第九章 物质代谢的联系与调节InterrelationshipsandRegulationofMetabolism 新者陈 陈乃谢 新陈恒代谢 生则化 化者生 生化即化生 动态平衡 本章主要内容 二 物质代谢调节1 细胞水平的调节 酶的调节 2 激素水平的调节 体液调节 3 整体水平的代谢调节 神经 体液调节 一 物质代谢的特点与相互联系 物质代谢的特点CharacteristicsofMetabolism 第一节 1 整体性 2 调节性 物质代谢的特点 3 特色性 4 代谢池 5 能量形式 6 还原当量 ATP NADPH 各组织 器官结构不同 酶系的种类 含量不同 代谢途径及功能各不相同 体内各种物质代谢均受控于机体的精细调节 代谢的强度 速度 方向不断的适应内外环境的变化 1 物质代谢的相互联系InterrelationshipsamongMetabolicPathwaysofCarbohydrates Lipids andProteins 第二节 一 在能量代谢上的相互联系 共同中间代谢物 乙酰辅酶A共同最后分解途径 三羧酸循环共同能量形式 ATP 乙酰CoA ATP TAC 糖脂肪蛋白 呼吸链 互相代替 互相制约 一种供能物质代谢占优势 抑制或节约其它 供能 脂肪 葡萄糖 其它单糖 三羧酸循环 电子传递 氧化 蛋白质 脂肪酸 甘油 多糖 氨基酸 乙酰CoA e 磷酸化 Pi 小分子化合物分解成共同的中间产物 共同中间物进入三羧酸循环 氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O 释放出大量能量 其中一部分通过磷酸化储存在ATP中 大分子降解成基本结构单位 生物氧化的三个阶段 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 例如 二 糖 脂和蛋白质代谢通过共同中间产物相互联系 体内糖 脂 蛋白质和核酸等的代谢不是彼此独立 而是相互关联的 它们通过共同的中间代谢物 即两种代谢途径汇合时的中间产物 经三羧酸循环和生物氧化等联成整体 三者之间可以互相转变 当一种物质代谢障碍时可引起其它物质代谢的紊乱 血糖的来源与去路 血糖 3 89 6 11mmol L G 6 P的来源和去路 G 6 P G 1 P 糖原 糖异生 G 糖酵解 糖有氧氧化 磷酸戊糖途径 糖原合成 葡萄糖 肝 脂类代谢 合成 血浆脂蛋白 氨基酸代谢库 氨基酸的来源与去路 个别AA的代谢 一 一碳单位的代谢 二 含硫氨基酸的代谢 三 芳香族氨基酸的代谢 四 支链氨基酸的代谢 糖 脂和蛋白质代谢之间的相互联系 糖 脂 氨基酸 核酸 碱基 核糖 一 糖代谢与脂代谢 二 糖代谢与氨基酸代谢 三 脂代谢与氨基酸代谢 四 核酸与糖 氨基酸代谢 脂 仅甘油能糖异生 糖 不能生成必需氨基酸氨基酸 可异生成糖 除亮 赖 乙酰CoA 糖原 蛋白质 脂肪 乙酰CoA的来源和去路 组织 器官的代谢特点及联系 CharacteristicsandInterrelationshipsofMetabolismofSpecialTissuesandOrgans 第三节 一 肝是机体物质代谢的枢纽 肝是人体的中心生化工厂 肝在糖 脂 蛋白质 水 盐及维生素代谢中均具有独特而重要的作用 肝是体内能合成尿素的唯一器官 也是合成内源性类脂 胆固醇 蛋白质等最多 最活跃的器官 虽然肝储存糖原 糖异生途径活跃 可是肝能量供应通常以氧化脂酸为主 二 心优先利用酮体 脂酸并以有氧氧化为主 三 脑耗氧量大并以葡萄糖为供能物质 脑是机体耗能大的主要器官 耗O2量占全身耗O2的20 25 正常时几乎以葡萄糖为唯一供能物质 每天耗用葡萄糖约100g 由于脑组织无糖原储存 其耗用的葡萄糖主要由血糖供应 血糖供应不足时 主要利用由肝生成的酮体作为能源 四 肌肉通常以氧化脂酸为主且在剧烈运动时产生乳酸 