物质代谢的生物调节培训课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物质代谢的生物调节,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,物质代谢的生物调节,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物质代谢的生物调节,物质代谢的生物调节,本章的重点和难点,重点,：掌握三大物质代谢的相互关系；掌握,酶活性及酶合成的调节，明确两种调节在代,谢上的重要性及调节机制；重点了解原核生,物的基因表达的调节。,难点,：理解和掌握第二信使和激素水平的调,节机制。,2,物质代谢的生物调节,主要内容,第一节,物质代谢的相互联系,第二节,代谢调节,第三节,基因表达调控,3,物质代谢的生物调节,第一节,物质代谢的相互联系,一、糖代谢与脂类代谢的相互关系,二、,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,三、,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系,四、,核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,4,物质代谢的生物调节,一、糖代谢与脂代谢的相互关系,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,TCA,5,物质代谢的生物调节,总 结,糖酵解过程中产生的磷酸二羟丙酮可转变为,磷酸甘油，可作为脂肪合成过程中甘油的,原料；,糖有氧氧化产生的乙酰COA是脂肪酸和酮 体的合成原料；,脂肪酸分解产生的乙酰COA最终进入TCA；,酮体氧化产生的乙酰COA和丙酮酸可进入 TCA或糖异生；,甘油经磷酸甘油激酶作用后转变为磷酸二羟 丙酮或进入糖酵解或糖异生。,糖有氧代谢产生的NADPH可供脂肪酸合成需要。,6,物质代谢的生物调节,二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖,-酮酸 非必需氨基酸 蛋白质,NH,3,蛋白质 氨基酸,-酮酸 糖,（生糖氨基酸）,7,物质代谢的生物调节,1、丙酮酸是糖代谢的重要中间产物，它可转变成Ala、Glu、Asp、,-酮戊二酸、草酰乙酸；2、糖可转化成某些非必需氨基酸（生糖氨基酸）；3、蛋白质可转变为糖水解为氨基酸脱氨基,-酮酸,-酮戊二酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸糖或糖原，变为酮酸可有以下途径形成糖原：（1）形成草酰乙酸丙酮酸羧化支路异生糖原（2）形成丙酮酸异生作用（3）有些氨基酸可形成,-酮戊二酸、延胡索酸、琥珀酰COA等，沿TCA形成草酰乙酸后再走（1）等等。,总 结,8,物质代谢的生物调节,三、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）,9,物质代谢的生物调节,总 结,氧化产生的乙酰COA与草酰乙酸缩合进入,TCA，产生的,-,酮戊二酸经联合脱氨基作用产生glu,可以用于合成蛋白质；,2.生酮生糖氨基酸可产生乙酰COA，用于合成脂肪酸；,3.生酮生糖氨基酸可产生丙酮酸可合成甘油或乙酰COA，用于合成脂肪酸。,10,物质代谢的生物调节,四、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,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备高能磷酸键的各种核苷酸，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。,11,物质代谢的生物调节,脂肪分解,增强,ATP,增多,ATP/ADP,比值增高,糖分解被抑制,6-磷酸果糖激酶-1被抑制,（糖分解代谢限速酶之一）,举例 1,12,物质代谢的生物调节,举例 2：饥饿时,肝糖原分解,，,肌糖原分解,肝糖异生,，,蛋白质分解,以脂酸、酮体分解供能,为主,蛋白质分解明显降低,1 2 天,3 4 周,13,物质代谢的生物调节,摄入的糖量超过能量消耗时,，糖可以转变成,脂肪。,葡萄糖,乙酰CoA,合成脂肪,（脂肪组织）,合成糖原储存（肝、肌肉）,磷酸二羟丙酮,a磷酸甘油,举例 3,14,物质代谢的生物调节,脂肪的分解代谢受糖代谢的影响,高酮血症,草酰乙酸相对不足,糖不足,脂肪大量动员,酮体生成增加,氧化,受阻,举例 4：,饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时,15,物质代谢的生物调节,第二节,代谢调节的种类与机制,16,物质代谢的生物调节,高等生物 三级水平代谢调节,细胞水平代谢调节,激素水平代谢调节,高等生物在进化过程中，出现了专司调节功能的内分泌细胞及内分泌器官，其分泌的激素可对其他细胞发挥代谢调节作用。,整体水平代谢调节,在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及神经递质对靶细胞直接发生影响，或通过某些激素的分泌来调节某些细胞的代谢及功能，并通过各种激素的互相协调而对机体代谢进行综合调节。