,By B.Alberts,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,914,代谢网络有什么益处？,资源共享途径。在满足需要的前提下，互通有无，最大限度的减少酶、代谢途径及中间产物的数量。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,915,11.1 代谢网络的特点11.2 细胞水平的代谢网络11.3 器官水平的代谢网络11.4 整体水平的代谢网络11.5 代谢组学与相关组学,本章主要内容：,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,

3、916,11.1 代谢网络的特点,复杂代谢网络的特点是大量的要素和许多规章制度的循环。代谢网络具有整体性。代谢网络具有复杂性。代谢网络具有可调性。代谢网络具有特异性。代谢网络具有无尺度性。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,917,(1)组成和结构的整体性。(2)代谢活动和调节的整体性。(3)代谢物来源的整体性。,11.1.1 代谢网络具有整体性,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,918,(1)组成和结构的整体性 网络的节点代谢物 各节点间的连接酶促反应、调节 反应和物质转运反应,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,919,(2)代谢活动和调节的整体性

4、食物中的混合营养成分经消化吸收到体内后的代谢是同时进行的，且各种物质代谢之间和各条代谢途径之间彼此互相联系，或相互转变，或相互依存，或相互制约，从而构成统一的整体。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,920,(3)代谢物来源的整体性 体内各种代谢物无论是从外界摄入的还是体内产生的，均混合在一起构成各自的代谢池，分布于全身各处进行代谢。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,921,(1)网络结构的复杂性。(2)功能属性的复杂性。,11.1.2 代谢网络具有复杂性,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,922,(1)网络结构的复杂性 代谢网络由若干不同的代谢途径

5、所构成。包括直线途径、分支途径、循环途径、反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢网络的结构具有复杂性。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,923,糖原,食物糖,葡糖-6-磷酸,酵解 中间物,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰CoA,CO2,乳酸,CO2,脂肪酸,食物脂肪,甘油,储存脂肪,NADPH2,甘油,氨基酸,NH3,CO2,ATP,尿素,组织蛋白质,食物蛋白质,三羧酸循环乙醛酸循环,磷酸戊糖途径,NADPH2,呼吸链,磷酸戊糖,ATP,ADP,ATP,甲酸CO2NH3,核酸,H2O,生糖,NADPH2,氨基酸,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,924,(2)功能属性

6、的复杂性 物质代谢与能量代谢相偶联 合成代谢与分解代谢相偶联 代谢反应与调节反应相偶联 不同物质代谢途径之间相偶联 使代谢网络表现出不同于单一代谢途径的新的功能属性。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,925,自适应(self-adaption）代谢网络可根据内外环境因素的改变，“自动地”对代谢过程进行相应的调节、处理和整合，以适应环境的变化，这一功能属性称为自适应。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,926,由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组成的一套调控系统，对代谢网络进行精细、完善而又复杂的调控。,11.1.3 代谢网络具有可调性,目 录,清华版教材医学生物化

7、学与分子生物学课件,927,(1)组织细胞特异性。(2)发育阶段特异性。,11.1.4 代谢网络具有特异性,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,928,无尺度性(free scale)指在代谢网络中，个别代谢物比其他代谢物参与了更多的化学反应，它们在网络中处于更为重要的地位。如ATP、NAD+、NADPH、乙酰CoA、6-磷酸葡萄糖等。,11.1.5 代谢网络具有无尺度性,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,929,(1)ATP是生物体能量储存与利用的共同形式；(2)NAD+是大部分不需氧脱氢反应共同的受氢体；(3)NADPH为大多数代谢物的合成提供还原力；(4)乙酰C

8、oA是糖、脂、蛋白质三大物质代谢共同的枢纽点；(5)6-磷酸葡萄糖是各条糖代谢途径的中间转换点。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,930,1.细胞水平代谢网络与物质互变。2.细胞水平代谢网络与能量代谢。3.细胞水平代谢网络的调节。,11.2 细胞水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,931,细胞水平的代谢网络：由细胞内所有的代谢物及其相关的代谢反应和代谢途径、调节反应和物质转运反应所构成。通过细胞水平的代谢网络，糖、脂肪、氨基酸和核苷酸四大类物质之间可以在一定程度上实现相互转变。,11.2.1 细胞水平代谢网络与物质互变,目 录,糖、脂类、蛋白质、核酸

