Metabolic Interrelationships and Regulation 第 九 章 物质代谢的联系与调节 Metabolic Interrelationships and Regulation

本章要求 熟记已经学过的各代谢途径的关键酶 熟记主要代谢途径在细胞内的发生部位 熟悉下列概念： Allosteric enzyme、Allosteric regulation、Allosteric effector、Chemical modification、Limiting velocity enzyme、Key enzyme

The Features of Metabolism 第 一 节 物质代谢的特点 The Features of Metabolism

一、代谢通路与整体网络性 糖类 无机盐 脂类 核酸 蛋白质 新陈代谢包括物质、能量和信息代谢； 各种物质代谢通路之间互有联系，相互依存 水 维生素 核酸 新陈代谢包括物质、能量和信息代谢； 各种物质代谢通路之间互有联系，相互依存

核 苷 酸 小分子或尿酸 糖 原 葡 萄 糖 丙 酮 酸 甘油三脂 脂酸甘油 蛋 白 质 氨 基 酸 乙酰CoA DNA和RNA 糖 原 葡 萄 糖 丙 酮 酸 甘油三脂 脂酸甘油 乙酰CoA 蛋 白 质 氨 基 酸 三羧酸循环、氧化磷酸化（对NADH和FADH2的氧化）产生ATP 酮体 尿素 磷酸戊糖途径 乳酸 SAM 尚未讲授内容 重点掌握内容

生物化学物质代谢更多的代谢途径请查阅： http://www.genome.jp/kegg/pathway.html

二、新陈代谢网络中代谢枢纽: ATP是机体能量利用的共同形式，是物质代谢与信号代谢联系的枢纽; NADPH是合成代谢所需还原当量；NADH是分解代谢所需还原当量，还是是联系物质代谢与能量代谢的枢纽. 营养物分 解 释放能量 ADP+Pi ATP 直接供能

例如 磷酸戊糖途径 脂酸、胆固醇 乙酰CoA NADPH + H+ NADH + H+ 其他常考的重要枢纽性物质： G6P; 3PGA; OAA; NADPH；Glu；甘AA等

三、各器官与各亚细胞结构内物质分布不同,代谢各具特色 结构不同 不同组织器官与 亚细胞器 形成特殊的组织器官之间的代谢循环与亚细胞器之间物质穿梭 酶系种类、 含量不同

多种组织器官之间的脂蛋白循环

肌肉肝之间的丙氨酸葡萄糖循环

肠肝之间的胆汁酸循环

肉毒碱循环，尿素双循环，酮体代谢; 苹果酸穿梭，磷酸甘油穿梭

四、代谢通路可调节性，适应生物对外界生存条件变化需要 主要受底物、激素与神经体液整体调节，通过代谢通路中关键酶活性变化实现 对代谢通路中关键酶调节 机体有精细调节机制，调节代谢强度、方向和速度 内外环境不断变化 影响物质代谢通路 适应环境的变化

五、各种代谢物均具有各自共同的代谢，其含量由来源与去路平衡决定 各种组织 消化吸收的糖 肝糖原分解 糖异生 血 糖

重要代谢物意义、含量及其调节： 血糖、血脂、血氨等。 血乳酸、酮体、丙氨酸循环

Metabolic Interrelationships 第 二 节 物质代谢相互联系 Metabolic Interrelationships

核 苷 酸 小分子或尿酸 糖 原 葡 萄 糖 丙 酮 酸 甘油三脂 脂酸甘油 蛋 白 质 氨 基 酸 乙酰CoA DNA和RNA 糖 原 葡 萄 糖 丙 酮 酸 甘油三脂 脂酸甘油 乙酰CoA 蛋 白 质 氨 基 酸 三羧酸循环、氧化磷酸化（对NADH和FADH2的氧化）产生ATP 酮体 尿素 磷酸戊糖途径 乳酸 SAM 尚未讲授内容 重点掌握内容

葡萄糖 脂肪酸与甘油 核苷酸 氨基酸 特殊代谢：尿素合成与SAM循环；胆固醇转化与酮体代谢；核苷酸降解 氨基酸的一碳单位代谢和葡萄糖的磷酸戊糖途径代谢，参与核苷酸的从头合成 转氨基后碳链骨架可将氨基酸分为成糖、成酮或兼生氨基酸 个别氨基酸参与磷脂的合成代谢，如磷脂胆碱、神经酰胺等 不能合成的是必需氨基酸与必需脂肪酸；糖可转化为脂肪，但脂肪仅部分转化糖 核苷酸通过UTP、CTP和SAM方式分别参与糖、脂、氨基酸代谢