,17,物质代谢的生物调节,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活性的调节而实现的。,18,物质代谢的生物调节,（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。,19,物质代谢的生物调节,多酶体系在细胞内的分布,20,物质代谢的生物调节,酶的隔离分布的意义,避免了各种代谢途径互相干扰。,21,物质代谢的生物调节,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：,22,物质代谢的生物调节,快速代谢,迟缓代谢,数秒、数分钟,通过改变酶的活性,数小时、几天,通过改变酶的含量,变构调节,(allosteric regulation),化学修饰调节,(chemical modification regulation),代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的,23,物质代谢的生物调节,（二）酶的化学修饰调节,1.化学修饰调节,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,。,24,物质代谢的生物调节,2.化学修饰调节的主要方式,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,25,物质代谢的生物调节,酶的磷酸化与脱磷酸化,-,OH,Thr,Ser,Tyr,酶蛋白,H,2,O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,Thr,Ser,Tyr,-,O-PO,3,2,-,磷酸化的酶蛋白,26,物质代谢的生物调节,3.化学修饰调节的特点,酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。,具有放大效应，效率较变构调节高。,磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。,同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。,27,物质代谢的生物调节,二、激 素 水 平 的 代 谢 调 节（一）、概 述（二）、质膜受体介导的信息传递途径,28,物质代谢的生物调节,（一）、概 述,1.受体及其特征,受体,细胞组成成分中具有特异结构的大分子物质，它可与激素神经递质或其他化学物质专一性结合而相互作用，并触发生物学效应，其本质为蛋白质。,配体,能与受体特异性结合并触发生物学效应的化学物质。,受体的特征：,1.受体与配体结合具有严格的选择性、特异性结合;,2.受体与配体的亲合性:与其配体的生理浓度相适应;,3.受体结合配体具有饱和性;,4.具有明显触发生物学效应的功能。,29,物质代谢的生物调节,2.激素按作用机制分为两类,质膜受体激素（含氮激素）,亲水性的，不易通过质膜的脂双层，只能与靶细胞表面受体结合后通过胞内的第二信使起作用的。,胞内受体激素,亲脂性的，易透过质膜的脂双层进入靶细胞内起作用的。,30,物质代谢的生物调节,质膜受体激素的作用方式,31,物质代谢的生物调节,胞内受体激素的作用方式,32,物质代谢的生物调节,（二）、质膜激素受体的信息传递,第一信使,指激素、神经递质等体内的化学信号分子。,第二信使,激素作为第一信使，通过与受体的相互作用，将信号传至效应器后所产生的一种具有传递和放大信息作用的生物小分子，如cAMP、cGMP、Ca离子、三磷酸肌醇酚(IP,3,)、甘油二酯(DAG)和 NO等。,（1）基本概念,（以cAMP为第二信使的传递为例）,33,物质代谢的生物调节,定义,与 GTP结合的异三聚体蛋白，是存在于质膜上的一组信息传递蛋白，由,、,三个亚基组成，激素与受体结合后，经G蛋白将信号传递给效应器，产生第二信使分子，引发生理效应。,种类,Gs(激动性G蛋白)激活AC 刺激cAMP产生,Gi(抑制性G蛋白)抑制AC 抑制cAMP产生,G蛋白的概念、种类及特征,34,物质代谢的生物调节,两种G蛋白的活性型和非活性型的互变,特征,由,、,三亚基组成，其中,上有GTP、GDP和受体的结合位点，同时还具有GTpase活性，,亚基决定其多样性和专一性，,和,较保守，不易分开。,G蛋白的存在形式：,活性形式,亚基与GTP结合，并与,和,分开,非活性形式,亚基与GDP结合 并与,和,结合,35,物质代谢的生物调节,第一步是激素与受体结合。当激素到达靶细胞后，首先与质膜上的特异性受体相互识别并结合，引起受体结构的变化，与,G蛋白,结合触发信息传递过程；,第二步是腺苷酸环化酶（AC）的激活和cAMP的产生；,第三步 cAMP作为第二信使产生介导的生理效应。,（2）信息传递过程,36,物质代谢的生物调节,此类受体的信息传递可归纳为：,激素,受体,蛋白,AC酶,第二信使（cAMP),蛋白激酶（PKA),某个酶或功能蛋白,生物学效应,37,物质代谢的生物调节,第一步和第二步的情况：,当兴奋信息产生时 Rs受体被激活 Rs-激素复合物移向Gs蛋白 与Gs的,亚基结合 Gs的,亚基释放出GDP，与GTP结合，发生GDP与GTP的交换 与,分离，成为活性状态 活化后的Gs,-GTP复合物移向AC，与其结合并激活AC AC水解ATP产生cAMP，产生生理效应。