物质代谢的相互联系和调节控制

1、第十二章 物质代谢的相互联系和调节控制,一、物质代谢的相互联系,二、代谢的调节,一、物质代谢的相互联系,（一）糖代谢与脂类代谢的相互关系,糖可以在生物体内变成脂肪。,脂肪不能大量转变为糖，除了油料作物种子。,糖,乙酰CoA，NADPH,脂肪酸,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,脂肪,有氧氧化,酵解,从头合成,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,糖代谢,脂肪酸,乙酰CoA,琥珀酸,糖,(植物),乙醛酸循环,-氧化,糖异生,糖代谢与脂类代谢的相互关系,脂肪代谢和糖代谢的相互关系,延胡索酸,琥珀酸,苹果酸,草酰乙酸,3-磷酸甘油,乙醛酸循环,甘油,乙酰 CoA,三酰甘油,脂肪酸,氧化,糖原（或淀粉）,1，6-二磷酸果

2、糖,磷酸二羟丙酮,磷酸烯醇丙酮酸,丙酮酸,合成,植物或微生物,（二）糖代谢与蛋白质代谢的相互关系,糖可以转变为非必需氨基酸。,蛋白质可以转变为糖。,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖 -酮酸 氨基酸 蛋白质,NH3,蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖,（生糖氨基酸）,（三）脂类代谢与蛋白质代谢的相互关系,由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，实际上仅限于Glu。,蛋白质间接地转变为脂肪。,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,脂肪酸,乙酰CoA,氨基酸碳架,氨基酸,蛋白质,蛋白质,氨基酸,酮酸或乙酰CoA,脂肪酸,脂肪,（生酮氨基酸）,（四）核酸与其他物质代谢的相互关系,蛋白质代谢为嘌呤

3、和嘧啶的合成提供许多原料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的来源。,许多核苷酸在代谢中起着重要的作用。核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型。,核酸及其衍生物和多种物质代谢有关。但脂类代谢除供应CO2外，和核酸代谢并无明显的关系。, 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型。,核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的相互联系,核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA, NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。, 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。, 各类物质代谢都离不开具高能磷酸键

4、的各种核苷酸，如ATP是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。,糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系,PEP,丙酮酸,生酮氨基酸,-酮戊二酸,核糖-5-磷酸,甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨,氨基酸,6-磷酸葡萄糖,磷酸二羟丙酮,乙酰CoA,甘油,脂肪酸,胆固醇,乙酰乙酰CoA,脂肪,核苷酸,天冬氨酸天冬酰氨,琥珀酰CoA,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,乙醛酸,蛋白质,淀粉、糖原,核酸,生糖氨基酸,谷氨酰氨,组氨酸脯氨酸精氨酸,谷氨酸,延胡索酸,琥珀酸,丙二单酰CoA,1-磷酸葡萄糖,（五）代谢的基本要略,代谢的基本要略在于形成ATP、还原

5、力和构造单元以用于生物合成。 由ATP、还原力和构造单元可合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流、能量流和信息流来支持。,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,NADPH,生物系统中的能流,(一)代谢调节的概念

6、 (二)酶水平的调节 (三)细胞膜结构对代谢的调节和控制作用 (四)激素调节和跨膜信号转导 (五)神经的调节,二、代 谢 调 节,(一)代谢调节的概念,生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。,代谢调节的四级水平： 酶水平调节 细胞水平调节 激素水平调节 神经水平调节,多细胞整体水平调节,1、酶活性的调节 1）酶的别构效应 酶活性的前馈和

7、反馈调节 2）产能反应与需能反应的调节 3）酶的共价修饰与级联放大机制 2、基因表达的调节 1）原核生物基因表达调节 2）真核生物基因表达调节,(二)酶水平的调节,许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的活性和浓度来调节。 酶活性调节是快速调节，在几分钟到几十分钟内完成。 通过控制酶浓度的调节要牵涉到基因、mRNA、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。,酶浓度的调节：,酶浓度的调节,诱导,阻遏,终产物的阻遏,分解代谢产物阻遏,诱导作用（induction）：,指用诱导物（inducer）来促进酶的合成，这种作

8、用称诱导作用。,阻遏作用（repression）：,指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏作用。,1、酶活性的调节 1）酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节,酶活性的前馈和反馈调节,前馈（feedforward）和反馈（feedback）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的别构效应来实现的。,S0,Sn,S2,S1,E0,E1,En-1,或,+,或,+,反馈,前馈,反馈调节中酶活性调节的机制,代谢物,

