1、909v近近十十几年几年来来的网络化的网络化时代时代都带来了都带来了什么变化什么变化？（网络电视、网络游戏、（网络电视、网络游戏、网络营销网络营销）联系密切（世界范围）联系密切（世界范围）；资源共享（世界范围）资源共享（世界范围）；集团优势的充分体现集团优势的充分体现v几亿年前生物小小的细胞内就已经进化出了几亿年前生物小小的细胞内就已经进化出了网络化行为网络化行为代谢网络代谢网络。目目 录录910v什么是代谢网络什么是代谢网络(metabolic network)?(metabolic network)?由生物体内所有的代谢反应由生物体内所有的代谢反应或途径，或途径，以以及及相关的相关的调节过
2、程所构成的复杂网络调节过程所构成的复杂网络系统系统。通过代谢途径交叉点上的关键中间产通过代谢途径交叉点上的关键中间产物实现各代谢途径间的联系与转化。物实现各代谢途径间的联系与转化。目目 录录By B.Alberts目目 录录912 代谢网络有什么益处？代谢网络有什么益处？v资源共享资源共享途径。途径。v在满足需要的前提下，互通有无，最大限在满足需要的前提下，互通有无，最大限度的减少酶、代谢途径及中间产物的数量。度的减少酶、代谢途径及中间产物的数量。目目 录录91311.1 11.1 代谢网络的特点代谢网络的特点11.2 11.2 细胞水平的代谢网络细胞水平的代谢网络11.3 11.3 器官水平
3、的代谢网络器官水平的代谢网络11.4 11.4 整体水平的代谢网络整体水平的代谢网络11.5 11.5 代谢组学代谢组学与相关组学与相关组学 本章主要内容：本章主要内容：目目 录录91411.111.1 代谢网络的特点代谢网络的特点v 复杂代谢网络的特点是大量的要素和复杂代谢网络的特点是大量的要素和许多规章制度的循环。许多规章制度的循环。1.1.代谢网络具有整体性。代谢网络具有整体性。2.2.代谢网络具有复杂性。代谢网络具有复杂性。3.3.代谢网络具有可调性。代谢网络具有可调性。4.4.代谢网络具有特异性。代谢网络具有特异性。5.5.代谢网络具有无尺度性。代谢网络具有无尺度性。目目 录录915
4、(1)(1)组成和结构的整体性。组成和结构的整体性。(2)(2)代谢活动和调节的整体性。代谢活动和调节的整体性。(3)(3)代谢物来源的整体性。代谢物来源的整体性。代谢网络具有整体性代谢网络具有整体性目目 录录(1)ATP是生物体能量储存与利用的共同形式；(3)脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系代谢网络由若干不同的代谢途径所构成。调节器官水平代谢网络的主要因素激素。代谢网络具有无尺度性。(3)代谢物来源的整体性。3 细胞水平代谢网络的调节器官水平代谢网络调节器官水平代谢网络调节1 不同组织器官中物质代谢的特点(2)代谢活动和调节的整体性3 代谢网络具有可调性酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰2 饥饿状态
5、时器官水平的代谢网络结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。细胞水平代谢网络调节(2)长期饥饿状态：饥饿持续数周。代谢网络由若干不同的代谢途径所构成。蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖916(1)(1)组成和结构的整体性组成和结构的整体性 网络的节点网络的节点代谢物代谢物 各节点间的连接各节点间的连接酶促反应、调节酶促反应、调节 反应和物质转运反应反应和物质转运反应目目 录录917(2)(2)代谢活动和调节的整体性代谢活动和调节的整体性 食物中的食物中的混合营养成分经消化吸收到体混合营养成分经消化吸收到体内后的代谢是同时进行的，且各种物质代内后的代谢是同时进行的，且各种物质代谢之间和各条代谢途径
6、之间彼此互相联系，谢之间和各条代谢途径之间彼此互相联系，或相互转变，或相互依存，或相互制约，或相互转变，或相互依存，或相互制约，从而构成统一的整体。从而构成统一的整体。目目 录录918(3)(3)代谢物来源的整体性代谢物来源的整体性 体内各种代谢物无论是从外界摄入的体内各种代谢物无论是从外界摄入的还是体内产生的，均混合在一起构成各自还是体内产生的，均混合在一起构成各自的代谢池，分布于全身各处进行代谢。的代谢池，分布于全身各处进行代谢。目目 录录蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖联系密切（世界范围）；酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰(3)功能基因组学研究。调节食欲和进食行为的激素：各节点间的连接酶促反应、调
