第十四章 代谢调节-(1)代谢途径间及细

下面介绍:
酶促反应的前馈和反馈； 能荷的调节； 连锁反应中酶的连续激活；
蛋白酶对酶活性的影响；
酶的共价修饰。
（一） 酶促反应的前馈和反馈
前馈：输入对输 出的影响； 反馈：输出对输 入的影响。 这两个术语来自电 子工学。 前馈和反馈又可有正、负前馈和反馈之分。 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）
蛋白质
核酸
淀粉、糖原
脂肪
糖、脂 类、蛋 白质和 核酸代 谢的相 互关系 示意图
酮体
(二）分解和合成代谢的单向性





代谢途径多为可逆过程。然而，实际上代谢过 程均为单向反应。 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，称为相对立的单 向反应（或底物循环）。 合成是吸能反应，通常多与ATP水解相偶联。 降解则是放能反应。 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。
三大营养物质分解的三个步骤
第一步 第二步


大分子→降解→小分子单元; 各构造单元分子→乙酰辅酶A；
（在这一阶段可产生还原力NADPH和少量ATP）
第三步 乙酰辅酶A→TcA→CO2+H2O+ATP 每个二碳单位给出4对电子，经氧化磷酸化产 生大量ATP（如图）
产能 营养 成分 分解 三个 步骤
生物大分子结构特点
多糖——由一种或多种单糖聚合而成； 蛋白质——由20种氨基酸残基组成； 核酸——RNA由4种苷酸组成、DNA——由 4种脱氧核糖核苷酸组成的无分支长链线 型分子。 脂类——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 为生物大分子。

（一）代谢途径的交叉网络
糖代谢中：
己糖激酶 (a)葡萄糖 + A T P 葡萄糖 - 6 - 磷酸 + Pi 6- 磷酸葡萄糖酶 (b)葡萄糖 - 6 - 磷酸 + H 2O 葡萄糖 + Pi
脂肪酸代谢中：
乙酰- C oA 羧化酶 (a)乙酰 - C oA + C O 2 + A T P 丙二酸单酰 - C oA + A D P + Pi 丙二酸单酰- C oA 脱羧酶 (b)丙二酸单酰 - C oA 乙酰 - C oA + C O 2



酶的两种功能： 其一，催化生化反应，是生物催化剂； 其二，调控代谢速度、方向和途径，是新陈代谢 的调节元件。 酶调节的两种方式： 其一，通过变构效应和共价修饰调节现有酶的催 化活性； 其二，通过影响酶合成或降解速度，改变酶分子 的含量。其中，合成属基因表达调控。 这种“酶水平”的调节机制，是代谢的最关键的 调节。


甘油→磷酸化→α-甘油磷酸→磷酸二羟丙 酮→糖异生→糖 脂肪酸转变为糖是有限度的。脂肪酸通过 β—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A→TcA→CO2+H2O， 成糖机会很少 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

糖尿病：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， 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。
酮体为酸性，血液中酮体含量增高时，易 发生酸中毒。 饥饿时：体内无糖供能，也会大量动用脂 肪，易造成酮体过多。 以上均可导致不同程度的脂类代谢紊乱。



正向(a)与ATP的水解相偶联；逆向(b)多是水解反 应或分解反应，∴不可逆。 如果(a)和(b)均处于非控制状态，将导致水解高能 磷酸键的空转。 实际上由于(a)和(b)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。
(三)ATP——能量载体


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。 葡萄糖因结构有序而含有较高的势能。 ∴葡萄糖→氧化降解→CO2+H2O+自由能 释放的自由能多不被贮存，而以热能形式散发 在活细胞的分解代谢中： 有机物→降解→放能→偶联ATP合成→贮存能 量→ATP将能量传递给需能过程。 由此可见，ATP是细胞主要的能量传递者、载 体。 （如图）



ATP来源： ①底物水平磷酸化可产生有限的ATP． ②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ATP的主要来源。 还原力的产生： ①绿色植物→光照→电子传递→用于还原NADP+； ②光合细菌的NADPH是由外源还原剂产生或分解代 谢供给。 （如上图） ③NADPH主要来自戊糖磷酸途径。 此外，当乙酰辅酶A由线粒体转移到胞浆时，伴有 NADH的氧化和NADPH的生成。 所产生的NADPH可用于脂肪酸合成。(如图)


