代谢的相互联系及调控.ppt

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1、代谢的相互联系及调控 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、整体性一、整体性 糖类糖类 脂类脂类蛋白质蛋白质水水 无机盐无机盐维生素维生素各种物质代谢之间互有联系，相互依存。各种物质代谢之间互有联系，相互依存。消化吸收消化吸收中间代谢中间代谢废物排泄废物排泄物质代谢的特点物质代谢的特点二、代谢调节二、代谢调节机体有精细的调节机体有精细的调节机制，调节代谢的机制，调节代谢的强度、方向和速度强度、方向和速度内外环境内外环境不断变化不断变化影响机体代谢影响机

2、体代谢适应环境适应环境的变化的变化三、各组织、器官物质代谢各具特色三、各组织、器官物质代谢各具特色结构不同结构不同酶系的种类、酶系的种类、含量不同含量不同不同的组不同的组织、器官织、器官代谢途径不同、代谢途径不同、功能各异功能各异是机体物质代谢的枢纽。是机体物质代谢的枢纽。在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具有独特而重要的作用。有独特而重要的作用。肝肝合成、储存糖原合成、储存糖原分解糖原生成葡萄糖，释放入血分解糖原生成葡萄糖，释放入血是糖异生的主要器官是糖异生的主要器官肝在糖代谢中的作用肝在糖代谢中的作用如如肝在维持血糖稳定中起重要作用。肝在维持

3、血糖稳定中起重要作用。酮体酮体乳酸乳酸 游离脂酸游离脂酸葡萄糖葡萄糖以葡萄糖有氧氧化供能为主。以葡萄糖有氧氧化供能为主。心脏心脏耗能大，耗氧多。耗能大，耗氧多。葡萄糖为主要能源。葡萄糖为主要能源。不能利用脂酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体。不能利用脂酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体。脑脑合成、储存糖原；合成、储存糖原；通常以脂酸氧化为主要供能方式；通常以脂酸氧化为主要供能方式；剧烈运剧烈运动时，以糖酵解为主。动时，以糖酵解为主。肌肌 肉肉能量主要来自糖酵解。能量主要来自糖酵解。红红细细胞胞合成及储存脂肪的重要组织；合成及储存脂肪的重要组织；将脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用。将脂肪分解成脂

4、酸、甘油，供机体其他组织利用。脂肪组织脂肪组织也可进行糖异生和生成酮体；也可进行糖异生和生成酮体；肾髓质主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、肾髓质主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、酮体有氧氧化供能。酮体有氧氧化供能。肾脏肾脏四、各种代谢物均具有各自共同的代谢池四、各种代谢物均具有各自共同的代谢池例如例如各各种种组组织织 消化吸收的糖消化吸收的糖 肝糖原分解肝糖原分解糖异生糖异生血血糖糖五、五、ATP是机体能量利用的共同形式是机体能量利用的共同形式营养物营养物分分 解解释放释放能量能量ADP+PiATP直直接接供供能能六、六、NADPH是合成代谢所需的还原当量是合成代谢所需的还原当量还原性有机

5、物还原性有机物 氧化产物氧化产物还原性生物合成产物还原性生物合成产物 氧化前体氧化前体NADPH+H+NADP+还原性生物合成反应还原性生物合成反应分解代谢分解代谢七、代谢的基本要略在于形成七、代谢的基本要略在于形成ATPATP、还原力和、还原力和构造单元用于生物合成构造单元用于生物合成三大营养素三大营养素共同中间共同中间产物产物共同最终代共同最终代谢通路谢通路糖糖脂肪脂肪蛋白质蛋白质乙酰乙酰CoACoATAC2H2H氧氧化化磷磷酸酸化化ATPCOCO2 2第一节代谢途径的相互联系第一节代谢途径的相互联系从能量供应的角度看，三大营养素可以互相代从能量供应的角度看，三大营养素可以互相代替，并互相

6、制约。替，并互相制约。一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。蛋白质的消耗。脂肪分解脂肪分解增强增强ATP 增多增多ATP/ADP 比值增高比值增高任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他物质的降解。其他物质的降解。糖分解被抑制糖分解被抑制 6-磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1被抑制被抑制（糖分解代谢限速酶之一）（糖分解代谢限速酶之一）例如例如一、糖一、糖 脂脂1.摄入的糖量超过能量消耗时摄入的糖量超过能量消耗时 葡葡萄萄糖糖乙酰乙酰CoA合成脂肪合成脂肪（脂肪组织）（脂肪组织）合成糖原储存（肝、肌肉

