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1、第 10 章物质代谢的联系与调节物质代谢的联系与调节Metabolic Interrelationships and Regulation第一节第一节 物质代谢的特点物质代谢的特点The Specialty of Metabolism物质代谢的特点物质代谢的特点一、开放性一、开放性 二、有序性二、有序性三、整体性三、整体性 四、统一性四、统一性五、合理性五、合理性 六、酶催化六、酶催化七、可调性七、可调性 八、八、ATP是能量载体是能量载体九、九、NADPH是还原当量的主要载体是还原当量的主要载体十、网络化运行十、网络化运行一、开放性一、开放性物质与能量均可与环境进行交换。物质与能量均可与环境
2、进行交换。二、有序性二、有序性直线型直线型分支型分支型环环 型型A1B1C1S1趋散型趋散型趋同型趋同型三、整体性三、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n代谢组学代谢组学Metabonomics:研究内源性代谢物的整体动态变化规律及与生研究内源性代谢物的整体动态变化规律及与生物学过程的联系。物学过程的联系。四、统一性四、统一性异化作用异化作用合成物质合成物质吸收能量吸收能量同化作用同化作用分解代谢分解代谢释放能量释放能量在代谢中，同化与异化、
3、合成与分解、产能与耗在代谢中，同化与异化、合成与分解、产能与耗能、激活与抑制等过程是既矛盾对立、又紧密相能、激活与抑制等过程是既矛盾对立、又紧密相关不可分割的，是辩证统一的关系。关不可分割的，是辩证统一的关系。五、合理性五、合理性细胞代谢的原则和策略：通过少数反应将各类细胞代谢的原则和策略：通过少数反应将各类物质转化成种类繁多的分子，结合多样灵活调物质转化成种类繁多的分子，结合多样灵活调节，以尽量少的投入得到更多的产出。节，以尽量少的投入得到更多的产出。以糖代谢为中心，协调各种物质代谢的相互转以糖代谢为中心，协调各种物质代谢的相互转变，以适应机体整体环境的变化。变，以适应机体整体环境的变化。产
4、生的毒副产物转化后以适当方式排出。产生的毒副产物转化后以适当方式排出。六、酶催化六、酶催化酶促反应具有反应条件温和、高效和高度专一、无酶促反应具有反应条件温和、高效和高度专一、无副产物的特点。副产物的特点。有酶存在时，代谢反应的速度可提高有酶存在时，代谢反应的速度可提高1031020倍。倍。酶活性具有可调节性：机体通过调节酶活性，控制酶活性具有可调节性：机体通过调节酶活性，控制机体内各种代谢反应。机体内各种代谢反应。酶的含量和酶的活性是关系到物质代谢酶的含量和酶的活性是关系到物质代谢能否进行和代谢速度的关键。能否进行和代谢速度的关键。七、可调性七、可调性机体有精细的调节机体有精细的调节机制，调
5、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体代谢适应环境适应环境的变化的变化八、八、ATP是能量载体是能量载体营养物分解营养物分解释放释放能量能量ADP+PiATP直接直接供能供能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九、九、NADPH是是合成代谢所需的还原当量合成代谢所需的还原当量例如例如乙酰乙酰CoANADPH+H+脂酸、胆固醇脂酸、胆固醇磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径十、网络化运行十、网络化运行生物体内各代谢途径间互相联系，构成错综复杂生物体内各代谢途径间互相联系，构成错综复杂的反应网络。的反应网络。网络以糖代谢为
6、网络以糖代谢为“中心网站和主干信息高速公路中心网站和主干信息高速公路”，其它每个代谢为，其它每个代谢为“外围网站外围网站”并形成一个独并形成一个独立的立的“局域网局域网”。不同代谢所含的共同代谢中间产物构成信息和物不同代谢所含的共同代谢中间产物构成信息和物质交换节点，将各个代谢终端（途径）关联起来。质交换节点，将各个代谢终端（途径）关联起来。iro第二节第二节 组织、器官的代谢特组织、器官的代谢特点及联系点及联系Metabolic Characters and Interrelationships of Tissues and Apparatus各组织、器官物质代谢各具特色各组织、器官物质代谢
7、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各组织、器官的代谢并非孤立地进行，而是通过血液循环及神经系统联成统一整体 一、几个重要组织器官的代谢特点一、几个重要组织器官的代谢特点（一）肝（一）肝肝是机体物质代谢的枢纽，调节和联系全身器官肝是机体物质代谢的枢纽，调节和联系全身器官代谢的中心。代谢的中心。1.肝糖原合成与分解；肝糖原合成与分解；肝糖原合成与分解；肝糖原合成与分解；2.糖异生；糖异生；糖异生；糖异生；3.合成尿素；合成尿素；合成尿素；合成尿素；4.合成酮体；合成酮体；合成酮体；合成酮体；5.合
