09第九章 代谢调节

从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化
学修饰。
ATP
ADP
Thr
蛋白激酶
Thr Ser -O-PO32-
Ser -OH
Tyr
磷蛋白磷酸酶
Pi H2O
Tyr
酶蛋白
磷酸化的 酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
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
2. 能量物质(fuel)的投入是推动无效循环的重要环节
证据：大多数分子参与合成前时均需ATP活化；以ATP能量 的消耗，可将一些在自由能上根本不能进行的反应通过偶联作用 得以进行；生物体始终是分解产能的反应大于合成反应。 哲学意义：生物是贪婪的，自私的，耗能的。
3. ATP是生 物机体中最 重要的通用 能源分子， ATP由能源 物质分解代 谢产生；还 原当量物质 是联系物质 分解代谢与 ATP生成的 桥梁
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。
代谢通路与分支物质

物质代谢通路是细胞内一系列相关联的具有一定代谢方向 的酶促反应的全部集合，能将一定的起始物转换为一定的 终产物，本质是酶促反应。 物质代谢通路的基本特征：①决定代谢方向或强度的是关 键酶活性；②代谢模式有分支的、循环的和直线的；③ 代谢通路间通过共享分支物质的联系形成物质代谢网络。 重要的分支物质有6-磷酸葡萄糖、丙酮酸、乙酰辅酶A、 一碳单位、草酰乙酸、甘油等。
四、不同组织器官或同一细胞不 同亚细胞部位物质代谢各有特点
1. 参与物质代谢的酶在各亚细胞器内分布区域化的差异
①生物学意义：减少干扰；局部浓缩 。
真核细胞内主要代谢酶系的区域化分布
酶 系 糖酵解 磷酸戊糖途径 糖原分解、合成 亚细胞区域 胞液 胞液 胞液 酶 系 呼吸链、氧化磷酸化 蛋白质合成 生物转化 亚细胞区域 线粒体 胞液、内质网 内质网
Response executor
信息分子如反应体系中CTP浓度、血糖浓度、环境中威胁生存的应激信号等
作用物水平调节
ATP + CO2+ 谷氨酰胺
-
氨基甲酰磷酸 天冬氨酸 氨基甲酸天冬氨酸 PRPP UMP UTP CTP
-
-
嘌呤核苷酸 ATP + 5-磷酸核糖
嘧啶核苷酸
激素水平调节
器官系统水平调节

第一节 物质代谢特点
The Specialty of Metabolism
一、代谢通路与代谢通路的网络性
糖原 (糖苷键) 甘油三脂 (酯键) 蛋白质 (肽键)
蛋白质翻译
核酸 (磷酸二酯键)
DNA复制 RNA转录
葡萄糖
甘油 + 脂肪酸
氨基酸
非必需氨基酸合成
磷酸+戊糖+碱基
分解成尿酸
非必需氨基酸合成
第二节
关键酶活性的调节
Regulation of Metabolic Key Enzyme
一、 酶量调节
酶蛋白合成水平调节和酶蛋白降解调节
1. 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(inducer) 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 Ⅰ 底物对酶合成的诱导和阻遏 Ⅱ 产物对酶合成的阻遏 Ⅲ 激素对酶合成的诱导
3. 化学修饰的特点
①酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在 不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互
相转变。催化互变反应的酶在体内可受调
节因素如激素的调控。
②具有放大效应，效率较变构调节高。
③磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。 • 同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。
三、 同工酶及其分布调节
四、酶蛋白特异性剪接调节


