1代谢途径间及细.pptx

本章内容一、细胞代谢途径的调节网络；二、酶促反应的前馈和反馈；三、细胞结构对代谢的控制；四、神经体液的调节作用；五、基因表达的调控机制。一、代谢途径间的调节网络n所有细胞都是由四类生物大分子(多糖、脂类复合物、蛋白质和核酸)、为数有限的生物小分子、无机盐和水所组成。生物大分子结构特点n n多糖多糖由一种或多种单糖聚合而成；由一种或多种单糖聚合而成；n n蛋白质蛋白质由由2020种氨基酸残基组成；种氨基酸残基组成；n n核酸核酸RNARNA由由4 4种苷酸组成、种苷酸组成、DNADNA由由4 4种脱氧核糖核苷酸组成的无分支长链线种脱氧核糖核苷酸组成的无分支长链线型分子。型分子。n n脂类脂类属于生物小分子，但可聚集成属于生物小分子，但可聚集成超分子结构，因此，将脂类复合物也归超分子结构，因此，将脂类复合物也归为生物大分子。为生物大分子。（一）代谢途径的交叉网络（一）代谢途径的交叉网络n n细胞内代谢种类多、繁杂。n n若各自独立，则极其庞乱，细胞无法容纳。n n细胞代谢：将物质或反应进行分类，纳入各自的代谢途径，以少数种类的反应（例如，氧化还原、基团转移、水解合成、基团脱加及异构反应等）转化为种类繁多的分子。n n各途径可经交叉点、关键中间代谢物相互转化。使各代谢相互沟通，形成经济有效、运转良好的代谢网络通路。n n细胞内具有三个最关键的中间代谢物：葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸和乙酰辅酶A。糖、脂类、蛋白质和核酸的相互转变1.1.糖代谢与蛋白质代谢的相互关系糖代谢与蛋白质代谢的相互关系 n n糖代谢：糖代谢：n n糖机体重要的碳源和能源，可生成相应的氨基酸。n n例如：糖氧化分解丙酮酸TcA-酮戊二酸、琥珀酰CoA、草酰乙酸。（如图）n n几种-酮酸氨基化多种氨基酸。n n糖分解ATP为氨基酸和蛋白质合成供能。糖、脂类、蛋白质和核酸代谢的相互关系示意图（糖分解产生的几种-酮酸与氨基酸的关系）蛋白质代谢转化为糖n n蛋白质分解氨基酸糖（体内）。n n某些AA脱氨丙酮酸、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、草酰乙酸异生葡萄糖和糖原。n n称这些AA称为生糖氨基酸。例如，甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸、组氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、精氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸及脯氨酸等，此外，苯丙氨酸、酪氨酸、异亮氨酸和色氨酸也能产生糖。（如图）糖、脂类、蛋糖、脂类、蛋白质和核酸代白质和核酸代谢的相互关系谢的相互关系示意图示意图(氨基酸除生糖外还可生成酮体和脂肪）2.脂类代谢与蛋白质代谢的联系n n细胞膜由类脂和蛋白质组成。细胞膜由类脂和蛋白质组成。n n脂肪脂肪分解分解能量能量称脂肪为贮能物质称脂肪为贮能物质n n脂类与蛋白质之间可以互相转变脂类与蛋白质之间可以互相转变n n脂类脂类n n甘油甘油丙酮酸丙酮酸草酰乙酸、草酰乙酸、-酮戊二酮戊二酸酸琥珀酰琥珀酰CoACoA氨基化氨基化各种氨基酸各种氨基酸n n脂肪酸脂肪酸-氧化氧化乙酰乙酰CoACoA与草酰与草酰乙酸缩合乙酸缩合TcATcAAspAsp、GluGlu等氨基酸。等氨基酸。TcA形成氨基酸需补充有机酸n n事实上，由乙酰辅酶A进入TcA转化形成氨基酸需要消耗有机酸，如无补充反应将不能进行。n n在植物和微生物中存在乙醛酸(CHOCOO-)循环。