7、）合成糖原储存（肝、肌肉）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2.脂肪的甘油部分能在体内转变为糖脂肪的甘油部分能在体内转变为糖脂酸脂酸乙酰乙酰CoA葡萄糖葡萄糖脂脂肪肪甘油甘油甘油激酶甘油激酶肝、肾、肠肝、肾、肠磷酸磷酸-甘油甘油葡葡萄萄糖糖动物体内动物体内3.脂肪的分解代谢受糖代谢的影响脂肪的分解代谢受糖代谢的影响饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时高酮血症高酮血症草酰乙酸草酰乙酸相对不足相对不足糖不足糖不足脂肪大量动员脂肪大量动员酮体生成增加酮体生成增加氧化氧化受阻受阻二、糖二、糖 蛋白质蛋白质1.大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的-酮酸，可转变为

8、糖酮酸，可转变为糖(生糖氨基酸生糖氨基酸)。2.糖代谢的中间产物可氨基化生成某些糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸非必需氨基酸三、脂三、脂 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoA脂肪脂肪 1.蛋白质可以转变为脂肪蛋白质可以转变为脂肪 2.氨基酸可作为合成磷脂的原料氨基酸可作为合成磷脂的原料丝氨酸丝氨酸磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸胆胺胆胺脑磷脂脑磷脂胆碱胆碱卵磷脂卵磷脂 但不能说，脂类可转变为氨基酸。但不能说，脂类可转变为氨基酸。脂肪脂肪甘油甘油-磷酸甘油磷酸甘油糖酵解途径糖酵解途径丙酮酸丙酮酸 其他其他-酮酸酮酸某些非必需氨基酸某些非必需氨基酸3.脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸脂肪

9、的甘油部分可转变为非必需氨基酸四、核酸与糖、脂和蛋白质四、核酸与糖、脂和蛋白质.核酸是细胞的遗传物质，控制蛋白质的合成，影响细胞的成分核酸是细胞的遗传物质，控制蛋白质的合成，影响细胞的成分和和代谢类型；代谢类型；.核酸本身受其它物质（如蛋白质）的作用和控制；核酸本身受其它物质（如蛋白质）的作用和控制；I嘌呤环的合成需要嘌呤环的合成需要Gly,Asp,Gln等等I核酸的合成需要酶及多种蛋白因子核酸的合成需要酶及多种蛋白因子.各类物质的代谢需具有高能磷酸键的各种核苷酸各类物质的代谢需具有高能磷酸键的各种核苷酸;IATP是通用的能量载体是通用的能量载体IUTP用于多糖的合成用于多糖的合成ICTP参与

10、磷脂的合成参与磷脂的合成IGTP参与蛋白质合成和糖异生作用参与蛋白质合成和糖异生作用4.许多重要辅酶含核苷酸许多重要辅酶含核苷酸,如如CoA,NAD,NADP,FMN,FAD等等.代谢网络 p540代谢调节普遍存在于生物界，是生物的代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。重要特征。主要通过细胞内代谢物浓主要通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶的活性及含量度的变化，对酶的活性及含量进行调节，这种调节称为进行调节，这种调节称为原始原始调节调节或或细胞水平代谢调节细胞水平代谢调节。单细胞生物单细胞生物 第二节第二节 代谢的调节与控制代谢的调节与控制高等生物高等生物 三级水平代谢调节三级水平代谢调节细

11、胞水平代谢调节细胞水平代谢调节激素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。挥代谢调节作用。整体水平代谢调节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

12、代谢进行综合调节。调而对机体代谢进行综合调节。激素和神经的调节是生物进化发展而完善起激素和神经的调节是生物进化发展而完善起来的调节机制，通过细胞水平和分子水平的来的调节机制，通过细胞水平和分子水平的变化来体现。变化来体现。酶和细胞水平的调节是酶和细胞水平的调节是最基本、最原始最基本、最原始的调的调节方式，为动植物和单细胞生物所共有。节方式，为动植物和单细胞生物所共有。细胞水平的调节包括细胞水平的调节包括基因表达的调控、酶活基因表达的调控、酶活性的调控和细胞区域化调控性的调控和细胞区域化调控三个方面。三个方面。细胞区域化调节细胞区域化调节A真真核核细细胞胞有有复复杂杂的的内内膜膜系系统统和和细细

