代谢和代谢调控总论

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,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,*,第 十 章,代谢和代谢,调控总论,1,本章的重点和难点,重点：掌握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；,难点：理解和掌握第二信使和激素水平的调,节机制。,2,第一节 新陈代谢的概念和研究方法,一、物质代谢的概念,（一）物质代谢的含义,新陈代谢,：,机体与外界环境不断进行物质交换的过程通过消化、吸收、中间代谢和排泄,四个阶段,来完成。,3,物质代谢的特点,2、动态平衡，以防止中间产物的堆积和缺乏,4、代谢调节与协调,5、组织、器官的代谢各有特色，相互配合形成整体,6、,ATP是机体能量利用的共同形式,7、,NADPH是合成代谢所需的还原当量,3、代谢联系构成代谢网络,1,、,共有的代谢池,8,、,以糖和脂肪为主要供能物质，节约蛋白质,4,中 间 代 谢,物质代谢：,经过消化、吸收的外界营养物质和体内原有的物质，在全身一切组织和细胞中进行的多种多样的化学变化的过程,能量代谢：,物质在机体内进行化学变化的过程，伴随有能量转移的过程,5,（二）同化作用和异化作用,同化作用：,由外界环境摄取营养物质，通过消化、吸收在体内进行一系列复杂而有规律的化学变化，转化为机体自身物质。,异化作用：,机体自身原有物质不断转化为代谢废物排出体外,6,（三）合成代谢与分解代谢,合成代谢：,由简单的小分子物质合成复杂的大分子物质的过程,分解代谢：,复杂的大分子物质分解为二氧化碳、水和氨,7,二、能量代谢的概念,(一) 代谢过程中能量的变化,机体从外界环境中摄取营养物质，这些物质进行分解代谢时释放能量，储存于高能化合物，供生命活动需要,合成,代谢,吸收,能量,分解,代谢,释放,能量,8,（二）食物的卡价和呼吸商,食物的卡价（热价）：食物在体内被氧化,分解至最终产物所释放的能量,每克糖、脂肪和蛋白质的卡价分别是17、38和17千焦,呼吸商（RQ）：机体与外界环境在呼吸过,程中所交换的二氧化碳与氧的摩尔比,糖、脂肪和蛋白质的呼吸商分别是1.0、0.7和0.8,9,机体能量的来源与利用,能量的来源,：,1,、糖：机体的主要能源,70%,（中国人）,2,、脂肪：提供大约,30%,的能量,3,、蛋白质（氨基酸）：提供少量的能量,能量的去路：,食物中的能量,100%,自由能,95%,ATP45%,各种功能活动, ,熵,5%,热量,50%,热量,20-45%,外功,0-25%,ATP:,机体的能量货币（载体）,磷酸肌酸,: ATP,的缓冲物（储备）,10,（三）基础代谢,基础代谢：,人体在清醒而安静状态中，没有食物的消化与吸收作用的情况下，处于适宜温度，所消耗的能量。,用于维持体温及支持各种器官的基本运行，如呼吸、循环、分泌及排泄等。,11,代谢调控研究方法-同位素示踪法：,常用同位素的放射性及其半衰期,12,代谢调控研究方法-致突变法：,13,四大营养物质的比较,主要相同点,（1）主要来源相同-食物的消化吸收；,（2）都可氧化分解，释放能量。,主要不同点,（1）蛋白质、核酸不能贮存，而糖类、脂肪可以；,（2）蛋白质核酸的代谢产物除水、二氧化碳外，还有尿素或尿酸；,（3）糖类是主要能源物质，脂肪是储能物质，蛋白质是一般能 源补充物质，核酸一般不作为能源物质。,第二节 物质代谢的相互关系,14,糖、脂类、蛋白质和核酸代谢相互的联系,15,草酰乙酸,磷酸烯醇式丙酮酸,天冬氨酸天冬酰胺,延胡索酸,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸,酪氨酸,亮氨酸,赖氨酸,色氨酸,丙氨酸,苏氨酸,甘氨酸,丝氨酸,半胱氨酸,色氨酸,谷氨酸,谷氨酰胺,精氨酸,组氨酸,脯氨酸,异亮氨酸,亮氨酸,苯丙氨酸,酪氨酸,异亮氨酸,甲硫氨酸,缬氨酸,苏氨酸,葡萄糖,柠檬酸,脂肪酸,b,-氧化,磷酸烯醇式丙酮酸,脂肪酸,b,-氧化,丙酰辅酶A,酮体,脂肪酸从头合成,糖原合成,6-P-葡萄糖,磷酸戊糖途径,磷酸二羟丙酮,甘油,-酮戊二酸,丙酮酸,琥珀酰CoA,乙酰CoA,糖、脂类、蛋白质和核酸代谢相互的联系,16,糖类 脂类蛋白质 核酸,代谢调节机制：是生物在长期进化过程中逐步形成的一种适应能力。