可以由二分子乙酰辅酶A合成一分子琥珀酰CoA，以增加TcA中的有机酸，从而促进脂肪酸合成氨基酸。蛋白质转变成脂肪n n在动物体内蛋白质可转变成脂肪。在动物体内蛋白质可转变成脂肪。在动物体内蛋白质可转变成脂肪。在动物体内蛋白质可转变成脂肪。n n生酮生酮生酮生酮AAAAAAAA有有有有LeuLeu、IleIle、PhePhe、TyrTyr及及及及TryTry等，等，等，等，上列上列上列上列AA AA AA AA 代谢代谢代谢代谢乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰CoA CoA CoA CoA 乙酰乙酸乙酰乙酸乙酰乙酸乙酰乙酸（酮体）（酮体）（酮体）（酮体）缩合缩合缩合缩合脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸n n生糖生糖生糖生糖AAAAAAAA丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸甘油甘油甘油甘油 生糖生糖生糖生糖AAAAAAAA丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶A A A A羧化羧化羧化羧化丙二酸单酰辅酶丙二酸单酰辅酶丙二酸单酰辅酶丙二酸单酰辅酶A A A A脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸 （如图）（如图）（如图）（如图）n n磷脂分子中的胆胺或胆碱，是由磷脂分子中的胆胺或胆碱，是由磷脂分子中的胆胺或胆碱，是由磷脂分子中的胆胺或胆碱，是由SerSerSerSer脱羧形成。脱羧形成。脱羧形成。脱羧形成。糖、脂类、蛋糖、脂类、蛋白质和核酸代白质和核酸代谢的相互关系谢的相互关系示意图示意图（生酮（生酮AA）酮体酮体3.糖代谢与脂类代谢的相互联系n糖与脂类可互相转变。n主要步骤：糖酵解磷酸二羟丙酮丙酮酸n磷酸二羟丙酮还原甘油n丙酮酸氧化脱羧乙酰辅酶A缩合脂肪酸n甘油+脂肪酸脂类脂类脂类分解分解甘油甘油+脂肪酸脂肪酸n n甘油磷酸化-甘油磷酸磷酸二羟丙酮糖异生糖n n脂肪酸转变为糖是有限度的。脂肪酸通过氧化，生成乙酰辅酶A。植物或微生物：乙酰辅酶A乙醛酸循环缩合为琥珀酸补充TcA中的有机酸 草酰乙酸脱羧丙酮酸糖。动物体内：乙酰辅酶ATcACO2+H2O，成糖机会很少n n同位素实验表明：动物体内脂肪酸转变成糖，需要补充TcA中的有机酸。糖代谢受阻与动用脂肪n n糖尿病：糖尿病：糖代谢障碍，体内依靠脂类氧化糖代谢障碍，体内依靠脂类氧化供能。因此，动用脂肪，运到肝脏氧化，供能。因此，动用脂肪，运到肝脏氧化，结果产生大量酮体，必须经血液运到其他结果产生大量酮体，必须经血液运到其他组织，如肌肉组织，再被氧化供能。组织，如肌肉组织，再被氧化供能。n n酮体为酸性，血液中酮体含量增高时，易酮体为酸性，血液中酮体含量增高时，易发生酸中毒。发生酸中毒。n n饥饿时：饥饿时：体内无糖供能，也会大量动用脂体内无糖供能，也会大量动用脂肪，易造成酮体过多。肪，易造成酮体过多。n n以上均可导致不同程度的脂类代谢紊乱以上均可导致不同程度的脂类代谢紊乱。4.核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的联系n n核酸核酸是遗传物质，是遗传物质，它通过控制蛋白质合成，它通过控制蛋白质合成，影响细胞的组成和代谢类型。影响细胞的组成和代谢类型。n n核酸核酸不是重要的碳、氮源和能源。不是重要的碳、氮源和能源。n n许多核苷酸许多核苷酸在代谢中起重要作用。例如，在代谢中起重要作用。