9、6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用,G,UDPG,6-P-G,+,1-P-G,糖原,糖原 合成酶,ATP ADP,UTP UDPG,葡萄糖,丙酮酸,羧化酶,乙酰CoA,磷酸烯醇式丙酮酸,1，6-二磷酸果糖,草酰乙酸,-酮戊二酸,拧檬酸,天冬氨酸,氨基酸,蛋白质,嘧啶核苷酸,核酸,氨甲酰天冬氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制,氨基酸合成的反馈调控,反硝化作用,氧化亚氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脱氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤藓糖-4-磷酸,脱氢奎尼酸,莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸,+,预苯酸,Try,Phe,Trp,Ile,Trp,His,CTP,AMP,Gln,Ly

10、s,Met,Thr,酮丁酸,Gly,Ala,谷氨酰胺合酶,天冬氨酰半醛,高丝氨酸,氨基苯甲酸,2）产能反应与需能反应的调节,细胞能量状态指标,糖酵解与三羧酸循环途径的调节,丙酮酸,G,细胞液,柠檬酸,乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,线粒体,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,PEP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,NADH,O2,ATP ADP+Pi,AMP + ATP 2ADP,Pi,Pi,PEP 羧激酶,己糖激酶,丙酮酸 脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸 脱氢酶,3）酶的共价修饰与级联放大机制,酶分子中的某些基团，在其它酶的催化

11、下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（Covalent moldification ）。目前已知有7种修饰方式：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，ADP-核糖基化，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/还原(2SH)。,磷酸化酶 b,（无活性）,磷酸化酶a,（有活性）,例：糖原磷酸化酶的共价修饰,共价修饰,酶级联系统调控示意图,意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。

12、,肾上腺素或胰高血糖素,1、腺苷酸环化酶（无活性）,腺苷酸环化酶（活性）,2、ATP,cAMP,R、cAMP,3、蛋白激酶（无活性）,蛋白激酶（活性）,4、磷酸化酶激酶（无活性）,磷酸化酶激酶（活性）,5、磷酸化酶 b（无活性）,磷酸化酶 a（活性）,6、糖原,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,葡萄糖,血液,肾上腺素或胰高血糖素,1,3,2,102,104,106,108,葡萄糖,4,5,6,cAMP激活蛋白 激酶的作用机理,糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控,糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修

13、饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。,糖原合成酶 a ( 有活性),糖原磷酸化酶 b ( 无活性),OH,OH,糖原合成酶 b ( 无活性),糖原磷酸化酶 a ( 有活性),2、基因表达的调节 1）原核生物基因表达调节,酶浓度的调节,诱导,阻遏,终产物的阻遏,分解代谢产物阻遏,诱导作用（induction）：,指用诱导物（inducer）来促进酶的合成，这种作用称诱导作用。,阻遏作用（repression）：,指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏作用。, 酶诱导和阻遏的操纵子模型 合成途径操纵子的衰减子作用,原核生物酶合成调节

14、的遗传机制 操纵子学说,酶的诱导和阻遏操纵子模型,B.有活性阻遏蛋白加诱导剂,A.有活性阻遏蛋白,C.无活性阻遏蛋白,D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂,操纵基因,启动基因,调节基因,结构基因,阻遏蛋白(有活性),阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达,诱导物,诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达,酶蛋白,mRNA,阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达,阻遏蛋白(无活性),酶蛋白,mRNA,代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达,代谢产物,大肠杆菌乳糖操纵子模型,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,P,LacZ,LacY,L

15、aca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 关 闭,启动子,O,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（有活性）,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CGP(CAP),O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CGP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CAP呈失活状态,大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,C. 高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱

16、基配对，转录终止。,A. 游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。,B. 低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,Trp 密码子,2）真核生物基因表达调控,DNA,转录初产物RNA,mRNA,蛋白质前体,mRNA降解物,活性蛋白质,DNA水平调节,转录水平调节,转录后加工的调节,翻译调节,mRNA降解调节,翻译后加工的调节,核,细胞质, 真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节 转录水平调节 转录后加工的调节 翻译水平调节 翻译后加工的调节 真核基因调控主要是正调控 顺式作用元件和反式作用因子 转录因子的相互作用控制转录,线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化,细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;,细胞核:核酸合成,内质网:蛋白质合成;磷脂合成,(三)细胞膜结构对代谢的调节和控制作用,动物细胞结构和代谢途径,细