第十三章 物质代谢调节与细胞信号转导 PPT课件
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生物化学
另外变构抑制剂常是代谢终产物，变构 酶常处于代谢通路的开端，通过反馈抑制， 可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要 的底物消耗。
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生物化学
（二）共价修饰调节
酶的共价修饰调节和变构调节一样，也 是机体物质代谢中快速调节的一种重要方式。
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生物化学
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生物化学
主要代谢途径酶系在细胞内的隔离分布
代谢酶系
分布区域
代谢酶系
分布区域
糖酵解
胞浆
呼吸链
线粒体
糖异生
胞浆、线粒体
蛋白质合成
核糖体
糖原合成、分解 磷酸戊糖途径
胞浆 胞浆
尿素合成 三羧酸循环
胞浆、线粒体 线粒体
脂肪酸合成
胞浆
氧化磷酸化
线粒体
胆固醇合成 磷脂合成
胞浆、内质网 内质网
血红素合成 蛋白质降解
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生物化学
这些亲水性激素分子不能直接透过细胞 膜传递信号，而是作为第一信使分子与相应 的靶细胞膜受体结合后，由受体将激素的调 节信号跨膜传递到细胞内。再通过第二信使 及信号蛋白的级联放大，产生细胞代谢效应。
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生物化学
2．胞内受体激素 胞内受体即定位于细胞内的受体。能
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生物化学
3．应激(stress) 应激是人体受到一些强烈的刺激，如创
伤、剧痛、缺氧、中毒、感染以及剧烈情绪 激动时，机体所作出的一系列反应。
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生物化学
应激状态时，交感神经兴奋，肾上腺髓 质及皮质激素分泌增多，血浆胰高血糖素及 生长激素水平增加，而胰岛素分泌减少，引 起一系列代谢改变。①血糖升高；②脂肪动 员增强；③蛋白质分解加强。
生物化学
酶的隔离分布使得代谢物也相应 的存在于细胞不同区域或亚细胞结构 中，直接影响相关代谢的速率。
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生物化学
（二）激素水平的调节
高等动物通过专门的内分泌细胞、器 官分泌激素，对其他细胞发挥代谢调节作 用，改变某些酶的催化活性或含量，从而 改变细胞内代谢物的浓度，影响代谢反应 的速度及方向。
快速调节酶活性的一种重要方式。变构酶及 变构调节的概念见第三章酶。
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1．变构调节机制 变构酶动力学不符合米曼氏方程式，酶促
反应速度和作用物浓度的关系不呈矩形双曲线 而常常呈S形。
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生物化学
V Vmax 变构激活
变构酶
变构抑制
0
[S]
变构酶的S形曲线
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胞浆、线粒体 溶酶体、蛋白酶体
脂肪酸β-氧化
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线粒体
核酸合成
细胞核
生物化学
酶的隔离分布为代谢调节创造了有利条 件，使某些调节因素较为专一地影响某一细 胞组分中酶的活性，而不影响其他组分中酶 的活性，使各种代谢途径互不干扰，又利于 相互协调，从而保证了整体反应的有序性。
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生物化学
2．变构调节的生理意义 变构效应在酶的快速调节中占有特别
重要的地位。变构酶的活性可以极灵敏地受 到代谢产物浓度的调节，这对机体的自身代 谢调控具有重要的意义。
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在变构酶的S形曲线中段，底物浓度稍有降 低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代谢通 路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高， 则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，可以快 速调节细胞内底物浓度和代谢速度。
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细胞内存在着多种蛋白激酶它们可以将 ATP分子中的磷酸基团转移至特定的蛋白分子 底物上，使后者磷酸化。磷酸酶它们可将相应 的磷酸基团移去。
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2．共价修饰调节的生理意义 绝大多数共价修饰的酶都具有无活性(或低
活性)与有活性(或高活性)两种形式。它们之间 的互变反应，正、逆两向都有共价变化，由不 同的酶进行催化，而催化这互变反应的酶又受 机体调节物质(如激素)的控制。
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生物化学
