11物质代谢的联系与调节

第二节 物质代谢的调节
2.1 代谢调节的实质
恒态(stable state)是机体代谢的基本状态。恒态的破 坏意味着疾病或机体的死亡。机体通过代谢调节维持 恒态。
代谢的调节主要是对酶进行调节，包括酶的活性和 酶量。尤其是途径中的关键酶（限速酶、调节酶）， 使他们的活性不致过高或过低，不会缺乏也不会不适 时表达，以保持整个机体的代谢以恒态的方式进行。
丙酮酸脱羧酶 磷酸化/脱磷酸
磷酸果糖激酶 磷酸化/脱磷酸
丙酮酸脱氢酶 磷酸化/脱磷酸
HMGCoA还原酶 磷酸化/脱磷酸
HMGCoA还原酶激酶磷酸化/脱磷酸
乙酰CoA羧化酶 磷酸化/脱磷酸
甘油三酯脂肪酶 磷酸化/脱磷酸
黄嘌呤氧化脱氢酶 SH/-S-S-
激活/抑制 激活/抑制 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 激活/抑制 抑制/激活 激活/抑制
(2) 化学修饰由酶催化引起共价键的变化，酶促反应具 有级联放大效应。（效率高）
(3) 磷酸化与脱磷酸是最常见的。(经济有效)
(4) 许多化学修饰酶也同时受到变构调节，酶的化学修 饰和变构调节两者相辅相成。 （完善）
例：糖原分解作用中的磷酸化酶b
（三）酶含量的调节
1. 酶蛋白合成
酶合成的调节方式有两种类型： 酶合成的诱导 酶合成的阻遏
• 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 (allosteric effector)
• 变构激活剂allosteric effector ——引起酶活性增加的变构效应剂。
• 变构抑制剂allosteric effector ——引起酶活性降低的变构效应剂。
二、激素水平的代谢调节
• 激素作用机制
内、外环境改变
机体相关组 织分泌激素
靶细胞产生生物学 效应，适应内外环 境改变
激素与靶细胞 上的受体结合
二、激素水平的代谢调节
• 激素作用机制
内、外环境改变
机体相关组 织分泌激素
靶细胞产生生物学 效应，适应内外环 境改变
激素与靶细胞 上的受体结合
激素分为膜受体激素和细胞内受体激素
酶活性的变构调节(抑制)示意图
活
性
底物
中
心
酶
变
变构抑制
构
中
变构剂
心
3. 变构调节的生理意义
① 代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的酶CoA羧化酶
长链脂酰CoA
②变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。
+
糖原合酶
2. 化学修饰的主要方式
磷酸化 - - - 去磷酸 乙酰化 - - - 脱乙酰 甲基化 - - - 去甲基 腺苷化 - - - 脱腺苷 SH 与 – S — S – 互变
酶促化学修饰对酶活性的调节
酶
化学修饰类型 酶活性改变
糖原磷酸化酶 磷酸化/脱磷酸
磷酸化酶b激酶 磷酸化/脱磷酸
糖原合酶
磷酸化/脱磷酸
多酶体系
脂酸 氧化 脂酸合成 胆固醇合成 磷脂合成 DNA、RNA合成
分布
线粒体 胞液
内质网、胞液 内质网 细胞核
多酶体系 蛋白质合成 多种水解酶 尿素合成 血红素合成
分布 内质网、胞液
溶酶体 线粒体、胞液 线粒体、胞液
• 酶的隔离分布的意义 ——保证了代谢途径的定向和有序，也使合成途径和分
解途径彼此独立、分开进行。
许多重要的辅酶辅基，如CoA、NAD、FAD 等都是腺嘌呤核苷酸的衍生物，参与酶的催化作 用。环核苷酸，如cAMP，cGMP作为胞内信号分 子（第二信使）参与细胞信号的传导。
生物体内的各种物质，既有各自特殊的代谢
途径，又通过一些共同的中间代谢物或代谢环节
广泛地形成网络，彼此影响、相互转化，其中糖 酵解（EMP）途径和三羧酸（TCA）循环便是 沟通各代谢之间联系的重要渠道，所以EMP途 径和TCA循环又被称为中心代谢途径（central metabolic pathway）或无定向代谢途径 （amphibolic pathway）。
合成糖原储存（肝、肌肉）
葡
磷酸二羟丙酮
甘油
萄
脂肪
糖
乙酰CoA
脂肪酸
这就是摄取不含脂肪的高糖膳食可使人肥胖及血脂升高的原因
2. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖
甘油激酶 甘油
磷酸-甘油
葡 萄
肝、肾、肠
脂
糖
肪
脂酸
乙酰CoA
葡萄糖
3. 脂肪的分解代谢受糖代谢的影响
• 饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时