肌肉组织通常以氧化脂酸为主 在剧烈运动时则以糖的无氧酵解产生乳酸为主 由于肌肉缺乏葡萄糖 6 磷酸酶 因此肌糖原不能直接分解成葡萄糖提供血糖 五 红细胞代谢以糖酵解为主 红细胞能量主要来自葡萄糖的酵解途径 磷酸戊糖途径比较旺盛 由于红细胞没有线粒体 因此不能进行糖的有氧氧化 也不能利用脂酸及其它非糖物质 六 脂肪组织是合成及储存脂肪的重要组织 脂肪组织是合成及储存脂肪的重要组织 脂肪细胞还含有动员脂肪的激素敏感甘油三酯脂肪酶 能使储存的脂肪分解成脂酸和甘油释入血循环以供机体其它组织能源的需要 七 肾也可进行糖异生和生成酮体 肾可进行糖异生 生成酮体 它是除肝外唯一可进行此两种代谢的器官 肾髓质因无线粒体 主要由糖酵解供能 而肾皮质则主要由脂酸及酮体的有氧氧化供能 代谢调节RegulationsofMetabolism 第四节 代谢调节 底物 E 各代谢途径 产物 单细胞微生物 高等生物 细胞水平 细胞水平 激素水平 整体水平 CNS 三级水平 内环境相对恒定 动态平衡 代谢物浓度 内分泌 关键酶 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 代谢调节分为三级水平调节 高等生物 三级水平代谢调节 细胞水平调节 酶调节 最基础 最重要 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 线粒体 丙酮酸氧化 三羧酸循环 氧化 呼吸链电子传递 氧化磷酸化 细胞液 糖酵解 磷戊糖途径 糖原合成 脂肪酸合成 核苷酸合成 细胞核 DNA RNA合成 内质网 蛋白质 磷脂 胆固醇合成 一 细胞水平的调节主要是对酶活性的调节 酶隔离分布的意义 可以避免各种代谢途径间的相互干扰 乙酰CoA FA合成酶系 FA 无意义循环 例 ATP 脂酰CoA O 乙酰CoA 线粒体 胞液 有氧氧化 糖不足 糖充足 它催化的反应速度最慢 因此称为限速酶 limitingvelocityenzymes 它的活性决定整个代谢途径的速度 这类酶催化单向反应 或非平衡反应 因此它的活性决定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应剂的调节 调节酶或关键酶所催化的反应具有下述特点 关键酶 例 糖代谢的关键酶 葡萄糖 6 磷酸酶 细胞水平的调节 小分子化合物与酶蛋白分子活性中心以外的某些部位特异结合 引起酶蛋白分子构象变化 从而改变酶的活性 概念 变构调节 变构效应剂 变构激活剂 变构抑制剂 变构酶 二 小分子代谢物通过改变关键酶的构象变构调节酶活性 变构部位 C C 机制 酶构象改变 2 亚基 催化亚基 部位 与底物结合调节亚基 部位 与效应剂非共价结合 影响酶活性 效应剂 反馈抑制多为变构抑制 代谢物产生不致过多 脂酰CoA 乙酰CoA羧化酶 能量有效利用 乙酰CoA 长链脂酰CoA ATP 磷酸果糖激酶丙酮酸激酶柠檬酸合酶 代谢途径互相协调 柠檬酸 G 6 磷酸果糖激酶 1 生理意义 feedbackinhibition 糖分解酶类 1 产物反馈抑制 底物激活 2 ATP抑制产能途径 促进耗能途径 AMP ADP相反 变构调节的特点 分子构象的改变而改变酶活性 非共价键 调节因素为代谢物 非耗能过程 无放大效应 三 酶促化学修饰调节 酶蛋白肽链上某些残基在其它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调节 概念 主要的化学修饰形式 磷酸化 脱磷酸 乙酰化 脱乙酰甲基化 去甲基腺苷化 脱腺苷 SH S S 最为多见 E TheSerTyr E 磷蛋白磷酸酶 H2O Pi ATP ADP 蛋白激酶 Mg2 修饰位点 共价修饰调节的特点 酶以两种不同修饰和两种不同活性的形式存在 有共价键的变化 受其他调节因素 如激素 的影响 一般为耗能过程 存在放大效应 