一、能量代谢上相互联系 三大营养素可在体内氧化供能 共同中间产物 共同最终代谢通路 三大营养素 糖 脂肪 蛋白质 乙酰CoA TAC ATP 2H 氧化磷酸化 ATP CO2

从能量供应角度看，三大营养素可以互相代替，并互相制约。 一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。 任一供能物质代谢占优势，常能抑制和节约其他物质的降解。

例如 脂肪分解增强 ATP 增多， ATP/ADP 比值增高 6-磷酸果糖激酶-1被抑制 （糖分解代谢限速酶之一） 糖分解被抑制

饥饿时 肝糖原分解 ，肌糖原分解 1 ~ 2 天 肝糖异生，蛋白质分解  3 ~ 4 周 以脂酸、酮体分解供能为主 蛋白质分解明显降低

二、糖、脂、氨基酸与核苷酸间相互联系 （一）糖代谢与脂代谢的相互联系 1. 摄入的糖量超过能量消耗时 合成糖原储存（肝、肌肉） 葡萄糖 乙酰CoA 合成脂肪 （脂肪组织） 合成糖原储存（肝、肌肉）

2. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖 偶数碳脂肪酸 乙酰CoA 葡萄糖 脂 肪 甘油 甘油激酶 肝、肾、肠 磷酸-甘油

3. 脂肪的分解代谢受糖代谢的影响 饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时 脂肪大量动员 酮体生成增加 氧化受阻 高酮血症 草酰乙酸相对不足 糖不足

1. 部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α-酮酸，可转变为糖。 （二）糖与氨基酸代谢的相互联系 1. 部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α-酮酸，可转变为糖。 例如 脱氨基 糖异生 丙氨酸 丙酮酸 葡萄糖

2. 糖代谢的中间产物可通过转氨基作用生成某些非必需氨基酸 天冬氨酸 丙氨酸 乙酰CoA 糖 丙酮酸 草酰乙酸 α-酮戊二酸 柠檬酸 谷氨酸

（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系 1. 蛋白质可以转变为脂肪 2. 氨基酸可作为合成磷脂的原料 氨基酸 乙酰CoA 脂肪 丝氨酸 磷脂酰丝氨酸 胆胺 脑磷脂 胆碱 卵磷脂

3. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸 脂肪 甘油 磷酸甘油醛 丙酮酸 某些非必需氨基酸 其他α-酮酸 糖酵解途径 丙酮酸 其他α-酮酸 某些非必需氨基酸 —— 但不能说，脂类可转变为氨基酸。

1. 某些氨基酸与氨基酸代谢物一碳单位是体内合成核酸的重要原料 （四）核酸与糖、氨基酸代谢的相互联系 1. 某些氨基酸与氨基酸代谢物一碳单位是体内合成核酸的重要原料 甘氨酸 天冬氨酸 谷氨酰胺 一碳单位 合成嘌呤 合成嘧啶 2. 磷酸核糖和NADPH由磷酸戊糖途径提供 3. 核苷酸参与糖、氨基酸、甘油磷脂代谢

葡萄糖、糖原 脂肪 甘油 脂酸 丙酮酸 乙酰CoA 胆固醇、酮体 Leu、Lys Glu Ala Trp Ser Gly Thr Cys Asp Glu Arg His Pro 草酰乙酸 α- 酮戊二酸 Val, Ile, Met, Thr Tyr Pro 延胡索酸 琥珀酸 目 录

Metabolic Specialty and Interrelationships of Tissues and Apparatus 第 三 节 酶不同分布格局 导致特殊的器官系统代谢 Metabolic Specialty and Interrelationships of Tissues and Apparatus

（一）亚细胞器内酶的隔离分布 代谢途径有关酶类常常组成多酶体系，分布于细胞的某一区域 。

多酶体系在细胞内的分布

酶的隔离分布的意义 —— 避免了各种代谢途径互相干扰。

如 （二）人体内各器官系统代谢特点 肝（liver） 肝在糖代谢中的作用 合成、储存糖原 分解糖原生成葡萄糖，释放入血 是糖异生的主要器官 是机体物质代谢的枢纽。 在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具有独特而重要的作用。 合成、储存糖原 分解糖原生成葡萄糖，释放入血 是糖异生的主要器官 肝在糖代谢中的作用 如 ——肝在维持血糖稳定中起重要作用。