,当抑制信号产生时 Ri受体被激活 Ri-激素复合物结合Gi蛋白 余下过程与上面相同，所不同的是Gs和Gi的作用不同。,38,物质代谢的生物调节,cAMP,ATP,AC,PPi,AMP,PDE,H,2,O,磷酸二酯酶,(phosphodiesterase,PDE),腺苷酸环化酶,(adenylate cyclase,AC),39,物质代谢的生物调节,第三步 cAMP作为第二信使介导的生理效应,cAMP产生后，与蛋白激酶A的调节亚基(R)结合后，蛋白酶A的R亚基与C亚基分离，蛋白酶A产生活性形式，催化靶细胞磷酸化，而产生生理效应。,PKA的激活,R 调节亚基 C 催化亚基,40,物质代谢的生物调节,肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,ATP,c,AMP+,PPi,内在蛋白质的磷酸化作用,改变细胞的生理过程,细胞膜,细胞膜,c,R,蛋白激酶（无活性）,c,+,R,c,AMP,蛋白激酶（有活性）,受体,环化酶,激素,G蛋白,41,物质代谢的生物调节,糖原的代谢调节问题！见书中图,42,物质代谢的生物调节,三、整体水平的调节一、饥饿的调节二、应激的调节,43,物质代谢的生物调节,（一）饥饿,糖原消耗,血糖趋于降低,胰岛素分泌减少,胰高血糖素,分泌增加,引起一系列的代谢变化,1.短期饥饿（13天）,44,物质代谢的生物调节,（1）蛋白质代谢变化,分解加强，氨基酸异生成糖,（2）糖代谢变化,糖异生加强，,组织对葡萄糖利用降低,（3）脂代谢变化,脂肪动员加强，酮体生成增多,45,物质代谢的生物调节,2.长期饥饿,（1）蛋白质代谢变化,蛋白质分解减少,（2）糖代谢变化,肝肾糖异生增强,肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸,（3）脂代谢变化,脂肪动员进一步加强,脑组织利用酮体增加,46,物质代谢的生物调节,（二）应 激,1.概念,应激,(stress),指人体受到一些异乎寻常的刺激，如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染及剧烈情绪波动等所作出一系列反应的“紧张状态”。,47,物质代谢的生物调节,2.机体整体反应,交感神经兴奋,肾上腺髓质及皮质激素分泌增多,胰高血糖素,、生长激素增加，,胰岛素分泌减少,引起一系列的代谢变化,48,物质代谢的生物调节,3.代谢改变,（1）血糖升高,（2）脂肪动员增强,（3）蛋白质分解加强,49,物质代谢的生物调节,糖原合成与分解的调节（移至第12章讲）,关键酶,糖原合成：,糖原合成酶,糖原分解：,糖原磷酸化酶,这两种关键酶的重要特点：,*它们的快速调节有,共价修饰,和,变构调节,二种方式。,*它们都以活性、无（低）活性二种形式存在，二种形式之间可通过磷酸化和去磷酸化而相互转变。,50,物质代谢的生物调节,调节有,级联放大,作用，效率高；,两种酶磷酸化或去磷酸化后活性变化相反；,此调节为酶促反应，调节速度快；,受激素调节。,1,.,共价修饰调节,51,物质代谢的生物调节,腺苷环化酶,（无活性）,腺苷环化酶（有活性）,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）,+,受体,ATP,cAMP,PKA,(无活性),磷酸化酶b激酶,糖原合酶,糖原合酶-P,PKA,(有活性),磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,磷酸化酶b激酶-P,Pi,磷蛋白磷酸酶-1,Pi,Pi,磷蛋白磷酸酶-1,磷蛋白磷酸酶-1,磷蛋白磷酸酶抑制剂-P,磷蛋白磷酸酶抑制剂,PKA（有活性）,52,物质代谢的生物调节,2.,别构调节,磷酸化酶二种构像,紧密型(T)和疏松型(R),，其中,T型的,14位Ser暴露，便于接受前述的共价修饰调节。,*葡萄糖是磷酸化酶的别构抑制剂。,磷酸化酶,a,(R),疏松型,磷酸化酶,a,(T),紧密型,葡萄糖,53,物质代谢的生物调节,肌肉内糖原代谢的二个关键酶的调节与肝糖原不同,*在,糖原分解代谢时肝主要受,胰高血糖素,的调节，而肌肉主要受,肾上腺素,调节。,*肌肉内糖原合酶及磷酸化酶的变构效应物主要为AMP、ATP及6-磷酸葡萄糖。,糖原合酶,磷酸化酶a-P,磷酸化酶b,AMP,ATP及6-磷酸葡萄糖,54,物质代谢的生物调节,调节小结,双向调控,：对合成酶系与分解酶系分别进行调节，如加强合成则减弱分解，或反之。,双重调节,：别构调节和共价修饰调节。,肝糖原和肌糖原代谢调节各有特点：,如：分解肝糖原的激素主要为,胰高血糖素,，,分解肌糖原的激素主要为,肾上腺素,。,关键酶调节上存在,级联效应,。,关键酶都以,活性、无（低）活性二种形式,存在，二种形式之间可通过,磷酸化和去磷酸化,而相互转变。,55,物质代谢的生物调节,肾糖阈尿中出现糖时的血糖最低界限。,人血糖的正常值范围80,120mg/100ml,血糖的来源和去路（见p215 图7-16）,调节方式：,a.