生物化学讲义第十章物质代谢的联系和调节

1第九章物质代谢的联系与调节【目的和要求】1.熟悉三大营养物质氧化供能的一般规律和相互关系。2．熟悉糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的相互联系。3．了解代谢调节的三种方式。掌握代谢途径、关键酶（调节酶）的概念；掌握关键酶（调节酶）所催化反应的特点。熟悉细胞内酶隔离分布的意义。了解酶活性调节的方式。4．掌握变构调节、变构酶、变构效应剂、调节亚基、催化亚基的概念；5．掌握酶的化学修饰调节的概念及主要方式。6．熟悉激素种类及其调节物质代谢的特点。7．了解饥饿和应激状态下的代谢改变。【本章重难点】1.物质代谢的相互联系2．物质代谢的调节方式及意义3．酶的变构调节、化学修饰、阻遏和诱导4．作用于细胞膜受体和细胞内受体的激素学习内容第一节物质代谢的联系第二节物质代谢的调节第一节物质代谢的联系一、营养物质代谢的共同规律物质代谢：机体和环境之间不断进行的物质交换，即物质代谢。物质代谢是生命的本质特征，是生命活动的物质基础。二、三大营养物质代谢的相互联系糖、脂和蛋白质是人体内的主要供能物质。它们的分解代谢有共同的代谢通路—三羧酸循环。三羧酸循环是联系糖、脂和氨基酸代谢的纽带。通过一些枢纽2性中间产物，可以联系及沟通几条不同的代谢通路。对糖、脂和蛋白质三大营养物质之间相互转变的关系作简要说明：㈠糖可转变生成甘油三酯等脂类物质（除必需脂肪酸外），甘油三酯分解生成脂肪酸，脂肪酸经β-氧化生成乙酰CoA，乙酰CoA或进入三羧酸循环或生成酮体，所以甘油三酯的脂肪酸成分不易生糖，但甘油部分可以转变为磷酸丙糖而生糖，但是甘油只有三个碳原子，只占甘油三酯的很小部分。㈡多数氨基酸是生糖或生糖兼生酮氨基酸。所以氨基酸转变成糖较为容易。糖代谢的中间产物只能转变成非必需氨基酸，不能转变成必需氨基酸。㈢少数氨基酸可以生酮，生糖氨基酸生糖后，也可转变为脂肪酸（除必需脂肪酸外），所以氨基酸转变成脂类较为容易。脂肪酸经β-氧化生成乙酰CoA进入三羧酸循环后，即以CO2形式被分解。有些中间产物如α-酮戊二酸可转变成谷氨酸，但也仅限于非必需氨基酸，而不能生成必需氨基酸。体内各器官代谢也是相互联系，其中以肝脏为调节和联系全身器官代谢的枢纽中心。第二节物质代谢的调节一、物质代谢的特点(一)整体性：体内各种物质代谢相互联系、相互转变，构成统一整体。(二)代谢在精细的调节下进行。(三)各组织器官物质代谢各具特色，如肝是物质代谢的枢纽，常进行一些特异反应。(四)各种代谢物均有各自共同的代谢池，代谢存在动态平衡。(五)ATP是共同能量形式(六)NADPH是合成代谢所需还原当量但分解代谢常以NAD为辅酶。二、代谢途径间的相互联系(一)能量代谢上的相互联系糖、脂、蛋白质代谢可互相替代并互相制约。一般情况下：以糖、脂供能为主，蛋白质是组成细胞的重要成分，通常并无多余储存，机体尽量节约蛋白质的消耗，且糖、脂代谢之间相互制约，如脂肪分解加强会抑制糖分解。短期饥饿：糖供不足，糖原很快耗尽，分解蛋白质加速糖异生来供能，脂肪3酸分解也加强。长期饥饿：长期糖异生增加，会使蛋白质大量分解，不利于机体，此时，脂肪分解大大加强，以脂肪酸和酮体为主要能源。(二)物质代谢之间的联系糖、脂、蛋白质代谢之间相互联系，相互转变，一种物质代谢障碍可引起其他物质代谢紊乱。1．糖代谢和脂肪代谢的联系①糖可以转变为脂肪：葡萄糖代谢产生乙酰CoA，羧化成丙二酰CoA，进一步合成脂肪酸，糖分解也可产生甘油，与脂肪酸结合成脂肪，糖代谢产生的柠檬酸，ATP可变构激活乙酰CoA羧化酶，故糖代谢不仅可为脂肪酸合成提供原料，促进这一过程的进行。②脂肪大部分不能变为糖：脂肪分解产生甘油和脂肪酸。脂肪酸分解生成乙酰CoA但乙酰CoA不能逆行生成丙酮酸，从而不能循糖异生途径转变为糖。甘油可以在肝、肾等组织变为磷酸甘油，进而转化为糖，但甘油与大量由脂肪酸分解产生的乙酰CoA相比是微不足道的，故脂肪绝大部分不能转变为糖。2．糖与氨基酸代谢的联系①大部分氨基酸可变为糖：除生酮氨基酸(亮氨酸、赖氨酸)外，其余18种氨基酸都可脱氨基生成相应的α-酮酸，这些酮酸再转化为丙酮酸，即可生成糖。