11 生命的主要特色――代谢网络

清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件909目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件910什么是网络(network)?指把所有相关的事物连接起来形成的一个巨大的系统,常作为一个整体看待的、由相互连接的元件所构成的集。概述目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件911近十几年来的网络化时代都带来了什么变化？（网络电视、网络游戏、网络营销……）联系密切（世界范围）；资源共享（世界范围）；集团优势的充分体现……几亿年前生物小小的细胞内就已经进化出了网络化行为——代谢网络。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件912什么是代谢网络(metabolicnetwork)?由生物体内所有的代谢反应或途径，以及相关的调节过程所构成的复杂网络系统。通过代谢途径交叉点上的关键中间产物实现各代谢途径间的联系与转化。目录ByB.Alberts目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件914代谢网络有什么益处？资源共享—途径。在满足需要的前提下，互通有无，最大限度的减少酶、代谢途径及中间产物的数量。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件91511.1代谢网络的特点11.2细胞水平的代谢网络11.3器官水平的代谢网络11.4整体水平的代谢网络11.5代谢组学与相关组学本章主要内容：目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件91611.1代谢网络的特点复杂代谢网络的特点是大量的要素和许多规章制度的循环。1.代谢网络具有整体性。2.代谢网络具有复杂性。3.代谢网络具有可调性。4.代谢网络具有特异性。5.代谢网络具有无尺度性。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件917(1)组成和结构的整体性。(2)代谢活动和调节的整体性。(3)代谢物来源的整体性。11.1.1代谢网络具有整体性目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件918(1)组成和结构的整体性网络的节点——代谢物各节点间的连接——酶促反应、调节反应和物质转运反应目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件919(2)代谢活动和调节的整体性食物中的混合营养成分经消化吸收到体内后的代谢是同时进行的，且各种物质代谢之间和各条代谢途径之间彼此互相联系，或相互转变，或相互依存，或相互制约，从而构成统一的整体。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件920(3)代谢物来源的整体性体内各种代谢物无论是从外界摄入的还是体内产生的，均混合在一起构成各自的代谢池，分布于全身各处进行代谢。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件921(1)网络结构的复杂性。(2)功能属性的复杂性。11.1.2代谢网络具有复杂性目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件922(1)网络结构的复杂性代谢网络由若干不同的代谢途径所构成。包括直线途径、分支途径、循环途径、反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢网络的结构具有复杂性。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件923糖原食物糖葡糖-6-磷酸酵解中间物磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2乳酸CO2脂肪酸食物脂肪甘油储存脂肪NADPH2甘油氨基酸NH3CO2ATP尿素组织蛋白质食物蛋白质三羧酸循环乙醛酸循环磷酸戊糖途径NADPH2呼吸链磷酸戊糖ATPADPATP甲酸CO2NH3核酸H2Oα-酮戊二酸生糖甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺NADPH2磷脂SerMet氨基酸酶基因糖异生酵解目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件924(2)功能属性的复杂性物质代谢与能量代谢相偶联合成代谢与分解代谢相偶联代谢反应与调节反应相偶联不同物质代谢途径之间相偶联使代谢网络表现出不同于单一代谢途径的新的功能属性。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件925自适应(self-adaption）代谢网络可根据内外环境因素的改变，“自动地”对代谢过程进行相应的调节、处理和整合，以适应环境的变化，这一功能属性称为自适应。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件926由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组成的一套调控系统，对代谢网络进行精细、完善而又复杂的调控。11.1.3代谢网络具有可调性目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件927(1)组织细胞特异性。(2)发育阶段特异性。11.1.4代谢网络具有特异性目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件928无尺度性(freescale)指在代谢网络中，个别代谢物比其他代谢物参与了更多的化学反应，它们在网络中处于更为重要的地位。如ATP、NAD+、NADPH、乙酰CoA、6-磷酸葡萄糖等。11.1.5代谢网络具有无尺度性目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件929(1)ATP是生物体能量储存与利用的共同形式；(2)NAD+是大部分不需氧脱氢反应共同的受氢体；(3)NADPH为大多数代谢物的合成提供还原力；(4)乙酰CoA是糖、脂、蛋白质三大物质代谢共同的枢纽点；(5)6-磷酸葡萄糖是各条糖代谢途径的中间转换点。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件9301.细胞水平代谢网络与物质互变。2.细胞水平代谢网络与能量代谢。3.细胞水平代谢网络的调节。11.2细胞水平的代谢网络目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件931细胞水平的代谢网络：由细胞内所有的代谢物及其相关的代谢反应和代谢途径、调节反应和物质转运反应所构成。通过细胞水平的代谢网络，糖、脂肪、氨基酸和核苷酸四大类物质之间可以在一定程度上实现相互转变。