代谢和代谢调控总论课件.ppt

1、第十二章第十二章 代谢和代谢调控总论代谢和代谢调控总论第一节第一节 新陈代谢的概念和研究方法新陈代谢的概念和研究方法一、物质代谢的概念一、物质代谢的概念新陈代谢新陈代谢(metabolism)(metabolism)是机体与外界环境不断进行物质是机体与外界环境不断进行物质交换的过程。它是通过消化、吸收、中间代谢和排交换的过程。它是通过消化、吸收、中间代谢和排泄四个阶段来完成的。泄四个阶段来完成的。中间代谢中间代谢(intermediary metabolism)(intermediary metabolism)就是经过消化、吸收就是经过消化、吸收的外界营养物质和体内原有的物质，在全身一切组的外

2、界营养物质和体内原有的物质，在全身一切组织和细胞中进行的多种多样的化学变化的过程。织和细胞中进行的多种多样的化学变化的过程。物质代谢：物质在体内进行化学变化的过程。物质代谢：物质在体内进行化学变化的过程。能量代谢：物质在体内进行物质代谢的同时，能量代谢：物质在体内进行物质代谢的同时，必然伴随着能量转移的过程。必然伴随着能量转移的过程。物质代谢：物质代谢：同化作用同化作用从物质交换角度从物质交换角度 异化作用异化作用 合成代谢合成代谢从化学变化角度从化学变化角度 分解代谢分解代谢 合成代谢 分解代谢 物质代谢能量代谢新陈代谢新陈代谢图解（同化作用）（异化作用）小分子 大分子需要能量释放能量大分子

3、 小分子二、能量代谢的概念二、能量代谢的概念（一）代谢过程中能量的变化（一）代谢过程中能量的变化（二）食物的卡价和呼吸商（二）食物的卡价和呼吸商（三）（三）基础代谢基础代谢（basal metabolism)basal metabolism)：是指人体的清：是指人体的清醒而安静的状态中，同时又没有食物的消化与吸醒而安静的状态中，同时又没有食物的消化与吸收作用的情况下（空腹），并处于适宜温度（室收作用的情况下（空腹），并处于适宜温度（室温），所消耗的能量称为基础代谢。温），所消耗的能量称为基础代谢。三、物质代谢的研究方法三、物质代谢的研究方法（一）体内法（一）体内法（in vivoin vivo

4、)1.1.利用正常机体的方法利用正常机体的方法2.2.使用病变动物法使用病变动物法3.3.切除器官法切除器官法4.4.放射性核素示踪法放射性核素示踪法5.5.致突变法致突变法6.6.转基因法和基因敲除转基因法和基因敲除（二）体外法（二）体外法(in vitroin vitro)1.1.脏器灌注法脏器灌注法2.2.组织切片或匀浆法组织切片或匀浆法3.3.纯酶法及酶抑制法纯酶法及酶抑制法4.4.使用亚细胞成分的方法使用亚细胞成分的方法第二节第二节 物质代谢的相互关系物质代谢的相互关系生物机体内，各类物质代谢相互影响、相互转化。生物机体内，各类物质代谢相互影响、相互转化。三羧酸循环不仅是各类物质共同

5、的代谢途径，而且三羧酸循环不仅是各类物质共同的代谢途径，而且也是它们之间相互联系的渠道。也是它们之间相互联系的渠道。丙酮酸、酰基辅酶丙酮酸、酰基辅酶A A、-酮戊二酸和草酰乙酸等代酮戊二酸和草酰乙酸等代谢物则是各类物质相互转化的重要中间产物。谢物则是各类物质相互转化的重要中间产物。CoA乙酰柠檬酸异柠檬酸酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸TCA-丙酮酸脂肪酸TyrPheLeuIleTrp草酰乙酸乙酰CoA脂肪酸胆固醇蛋白质奇数脂肪酸血红素IleMetValThrAspPheTyr葡萄糖AspGlu蛋白质琥珀酰CoA-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸乙酰CoA柠檬酸异柠檬酸一、

6、蛋白质与糖代谢的相互联系一、蛋白质与糖代谢的相互联系 糖糖 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 二、糖和脂类代谢的相互联系二、糖和脂类代谢的相互联系 很少很少 脂类脂类 糖糖 大量大量三、蛋白质和脂类代谢的相互联系三、蛋白质和脂类代谢的相互联系 蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 脂类脂类 极少极少四、核酸与糖、脂类和蛋白质代谢的相互联系四、核酸与糖、脂类和蛋白质代谢的相互联系 代谢途径的联系：相互转变，相互制约代谢途径的联系：相互转变，相互制约,殊途同归殊途同归。图15-2 动植物细胞膜结构和物质代谢的联系图解（质膜、核及核仁、内质膜、线粒体）第三节第三节 代谢调控总论代谢调控总论生命现象是复杂生物化学过程