细胞水平代谢调节主要通过三方面实现: 细胞内酶差异分布 关键酶活性调控 关键酶含量调控
关键酶活性及其含量的调控后面专门论述，首先看细 胞内酶差异分布对物质代谢反应的调节作用。
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生物化学
从前面物质代谢反应的学习中可知， 酶在细胞内是隔离分布的。特定代谢反应 中的有关酶，常常组成一个酶体系，分布 在细胞的某一区域或亚细胞结构中。
自分泌：细胞产生信号分子作用于细胞自身受体
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生物化学
细胞信号转导过程涉及细胞外信号与受 体作用、细胞内信号转导相关分子浓度、活 性及位置变化，最终引起细胞应答反应。
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生物化学
细胞内存在多种信号转导途径，彼此之间 相互交叉构成错综复杂的网络。信号转导机制 的阐明不仅加深对生命活动本质的认识，同时 也有助于深入研究肿瘤、内分泌及代谢性疾病、 心血管疾病及药物中毒等的发病机制。
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按激素受体在细胞的定位不同，可 将激素分为两大类：膜受体激素和胞内 受体激素。
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1．膜受体激素 膜受体即定位于细胞膜上的受体，多
数是跨膜糖蛋白。能与膜受体特异结合的 激素称为膜受体激素。
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这类激素包括胰岛素、生长激素、促 性腺激素、促甲状腺激素和甲状旁腺激素 等蛋白质类激素，生长因子等肽类及肾上 腺素等儿茶酚类激素。
够透过脂质双层细胞膜进入细胞与胞内受 体结合的激素称为胞内受体激素。
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生物化学
这类激素包括类固醇激素、甲状腺素、 维生素D及视黄酸等脂溶性激素。大部分 该类激素与位于细胞核内的受体结合，有 的激素与细胞液中受体结合后再进入核内。
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生物化学
激素与受体结合后引起受体构象改变， 然后激素-受体复合物再与DNA上的激素反应 元件(hormone response element, HRE )结合， 促进或抑制靶基因转录，进而影响蛋白质的 合成，进一步对细胞代谢进行调节。
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3．神经递质 神经递质是神经突触所释放的化学信号分
子，它们只在突触间隙将信号传递给突触后的 靶细胞，其作用时间较短。
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生物化学
4．气体信号分子 气体分子信号包括NO和CO。NO是由NO合
酶通过氧化L-精氨酸的胍基产生，是一种结构 简单、半衰期短、化学性质活泼的气体信号分 子。CO是最近发现的另一种气体信息分子，它 是在血红素加单氧酶氧化血红素过程中产生的。
1．共价修饰的机制 酶分子肽链上的某些氨基酸残基可在另一
种酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起 酶活性的改变，这个过程称为酶的共价修饰调 节。
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生物化学
如磷酸化和脱磷酸，乙酰化和去乙酰化， 腺苷化和去腺苷化，甲基化和去甲基化以及SH基和-S-S-基互变等，其中磷酸化和脱磷酸 作用在物质代谢调节中最为常见。
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一、信号转导的相关概念
细胞信号转导过程包括了信号分子作用的 多个环节，随着研究的不断深入产生了很多理 论及概念，下面主要介绍胞内、外信号及受体。
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（一）细胞外信号分子
细胞外信号分子分为以下几类： 1.内分泌激素 2.局部化学介质 3.神经递质 4.气体信号分子 5.自分泌信号分子 6.细胞膜表面结合的信号分子
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二、关键酶活性的调节
关键酶催化的反应通常是整条途径中反应 最慢的，因此又称限速酶，它的活性决定了反 应的总速度。同时关键酶催化的反应往往是单 向反应，所以其活性还决定着代谢反应的方向。
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重要代谢途径的关键酶
代谢途径
糖酵解
关键酶
己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶
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1．内分泌激素 内分泌激素又称内分泌信号，是由特殊
分化的内分泌细胞合成并释放的化学信号分 子。
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生物化学
水溶性激素： 氨基酸衍生物类：如甲状腺激素、儿茶酚胺类激素； 蛋白质和多肽类：如胰岛素、下丘脑激素、垂体激素等； 它们都是很难直接通过细胞膜的脂质双层 进入细胞，必须与靶细胞表面的受体结合而 引发细胞的应答反应。