例：糖代谢的关键酶
二、物质代谢通路的集约性
1. 仅有六种最基本的酶促化反应类型
2. 不同物质代谢大多采用类似的代谢策略
3. 最古老的代谢途径为多数代谢所保留或共享
4. 酶促反应集约性的根源在于生物基因组进化时采用了 基因单拷贝复制与复制基因的变异选择策略
三、物质代谢网络支撑的耗能性
1. 物质代谢网络中的无效循环(futile cycle) 无效循环中两物质自由 能始终有差异，自由能一高 一低。 酶的参加不改变酶促反 应的热力学性质，按照热力 学第二定律，两物质间是否 发生反应必须遵从熵减少的 原则，因此要使无效循环发 生，必须从无效循环外注入 能量。
红 细 胞
• 能量主要来自糖酵解。
脂肪组织
• 合成及储存脂肪的重要组织； • 将脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用。
肾脏
• 也可进行糖异生和生成酮体； • 肾髓质主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、 酮体有氧氧化供能。
②各器官组织物质代谢的差异由物质代谢循环或单向流通进行互补
葡萄糖－丙氨酸循环
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
•激素作用方式 1. 膜受体激素的作用方式
激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体 腺苷环化酶 （无活性） 腺苷环化酶（有活性）
ATP
PKA
(无活性)
cAMP
磷酸化酶b激酶 PKA
(有活性)
磷酸化酶b激酶-P
肝在糖代谢中的作用 • 合成、储存糖原
• 分解糖原生成葡萄糖，释放入血
• 是糖异生的主要器官
——肝在维持血糖稳定中起重要作用。
心脏
酮体 乳酸 游离脂酸 葡萄糖 • 以葡萄糖有氧氧化供能为主。
脑
• 耗能大，耗氧多。 • 葡萄糖为主要能源。 • 不能利用脂酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体。
肌肉
• 合成、储存糖原； • 通常以脂酸氧化为主要供能方式；剧烈运动 时，以糖酵解为主。
——引起酶活性降低的Байду номын сангаас构效应剂。
2. 变构调节的机制
催化亚基 变构酶 调节亚基
变构效应剂： 底物、终产物
其他小分子代谢物
变构效应剂 + 酶的调节亚基 疏松 紧密 酶的构象改变 亚基聚合 亚基解聚 酶分子多聚化 酶的活性改变 （激活或抑制 ）
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，使代谢物不致生成过多。 乙酰CoA 丙二酰CoA
2. 参与物质代谢的酶在生物机体各器官组织内分布区域化的差异
①生物学意义：各器官组织各司其职，肝脏是生物机体物质代谢的中心。
脑、红细胞、肌肉、脂肪组织、血液循环以及肺肾脏等各有其特殊的物质代谢要求
肝
• 是机体物质代谢的枢纽。
• 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。
如
第三节
细胞内信号传递与神经激素 对物质代谢的调节
Cellular Signal Transduction and Metabolism
一、物质代谢中生物信号分子
•生物信号分子 包括激素与神经递质分子等
按激素受体在细胞的部位不同，分为：
Ι
Ⅱ
膜受体激素
胞内受体激素
二、激素水平的代谢调节
•激素作用机制
(allosteric regulation)
化学修饰调节
(chemical modification)
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。
• 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
糖原合酶
糖原合酶-P（无） 磷酸化酶b 糖原合成降低
a c b
-
+
③物质代谢调节的最终调节机构对代谢通路中关键酶活性的调节。
④激素水平调节或器官系统水平均是通过细胞内信号传递通路实现物 质代谢调节的，细胞内信号传递通路是联系机体物质代谢与外部环境 变化的重要枢纽。
3. 物质代谢通路关键酶活性调节的几种主要方式 ①酶量调节，包括特定酶转录水平调节和酶蛋白降解调节，如胆固 醇对HMGCoA还原酶的调节，泛素化标记对细胞周期蛋白的调节； ②酶活性调节，包括酶变构调节和酶共价修饰调节，如CTP对氨基甲 酰磷酸天冬氨酸转移酶的调节、磷酸化与去磷酸化修饰对丙酮酸脱氢酶的 调节； ③同工酶及其分布调节，如LDH有五种同工酶，各有不同分布； ④酶蛋白特异性剪接调节，胰蛋白酶对胃蛋白酶原的调节等
酮体在肝脏内外的代谢互补
乳酸循环
五、物质代谢的功利性 与可调节性
1. 物质代谢的功利性 细胞内物质代谢和能量代谢主要是为了⑴适应外 界环境的变化，尤其是食物营养物质供应变化的需要，即物质的可利用性； ⑵适应细胞生物自身物质代谢和能量代谢不断变化发展的需求，例如能量指 数ADP/ATP的动态变化；⑶适应自身结构化的器官或亚细胞结构单位生物 化学功能分工的不同以及由此分工形成的相互补充性，即生物要解决物质的 隔离与转运问题
乙酰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。 G-6-P
+
糖原合酶
–
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。 柠檬酸
+
乙酰辅酶A 羧化酶
–
6-磷酸果糖激酶-1
促进脂酸的合成
抑制糖的氧化
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)，
第九章
物质代谢联系与调节
Metabolic Interrelationships and Regulation
新陈代谢中物质代谢

物质代谢：基本代谢(包括合成代谢与分解代谢；
糖、脂肪、蛋白、核苷酸四大基本物质在大分子、 构件分子和小分子不同层次间转化的代谢及其各 类分子相互间转化的代谢) 能量代谢: 能量保障（含TAC和氧化磷酸化） 信号传递: 决定物质代谢的方向。细胞内信号传递 是物质代谢方向与细胞外界信息相联系的重要通 道，包括信号感受器、信号处理系统（即细胞内 信号传递系统）和信号响应系统三部分
Ⅳ 药物对酶合成的诱导
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
二、 酶活性调节
酶变构调节和酶共价修饰调节
• 快速代谢 数秒、数分钟 通过改变酶的活性 • 迟缓代谢 数小时、几天 通过改变酶的含量 变构调节
内外环境 不断变化
影响机体代谢
适应环境 的变化
机体有精细的调节 机制，调节代谢的 强度、方向和速度
2. 物质代谢通路的可调节性
①健全的生物调节系统包括环境变化的信息感受器、信息处理分析
器和应答机构，信息分子是联动各生物调节机构的重要媒介，分为作用物、
神经激素以及器官水平调节。
Sensor
Processor
感受器
分析器
效应器
感觉系统
神经系统
骨骼肌肉系统
②按作用物水平调节方式分类,物质代谢模式有(a)直线型， (b) 分支型， (c)循环型等，因此不同类型代谢模式其生物调节的策略不 尽相同，例如直线型的代谢通路有底物的多米诺骨推牌式调节或产物 的负反馈调节等，例如糖的酵解途径，嘧啶核苷酸从头合成等；分支 的代谢通路有比例调节或交互调节，例如从IMP到AMP或到GMP的 代谢，6-磷酸葡萄糖到糖元合成或磷酸戊糖途径或酵解途径等；循环 的代谢通路有规模放大或规模缩小性调节，例如三羧酸循环等。
糖异生
脂肪酸合成 脂肪分解 脂肪酸氧化 三羧酸循环
胞液、线粒体
胞液 胞液 线粒体 线粒体
DNA合成
RNA合成 血红素合成 胆固醇合成 尿素生成
胞核
胞核 胞液、线粒体 胞液、内质网 胞液、线粒体
②产生隔离的原因：基因表达与靶向转运的差异、生物膜脂质双分子结构等
③消除隔离使物质代谢循环得以进行的主要方式 膜蛋白与运载体的协助； 方式有主动转运、被动转运、偶联转运等，其中各种形式的线粒体穿梭、 氨基酸的γ谷胱甘酰基循环等是偶联转运的重要形式。
丙酮酸或乙酰辅酶A
三羧酸循环与氧化磷酸化
• 各种物质代谢之间互有联系，相互依存。
• 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