例如，ATP ATP能量转移和磷酸化的重要物质；能量转移和磷酸化的重要物质；UTP UTP参与单糖转变和多糖合成；参与单糖转变和多糖合成；CTP CTP参与卵磷脂合成。参与卵磷脂合成。GTP GTP为蛋白质合成所需的重要能量物质。为蛋白质合成所需的重要能量物质。此外，许多辅酶：辅酶此外，许多辅酶：辅酶A A、烟酰胺核苷酸等，、烟酰胺核苷酸等，都是都是AMPAMP的衍生物。的衍生物。n n核酸的合成受多种物质特别是蛋白质的调节和控制作用。例如：Gly、Asp、Gln参加嘌呤合成，Asp、Gln参加嘧啶环的合成。n n核酸的合成除需要酶催化外，还需要多种蛋白质因子和核糖参与作用。综上所述，糖、脂类、蛋白质和核酸在代谢中彼此影响，相互转化密切相关。TcA不仅是共通途径，而且也是联系渠道。氧化磷酸化是产能的共通途径。各途径可自身控制与调节，转化是有节制的。（如图）糖、脂糖、脂类、蛋类、蛋白质和白质和核酸代核酸代谢的相谢的相互关系互关系示意图示意图酮体酮体蛋白质蛋白质核酸核酸淀粉、糖原淀粉、糖原脂肪脂肪(二）分解和合成代谢的单向性二）分解和合成代谢的单向性n n代谢途径多为可逆过程。然而，实际上代谢过代谢途径多为可逆过程。然而，实际上代谢过程程均为单向反应。均为单向反应。n n在一条代谢途径中，某些关键部位的正、逆反在一条代谢途径中，某些关键部位的正、逆反应往往由不同酶催化。因此，应往往由不同酶催化。因此，称为称为相对立的单相对立的单向反应（或底物循环）。向反应（或底物循环）。n n合成是吸能反应合成是吸能反应，通常多与，通常多与ATPATP水解相偶联。水解相偶联。n n降解则是放能反应降解则是放能反应。n n这些吸、放能反应均远离平衡点，从而保证了这些吸、放能反应均远离平衡点，从而保证了反应的单向进行。反应的单向进行。n n正向正向正向正向(a)(a)与与与与ATPATP的水解相偶联；逆向的水解相偶联；逆向的水解相偶联；逆向的水解相偶联；逆向(b)(b)多是水解反多是水解反多是水解反多是水解反应或分解反应，应或分解反应，应或分解反应，应或分解反应，不可逆。不可逆。不可逆。不可逆。n n如果如果如果如果(a)(a)和和和和(b)(b)均处于非控制状态，将导致水解高能均处于非控制状态，将导致水解高能均处于非控制状态，将导致水解高能均处于非控制状态，将导致水解高能磷酸键的空转。磷酸键的空转。磷酸键的空转。磷酸键的空转。n n实际上由于实际上由于实际上由于实际上由于(a)(a)和和和和(b)(b)同时受细胞控制，因而它们均同时受细胞控制，因而它们均同时受细胞控制，因而它们均同时受细胞控制，因而它们均为代谢调节的关键步骤或限速步骤。为代谢调节的关键步骤或限速步骤。为代谢调节的关键步骤或限速步骤。为代谢调节的关键步骤或限速步骤。(三三)ATP)ATP能量载体能量载体n n绿色植物和光合细菌可利用太阳能，一般生物绿色植物和光合细菌可利用太阳能，一般生物只能利用分解代谢所产生的化学能。只能利用分解代谢所产生的化学能。n n葡萄糖因结构有序而含有较高的势能。葡萄糖因结构有序而含有较高的势能。葡萄糖葡萄糖氧化降解氧化降解COCO2 2+H+H2 2O+O+自由能自由能n n释放的自由能多不被贮存，而以热能形式散发释放的自由能多不被贮存，而以热能形式散发n n在活细胞的分解代谢中：在活细胞的分解代谢中：有机物有机物降解降解放能放能偶联偶联ATPATP合成合成贮存能贮存能量量ATPATP将能量传递给需能过程。将能量传递给需能过程。由此可见，由此可见，ATPATP是细胞主要的能量传递者、载是细胞主要的能量传递者、载体。体。