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