代谢调节 Regulation & Integration of Metabolism 宋潇达 2014.12

目录 Section 1. 代谢总览 Section 2. 代谢途径的整合 Section 3. 组织水平的代谢途径

Section 1. 代谢总览 物质代谢的概念： 新陈代谢(metabolism)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、中间代谢和排泄四个阶段来完成的。 中间代谢(intermediary metabolism)就是经过消化、吸收的外界营养物质和体内原有的物质，在全身一切组织和细胞中进行的多种多样的化学变化的过程。 各类物质的代谢在相互联系、相互制约下进行，形成一个完整统一的过程（网络）。如在能量供应上，糖、脂、蛋白质可以相互替代，相互制约。一般情况下，糖是主要供能物质（50%~70%），脂主要是储能（供能只占10%~40% ），蛋白质几乎不是供能形式；饥饿或某些病理状态时，糖供能减少，脂和蛋白质分解供能增加。 物质代谢在个体和种属之间都具互补性，这是生态平衡的基础。正常情况下，机体各种物质代谢能适应内外环境变化，有序地进行。这是由于机体存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度以适应内外环境变化。代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。

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，必然伴随着能量转移的过程。 同化作用 合成代谢 从化学变化角度 从物质交换角度 分解代谢 异化作用 食物的卡价和呼吸商 生命物质的降解是一个分子由大到小，生成其单体的过程。降解的方式有水解、磷酸解、焦磷酸解、硫解。降解后的单体进入中间代谢进一步分解。分解的作用一是获得能量，二是获得重要的中间物。ATP是生物体能量利用的共同形式，是机体最主要的能量载体和各种生命活动能量的直接供体。分解的最终产物是CO2、H2O、NH3、H3PO4、SO2等无机物，因种属差异，各类物质分解的最终产物有所不同。 生命物质的合成是一个由小到大，由简单到复杂的过程。分为半合成和从头合成。蛋白质、核酸、多糖和脂类的聚合是一种半合成。自养生物可直接将无机物转化为有机物，氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸和胆固醇的合成是从无到有，即从头合成。NADPH是合成代谢所需的还原当量。 物质代谢具共同的代谢池，处于动态平衡中。 基础代谢（basal metabolism)：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。

Body mass index (BMI)

Section 2. 代谢途径的整合 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的代谢途径，而且也是它们之间相互联系的渠道。 丙酮酸、乙酰辅酶A、-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。 动物、植物和微生物的物质代谢以及动物各组织、器官的物质代谢途径有所不同，各具特色。肝脏是物质代谢的中心。 每种物质代谢的活化方式不同（如糖的降解是磷酸化己糖，而糖的聚合是UDPG、ADPG；甘油三酯的合成是甘油-α-磷酸和脂酰辅酶A；氨基酸的活化以氨酰腺苷酸方式进行）。 物质代谢通过各代谢途径的共同中间产物相互联系，但在相互转变的程度上差异很大，有些代谢反应是不可逆的。乙酰CoA是糖、脂、氨基酸代谢共有的重要中间代谢物，三羧酸循环是三大营养物最终代谢途径，是转化的枢纽。

⌘ 脂肪不能转化为糖类 ⌘ 脂肪不能转化为氨基酸 ⌘ 糖类转化脂肪 ⌘ 糖类，脂肪转化为非必需氨基酸 ⌘ 生糖，生酮氨基酸分别转化为糖类和脂肪 1. 糖代谢与脂肪代谢的关系 糖可以转变成脂肪、磷脂和胆固醇。二羟丙酮磷酸经甘油磷酸脱氢酶催化变成甘油-α-磷酸；丙酮酸氧化脱羧变成乙酰辅酶A，再合成双数碳原子的脂肪酸。 在动物和人，脂肪转变成糖惟量很少。甘油可经糖异生变成糖原，但脂肪酸代谢的乙酰辅酶A不能转变成丙酮酸，不能异生成糖。虽然甘油、丙酮和丙酰CoA可以转变成糖，其量微不足道。 2. 糖代谢与蛋白质代谢的关系 糖不能转变成蛋白质，而蛋白质可转变成糖。糖代谢产生的α-酮酸（丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸）氨基化和转氨生成相应的非必需氨基酸。蛋白质分解的20种氨基酸（亮氨酸、赖氨酸除外），均可生成α-酮酸转变为糖。 3. 脂肪代谢和蛋白质代谢的关系 脂不能转变为蛋白质，而蛋白质可转变为脂类。因为脂肪酸转变成氨基酸仅限于谷氨酸，且需草酰乙酸存在（来源糖）。 氨基酸代谢可生成乙酰CoA及合成磷脂的原料。 4. 核酸和其他物质代谢的关系 核酸和其他物质代谢的关系密切。核酸通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型，核酸代谢离不开酶及调节蛋白。 ⌘ 脂肪不能转化为糖类 ⌘ 脂肪不能转化为氨基酸

