物質(zhì)代謝相互關(guān)系及調(diào)節(jié)

1、物質(zhì)代謝相互關(guān)系及調(diào)節(jié) 所有的生物細(xì)胞都是由糖類、脂類、所有的生物細(xì)胞都是由糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸四類生物大分子以及一些小蛋白質(zhì)和核酸四類生物大分子以及一些小分子、無(wú)機(jī)鹽和水所組成。在動(dòng)物體的這分子、無(wú)機(jī)鹽和水所組成。在動(dòng)物體的這些物質(zhì)的代謝與能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞相伴些物質(zhì)的代謝與能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞相伴隨，構(gòu)成了一個(gè)完整的化學(xué)過(guò)程，并且存隨，構(gòu)成了一個(gè)完整的化學(xué)過(guò)程，并且存在復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制。糖、脂和蛋白質(zhì)之間在復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制。糖、脂和蛋白質(zhì)之間代謝活動(dòng)的相互關(guān)系和相互影響是物質(zhì)代代謝活動(dòng)的相互關(guān)系和相互影響是物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。謝調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)?；疽裕夯疽裕?產(chǎn)生通用能量貨幣產(chǎn)生通用能量貨

2、幣ATP 產(chǎn)生還原力產(chǎn)生還原力NADPH 產(chǎn)生生物合成的前體分子產(chǎn)生生物合成的前體分子第一節(jié)第一節(jié)酶的區(qū)室化酶活性的調(diào)節(jié)酶含量控制l酶的區(qū)室化導(dǎo)致許多代謝反應(yīng)，尤酶的區(qū)室化導(dǎo)致許多代謝反應(yīng)，尤其是合成途徑與分解途徑常常彼此其是合成途徑與分解途徑常常彼此分開(kāi)，相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行。分開(kāi)，相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行。l細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的錯(cuò)綜復(fù)雜的代謝過(guò)程及生細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的錯(cuò)綜復(fù)雜的代謝過(guò)程及生理變化，主要是通過(guò)酶的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。理變化，主要是通過(guò)酶的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。l實(shí)際上，激素的調(diào)控作用也是通過(guò)對(duì)酶實(shí)際上，激素的調(diào)控作用也是通過(guò)對(duì)酶的影響（酶的產(chǎn)生和酶的活性）而實(shí)現(xiàn)的影響（酶的產(chǎn)生和酶的活性）而實(shí)現(xiàn)的。的。l酶除了具有催化

3、功能外，還具有調(diào)節(jié)和酶除了具有催化功能外，還具有調(diào)節(jié)和控制各類生物化學(xué)反應(yīng)速度、方向和途控制各類生物化學(xué)反應(yīng)速度、方向和途徑的功能。徑的功能。l酶水平的調(diào)節(jié)作用主要有兩種方式：一酶水平的調(diào)節(jié)作用主要有兩種方式：一是通過(guò)激活或抑制酶的活性；二是通過(guò)是通過(guò)激活或抑制酶的活性；二是通過(guò)影響酶的合成或降解速度，即改變細(xì)胞影響酶的合成或降解速度，即改變細(xì)胞內(nèi)酶的含量。這種酶水平的調(diào)節(jié)作用是內(nèi)酶的含量。這種酶水平的調(diào)節(jié)作用是生物調(diào)控最重要的形式。生物調(diào)控最重要的形式。l有些酶分子除了具有活性中心（結(jié)合部位和催有些酶分子除了具有活性中心（結(jié)合部位和催化部位）外，還存在一個(gè)特殊的調(diào)控部位，即化部位）外，還存在

4、一個(gè)特殊的調(diào)控部位，即變構(gòu)中心。變構(gòu)中心。l變構(gòu)中心雖然不是酶活性中心的組成部分，但變構(gòu)中心雖然不是酶活性中心的組成部分，但它可以與某些化合物（稱為變構(gòu)劑）發(fā)生非共它可以與某些化合物（稱為變構(gòu)劑）發(fā)生非共價(jià)結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象的改變，對(duì)酶起到激價(jià)結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象的改變，對(duì)酶起到激活或抑制的作用。這類酶通常稱為變構(gòu)酶，由活或抑制的作用。這類酶通常稱為變構(gòu)酶，由于變構(gòu)劑與變構(gòu)中心的結(jié)合而引起酶活性改變于變構(gòu)劑與變構(gòu)中心的結(jié)合而引起酶活性改變的現(xiàn)象則稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)作用。的現(xiàn)象則稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)作用。（1 1）變構(gòu)酶和變構(gòu)調(diào)節(jié)作用）變構(gòu)酶和變構(gòu)調(diào)節(jié)作用l目前已知的變構(gòu)酶均為寡聚酶，含兩個(gè)或兩個(gè)目前已知的