心脏（heart） 酮体 乳酸 游离脂酸 葡萄糖 以葡萄糖有氧氧化供能为主。

脑（brain） 耗能大，耗氧多。 葡萄糖为主要能源。 不能利用脂酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体。

肌 肉（muscle） 合成、储存糖原； 通常以脂酸氧化为主要供能方式； 剧烈运动时，以糖酵解为主。

红细胞（RBC） 能量主要来自糖酵解。

脂肪组织（adipocyte） 合成及储存脂肪的重要组织； 将脂肪分解成脂酸、甘油，供机体其他组织利用。

肾脏（kidney） 也可进行糖异生和生成酮体； 肾髓质主要由糖酵解供能；肾皮质主要由脂酸、酮体有氧氧化供能。

The Regulation of Metabolism 第 四 节 代 谢 调 节 途 径 The Regulation of Metabolism

代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。如单细胞生物 主要通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶的活性及含量进行调节，这种调节称为原始调节或细胞水平代谢调节。

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 整体水平代谢调节 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、细胞水平的代谢调节 • 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(key enzyme)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。

代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及方向由其中的关键酶决定 。 关键酶催化的反应具有以下特点： ① 速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶(limiting velocity enzymes)。 ② 催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向。 ③ 这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节。

例：糖代谢的关键酶

• 代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。 快速代谢 变构调节 (allosteric regulation) 化学修饰调节 (chemical modification) 数秒、数分钟 通过改变酶的活性 迟缓代谢 数小时、几天 通过改变酶的含量

（一）关键酶的变构调节途径 1. 变构调节的概念 小分子化合物与酶分子活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶的活性，这种调节称为酶的变构调节或别构调节。

被调节的酶称为变构酶或别构酶 (allosteric enzyme) 使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂 (allosteric effector) • 变构激活剂allosteric effector ——引起酶活性增加的变构效应剂。 • 变构抑制剂allosteric effector ——引起酶活性降低的变构效应剂。

变构调节举例

2. 变构调节的机制 催化亚基 变构酶 调节亚基 底物、终产物 其他小分子代谢物 变构效应剂：

变构效应剂 + 酶的调节亚基 疏松 亚基聚合 紧密 亚基解聚 酶分子多聚化 酶的构象改变 酶的活性改变 （激活或抑制 ）

3. 变构调节的生理意义 ① 代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。 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，不致浪费。 G-6-P – + 糖原磷酸化酶 抑制糖的氧化 糖原合酶 促进糖的储存

③变构调节使不同的代谢途径相互协调。 柠檬酸 – + 6-磷酸果糖激酶-1 抑制糖的氧化 乙酰辅酶A 羧化酶 促进脂酸的合成

（二）酶的化学修饰调节途径 1. 化学修饰的概念 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。

2. 化学修饰的主要方式 磷酸化 - - - 去磷酸 乙酰化 - - - 脱乙酰 甲基化 - - - 去甲基 腺苷化 - - - 脱腺苷 SH 与 – S — S – 互变

酶的磷酸化与脱磷酸化 蛋白激酶 磷酸化的酶蛋白 酶蛋白 磷蛋白磷酸酶 ATP ADP Thr Ser Tyr -O-PO32- -OH H2O Pi 磷蛋白磷酸酶 酶的磷酸化与脱磷酸化

3. 化学修饰的特点 ①酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。 ②具有放大效应，效率较变构调节高。 ③磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。 同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。

糖原磷酸化激酶（无） 糖原磷酸化激酶（有） 酶级联调节的放大效应原理： Ga AC ATP cAMP PKA（无） PKA（有） 糖原磷酸化激酶（无） 糖原磷酸化激酶（有） 糖原磷酸化酶（无） 糖原磷酸化酶（有） 糖原分解，血糖升高 10X 10X10X 10X10X10X 10X10X10X10X 10X10X10X10X10X

Chemical modification举例

（三）酶量的调节途径 1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏 加速酶合成的化合物称为诱导剂(inducer) 减少酶合成的化合物称为阻遏剂(repressor)

常见的诱导或阻遏方式 Ⅰ 底物对酶合成的诱导和阻遏 Ⅱ 产物对酶合成的阻遏 Ⅲ 激素对酶合成的诱导 Ⅳ 药物对酶合成的诱导

2. 酶蛋白降解 通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。 溶酶体 —— 释放蛋白水解酶，降解蛋白质 蛋白酶体 —— 泛素识别、结合蛋白质； 蛋白水解酶降解蛋白质