Section 3. 组织水平的代谢途径 肝脏 脂肪细胞 肌肉细胞 心肌细胞 脑细胞

Section 4. 代谢的调控 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。 体内的代谢调节在三种不同水平上进行： (1) 细胞或酶水平调节 (2) 激素调节 (3) 神经调节 其中酶的调节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 也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制酶的活性和酶的合成量来调节酶促反应的速度和方向，也就是调节代谢的速度和方向。 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。 通过控制酶合成量的调节要牵涉到基因、mRNA、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、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。

关键酶（Key enzyme） a b c d A B C D E f F g G 往往是代谢途径的第一步反应的酶（a）或是分支代谢途径中分支点上的酶（b、c、f）或整个代谢途径中的限速酶或催化不可逆反应的酶（c）。 a b c d A B C D E f F g G

（一）酶活力的调节 1. 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负性的，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。

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。 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激活剂。

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，这种作用称为酶的共价修饰调节。这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点： 2. 酶的共价修饰调节

（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。 （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化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。

目前已知有6种类型的共价修饰方式： ① 磷酸化/脱磷酸化 ② 腺苷酰化/脱腺苷酰化 ③ 乙酰化/脱乙酰化 ④ 尿苷酰化/脱尿苷酰化 ⑤ 甲基化/脱甲基化 ⑥ S-S/SH相互转变

磷酸化酶 b 磷酸化酶 a 磷酸化/脱磷酸化与酶活性的调节

（二） 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) 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。能加强酶合成的作用称诱导作用；反之则称为阻遏作用。 (2) 酶分子降解速度的调节 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。

(1) 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。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。DNA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位。因此，基因表达的调控主要在转录水平上进行 。

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乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。 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：-半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。 这三个酶蛋白是大肠杆菌DNA上的三个结构基因经过转录和翻译而合成的。

（一）激素的调节 1. 激素的生物合成对代谢的调节 2. 激素对酶活性的影响 3. 激素对酶合成的诱导作用 二、激素和神经系统的调节

1. 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。 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正常而维持代谢正常运转。

2. 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ATP环化形成cAMP。 cAMP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cAMP为第二信使。

3. 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： 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。中枢神经系统对代谢作用的控制与调节包括： (1) 直接作用 (2) 间接作用 三、神经的调节 整个生物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： (1) 直接作用　　　(2) 间接作用

第四节 代谢抑制剂和抗代谢物 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，因此代谢抑制剂常常就是酶抑制剂。 （一）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。 第四节 代谢抑制剂和抗代谢物

1. 作用于细胞壁或细胞膜的抑制剂 2. 核酸代谢和蛋白质合成的抑制剂 3. 蛋白质水解和氨基酸代谢的抑制剂 4. 糖代谢的抑制剂 （二）代谢抑制剂的种类 1. 作用于细胞壁或细胞膜的抑制剂 2. 核酸代谢和蛋白质合成的抑制剂 3. 蛋白质水解和氨基酸代谢的抑制剂 4. 糖代谢的抑制剂 5. 脂类代谢的抑制剂 6. 电子传递体和氧化磷酸化抑制剂

（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。 二、抗代谢物

1.维生素类似物 2.氨基酸类似物 3.嘌呤和嘧啶类似物 4.糖代谢类似物 （二） 抗代谢物的种类

1. 抗代谢物与药物作用机制的研究 2. 抗代谢物与新药设计 （三）抗代谢物的研究意义

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