生物化学及分子生物学(人卫第九版)-10代谢的整合与调节

而是通过共同的中间代谢物、柠檬酸循环和生物氧化等彼此联
系、相互转变。 一种物质的代谢障碍可引起其他物质的代谢紊乱，如糖 尿病时糖代谢的障碍，可引起脂代谢、蛋白质代谢甚至水盐代 谢紊乱。
（一）葡萄糖可转变为脂肪酸
摄入的糖量超过能量消耗时 合成糖原储存（肝、肌肉） 葡 萄 糖 合成脂肪 （脂肪组织）
大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α -酮酸，可转变为糖
丙氨酸
脱氨基
丙酮酸
糖异生
葡萄糖
（二）葡萄糖与大部分氨基酸可以相互转变
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
糖 丙酮酸 草酰乙酸
天冬氨酸 乙酰CoA
α -酮戊二酸 谷氨酸
柠檬酸
（三）氨基酸可转变为多种脂质但脂质几乎不能转变为氨基酸
蛋白质可以转变为脂肪 氨基酸 乙酰CoA 脂肪
CO2
异亮氨酸 蛋氨酸 丝氨酸 苏氨酸 缬氨酸
（四）一些氨基酸、磷酸戊糖是合成核苷酸的原料
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 磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供
合成嘧啶
第二节
代谢调节的主要方式
(The Main Ways of Metabolic Regulation)
氨 基 酸 ︑ 糖 及 脂 肪 代 谢 的 联 系
糖
丙氨酸 半胱氨酸 丝氨酸 苏氨酸 色氨酸
磷酸丙糖 PEP 丙酮酸 异亮氨酸 亮氨酸 色氨酸 草酰乙酸
脂肪
乙酰CoA
乙酰乙酰CoA
酮体
柠檬酸
亮氨酸 赖氨酸 酪氨酸 色氨酸 苯丙氨酸
天冬氨酸 天冬酰胺 延胡索酸 苯丙氨酸 酪氨酸
TAC
琥珀酰CoA
CO2 α -酮戊二酸 谷氨酸 精氨酸 谷氨酰胺 组氨酸 缬氨酸
糖酵解
Fra Baidu bibliotek丙酮酸氧化脱羧 柠檬酸循环
别构酶
磷酸果糖激酶-1
别构激活剂
F-1,6-BP、ADP、AMP
别构抑制剂
ATP、丙氨酸 葡糖-6-磷酸
F-2,6-BP、AMP、ADP、F-1,6-BP 柠檬酸、ATP
丙酮酸激酶 己糖激酶
丙酮酸脱氢酶复合体 柠檬酸合酶 α -酮戊二酸脱氢酶复合体 异柠檬酸脱氢酶
AMP、CoA、NAD+、ADP、AMP ATP、乙酰CoA、NADH 乙酰CoA、草酰乙酸、ADP ADP、AMP AMP 乙酰CoA 乙酰CoA、柠檬酸、异柠檬酸 ADP、GDP PRPP 柠檬酸、NADH、ATP 琥珀酰CoA、NADH ATP ATP、葡糖-6-磷酸 葡萄糖、F-1,6-BP、F-1-P AMP 软脂酰CoA、长链脂酰CoA ATP、GTP IMP、AMP、GMP UMP
3. 别构调节使一种物质的代谢与相应的代谢需求和相关物质的代谢协调 别构效应剂（底物、终产物、其他小分子代谢物） 细胞内浓度的改变 （反映相关代谢途径的强度和相应的代谢需求） 关键酶构象改变，影响酶活性 调节相应代谢的强度、方向，以协调相关 代谢、满足相应代谢需求
① 代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的关键 酶，避免产生超多需要的产物
糖原分解 糖异生 脂肪酸合成 氨基酸代谢 嘌呤合成 嘧啶合成
磷酸化酶（肌） 磷酸化酶（肝） 丙酮酸羧化酶 乙酰辅酶A羧化酶 谷氨酸脱氢酶 PRPP酰胺转移酶 氨基甲酰磷酸合成酶II
2. 别构效应剂通过改变酶分子构象改变酶活性
催化亚基 别构酶 调节亚基
别构效应剂：
底物、终产物 其他小分子代谢物
别构效应剂 + 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 ）
酶的这种区隔分布，能避免不同代谢途径之间彼 此干扰，使同一代谢途径中的系列酶促反应能够更顺 利地连续进行，既提高了代谢途径的进行速度，也有 利于调控。
（二）关键酶活性决定整个代谢途径的速度和方向
※ 关键酶（key enzymes） 代谢过程中具有调节作用的酶。 ※ 关键酶催化的反应特点
① 常常催化一条代谢途径的第一步反应或分支点上的反应，速度最慢，其 活性能决定整个代谢途径的总速度。 ② 常催化单向反应或非平衡反应，其活性能决定整个代谢途径的方向。 ③ 酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂调节。