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生物化学
细胞通讯和细胞信号转导是高等生物生命活动 的基本机制。细胞间通讯途径多样。
细胞间通讯 细胞自身作用
间隙连接：作用快，细胞同步性高 直接 接触 膜结合蛋白介导：作用较快
间接 内分泌：血液，激素，作用持久，与受体亲和性高 联系 旁分泌：组织液，局部和神经突出，作用短，亲和力低
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生物化学
共价修饰调节存在级联放大效应，由于共 价修饰是酶所催化的反应，少量的调节因素就 可通过加速这种酶促反应，使大量的另一种酶 发生化学修饰。因此，这类反应的催化效率常 较变构调节为高。
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生物化学
化学修饰与变构调节是两种主要的调节方 式。对某一种酶来说，它可以同时受这两种方 式的调节。
第十三章 物质代谢调节与细胞信号转导 PPT课件
生物化学
这三级水平代谢调节中，激素和整体的 代谢调节都是通过细胞水平的代谢调节实现， 因此细胞水平代谢调节是物质代谢调节的基 础。
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生物化学
（一）细胞水平的调节
通过细胞内代谢物浓度的变化，来影响代 谢途径中相关酶的活性和含量，从而调节物质 代谢的速度及方向，这种调节方式称为细胞水 平的代谢调节，
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生物化学
1．短期饥饿 ①肌肉蛋白质分解加强。 ②糖异生作用增强。 ③脂肪动员加强，酮体生成增多。 ④组织对葡萄糖的利用降低。
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2．长期饥饿
①脂肪动员进一步加强，脑组织利用酮体增加。 ②肌肉以脂酸为主要能源，保证酮体供应脑组织。 ③肌肉蛋白分解减少，乳酸和丙酮酸为糖异生主来源。 ④肾糖异生作用明显增强。 ⑤因肌肉蛋白分解减少，负氮平衡有所改善。
三羧酸循环 柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体
糖异生
丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖双磷酸酶-1、葡萄糖-6-磷酸酶
糖原合成
糖原合酶
糖原分解
糖原磷酸化酶
脂酸合成
乙酰辅酶A羧化酶
胆固醇合成 羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶
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（一）变构调节 变构调节在生物界普遍存在，它是体内
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激素作用的一个重要特点是，不同激素 作用于不同的组织产生不同的生物效应，表 现较高的组织特异性和效应特异性。
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激素作用的特定组织或细胞有能特 异识别结合相应激素的受体。当激素与 靶细胞受体结合后，能将激素的调节信 号传入细胞，并触发细胞内一系列信号 转导，最终表现出激素的生物学功能。
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三、酶含量的调节
（一）酶蛋白合成的诱导与阻遏 （二）酶蛋白降解的调节
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第二节 细胞信号转导
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细胞通讯是体内信号细胞发出信号，靶 细胞接收信号并将其转变为细胞功能变化的。
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（三）整体水平的调节
是指在中枢神经系统的主导下，通过神 经递质对效应器直接发生影响，或通过改变 某些激素的分泌来调节细胞功能，并通过激 素对机体组织器官中物质代谢途径进行协调 和整合，以适应环境变化，维持自身稳定。
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生物化学
各组织代谢不是孤立地进行，在神经系 统的主导下协调物质代谢，联系各组织器官形 成统一的整体，使机体更好的适应环境。现以 饥饿及应激为实例说明整体物质代谢的调节。
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生物化学
脂溶性信号分子： 类固醇衍生物类：如肾上腺皮质激素、性激素等； 脂肪酸衍生物类：如前列腺素。 脂溶性化学分子信号的主要受体位于胞浆或 细胞核内。
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生物化学
2．局部化学介质 局部化学介质又称旁分泌信号。由某些细 胞产生并分泌的生理活性物质，如组胺、前列 腺素、绝大部分的生长因子和细胞因子等。
生物化学
当底物与变构酶一个亚基上的活性中心结 合后，通过构象的改变，可增强其他亚基的活 性中心与底物的结合，出现正协同效应。即底 物浓度低时，酶活性的增加较慢，底物浓度高 到一定程度后，酶活性显著加强。
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有时底物与一个亚基的活性中心结合后， 可降低其他亚基的活性中心与底物的结合，表 现负协同效应，底物浓度较低时，酶表现出较 大活性，但底物浓度明显增加时，其反应速度 无明显变化。