7、节胰岛素水平 组织细胞摄取和利用葡萄糖减少，脂肪动员应激(stress)状态指在一些异乎寻常的刺激(如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染以及剧烈情绪激动等)作用于机体后所作出的一系列反应。通过对关键酶的变构调节：结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。肝 肝糖原代谢网络有什么益处？细胞水平代谢网络的调节。由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组成的一套调控系统，对代谢网络进行精细、完善而又复杂的调控。1 不同组织器官中物质代谢的特点各节点间的连接酶促反应、调节3 细胞水平代谢网络的调节肥胖时整体水平的代谢网络主成分分析法(PCA)和偏最小二乘回归法(PLSR)。脂肪机体的“储能材料”。细胞水
8、平代谢网络的调节。4 整体水平的代谢网络919(1)(1)网络结构的复杂性。网络结构的复杂性。(2)(2)功能属性的复杂性。功能属性的复杂性。11.1.11.1.2 2 代谢网络具有复杂性代谢网络具有复杂性目目 录录920(1)(1)网络结构的复杂性网络结构的复杂性 代谢网络由若干不同的代谢途径所构代谢网络由若干不同的代谢途径所构成。成。包括直线途径、分支途径、循环途径、包括直线途径、分支途径、循环途径、反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢网络的结构具有复杂性。网络的结构具有复杂性。目目 录录921糖原食物糖葡糖-6-磷酸酵解 中间物磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙
9、酰CoACO2乳酸CO2脂肪酸食物脂肪甘油储存脂肪NADPH2甘油氨基酸NH3CO2ATP尿素组织蛋白质食物蛋白质三羧酸循环乙醛酸循环磷酸戊糖途径NADPH2呼吸链磷酸戊糖ATPADPATP甲酸CO2NH3核酸H2O-酮戊二酸生糖生糖 甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺NADPH2磷脂Ser Met氨基酸酶酶基因基因糖异生糖异生酵解酵解目目 录录922(2)(2)功能属性的复杂性功能属性的复杂性 物质代谢与能量代谢相偶联物质代谢与能量代谢相偶联 合成代谢与分解代谢相偶联合成代谢与分解代谢相偶联 代谢反应与调节反应相偶联代谢反应与调节反应相偶联 不同物质代谢途径之间相偶联不同物质代谢途径之间相偶联 使代
10、谢网络表现出不同于单一代谢途使代谢网络表现出不同于单一代谢途径的新的功能属性。径的新的功能属性。目目 录录923v自适应自适应(self-adaption(self-adaption）代谢网络可根据内外环境因素的改变，代谢网络可根据内外环境因素的改变，“自动地自动地”对代谢过程进行相应的调节、对代谢过程进行相应的调节、处理和整合，以适应环境的变化，这一功处理和整合，以适应环境的变化，这一功能属性称为自适应。能属性称为自适应。目目 录录924v由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组成的成的一套调控系统，对代谢网络进行精细、一套调控系统，对代谢网络进行精细、完善而
11、又复杂的调控。完善而又复杂的调控。11.1.11.1.3 3 代谢网络具有可调性代谢网络具有可调性目目 录录925(1)(1)组织细胞特异性。组织细胞特异性。(2)(2)发育阶段特异性。发育阶段特异性。11.1.11.1.4 4 代谢网络具有特异性代谢网络具有特异性目目 录录926v无尺度性无尺度性(free scale)(free scale)指在代谢网络中，指在代谢网络中，个别代谢物比其他代谢物参与了更多的个别代谢物比其他代谢物参与了更多的化学反应，它们在网络中处于更为重要化学反应，它们在网络中处于更为重要的地位。的地位。v如如ATPATP、NADNAD+、NADPHNADPH、乙酰、乙酰
12、CoACoA、6-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖等等。11.1.11.1.5 5 代谢代谢网络具有无尺度性网络具有无尺度性目目 录录927(1)ATP(1)ATP是生物体能量储存与利用的共同形式；是生物体能量储存与利用的共同形式；(2)NAD(2)NAD+是大部分不需氧脱氢反应共同的受氢体；是大部分不需氧脱氢反应共同的受氢体；(3)NADPH(3)NADPH为大多数代谢物的合成提供还原力；为大多数代谢物的合成提供还原力；(4)(4)乙酰乙酰CoACoA是糖、脂、蛋白质三大物质代谢共同的是糖、脂、蛋白质三大物质代谢共同的枢纽点；枢纽点；(5)6-(5)6-磷酸葡萄糖是各条糖代谢途径的中间转换点。磷酸葡
13、萄糖是各条糖代谢途径的中间转换点。目目 录录9281.1.细胞水平代谢网络与物质互变细胞水平代谢网络与物质互变。2.2.细胞水平代谢网络与能量代谢细胞水平代谢网络与能量代谢。3.3.细胞水平代谢网络的调节细胞水平代谢网络的调节。11.211.2 细胞水平的代谢网络细胞水平的代谢网络目目 录录929v细胞水平的代谢网络：由细胞内所有的代细胞水平的代谢网络：由细胞内所有的代谢物及其相关的代谢反应和代谢途径、调谢物及其相关的代谢反应和代谢途径、调节反应和物质转运反应所构成。节反应和物质转运反应所构成。v通过细胞水平的代谢网络，糖、脂肪、氨通过细胞水平的代谢网络，糖、脂肪、氨基酸和核苷酸四大类物质之间
