第十二章物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系與調(diào)控

1、第十四章物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系與調(diào)控教學(xué)目標(biāo)：1. 熟悉物質(zhì)代謝的特點和相互間的聯(lián)系，掌握交叉點。2. 了解代謝調(diào)節(jié)的方式和水平。3. 熟悉酶水平調(diào)節(jié)的方式、原理（酶活性、酶量、酶的區(qū)域化分布）。4. 了解激素和神經(jīng)水平調(diào)節(jié)的特點。第一節(jié)物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系一、物質(zhì)代謝的特點1. 整體性各類物質(zhì)的代謝在相互聯(lián)系、相互制約下進(jìn)行，形成一個完整統(tǒng)一的過程（網(wǎng)絡(luò)）。如在能量供應(yīng)上，糖、脂、蛋白質(zhì)可以相互替代，相互制約。一般情況下，糖是主要供能物質(zhì)（50%70%），脂主要是儲能（供能只占10%40%），蛋白質(zhì)幾乎不是供能形式；饑餓或某些病理狀態(tài)時，糖供能減少，脂和蛋白質(zhì)分解供能增加。物質(zhì)代謝在個體和種屬之間

2、都具互補(bǔ)性，這是生態(tài)平衡的基礎(chǔ)。2. 代謝調(diào)節(jié)正常情況下，機(jī)體各種物質(zhì)代謝能適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化，有序地進(jìn)行。這是由于機(jī)體存在精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制，不斷調(diào)節(jié)各種物質(zhì)代謝的強(qiáng)度、方向和速度以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化。代謝調(diào)節(jié)普遍存在于生物界，是生物的重要特征。3. 生命物質(zhì)的降解和合成有共同點生命物質(zhì)的降解是一個分子由大到小，生成其單體的過程。降解的方式有水解、磷酸解、焦磷酸解、硫解。降解后的單體進(jìn)入中間代謝進(jìn)一步分解。分解的作用一是獲得能量，二是獲得重要的中間物。ATP是生物體能量利用的共同形式，是機(jī)體最主要的能量載體和各種生命活動能量的直接供體。分解的最終產(chǎn)物是C02H2ONH3H3PO4S02等無機(jī)物，因種

3、屬差異，各類物質(zhì)分解的最終產(chǎn)物有所不同。生命物質(zhì)的合成是一個由小到大，由簡單到復(fù)雜的過程。分為半合成和從頭合成。蛋白質(zhì)核酸多糖和脂類的聚合是一種半合成。自養(yǎng)生物可直接將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，氨基酸、核苷酸、單糖、脂肪酸和膽固醇的合成是從無到有，即從頭合成。NADPH是合成代謝所需的還原當(dāng)量。物質(zhì)代謝具共同的代謝池，處于動態(tài)平衡中。4. 各組織、器官物質(zhì)代謝各具特色動物、植物和微生物的物質(zhì)代謝以及動物各組織、器官的物質(zhì)代謝途徑有所不同，各具特色。肝臟是物質(zhì)代謝的中心。每種物質(zhì)代謝的活化方式不同（如糖的降解是磷酸化己糖，而糖的聚合是UDPGADPG；甘油三酯的合成是甘油-a-磷酸和脂酰輔酶A;氨基酸

4、的活化以氨酰腺苷酸方式進(jìn)行）。二、物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系物質(zhì)代謝通過各代謝途徑的共同中間產(chǎn)物相互聯(lián)系，但在相互轉(zhuǎn)變的程度上差異很大，有些代謝反應(yīng)是不可逆的。乙酰CoA是糖、脂、氨基酸代謝共有的重要中間代謝物，三羧酸循環(huán)是三大營養(yǎng)物最終代謝途徑，是轉(zhuǎn)化的樞紐。1. 糖代謝與脂肪代謝的關(guān)系糖可以轉(zhuǎn)變成脂肪、磷脂和膽固醇。二羥丙酮磷酸經(jīng)甘油磷酸脫氫酶催化變成甘油-a-磷酸；丙酮酸氧化脫羧變成乙酰輔酶A,再合成雙數(shù)碳原子的脂肪酸。在動物和人，脂肪轉(zhuǎn)變成糖惟量很少。甘油可經(jīng)糖異生變成糖原，但脂肪酸代謝的乙酰輔酶A不能轉(zhuǎn)變成丙酮酸，不能異生成糖。雖然甘油、丙酮和丙酰CoA可以轉(zhuǎn)變成糖，其量微不足道。植物體內(nèi)有