普遍存在于生物界。,细胞水平,激素水平,神经水平（整体水平）,17,（一）枢纽性中间产物可以沟通不同的代谢通路,2、糖、核苷酸代谢的交汇点：5磷酸核糖（5C）,3、糖、甘油代谢的交汇点：磷酸二羟丙酮（3C）,4、糖、脂、氨基酸分解代谢的交汇点：乙酰辅酶A（2C）,5、氨基酸、核苷酸代谢的交汇点：一碳单位（1C）,1、糖酵解、异生、有氧氧化、磷酸戊糖途径及糖原代谢的交汇点：6磷酸葡萄糖（6C水平）,6、3个重要氨基酸与糖代谢的交汇点： Asp-草酰乙酸（4C）；Glu-酮戊二酸(5C)；Ala-丙酮酸(3C),18,1、糖是良好的碳源，可转变为：脂肪、氨基酸、胆固醇等. 但一般不能转变为酮体,2、偶数碳原子的脂肪酸不能转变为葡萄糖,3、生糖、生酮、生糖兼生酮的氨基酸,5、两用代谢途径在物质转变中具有重要意义,7、奇数碳原子脂肪酸代谢与糖代谢的交汇点：琥珀酰辅酶A(4C)、乙酰辅酶A(2C),6、3个重要氨基酸的代谢转变： Asp；Glu；Ala,（二）、不同物质之间的代谢转变,4、磷酸戊糖途径可实现3、4、5、6、7C的转变,19,1、糖类、脂类是人体的主要供能物质,2、糖类在动物供能中的优势,3、脂肪是良好的能量储存形式，相同碳原子的脂肪酸氧化分解时提供的ATP最多,（三）、能量代谢的共性,4、ATP在能量代谢中的中心作用,（四）、细胞内、间的代谢联系,1、细胞器之间的代谢分工及合作,2、器官之间的代谢分工及合作,20,一、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,糖,21,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。,22,二、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）,23,1、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,24,三、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）,25,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。,26,四、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。,27,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 1,28,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,29,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 3,30,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,31,第三节 代谢调控总论,细胞或酶水平的调节,激素水平的调节,神经系统调节,高等生物 三级水平代谢调节,32,生物体内的代谢不是孤立，各行其是进行的，即相互联系转化，协调一致，又互相限制制约。体内代谢能保持这种动态的平衡，应归功与它的精确的调节机构。,【,举例,】,饱餐一顿血糖不会居高不下。,1、细胞水平的调节-通过对,细胞内,酶的调节来实现,2、激素水平的调节-协调不同,细胞间,及组织与器官之间的代谢。,3、整体水平的调节-在,神经,系统参与下由酶和激素共同构成的调节,网络,。,33,一、细胞或酶水平的调节,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。,34,细胞或酶水平的调节：,通过调节细胞内的酶的种类、数量、分布或活性来控制各种代谢过程或生理过程。,这类调控主要包括：细胞膜结构的调控作用和酶的活性调控作用。