生物化学与分子生物学八年制课件16.ppt

1、第15章，代谢的调节和整合，代谢的稳态和整合，第1节，第1节。代谢调节维持稳定状态，而生物体抵抗外部环境变化并维持恒定的内部环境，即体内平衡。从生物化学的角度来看，稳态是代谢稳态，是机体通过调节机制和补偿外部环境的变化来维持代谢动力学的稳定状态。(1)各种代谢途径的共同特征是代谢整合的基础；(2)各种物质的代谢途径整合成一个统一的整体；(1)各种物质的代谢途径汇聚成一个共同的代谢池；(2ATP是一种常见的能量循环形式；(3)分解代谢途径产生的NADPH为合成代谢提供了还原当量；(4)分解代谢/合成代谢途径有共同的中间代谢产物；(5)线粒体是代谢途径和代谢调节信号的整合点。(2)各种代谢途径相互

2、联系，形成一个统一的整体。1)能量代谢中各种物质的代谢途径相互补充、相互制约。乙酰辅酶a是三种主要营养素的共同中间代谢产物，三羧酸循环是糖、脂类和蛋白质最终分解的共同代谢途径，释放的能量以三磷酸腺苷的形式储存。从能量供应的角度来看，这三种营养素可以互相替代，互相制约。在正常情况下，能量供应主要是糖和脂肪，蛋白质的消耗是尽可能节省。任何供能物质的新陈代谢都是占主导地位的，这往往可以抑制和挽救其他物质的降解。例如，饥饿时，肝糖原分解、肌糖原分解、肝脏糖异生和蛋白质分解主要通过脂肪酸和酮体分解提供能量，蛋白质分解明显减少。糖、脂肪、蛋白质和核酸在体内的代谢不是独立的，而是相互关联的。它们通过共同的中

3、间代谢物整合，也就是说，当两条代谢途径通过三羧酸循环和生物氧化会聚时的中间产物。这三者可以相互转化，当一种物质被代谢时，会引起其他物质的代谢紊乱。各种物质的代谢是相互关联的，并通过共同的中间产物进行转化。(1)糖可以在体内转化为脂肪，但脂肪酸不能转化为糖。当糖的摄入量超过身体的能量消耗时，糖可以转化为脂肪。大多数脂肪在体内不能转化为糖。当饥饿、糖供应短缺或糖代谢紊乱发生时，脂肪分解代谢的强度和平稳进展取决于糖代谢的正常进展。例如，丙氨酸、丙酮酸、脱氨、糖异生和葡萄糖。(2)大多数氨基酸的碳链骨架在体内可转化为糖，除亮氨酸和赖氨酸外，20种氨基酸可转化为糖。糖、丙酮酸、草酰乙酸、乙酰CoA、柠檬

4、酸、-酮戊二酸、糖代谢中间代谢产物在体内只能转化为12种非必需氨基酸。例如，(3)蛋白质/氨基酸可以转化为脂肪，而脂质不能转化为氨基酸/蛋白质，而蛋白质可以转化为脂肪。氨基酸也可以用作合成磷脂的原料。脂肪的甘油部分可以转化成不必要的氨基酸。氨基酸是核酸合成的重要原料，核苷酸合成的磷酸核糖是由磷酸戊糖途径提供的。，琥珀酰CoA，富马酸，草酰乙酸，-酮戊二酸，柠檬酸，乙酰CoA，丙酮酸，PEP，磷酸三糖，葡萄糖或糖原，糖，-甘油磷酸，脂肪酸，脂肪，甘油三酯，乙酰CoA，酮体，CO2，肝脏在代谢调节和整合中的作用，肝脏在代谢调节和整合中的作用，第2、1节。肝脏是物质代谢的核心器官，(1)它的组织结构

5、和化学组成决定了它在代谢中的核心作用，(2)它在物质代谢中起着加工、运输和分配的作用，是维持正常血糖水平的重要器官。糖异生肝糖酵解途径中糖原的合成和分解。功能：保持血糖浓度恒定，保证全身所有组织的能量供应，特别是大脑和红细胞。第二，肝脏是糖代谢和糖异生的主要器官。在不同的营养条件下，肝脏如何进行糖代谢？糖原在全状态下合成的多糖转化为脂肪，禁食状态以极低密度脂蛋白的形式输出。在饥饿状态下，糖异生是动员酮体合成以保存葡萄糖的主要脂肪。(1)肝脏是内源性甘油三酯合成的主要场所。(2)饥饿时，肝脏合成的酮体供给肝外组织/器官。(3)血浆胆固醇和磷脂主要来自肝脏。(3)肝脏是内源性脂类和酮体合成的场所，