14、可以在一定基酸和核苷酸四大类物质之间可以在一定程度上实现相互转变程度上实现相互转变。细胞水平代谢网络与物质互变细胞水平代谢网络与物质互变目目 录录胰岛素和瘦蛋白：都有抑制进食并促进热量(1)糖代谢与脂类代谢的相互联系细胞内不同区域代谢物的浓度不一致。5 代谢网络具有无尺度性4 代谢网络具有特异性代谢物组(metabolome)指存在于细胞、组织、器官或生物体中所有小分子代谢物(metabolite)，其分子质量通常小于1 kD。5 代谢网络具有无尺度性(1)细胞内酶体系的代谢区室调节：器官水平代谢网络调节什么是代谢网络(metabolic network)?(1)糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘
15、油和丙酰CoA部分可以转变成糖；生糖最原始和最基本的细胞水平代谢网络调节方式。(1)维持生物体内葡萄糖代谢的平衡，以便为脑和红细胞提供稳定的葡萄糖供应。体内各种代谢物无论是从外界摄入的还是体内产生的，均混合在一起构成各自的代谢池，分布于全身各处进行代谢。蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖(3)脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系2 饥饿状态时器官水平的代谢网络2 代谢网络具有复杂性通过对关键酶的变构调节：(3)功能基因组学研究。（生糖氨基酸）糖、脂类、蛋白质、核酸代谢之间的联系糖、脂类、蛋白质、核酸代谢之间的联系目目 录录931脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoAC
16、oA琥珀酸琥珀酸糖糖(植物植物)乙醛酸循环乙醛酸循环-氧化氧化糖异生糖异生TCA糖糖乙酰乙酰CoACoA、NADPHNADPH脂肪酸脂肪酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸甘油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解从头合成从头合成(1)(1)糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系目目 录录932(2)(2)糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖糖-酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖 （生糖氨基酸）（生糖氨基酸）目目 录录933(3)(3)脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪脂肪甘油
17、甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoACoA氨基酸碳架氨基酸碳架氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸脂肪脂肪蛋白质蛋白质酮酸或乙酰酮酸或乙酰CoACoA脂肪酸脂肪酸（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）氨基酸氨基酸目目 录录934(1)(1)糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘油和丙酰糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘油和丙酰CoACoA部部分可以转变成糖；分可以转变成糖；(2)(2)糖能转变成非必需氨基酸，但大多数氨基酸可糖能转变成非必需氨基酸，但大多数氨基酸可以转变成糖以转变成糖；(3)(3)脂类仅甘油部脂类仅甘油部分分可以转变成氨基酸，但氨基酸可以转变成氨基酸，但氨基酸可以转变成脂类可以转变
18、成脂类；(4)(4)氨基酸和糖均可以转变成核苷酸，但脂类仅甘氨基酸和糖均可以转变成核苷酸，但脂类仅甘油部份可以转变成核苷酸油部份可以转变成核苷酸。目目 录录935糖原糖原 三酰甘油三酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA 呼吸链呼吸链 ADP+Pi ATP 细胞水平代谢网络与能量代谢细胞水平代谢网络与能量代谢目目 录录936v糖糖机体的机体的“燃烧材料燃烧材料”。v脂肪脂肪机体的机体的“储能材料储能材料”。v蛋白质蛋白质机体的机体的“建筑材料建筑材料”。目目 录录937v代谢调节机制：代谢调节机制：细胞水平代谢网络调节细胞水平代谢网络调节 器官水平