在动物体内蛋白质可转变成脂肪。 生酮AA有Leu、Ile、Phe、Tyr及Try等， 上列AA →代谢→乙酰乙酰CoA ①→乙酰乙酸（酮体） ②→缩合→脂肪酸 生糖AA→丙酮酸→甘油 生糖AA→丙酮酸→氧化脱羧→乙酰辅酶A→羧化→ 丙二酸单酰辅酶A→脂肪酸 （如图） 磷脂分子中的胆胺或胆碱，是由Ser脱羧形成。
二、酶的调节
机体代谢相互联系，错综复杂。必然 存在精确的调节机制。 代谢平衡是动态的、相对的。 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 在这种不断地运动中才能得到发展和 生存。 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。

“酶水平”的调节



细胞内代谢种类多、繁杂。 若各自独立，则极其庞乱，细胞无法容纳。 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。 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。 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。



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。 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。 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）


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。 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、脂类、蛋 白质和核酸代 谢的相互关系 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
细胞膜由类脂和蛋白质组成。 脂肪→分解→能量∴称脂肪为贮能物质 脂类与蛋白质之间可以互相转变 脂类 ①甘油→丙酮酸→草酰乙酸、α-酮戊二 酸→琥珀酰CoA→氨基化→各种氨基酸 ②脂肪酸→β-氧化→乙酰CoA→与草酰 乙酸缩合→TcA→Asp、Glu等氨基酸。
糖、脂类、蛋 白质和核酸代 谢的相互关系 示意图
酮体
（生酮AA）
3.糖代谢与脂类代谢的相互联系
糖与脂类可互相转变。
主要步骤：
Fra Baidu bibliotek
①糖→酵解→磷酸二羟丙酮→丙酮酸 磷酸二羟丙酮→还原→甘油 丙酮酸→氧化脱羧→乙酰辅酶A→缩合 →脂肪酸 甘油+脂肪酸→脂类
②脂类→分解→甘油+脂肪酸
第十四章 细胞代谢调节 与基因表达调控
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
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。

TcA形成氨基酸需补充有机酸
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。 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

酶系统决定细胞代谢物反应


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。 [S]↑→正反应速度↑； 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。 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。
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α酮酸与氨基 酸的关系）
蛋白质代谢转化为糖



蛋白质→分解→氨基酸→糖（体内）。 某些AA→脱氨→丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀 酰CoA、草酰乙酸→异生→葡萄糖和糖原。 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）

正前馈作用

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

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。
己糖激酶 -
葡萄糖 葡萄糖- 6 - 磷酸
一价、多价反馈及同工酶



4.核酸代谢与糖、脂肪及 蛋白质代谢的联系


核酸——是遗传物质，它通过控制蛋白质合成， 影响细胞的组成和代谢类型。 核酸——不是重要的碳、氮源和能源。 许多核苷酸——在代谢中起重要作用。例如， ATP——能量转移和磷酸化的重要物质； UTP——参与单糖转变和多糖合成； CTP——参与卵磷脂合成。 GTP——为蛋白质合成所需的重要能量物质。 此外，许多辅酶：辅酶A、烟酰胺核苷酸等， 都是AMP的衍生物。
糖、脂类、蛋白质和 核酸的相互转变
1.糖代谢与蛋白质代谢的相互关系 糖代谢： 糖——机体重要的碳源和能源，可生成相应 的氨基酸。 例如：糖→氧化分解→丙酮酸→TcA→α-酮 戊二酸、琥珀酰CoA、草酰乙酸。 （如图） 几种α-酮酸→氨基化→多种氨基酸。 糖分解→ATP→为氨基酸和蛋白质合成供能。
ADP由能源获得能量→ATP
传递给需能细胞利用
（四）NADPH以还原力形式携带能量

第二种载能方式：先形成H或e还原力，如NADPH。再 以供H或e的还原力形式参与合成代谢。 生物合成——是还原性反应过程。 NADPH是生物合成反应的H和e供体。 NADPH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
氨 基 酸 合 成 代 谢 的 反 馈 作 用
谷氨酰胺合 成酶接受多 条代谢途径 末端产物的 反馈抑制， 如受Gly、 Ala等反馈 抑制
末端产物累加抑制