葡萄糖载体转运的速度快慢是肌肉细胞内葡萄糖,利用的限速步骤；,b.糖原合成与分解的调节（两个酶）,c.激素调节：胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素,糖原分解与合成的调节受2个酶限速酶的调节，它们分别具有活性与非活性形成，两者之间的转化就可以调节葡萄糖的合成与糖原分解,血糖浓度的调节,56,物质代谢的生物调节,原核生物酶合成调节的遗传机制,操纵子学说,第三节 基因表达的调控,57,物质代谢的生物调节,一、什么是操纵子？,是原核基因表达的调控单位，一些相关的基因被串联排列在染色体上一起转录，这种基因串列、启动子以及其它在基因表达调节中起作用的附属顺序组成的结构称为操纵子，操纵子一般含有,2,6,个基因，它们一起被转录，构成一个转录单位。,58,物质代谢的生物调节,a、操纵子基因表达的协同单位,操纵子,结构基因（编码蛋白质，S）,控制部位,操纵基因（operator,O）,启动子（promotor,P）,b、酶合成的,诱导和阻遏,实例：诱导型操纵子,乳糖操纵子,阻遏型操纵子,色氨酸操纵子（自学）,59,物质代谢的生物调节,二、乳糖操纵子调节机制,1,、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成,调控区,CAP结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z：,-,半乳糖苷酶,Y：透酶,A：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,61,物质代谢的生物调节,以原核生物乳糖操纵子,(Lac operon),为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其,CRP,结合位点位于,RNA,聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由,-,半乳糖苷酶基因（,lacZ,），通透酶基因（,lacY,）和乙酰化酶基因（,lacA,）串联在一起构成。,控制区,信息区,62,物质代谢的生物调节,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,63,物质代谢的生物调节,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,2,、阻遏蛋白的负性调节,阻遏基因,64,物质代谢的生物调节,65,物质代谢的生物调节,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-半乳糖苷酶,66,物质代谢的生物调节,67,物质代谢的生物调节,+,转录,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,3,、CAP的正性调节,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,68,物质代谢的生物调节,69,物质代谢的生物调节,70,物质代谢的生物调节,4,、协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；,若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称,分解代谢阻遏(catabolic repression),。,71,物质代谢的生物调节,E.Coli以乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖有关的三种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则优先利用Glc，等Glc耗尽后才能利用乳糖，也就是说在大量Glc时，乳糖操纵子还是关闭，Glc阻遏了乳糖代谢有关的三种酶的合成，这种现象过去称为,葡萄糖效应,（glucose effect）。,后来知道这是由于Glc分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物阻遏（catabolite repression）。,72,物质代谢的生物调节,mRNA,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,73,物质代谢的生物调节,问答题,1、为什么说三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质代谢的,共同通路？,2、举例说明核苷酸类化合物在代谢中起的作用。,3、试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？,4、试以大肠杆菌乳糖操纵子说明酶合成的诱导和阻遏。,5、写出天冬氨酸在体内氧化生成CO,2,和H,2,O的主要历程，,注明其中脱氢反应的酶，并计算所产生的ATP数目。,6、简述能荷调节对代谢的影响及其生物系意义。,名词解释,反馈抑制共价修饰第二信使操纵子,74,物质代谢的生物调节,