②糖只能转化为非必需氨基酸：糖代谢的中间产物如丙酮酸等可通过转氨基作用合成非必需氨基酸，但体内8种必需氨基酸，体内不能转化合成。3．脂肪代谢与氨基酸代谢的联系①蛋白质可以变为脂肪，各种氨基酸经代谢都可生成乙酰CoA，由乙酰CoA可合成脂肪酸和胆固醇，脂肪酸可进一步合成脂肪。②脂肪绝大部分不能变为氨基酸：脂肪分解成为甘油、脂肪酸，甘油可转化为糖代谢中间产物，再转化为非必需氨基酸，脂肪酸分解成乙酰CoA，不能转变为糖，也不能转化为非必需氨基酸。脂肪分解产生甘油与大量乙酰CoA相比含量太少，所以脂肪也大部分不能变为氨基酸。所以食物中的蛋白质不能为糖、脂代替，蛋白质却可代替糖、脂。4．核酸代谢与氨基酸代谢的联系4氨基酸是核酸合成的重要原料如嘌呤合成需要甘氨酸、天冬氨酸及氨基酸代谢产生的一碳单位等。合成核苷酸所需的核糖由葡萄糖代谢的磷酸戊糖途径提供。三、组织、器官的代谢特点及联系各组织、器官由于酶的组成、含量不同，代谢既有共同之处，又各具特点。(一)肝：是三大物质代谢的枢纽，其中有几条代谢途径是其他组织器官不能进行或很少进行的1糖原合成：肌肉也可合成糖原，但其量无法与肝糖原相比。2糖原分解：肝有葡萄糖-6-磷酸酶，可将糖原分解为葡萄糖，维持血糖恒定，肌肉无此酶，故肌糖原不能补充血糖。3糖异生：肝在饥饿时，可异生糖维持血糖浓度，肾只有在长期饥饿时，异生能力才大大加强。4合成尿素：肾也能合成，但量甚微，肝是解毒含氮废物的主要器官。5合成酮体：肾也可生成酮体，但量甚少，可以看作是肝的独有功能。(二)心脏：可以多种物质供能，如酮体、乳酸、脂肪酸等，所以ATP供给充足。(三)脑：几乎以葡萄糖为唯一能源，无糖原储存，也不能利用脂肪酸，长期饥饿时，可以酮体供能。(四)肌肉：以脂肪酸供能为主，剧烈运动以无氧糖酵解为主。(五)红细胞：糖酵解是其唯一供能途径。(六)脂肪组织：合成储存脂肪的重要组织。(七)肾：可糖异生，生成酮体，是除肝外，唯一可进行此两种代谢的器官，但正常情况下，与肝相比，不占主要地位。肝是调节、联系全身器官代谢的中心机构。如通过乳酸循环将肌肉、肝代谢联系起来。又如脂肪组织分解脂肪产生的甘油运至肝，可生成糖。大量脂肪酸可在肝中生成酮体，酮体又可成为肝外组织很好的能源物质。所以全身器官、组织代谢是相互联系的，通过各种代谢之间的联系和调节，将机体统一为一个整体。四、代谢调节正常情况下，机体各种代谢途径是相互联系，相互协调进行的，以适应内外5环境不断变化，保持机体内环境的稳态，这是因为机体的物质代谢有一整套精细的调节系统，如血糖浓度，正常生理条件下，无论饱食或饥饿，差别并不大，这就是在机体调节下，使各种代谢相互协调，从而有利于保持机体正常的生理环境。代谢调节普遍存在于生理界，进化程度越高的生物其代谢调节方式愈复杂。从细胞水平、激素水平、整体水平进行代谢调节称为机体三级水平代谢调节。其中细胞水平代谢调节是基础，激素及整体水平的调节都是通过细胞水平的调节实现的。(一)细胞水平的代谢调节实际上就是酶的调节，这是单细胞生物主要的调节方式，这也是一切代谢调节的基础，包括酶结构的调节和酶量的调节。1细胞内酶的隔离分布。代谢途径有关酶类常常组成酶体系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中，这就使得有关代谢途径只能分别在细胞不同区域内进行，不致使各种代谢途径互相干扰，要记住体内主要代谢过程发生的亚细胞定位，如脂肪酸β氧化、三羧酸循环在线粒体中进行，而脂肪酸合成，糖异生在胞液中进行，尿素合成在胞液和线粒体中进行。代谢反应进行的速度和方向是由此代谢途径中一个或几个具有调节作用的关键酶的活性决定的。这些调节代谢的酶称为关键酶。它们催化的反应有下述特点：①反应速度最慢，因此又称限速酶，它的活性决定整个途径的总速度②催化单向反应或非平衡反应，它的活性决定整个途径的方向③酶活性可受多种代谢物或效应剂的调节。代谢调节主要通过对关键酶活性的调节而实现的，可分为快速调节和迟缓调节两类。