19、代谢网络调节器官水平代谢网络调节 整体水平代谢网络调节整体水平代谢网络调节 统称为三级水平代谢网络调节。统称为三级水平代谢网络调节。11.2.11.2.3 3 细胞水平代谢网络的调节细胞水平代谢网络的调节目目 录录938v细胞水平代谢网络调节机制：细胞水平代谢网络调节机制：(1)(1)代谢区室的调节代谢区室的调节 (2)(2)变构调节变构调节 (3)(3)共价修饰调节共价修饰调节 (4)(4)酶含量调节酶含量调节目目 录录939(1)(1)细胞内酶体系的代谢区室调节：细胞内酶体系的代谢区室调节：代谢区室代谢区室(metabolon)(metabolon)：细胞内每条细胞内每条代谢途径的酶体系在
20、细胞内都有一定区代谢途径的酶体系在细胞内都有一定区域或亚细胞分布。域或亚细胞分布。目目 录录940细胞有精细的亚细胞细胞有精细的亚细胞结构。结构。细胞内不同区域代细胞内不同区域代谢物的浓度不一致。谢物的浓度不一致。目目 录录941糖糖有氧氧化有氧氧化脂肪酸脂肪酸氧化氧化三羧酸循环三羧酸循环呼吸链呼吸链DNADNA、RNARNA合成合成糖糖合成合成脂肪脂肪合成合成蛋白质蛋白质合成合成核酸核酸降解降解生物膜控制生物膜控制底物浓度底物浓度目目 录录激素直接进入细胞核激素-受体复合物二聚化与DNA分子上的激素反应元件结合促进(或抑制)相应结构基因的表达以调节细胞内蛋白质或酶的含量从而实现激素对物质代谢
21、的调节。2 饥饿状态时器官水平的代谢网络由生物体内所有的代谢反应或途径，以及相关的调节过程所构成的复杂网络系统。而在短缺或需求过多时能够被有效地动员或补充。可透过细胞膜进入胞内与胞液中的特异受体结合形成激素-受体复合物然后再进入核内。使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。4 整体水平的代谢网络(1)糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘油和丙酰CoA部分可以转变成糖；3 器官水平的代谢网络使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。1 代谢组学研究的意义物质代谢与能量代谢相偶联指利用体液(主要是血液)的物质转运过程相互偶联，并通过体液因素(主要是激素)进行调节，在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络
22、。肥胖时整体水平的代谢网络3 饱食状态时器官水平的代谢网络气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)和毛细管电泳法。(2)作用于胞内受体的激素调节。细胞水平代谢网络的调节。食物中的混合营养成分经消化吸收到体内后的代谢是同时进行的，且各种物质代谢之间和各条代谢途径之间彼此互相联系，或相互转变，或相互依存，或相互制约，从而构成统一的整体。(1)不同组织器官中物质代谢的特点。概念：代谢组学、代谢物组、代谢物组学。近十几年来的网络化时代都带来了什么变化？（网络电视、网络游戏、网络营销）表表11-1 11-1 细胞水平代谢网络中不同酶体系的代谢区室细胞水平代谢网络中不同酶体系的代谢区室代谢途径代谢途
23、径酶体系分布酶体系分布代谢途径代谢途径酶体系分布酶体系分布糖无氧氧化糖无氧氧化胞液胞液脂肪酸脂肪酸-氧化氧化胞液和线粒体胞液和线粒体糖有氧氧化糖有氧氧化胞液和线粒体胞液和线粒体酮体生成与利用酮体生成与利用线粒体线粒体磷酸戊糖磷酸戊糖胞液胞液胆固醇合成胆固醇合成胞液和内质网胞液和内质网糖原合成糖原合成胞液胞液磷脂合成磷脂合成内质网内质网糖原分解糖原分解胞液胞液尿素合成尿素合成线粒体和胞液线粒体和胞液糖异生糖异生线粒体和（或）线粒体和（或）胞液胞液三羧酸循环和三羧酸循环和氧化磷酸化氧化磷酸化线粒体线粒体目目 录录943v细胞内代谢区室隔离的意义细胞内代谢区室隔离的意义：可避免代谢途径之间相互干扰。
24、可避免代谢途径之间相互干扰。有利于不同调节因素对不同代谢途径的特异调节。有利于不同调节因素对不同代谢途径的特异调节。区域分布使代谢物浓度对代谢速度产生重要影响。区域分布使代谢物浓度对代谢速度产生重要影响。目目 录录944(2)(2)关键酶的变构调节：关键酶的变构调节：最原始和最基本的细胞水平代谢最原始和最基本的细胞水平代谢网络调节方式。网络调节方式。目目 录录表表11-2 11-2 细胞水平代谢网络中常见关键酶的变构调节细胞水平代谢网络中常见关键酶的变构调节946v通过对关键酶的变构调节：通过对关键酶的变构调节：避免原材料的不必要浪费；避免原材料的不必要浪费；有效储存所需能量；有效储存所需能量
25、；维持代谢物的动态平衡；维持代谢物的动态平衡；使不同代谢途径之间实现相互联系、相使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。互协调。目目 录录947(3)(3)酶的共价修饰调节：酶的共价修饰调节：通常与细胞外的调节因素相偶联。通常与细胞外的调节因素相偶联。即将细胞水平代谢网络的调节与器官即将细胞水平代谢网络的调节与器官水平及整体水平的代谢网络调节偶联起来，水平及整体水平的代谢网络调节偶联起来，最终实现生物体的整体调节以适应内外环境最终实现生物体的整体调节以适应内外环境的变化。的变化。目目 录录-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶-O
