第二十章 细胞代谢网络及调控

草酰乙酸
乙酰CoA
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α-酮戊二酸 谷氨酸
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柠檬酸
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糖代谢过程中产生的代 谢中间产物为氨基酸的 生成提供碳骨架。
G-6-P、3-磷酸酸甘油 酸、磷酸烯醇式丙酮酸、 丙酮酸、α-酮戊二酸、 草酰乙酸
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2、生糖氨基酸的碳架可以转变成糖
往往先产生一 个或多个超高 能化合物
UTP、GTP、CTP、TTP 合成，供能
能量源自能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解
ATP作为磷酸基团的中间传递体,起着能量携带和转运 者作用,故称能量 通用货币
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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ATP、还原力和结构单 元用于体内生物合成
乙酰CoA
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⑵ 有机物分解产生构造原料和能量大致可以分三个阶段
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ATP。
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ATP。
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二、 物质代谢的特点
㈠、 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。
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2、分解、合成途径往往分开，非简单的逆反应
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。
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甘油
3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮
脂肪
三羧酸循环
脂酸 乙酰CoA 肝外 肝 酮体
丙酮酸
葡萄糖
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㈡、 糖代谢与氨基酸代谢的关系
1、糖代谢中间产物为氨基酸合成提供碳架
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
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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 —— 避免了各种代谢途径互相干扰。
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• 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：
o 在细胞内的反馈调节中，广泛地存在着负反馈，正反 馈的例子不多，如草酰乙酸对乙酰辅酶A的氧化即是 正反馈控制的例子
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2)酶的变构调节：
⑴概念：
• 变构调节（allosteric regulation）概念： 小分子化合物与酶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 酶活性。
1、酶定位的区域化
DNA复制 RNA合成
酵解,脂肪 酸合成、 磷酸戊糖 途径部分 蛋白质降 解等
蛋白质合 成，磷脂 合成
TCA,电子 传递氧化 磷酸化, 脂肪酸氧 化,氨基 酸分解等
蛋白质加 工、修饰
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多酶体系在细胞内的分布
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。
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㈣、 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。 丝、甘、组、色等氨基 酸可转变为一碳单位参 与核苷酸的合成。 有些核苷酸在物质代谢 中也有重要作用 ATP：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。
乙酰CoA对乙酰CoA羧化酶的负前馈作用
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②反馈—终产物的调节作用
o 受终产物调节的这个酶的活性决定了整个代谢途径的 速度，这个酶称为限速酶（rate-limiting enzyme） 或关键酶（key enzyme）。
o 在一个代谢过程中，如果随终产物浓度的升高，关键 酶活性增高，这种现象称为正反馈（positive feedback）；相反则称为负反馈（negative feedback）。
Phe、Tyr 等 生 糖 及生酮。
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糖代谢与氨基酸代 谢的联系
葡萄糖
丙酮酸
甘、丙、天冬、谷、脯、 丝、酪、半胱、谷氨酰胺、 组、精、天冬酰胺
丙、色、丝、 苏、半胱、甘
天冬 乙酰CoA 亮、赖
草酰乙酸 延胡索酸
柠檬酸 α-酮戊二酸
谷、谷氨酰 胺、精、组、 脯
酪、苯丙
第二十章 细胞代谢网络及调控
细胞代谢：物质代谢 能量代谢
细胞代谢是一个完整 统一的网络系统，并 且存在复杂而有序的 调节机制，通过基因 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。
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物 质 代 谢 一 览
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嘌呤核苷酸合成 糖异生
嘧啶核苷酸合成
PRPP合成酶、酰胺转移酶
丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶， 果糖二磷酸酶
天门冬氨酸转氨基甲酰酶、
氨基甲酰磷酸合成酶II、PRPP合成酶
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• 2、酶活性的调节 1) 反馈调节：反馈抑制、反馈激活、前馈
激活调节酶活性 2) 别构调节 3) 可逆共价调节 4) 酶原激活
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琥珀酸
缬、蛋、异亮、苏
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㈢、 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；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。
• 变构酶：能进行变构调节的酶。
• 变构效应剂：使酶发生变构调节的小分子物质。 可以是酶的底物、代谢途径的终产物或其它小 分子代谢物。
• 变构激活与变构抑制。
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⑵机制：
• 变构酶的结构：寡聚酶；催化亚基和调节亚 基；同一亚基有催化部位和调节部位 。
• 变构效应剂与调节亚基（或调节部位）非共 价键结合→酶的构象改变→ 影响酶与底物的 结合→ 激活或抑制。
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代谢途径的关键酶
代谢途径
关键酶
糖原分解
磷酸化酶
脂肪酸分解
肉毒碱酰基转移酶
糖原合成
糖原合酶
脂肪酸合成 糖酵解
乙酰CoA羧化酶 磷酸果糖激酶、己糖激酶、丙酮酸激酶
酮体生成 胆固醇合成 糖有氧氧化
HMGCoA 裂解酶 HMGCoA 还原酶
丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶
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合成糖原储存
葡萄糖 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油
乙酰CoA羧化酶
乙酰CoA
+ 丙二酰CoA
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草酰乙酸 ATP 2H H2O
柠檬酸
脂酰CoA 脂肪
α-酮戊二酸
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2、 脂转变成糖
甘油磷酸化为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，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。 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）。
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一、物质代谢途径的相互联系
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G6-P、丙酮 酸、乙酰 CoA。
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㈠、糖代谢与脂代谢的联系
1、糖转变成脂
合成糖原储存（肝、肌肉）
葡
萄 糖
乙酰CoA
合成脂肪 （脂肪组织）
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
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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
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⑴ NADPH专一用于还原性生物合成，NADH和FADH2 主要功能是通过呼吸链产生ATP ATP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
• 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
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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、Leu、 Lys、Trp 等 可 生 成乙酰乙酰CoA， 从而生成酮体。
• 变构调节可表现为亚基的聚合或解聚。
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⑶变构调节的生理意义：
•
效应剂的浓度改变
（反映代谢途径的强度和能量供求情况）
关键酶变构调节
调节代谢的强度、方向、能量的供需平衡
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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。
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）
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㈠、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。
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前馈
S0 E0 S1 E1 ..... En-1 Sn 前馈和反馈图示
反馈
ATP ADP
Glc
G-6-P
HK
UTP PPi
G-1-P
UDPG
糖原
糖原合成酶
G-6-P对糖原合成的正前馈作用
乙酰CoA+CO2+H2O+ATP乙酰CoA羧化酶 丙二酸单酰CoA+ADP+Pi
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3、 ATP是通用的能量载体
ATP再将能量转移给其他 磷酸基团受体或释放能量 转化为其他形式能量
分解代谢 氧化产能
一个放能反应
ATP
超高能化合物 将能量转给 ATP
ADP
机械能（运动） 化学能（合成反应） 渗透能（分泌、吸收） 电能（生物电） 热能（体温维持） 光能（生物发光）
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5、分解、合成受不同方式调节，有机体有序代谢
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二、 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。
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。
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例：糖代谢的关键酶
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1)反馈调节：
前馈（feedforward）和反馈（feedback）指代谢 底物和产物对代谢速度的影响
①前馈—代谢底物浓度的调节作用 参与代谢的底物浓度的变化，影响代谢途径中某
步酶的活性，从而对整个代谢速度产生影响， 这种调节方式称为前馈。 o 正前馈 o 负前馈