二、激素水平的代谢调节 激素作用机制 机体相关组织分泌激素 内、外环境改变 激素与靶细胞上的受体结合 靶细胞产生生物学效应，适应内外环境改变

激素分类 按激素受体在细胞的部位不同，分为： Ι 膜受体激素 Ⅱ 胞内受体激素

激素作用方式 1. 膜受体激素的作用方式

● Hormones whose receptor located on membrane ATP cAMP ADP Protein kinase lipase TG FFA Glycerol MG DG 脂肪细胞膜 脂肪动员 R G AC

2. 胞内受体激素的作用方式

● Regulation by The Hormones Whose Receptor Located in The Nuclei

● the brain glucose is virtually the sole fuel for the human brain, except during prolonged starvation. During starvation, ketone bodies generated by the liver partly replace glucose as fuel for the brain. ● the muscle the major fuel for muscle are glucose(in active), fatty acids(in resting),and ketone bodies(in heart). about ¾ of all the glucogen is stored in s. muscle. lacking G-6-Pase/cori cycle Glycogen Glucose G-6-P Pyruvate Ala Lactate

● adipose tissue TG is stored in it, which needs glucose for the synthesis of TG. TG here is continually being hydrolyzed and resynthesis. The glucose level inside adipose cell is a major factor in determining if FAAs are release into the blood. Hormone-sensitive lipase Glucose Glycerol-3-P Acyl-CoA VLDL FAAs Glycerol TG

● liver The metabolic activities of the liver are essential for providing fuel to the brain, muscle, and other peripheral organs. The metabolic pathways, e. g., glycogenesis, glyconeogensis, regulation of lipid metabolism including synthesis of TG, ketobodies, VLDL, et al.. Keto acids derived from the degradation of AAs are preferred to glucose as the liver’s own fuel. Glucose release into blood FAA used as fuel G-6-P Glycogen FAA from adipose tissue Ketone bodies Glucose Glucose form blood FAA synthesis G-6-P Glycogen as fuel VLDL Stimulated by insulin after a meal Stimulated by glucogon after an overnight fast

After a mixed meal AAs Glycogen Glucose Pyruvate Acetyl-CoA TG VLDL TG (CM) Glycogen Pyruvate VLDL Acetyl-CoA TG in adipose tissue

Postabsorptive state AAs proteinc Glycogen Glucose Pyruvate Ketone bodies Glycogen Pyruvate FAAs Acetyl-CoA TG in adipose tissue AAs TG proteinc

One week after the last meal Glucose Ketone bodies Pyruvate FAAs Acetyl-CoA TG in adipose tissue AAs TG proteins

三、整体水平的代谢调节 （一）饥饿 1. 短期饥饿（1～3天） 糖原消耗 血糖趋于降低 胰岛素分泌减少 胰高血糖素分泌增加 引起一系列的代谢变化

（1）蛋白质代谢变化 分解加强，氨基酸异生成糖 （2）糖代谢变化 糖异生加强， 组织对葡萄糖利用降低 （3）脂代谢变化 脂肪动员加强，酮体生成增多

2. 长期饥饿 （1）蛋白质代谢变化 蛋白质分解减少 （2）糖代谢变化 肝肾糖异生增强 肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸 （3）脂代谢变化 脂肪动员进一步加强 脑组织利用酮体增加

（二）应 激 1. 概念 应激(stress)指人体受到一些异乎寻常的刺激，如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染及剧烈情绪波动等所作出一系列反应的“ 紧张状态 ”。

2. 机体整体反应 交感神经兴奋 肾上腺髓质及皮质激素分泌增多 胰高血糖素、生长激素增加，胰岛素分泌减少 引起一系列的代谢变化

3. 代谢改变 （1） 血糖升高 （2） 脂肪动员增强 （3）蛋白质分解加强

复习题 列举三例说明体内糖、脂肪、氨基酸任意二者之间的相互联系与转变（写出主要代谢途径及关键酶）（2002.1生化试题） 试以天门冬氨酸为中心，将已学过的代谢联系起来 以图示说明谷氨酸下述代谢途径的主要过程：1.生成尿素；2.生成CO2、H2O和ATP；3.转变成葡萄糖；4.转变成嘌呤核苷酸（2002.2生化试题）