13、胞胞器器。各各类类代代谢谢反反应应的的酶酶定定位位于于不不同同的的细细胞胞区区域域中中，使使各各代代谢谢在在空空间间上上彼彼此此隔隔开开，互互不不干干扰扰，按按一一定定方方向向进行。进行。A膜膜运输系统运输系统的活性也是的活性也是可调节可调节的，是代谢调节的，是代谢调节中一个重要环节。中一个重要环节。不同酶在细胞内的分布不同酶在细胞内的分布不同酶在细胞内的分布不同酶在细胞内的分布 酶的隔离分布的意义酶的隔离分布的意义 避免了各种代谢途径互相干扰。避免了各种代谢途径互相干扰。不同酶在细胞内的分布不同酶在细胞内的分布二二.酶水平的调节酶水平的调节(最基本、最普遍的调节方式)A生物在生命周期中，基因

14、组的各基因表达随生长发生物在生命周期中，基因组的各基因表达随生长发育有先有后，并受内外环境影响和诱导。育有先有后，并受内外环境影响和诱导。A原核和真核生物基因组原核和真核生物基因组基因包括：基因包括：编码蛋白质的基因编码蛋白质的基因只转录没有翻译功能的基因，有只转录没有翻译功能的基因，有tRNA基因和基因和rRNA基因基因不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因（控制基因）括启动基因和操纵基因（控制基因）基因组基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套育、

15、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。核酸。酶含量的调节（基因表达的调节）酶含量的调节（基因表达的调节）原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点染色体基因组为一条环状双链染色体基因组为一条环状双链DNADNA分子分子基因组小，不编码的基因组小，不编码的DNADNA部份所占比例很小部份所占比例很小结构基因一般是单拷贝，但是编码结构基因一般是单拷贝，但是编码rRNArRNA的基因的基因往往是多拷贝的往往是多拷贝的功功能能相相关关的的基基因因构构成成操操纵纵元元，或或高高度度集集中中，并并常转录成为多顺反子的常转录成为多顺反子的mRNAmRNA有重叠基因、重叠操纵元现象有重叠基因、重叠操纵元现象

16、真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点基因组远大于原核生物的基因组基因组远大于原核生物的基因组如人的单倍体基因组有如人的单倍体基因组有3103109 9 bp bp，大约含有，大约含有3 3万个基因；万个基因；而而E.coliE.coli基因组约基因组约4104106 6bpbp，约有，约有40004000个基因。个基因。DNADNA与组蛋白等构成与组蛋白等构成染色质染色质，被包裹在，被包裹在核膜核膜内，核外内，核外还存在遗传成分还存在遗传成分(如线粒体如线粒体DNADNA等等)。体细胞一般是二。体细胞一般是二倍体（倍体（diploiddiploid），即有两份同源的基因组），即有两份同源的

17、基因组单顺反子单顺反子(monocistron)(monocistron)，基本上没有操纵元的结构，基本上没有操纵元的结构大量重复序列大量重复序列断裂基因断裂基因原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控基因表达包括：基因表达包括：基因经转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。基因经转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因经转录和加工产生成熟的的基因经转录和加工产生成熟的rRNArRNA或或tRNAtRNA的过程。的过程。原核生物基因表达的调节（主要转录水平）原核生物基因表达的调节（主要转录水平）1930 H.Karstrom1930 H.Karstro

18、m提出：诱导酶与组成酶提出：诱导酶与组成酶JacobJacob和和MonodMonod等人等人19611961年提出乳糖操纵元年提出乳糖操纵元(lac operon)(lac operon)学说学说操纵元结构操纵元结构操纵子的调控模型乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型乳糖诱导的负调控乳糖诱导的负调控CAP-cAMPCAP-cAMP对转录的正调控对转录的正调控 cAMP的作用腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶大肠杆菌二阶段生长现象大肠杆菌二阶段生长现象大肠杆菌色氨酸操纵子有有TrpTrp存在时存在时无无Trp存在时存在时大肠杆菌色氨酸操纵子大肠杆菌色氨酸操纵子-衰减子模型衰减子模型前导序列前

19、导序列UUUUU真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控不同层次不同层次(p571)DNADNA和染色体水平的调控和染色体水平的调控基因扩增、基因丢失、基因重排、基因修饰、基因封闭等。基因扩增、基因丢失、基因重排、基因修饰、基因封闭等。转录水平的调控转录水平的调控转录的起始、延伸的弱化、终止等。转录的起始、延伸的弱化、终止等。转录后转录后RNARNA前体加工及转运的调控前体加工及转运的调控真核基因在细胞核中转录，在胞浆中翻译，转录后的加工包括真核基因在细胞核中转录，在胞浆中翻译，转录后的加工包括剪切、拼接、编辑、修饰和转运等。剪切、拼接、编辑、修饰和转运等。翻译水平的调控翻译水平的调控翻译后水