26、-PO32-ThrSerTyr酶蛋白酶蛋白酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰 目目 录录最原始和最基本的细胞水平代谢网络调节方式。(3)代谢物来源的整体性。食物中的混合营养成分经消化吸收到体内后的代谢是同时进行的，且各种物质代谢之间和各条代谢途径之间彼此互相联系，或相互转变，或相互依存，或相互制约，从而构成统一的整体。细胞水平代谢网络与物质互变乙酰CoA、NADPH代谢网络有什么益处？3 细胞水平代谢网络的调节(1)维持生物体内葡萄糖代谢的平衡，以便为脑和红细胞提供稳定的葡萄糖供应。使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。网
27、络的节点代谢物包括直线途径、分支途径、循环途径、反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢网络的结构具有复杂性。(2)功能属性的复杂性。3 饱食状态时器官水平的代谢网络2 饥饿状态时器官水平的代谢网络2 代谢网络具有复杂性通过对关键酶的变构调节：而在短缺或需求过多时能够被有效地动员或补充。应激(stress)状态指在一些异乎寻常的刺激(如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染以及剧烈情绪激动等)作用于机体后所作出的一系列反应。3 器官水平的代谢网络通过对关键酶的变构调节：器官水平代谢网络调节激素激素激素受体激素受体ATPcAMP+PPi酶酶A(无活性）无活性）酶酶A(有活性）有活性）酶酶B(无活性）无活
28、性）酶酶B(有活性）有活性）酶酶C(无活性）无活性）酶酶C(有活性）有活性）酶酶D(无活性）无活性）酶酶D(活性极大）活性极大）代谢反应代谢反应环化酶环化酶激活激活1010010001041（浓度）（浓度）目目 录录表表11-3 11-3 细胞水平代谢网络中常见关键酶的共价修饰调节细胞水平代谢网络中常见关键酶的共价修饰调节代谢途径代谢途径关键酶关键酶磷酸化磷酸化(激活激活)/)/脱磷酸化脱磷酸化(抑制抑制)磷酸化磷酸化(抑制抑制)/)/脱磷酸化脱磷酸化(激活激活)糖原合成与分解糖原合成与分解糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶糖原合酶糖原合酶糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶b b激酶激酶糖无氧氧化糖无氧氧化磷酸果
29、糖激酶磷酸果糖激酶-2-2糖有氧氧化糖有氧氧化丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体糖异生糖异生果糖二磷酸酶果糖二磷酸酶-2-2脂肪合成与分解脂肪合成与分解激素敏感脂肪酶激素敏感脂肪酶乙酰乙酰CoACoA羧化酶羧化酶胆固醇合成胆固醇合成HMG-CoAHMG-CoA还原酶激酶还原酶激酶HMG-CoAHMG-CoA还原酶还原酶目目 录录951(4)(4)酶含量调节：酶含量调节：主要涉及酶蛋白合成的诱导与阻遏。主要涉及酶蛋白合成的诱导与阻遏。目目 录录表表11-4 11-4 细胞水平代谢网络中酶含量的调节细胞水平代谢网络中酶含量的调节953v指利用体液指利用体液(主要是血液主要是血液)的物质转运过程相
30、互的物质转运过程相互偶联，并通过体液因素偶联，并通过体液因素(主要是激素主要是激素)进行调节，进行调节，在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。器官水平代谢网络实现的作用：器官水平代谢网络实现的作用：(1)(1)维持生物体内葡萄糖代谢的平衡，以便为脑维持生物体内葡萄糖代谢的平衡，以便为脑和红细胞提供稳定的葡萄糖供应。和红细胞提供稳定的葡萄糖供应。(2)(2)使能源物质在充足时能够被储存；而在短缺使能源物质在充足时能够被储存；而在短缺或需求过多时能够被有效地动员或补充。或需求过多时能够被有效地动员或补充。11.311.3 器官水平的代谢网络器官水平的代谢网
31、络目目 录录954v器官水平代谢网络：器官水平代谢网络：(1)(1)不同组织器官中物质代谢的特点。不同组织器官中物质代谢的特点。(2)(2)饥饿状态时器官水平的代谢网络。饥饿状态时器官水平的代谢网络。(3)(3)饱食状态时器官水平的代谢网络。饱食状态时器官水平的代谢网络。(4)(4)适度运动时器官水平的代谢网络。适度运动时器官水平的代谢网络。(5)(5)器官水平代谢网络的调节。器官水平代谢网络的调节。目目 录录11.3.11.3.1 1 不同组织器官中物质代谢的特点不同组织器官中物质代谢的特点956(1)(1)短期饥饿状态：禁食过夜期间。短期饥饿状态：禁食过夜期间。(2)(2)长期饥饿状态：饥