5、乙醛酸循環(huán)途徑，所以，脂肪轉(zhuǎn)變成糖惟量大。2. 糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系糖不能轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)可轉(zhuǎn)變成糖。糖代謝產(chǎn)生的a-酮酸（丙酮酸、a-酮戊二酸、草酰乙酸）氨基化和轉(zhuǎn)氨生成相應(yīng)的非必需氨基酸。蛋白質(zhì)分解的20種氨基酸（亮氨酸、賴氨酸除外），均可生成a-酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘恰?. 脂肪代謝和蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系脂不能轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)，而蛋白質(zhì)可轉(zhuǎn)變?yōu)橹悺Ｒ驗橹舅徂D(zhuǎn)變成氨基酸僅限于谷氨酸，且需草酰乙酸存在（來源糖）。氨基酸代謝可生成乙酰COA及合成磷脂的原料。4. 核酸和其他物質(zhì)代謝的關(guān)系核酸和其他物質(zhì)代謝的關(guān)系密切。核酸通過控制蛋白質(zhì)的合成影響細(xì)胞的組成成分和代謝類型，核酸代謝離不開酶及調(diào)節(jié)蛋白。

6、許多核苷酸在物質(zhì)代謝中起重要作用，UTP參與糖的合成，CTP參與磷脂的合成，CTP為蛋白質(zhì)合成所必需。許多輔酶為核苷酸衍生物。氨基酸及其代謝產(chǎn)生的一碳單位，糖代謝磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的磷酸核糖是合成核苷酸的原料。第二節(jié)代謝的調(diào)節(jié)一、代謝調(diào)節(jié)的方式和水平1. 細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)通過改變關(guān)鍵酶的結(jié)構(gòu)或含量以影響酶的活性，進(jìn)而對代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)。是生物最基本的調(diào)節(jié)方式。關(guān)鍵酶催化的反應(yīng)特點：在整條代謝通路中催化的反應(yīng)速度最慢，又稱限速酶；催化單向反應(yīng)或非平衡反應(yīng)；受多種效應(yīng)物的調(diào)節(jié)。2. 激素水平的調(diào)節(jié)是通過與靶細(xì)胞受體特異結(jié)合，將激素信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)，最終表現(xiàn)出激素的生物效應(yīng)。3. 神經(jīng)水平的調(diào)

7、節(jié)是神經(jīng)系統(tǒng)通過激素、酶或直接對組織、器官施加影響，進(jìn)行整體調(diào)節(jié)。二、細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)（一）酶活性的調(diào)節(jié)通過改變酶結(jié)構(gòu)快速調(diào)節(jié)酶活性，有2種調(diào)節(jié)方式。1. 變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)劑與酶的調(diào)節(jié)亞基或調(diào)節(jié)部位非共價結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象改變，從而改變酶活性。受調(diào)節(jié)的酶稱為變構(gòu)酶或別構(gòu)酶。變構(gòu)劑有底物、產(chǎn)物、代謝途徑終產(chǎn)物及小分子核苷酸類物質(zhì)。變構(gòu)效應(yīng)有變構(gòu)激活和變構(gòu)抑制。變構(gòu)調(diào)節(jié)主要以反饋方式控制酶的活性，反饋抑制（負(fù)反饋）普遍存在。2. 共價修飾調(diào)節(jié)酶分子的某些基團(tuán)在另一種酶催化下發(fā)生化學(xué)共價修飾（如磷酸化/脫磷酸，乙?；?脫乙酰，甲基化/脫甲基等），使酶的構(gòu)象改變，從而改變酶活性。具有放大效應(yīng)。以上兩種調(diào)節(jié)

8、相輔相成。對某一具體的酶而言，可同時受到它們的調(diào)節(jié)。（二）酶量的調(diào)節(jié)通過改變酶的合成或降解以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酶的含量，從而調(diào)節(jié)代謝的速度和強(qiáng)度。屬遲緩調(diào)節(jié)。酶合成是受基因表達(dá)調(diào)節(jié)的，可在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平進(jìn)行。1. 原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)19601961年Jacob和Monod對大腸桿菌乳糖發(fā)酵過程酶的誘導(dǎo)合成及各種突變型研究后，提出了操縱子模型。操縱子是原核生物基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，一般含26個基因。操縱子模型的核心是對原核生物基因的劃分，以后為基因結(jié)構(gòu)分析證實并豐富該模型，還發(fā)現(xiàn)色氨酸操縱子、半乳糖操縱子等。轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的基本控制點。（1）酶合成的誘導(dǎo)作用乳糖操縱子（Lactoseoperon

9、）由一組功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因（z、y、a）,操縱基因（o），啟動基因（p），調(diào)節(jié)基因（i）組成。三個結(jié)構(gòu)基因"開放”可轉(zhuǎn)錄同一條mRNA再翻譯出3種利用乳糖的酶（B-半乳糖苷酶、B-半乳糖苷透性酶、B-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶）。乳糖操縱子“開”與“關(guān)”是在獨立的正、負(fù)調(diào)節(jié)因子作用下完成的。阻遏蛋白是負(fù)調(diào)節(jié)因子，cAMP-CAP是正調(diào)節(jié)因子。CAP是代謝產(chǎn)物活化蛋白，也稱CAMP受體蛋白（CRP。cAMP-CAP吉合在啟動基因上可促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。葡萄糖的降解物能抑制CAMP酶的活性，并活化磷酸二酯酶，使CAMP的濃度下降，CAP不能活化形成復(fù)合物，導(dǎo)致一些酶基因不能轉(zhuǎn)錄。大腸桿菌培養(yǎng)基有葡萄糖時，先