,某些人工合成或天然存在的化学物质也具有调控功能，主要是表现在对酶的活性影响方面。,代谢物通过影响细胞内酶活力和酶合成量的变化，以改变合成或分解代谢过程的速度。,35,主要代谢途径酶系在细胞内的分布,糖酵解，糖原合成，磷酸戊糖途径，脂肪酸合成，糖异生，部分蛋白质合成，胆固醇合成，尿素合成后三步反应,胞 质：,线粒体：,细胞核：,溶酶体：,叶绿体：,核酸的合成、修饰,多种水解酶,光合作用,脂肪酸,b,-,氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化,磷酸化，尿素合成前两步反应,36,代谢途径,亚细胞定位,糖原分解,细胞液、微粒体,糖原合成,细胞液,糖酵解,细胞液,丙酮酸氧化,线粒体,TAC,线粒体,糖异生,线粒体、细胞液、微粒体,磷酸戊糖途径,细胞液,细胞内酶的分隔分布,37,脂肪分解,细胞液,脂肪酸分解,线粒体,脂肪酸合成,细胞液,酮体生成,线粒体,酮体利用,线粒体,胆固醇合成,细胞液、微粒体,胆固醇酯生成,细胞液、脂蛋白,氧化磷酸化,线粒体,尿素生成,线粒体、细胞液,38,区域化的意义：,可避免代谢途径之间相互干扰，,为代谢调节创造有利条件，保证整体反应的有序性,。,有利于不同调节因素对不同代谢途径的特异调节。,区域分布使代谢物浓度对代谢速度产生重要影响。,39,酶水平调节的方式,快速调节,迟缓调节,通过,激活,或,抑制,体内原有的酶分子来调节酶促反应速度。,通过改变酶分子的,合成,或,降解,速度来调节细胞内酶分子的含量。,反馈调节酶活力的变构调节,酶活力的化学修饰调节,40,1、反馈调节,限速酶 调节关键酶,反馈调节,- 正反馈( 反馈激活）,- 负反馈（反馈抑制）,41,反馈激活:,有时最终产物可以激活整个代谢反应，这种情况称为反馈激活，也称正反馈。,反馈抑制：,限速酶的活性常常受到其代谢体系终产物的抑制，这种抑制称为反馈抑制。也称为负反馈。,42,协同反馈抑制与顺序反馈抑制,协同反馈抑制,：,两个或以上的反馈抑制作用，其作用点是一个酶，反馈作用的强度大于两者作用之和。,顺序反馈抑制,：,串联反应中每一步的中间代谢产物都能反馈抑制合成其本身的酶，从而造成终产物的反馈抑制作用逆向于串联反应的传递。,43,代谢途径,主要关键酶,糖原分解,糖原磷酸化酶,糖原合成,糖原合酶,糖酵解,磷酸果糖激酶、己糖激酶、丙酮酸激酶,丙酮酸氧化,丙酮酸脱氢酶系,三羧酸循环,柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶 、酮戊二酸脱氢酶,糖异生,丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，果糖二磷酸酶,磷酸戊糖途径,葡萄糖6磷酸脱氢酶,44,脂肪分解,激素敏感性甘油三酯脂肪酶,脂肪酸分解,肉毒碱酰基转移酶,脂肪酸合成,乙酰辅酶A羧化酶,酮体生成,HMG-CoA合成酶,酮体利用,琥珀酰辅酶A转硫酶、乙酰乙酰辅酶A合成酶（乙酰乙酸硫激酶）,胆固醇合成,HMG-CoA还原酶,胆固醇酯生成,ACAT（细胞）、LACT（脂蛋白）,尿素生成,CPS 、精氨琥珀酸合成酶,45,嘌呤核苷酸从头合成,PRPP合成酶、酰胺转移酶,嘧啶核苷酸从头合成,PRPP合成酶、,CPS II,嘌呤核苷酸分解,黄嘌呤氧化酶,胆汁酸合成,7-羟化酶,维生素D3,活化,1-羟化酶,46,例一：肝胆固醇生物合成的反馈调控,调节酶,：,HMG-CoA还原酶,47,例二：大肠杆菌CTP生物合成的反馈调控,调节酶：,天冬氨酸转氨甲酰酶（ATC酶）,48,例三：氨基酸生物合成的反馈调控,49,别构中心与反馈调节剂结合,例：HMG-CoA还原酶,天冬氨酸转氨甲酰酶,别构效应剂,- 别构激活剂,- 别构抑制剂,2、别 构 酶/变构酶,50,变构酶的底物活性曲线,变构激活剂,变构抑制剂,酶活力的变构调节,变构调节的概念 某些小分子效应物能与酶分子上的非催化部位特异地结合，引起酶蛋白的分子构象发生改变，从而改变酶的活性。,变构抑制剂：,变构后引起酶活性的减弱,变构激活剂,：,变构后引起酶活性的增强,快速调节酶活性的一种重要方式。