32、饿持续数周。长期饥饿状态：饥饿持续数周。11.3.11.3.2 2 饥饿状态时器官水平的代谢网络饥饿状态时器官水平的代谢网络目目 录录(1)(1)短期饥饿状态：短期饥饿状态：脑脑能量能量葡萄糖葡萄糖肝肝 糖原糖原糖异生糖异生-氧化氧化能量能量脂肪酸脂肪酸酮体酮体脂肪组织脂肪组织 三酰甘油三酰甘油甘油甘油骨骼肌骨骼肌 丙酮酸丙酮酸支链氨基酸支链氨基酸蛋白质蛋白质丙氨酸丙氨酸/谷氨酰胺谷氨酰胺能量能量红细胞红细胞 能量能量乳酸乳酸目目 录录(1)(1)长期饥饿状态：长期饥饿状态：脑脑能量能量葡萄糖葡萄糖肝和肾肝和肾糖异生糖异生-氧化氧化能量能量脂肪酸脂肪酸酮体酮体脂肪组织脂肪组织 三酰甘油三酰甘油
33、甘油甘油骨骼肌骨骼肌 丙酮酸丙酮酸支链氨基酸支链氨基酸蛋白质蛋白质能量能量红细胞红细胞能量能量乳酸乳酸丙氨酸丙氨酸/谷氨酰胺谷氨酰胺目目 录录959 11.3.11.3.3 3 饱食状态时器官水平的代谢网络饱食状态时器官水平的代谢网络肝肝脑脑能量能量葡萄糖葡萄糖能量能量脂肪酸脂肪酸脂肪组织脂肪组织 三酰甘油三酰甘油VLDLVLDL骨骼肌骨骼肌 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸乳糜微粒乳糜微粒小肠小肠消化消化淀粉淀粉三酰三酰甘油甘油蛋白质蛋白质三酰甘油三酰甘油合成合成肝糖原肝糖原能量能量氧化分解氧化分解脂肪酸合成脂肪酸合成肌糖原肌糖原目目 录录96011.3.11.3.4 4 适度运动时器官水平的代谢网
34、络适度运动时器官水平的代谢网络乳酸乳酸乳酸乳酸脑脑能量能量葡萄糖葡萄糖肝肝 肝糖原肝糖原能量能量脂肪酸脂肪酸脂肪组织脂肪组织 三酰甘油三酰甘油甘油甘油骨骼肌骨骼肌 糖无氧氧化糖无氧氧化肌糖原肌糖原能量能量红细胞红细胞能量能量糖异生糖异生-氧化氧化目目 录录(2)作用于胞内受体的激素调节。结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰4 整体水平的代谢网络物质代谢与能量代谢相偶联指由神经系统、内分泌系统和全身各器官、组织和细胞参与构成的物质代谢网络。细胞水平代谢网络的调节。由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组成的一套调控系统，对代谢网络进行精细、完善而又复杂的调控。2
35、 饥饿状态时器官水平的代谢网络自适应(self-adaption）4 整体水平的代谢网络(2)代谢活动和调节的整体性。(1)糖可以转变成脂类，但脂类中仅甘油和丙酰CoA部分可以转变成糖；细胞水平代谢网络与物质互变(1)短期饥饿状态：(2)长期饥饿状态：饥饿持续数周。5 代谢组学与相关组学反应和物质转运反应使不同代谢途径之间实现相互联系、相互协调。(1)代谢区室的调节什么是代谢网络(metabolic network)?(3)代谢物来源的整体性。961v调节器官水平代谢网络的主要因素调节器官水平代谢网络的主要因素激素。激素。(1)(1)作用于膜受体的激素调节。作用于膜受体的激素调节。(2)(2)
36、作用于胞内受体的激素调节。作用于胞内受体的激素调节。11.3.11.3.5 5 器官水平代谢网络的调节器官水平代谢网络的调节目目 录录962(1)(1)作用于膜受体的激素调节：作用于膜受体的激素调节：作用规律是：激素作用规律是：激素+相应的膜受体相应的膜受体激激素素-受体复合物受体复合物影响存在于膜内侧的信影响存在于膜内侧的信号转导蛋白或酶的催化活性号转导蛋白或酶的催化活性改变胞内改变胞内第二信使的浓度第二信使的浓度调节某种蛋白激酶的调节某种蛋白激酶的活性活性最终产生一系列的代谢及生理效最终产生一系列的代谢及生理效应。应。目目 录录963(2)(2)作用于胞内受体的激素调节：作用于胞内受体的激
37、素调节：v可透过细胞膜进入胞内可透过细胞膜进入胞内与胞液中的特异受体与胞液中的特异受体结合形成激素结合形成激素-受体复合物受体复合物然后再进入核内。然后再进入核内。目目 录录964v激素直接进入细胞核激素直接进入细胞核激素激素-受体复合物受体复合物二聚化二聚化与与DNADNA分子上的激素反应元件结分子上的激素反应元件结合合促进促进(或抑制或抑制)相应结构基因的表达相应结构基因的表达以调节细胞内蛋白质或酶的含量以调节细胞内蛋白质或酶的含量从而从而实现激素对物质代谢的调节。实现激素对物质代谢的调节。目目 录录965v指由神经系统、内分泌系统和全身各器指由神经系统、内分泌系统和全身各器官、组织和细胞
38、参与构成的物质代谢网官、组织和细胞参与构成的物质代谢网络。络。(1)(1)应激状态时整体水平的代谢网络；应激状态时整体水平的代谢网络；(2)(2)肥胖时整体水平的代谢网络。肥胖时整体水平的代谢网络。11.411.4 整体水平的代谢网络整体水平的代谢网络目目 录录966v应激应激(stress)(stress)状态指在一些异乎寻常的状态指在一些异乎寻常的刺激刺激(如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染以及剧烈情绪激动等感染以及剧烈情绪激动等)作用于机体后作用于机体后所作出的一系列反应。所作出的一系列反应。应激状态时整体水平的代谢网络应激状态时整体水平的代谢网络目目
