生物化学第2篇 第09章 物质代谢与调节--物质代谢的联系与调节

第九章物质代谢的联系与调节MetabolicInterrelationshipsandRegulation物质代谢的特点TheSpecialtyofMetabolism第一节一、整体性糖类脂类蛋白质水无机盐维生素•各种物质代谢之间相互联系，相互依存。消化吸收中间代谢废物排泄二、代谢调节机体有精细的调节机制，调节代谢的强度、方向和速度内外环境不断变化影响机体代谢适应环境的变化三、各组织、器官物质代谢各具特色结构不同酶系的种类、含量不同不同的组织、器官代谢途径不同、功能各异四、各种代谢物均具有各自共同的代谢池例如各种组织消化吸收的糖肝糖原分解糖异生血糖五、ATP是机体能量利用的共同形式营养物分解释放能量ADP+PiATP直接供能六、NADPH是合成代谢所需的还原当量例如乙酰CoANADPH+H+脂酸、胆固醇磷酸戊糖途径物质代谢的特点整体性代谢调节各组织、器官物质代谢各具特色各种代谢物均具有各自共同的代谢池ATP是机体能量利用的共同形式NADPH是合成代谢所需的还原当量物质代谢的相互联系MetabolicInterrelationships第二节一、在能量代谢上的相互联系脂肪三大营养素糖蛋白质共同中间产物乙酰CoA共同最终代谢通路ATPTAC2HCO2●三大营养素可在体内氧化供能。●从能量供应的角度看，三大营养素可以互相代替，并互相制约。●一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。脂肪分解增强ATP增多ATP/ADP比值增高●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。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）例如•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（一）糖代谢与脂代谢的相互联系1.摄入的糖量超过能量消耗时二、糖、脂、蛋白质及核酸代谢之间的相互联系葡萄糖乙酰CoA合成脂肪（脂肪组织）合成糖原储存（肝、肌肉）2.脂肪的甘油部分能在体内转变为糖脂酸乙酰CoA葡萄糖脂肪甘油甘油激酶肝、肾、肠磷酸甘油葡萄糖3.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综上所述，糖代谢与脂代谢的相互联系可概括为以下几个要点：糖可转变为脂肪脂肪不能转变为糖脂肪的代谢受糖代谢影响（二）糖与氨基酸代谢的相互联系例如丙氨酸丙酮酸脱氨基糖异生葡萄糖1.大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α-酮酸，可转变为糖。2.糖代谢的中间产物可氨基化生成某些非必需氨基酸糖丙酮酸草酰乙酸乙酰CoA柠檬酸α-酮戊二酸丙氨酸天冬氨酸谷氨酸糖与氨基酸代谢的相互联系可概括为：大部分氨基酸可转变为糖。糖代谢的中间产物可氨基化生成某些非必需氨基酸氨基酸乙酰CoA脂肪1.蛋白质可以转变为脂肪2.氨基酸可作为合成磷脂的原料丝氨酸磷脂酰丝氨酸胆胺脑磷脂胆碱卵磷脂（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系——但不能说，脂类可转变为氨基酸。脂肪甘油磷酸甘油醛糖酵解途径丙酮酸其他α-酮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类与氨基酸代谢的相互联系可概括为：蛋白质可以转变为脂肪氨基酸可作为合成磷脂的原料脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸（四）核酸与糖、蛋白质代谢的相互联系1.氨基酸是体内合成核酸的重要原料甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺一碳单位合成嘌呤合成嘧啶2.磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供葡萄糖、糖原丙酮酸乙酰CoA脂肪Leu、Lys草酰乙酸α-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸TyrPheVal,Ile,Met,ThrAspGluArgHisPro胆固醇、酮体AlaTrpSerGlyThrCys甘油脂酸目录组织、器官的代谢特点及联系MetabolicSpecialtyandInterrelationshipsofTissuesandApparatus第三节•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有独特而重要的作用。肝•合成、储存糖原•分解糖原生成葡萄糖，释放入血•是糖异生的主要器官肝在糖代谢中的作用如——肝在维持血糖稳定中起重要作用。酮体乳酸游离脂酸葡萄糖•以葡萄糖有氧氧化供能为主。心脏•耗能大，耗氧多。•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。脑•合成、储存糖原；•通常以脂酸氧化为主要供能方式；剧烈运动时，以糖酵解为主。肌肉•能量主要来自糖酵解。红细胞•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。脂肪组织•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、酮体有氧氧化供能。肾脏代谢调节TheRegulationofMetabolism第四节高等生物——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。主要通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶的活性及含量进行调节，这种调节称为原始调节或细胞水平代谢调节。单细胞生物一、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(keyenzyme)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。（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。