中间代谢
维生素
废物排泄
各种物质代谢之间互有联系，相互依存，构成统一的整体。
（二）体内各种代谢物都具有各自共同的代谢池 例如
消化吸收的糖
肝糖原分解 糖异生 血 糖 各 种 组 织
（三）体内代谢处于动态平衡
生者化，化又生，生化即化生 新必陈，陈乃谢，新陈恒代谢
（四）氧化分解产生的NADPH为合成代谢提供所需的还原当量
某些重要的代谢途径的关键酶
代谢途径
糖酵解 丙酮酸氧化脱羧 柠檬酸循环 糖原分解 糖原合成 糖异生 脂肪酸合成 脂肪酸分解 胆固醇合成 己糖激酶 磷酸果糖激酶-1 丙酮酸激酶 丙酮酸脱氢酶系 异柠檬酸脱氢酶 α -酮戊二酸脱氢酶系 柠檬酸合酶 磷酸化酶 糖原合酶 丙酮酸羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 果糖-1,6-二磷酸酶 葡糖-6-磷酸酶 乙酰辅酶A羧化酶 肉碱脂酰转移酶I HMG辅酶A还原酶
乙酰CoA
（一）葡萄糖可转变为脂肪酸
脂肪酸不能在体内转变为葡萄糖 甘油 脂 肪 脂酸 甘油激酶 肝、肾、肠 磷酸-甘油 葡 萄 糖
乙酰CoA
葡萄糖
（一）葡萄糖可转变为脂肪酸
脂肪酸分解依赖于糖代谢
饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时： 脂肪大量动员
糖不足 酮体生成增加
草酰乙酸 相对不足
高酮血症
氧化受阻
（二）葡萄糖与大部分氨基酸可以相互转变
（三）别构调节通过别构效应改变关键酶活性
1. 别构调节是生物界普遍存在的代谢调节方式
一些小分子化合物能与酶蛋白分子活性中心外的特定 部位特异结合，改变酶蛋白分子构象、从而改变酶活性， 这种调节称为酶的别构调节(allosteric regulation)。
一些代谢途径中的别构酶及其效应剂
代谢途径
高等生物 —— 三级水平代谢调节
• 细胞水平代谢调节 • 激素水平代谢调节 高等生物在进化过程中，出现了专司调节功能的内分泌细胞及 内分泌器官，其分泌的激素可对其他细胞发挥代谢调节作用。 • 整体水平代谢调节 在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及神经递质对靶细 胞直接发生影响，或通过某些激素的分泌来调节某些细胞的代谢及 功能，并通过各种激素的互相协调而对机体代谢进行综合调节。
一、细胞内物质代谢主要通过对关键酶活性的调节来实现的
• 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的活性决定。 • 代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。
（一）各种代谢在细胞内区隔分布是物质代谢及其调节的
亚细胞结构基础
多酶体系 DNA、RNA合成 蛋白质合成 糖原合成 脂肪酸合成 胆固醇合成 磷脂合成 血红素合成 尿素合成 细胞核 内质网、细胞质 细胞质 细胞质 内质网、细胞质 内质网 细胞质、线粒体 细胞质、线粒体 分布 多酶体系 糖酵解 戊糖磷酸途径 糖异生 脂肪酸氧化 多种水解酶 柠檬酸循环 氧化磷酸化 分布 细胞质 细胞质 细胞质、线粒体 细胞质、线粒体 溶酶体 线粒体 线粒体
熟悉
1. 细胞内物质代谢的调节方式 2. 饱食、空腹、饥饿状态下的整体代谢
了解
1. 激素调节靶细胞的代谢 2. 营养过剩和应激状态下的整体代谢
第一节
代谢的整体性
(Integrity of Metabolism)
一、体内代谢过程互相联系形成一个整体
（一）代谢的整体性
水
脂类 糖类 蛋白质 无机盐 消化吸收
一般情况下，机体优先利用燃料的次序是糖
（50-70%）、脂肪（10-40%）和蛋白质。供能
以糖及脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。
饥饿
肝糖原分解 ，肌糖原分解 1~2天 肝糖异生，蛋白质分解
一周以上
以脂酸、酮体分解供能为主 蛋白质分解明显降低
任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他物质的氧化分解。 例如： 脂肪分解增强 ATP 增多 ATP/ADP 比值增高
糖分解被抑制
磷酸果糖激酶-1被抑制 (糖分解代谢关键酶之一)
糖分解增强
ATP↑ 抑制异柠檬酸脱氢酶 （三羧酸循环关键酶）
柠檬酸堆积 出线粒体
脂酸合成增加 分解抑制
激活乙酰CoA羧化酶 （脂酸合成关键酶）
三、糖、脂质和蛋白质代谢通过中间代谢物而相互联系