5、變構(gòu)酶均為寡聚酶，含兩個(gè)或兩個(gè)以上的亞基，一般分子量較大，而且具有復(fù)雜以上的亞基，一般分子量較大，而且具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。的空間結(jié)構(gòu)。l大多數(shù)由變構(gòu)酶催化的反應(yīng)不遵守米氏方程，大多數(shù)由變構(gòu)酶催化的反應(yīng)不遵守米氏方程，由變構(gòu)劑所引起的抑制作用也不服從典型的競(jìng)由變構(gòu)劑所引起的抑制作用也不服從典型的競(jìng)爭(zhēng)性或非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的數(shù)量關(guān)系。爭(zhēng)性或非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的數(shù)量關(guān)系。l激活變構(gòu)劑：變構(gòu)劑與酶分子結(jié)合后，酶的構(gòu)激活變構(gòu)劑：變構(gòu)劑與酶分子結(jié)合后，酶的構(gòu)象發(fā)生了變化，這種新的構(gòu)象有利于底物分子象發(fā)生了變化，這種新的構(gòu)象有利于底物分子與酶的結(jié)合，使酶促反應(yīng)速度提高。與酶的結(jié)合，使酶促反應(yīng)速度提高。l抑制變構(gòu)

6、劑：變構(gòu)劑與酶分子結(jié)合所引起的酶抑制變構(gòu)劑：變構(gòu)劑與酶分子結(jié)合所引起的酶的構(gòu)象變化不利于與底物的結(jié)合，表現(xiàn)出一定的構(gòu)象變化不利于與底物的結(jié)合，表現(xiàn)出一定程度的抑制作用。程度的抑制作用。l實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在變構(gòu)酶中起催化作用，稱為催化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在變構(gòu)酶中起催化作用，稱為催化亞基；與變構(gòu)劑結(jié)合的對(duì)反應(yīng)起調(diào)節(jié)作用，稱亞基；與變構(gòu)劑結(jié)合的對(duì)反應(yīng)起調(diào)節(jié)作用，稱為調(diào)節(jié)亞基。為調(diào)節(jié)亞基。舉例：舉例：ATCaseATCase的反饋抑制調(diào)節(jié)嘧啶的合成的反饋抑制調(diào)節(jié)嘧啶的合成 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ ATCaseATCase）催化氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成N-氨甲酰天冬氨酸的反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)是嘧啶生物合成的第一步。氨甲酰磷酸

7、氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸三磷酸三磷酸 胞苷胞苷氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸 的亞基組成為的亞基組成為C C6 6R R6 6，C C和和R R分別代表其催化亞分別代表其催化亞基和調(diào)節(jié)亞基。據(jù)基和調(diào)節(jié)亞基。據(jù)射線結(jié)構(gòu)表明，射線結(jié)構(gòu)表明，ATCaseATCase的的催化亞基排成兩組三聚體（催化亞基排成兩組三聚體（C C3 3），與三組調(diào)節(jié)），與三組調(diào)節(jié)亞基二聚體（亞基二聚體（ R R2 2）組成復(fù)合物。）組成復(fù)合物。 兩個(gè)具有催化活性的三聚體可與底物結(jié)合，兩個(gè)具有催化活性的三聚體可與底物結(jié)合，但不能結(jié)合但不能結(jié)合CTPCTP；三個(gè)具有調(diào)節(jié)活性的二聚體，；三個(gè)具有調(diào)節(jié)活性的二聚體，無(wú)催化活性，但能

8、和無(wú)催化活性，但能和ATPATP或或CTPCTP結(jié)合。結(jié)合。的的ATCase的亞基排列的亞基排列ATCase半分子半分子（C3R3)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)ATCase是一個(gè)典型的是一個(gè)典型的變構(gòu)酶。動(dòng)力學(xué)研究表變構(gòu)酶。動(dòng)力學(xué)研究表明，在氨甲酰磷酸飽和明，在氨甲酰磷酸飽和濃度下，濃度下， ATCase初始初始速度對(duì)天冬氨酸作圖，速度對(duì)天冬氨酸作圖，對(duì)照（不加對(duì)照（不加CTP和和ATP）中表現(xiàn)出典型的中表現(xiàn)出典型的S形曲形曲線。加入線。加入ATP時(shí)，時(shí)， S形形曲線性質(zhì)減弱，加入曲線性質(zhì)減弱，加入CTP時(shí)，時(shí)， S形曲線變得形曲線變得更加更加S形。形。l激活劑激活劑ATPATP優(yōu)先結(jié)合到優(yōu)先結(jié)合到ATCas