8、成血浆蛋白和多种凝血因子；合成血浆蛋白和多种凝血因子；合成血浆蛋白和多种凝血因子；合成血浆蛋白和多种凝血因子；6.合成合成合成合成 VLDLVLDL、HDLHDL、和、和、和、和apoapo及脂蛋白代谢的酶。及脂蛋白代谢的酶。及脂蛋白代谢的酶。及脂蛋白代谢的酶。7.合成胆汁酸。合成胆汁酸。合成胆汁酸。合成胆汁酸。耗能大，耗氧多耗能大，耗氧多,20,20%-%-25%25%；葡萄糖为主要能源，无糖原储存；葡萄糖为主要能源，无糖原储存；每天利用血糖每天利用血糖100g；不能利用脂肪酸，葡萄糖不足时，能利用酮体。不能利用脂肪酸，葡萄糖不足时，能利用酮体。（二）脑（二）脑合成、储存糖原；合成、储存糖原
9、；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,剧烈运动时，以剧烈运动时，以糖酵解为主糖酵解为主；肌糖原不能直接分解成葡萄糖提供血糖肌糖原不能直接分解成葡萄糖提供血糖；在禁食和长期饥饿下，肝脏糖异生在禁食和长期饥饿下，肝脏糖异生(丙氨酸葡萄丙氨酸葡萄糖循环糖循环)维持血糖水平。维持血糖水平。（三）肌三）肌 肉肉也可进行糖异生和生成酮体（肝外唯一）；也可进行糖异生和生成酮体（肝外唯一）；肾髓质无线粒体，故主要由糖酵解供能；肾皮质肾髓质无线粒体，故主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、酮体有氧氧化供能。主要由脂酸、酮体有氧氧化供能。谷氨酰胺生成（运氨储氨，调节酸碱平衡）谷氨酰胺生成（运氨
10、储氨，调节酸碱平衡）（四）肾（四）肾 脏脏 肾脏在代谢中的作用仅次于肝脏 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。（五）心脏（五）心脏能量主要来自糖酵解。能量主要来自糖酵解。（六）红细胞（六）红细胞无亚细胞器合成及储存脂肪；合成及储存脂肪；脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用。组织利用。（七）脂肪组织（七）脂肪组织二、主要器官间的代谢联系二、主要器官间的代谢联系（一）肝（一）肝（一）肝（一）肝-肌肉：糖原合成与分解、糖异生。肌肉：糖原合成与分解、糖异生。肌肉：糖原合成与分解、糖异生。肌肉：糖原合成与分
11、解、糖异生。（二）肝（二）肝（二）肝（二）肝-脑：酮体。脑：酮体。脑：酮体。脑：酮体。（三）肝脏（三）肝脏（三）肝脏（三）肝脏-脂肪：脂蛋白脂肪：脂蛋白脂肪：脂蛋白脂肪：脂蛋白(VLDL(VLDL、LDLLDL、HDL)HDL)。（五）肝脏（五）肝脏（五）肝脏（五）肝脏-肠道：肠道：肠道：肠道：CMCM、糖原合成、胆汁酸。、糖原合成、胆汁酸。、糖原合成、胆汁酸。、糖原合成、胆汁酸。三、各种代谢物均具有各自共同的代谢池三、各种代谢物均具有各自共同的代谢池各各种种组组织织 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如：血糖第三节第三节 物质代谢的相互联系物质代谢的相互联系
12、Metabolic Interrelationships一、在能量代谢上的相互联系一、在能量代谢上的相互联系三三大营养素大营养素共同中共同中间产物间产物共同最终共同最终代谢通路代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 2三大营养素可在体内氧化供能。三大营养素可在体内氧化供能。脂肪分解脂肪分解增强增强ATP 增多增多ATP/ADP 比值增高比值增高从能量供应，三者可互相代替，互相制约。从能量供应，三者可互相代替，互相制约。一般供能以糖、脂为主，节约蛋白质的消耗。一般供能以糖、脂为主，节约蛋白质的消耗。糖分解被抑制糖分解被抑制 6-磷酸
13、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）例如例如饥饿饥饿 肝糖原分解肝糖原分解 ，肌糖原分解肌糖原分解 肝糖异生肝糖异生，蛋白质分解蛋白质分解 以脂酸、酮体分解供能以脂酸、酮体分解供能为主为主蛋白质分解明显降低蛋白质分解明显降低1 2 天天3 4 周周（一）糖代谢与脂代谢的相互联系（一）糖代谢与脂代谢的相互联系二、糖、脂和蛋白质二、糖、脂和蛋白质之间的相互联系之间的相互联系乙酰乙酰CoA、磷酸甘油、磷酸甘油、NADPH（二）糖与氨基酸代谢的相互联系（二）糖与氨基酸代谢的相互联系葡萄糖、各种酮酸葡萄糖、各种酮酸（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系（三）脂类