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另外变构抑制剂常是代谢终产物，变构 酶常处于代谢通路的开端，通过反馈抑制， 可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要 的底物消耗。
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（二）共价修饰调节
酶的共价修饰调节和变构调节一样，也 是机体物质代谢中快速调节的一种重要方式。
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主要代谢途径酶系在细胞内的隔离分布
代谢酶系
分布区域
代谢酶系
分布区域
糖酵解
胞浆
呼吸链
线粒体
糖异生
胞浆、线粒体
蛋白质合成
核糖体
糖原合成、分解 磷酸戊糖途径
胞浆 胞浆
尿素合成 三羧酸循环
胞浆、线粒体 线粒体
脂肪酸合成
胞浆
氧化磷酸化
线粒体
胆固醇合成 磷脂合成
胞浆、内质网 内质网
血红素合成 蛋白质降解
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这些亲水性激素分子不能直接透过细胞 膜传递信号，而是作为第一信使分子与相应 的靶细胞膜受体结合后，由受体将激素的调 节信号跨膜传递到细胞内。再通过第二信使 及信号蛋白的级联放大，产生细胞代谢效应。
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2．胞内受体激素 胞内受体即定位于细胞内的受体。能
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3．应激(stress) 应激是人体受到一些强烈的刺激，如创
伤、剧痛、缺氧、中毒、感染以及剧烈情绪 激动时，机体所作出的一系列反应。
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应激状态时，交感神经兴奋，肾上腺髓 质及皮质激素分泌增多，血浆胰高血糖素及 生长激素水平增加，而胰岛素分泌减少，引 起一系列代谢改变。①血糖升高；②脂肪动 员增强；③蛋白质分解加强。
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酶的隔离分布使得代谢物也相应 的存在于细胞不同区域或亚细胞结构 中，直接影响相关代谢的速率。
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（二）激素水平的调节
高等动物通过专门的内分泌细胞、器 官分泌激素，对其他细胞发挥代谢调节作 用，改变某些酶的催化活性或含量，从而 改变细胞内代谢物的浓度，影响代谢反应 的速度及方向。
快速调节酶活性的一种重要方式。变构酶及 变构调节的概念见第三章酶。
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生物化学
1．变构调节机制 变构酶动力学不符合米曼氏方程式，酶促
反应速度和作用物浓度的关系不呈矩形双曲线 而常常呈S形。
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V Vmax 变构激活
变构酶
变构抑制
0
[S]
变构酶的S形曲线
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胞浆、线粒体 溶酶体、蛋白酶体
脂肪酸β-氧化
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线粒体
核酸合成
细胞核
生物化学
酶的隔离分布为代谢调节创造了有利条 件，使某些调节因素较为专一地影响某一细 胞组分中酶的活性，而不影响其他组分中酶 的活性，使各种代谢途径互不干扰，又利于 相互协调，从而保证了整体反应的有序性。
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2．变构调节的生理意义 变构效应在酶的快速调节中占有特别
重要的地位。变构酶的活性可以极灵敏地受 到代谢产物浓度的调节，这对机体的自身代 谢调控具有重要的意义。
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生物化学
在变构酶的S形曲线中段，底物浓度稍有降 低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代谢通 路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高， 则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，可以快 速调节细胞内底物浓度和代谢速度。
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生物化学
细胞内存在着多种蛋白激酶它们可以将 ATP分子中的磷酸基团转移至特定的蛋白分子 底物上，使后者磷酸化。磷酸酶它们可将相应 的磷酸基团移去。
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生物化学
2．共价修饰调节的生理意义 绝大多数共价修饰的酶都具有无活性(或低
活性)与有活性(或高活性)两种形式。它们之间 的互变反应，正、逆两向都有共价变化，由不 同的酶进行催化，而催化这互变反应的酶又受 机体调节物质(如激素)的控制。
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细胞水平代谢调节主要通过三方面实现: 细胞内酶差异分布 关键酶活性调控 关键酶含量调控