脂肪大量动员 糖不足
ATP
糖异生 丙酮酸羧化酶 乙酰CoA,ATP AMP
糖原分解 磷酸化酶b
AMP,G-1-P,Pi ATP,G-6-P
脂酸合成 乙酰CoA羧化酶 柠檬酸,异柠檬酸 长链脂酰CoA
氨基酸代谢 谷氨酸脱氢酶 ADP,亮氨酸,蛋氨酸 GTP,ATP,NADH
嘌呤合成 Gln-PRPP酰胺转移酶
AMP,GMP
G-6-P
–
糖原磷酸化酶
促进糖的储存
抑制糖的氧化
③变构调节使不同的代谢途径相互协调。
+
乙酰辅酶A 羧化酶
柠檬酸
–
6-磷酸果糖激酶-1
促进脂酸的合成
抑制糖的氧化
2）酶的化学修饰调节
1. 化学修饰的概念
酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发 生可逆的共价修饰(covalent modification)， 从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化 学修饰。
代谢调节的实质，就是把体内的酶组织起来，在统 一的指挥下，互相协作，以便使整个代谢过程适应生 理活动的需要。
2.2 代谢调节的方式： 三级水平代谢调节
细胞水平代谢调节
动物机体
激素水平代谢调节 整体水平代谢调节
组织、器官
组织、器官
组织、器官
细胞
细胞 细胞
细胞
细胞
细胞
一、细胞水平的代谢调节
细胞水平的代谢调节主要是酶水平的调节 • 细胞内酶呈隔离分布。 • 代谢途径的速度、方向由其中的关键酶(key
变构效应剂： 底物、代谢产物、其他小分子代谢物
代谢途径中的变构酶及其变构剂
代谢途径 变构酶 变构激活剂
变构抑制剂
糖酵解 己糖激酶 AMP,ADP
G-6-P, ATP
PFK-1
FDP,AMP,ADP 柠檬酸,ATP
丙酮酸激酶
ATP,乙酰CoA
TAC
柠檬酸合酶
AMP
ATP,长链脂酰CoA
异柠檬酸脱氢酶 AMP,ADP
• 代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及 方向由其中的关键酶决定。
•关键酶催化的反应具有以下特点：
① 速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度， 故又称其为限速酶(limiting velocity enzymes)。
② 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。
③ 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。
在一般情况下，食物中蛋白质的主要营养作用是满足动物生长、 修补和更新组织的需要。合成蛋白质需要的能量，主要依靠糖，其 次是脂肪供给。蛋白质合成代谢增强时，糖和脂肪，并且首先是糖 的分解代谢必然增强，除了提供所需要的能量外，还可合成某些非 必需氨基酸作为蛋白质合成的原料。可见，食物中能源物质不足时， 会影响蛋白质的合成。
1. 氨基酸是体内合成核酸的重要原料
天冬氨酸 甘氨酸
谷氨酰胺
一碳单位
合成嘌呤
合成嘧啶
2. 磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供
3. 核苷酸在调节代谢中也起着重要作用
ATP是能量通用货币和转移磷酸基团的主要 分子，UTP参与单糖的转变和多糖的合成，CTP 参与磷脂的合成，而GTP参与蛋白质多肽链的生 物合成。
嘧啶合成 Asp转甲酰酶
CTP,UTP
核酸合成 脱氧胸苷激酶 dCTP,dATP
dTTP
2. 变构调节的机制
变构酶
催化亚基 与底物结合起催化作用
调节亚基
与变构效应剂非共价结 合起调节作用
变构效应剂 + 酶的调节亚基
酶的构象改变
酶的活性改变 （激活或抑制）
疏松 紧密 亚基聚合 亚基解聚 酶分子多聚化
（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系
1. 蛋白质可以转变为脂肪、胆固醇
氨基酸
乙酰CoA
脂肪 胆固醇
2. 氨基酸可作为合成磷脂的原料
丝氨酸
脱羧
胆胺
甲基化
胆碱
磷脂酰丝氨酸 脑磷脂 卵磷脂
3. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸
脂肪
甘油
某些非必需氨基酸
磷酸甘油醛
糖酵解途径
丙酮酸
其他α-酮酸
（四）核酸与糖、脂、蛋白质代谢的相互联系