9、代谢之间的联系,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,933,(1)糖代谢与脂类代谢的相互联系,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,934,(2)糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,935,(3)脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系,氨基酸,脂肪,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,936,(1)糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘油和丙酰CoA部分可以转变成糖；(2)糖能转变成非必需氨基酸，但大多数氨基酸可以转变成糖；(3)脂类仅甘油部分可以转变成氨基酸，但氨基酸可以转变成脂类；(4)氨基酸和糖均可以转变成核苷酸，但脂类仅甘油部

10、份可以转变成核苷酸。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,937,糖原,三酰甘油,蛋白质,乙酰CoA,TAC,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,11.2.2 细胞水平代谢网络与能量代谢,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,938,糖机体的“燃烧材料”。脂肪机体的“储能材料”。蛋白质机体的“建筑材料”。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,939,代谢调节机制：细胞水平代谢网络调节 器官水平代谢网络调节 整体水平代谢网络调节 统称为三级水平代谢网络调节。,11.2.3 细胞水平代谢网络的调节,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,9

11、40,细胞水平代谢网络调节机制：(1)代谢区室的调节(2)变构调节(3)共价修饰调节(4)酶含量调节,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,941,(1)细胞内酶体系的代谢区室调节：代谢区室(metabolon)：细胞内每条代谢途径的酶体系在细胞内都有一定区域或亚细胞分布。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,942,细胞有精细的亚细胞结构。,细胞内不同区域代谢物的浓度不一致。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,943,目 录,表11-1 细胞水平代谢网络中不同酶体系的代谢区室,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,945,细胞内代谢区室隔离的意义

12、：可避免代谢途径之间相互干扰。有利于不同调节因素对不同代谢途径的特异调节。区域分布使代谢物浓度对代谢速度产生重要影响。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,946,(2)关键酶的变构调节：最原始和最基本的细胞水平代谢网络调节方式。,目 录,表11-2 细胞水平代谢网络中常见关键酶的变构调节,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,948,通过对关键酶的变构调节：避免原材料的不必要浪费；有效储存所需能量；维持代谢物的动态平衡；使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,949,(3)酶的共价修饰调节：通常与细胞外的调节因素相偶联。即将细

13、胞水平代谢网络的调节与器官水平及整体水平的代谢网络调节偶联起来，最终实现生物体的整体调节以适应内外环境的变化。,目 录,-O-PO32-,酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰,目 录,激素,激素受体,ATP,cAMP+PPi,酶D(无活性）,酶D(活性极大）,代谢反应,10,100,1000,104,1（浓度）,目 录,表11-3 细胞水平代谢网络中常见关键酶的共价修饰调节,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,953,(4)酶含量调节：主要涉及酶蛋白合成的诱导与阻遏。,目 录,表11-4 细胞水平代谢网络中酶含量的调节,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,955,指利用体液(主要是血液

14、)的物质转运过程相互偶联，并通过体液因素(主要是激素)进行调节，在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。器官水平代谢网络实现的作用：(1)维持生物体内葡萄糖代谢的平衡，以便为脑和红细胞提供稳定的葡萄糖供应。(2)使能源物质在充足时能够被储存；而在短缺或需求过多时能够被有效地动员或补充。,11.3 器官水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,956,器官水平代谢网络：(1)不同组织器官中物质代谢的特点。(2)饥饿状态时器官水平的代谢网络。(3)饱食状态时器官水平的代谢网络。(4)适度运动时器官水平的代谢网络。(5)器官水平代谢网络的调节。,目 录,11.3.1 不同组织器