（如图）（如图）ADPADP由能源获得能量由能源获得能量ATPATP传递给需能细胞利用传递给需能细胞利用（四）（四）NADPHNADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量n n第二种载能方式：先形成第二种载能方式：先形成第二种载能方式：先形成第二种载能方式：先形成H H H H或或或或e e e e还原力，如还原力，如还原力，如还原力，如NADPHNADPHNADPHNADPH。再再再再以供以供以供以供H H H H或或或或e e e e的还原力形式参与合成代谢。的还原力形式参与合成代谢。的还原力形式参与合成代谢。的还原力形式参与合成代谢。n n生物合成生物合成生物合成生物合成是还原性反应过程。是还原性反应过程。是还原性反应过程。是还原性反应过程。n nNADPHNADPHNADPHNADPH是生物合成反应的是生物合成反应的是生物合成反应的是生物合成反应的H H H H和和和和e e e e供体。供体。供体。供体。n nNADPHNADPHNADPHNADPH的作用如图的作用如图的作用如图的作用如图（五）代谢要点在于形成ATP、还原力和构造单元以用于生物合成n nATPATPATPATP来源：来源：来源：来源：底物水平磷酸化可底物水平磷酸化可底物水平磷酸化可底物水平磷酸化可产生有限的产生有限的产生有限的产生有限的ATPATPATPATP 绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、呼吸链的绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、呼吸链的绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、呼吸链的绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、呼吸链的氧化磷酸化等是氧化磷酸化等是氧化磷酸化等是氧化磷酸化等是ATPATPATPATP的主要来源的主要来源的主要来源的主要来源。n n还原力的产生：还原力的产生：还原力的产生：还原力的产生：绿色植物绿色植物绿色植物绿色植物光照光照光照光照电子传递电子传递电子传递电子传递用于还原用于还原用于还原用于还原NADPNADPNADPNADP+；光合细菌的光合细菌的光合细菌的光合细菌的NADPHNADPHNADPHNADPH是由是由是由是由外源还原剂外源还原剂外源还原剂外源还原剂产生或分解代产生或分解代产生或分解代产生或分解代谢供给。谢供给。谢供给。谢供给。（如上图）（如上图）（如上图）（如上图）NADPHNADPHNADPHNADPH主要来自戊糖磷酸途径。主要来自戊糖磷酸途径。主要来自戊糖磷酸途径。主要来自戊糖磷酸途径。n n此外，此外，此外，此外，当乙酰辅酶当乙酰辅酶当乙酰辅酶当乙酰辅酶A A A A由线粒体转移到胞浆时，由线粒体转移到胞浆时，由线粒体转移到胞浆时，由线粒体转移到胞浆时，伴有伴有伴有伴有NADHNADHNADHNADH的氧化和的氧化和的氧化和的氧化和NADPHNADPHNADPHNADPH的生成。的生成。的生成。的生成。n n所产生的所产生的所产生的所产生的NADPHNADPHNADPHNADPH可用于脂肪酸合成。可用于脂肪酸合成。可用于脂肪酸合成。可用于脂肪酸合成。(如图如图如图如图)三大营养物质分解的三个步骤三大营养物质分解的三个步骤n n第一步第一步 大分子大分子降解降解小分子单元小分子单元;n n第二步第二步 各构造单元分子各构造单元分子乙酰辅酶乙酰辅酶A A；（在这一阶段可产生还原力（在这一阶段可产生还原力（在这一阶段可产生还原力（在这一阶段可产生还原力NADPHNADPHNADPHNADPH和少量和少量和少量和少量ATPATPATPATP）n n第三步第三步 乙酰辅酶乙酰辅酶A ATcATcACOCO2 2+H+H2 2O+ATPO+ATPn n每个二碳单位给出每个二碳单位给出4 4对电子，经氧化磷酸化产对电子，经氧化磷酸化产生大量生大量ATPATP（如图）（如图）产能产能营养营养成分成分分解分解三个三个步骤步骤二、酶的调节n n机体代谢相互联系，错综复杂。