多酶体系在细胞内的分布多酶体系分布糖酵解胞液磷酸戊糖途径糖异生糖原合成三羧酸循环线粒体氧化磷酸化线粒体胞液胞液胞液多酶体系分布线粒体脂酸氧化脂酸合成胞液内质网、胞液胆固醇合成磷脂合成内质网DNA、RNA合成细胞核•酶的隔离分布的意义——避免了各种代谢途径互相干扰。多酶体系分布蛋白质合成多种水解酶溶酶体线粒体、胞液尿素合成血红素合成内质网、胞液线粒体、胞液①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(limitingvelocityenzymes)。②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。③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：•代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及方向由其中的关键酶决定。酶相对活性氨基甲酰磷酸合成酶鸟氨酸氨基甲酰转移酶精氨酸代琥珀酸合成酶精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸酶4.5163.01.03.3149.0正常成人肝尿素合成酶的相对活性酶相对活性氨基甲酰磷酸合成酶鸟氨酸氨基甲酰转移酶精氨酸代琥珀酸合成酶精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸酶4.5163.01.03.3149.0正常成人肝尿素合成酶的相对活性例：糖代谢的关键酶•快速调节•迟缓调节数秒、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(allostericregulation)化学修饰调节(chemicalmodification)•代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。1.变构调节的概念小分子化合物与酶分子活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶的活性，这种调节称为酶的变构调节或别构调节。（二）关键酶的变构调节•被调节的酶称为变构酶或别构酶(allostericenzyme)•使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂(allostericeffector)•变构激活剂——引起酶活性增加的变构效应剂。•变构抑制剂——引起酶活性降低的变构效应剂。2.变构调节的机制变构酶催化亚基调节亚基变构效应剂：底物、终产物其他小分子代谢物变构效应剂+酶的调节亚基酶的构象改变酶的活性改变（激活或抑制）酶结构疏松与紧密亚基聚合与解聚酶分子多聚化与解聚(原聚体多聚体)3.变构调节的生理意义①代谢终产物反馈抑制(feedbackinhibition)反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。乙酰CoA乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA长链脂酰CoA②变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促进糖的储存③变构调节使不同的代谢途径相互协调。柠檬酸–+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化乙酰辅酶A羧化酶促进脂酸的合成（三）酶的化学修饰调节1.化学修饰的概念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(covalentmodification)，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化学修饰。2.化学修饰的主要方式磷酸化---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–互变酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白3.化学修饰的特点①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。②具有放大效应，效率较变构调节高。③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。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ATPcAMPPKA(无活性)磷酸化酶b激酶糖原合酶糖原合酶-PPKA(有活性)磷酸化酶b磷酸化酶a-P磷酸化酶b激酶-PPi磷蛋白磷酸酶-1PiPi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）磷酸化酶bAmppiATP6磷酸葡萄糖＋—（四）酶量的调节1.酶蛋白合成的诱导与阻遏加速酶合成的化合物称为诱导剂(inducer)减少酶合成的化合物称为阻遏剂(repressor)常见的诱导或阻遏方式Ⅰ底物对酶合成的诱导和阻遏Ⅱ产物对酶合成的阻遏Ⅲ激素对酶合成的诱导Ⅳ药物对酶合成的诱导2.酶蛋白降解溶酶体蛋白酶体——释放蛋白水解酶，降解蛋白质——泛素识别、结合蛋白质；蛋白水解酶降解蛋白质•通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。内、外环境改变机体相关组织分泌激素激素与靶细胞上的受体结合靶细胞产生生物学效应，适应内外环境改变•激素作用机制二、激素水平的代谢调节•激素分类Ι膜受体激素Ⅱ胞内受体激素按激素受体在细胞的部位不同，分为：1.膜受体激素的作用方式•激素作用方式2.胞内受体激素的作用方式（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（1～3天）三、整体水平的代谢调节（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（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”。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