物质代谢相互关系及调节

1、物质代谢相互关系及调节 所有的生物细胞都是由糖类、脂类、所有的生物细胞都是由糖类、脂类、蛋白质和核酸四类生物大分子以及一些小蛋白质和核酸四类生物大分子以及一些小分子、无机盐和水所组成。在动物体的这分子、无机盐和水所组成。在动物体的这些物质的代谢与能量转换、信息传递相伴些物质的代谢与能量转换、信息传递相伴随，构成了一个完整的化学过程，并且存随，构成了一个完整的化学过程，并且存在复杂的调节机制。糖、脂和蛋白质之间在复杂的调节机制。糖、脂和蛋白质之间代谢活动的相互关系和相互影响是物质代代谢活动的相互关系和相互影响是物质代谢调节的基础。谢调节的基础。基本要略：基本要略： 产生通用能量货币产生通用能量货

2、币ATP 产生还原力产生还原力NADPH 产生生物合成的前体分子产生生物合成的前体分子第一节第一节酶的区室化酶活性的调节酶含量控制l酶的区室化导致许多代谢反应，尤酶的区室化导致许多代谢反应，尤其是合成途径与分解途径常常彼此其是合成途径与分解途径常常彼此分开，相对独立地进行。分开，相对独立地进行。l细胞内进行的错综复杂的代谢过程及生细胞内进行的错综复杂的代谢过程及生理变化，主要是通过酶的调节来实现的。理变化，主要是通过酶的调节来实现的。l实际上，激素的调控作用也是通过对酶实际上，激素的调控作用也是通过对酶的影响（酶的产生和酶的活性）而实现的影响（酶的产生和酶的活性）而实现的。的。l酶除了具有催化

3、功能外，还具有调节和酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类生物化学反应速度、方向和途控制各类生物化学反应速度、方向和途径的功能。径的功能。l酶水平的调节作用主要有两种方式：一酶水平的调节作用主要有两种方式：一是通过激活或抑制酶的活性；二是通过是通过激活或抑制酶的活性；二是通过影响酶的合成或降解速度，即改变细胞影响酶的合成或降解速度，即改变细胞内酶的含量。这种酶水平的调节作用是内酶的含量。这种酶水平的调节作用是生物调控最重要的形式。生物调控最重要的形式。l有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即化部位）外，还存在

4、一个特殊的调控部位，即变构中心。变构中心。l变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但它可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共它可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激价结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用。这类酶通常称为变构酶，由活或抑制的作用。这类酶通常称为变构酶，由于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。的现象则称为变构调节作用。（1 1）变构酶和变构调节作用）变构酶和变构调节作用l目前已知的变构酶均为寡聚酶，含两个或两个目前已知的

5、变构酶均为寡聚酶，含两个或两个以上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂以上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂的空间结构。的空间结构。l大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，由变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的竞由变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系。争性或非竞争性抑制作用的数量关系。l激活变构剂：变构剂与酶分子结合后，酶的构激活变构剂：变构剂与酶分子结合后，酶的构象发生了变化，这种新的构象有利于底物分子象发生了变化，这种新的构象有利于底物分子与酶的结合，使酶促反应速度提高。与酶的结合，使酶促反应速度提高。l抑制变构

6、剂：变构剂与酶分子结合所引起的酶抑制变构剂：变构剂与酶分子结合所引起的酶的构象变化不利于与底物的结合，表现出一定的构象变化不利于与底物的结合，表现出一定程度的抑制作用。程度的抑制作用。l实验发现，在变构酶中起催化作用，称为催化实验发现，在变构酶中起催化作用，称为催化亚基；与变构剂结合的对反应起调节作用，称亚基；与变构剂结合的对反应起调节作用，称为调节亚基。为调节亚基。举例：举例：ATCaseATCase的反馈抑制调节嘧啶的合成的反馈抑制调节嘧啶的合成 天冬氨酸转氨甲酰酶（ ATCaseATCase）催化氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成N-氨甲酰天冬氨酸的反应，这个反应是嘧啶生物合成的第一步。氨甲酰磷酸