15、官中物质代谢的特点,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,958,(1)短期饥饿状态：禁食过夜期间。(2)长期饥饿状态：饥饿持续数周。,11.3.2 饥饿状态时器官水平的代谢网络,目 录,(1)短期饥饿状态：,目 录,(1)长期饥饿状态：,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,961,11.3.3 饱食状态时器官水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,962,11.3.4 适度运动时器官水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,963,调节器官水平代谢网络的主要因素激素。(1)作用于膜受体的激素调节。(2)作用于胞内受体的激素调节。,1

16、1.3.5 器官水平代谢网络的调节,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,964,(1)作用于膜受体的激素调节：作用规律是：激素+相应的膜受体激素-受体复合物影响存在于膜内侧的信号转导蛋白或酶的催化活性改变胞内第二信使的浓度调节某种蛋白激酶的活性最终产生一系列的代谢及生理效应。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,965,(2)作用于胞内受体的激素调节：可透过细胞膜进入胞内与胞液中的特异受体结合形成激素-受体复合物然后再进入核内。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,966,激素直接进入细胞核激素-受体复合物二聚化与DNA分子上的激素反应元件结合促进(或抑制)

17、相应结构基因的表达以调节细胞内蛋白质或酶的含量从而实现激素对物质代谢的调节。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,967,指由神经系统、内分泌系统和全身各器官、组织和细胞参与构成的物质代谢网络。(1)应激状态时整体水平的代谢网络；(2)肥胖时整体水平的代谢网络。,11.4 整体水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,968,应激(stress)状态指在一些异乎寻常的刺激(如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染以及剧烈情绪激动等)作用于机体后所作出的一系列反应。,11.4.1 应激状态时整体水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,969,

18、应激状态时，交感神经兴奋引起肾上腺髓质和皮质激素分泌增多：肾上腺素、去甲肾上腺素及胰高血糖素肝糖原分解，糖原合成 肾上腺皮质激素和胰高血糖素糖异生 胰岛素水平 组织细胞摄取和利用葡萄糖减少，脂肪动员 结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,970,肥胖(obesity)是体内脂肪组织积累过多引起的一种疾病。,11.4.2 肥胖时整体水平的代谢网络,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,971,调节食欲和进食行为的激素：短期调节激素 生长激素释放肽：有刺激食欲的作用。胆囊收缩素：引起厌食和饱胀感而抑制进食。长期调节激素 胰岛素和瘦

19、蛋白：都有抑制进食并促进热量 消耗的作用。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,972,概念：代谢组学、代谢物组、代谢物组学。代谢组学(metabonomics)指通过定量检测生物体在病理生理刺激或遗传变异情况下，动态的、多参数的代谢应答改变，获得生物体特定的代谢模式(metabolic profile)，从而实现对基因表达、物质代谢及代谢调节过程进行整体分析和理解的一门学科。,11.5 代谢组学及相关组学,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,973,代谢物组(metabolome)指存在于细胞、组织、器官或生物体中所有小分子代谢物(metabolite)，其分子质量通

20、常小于1 kD。代谢物组学(metabolomics)指通过对生物样本中所有的小分子代谢物进行分析鉴定，以理解和描述复杂生物样本的一门学科。,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,974,意义：通过代谢组学分析获得的代谢物谱，更能迅速并准确地反映机体生命活动的变化，是判断细胞、组织器官或生物体的基因表达调控、物质代谢调节及病理生理效应的有效指标之一，也是分析和理解生物体代谢网络组成结构与生理功能的重要途径。,11.5.1 代谢组学研究的意义,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,975,样本中代谢物的分离：气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)和毛细管电泳法。样本中代谢物的检测：质谱法(MS)、核磁共振法(NMR)。数据的统计学处理：主成分分析法(PCA)和偏最小二乘回归法(PLSR)。,11.5.2 代谢组学的研究方法,目 录,清华版教材医学生物化学与分子生物学课件,976,(1)疾病诊断。(2)新药开发和药理毒理学研究。(3)功能基因组学研究。(4)营养基因组学研究。,11.5.3 代谢组学的应用,目 录,