必然机体代谢相互联系，错综复杂。必然存在精确的调节机制。存在精确的调节机制。n n代谢平衡是动态的、相对的。代谢平衡是动态的、相对的。n n平衡是随环境变化通过机体代谢过程平衡是随环境变化通过机体代谢过程的调节和控制达到的。生物机体正是的调节和控制达到的。生物机体正是在这种不断地运动中才能得到发展和在这种不断地运动中才能得到发展和生存。生存。n n生物体对代谢过程的调控是在生物进生物体对代谢过程的调控是在生物进化中，经自然选择逐步建立的。化中，经自然选择逐步建立的。“酶水平”的调节n n酶的两种功能酶的两种功能酶的两种功能酶的两种功能：其一，催化生化反应，是生物其一，催化生化反应，是生物其一，催化生化反应，是生物其一，催化生化反应，是生物催化剂催化剂催化剂催化剂；其二，调控代谢速度、方向和途径，是新陈代谢其二，调控代谢速度、方向和途径，是新陈代谢其二，调控代谢速度、方向和途径，是新陈代谢其二，调控代谢速度、方向和途径，是新陈代谢的的的的调节元件调节元件调节元件调节元件。n n酶调节的两种方式：酶调节的两种方式：酶调节的两种方式：酶调节的两种方式：其一，通过其一，通过其一，通过其一，通过变构效应和共价修饰调节现有酶的催变构效应和共价修饰调节现有酶的催变构效应和共价修饰调节现有酶的催变构效应和共价修饰调节现有酶的催化活性；化活性；化活性；化活性；其二，其二，其二，其二，通过影响酶合成或降解速度，改变酶分子通过影响酶合成或降解速度，改变酶分子通过影响酶合成或降解速度，改变酶分子通过影响酶合成或降解速度，改变酶分子的含量。的含量。的含量。的含量。其中，其中，其中，其中，合成属基因表达调控合成属基因表达调控合成属基因表达调控合成属基因表达调控。n n这种这种这种这种“酶水平酶水平酶水平酶水平”的调节机制，是代谢的最关键的调的调节机制，是代谢的最关键的调的调节机制，是代谢的最关键的调的调节机制，是代谢的最关键的调节。节。节。节。酶系统决定细胞代谢物反应酶系统决定细胞代谢物反应n n质量作用定律表明，反应速度与反应物的摩尔浓度乘积成正比。n nS正反应速度；n n反之，P 逆反应。因此，代谢物浓度在一定范围内对代谢起调节作用。然而，这种调节是有限的。n n细胞代谢主要受到酶的调节，不同细胞的代谢物的反应有显著差别，这是由细胞内酶系统不同的结果。n酶促反应的前馈和反馈；n能荷的调节；n连锁反应中酶的连续激活；n蛋白酶对酶活性的影响；n酶的共价修饰。下面介绍下面介绍:（一）酶促反应的前馈和反馈n n前馈：输入对输 出的影响；n n反馈：输出对输 入的影响。这两个术语来自电 子工学。n n前馈和反馈又可有正、负前馈和反馈之分。n n凡能使代谢速度加快的作用，均称为正馈作用；反之，则称为负作用。（如图）正前馈作用n n例如：在糖原合成中，葡萄糖-6-磷酸是糖原合成酶的变构激活剂，因此，可促进糖原的合成（如图）。负反馈作用n n在某特殊情况下，为避免代谢途径过分拥挤，当底物过量存在时，对代谢过程常呈负反馈作用。使过量底物转向其他途径。一价、多价反馈及同工酶n n一价反馈抑制：指单一代谢途径末端产物对关键酶（通常是第一步反应）酶活性的抑制作用。n n二价或多价反馈抑制：在有分支的代谢中，有时催化第一步反应的酶活性可被2个末端产物所抑制的现象。n n有些关键步骤的反应可分别由多个酶催化，这些酶称为同工酶，它们可被各自分支途径的产物所抑制。（如图）