糖、脂类和蛋白质代谢之间的相互影响突出地表现在能量供应上。 动物各种生理活动所需要的能量约70％以上是由糖供应的。当糖类 供应充足时，机体以糖作为能量的主要来源，而脂肪和蛋白质的分 解供能较少。糖的供应量超过机体的需要时，过量的糖则转变成脂 肪作为能量储备。糖类供应不足或饥饿时，一方面糖的异生作用加 强，即主要动用机体蛋白转变为糖，另一方面动员脂肪分解供能。 长期饥饿，体内脂肪分解大大加快，甚至会出现酮血症。
例：糖代谢的关键酶
• 代谢调节主要是通过对关键酶的调节而实现的。
• 快速代谢
数秒、数分钟 通过改变酶的活性
变构调节 化学修饰调节
• 迟缓代谢
数小时、几天
通过改变酶的含量（合成与降解）
（二）酶活性的调节
1）关键酶的变构调节
1. 变构调节的概念
小分子化合物与酶分子活性中心以外 的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构 象变化，从而改变酶的活性，这种调节称 为酶的变构调节或别构调节。
脱氢酶/氧化酶
ATP
ADP
蛋白激酶
Thr
Ser -OH
Tyr
酶蛋白
磷蛋白磷酸酶
Pi
H2O
Thr Ser -O-PO32Tyr
磷酸化的 酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1992 "for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism"
乙酰CoA 酮体生成增加
草酰乙酸 相对不足
高酮血症
氧化受阻
（二）糖与氨基酸代谢的相互联系
1. 大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α酮酸，可转变为糖。
例如
脱氨基
丙氨酸
丙酮酸
糖异生 葡萄糖
2. 糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸
丙氨酸
天冬氨酸
糖
丙酮酸
草酰乙酸
乙酰CoA
α-酮戊二酸 谷氨酸
柠檬酸
第十一章 物质代谢的联系与调节
• 物质代谢的基本目的
（1） 生成ATP ATP被称之为“通用能量货币”
（2）生成还原辅酶 动物机体代谢过程中所产生还原力，其代表
性物质是辅酶（NADPH+H+） （3） 产生各种生物合成所需的小分子前体或代 谢终产物
第一节 物质代谢的相互联系
（一）糖代谢与脂代谢的相互联系 1. 摄入的糖量超过能量消耗时
Edmond H. Fischer
Edwin G. Krebs
University of Washington，Seattle, WA, USA
1920 -
1918-2009
3. 化学修饰的特点
(1) 化学修饰酶一般都具有无活性（低活性）和有活性 （高活性）两种形式，它们之间在两种不同的酶催化下 可相互转变。酶受激素调节。(可控)
enzyme)的活性决定。 • 代谢调节主要是通过对关键酶的调节而实现
的。
（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 。
多酶体系在细胞内的分布
多酶体系 三羧酸循环 氧化磷酸化
糖酵解 磷酸戊糖途径
糖异生 糖原合成
分布 线粒体 线粒体 胞液 胞液 胞液 胞液
1. 膜受体激素
膜受体是细胞表面质膜上的跨膜糖蛋白。 这类激素都是亲水的，包括：
胰岛素、生长激素、促性腺激素、促甲状腺 激素等蛋白类激素；生长因子等肽类激素； 及肾上腺素等氨基酸衍生物类激素。
膜受体激素的作用方式
信号逐级放大
cAMP - 蛋白激酶Ａ途径
组成 胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环
化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白 激酶 A(protein kinase A，PKA)
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)
酶的底物、产物、激素或药物都有可能在转录水平 增加或减少酶的合成。
2. 酶蛋白降解
• 通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调 节酶的含量。
溶酶体 —— 释放蛋白水解酶，降解蛋白质
蛋白酶体 —— 泛素识别、结合蛋白质； 蛋白水解酶降解蛋白质
NH2
OOO
N
N
HO P O P O P O CH2O N N OH OH OH
ATP
OH OH
腺苷酸环化酶
(adenylate cyclase,AC)
N O CH2O N
NH2 N
N
N O
HO P O CH2O N OH