催化效率常较变构调节高 酶级联系统调控示意图 磷酸化修饰对一些酶活性的影响 酶磷酸化脱磷酸化 糖原磷酸化酶激活抑制磷酸化酶b激酶激活抑制柠檬酸裂解酶激活抑制HMGCoA还原酶激酶激活抑制甘油三脂脂肪酶激活抑制乙酰CoA羧化酶抑制激活糖原合成酶抑制激活丙酮酸脱氢酶抑制激活HMGCoA还原酶抑制激活磷酸果糖激酶抑制激活 磷酸化 升血糖 升血糖途径的酶激活降血糖途径的酶失活 变构调节与化学修饰调节协同 一种酶可同时 变构调节 要求效应剂达一定浓度 难以应急 即受变构调节又受化学修饰调节 化学修饰 应激时 激素 酶促化学修饰 迅速 适应应激需要 1 诱导或阻遏酶蛋白基因表达可改变酶含量 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 四 调节细胞内酶的含量改变酶的活性 酶的底物 产物 激素或药物均可影响酶的合成 诱导剂或阻遏剂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 2 改变酶蛋白分子降解速度也能调节细胞酶含量 细胞内蛋白质的降解有两条主要途径 存在于溶酶体 lysosome 的ATP 非依赖途径 存在于蛋白酶体 proteosome 的依赖ATP的泛素途径 凡能改变或影响这两种蛋白质降解机制的因素 都可间接影响酶蛋白的降解速度 进而影响代谢途径 底物 产物 多 激素 药物 蛋白酶体 蛋白水解酶 酶量的调节 慢调节 酶 降解 识别待降解蛋白 降解 Pr 泛素化 泛素 9 细胞水平的调节 内 外环境改变 激素作用机制 二 激素通过特异受体和信号通路调节代谢 组织特异性和效应特异性 激素水平的代谢调节 特异性激素受体 特点 一 膜受体激素 二 胞内受体激素 膜受体 蛋白质类 肽类 儿茶酚胺类 亲水 难以越过脂质双层 与膜受体结合 通过第二信使发挥作用 细胞表面脂膜上的跨膜糖蛋白 类固醇类 甲状腺素 视黄酸等 疏水 可越过脂质双层 与胞内受体结合 激素 受体复合物 DNA激素反应元件 HRE 化学修饰调节 膜受体激素 胞内受体激素 第二信使 E 酶含量调节 激素受体示意图 细胞膜 细胞核 膜受体 11 HRE 三 整体调节 内外环境变化 神经体液调节 适应环境 维持内环境相对恒定 NS 物质代谢 激素 主要矛盾 血糖 增加来源 糖异生 肝糖原分解 减少去路 葡萄糖利用 其他能源利用 主要调节激素 胰岛素 胰高血糖素 12 一 饥饿 二 应激 意义 在于为机体应付 紧急情况 提供足够的能量 在严重创伤或大手术后 给予患者输入一定比例的胰岛素 葡萄糖 氯化钾溶液 可减少体内蛋白质的分解 防止负氮平衡 应激时机体的代谢改变 代谢综合征 MetabolicSyndrome MS 以肥胖 高血压 糖代谢及血脂异常等为主要临床表现的症候群 表现为心脑血管病的多种代谢危险因素在同一个体内集结的状态 而超重和肥胖在MS发生 发展中起着决定性的作用 三 肥胖是多种因素引起的进食行为和能量代谢调节的紊乱 体质性肥胖 青少年期多见的肥胖 主要由于脂肪细胞数量增加所致 获得性肥胖 成人因营养过剩引起的肥胖 主要由于脂肪细胞体积增加 也有数量增加 1 肥胖者增加脂肪储存有不同类型 单纯性肥胖 继发性肥胖症 某些神经 内分泌疾病引起 肥胖诊断常用标准是体重指数 bodymassindex BMI BMI 体重 kg 身高2 m2 2 正常食欲 进食和能量消耗的平衡受到神经 内分泌系统复杂调节 短期进食调节激素主要包括生长激素释放肽 ghrelin 和胆囊收缩素 cholecystokinin CCK 参与食欲 进食长期调节的激素包括胰岛素和瘦蛋白 leptin 高胰岛素血症是肥胖的重要特征 也是促进肥胖形成的重要因素 肥胖者常可表现胰岛素抵抗和高胰岛素血症 肥胖者糖代谢表现异常 肥胖者也存在脂代谢异常 3 肥胖者常表现胰岛素分泌 功能异常和糖脂代谢的紊乱