7、综合结果。生命现象是复杂生物化学过程综合结果。为了保证生命活动（如生长、发育、分化、繁殖、代谢为了保证生命活动（如生长、发育、分化、繁殖、代谢和运动等）能够有条不紊地进行，所有生物体内发生的和运动等）能够有条不紊地进行，所有生物体内发生的生物化学过程都必须受到有效的调控。生物化学过程都必须受到有效的调控。生物调控机制是生物长期进化过程中逐步形成的。生物生物调控机制是生物长期进化过程中逐步形成的。生物进化程度愈高，调控机制愈完善、愈复杂。进化程度愈高，调控机制愈完善、愈复杂。生物体内的代谢调节在三种不同水平上进行：生物体内的代谢调节在三种不同水平上进行：(1)(1)细胞或酶水平调节细胞或酶水平调

8、节(2)(2)激素调节激素调节(3)(3)神经调节神经调节其中其中酶的调节酶的调节是最基本的调节方式，是一切调节的基础。是最基本的调节方式，是一切调节的基础。一、细胞内或酶水平的调节一、细胞内或酶水平的调节 也称原初调节或原始调节。酶的调节是通也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制过控制酶的活性酶的活性和和酶的合成量酶的合成量来调节酶促来调节酶促反应的速度和方向，也就是调节代谢的速反应的速度和方向，也就是调节代谢的速度和方向。度和方向。通过控制酶合成量的调节要牵涉到基因、通过控制酶合成量的调节要牵涉到基因、mRNAmRNA、蛋白质、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几的

9、生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。天内才能完成。许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活性来调节。性来调节。通过调节酶的活性，这是快速调节，在几分钟到几十分钟通过调节酶的活性，这是快速调节，在几分钟到几十分钟内完成。内完成。关键酶（关键酶（Key enzymeKey enzyme）往往是代谢途径的第一步反应的酶（往往是代谢途径的第一步反应的酶（a a）或是分支代谢途径）或是分支代谢途径中分支点上的酶（中分支点

10、上的酶（b b、c c、f f）或整个代谢途径中的限速酶或）或整个代谢途径中的限速酶或催化不可逆反应的酶（催化不可逆反应的酶（c c）。）。ABCDEFGabcdfg（一）酶活力的调节（一）酶活力的调节 1.1.反馈调节和别构酶反馈调节和别构酶 反馈调节是生物体普遍存在的一种调节机制。反馈抑制是反馈调节是生物体普遍存在的一种调节机制。反馈抑制是指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用，大指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的活力起抑制作用。反馈抑制的效果属于多是对第一个酶的活力起抑制作用。反馈抑制的效果属于负性的，称为负反馈。有时终产物可激活整个代谢反应，负性

11、的，称为负反馈。有时终产物可激活整个代谢反应，这种情况称为反馈激活，也称正反馈。这种情况称为反馈激活，也称正反馈。有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即变构部位。还存在一个特殊的调控部位，即变构部位。反馈调节剂与酶结构中的调控部位（变构部位）结合后，反馈调节剂与酶结构中的调控部位（变构部位）结合后，酶分子构象发生改变，导致酶活性中心构象改变，从而调酶分子构象发生改变，导致酶活性中心构象改变，从而调节酶的活性。此类酶称为别构。由于变构剂与变构中心的节酶的活性。此类酶称为别构。由于变构剂与变构中心的结合而

12、引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。结合而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。调节其活性的抑制剂和激活剂分别称为别构抑制剂和别构调节其活性的抑制剂和激活剂分别称为别构抑制剂和别构激活剂。激活剂。2.2.酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节 酶分子上多肽链上的某些基团，在另一些酶的催化酶分子上多肽链上的某些基团，在另一些酶的催化下可与变构剂进行可逆共价结合，结合后引起酶活下可与变构剂进行可逆共价结合，结合后引起酶活性变构，使酶活力发生变化（激活或抑制），从而性变构，使酶活力发生变化（激活或抑制），从而达到调节效果，这种作用称为达到调节效果，这种作用称为酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节。这类酶

13、则称为共价调节酶。有如下两个特点：这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：（1 1）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。（2 2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸号放大效应。例如肾上

14、腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300300万倍。万倍。目前已知有目前已知有6 6种类型的共价修饰方式：种类型的共价修饰方式：磷酸化磷酸化/脱磷酸化脱磷酸化 腺苷酰化腺苷酰化/脱腺苷酰化脱腺苷酰化 乙酰化乙酰化/脱乙酰化脱乙酰化 尿苷酰化尿苷酰化/脱尿苷酰化脱尿苷酰化 甲基化甲基化/脱甲基化脱甲基化 S-S/SH S-S/SH相互转变相互转变 磷酸化磷酸化/脱磷酸化与酶活性的调节脱磷酸化与酶活性的调节OHOHOHOHOPOPOPOP4ATP4ADP4H2O4Pi磷酸化酶磷酸化酶 b磷酸化酶磷酸化酶 a（二