快速调节即对酶结构的调节，分为变构调节和共价修饰两种，这类调节方式效应快，但不持久。迟缓调节即对酶含量的调节，发生较慢，但作用也持久。2关键酶的变构调节①变构酶定义在酶一章中已述。②机制：变构酶常是由两个以上亚基组成的具有四级结构的铁蛋白质。在酶分子中与底物结合起催化作用的亚基称催化亚基，与变构效应剂结合起调节作用的调节亚基，个别酶催化，调节部位位于同一亚基。变构效应剂通过非共价键与6调节亚基结合，引起酶构象改变，不涉及酶共价键的变化，从而影响酶与底物结合，使酶催化活性受到影响，酶构象的改变可表现为亚基的聚合或解聚等。③意义：变构调节是细胞水平调节中一种较常见的快速调节，代谢终产物常可对酶起变构抑制作用，此即反馈调节，使代谢物不致过多，也不致过少，也可使能量得以有效利用。变构调节可使不同代谢途径相互协调。3酶的化学修饰调节①定义：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，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化学修饰。②特点：经绝大多数属此类调节方式的酶有无活性(低活性)和有活性(或高活性)两种形式。这两种形式通过共价外修饰，可互相转变。以磷酸化为例，酶蛋白分子中丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的羟基是磷酸化的位点，但有些酶经磷酸化后活性升高，而有些酶磷酸化后却活性降低，在去磷酸化才是其活性状态。化学修饰引起酶的共价键变化，且化学修饰发生的是酶促反应。一个酶分子可催化多个作用物(酶蛋白)出现组成变化，故有放大效应，催化效率比变构调节高。磷酸化，脱磷酸化是最常见的化学修饰调节，其本身也是酶促反应，磷酸化由蛋白激酶催化，脱磷酸化由磷蛋白磷酸酶催化，酶发生磷酸化消耗的ATP比合成酶蛋白消耗的ATP要少得多，因此，是体内调节酶活性经济而有效的方式。对某一酶而言，可同时受变构调节和化学修饰两种方式的调节，然而当效应剂浓度过低，变构调节就不如共价修饰来得快而有效，故在应激情况下，共价修饰尤为重要。4酶量的调节由于酶的合成、降解所需时间较长，消耗ATP较多，故酶量调节属迟缓调节。①酶蛋白的诱导与阻遏一般将加速酶合成的化合物称为诱导剂，减少酶合成的称阻遏剂，二者是在酶蛋白生物合成的转录或翻译过程中发挥作用，但影响转录较常见，通常底物多为诱导剂，产物多为阻遏剂。而激素和药物也是常见的诱导剂。②酶蛋白降解改变酶蛋白分子的降解速度也能调节细胞内酶含量，此过程主要靠蛋白水解酶来完成。7(二)激素水平的调节。这是高等生物体内代谢调节的重要方式。激素作用有较高的组织特异性和效应特异性。激素与靶细胞上特异受体结合，引起细胞信号转导，表现为一系列的生物学效应。按激素受体在细胞的部位不同，可将激素分两大类：1．膜受体激素：这类激素与受体结合后，将信息传递到细胞内，通过变构调节，化学修饰来调节相关酶的活性从而调节代谢，也可对基因表达进行调控。2．胞内受体激素：这类激素与胞内受体结合；通过影响基因转录，进而促进或阻遏蛋白质或酶的合成，从而对细胞代谢进行调节。(三)整体调节1饥饿(1)短期饥饿①肝糖原在饥饿早期即可耗尽②肌肉蛋白质分解加强，用以加速糖异生。③糖异生增强；饥饿2天后，肝糖异生明显增加，用以满足脑和红细胞对糖的需要。④脂肪动员加强，酮体生成增多，脂肪酸和酮体成为心肌、骨骼肌等的重要燃料，一部分酮体可被大脑利用。⑤组织对葡萄糖利用降低，但饥饿初期大脑仍以葡萄糖为主要能源。(2)长期饥饿：一般饥饿1周以上为长期饥饿，此时机体蛋白质降解减少，主要靠脂肪酸和酮体供能。①脂肪动员进一步加强，肝生成大量酮体，脑组织以利用酮体为主，因其不能利用脂肪酸。②肌肉以脂肪酸为主要能源。保证酮体优先供应脑组织。③肌肉蛋白质分解减少，乳酸和丙酮酸取代氨基酸成为糖异生的主要来源。负氮平衡有所改善。④肾糖异生作用明显加强2应激8应激状态，交感神经兴奋，肾上腺激素分泌增多，血胰高血糖素和生长激素水平增加，胰岛素分泌减少，引起一系列代谢改变。(1)血糖升高，这对保证大脑，红细胞的供能有重要意义。(2)