体内糖、脂质、蛋白质和核酸等的代谢不是彼此孤立的，
2. 酶的化学修饰调节具有级联放大效应
酶促化学修饰的特点 ： ① 受化学修饰调节的关键酶都具无（或低）活性和有（或高）活性两种形式，由两种酶 催化发生共价修饰，互相转变。 ② 酶的化学修饰是另外一个酶的酶促反应，特异性强，有放大效应。 ③ 磷酸化与去磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应，作用迅速，有放大效应，是调节酶 活性经济有效的方式。 ④ 催化共价修饰的酶自身常受别构调节、化学修饰调节，并与激素调节偶联，形成由信 号分子、信号转导分子和效应分子组成的级联反应。
磷酸化/去磷酸化
磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化 磷酸化/去磷酸化
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
酶的磷酸化与去磷酸化
氨基酸可作为合成磷脂的原料 丝氨酸 胆胺 胆碱 磷脂酰丝氨酸 脑磷脂 卵磷脂
（三）氨基酸可转变为多种脂质，但脂质几乎不能转变为氨基酸
仅脂肪中的甘油可转变为非必需氨基酸
脂肪
甘油
磷酸甘油醛 糖酵解途径
丙酮酸
某些非必需氨基酸
其他α -酮酸
—— 但不能说，脂质可转变为氨基酸
葡萄糖或糖原
甘油三酯
α -磷酸甘油 脂肪酸
1. 酶促共价修饰有多种形式
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。
（四）化学修饰调节通过酶促共价修饰调节酶活性
1. 酶促共价修饰有多种形式
化学修饰的主要方式 磷酸化 - - - 去磷酸
乙酰化 - - - 脱乙酰
※ 别构效应的机制有两种：
（1）调节亚基含有一个“假底物”（pseudosubstrate）序列 “假底物”序列能阻止催化亚基结合底物，抑制酶活性；效应剂结合调
节亚基导致“假底物”序列构象变化，释放催化亚基，使其发挥催化作用。 如cAMP激活PKA。 （2）别构效应剂与调节亚基结合，能引起酶分子三级和/或四级结构在“T” 构象（紧密态、无活性／低活性）与“R”构象（松弛态、有活性／高活性） 之间互变，从而影响酶活性。如氧调节Hb。
乙酰CoA
乙酰CoA羧化酶
丙二酰CoA
长链脂酰CoA
②变构调节使能量得以有效利用，避免生成过多造成浪费
+
G-6-P
– 糖原磷酸化酶
糖原合酶
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进行 柠檬酸 + 乙酰辅酶A羧化酶 – 磷酸果糖激酶-1
促进脂酸的合成
抑制糖的氧化
（四）化学修饰调节通过酶促共价修饰调节酶活性
磷酸戊糖途径 氧化反应 NADPH + H + 乙酰CoA 脂酸、胆固醇
还原反应
二、物质代谢与能量代谢相互关联
三大营养物质可在体内氧化供能 三大营养物质 各自代谢途径
糖 脂肪 蛋白质 乙酰CoA TAC CO2 ATP
共同中间 产物
共同代谢 途径
2H
从能量供应的角度看，三大营养物质可以互
相代替，互相补充，但也互相制约。
关键酶
※
调节关键酶活性（酶分子结构改变或酶含量改变）是细胞
水平代谢调节的基本方式，也是激素水平代谢调节和整体代谢调 节的重要环节。 ①快速调节（改变酶分子结构） 数秒、数分钟 改变单个酶分子的催化能力 ②迟缓调节（改变酶含量） 数小时、几天 调节酶的合成与降解速度 别构调节 (allosteric regulation) 化学修饰调节 (chemical modification)
甲基化 - - - 去甲基 腺苷化 - - - 脱腺苷 SH 与 – S — S – 互变
磷酸化/去磷酸化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
磷酸化酶b激酶 糖原合酶 丙酮酸脱羧酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸脱氢酶 HMG-CoA还原酶 HMG-CoA还原酶激酶 乙酰CoA羧化酶 脂肪细胞甘油三酯脂酶
第十章
代谢的整合与调节
(Integration and Regulation of Metabolism)
作者 : 孙军 单位 : 华中科技大学同济医学院
目录
第一节 代谢的整体性
第二节 代谢调节的主要方式
第三节 体内重要组织和器官的代谢特点
重点难点
掌握 1. 代谢的整体性 2. 代谢调节的方式 3. 重要组织器官的代谢特点