10、利用葡萄糖，乳糖是誘導(dǎo)物。（2）酶合成的阻遏作用色氨酸操縱子是阻遏操縱子，可說明某些代謝產(chǎn)物阻止細(xì)胞內(nèi)酶的合成。trpE、DC、BA是結(jié)構(gòu)基因。是開放的，轉(zhuǎn)錄并翻譯合成trp的5種酶。P0是啟動基因和操縱基因；L是前導(dǎo)序，a是衰減子。調(diào)節(jié)基因（trpR）表達(dá)的產(chǎn)物阻遏蛋白原無活性，培養(yǎng)基有trp或trp合成過量，可作為輔阻遏物與阻遏蛋白原結(jié)合，使其有活性，結(jié)合0，阻止P的啟動，結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。阻遏作用只控制轉(zhuǎn)錄的起始，是粗調(diào)節(jié)；衰減子形成的衰減調(diào)節(jié)可控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，使細(xì)調(diào)節(jié)。2. 真核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)真核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)比原核生物復(fù)雜。是多層次，受多種因子協(xié)同調(diào)控的，以正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)。在轉(zhuǎn)錄

11、激活上主要表現(xiàn)在順式作用元件和反式作用因子的相互作用。順式作用元件指影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列，有啟動子、增強(qiáng)子、沉默子等。增強(qiáng)子是增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控序列，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點，決定基因的時間、空間特異性表達(dá)。沉默子是某些基因含有的負(fù)調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。反式作用因子是與順式元件結(jié)合實現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)，有基本轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子，一般都有多個結(jié)構(gòu)域。（三）酶的區(qū)域化同一個細(xì)胞內(nèi)催化各種代謝的酶有2千多種，催化各種代謝途徑的酶往往組成各種多酶體系，存在胞液和一定的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)域，酶在細(xì)胞內(nèi)有一定的分布和定位現(xiàn)象稱酶的區(qū)域化。真核細(xì)胞主要代謝酶系的區(qū)域化分

12、布：糖酵解、戊糖磷酸途徑、糖原合成、脂肪酸合成在胞液；三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化、呼吸鏈、脂肪酸B氧化、酮體生成在線粒體；核酸合成在細(xì)胞核；蛋白質(zhì)合成、磷脂合成在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；糖異生、尿素合成在胞液和線粒體；膽固醇合成、類固醇激素合成在胞液和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；多種水解酶在溶酶體；ATP酶、腺苷酸環(huán)化酶在細(xì)胞質(zhì)膜。三、激素對代謝的調(diào)節(jié)激素是多細(xì)胞生物特殊細(xì)胞或腺體產(chǎn)生，經(jīng)體液輸送到特定部位引起特定生物學(xué)效應(yīng)的一些微量化學(xué)物質(zhì)。激素是靶細(xì)胞外的信號分子，對代謝的調(diào)節(jié)是通過細(xì)胞信息傳遞，需受體介導(dǎo)的，和受體的作用有專一性、可逆性、放大性。受體是與激素、遞質(zhì)或其它化學(xué)物質(zhì)專一性結(jié)合并相互作用，最終觸發(fā)細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的生物

13、大分子，多數(shù)是蛋白質(zhì)。1. 膜受體激素此類激素是蛋白質(zhì)肽類激素及氨基酸衍生類激素，多為水溶性。激素（第一信使）與膜受體結(jié)合，激活膜上腺苷酸環(huán)化酶，使ATP轉(zhuǎn)為cAMP（第二信使），再激活蛋白激酶，進(jìn)而發(fā)揮對靶細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用。2. 胞內(nèi)受體激素為類固醇激素，多為脂溶性。激素到達(dá)靶細(xì)胞，與胞內(nèi)一種特殊的受體蛋白結(jié)合，形成復(fù)合物，在一定條件下進(jìn)入細(xì)胞核，作為轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控相應(yīng)基因的表達(dá)，產(chǎn)生代謝效應(yīng)。四、神經(jīng)系統(tǒng)對代謝的調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)對代謝的調(diào)節(jié)是整體調(diào)節(jié)，以保持內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定。短期饑餓，胰島素分泌減少，胰高血糖素分泌增多，引起體內(nèi)肌肉蛋白質(zhì)分解，糖異生增強(qiáng)，脂肪分解及酮體生成增多。而長期饑餓，則蛋