6、其作用是脂类的消化。肝脏中主要的脂质代谢是什么？脂肪酸的氧化、脂肪酸的合成和酯化、酮体的生成、胆固醇的合成和转化、脂蛋白和载脂蛋白(VLDL、HDL、apo C)的合成以及脂蛋白(LDL)的降解。肝脏在各种脂质代谢过程中的作用。肝细胞合成并分泌胆汁酸来帮助消化和吸收脂类物质。肝细胞是体内脂肪酸代谢的主要器官，也是脂肪酸氧化的重要场所。肝脏在调节胆固醇平衡中起着核心作用。肝脏是脂蛋白的中心。肝素(尤其是卵磷脂)的合成非常活跃。肝脏具有合成尿素和调节氨基酸代谢池的特殊功能，以及在血浆蛋白代谢中的作用：合成和分泌血浆蛋白(球蛋白除外)和清除血浆蛋白(白蛋白除外)以及在氨基酸代谢中的作用：氨基酸的脱氨

7、、脱羧、脱硫、转甲基化(支链氨基酸除外)。排除血氨和胺，合成尿素。肝外组织/器官的代谢特征和联系肝外组织/器官的代谢特征和相互联系，第3节，(1)脂肪组织促进餐后脂肪合成，(2)脂肪组织促进脂肪分解/在饥饿时释放能量储存，首先，脂肪组织是身体最重要的“能量储存”；第二，大脑氧化葡萄糖和酮体以提供能量，并具有特殊的氨基酸稳态机制；首先，大脑是消耗氧气最多的器官，O2的消耗占全身O2消耗的20%。(2)葡萄糖和酮体是大脑的主要能量来源。葡萄糖消耗量约为每天100克。因为脑组织储存时没有糖原，所以消耗的葡萄糖主要由血糖提供。当血糖供应不足时，肝脏产生的酮体主要用作能量来源。(3)大脑具有特定的氨基酸

8、/氨代谢稳态机制；(3)心肌主要由有氧氧化提供动力，分解脂肪酸、酮体和乳酸；(1)心肌细胞主要由有氧氧化提供能量；(2)有氧氧化分解脂肪酸、酮体和乳酸是心肌能量供应的主要方式；(4)骨骼肌具有有氧氧化和糖酵解机制，肌肉组织通常由脂肪酸氧化提供动力，在剧烈运动时使用糖。因为肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，肌肉糖原不能直接分解成葡萄糖来提供血糖。重要器官和组织的氧化能量供应特征物质代谢的调节机制第四节代谢调节分为三个层次，在生物世界中普遍存在，是生物进化过程中逐渐形成的一种反应和适应。进化程度越高，代谢途径就越复杂高等生物中三级代谢、细胞级代谢、细胞级代谢、激素级代谢和总体级代谢的调节统称为三级代谢调

9、节。在代谢调节的三个层次中，细胞水平的代谢调节是基础，激素和神经对代谢的调节是通过细胞水平的代谢调节来实现的。(1)细胞水平的调节包括酶活性和酶含量的调节。(1)细胞酶系统在细胞和亚细胞区的分布有利于酶活性的调节，细胞是组织和器官最基本的功能单位。与代谢途径相关的酶通常是组成型酶系统，分布在细胞的某个区域或亚细胞结构中。细胞内主要代谢途径(多酶系统)的分布以及酶在不同组织细胞和细胞内不同细胞器中的区域分布，使得每个组织细胞和亚细胞结构都有自己的代谢酶谱。同工酶谱的差异也使每个组织细胞都有自己的代谢特征，各种代谢途径互不干扰，但有利于相互协调。多酶系、多功能酶和多种酶在同一代谢途径中的区域分布使

10、得一系列酶反应持续进行，有利于提高反应速率和调节。代谢物本身也会被分离并分布在细胞内不同的亚细胞器或区间，这将直接影响相关代谢的反应速率；同时，酶调节代谢途径更加方便。代谢途径本质上是由酶催化的一系列化学反应，其速度和方向不是由该途径中每种酶的活性决定的，而是由一种或几种具有调节功能的关键酶决定的。这些调节新陈代谢的酶被称为调节酶和/或关键酶。调节某些关键酶或调节酶的活性是细胞代谢调节的重要途径。它催化最慢的反应，所以它被称为限速酶，它的活性决定了整个代谢途径的速度；这种酶催化单向反应或非平衡反应，因此它的活性决定整个代谢途径的方向；除了受底物控制外，这些酶的活性还受各种代谢物或效应物的调节。

11、由调节酶或关键酶催化的反应具有以下特征：(1)快速代谢，缓慢代谢，发生在几秒和几分钟内；通过改变酶的分子结构，它的活性也随之改变。它可分为变构调节和化学修饰调节。代谢调节主要通过调节关键酶的活性来实现。通常需要几个小时或几天才能意识到；通过酶蛋白分子的合成或降解，可以改变细胞内酶含量的调节。(2)改变酶的分子结构(构象)可以调节酶的活性，而变构酶通过变构效应物来调节变构效应物。(1)酶的结构调节包括两种方式：变构调节和共价修饰。小分子化合物特异性结合到酶分子活性中心以外的某个位置，引起酶蛋白分子的构象变化，从而改变酶的活性。酶的变构调节，被调节的酶被称为变构酶。引起酶变构效应的物质称为变构效应