15、）（二）酶量的调节酶量的调节 酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身活动需要，严格控制细胞内各种酶的含量，对生物化学过程进行调控。活动需要，严格控制细胞内各种酶的含量，对生物化学过程进行调控。(1)(1)酶蛋白合成的诱导与阻遏酶蛋白合成的诱导与阻遏 酶作用的底物或产物，以及激素或药物都可影响酶的合成。能加强酶酶作用的底物或产物，以及激素或药物都可影响酶的合成。能加强酶合成的作用称诱导作用；反之则称为阻遏作用。合成的作用称诱导作用；反之则称为阻遏作用。(2)(2)酶分子降解速度的调节酶分子降解速度的调节 改变酶分子降解

16、速度，也能调节细胞内酶的浓度，从而达到调节酶促改变酶分子降解速度，也能调节细胞内酶的浓度，从而达到调节酶促反应的速度。这类调节在细胞中的重要性不如诱导和阻遏。反应的速度。这类调节在细胞中的重要性不如诱导和阻遏。(1)(1)酶蛋白合成的诱导与阻遏酶蛋白合成的诱导与阻遏 酶蛋白合成的诱导与阻遏的化学本质是基因表达的调节。酶蛋白合成的诱导与阻遏的化学本质是基因表达的调节。在细胞内，所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信在细胞内，所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的。息决定的。DNADNA所携带的酶蛋白遗传信息，需要通过转所携带的酶蛋白遗传信息，需要通过转录和翻译而合成酶蛋白。在细胞内进行的

17、转录或翻译过录和翻译而合成酶蛋白。在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的调节控制机制，其中转录的调控占主导地程都有特定的调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。因此，基因表达的调控主要在转录水平上进行位。因此，基因表达的调控主要在转录水平上进行 。诱导酶诱导酶大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以代谢大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以代谢乳糖的酶。乳糖的酶。但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成出与但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。在此过程中，

18、乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳糖水在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶：解相关的三种酶：-半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和-半乳糖半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。苷转乙酰酶，被称为诱导酶。这三个酶蛋白是大肠杆菌这三个酶蛋白是大肠杆菌DNADNA上的三个结构基因经过转录和翻译上的三个结构基因经过转录和翻译而合成的。而合成的。操纵子的结构与功能操纵子的结构与功能 典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。控基因

19、所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。调调节节基基因因（Regulatory gene）为为阻阻抑抑蛋蛋白白编编码码基基因因 控控制制区区 启启动动基基因因（Promoter）为为 cAMP 受受体体蛋蛋白白（CRP）和和 RNA 聚聚合合酶酶结结合合区区。操操纵纵基基因因（0perater）为为阻阻抑抑蛋蛋白白结结合合位位点点。信信息息区区由由一一个个或或数数个个结结构构基基因因串串联联在在一一起起组组成成。以原核生物乳糖操纵子为例以原核生物乳糖操纵子为例 其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其CRPCRP结合位点位于结合位点位

20、于RNARNA聚合酶结合位点上游）和操纵聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由基因；其信息区由-半乳糖苷酶基因（半乳糖苷酶基因（lacZlacZ），通透酶），通透酶基因（基因（lacYlacY）和乙酰化酶基因（）和乙酰化酶基因（lacAlacA）串联在一起构成。）串联在一起构成。控制区控制区信息区信息区乳糖操纵子的结构基因及其表达产物乳糖操纵子的结构基因及其表达产物 乳糖操纵子的调控机制乳糖操纵子的调控机制 1.1.乳糖操纵子的诱导乳糖操纵子的诱导 当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时 细胞中细胞中 cAMP 浓度升高浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻

21、抑蛋白结合乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合 cAMP 与与 CRP 结合并使之激合结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRP 与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使 RNA 聚合酶与启动基因结合聚合酶与启动基因结合 基因转录激活基因转录激活 2.2.乳糖操纵子的阻遏乳糖操纵子的阻遏 当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时 细胞中细胞中 cAMP 浓度降低浓度降低 缺乏乳糖与阻抑蛋白结合缺乏乳糖与阻抑蛋白结合 CRP 失活失活 阻抑蛋白与操纵基因结合阻抑蛋白与操纵基因结合 CRP 及及 RNA 聚合酶不能与聚合酶不能与 启