39、录录967v 应激状态时，交感神经兴奋引起肾上腺髓质和皮质激素分应激状态时，交感神经兴奋引起肾上腺髓质和皮质激素分泌增多：泌增多：肾上腺素、去甲肾上腺素及胰高血糖素肾上腺素、去甲肾上腺素及胰高血糖素肝糖原分解肝糖原分解，糖原合成，糖原合成 肾上腺皮质激素和胰高血糖素肾上腺皮质激素和胰高血糖素糖异生糖异生 胰岛素水平胰岛素水平 组织细胞摄取和利用葡萄糖减少，脂组织细胞摄取和利用葡萄糖减少，脂肪动员肪动员 结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。结果：氧摄入增多，能源物质供应增加而储存受限。目目 录录968v肥胖肥胖(obesity)(obesity)是体内脂肪组织积累过多是体内脂肪组织积累
40、过多引起的一种疾病。引起的一种疾病。肥胖时整体水平的代谢网络肥胖时整体水平的代谢网络目目 录录969v调节食欲和进食行为的激素调节食欲和进食行为的激素：短期调节激素短期调节激素 生长激素释放肽：有刺激食欲的作用。生长激素释放肽：有刺激食欲的作用。胆囊收缩素：引起厌食和饱胀感而抑制进食。胆囊收缩素：引起厌食和饱胀感而抑制进食。长期调节激素长期调节激素 胰岛素和瘦蛋白：都有抑制进食并促进热量胰岛素和瘦蛋白：都有抑制进食并促进热量 消耗的作用。消耗的作用。目目 录录5 代谢组学与相关组学(1)糖代谢与脂类代谢的相互联系3 细胞水平代谢网络的调节(2)代谢活动和调节的整体性。几亿年前生物小小的细胞内就
41、已经进化出了网络化行为代谢网络。无尺度性(free scale)指在代谢网络中，个别代谢物比其他代谢物参与了更多的化学反应，它们在网络中处于更为重要的地位。细胞水平代谢网络调节机制：(3)功能基因组学研究。通过细胞水平的代谢网络，糖、脂肪、氨基酸和核苷酸四大类物质之间可以在一定程度上实现相互转变。(2)发育阶段特异性。(4)营养基因组学研究。器官水平代谢网络实现的作用：1 不同组织器官中物质代谢的特点指利用体液(主要是血液)的物质转运过程相互偶联，并通过体液因素(主要是激素)进行调节，在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。通常与细胞外的调节因素相偶联。表11-2 细胞水平代谢网络中常见关键酶
42、的变构调节由生物体内所有的代谢反应或途径，以及相关的调节过程所构成的复杂网络系统。(2)糖能转变成非必需氨基酸，但大多数氨基酸可以转变成糖；生长激素释放肽：有刺激食欲的作用。代谢网络有什么益处？避免原材料的不必要浪费；细胞内不同区域代谢物的浓度不一致。970v概念：概念：代谢组学代谢组学、代谢物组代谢物组、代谢物组学代谢物组学。v代谢组学代谢组学(metabonomics)(metabonomics)指指通过定量检测生物通过定量检测生物体在病理生理刺激或遗传变异情况下，动态的、体在病理生理刺激或遗传变异情况下，动态的、多参数的代谢应答改变，获得生物体特定的代多参数的代谢应答改变，获得生物体特定
43、的代谢模式谢模式(metabolic profile)(metabolic profile)，从而实现对基因，从而实现对基因表达、物质代谢及代谢调节过程进行整体分析表达、物质代谢及代谢调节过程进行整体分析和理解的一门学科。和理解的一门学科。11.511.5 代谢组学及相关组学代谢组学及相关组学目目 录录971v代谢物组代谢物组(metabolome)(metabolome)指存在于细胞指存在于细胞、组织、器官或生物体中所有小分子代谢组织、器官或生物体中所有小分子代谢物物(metabolite)(metabolite)，其分子其分子质量通常小于质量通常小于1 1 kDkD。v代谢物组学代谢物组学
44、(metabolomics)(metabolomics)指通过对生指通过对生物样本中所有的小分子代谢物进行分析物样本中所有的小分子代谢物进行分析鉴定，以理解和描述复杂生物样本的一鉴定，以理解和描述复杂生物样本的一门学科。门学科。目目 录录972v意义：通过代谢组学分析获得的代谢物谱，意义：通过代谢组学分析获得的代谢物谱，更能迅速并准确地反映机体生命活动的变化，更能迅速并准确地反映机体生命活动的变化，是判断细胞、组织器官或生物体的基因表达是判断细胞、组织器官或生物体的基因表达调控、物质代谢调节及病理生理效应的有效调控、物质代谢调节及病理生理效应的有效指标之一，也是分析和理解生物体代谢网络指标之一
45、，也是分析和理解生物体代谢网络组成结构与生理功能的重要途径。组成结构与生理功能的重要途径。11.5.11.5.1 1 代谢组学研究的意义代谢组学研究的意义目目 录录973v样本中代谢物的分离样本中代谢物的分离：气相色谱法气相色谱法(GC)(GC)、高效液相色谱法、高效液相色谱法(HPLC)(HPLC)和毛细管电泳法。和毛细管电泳法。v样本中代谢物的检测：样本中代谢物的检测：质谱法质谱法(MS)(MS)、核磁共振法、核磁共振法(NMR)(NMR)。v数据的统计学处理：数据的统计学处理：主成分分析法主成分分析法(PCA)(PCA)和偏最小二乘回归法和偏最小二乘回归法(PLSR)(PLSR)。11.