9、eATCase的活化態(tài)的活化態(tài)（R R態(tài)），而抑制劑態(tài)），而抑制劑CTPCTP優(yōu)先結(jié)合到酶的優(yōu)先結(jié)合到酶的非活化態(tài)（非活化態(tài)（T T態(tài)），不反應(yīng)的雙底物類似態(tài)），不反應(yīng)的雙底物類似物物N-N-磷酸乙酰磷酸乙酰-L-L-天冬氨酸（天冬氨酸（PALAPALA）緊緊）緊緊結(jié)合于結(jié)合于R R態(tài)的態(tài)的ATCaseATCase，但不與，但不與T T態(tài)態(tài)ATCaseATCase結(jié)合。在結(jié)合。在T T態(tài)態(tài) R R態(tài)轉(zhuǎn)變中，其構(gòu)象發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變中，其構(gòu)象發(fā)生變化。生變化。 ATCase催化鏈的別構(gòu)過(guò)渡作用催化鏈的別構(gòu)過(guò)渡作用l某些酶分子上的基團(tuán)可以在另一種酶催化下發(fā)生共價(jià)某些酶分子上的基團(tuán)可以在另一種酶催化下發(fā)生共價(jià)

10、修飾作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），從而引起修飾作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），從而引起酶活性的激活或抑制。這種作用稱為共價(jià)修飾作用。酶活性的激活或抑制。這種作用稱為共價(jià)修飾作用。這類酶則稱為共價(jià)調(diào)節(jié)酶。有如下兩個(gè)特點(diǎn)：這類酶則稱為共價(jià)調(diào)節(jié)酶。有如下兩個(gè)特點(diǎn)：l（1 1）被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性）被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無(wú)催形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無(wú)催化活性）。正反兩個(gè)方向的互變均發(fā)生共價(jià)修飾反應(yīng)，化活性）。正反兩個(gè)方向的互變均發(fā)生共價(jià)修飾反應(yīng)，并且都將引起酶活性的變化。并且都將引起酶活性的變化

11、。l（2 2）共價(jià)修飾調(diào)節(jié)作用可以產(chǎn)生酶的連續(xù)激活現(xiàn)象，）共價(jià)修飾調(diào)節(jié)作用可以產(chǎn)生酶的連續(xù)激活現(xiàn)象，所以具有信號(hào)放大效應(yīng)。例如腎上腺素引起糖原分解所以具有信號(hào)放大效應(yīng)。例如腎上腺素引起糖原分解過(guò)程中的一系列磷酸化激活步驟，其結(jié)果將激素的信過(guò)程中的一系列磷酸化激活步驟，其結(jié)果將激素的信號(hào)被逐級(jí)放大了約號(hào)被逐級(jí)放大了約300300萬(wàn)倍萬(wàn)倍。l磷酸化酶磷酸化酶 b b。該酶本身無(wú)活性。該酶本身無(wú)活性, , 當(dāng)磷酸化酶當(dāng)磷酸化酶 b b 活性中活性中心的絲氨酸殘基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶心的絲氨酸殘基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶 a a。l由磷酸化酶由磷酸化酶 b b 轉(zhuǎn)化為活化形式轉(zhuǎn)化為

12、活化形式 a a 的反應(yīng)的反應(yīng), , 被磷酸化被磷酸化酶激酶所催化酶激酶所催化, , 而磷酸化酶而磷酸化酶 a a 去活化（去磷酸化）則去活化（去磷酸化）則由另一種磷酸酶所催化。由另一種磷酸酶所催化。OHOHOHOHOPOPOPOP4ATP4ADP4H2O4Pil酶在細(xì)胞內(nèi)的含量取決于酶的合成速度和分解酶在細(xì)胞內(nèi)的含量取決于酶的合成速度和分解速度。細(xì)胞根據(jù)自身活動(dòng)需要，嚴(yán)格控制細(xì)胞速度。細(xì)胞根據(jù)自身活動(dòng)需要，嚴(yán)格控制細(xì)胞內(nèi)各種酶的合理含量，從而對(duì)各種生物化學(xué)過(guò)內(nèi)各種酶的合理含量，從而對(duì)各種生物化學(xué)過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。程進(jìn)行調(diào)控。l酶含量調(diào)節(jié)的化學(xué)本質(zhì)是基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。在酶含量調(diào)節(jié)的化學(xué)本質(zhì)是基因表達(dá)