,51,一些代谢途径中的变构酶及其效应剂,52,调节代谢的方向 ，由分解该为合成，防止产物过剩，多余能源合成储存，调节能量代谢的平衡,可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度。,通过,反馈抑制,，可以及早地调节整个,代谢通路,，减 少不必要的,底物消耗,。,变构调节的生理意义,或,S,0,S,n,S,2,S,1,E,0,E,1,E,n-1,反馈,前馈,或,53,3、酶的共价修饰调节-,化学修饰调节,酶分子化学修饰的概念,酶分子肽链上的,某些基团,可在另一种酶的催化下发生,可逆的共价修饰,，从而引起酶活性的改变。,酶促化学修饰的机理,磷酸化,和,去磷酸化,在物质代谢调节中最为常见。,54,例：糖原磷酸化酶,55,糖原合成、分解的,共价修饰调节,56,化学修饰调节的生理意义,以调节代谢的强度为主，也调节速度,调节过程耗能少,调节速度快、节能、经济有效,酶促化学修饰的特点,修饰过程需要其它酶的催化，酶从活性到非活性的互变需不同的酶分别催化。,化学修饰引起酶分子共价键的改变，因一个酶可催化多个酶蛋白修饰，即出现级联放大作用。,修饰过程需耗能,57,4、 酶量的调节,1,. 酶蛋白合成的诱导和阻遏,2,. 酶蛋白降解,58,酶含量调节,通过改变酶的,合成,或,降解速度,以控制酶的,绝对含量,来调节代谢。,合成,降解,酶的含量,诱导和阻遏,59,1,.,酶蛋白合成的诱导和阻遏,酶的诱导剂：,加速酶合成的化合物,酶的阻遏剂：,减少酶合成的化合物,60,酶合成的诱导剂和抑制剂,（1）,底物,对酶合成的,诱导,例如：尿素循环中精氨酸酶受食物蛋白质诱导,（2）,产物,对酶合成的,阻遏,例如：肝脏中HMGCoA合成酶受胆固醇阻遏,（3）,激素,对酶合成的,诱导,例如：胰岛素诱导糖酵解中关键酶的合成,（4）,药物,对酶合成的,诱导,例如：苯巴比妥诱导促进药物代谢酶的合成,61,2、酶蛋白降解,改变酶蛋白分子降解的速度也,能调节细胞内酶的含量。,62,（三）细胞代谢调控在生产实践中的作用,1、降低代谢产物的浓度,（1）赖氨酸的发酵生产,（2）肌苷和肌苷酸的发酵生产,2、添加诱导物类似物,63,（1）赖氨酸的发酵生产,利用高丝氨酸脱氢酶缺陷型变种的棒状杆菌,减少协同反馈抑制作用,64,（2）肌苷和肌苷酸的发酵生产,65,二、激素和神经系统的调节,1,激素水平的调节：,内分泌腺所分泌的激素，通过体液输送到组织，作用于 靶细胞，改变酶活性，调节代谢反应的方向和速度。,特点,含量少,作用很大，效率高,在医疗上，激素也是一类重要药物,66,2、神经 - 体液性调节,在中枢神经系统的直接 控制下或间接通过激素对机体进行综合性调节。,神经水平,激素水平,作用短而快,作用缓慢而持久,调节具有整体性,调节具有局限性,内分泌激素由神经系统控制,许多激素由内分泌腺分泌,67,上级内分泌腺对下级内分泌腺的调节控制,3,、激素和神经系统对代谢调节的上下级关系,68,4、负反馈作用,69,激素调控往往是,局部性,的，并且直接或间接受到神经系统的控制。,通常一种激素只作用于一定的细胞组织，不同的激素调节不同的物质代谢或生理过程。,70,第四节 代谢抑制剂和抗代谢物,一、代谢抑制剂,（一）,概念：,指能够抑制机体代谢某一反应,或某一过程的物质。,（二）,意义：,1. 在基础理论上广泛应用为研究工具,2. 作为疾病的诊断和治疗药物,71,（三）代谢（或酶）抑制剂的种类,1、作用于细胞壁或细胞膜的抑制剂,2、核酸代谢和蛋白质生物合成抑制剂,3、蛋白质水解和氨基酸代谢的抑制剂,4、糖代谢的抑制剂,5、脂类代谢的抑制剂,6、电子传递体和氧化磷酸化抑制剂,72,二、抗代谢物（拮抗物）,（一）抗代谢物的概念：,在化学结构上与天然代谢物类,似，这些物质进入体内可与正常代,谢物相拮抗，从而影响代谢的进行。,73,（二）抗代谢物的种类,1、维生素类似物,2、氨基酸类似物,3、嘌呤和嘧啶类似物,4、糖代谢物类似物,74,（三）抗代谢物的重要意义,1、抗代谢物与药物作用机制的研究,2、抗代谢物与新药的设计,75,本章小结,了解代谢调控的三个不同水平，,掌握细胞水平调节的种类及机制,2.,掌握代谢抑制剂及抗代谢物的概念,76,