物质代谢的联系与调节-2012级-唐旭东.ppt

第九章 物质代谢的联系与调节 Metabolic Interrelationships and Regulation,生物化学与分子生物学教研室,唐旭东,第一节 物质代谢的特点,第二节 物质代谢的相互联系,第三节 某些组织、器官的代谢特点,第四节 代谢调节（重点）,（了解，自学）,第一节 物质代谢的特点,体内各种物质（糖、脂、蛋白质、水、无机盐和维生素等）的代谢构成一个统一的整体。,（一）整体性,彼此相互联系 彼此相互转化 彼此相互依存,（二）物质代谢与能量代谢相偶联,新陈代谢,同化作用,异化作用,物质合成,吸收能量,物质分解,释放能量,物质代谢,能量代谢,直线途径(如-氧化) 分支途径(如许多分支点:丙酮酸等) 循环途径(如TAC、鸟氨酸循环等),（三）代谢途径的多样性,幻灯片 7,丙酮酸,糖,草酰乙酸,乙酰CoA,糖,天冬氨酸,丙氨酸,乳酸,机体存在精细的调节机制，使各种物质代谢能适应内外环境的变化。 调节各种物质代谢的强度 调节各种物质代谢的方向 调节各种物质代谢的速度,（四）代谢调节,（五）物质代谢的组织特异性,不同的组织、器官,肝脏含糖、脂、蛋白质代谢的各种酶系，是物质代谢的总枢纽。,同一种代谢物共同参加到同一代谢池中代谢。 如：血糖代谢池、氨基酸代谢池等,（六）各种代谢物均具有共同的代谢池,（七）ATP是机体能量储存和利用的共同形式,生物合成、肌肉收缩、物质的主动转运等均需要消耗ATP,营养物分解,ADP+Pi,ATP,（八）NADPH为某些物质合成提供还原当量,脂酸、胆固醇等,磷酸戊糖途径,第二节 物质代谢的相互联系,Metabolic Interrelationships,一、在能量代谢上的相互联系,三大营养素可在体内氧化供能,从能量供应角度看，三大营养素可以相互代替，并相互制约。 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。,二、糖、脂和蛋白质代谢之间的相互联系 （一）糖代谢与脂代谢的相互联系,摄糖过多,脂肪酸,*糖可以转变为脂肪,*脂肪的甘油部分能在体内转变为糖， 但脂酸不能转变为糖,脂肪,脂肪酸 ,甘油,糖（少）,-磷酸甘油 （少）,乙酰CoA （多）,*糖代谢的正常进行是脂肪分解代谢顺利进行的前提,糖代谢 ,草酰乙酸 ,三羧酸循环,高血酮症,DM,糖可以转变为胆固醇，也能为磷脂合成提供原料。 胆固醇不能转变为糖，磷酸甘油磷脂中的甘油部分可以转变成糖。,（一）糖代谢与脂代谢的相互联系,除生酮aa（Leu和Lys）外，其余aa均可生成-酮酸，并循糖异生途径转变为糖。 生酮兼生糖氨基酸： 异亮、酪、苏、苯丙、色 糖代谢中间产物可氨基化转变为非必需aa（但不能转变成8种必需aa）。 食物中蛋白质能代替糖、脂供能，但食物中糖、脂不能代替蛋白质。,（二）糖代谢与氨基酸代谢的相互联系,所有aa均能分解生成乙酰CoA，用于脂 肪、胆固醇合成。 aa（如Ser）亦可作为磷脂合成原料。 仅脂肪动员的甘油可进入糖酵解途径并转变为非必需aa（但不能转变成8种必需aa）。 脂酸不能转变为任何氨基酸。,（三）脂类代谢与氨基酸代谢的相互联系,Gly、Asp、Gln及一碳单位是合成嘌呤的原料 Asp、Gln及一碳单位是合成嘧啶的原料,（四）核苷酸与氨基酸代谢的相互关系,脂肪,第三节 组织器官的代谢特点及联系,（了解，自学）,第四节 代谢调节（重点与难点）,代谢调节作用的三个水平：,细胞水平的代谢调节（酶活性和酶量，代谢物浓度，区室化）-本章重点,激素水平的代谢调节（内分泌细胞激素细胞内代谢）,整体水平的代谢调节（中枢神经神经递质效应器激素分泌细胞内代谢）,（一）细胞内酶的隔离分布（区室化）,胞液：糖酵解、糖原合成与分解、糖异生、磷酸戊糖途径、脂酸合成酶系,一、细胞水平的代谢调节,关键酶（调节酶、限速酶）的概念,一个代谢途径的速度和方向，常由一个或几个具有调节作用的关键酶的活性所决定。这些调节代谢的酶称调节酶（regulatory enzyme）或关键酶（key enzyme）或限速酶（rate-limting enzyme）,1. 所催化的反应速度最慢，故又称限速酶；,关键酶的特点:,2. 催化单向反应或非平衡反应，故能决定 整个代谢途径的方向； 3. 常处于代谢途径的起始部位或分支处；,4. 酶活性除受底物影响外，还受多种代 谢物或效应剂的调节。,糖原合成 糖原合酶 糖原分解 磷酸化酶 糖酵解 己糖激酶， PFK-1， 丙酮酸激酶 糖有氧氧化 丙酮酸脱氢酶系，柠檬酸合酶， 异柠檬酸脱氢酶,酮戊二酸脱氢酶系 糖异生 丙酮酸羧化酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧激 酶,果糖1,6-二磷酸酶,葡萄糖-6-磷酸酶 脂酸合成 乙酰CoA羧化酶 胆固醇合成 HMGCoA还原酶,某些重要代谢途径的关键酶,代谢途径 关键酶,变构调节,共价(化学) 修饰调节,代谢调节主要通过对关键酶活性的调节实现,快速调节 (数秒数分),迟缓调节 (数小时数天),酶的代谢调节,酶量的调节,酶蛋白的合成,酶蛋白的降解,酶活性调节,(二) 关键酶的变构调节,1. 变构调节的概念（allosteric regulation）,小分子化合物与酶蛋白分子活性中心以外的部位非共价结合，使酶蛋白构象发生变化，从而增强或减弱酶的活性。