第12章物质代谢调控

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 物质代谢的相互关系与调控,1.,了解物质代谢的调控方式与机理,2.,掌握酶水平的代谢调控,3.,重点掌握物质代谢之间的相互转变关系,程茂高,第一节 物质代谢之间的相互联系,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、蛋白质代谢与脂类代谢的相互联系,四、核酸代谢与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,第二节 代谢调节,一、细胞水平调节,二、酶水平调节,三、激素水平调节,四、神经水平调节,第一节 物质代谢之间的相互联系,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,糖,磷酸二羟丙酮,-,磷酸甘油,3,磷酸甘油醛,丙酮酸,乙酰,CoA,脂肪酸,HMP,、柠檬酸循环,NADPH+H,+,胆固醇及其衍生物,脂肪,TCA,脂肪转变为糖有一定的限制,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,糖异生,脂肪酸,氧化,乙酰,CoA,丙酸,琥珀酰,CoA,琥珀酸,草酰乙酸,糖,二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖,-,酮酸,氨基酸（非必需氨基酸）,蛋白质,蛋白质,（生糖氨基酸）氨基酸,-,酮酸,糖,脂肪代谢和糖代谢的关系,延胡索酸,琥珀酸,苹果酸,草酰乙酸,3-,磷酸甘油,三羧酸循环,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,三、蛋白质代谢与脂类代谢的相互联系,蛋白质可间接地转变为脂肪,蛋白质,生酮氨基酸,乙酰,CoA,脂肪酸,生糖氨基酸,糖异生作用,糖,脂肪,由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,氨基酸碳架,氨基酸,蛋白质,植物与微生物细胞中存在乙醛酸循环，从而促使脂肪酸转变成氨基酸。在人和动物细胞中缺少这样的机制，因此，动物组织不易利用脂肪酸合成氨基酸。,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。,四、核酸代谢与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,知识应用,在人的膳食中严重缺乏糖时（如进行禁食减肥的人群）为什么易发生酸中毒？怎样进行酸中毒病人的急救？,正常情况下，人体所需的能量主要来自糖的氧化。,当人的膳食中严重缺糖时，血液要维持一定的血糖浓度，只有少量的糖氧化而不能满足机体对能量的需求，此时就需动用其他的能量贮存形式，脂肪的分解代谢成为其主要的供能物质。,脂肪酸在,-,氧化时产生大量的乙酰,CoA,，从而导致,-,氧化受阻，此时的乙酰,CoA,只能在肝脏形成酮体。,酮体的主要成分乙酰乙酸、,-,羟丁酸均是酸性物质，它们的大量积累会造成血液的,pH,下降，达到一定程度时就会引起酸中毒。,在对酸中毒的病人进行急救时，可先碱性物质来提高血液的,pH,，然后（或同时）口服或注射葡萄糖，以使体内的三羧酸循环能够正常进行。,分析短期饥饿时机体代谢发生的主要变化,正常情况下，人体所需的能量主要来自糖的氧化。,当人处于短期饥饿时，血糖浓度降低，在一系列酶的调 节作用下，糖异生速度和糖原分解速度加快，以维持一定的血糖浓度。,此时只有少量的糖氧化，不能满足机体对能量的需求，需动用其他的能量贮存形式，脂肪的分解代谢成为其主要的供能物质。,饥饿时间持续较长时，体内的蛋白质也可参与能量供应。,为什么摄入糖量过多的人容易长胖？,思考题：,1.,乙酰,CoA,可进入哪些代谢途径？,2.,为什么说脂肪中的碳原子都可来自糖？,第二节 代谢调节,代谢调节主要体现在两方面：在相对稳定的条件下，细胞代谢的各个过程互相协调而有节律地进行，保持稳定状态；当环境改变时，细胞代谢能够适应改变了的环境条件，由一种平稳状态转换至另一种平稳状态，消除或降低新环境的不利影响，尽可能保持最适当的生活状况。,生物界代谢的调节，可分为,4,个水平：细胞水平调节、酶水平调节、激素水平调节、神经水平调节。,一、细胞水平调节,以酶为核心的分子水平调节，指酶在细胞内的集中存在与隔离分布,细胞内酶的隔离分布是调节代谢的基础。所谓,细胞内酶的隔离分布,，是指细胞内不同的多酶体系常分布在不同部位，如三羧酸循环和氧化磷酸化的多酶体系等都分布在线粒体中；糖原合成酶系、糖酵解酶系等都分布在胞浆中。因此，每个酶促反应不但不会互相干扰，而且可以互相配合。所以酶在细胞内的定位及隔离分布是,代谢调控的基础,，它可以保证代谢的顺利进行。,酶,定位的区域化,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,二、酶水平调节,生物体内最基本、最普遍的调节方式，主要通过细胞内酶的别构调节、酶的化学修饰及酶含量的改变等来调节，它也是目前研究较多的代谢调节。,(,一,),酶的变构调节,1.,概念,变构调节,(,allosteric,regulation),又称别位调节，主要是指某些物质,(,如反应体系中的中间代谢物或终产物,),能与酶分子的非催化部位相互作用，引起酶分子空间构象的改变，从而改变酶活性的调节作用。