高中生物 细胞代谢包括物质代谢和能量代谢

第十六章细胞代谢和基因表达的调控

细胞代谢包括物质代谢和能量代谢。细胞代谢是一个完整统一的网络，并且存在复杂的调节机制，这些调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或RNA）的作用下进行的。

重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。

第一节物质代谢途径的相互联系

细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。

一、糖代谢与脂代谢的联系

1、糖转变成脂

图

糖经过酵解，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮还原为甘油，丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA，合成脂肪酸。

2、脂转变成糖

图

甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖。

在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙酰CoA，后者经乙醛酸循环生成琥珀酸，进入TCA，由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸，生糖。

动物体内，无乙醛酸循环，乙酰CoA进入TCA氧化，生成CO2和H2O。

脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充TCA中消耗的有机酸（草酰乙酸）。

糖利用受阻，依靠脂类物质供能量，脂肪动员，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、β-羟基丁酸）。

二、糖代谢与氨基酸代谢的关系

1、糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架

图

糖→丙酮酸→α-酮戊二酸+ 草酰乙酸

这三种酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu和Asp。

2、生糖氨基酸的碳架可以转变成糖

凡是能生成丙酮酸、α—酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a。

Phe、Tyr、Ilr、L ys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，从而生成酮体。

Phe、Tyr等生糖及生酮。

三、氨基酸代谢与脂代谢的关系

氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA，可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成。

生糖a.a的碳架可以转变成甘油。

Ser可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。

动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA，不能为a.a合成提供净碳架。

脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸，经TCA进一步转变为草酰乙酸、α—酮戊二酸，这三者都可以转变成氨基酸。

四、核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系

核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。

各种氨基酸，如Gly 、Asp 、Gln是核苷酸的合成前体。

有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用：

A TP 供能及磷酸基团。

UTP 参与单糖转变成多糖（活化单糖）。

CTP 参与卵磷脂合成。

GTP 为蛋白质合成供能。

五、物质代谢的特点

1、TCA是中心环节

代谢途径交叉形成网络，主要联系物：丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸。

2、分解、合成途径往往是分开的，不是简单的逆反应。

在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应和逆反应，往往由两种不同的酶催化，一种酶催化正反应，另一种酶催化逆反应。

以糖代谢为例：

P421

3、A TP是通用的能量载体

乙酰CoA进入TCA后，完全氧化生成CO2、H2O，释放的自由能被ADP捕获转运。否则，自由能以热能形式散发到周围环境中。

4、分解为合成提供还原力和能量

物质代谢的基本要略在于：生成A TP、还原力和结构单元用于体内生物合成。

NADPH专一用于还原性生物合成，NADH和F ADH2主要功能是通过呼吸链产生A TP。

A TP来源：（1）底物水平磷酸化、（2）绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、（3）呼吸链的氧化磷酸化。

NADPH来源：

（1）植物光合电子传递链

（2）磷酸戊糖途径

（3）乙酰CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有NADH的氧化和NADP+的还原，所产生的NADPH可用于脂肪酸合成P422图22-4

有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段：P423 图22-5

（1）将大分子分解为小分子单元，释放的能量不能被利用。

（2）将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰CoA，产生还原力NADPH和少量A TP。

（3）乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO2，脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的A TP。

5、分解、合成受不同方式调节

单向代谢的反馈调节

顺序反馈控

分枝代谢的反馈调节对同工酶的反馈抑制

协同反馈抑制

第二节代谢调节

代谢调节是生物长期进化过程中，为适应环境的变化的而形成的一种适应能力。进化程度越高的生物，其代谢调节的机制越复杂、越完善。

生物代谢调节在三个水平上进行，即酶水平、细胞水平、多细胞整体水平（神经、激素）。酶和细胞水平的调节，是最基本的调节方式，为一切生物所共有。

神经调节：整体的、最高级的调节。

激素调节：受神经调节控制。第二级调节。

酶调节：原始的、基本的调节。第三级调节。

酶水平的调节：酶活性调节（酶原激活、别构效应、共价修饰）和酶含量（基因表达调控）

一、酶水平的调节

酶水平的调节，主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节，这三个方面进行。

1、酶定位的区域化

酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化。

功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节。

⑴多酶体系在细胞中区域化，为酶水平的调节创造了有利条件,使某些调节因素可以专一地影响细胞内某一部分的酶活性，而不致影响其它部位酶的活性。

⑵此外，酶定位的区域化，使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩，利于在细胞局部范围内快速进行各个代谢反应。

主要代谢途径酶系在细胞内的分布：

胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成。

线粒体：脂肪酸β氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。

细胞核：核酸的合成、修饰。

内质网：蛋白质合成，磷脂合成。

胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成

溶酶体：多种水解酶

2、酶活性的调节

调节方式：酶原的激活

pH改变，如溶菌酶。pH7，无活性。pH5，活性高。

同工酶

共价修饰

反馈调节（生物体内最重要）

特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成。

（1）、共价修饰和级联放大 P430图22-14

磷酸化/脱磷酸化

腺苷酰化/脱腺苷酰化

（2）、前馈和反馈调节

前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活，但也可能是前馈抑制。当底物浓度过高时可避免该代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成，如高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙二酸单酰CoA大量合成。