20、平的调控翻译后水平的调控mRNAmRNA降解的调控降解的调控细胞内有控制细胞内有控制mRNAmRNA寿命的机制。寿命的机制。真核生物基因表达调控的可能环节真核生物基因表达调控的可能环节真核基因转录水平的调控真核基因转录水平的调控A真核生物基因组中无操纵元结构A转录调控是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用实现的4顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting elements)(cis-acting elements)顺式作用元件是对同一条DNA链上的基因表达起调控作用的DNA序列，它们与特定的功能基因连锁在一起，可与许多蛋白因子结合而调控转录。包括启动子(promoter)、增强子(

21、enhancer)以及起负性调控作用的沉默子(silencer)。4反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factorstrans-acting factors）与顺式作用元件结合而影响转录的可扩散蛋白称为反式作用因子。酶活性的调节酶活性的调节酶原激活酶原激活酶的变构调节酶的变构调节前馈与反馈作用前馈与反馈作用酶的共价修饰酶的共价修饰级联系统级联系统1 1、酶原的激活、酶原的激活 某些酶先以某些酶先以无活性无活性的的酶原酶原形式合成或分泌，形式合成或分泌，然后在到达然后在到达作用部位作用部位时由其它酶作用，使其时由其它酶作用，使其断裂或失去部分肽段断裂或失去部分肽段从而形成或暴

22、露活性中从而形成或暴露活性中心、形成有活性酶分子的过程。心、形成有活性酶分子的过程。2、酶的别构效应、酶的别构效应别构效应效应物：专门合成的效应剂(体外)底物、产物或代谢途径的最终产物 与该代谢酶系有关的辅酶和核苷酸类化物。前馈与反馈前馈与反馈限速酶限速酶(标兵酶标兵酶)反馈抑制类型单价反馈抑制单价反馈抑制二价或多价反馈抑制二价或多价反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制实例累积反馈抑制实例协同反馈抑制协同反馈抑制同工酶调节同工酶调节氨基酸合成的同工酶调节氨基酸合成的同工酶调节3、酶的共价修饰、酶的共价修饰酶的共价修饰：酶的共价修饰：磷酸化磷酸化/去磷酸化；去磷酸

23、化；乙酰化乙酰化/去乙酰化；去乙酰化；腺苷酰化腺苷酰化/去腺苷酰化；去腺苷酰化；尿苷酰化尿苷酰化/去尿苷酰化；去尿苷酰化；甲基化甲基化/去甲基化；去甲基化；氧化氧化(SS)/(SS)/还原还原(2SH)(2SH)。酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的磷酸化的酶蛋白酶蛋白糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的调节糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的调节ATP ADPPi H2O糖原合成酶糖原合成酶b b（磷酸化，无活性（磷酸化，无活性)糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶a a（磷

24、酸化，有活性）（磷酸化，有活性）ATP ADPPi H2O糖原的分解糖原的分解糖原合成酶糖原合成酶a a(脱磷酸化，有活性脱磷酸化，有活性)糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶b b(脱磷酸化，无活性脱磷酸化，无活性)糖原的合成糖原的合成级联放大系统级联放大系统在连锁代谢反应中一个酶被激活后，连在连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其它酶被激活，导致原始调节续地发生其它酶被激活，导致原始调节信号的逐级放大，这样的连锁代谢反应信号的逐级放大，这样的连锁代谢反应系统称为级联系统。系统称为级联系统。例血液凝固例血液凝固p547p547 激素对代谢的调节激素对代谢的调节激素分类激素分类激素作用机制激素作用机制蛋白质和肽类激素：蛋白质和肽类激素：“第二信使第二信使”假说假说类固醇激素：类固醇激素：作用于作用于DNA，最终通过影响蛋，最终通过影响蛋白质合成白质合成哺乳动物激素哺乳动物激素第二信使假说第二信使假说级级联联反反应应辅因子的调节辅因子的调节l（1）能荷的调节）能荷的调节l EC高，则高，则ATP多，多，l 抑制抑制ATP的生成（分解代谢）的生成（分解代谢）l 却促进却促进ATP的利用（合成代谢）的利用（合成代谢）l（2）NAD+/NADH和和NADP+/NADPHl（3）金属离子的调节）金属离子的调节ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP能荷（能荷（EC.）=