11.2.1细胞水平代谢网络与物质互变目录糖、脂类、蛋白质、核酸代谢之间的联系目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件933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糖乙酰CoA、NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成(1)糖代谢与脂类代谢的相互联系目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件934(2)糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白质NH3蛋白质氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件935(3)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氨基酸脂肪蛋白质酮酸或乙酰CoA脂肪酸（生酮氨基酸）氨基酸目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件936(1)糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘油和丙酰CoA部分可以转变成糖；(2)糖能转变成非必需氨基酸，但大多数氨基酸可以转变成糖；(3)脂类仅甘油部分可以转变成氨基酸，但氨基酸可以转变成脂类；(4)氨基酸和糖均可以转变成核苷酸，但脂类仅甘油部份可以转变成核苷酸。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件937糖原三酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO211.2.2细胞水平代谢网络与能量代谢目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件938糖——机体的“燃烧材料”。脂肪——机体的“储能材料”。蛋白质——机体的“建筑材料”。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件939代谢调节机制：细胞水平代谢网络调节器官水平代谢网络调节整体水平代谢网络调节统称为三级水平代谢网络调节。11.2.3细胞水平代谢网络的调节目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件940细胞水平代谢网络调节机制：(1)代谢区室的调节(2)变构调节(3)共价修饰调节(4)酶含量调节目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件941(1)细胞内酶体系的代谢区室调节：代谢区室(metabolon)：细胞内每条代谢途径的酶体系在细胞内都有一定区域或亚细胞分布。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件942细胞有精细的亚细胞结构。细胞内不同区域代谢物的浓度不一致。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件943糖有氧氧化脂肪酸β氧化三羧酸循环呼吸链DNA、RNA合成糖合成脂肪合成蛋白质合成核酸降解生物膜控制底物浓度目录表11-1细胞水平代谢网络中不同酶体系的代谢区室代谢途径酶体系分布代谢途径酶体系分布糖无氧氧化胞液脂肪酸β-氧化胞液和线粒体糖有氧氧化胞液和线粒体酮体生成与利用线粒体磷酸戊糖胞液胆固醇合成胞液和内质网糖原合成胞液磷脂合成内质网糖原分解胞液尿素合成线粒体和胞液糖异生线粒体和（或）胞液三羧酸循环和氧化磷酸化线粒体目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件945细胞内代谢区室隔离的意义：可避免代谢途径之间相互干扰。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。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件946(2)关键酶的变构调节：——最原始和最基本的细胞水平代谢网络调节方式。目录表11-2细胞水平代谢网络中常见关键酶的变构调节清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件948通过对关键酶的变构调节：①避免原材料的不必要浪费；②有效储存所需能量；③维持代谢物的动态平衡；④使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件949(3)酶的共价修饰调节：——通常与细胞外的调节因素相偶联。——即将细胞水平代谢网络的调节与器官水平及整体水平的代谢网络调节偶联起来，最终实现生物体的整体调节以适应内外环境的变化。目录-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶-O-PO32-ThrSerTyr酶蛋白酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰目录激素激素受体ATPcAMP+PPi酶A(无活性）酶A(有活性）酶B(无活性）酶B(有活性）酶C(无活性）酶C(有活性）酶D(无活性）酶D(活性极大）代谢反应环化酶激活1010010001041（浓度）目录表11-3细胞水平代谢网络中常见关键酶的共价修饰调节代谢途径关键酶磷酸化(激活)/脱磷酸化(抑制)磷酸化(抑制)/脱磷酸化(激活)糖原合成与分解糖原磷酸化酶糖原合酶糖原磷酸化酶b激酶糖无氧氧化磷酸果糖激酶-2糖有氧氧化丙酮酸脱氢酶复合体糖异生果糖二磷酸酶-2脂肪合成与分解激素敏感脂肪酶乙酰CoA羧化酶胆固醇合成HMG-CoA还原酶激酶HMG-CoA还原酶目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件953(4)酶含量调节：——主要涉及酶蛋白合成的诱导与阻遏。目录表11-4细胞水平代谢网络中酶含量的调节清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件955指利用体液(主要是血液)的物质转运过程相互偶联，并通过体液因素(主要是激素)进行调节，在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。器官水平代谢网络实现的作用：(1)维持生物体内葡萄糖代谢的平衡，以便为脑和红细胞提供稳定的葡萄糖供应。(2)使能源物质在充足时能够被储存；而在短缺或需求过多时能够被有效地动员或补充。11.3器官水平的代谢网络目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件956器官水平代谢网络：(1)不同组织器官中物质代谢的特点。(2)饥饿状态时器官水平的代谢网络。(3)饱食状态时器官水平的代谢网络。(4)适度运动时器官水平的代谢网络。(5)器官水平代谢网络的调节。目录11.3.1不同组织器官中物质代谢的特点清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件958(1)短期饥饿状态：禁食过夜期间。(2)长期饥饿状态：饥饿持续数周。11.3.2饥饿状态时器官水平的代谢网络目录(1)短期饥饿状态：脑能量葡萄糖肝糖原糖异生β-氧化能量脂肪酸酮体脂肪组织三酰甘油甘油骨骼肌丙酮酸支链氨基酸蛋白质丙氨酸/谷氨酰胺能量红细胞能量乳酸目录(1)长期饥饿状态：脑能量葡萄糖肝和肾糖异生β-氧化能量脂肪酸酮体脂肪组织三酰甘油甘油骨骼肌丙酮酸支链氨基酸蛋白质能量红细胞能量乳酸丙氨酸/谷氨酰胺目录清华版教材《医学生物化学与分子生物学》课件96111.3.3饱食状态时器官水平的代谢网络肝脑能量葡萄糖能量脂肪酸脂肪组织三酰甘油VLDL骨骼肌蛋白质氨基酸乳糜微粒小肠消化淀粉三酰甘油蛋白质三酰甘油合成肝糖原能