12、剂。变构效应剂可以是酶的底物、酶系统的终产物或其他小分子代谢产物。它们胞内浓度的变化能灵敏地反映代谢途径和能量供需的强度，并使关键酶的构象变化影响酶的活性，从而调节细胞内代谢的强度和方向以及能量供需平衡。变构效应剂酶的调节亚基，2变构调节通过效应子和酶之间的变构相互作用调节酶活性，(1)效应子和变构酶的结合产生变构活化/抑制效应。许多小分子化合物作为变构效应剂，可以通过变构相互作用结合变构酶的调节位点/调节亚基，引起酶分子的构象变化，从而改变变构活性(3)变构调节协调代谢途径，合理分配资源；(3)共价修饰通过酶促化学反应调节酶活性，酶蛋白肽链中的一些残基在酶的催化下发生可逆共价修饰，导致酶活性

13、的变化。这种调节被称为酶的化学修饰调节。(1)酶促化学修饰有多种形式，如磷酸化、去磷酸化、乙酰化和脱乙酰化、甲基化和脱甲基、腺苷化和去腺苷化，以及巯基和硫-硫-硫-硫-之间的相互转化。酶的化学修饰主要包括：许多调节酶通过磷酸化和/或去磷酸化来调节相关的代谢途径。(2)相反的酶化学修饰协调酶活性的“开”和“关”:催化蛋白质丝氨酸/苏氨酸羟基磷酸化修饰的蛋白激酶称为丝/苏氨酸蛋白激酶；催化酪氨酸磷酸化的蛋白激酶被称为酪氨酸蛋白激酶。酶的磷酸化和脱磷反应是不可逆的，分别由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化。酶的磷酸化和脱磷类似于变构调节，反应迅速，见效快；因此，共价修饰和变构调节属于酶的快速调节。因为共价修饰

14、是由酶催化的；一个酶分子可以催化多个底物分子反应，因此具有很强的特异性和扩增效应。与通过改变酶的含量来调节酶的活性相比，共价修饰更节能、更经济。酶化学修饰的调控有几个特点。(3)共价修饰将变构调控和激素调控整合到一个特定的信号通路中，催化共价修饰的酶通常受变构调控和共价修饰的调控。因此，共价修饰通常与变构调节和激素调节相结合，形成由信号分子(激素等)组成的级联反应。)，转导分子和效应分子(调节酶)，这使得细胞内酶活性的调节更精细和更协调。(3)调节胞内酶的含量可以调节酶的活性。除了调节胞内酶的结构，生物体还可以通过调节胞内酶的合成或降解速率、改变酶的含量和调节胞内酶的活性来调节代谢。酶的合成和

15、降解需要很长时间(几个小时或更长时间)，消耗更多的三磷酸腺苷，因此酶量的调节属于慢调节。1诱导或抑制酶蛋白基因的表达可以改变酶的含量。加速酶合成的化合物称为诱导剂，降低酶合成的化合物称为阻遏剂。酶的底物、产物、激素或药物会影响酶的合成。诱导物或阻遏物在酶蛋白生物合成的转录或翻译过程中起作用，但通常影响转录。诱导或抑制的常用方法：底物诱导和抑制酶的合成在生物世界中很普遍；代谢反应的产物不仅能抑制关键酶或催化初始反应的酶的活性，还能抑制这些酶的基因表达。激素诱导酶表达是非常普遍的。许多药物和毒物对酶表达的影响。2控制酶蛋白的降解也可以调节细胞中酶的含量。细胞内蛋白质降解有两种主要方式，即溶酶体的非

16、三磷酸腺苷依赖性方式；蛋白体中存在依赖三磷酸腺苷的泛素途径。任何能够改变或影响这两种蛋白质降解机制的因素都会间接影响酶蛋白的降解速度，进而影响代谢途径。2.激素通过特定的受体和信号途径调节代谢，而通过激素调节物质代谢是高等动物代谢调节的重要途径。不同的激素作用于不同的组织，产生不同的生物效应，表现出较高的组织特异性和效应特异性。这是激素作用的一个重要特征。激素能作用于特定组织或细胞(即靶组织或细胞)的原因是组织或细胞中存在能特异性识别和结合相应激素的受体。膜受体激素细胞内受体激素可根据激素受体在细胞中的不同位置分为两类。(1)激素通过靶细胞的特定受体发挥作用，根据激素受体在细胞中的不同位置，膜受体激素可分为两类。(2)激素信号通路对代谢的调节受多种因素影响，包括激素、受体和各种激素。影响信号通路的任何环节都可以改变相关的生化反应，调节代谢。除了信号通路本身，激素调节还受到激素合成和释放、受体内吞作用、转导/效应分