具有这种作用的酶称为变构酶,(,allosteric,enzyme),或别位酶。当变构酶催化亚基的活性中心和底物结合时，通过变构可增强其它亚基活性中心对底物的结合，出现,协同效应,。,变构调节因子与变构酶亚基的作用,变构酶作用的底物浓度,S,曲线,2,、酶活性的前馈和反馈调节,前馈和反馈分别表示底物和代谢产物对代谢过程的作用，又可分为激活和抑制两种作用，重要的有前馈激活和反馈抑制。,前馈激活指前面的代谢产物对后面的酶起激活作用，如,6,磷酸葡萄糖是糖原合成酶的前馈激活剂,反馈抑制指反应的终产物对反应序列前面的酶发生抑制作用，包括单价反馈抑制和二价或多价反馈抑制，其抑制机理有顺序反馈抑制、协同反馈抑制、积累反馈抑制、同工反馈抑制,反馈激活和前馈激活示意图,AB C D F,AB,G,C,D,E,E,+,+,+,例,1:,糖代谢途径中丙酮酸积累激活丙酮酸羧化酶，例,2,：,乙酰,CoA,的积累激活,PEP,羧化酶,顺序反馈抑制示意图,A,B,G,F,J,D,C,H,-,-,-,E,1,E,3,E,2,协同调节示意图,A,B,G,F,J,D,C,H,-,E,1,E,3,E,2,-,-,-,累积反馈抑制示意图,同工酶反馈抑制示意图,A,B,G,F,J,D,C,H,-,-,-,-,E,1,E,2,E,3,E,4,3,.,变构调节机理模型,变构酶的,S,型动力学曲线是变构酶内在调节机理的表观现象。,Monod,等人提出的齐变模型,Koshland,等人提出的序变模型,4.,酶变构调节的生理意义,(1),变构调节是细胞水平代谢调节中的一个较为常见的快速调节。,(2),变构调节还可使能量得以有效利用。,(3),酶的变构调节在加快或减慢代谢速度的同时，往往伴有代谢方向的改变。,(4),变构调节还可使不同代谢途径相互协调。,(,二,),酶促化学修饰的调控,1.,酶促化学修饰的概念,变构酶分子肽链上的某些基团,在另一种酶的催化下进行共价键结合,结合后引起分子变构。这种作用称为酶的化学修饰或酶促化学修饰。,目前已知有,六种修饰方式,：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，甲基化,/,去甲基化，氧化（,S-S,）,/,还原,(2SH),。,2.,酶促化学修饰的特点,属于这类调节方式的酶一般都有无活性,(,或低活性,),和有活性,(,或高活性,),两种形式。,酶促化学修饰会引起酶分子共价键的变化，且其调节效率常较变构调节效率高,磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应，一般是耗能的,（三）酶含量的调节,酶含量调节主要是通过调节酶蛋白的合成过程实现的。蛋白质生物合成体系的各个环节：转录、翻译、翻译后的加工等，都有可能影响酶的生物合成速度。相比之下，,转录是更为重要的调控环节,。转录的产物,mRNA,是合成酶蛋白的模板，,mRNA,多，则酶的合成能力强。细胞可以根据需要加快合成,mRNA,，以增加酶量；也可随时停止合成,mRNA,以减少酶的合成。,诱导和阻遏,是底物和产物分别对转录产生的正调和负调作用，这是基因水平上的两种基本调节机制。,（四）酶原与酶原的激活,见第三章,（五）,辅因子对已有酶活性的调节,能荷对代谢的调节,NADH/NAD,+,对代谢的调节,金属离子浓度,对代谢的调节,三、激素对代谢的调节,在生物体内有很多激素在生物的生长、发育、物质代谢等方面起着重要的调控作用。不同的激素作用机理不同。,动物激素,4,类：,氨基酸及其衍生物、肽及蛋白质、,固醇类、脂肪酸衍生物。,植物激素,5,类：,生长素、赤霉素类、激动素类、,脱落酸、乙烯。,含氮类激素的作用机理：首先作用于细胞膜上，再与膜上腺苷酸环化酶的特异受体部位相结合，从而激活腺苷酸环化酶；在活化了的腺苷酸环化酶和,Mg,2,的作用下，使,ATP,转变为,cAMP,；然后通过,cAMP,的作用，使无活性的蛋白激酶转变为有活性的蛋白激酶；后者再进一步影响细胞内酶系的活性和其它功能蛋白的作用，以发挥激素的生物效应。,cAMP,在实现激素的调控作用中起到,“,第二信使,”,的作用和,级联放大,作用。,类固醇激素的作用机理：进入靶细胞后和细胞内某种受体蛋白结合发生变构作用，生成激素受体复合物。后者进入核内，结合到染色质上，促进,DNA,的转录，生成,mRNA,，再翻译生成诱导蛋白，进一步发挥生物效应。,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。,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,1,3,2,10,2,10,4,10,6,10,8,葡萄糖,ATP ADP,ATP ADP,4,5,6,四、神经系统对代谢的,调节,高等动物有着高度复杂和完善的神经系统，动物可根据内外环境的变化，通过神经系统对机体内各器官的代谢与生理功能进行快捷有效的控制和协调。因而神经调节是最高水平的调节。,动物利用其感觉器官感知周围的环境变化，通过神经传递给大脑，由大脑对这些信息进行综合分析，再发出指令采取适当的应对措施；神经系统还可通过控制激素的分泌实现对代谢和生理功能的调控。,代谢调节四级水平的关系,神经水平调节,激素水平调节,酶水平调节,细胞水平调节,动 物,植 物,单细胞,生物,谢 谢,