关键酶活性及其含量的调控后面专门论述，首先看细 胞内酶差异分布对物质代谢反应的调节作用。
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从前面物质代谢反应的学习中可知， 酶在细胞内是隔离分布的。特定代谢反应 中的有关酶，常常组成一个酶体系，分布 在细胞的某一区域或亚细胞结构中。
自分泌：细胞产生信号分子作用于细胞自身受体
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细胞信号转导过程涉及细胞外信号与受 体作用、细胞内信号转导相关分子浓度、活 性及位置变化，最终引起细胞应答反应。
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细胞内存在多种信号转导途径，彼此之间 相互交叉构成错综复杂的网络。信号转导机制 的阐明不仅加深对生命活动本质的认识，同时 也有助于深入研究肿瘤、内分泌及代谢性疾病、 心血管疾病及药物中毒等的发病机制。
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按激素受体在细胞的定位不同，可 将激素分为两大类：膜受体激素和胞内 受体激素。
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1．膜受体激素 膜受体即定位于细胞膜上的受体，多
数是跨膜糖蛋白。能与膜受体特异结合的 激素称为膜受体激素。
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这类激素包括胰岛素、生长激素、促 性腺激素、促甲状腺激素和甲状旁腺激素 等蛋白质类激素，生长因子等肽类及肾上 腺素等儿茶酚类激素。
够透过脂质双层细胞膜进入细胞与胞内受 体结合的激素称为胞内受体激素。
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这类激素包括类固醇激素、甲状腺素、 维生素D及视黄酸等脂溶性激素。大部分 该类激素与位于细胞核内的受体结合，有 的激素与细胞液中受体结合后再进入核内。
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激素与受体结合后引起受体构象改变， 然后激素-受体复合物再与DNA上的激素反应 元件(hormone response element, HRE )结合， 促进或抑制靶基因转录，进而影响蛋白质的 合成，进一步对细胞代谢进行调节。
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3．神经递质 神经递质是神经突触所释放的化学信号分
子，它们只在突触间隙将信号传递给突触后的 靶细胞，其作用时间较短。
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4．气体信号分子 气体分子信号包括NO和CO。NO是由NO合
酶通过氧化L-精氨酸的胍基产生，是一种结构 简单、半衰期短、化学性质活泼的气体信号分 子。CO是最近发现的另一种气体信息分子，它 是在血红素加单氧酶氧化血红素过程中产生的。
1．共价修饰的机制 酶分子肽链上的某些氨基酸残基可在另一
种酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起 酶活性的改变，这个过程称为酶的共价修饰调 节。
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如磷酸化和脱磷酸，乙酰化和去乙酰化， 腺苷化和去腺苷化，甲基化和去甲基化以及SH基和-S-S-基互变等，其中磷酸化和脱磷酸 作用在物质代谢调节中最为常见。
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一、信号转导的相关概念
细胞信号转导过程包括了信号分子作用的 多个环节，随着研究的不断深入产生了很多理 论及概念，下面主要介绍胞内、外信号及受体。
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（一）细胞外信号分子
细胞外信号分子分为以下几类： 1.内分泌激素 2.局部化学介质 3.神经递质 4.气体信号分子 5.自分泌信号分子 6.细胞膜表面结合的信号分子
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二、关键酶活性的调节
关键酶催化的反应通常是整条途径中反应 最慢的，因此又称限速酶，它的活性决定了反 应的总速度。同时关键酶催化的反应往往是单 向反应，所以其活性还决定着代谢反应的方向。
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重要代谢途径的关键酶
代谢途径
糖酵解
关键酶
己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶
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1．内分泌激素 内分泌激素又称内分泌信号，是由特殊
分化的内分泌细胞合成并释放的化学信号分 子。
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水溶性激素： 氨基酸衍生物类：如甲状腺激素、儿茶酚胺类激素； 蛋白质和多肽类：如胰岛素、下丘脑激素、垂体激素等； 它们都是很难直接通过细胞膜的脂质双层 进入细胞，必须与靶细胞表面的受体结合而 引发细胞的应答反应。