7、氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸三磷酸三磷酸 胞苷胞苷氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸 的亚基组成为的亚基组成为C C6 6R R6 6，C C和和R R分别代表其催化亚分别代表其催化亚基和调节亚基。据基和调节亚基。据射线结构表明，射线结构表明，ATCaseATCase的的催化亚基排成两组三聚体（催化亚基排成两组三聚体（C C3 3），与三组调节），与三组调节亚基二聚体（亚基二聚体（ R R2 2）组成复合物。）组成复合物。 两个具有催化活性的三聚体可与底物结合，两个具有催化活性的三聚体可与底物结合，但不能结合但不能结合CTPCTP；三个具有调节活性的二聚体，；三个具有调节活性的二聚体，无催化活性，但能

8、和无催化活性，但能和ATPATP或或CTPCTP结合。结合。的的ATCase的亚基排列的亚基排列ATCase半分子半分子（C3R3)的结构的结构ATCase是一个典型的是一个典型的变构酶。动力学研究表变构酶。动力学研究表明，在氨甲酰磷酸饱和明，在氨甲酰磷酸饱和浓度下，浓度下， ATCase初始初始速度对天冬氨酸作图，速度对天冬氨酸作图，对照（不加对照（不加CTP和和ATP）中表现出典型的中表现出典型的S形曲形曲线。加入线。加入ATP时，时， S形形曲线性质减弱，加入曲线性质减弱，加入CTP时，时， S形曲线变得形曲线变得更加更加S形。形。l激活剂激活剂ATPATP优先结合到优先结合到ATCas

9、eATCase的活化态的活化态（R R态），而抑制剂态），而抑制剂CTPCTP优先结合到酶的优先结合到酶的非活化态（非活化态（T T态），不反应的双底物类似态），不反应的双底物类似物物N-N-磷酸乙酰磷酸乙酰-L-L-天冬氨酸（天冬氨酸（PALAPALA）紧紧）紧紧结合于结合于R R态的态的ATCaseATCase，但不与，但不与T T态态ATCaseATCase结合。在结合。在T T态态 R R态转变中，其构象发态转变中，其构象发生变化。生变化。 ATCase催化链的别构过渡作用催化链的别构过渡作用l某些酶分子上的基团可以在另一种酶催化下发生共价某些酶分子上的基团可以在另一种酶催化下发生共价

10、修饰作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），从而引起修饰作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），从而引起酶活性的激活或抑制。这种作用称为共价修饰作用。酶活性的激活或抑制。这种作用称为共价修饰作用。这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：l（1 1）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。并且都将引起酶活性的变化

11、。l（2 2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解所以具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约号被逐级放大了约300300万倍万倍。l磷酸化酶磷酸化酶 b b。该酶本身无活性。该酶本身无活性, , 当磷酸化酶当磷酸化酶 b b 活性中活性中心的丝氨酸残基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶心的丝氨酸残基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶 a a。l由磷酸化酶由磷酸化酶 b b 转化为活化形式转化为

12、活化形式 a a 的反应的反应, , 被磷酸化被磷酸化酶激酶所催化酶激酶所催化, , 而磷酸化酶而磷酸化酶 a a 去活化（去磷酸化）则去活化（去磷酸化）则由另一种磷酸酶所催化。由另一种磷酸酶所催化。OHOHOHOHOPOPOPOP4ATP4ADP4H2O4Pil酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身活动需要，严格控制细胞速度。细胞根据自身活动需要，严格控制细胞内各种酶的合理含量，从而对各种生物化学过内各种酶的合理含量，从而对各种生物化学过程进行调控。程进行调控。l酶含量调节的化学本质是基因表达的调节。在酶含量调节的化学本质是基因表达

13、的调节。在细胞内，所合成的酶的种类及数量是由特殊的细胞内，所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的。基因信息决定的。DNADNA所携带的酶蛋白遗传信所携带的酶蛋白遗传信息，需要通过转录和翻译而合成酶蛋白。在细息，需要通过转录和翻译而合成酶蛋白。在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的调节控胞内进行的转录或翻译过程都有特定的调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。因此，制机制，其中转录的调控占主导地位。因此，基因表达的调控主要在转录水平上进行基因表达的调控主要在转录水平上进行 l大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以代谢乳糖的酶。不含任何