46、5.11.5.2 2 代谢组学的研究方法代谢组学的研究方法目目 录录974(1)(1)疾病诊断。疾病诊断。(2)(2)新药开发和药理毒理学研究。新药开发和药理毒理学研究。(3)(3)功能基因组学研究。功能基因组学研究。(4)(4)营养基因组学研究。营养基因组学研究。11.5.11.5.3 3 代谢组学的应用代谢组学的应用目目 录录975(2)(2)代谢活动和调节的整体性代谢活动和调节的整体性 食物中的食物中的混合营养成分经消化吸收到体混合营养成分经消化吸收到体内后的代谢是同时进行的，且各种物质代内后的代谢是同时进行的，且各种物质代谢之间和各条代谢途径之间彼此互相联系，谢之间和各条代谢途径之间彼
47、此互相联系，或相互转变，或相互依存，或相互制约，或相互转变，或相互依存，或相互制约，从而构成统一的整体。从而构成统一的整体。目目 录录976(1)(1)网络结构的复杂性。网络结构的复杂性。(2)(2)功能属性的复杂性。功能属性的复杂性。11.1.11.1.2 2 代谢网络具有复杂性代谢网络具有复杂性目目 录录977(1)(1)网络结构的复杂性网络结构的复杂性 代谢网络由若干不同的代谢途径所构代谢网络由若干不同的代谢途径所构成。成。包括直线途径、分支途径、循环途径、包括直线途径、分支途径、循环途径、反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢网络的结构具有复杂性。网络
48、的结构具有复杂性。目目 录录978v由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组由神经、体液、细胞内酶、细胞间隔等组成的成的一套调控系统，对代谢网络进行精细、一套调控系统，对代谢网络进行精细、完善而又复杂的调控。完善而又复杂的调控。11.1.11.1.3 3 代谢网络具有可调性代谢网络具有可调性目目 录录979(1)(1)组织细胞特异性。组织细胞特异性。(2)(2)发育阶段特异性。发育阶段特异性。11.1.11.1.4 4 代谢网络具有特异性代谢网络具有特异性目目 录录细胞水平代谢网络的调节。3 代谢网络具有可调性包括直线途径、分支途径、循环途径、反馈途径、交叉途径等形式，从而使代谢网络的结构具有复杂
49、性。通常与细胞外的调节因素相偶联。4 代谢网络具有特异性质谱法(MS)、核磁共振法(NMR)。通过细胞水平的代谢网络，糖、脂肪、氨基酸和核苷酸四大类物质之间可以在一定程度上实现相互转变。4 整体水平的代谢网络即将细胞水平代谢网络的调节与器官水平及整体水平的代谢网络调节偶联起来，最终实现生物体的整体调节以适应内外环境的变化。胰岛素水平 组织细胞摄取和利用葡萄糖减少，脂肪动员(3)功能基因组学研究。什么是代谢网络(metabolic network)?酶蛋白的磷酸化与脱磷酸化修饰(2)NAD+是大部分不需氧脱氢反应共同的受氢体；最原始和最基本的细胞水平代谢网络调节方式。2 饥饿状态时器官水平的代谢
50、网络(1)ATP是生物体能量储存与利用的共同形式；(2)NAD+是大部分不需氧脱氢反应共同的受氢体；(1)作用于膜受体的激素调节。(3)脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系由生物体内所有的代谢反应或途径，以及相关的调节过程所构成的复杂网络系统。代谢网络具有无尺度性。980v指利用体液指利用体液(主要是血液主要是血液)的物质转运过程相互的物质转运过程相互偶联，并通过体液因素偶联，并通过体液因素(主要是激素主要是激素)进行调节，进行调节，在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。在不同组织器官之间形成了复杂的代谢网络。器官水平代谢网络实现的作用：器官水平代谢网络实现的作用：(1)(1)维持生物体内葡萄糖代