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细胞通讯和细胞信号转导是高等生物生命活动 的基本机制。细胞间通讯途径多样。
细胞间通讯 细胞自身作用
间隙连接：作用快，细胞同步性高 直接 接触 膜结合蛋白介导：作用较快
间接 内分泌：血液，激素，作用持久，与受体亲和性高 联系 旁分泌：组织液，局部和神经突出，作用短，亲和力低
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共价修饰调节存在级联放大效应，由于共 价修饰是酶所催化的反应，少量的调节因素就 可通过加速这种酶促反应，使大量的另一种酶 发生化学修饰。因此，这类反应的催化效率常 较变构调节为高。
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化学修饰与变构调节是两种主要的调节方 式。对某一种酶来说，它可以同时受这两种方 式的调节。
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这三级水平代谢调节中，激素和整体的 代谢调节都是通过细胞水平的代谢调节实现， 因此细胞水平代谢调节是物质代谢调节的基 础。
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（一）细胞水平的调节
通过细胞内代谢物浓度的变化，来影响代 谢途径中相关酶的活性和含量，从而调节物质 代谢的速度及方向，这种调节方式称为细胞水 平的代谢调节，
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1．短期饥饿 ①肌肉蛋白质分解加强。 ②糖异生作用增强。 ③脂肪动员加强，酮体生成增多。 ④组织对葡萄糖的利用降低。
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2．长期饥饿
①脂肪动员进一步加强，脑组织利用酮体增加。 ②肌肉以脂酸为主要能源，保证酮体供应脑组织。 ③肌肉蛋白分解减少，乳酸和丙酮酸为糖异生主来源。 ④肾糖异生作用明显增强。 ⑤因肌肉蛋白分解减少，负氮平衡有所改善。
三羧酸循环 柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体
糖异生
丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖双磷酸酶-1、葡萄糖-6-磷酸酶
糖原合成
糖原合酶
糖原分解
糖原磷酸化酶
脂酸合成
乙酰辅酶A羧化酶
胆固醇合成 羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶
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（一）变构调节 变构调节在生物界普遍存在，它是体内
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激素作用的一个重要特点是，不同激素 作用于不同的组织产生不同的生物效应，表 现较高的组织特异性和效应特异性。
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激素作用的特定组织或细胞有能特 异识别结合相应激素的受体。当激素与 靶细胞受体结合后，能将激素的调节信 号传入细胞，并触发细胞内一系列信号 转导，最终表现出激素的生物学功能。
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三、酶含量的调节
（一）酶蛋白合成的诱导与阻遏 （二）酶蛋白降解的调节
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第二节 细胞信号转导
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细胞通讯是体内信号细胞发出信号，靶 细胞接收信号并将其转变为细胞功能变化的。
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（三）整体水平的调节
是指在中枢神经系统的主导下，通过神 经递质对效应器直接发生影响，或通过改变 某些激素的分泌来调节细胞功能，并通过激 素对机体组织器官中物质代谢途径进行协调 和整合，以适应环境变化，维持自身稳定。
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各组织代谢不是孤立地进行，在神经系 统的主导下协调物质代谢，联系各组织器官形 成统一的整体，使机体更好的适应环境。现以 饥饿及应激为实例说明整体物质代谢的调节。
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脂溶性信号分子： 类固醇衍生物类：如肾上腺皮质激素、性激素等； 脂肪酸衍生物类：如前列腺素。 脂溶性化学分子信号的主要受体位于胞浆或 细胞核内。
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2．局部化学介质 局部化学介质又称旁分泌信号。由某些细 胞产生并分泌的生理活性物质，如组胺、前列 腺素、绝大部分的生长因子和细胞因子等。
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当底物与变构酶一个亚基上的活性中心结 合后，通过构象的改变，可增强其他亚基的活 性中心与底物的结合，出现正协同效应。即底 物浓度低时，酶活性的增加较慢，底物浓度高 到一定程度后，酶活性显著加强。
护理学专业本科教材
生物化学
有时底物与一个亚基的活性中心结合后， 可降低其他亚基的活性中心与底物的结合，表 现负协同效应，底物浓度较低时，酶表现出较 大活性，但底物浓度明显增加时，其反应速度 无明显变化。