14、可以代谢乳糖的酶。l但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶，使之能几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。利用这种营养物质。l在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶：导产生的与乳糖水解相关的三种酶： - -半乳糖半乳糖苷酶，苷酶， - -半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和 - -半乳糖苷转乙酰半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。酶，被称为诱导酶。l这三个酶蛋白是大肠杆菌这三个酶蛋白是大肠杆菌DNADNA上的三个结构基上的三个结构基因经过转

15、录和翻译而合成的。因经过转录和翻译而合成的。1.1.主要物质代谢途径的相互关系主要物质代谢途径的相互关系糖代谢与蛋白质代谢的关系糖代谢与蛋白质代谢的关系糖代谢与脂类代谢的关系糖代谢与脂类代谢的关系脂类代谢与蛋白质代谢的关系脂类代谢与蛋白质代谢的关系核酸代谢与糖、脂类和蛋白质的关系核酸代谢与糖、脂类和蛋白质的关系丙二酸单酰CoA-氧化脂肪酸甘油脂肪 乙酰CoA柠檬酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA-酮戊二酸TCA葡萄糖G-6-P糖原G-1-P3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 1,3-二磷酸甘油酸 PEP 丙酮酸糖酵解CO2H2O脂肪酸甘油脂肪脂肪氧化分解脂肪氧化分解糖转化为脂肪糖转化为脂肪乙酰CoA脂肪酸

16、脂肪甘油线粒体脂肪转化为糖的过程细胞质磷酸二羟丙酮 葡萄糖柠檬酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA-酮戊二酸丙酮酸乙酰CoA氨基酸转化为糖或脂氨基酸转化为糖或脂天冬氨酸天冬酰胺苯丙氨酸酪氨酸异亮氨酸蛋氨酸缬氨酸苏氨酸谷氨酸精氨酸组氨酸脯氨酸谷氨酰胺脂肪酸柠檬酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA-酮戊二酸苯丙氨酸酪氨酸赖氨酸亮氨酸色氨酸乙酰CoA乙酰乙酰CoA糖异生葡萄糖丙氨酸甘氨酸丝氨酸色氨酸半胱氨酸丙酮酸糖转化为氨基酸3-磷酸甘油酸葡萄糖PEP丙酮酸磷酸戊糖途径色氨酸酪氨酸苯丙氨酸5-磷酸核糖组氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酰胺丝氨酸甘氨酸半胱氨酸天冬氨酸天冬酰胺赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸缬氨酸亮氨酸丙氨酸

17、糖酵解-酮戊二酸草酰乙酸三羧酸循环4-磷酸赤藓糖莽草酸脂肪酸甘油磷酸二羟丙酮乙酰CoA三羧酸循环氨基酸丙酮酸生酮氨基酸脂肪酸脂肪与蛋白质的互变脂肪与蛋白质的互变核酸甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺核苷酸核苷酸ATPGTPCTPUTP双糖或多糖葡萄糖葡萄糖磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径磷酸核糖ADPGGDPGUDPG能量供体蛋白质合成磷脂代谢辅助因子信号分子糖与核酸的互变葡萄糖-6-磷酸丙酮酸和 乙酰CoA 1.1.糖代谢的调节糖代谢的调节 葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖丙酮酸丙酮酸脱氢酶系乙酰CoA TCA循环异柠檬酸脱氢酶柠檬酸合成酶-酮戊二酸脱氢酶系糖原己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶酶糖原合成酶磷酸化酶2，6-二磷酸果糖是一个极有力的PFK的变构活化剂和FBP酶的变构抑制剂。 2，6-二磷酸果糖的调节果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸PFKFBPase高血糖PFK-2增加F2，6P激活激活 丙酮酸脱氢酶系的调节丙酮酸脱氢酶系的调控主要从三方面进行： 1）产物抑制（乙酰CoA和NADH的反馈抑制） 2）核苷酸反馈控制（GTP抑制，AMP激活） 3）磷酸化作用控制（酶磷酸化而失去功能）CO2+H2O脂肪酸 糖原合成与分解的调节糖原磷酸化酶活性的调节质膜1受体糖原G-1-P蛋白激酶（有)（无）肾上腺素（有）PPPP2ba糖原磷酸化酶ATPADPP