这种调节方式称,变构部位(别构部位) allosteric site 与变构效应剂结合的部位,变构酶(别构酶) allosteric enzyme 被变构调节的酶,变构效应剂 allosteric effector 使酶发生变构效应的物质,2. 变构调节的机制,变构酶 (寡聚酶),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,变构效应剂的种类：,底物、代谢终产物、代谢中间产物、其他小分子代谢物,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,变构效应,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。,乙酰CoA,变构调节使能量得以有效贮存,G-6-P,+,糖原磷酸化酶,抑制糖原分解,糖原合酶,促进糖原合成,促进糖的储存,变构调节维持代谢物的动态平衡,ATP,（）,6-磷酸果糖激酶-1,丙酮酸羧化酶 果糖-1,6-二磷酸酶-1,（+）,血糖浓度恒定,变构调节使不同的代谢途径相互协调,柠檬酸,+,6-磷酸果糖激酶-1,抑制糖的氧化,乙酰辅酶A 羧化酶,促进脂酸的合成,血糖升高,糖酵解 己糖激酶 AMP,ADP,FDP,Pi G-6-P, ATP PFK-1 2,6-二磷酸果糖 柠檬酸 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,ATP 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,UMP 核酸合成 脱氧胸苷激酶 dCTP,dATP dTTP,一些代谢途径中的变构酶及其变构剂(11-4),代谢途径 变构酶 变构激活剂 变构抑制剂,（三）酶的化学修饰调节,概念 酶蛋白分子上的某些氨基酸残基上的功能基团在不同酶催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性变化的一种调节称为酶的化学修饰调节 （chemical modification regulation ） 或共价修饰调节 （covalent modification regulation）,属快速调节，包括:,磷酸化/脱（去）磷酸化(最常见) 乙酰化/脱乙酰化 甲基化/去甲基化 腺苷化与脱腺苷 SH/-S-S-,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶蛋白,酶蛋白,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,University of Washington，Seattle, WA, USA,糖原磷酸化酶 糖原合酶 磷酸化酶b激酶 磷酸果糖激酶-2 果糖双磷酸酶-2 丙酮酸脱氢酶复合体 HMGCoA还原酶激酶 HMGCoA还原酶 激素敏感性脂肪酶 乙酰CoA羧化酶,激活（磷酸化）/抑制（脱磷酸） 抑制（磷酸化）/激活（脱磷酸）,表9-5 酶促化学修饰对酶活性的调节,2. 酶促化学修饰的特点,(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)细胞内同一关键酶同受化学修饰与变构调节的双重调节，两种调节方式相辅相成。（完善）,（四）酶量的调节,概念：在不同环境因素和生理状况下，某些酶的合成或降解速率发生适应性变化，引起细胞内酶量发生相应增减，籍此调节体内的物质代谢。,特点：所需时间较长，消耗ATP较多，属迟缓调节。,1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏,酶的底物、激素或药物可作为酶的诱导剂，代谢产物可作为酶的阻遏剂。,诱导剂(inducer) 加速酶蛋白合成的化合物,阻遏剂(repressor) 减少酶蛋白合成的化合物,1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏,（1）底物对酶合成的诱导,例：酪蛋白（饲料）,+,精氨酸酶量（鼠肝）,+,尿素的生成,（2）产物对酶合成的阻遏,例：胆固醇 ,HMG-CoA还原酶量（肝）,（3）激素对酶合成的诱导,糖皮质激素,糖异生4种限速酶量,（4）药物对酶合成的诱导,苯巴比妥,葡萄糖醛酸基转移酶（肝微粒体）,1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏,2. 酶蛋白的降解,血游离胆红素,新生儿黄疸的治疗,二、激素水平的调节,信号传导章专门讲,（一）饥饿,代谢变化的基本规律：,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也明显；,氮平衡转向负氮平衡。,三、整体调节,糖原消耗,引起一系列的代谢变化,1. 短期饥饿,短期饥饿的代谢变化,蛋白质分解增强，氨基酸释放增多 糖异生作用增强 脂肪动员增强，酮体生成增多 组织氧化葡萄糖减弱 “三增强一减弱”,2. 长期饥饿,组织蛋白质分解减少，负氮平衡有所改善。 肾皮质的糖异生作用明显增强 ： 糖异生原料主要是乳酸和丙酮酸 脂肪动员进一步增强，酮体进一步增多。 心、肌、肾皮质以直接氧化脂酸为主，节省酮体以供脑组织利用。,（二）应 激(Stress),概念,应激（stress）是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的“应激状态”。,2. 机体整体反应,交感神经兴奋 肾