14、与氨基酸代谢的相互联系乙酰乙酰CoA、磷脂、磷脂X基团基团葡萄糖、糖原葡萄糖、糖原丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA脂肪脂肪Leu、Lys草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸TyrProVal,Ile,Met,ThrAspGluArgHisPro胆固醇、酮体胆固醇、酮体AlaTrpSerGlyThrCys甘油甘油脂酸脂酸目目 录录（四）核酸与糖、蛋白质（四）核酸与糖、蛋白质代谢的相互联系代谢的相互联系 1.氨基酸是体内合成核酸的重要原料氨基酸是体内合成核酸的重要原料甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺一碳单位一碳单位合成嘌呤合成嘌呤合成嘧啶合成嘧啶2.磷酸核糖由磷酸戊
15、糖途径提供磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供第四节第四节 代代 谢谢 调调 节节The Regulation of Metabolism代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。要特征。主要通过细胞内代谢物浓度的变化，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。为原始调节或细胞水平代谢调节。单细胞生物单细胞生物: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进化过程中，出现了专司调节功能的内分泌细胞及进化过程
16、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。作用。整体水平代谢调节整体水平代谢调节神经系统神经系统 内分泌内分泌 激素激素 细胞代谢细胞代谢 一、细胞水平的代谢调节一、细胞水平的代谢调节细胞水平细胞水平细胞水平细胞水平的代谢调节的代谢调节的代谢调节的代谢调节-酶水平酶水平酶水平酶水平的调节。的调节。的调节。的调节。细胞内酶呈隔离分布（区域性分布）。细胞内酶呈隔离分布（区域性分布）。细胞内酶呈隔离分布（区域性分布）。细胞内酶呈隔离分布（区域性分布）。代谢途径的速度、方向由其中的关键酶代谢途径的速度、方向
17、由其中的关键酶代谢途径的速度、方向由其中的关键酶代谢途径的速度、方向由其中的关键酶(key key enzyme)enzyme)的活性决定。的活性决定。的活性决定。的活性决定。代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。实现的。实现的。实现的。（一）细胞内酶的隔离分布（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细胞的某一区域 。多酶体系在细胞内的分布多酶体系在细胞内的分布 酶的隔离分布的意义酶的隔离分布的意
18、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。速度最慢，速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶故又称其为限速酶(limiting velocity enzymes)。催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定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。整个代谢途径的方向。这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效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。应剂的调节。关键酶关键酶催化的反应具有以下特点：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，其速度及方代谢途径是一系列酶促反
19、应组成的，其速度及方向由其中的向由其中的关键酶关键酶决定决定 。快速代谢快速代谢 迟缓代谢迟缓代谢数秒、数分钟数秒、数分钟通过改变酶的活性通过改变酶的活性数小时、几天数小时、几天通过改变酶的含量通过改变酶的含量 变构调节变构调节(allosteric regulation)化学修饰调节化学修饰调节(chemical modification)代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。基因表达与酶蛋白合成基因表达与酶蛋白合成变构调节变构调节 allosteric regulation小小分分子子化化合合物物与与酶酶分分子子活活性性中中心心以以外外