22、动基因结合启动基因结合 基因转录被阻遏基因转录被阻遏 二、激素和神经系统的调节二、激素和神经系统的调节（一）激素的调节（一）激素的调节1.1.激素的生物合成对代谢的调节激素的生物合成对代谢的调节2.2.激素对酶活性的影响激素对酶活性的影响3.3.激素对酶合成的诱导作用激素对酶合成的诱导作用 1.1.激素的生物合成对代谢的调节激素的生物合成对代谢的调节当血液中某种激素含量偏高时，有关激素由于反馈抑制效应当血液中某种激素含量偏高时，有关激素由于反馈抑制效应即对脑垂体激素和下丘脑释放激素的分泌起抑制作用，减低即对脑垂体激素和下丘脑释放激素的分泌起抑制作用，减低其合成速度。其合成速度。当血液中某种激素

23、浓度偏低时，即起促进作用，加速其合成。当血液中某种激素浓度偏低时，即起促进作用，加速其合成。通过有关控制机构的相互制约，即可使机体的激素浓度水平通过有关控制机构的相互制约，即可使机体的激素浓度水平正常而维持代谢正常运转。正常而维持代谢正常运转。2.2.激素对酶活性的影响激素对酶活性的影响细胞膜上有各种激素受体，激素同膜上专一性受体结合细胞膜上有各种激素受体，激素同膜上专一性受体结合所成的络合物能活化膜上的腺苷酸环化酶。所成的络合物能活化膜上的腺苷酸环化酶。活化后的腺苷酸环化酶能使活化后的腺苷酸环化酶能使ATPATP环化形成环化形成cAMPcAMP。cAMPcAMP能将激素从神经、底物等得来的各

24、种刺激信息传到能将激素从神经、底物等得来的各种刺激信息传到酶反应中去，故称酶反应中去，故称cAMPcAMP为第二信使。为第二信使。3.3.激素对酶合成的诱导作用激素对酶合成的诱导作用 有些激素对酶的合成有诱导作用，例如：有些激素对酶的合成有诱导作用，例如：生长激素能诱导与蛋白质合成有关的某些酶的合成，甲生长激素能诱导与蛋白质合成有关的某些酶的合成，甲状腺素能诱导呼吸作用的酶类合成，胰岛素诱导糖代谢状腺素能诱导呼吸作用的酶类合成，胰岛素诱导糖代谢中某些酶的合成，性激素类诱导脂代谢酶类的合成等。中某些酶的合成，性激素类诱导脂代谢酶类的合成等。整个生物体内的代谢反应则由中枢神经系统所控制。中整个生物

25、体内的代谢反应则由中枢神经系统所控制。中枢神经系统对代谢作用的控制与调节包括：枢神经系统对代谢作用的控制与调节包括：(1)(1)直接作用直接作用(2)(2)间接作用间接作用第四节第四节 代谢抑制剂和抗代谢物代谢抑制剂和抗代谢物（一）（一）代谢抑制剂的概念和意义代谢抑制剂的概念和意义 代谢抑制剂是指能抑制机体代谢某一反应或某一代谢抑制剂是指能抑制机体代谢某一反应或某一过程的物质。由于代谢反应是酶催化的，因此代过程的物质。由于代谢反应是酶催化的，因此代谢抑制剂常常就是酶抑制剂。谢抑制剂常常就是酶抑制剂。（二）代谢抑制剂的种类代谢抑制剂的种类1.1.作用于细胞壁或细胞膜的抑制剂作用于细胞壁或细胞膜的

26、抑制剂2.2.核酸代谢和蛋白质合成的抑制剂核酸代谢和蛋白质合成的抑制剂3.3.蛋白质水解和氨基酸代谢的抑制剂蛋白质水解和氨基酸代谢的抑制剂4.4.糖代谢的抑制剂糖代谢的抑制剂5.5.脂类代谢的抑制剂脂类代谢的抑制剂6.6.电子传递体和氧化磷酸化抑制剂电子传递体和氧化磷酸化抑制剂二、抗代谢物二、抗代谢物（一）抗代谢物的概念（一）抗代谢物的概念 抗代谢物是指在化学结构上与天然代谢物类似，这抗代谢物是指在化学结构上与天然代谢物类似，这些物质进入体内可与正常代谢物拮抗，从而影响正些物质进入体内可与正常代谢物拮抗，从而影响正常代谢的进行。抗代谢物又称拮抗物。常代谢的进行。抗代谢物又称拮抗物。（二）（二）抗代谢物的种类抗代谢物的种类1.1.维生素类似物维生素类似物2.2.氨基酸类似物氨基酸类似物3.3.嘌呤和嘧啶类似物嘌呤和嘧啶类似物4.4.糖代谢类似物糖代谢类似物（三）抗代谢物的研究意义（三）抗代谢物的研究意义1.1.抗代谢物与药物作用机制的研究抗代谢物与药物作用机制的研究2.2.抗代谢物与新药设计抗代谢物与新药设计