20、的的某某一一部部位位特特异异结结合合，引引起起酶酶蛋蛋白白分分子子构构象象变变化化，从从而而改改变变酶酶的的活活性性，这这种种调调节节称称为为酶酶的的变变构构调调节节或或别别构构调调节。节。（二）关键酶的变构调节（二）关键酶的变构调节被调节的酶称为变构酶或别构酶被调节的酶称为变构酶或别构酶(allosteric enzyme)使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂(allosteric effecter)变构激活剂变构激活剂 allosteric activater 引起酶活性增加的变构效应剂。引起酶活性增加的变构效应剂。变构抑制剂变构抑制剂 allost
21、eric inhibiter 引起酶活性降低的变构效应剂。引起酶活性降低的变构效应剂。酶的酶的共价修饰共价修饰酶酶蛋蛋白白肽肽链链上上某某些些残残基基在在酶酶的的催催化化下下发发生生可可逆逆的的共共价价修修饰饰 (covalent modification)，从从而而引引起起酶酶活性改变活性改变。磷酸化磷酸化 -去磷酸去磷酸乙酰化乙酰化 -脱乙酰脱乙酰甲基化甲基化 -去甲基去甲基腺苷化腺苷化 -脱腺苷脱腺苷 SH -S S 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磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32
22、-磷酸化的磷酸化的酶蛋白酶蛋白酶量的调节酶量的调节1.酶蛋白合成的诱导与阻遏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：常见的诱导或阻遏方式：1.1.底物对酶合成的诱导和阻遏底物对酶合成的诱导和阻遏2.产物对酶合成的阻遏产物对酶合成的阻遏3.激素对酶合成的诱导激素对酶合成的诱导4.药物对酶合成的诱导或阻遏药物对酶合成的诱导或阻遏 2.酶蛋白降解酶蛋白降解溶酶体溶酶体蛋白酶体蛋白酶体 释放蛋白水解酶，降解蛋白质释放蛋白水解酶，降解蛋白质 泛素
23、识别、结合蛋白质；泛素识别、结合蛋白质；蛋白水解酶降解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，也能调通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。节酶的含量。内、外环境改变内、外环境改变机体相关组机体相关组织分泌激素织分泌激素激素与靶细胞激素与靶细胞上的受体结合上的受体结合靶细胞产生生物学靶细胞产生生物学效应，适应内外环效应，适应内外环境改变境改变激素作用机制激素作用机制二、激素水平的代谢调节二、激素水平的代谢调节激素分类激素分类1.1.膜受体激素膜受体激素2.2.胞内受体激素胞内受体激素按激素受体在细胞的部位不同，分为：按激素受体在细胞的部位不同，分为：1.膜受体激素的作用
24、方式膜受体激素的作用方式激素作用方式激素作用方式 2.胞胞内内受受体体激激素素的的作作用用方方式式（一）饥饿（一）饥饿糖原消耗糖原消耗血糖趋于降低血糖趋于降低胰岛素分泌减少胰岛素分泌减少胰高血糖素胰高血糖素分泌增加分泌增加 引起一系列的代谢变化引起一系列的代谢变化1.短期饥饿（短期饥饿（13天）天）三、整体水平的代谢调节三、整体水平的代谢调节（1）蛋白质代谢变化）蛋白质代谢变化分解加强，氨基酸异生成糖分解加强，氨基酸异生成糖（2）糖代谢变化）糖代谢变化 糖异生加强，糖异生加强，组织对葡萄糖利用降低组织对葡萄糖利用降低（3）脂代谢变化）脂代谢变化 脂肪动员加强，酮体生成增多脂肪动员加强，酮体生成
25、增多2.长期饥饿长期饥饿（1）蛋白质代谢变化）蛋白质代谢变化 蛋白质分解减少蛋白质分解减少（2）糖代谢变化）糖代谢变化肝肾糖异生增强肝肾糖异生增强肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸（3）脂代谢变化）脂代谢变化脂肪动员进一步加强脂肪动员进一步加强脑组织利用酮体增加脑组织利用酮体增加（二）应（二）应 激激1.1.概念概念应应激激(stress)指指人人体体受受到到一一些些异异乎乎寻寻常常的的刺刺激激，如如创创伤伤、剧剧痛痛、冻冻伤伤、缺缺氧氧、中中毒毒、感感染染及及剧剧烈烈情情绪绪波波动动等等所所作作出出一一系系列列反反应应的的“紧张状态紧张状态 ”。2.机体整体反应机体整体反应交感神经兴奋交感神经兴奋肾上腺髓质及皮质激素分泌增多肾上腺髓质及皮质激素分泌增多胰高血糖素胰高血糖素、生长激素增加，、生长激素增加，胰岛素分泌减少胰岛素分泌减少一系列的代谢变化一系列的代谢变化血糖升高血糖升高脂肪动员增强脂肪动员增强蛋白质分解加强蛋白质分解加强