13、的調(diào)節(jié)。在細(xì)胞內(nèi)，所合成的酶的種類及數(shù)量是由特殊的細(xì)胞內(nèi)，所合成的酶的種類及數(shù)量是由特殊的基因信息決定的?；蛐畔Q定的。DNADNA所攜帶的酶蛋白遺傳信所攜帶的酶蛋白遺傳信息，需要通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而合成酶蛋白。在細(xì)息，需要通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而合成酶蛋白。在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄或翻譯過(guò)程都有特定的調(diào)節(jié)控胞內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄或翻譯過(guò)程都有特定的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，其中轉(zhuǎn)錄的調(diào)控占主導(dǎo)地位。因此，制機(jī)制，其中轉(zhuǎn)錄的調(diào)控占主導(dǎo)地位。因此，基因表達(dá)的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行基因表達(dá)的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行 l大腸桿菌培養(yǎng)過(guò)程中如果缺少乳糖，細(xì)胞中就大腸桿菌培養(yǎng)過(guò)程中如果缺少乳糖，細(xì)胞中就不含任何可以代謝乳糖的酶。不含任何

14、可以代謝乳糖的酶。l但是在培養(yǎng)基中加入乳糖后，大腸桿菌就能在但是在培養(yǎng)基中加入乳糖后，大腸桿菌就能在幾分鐘內(nèi)合成出與乳糖水解有關(guān)的酶，使之能幾分鐘內(nèi)合成出與乳糖水解有關(guān)的酶，使之能利用這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。利用這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。l在此過(guò)程中，乳糖起著誘導(dǎo)物作用。由乳糖誘在此過(guò)程中，乳糖起著誘導(dǎo)物作用。由乳糖誘導(dǎo)產(chǎn)生的與乳糖水解相關(guān)的三種酶：導(dǎo)產(chǎn)生的與乳糖水解相關(guān)的三種酶： - -半乳糖半乳糖苷酶，苷酶， - -半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和 - -半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶，被稱為誘導(dǎo)酶。酶，被稱為誘導(dǎo)酶。l這三個(gè)酶蛋白是大腸桿菌這三個(gè)酶蛋白是大腸桿菌DNADNA上的三個(gè)結(jié)構(gòu)基上的三個(gè)結(jié)構(gòu)基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)

15、錄和翻譯而合成的。因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而合成的。1.1.主要物質(zhì)代謝途徑的相互關(guān)系主要物質(zhì)代謝途徑的相互關(guān)系糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系糖代謝與脂類代謝的關(guān)系糖代謝與脂類代謝的關(guān)系脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系核酸代謝與糖、脂類和蛋白質(zhì)的關(guān)系核酸代謝與糖、脂類和蛋白質(zhì)的關(guān)系丙二酸單酰CoA-氧化脂肪酸甘油脂肪 乙酰CoA檸檬酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA-酮戊二酸TCA葡萄糖G-6-P糖原G-1-P3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮 1,3-二磷酸甘油酸 PEP 丙酮酸糖酵解CO2H2O脂肪酸甘油脂肪脂肪氧化分解脂肪氧化分解糖轉(zhuǎn)化為脂肪糖轉(zhuǎn)化為脂肪乙酰CoA脂肪酸

16、脂肪甘油線粒體脂肪轉(zhuǎn)化為糖的過(guò)程細(xì)胞質(zhì)磷酸二羥丙酮 葡萄糖檸檬酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA-酮戊二酸丙酮酸乙酰CoA氨基酸轉(zhuǎn)化為糖或脂氨基酸轉(zhuǎn)化為糖或脂天冬氨酸天冬酰胺苯丙氨酸酪氨酸異亮氨酸蛋氨酸纈氨酸蘇氨酸谷氨酸精氨酸組氨酸脯氨酸谷氨酰胺脂肪酸檸檬酸草酰乙酸延胡索酸琥珀酰CoA-酮戊二酸苯丙氨酸酪氨酸賴氨酸亮氨酸色氨酸乙酰CoA乙酰乙酰CoA糖異生葡萄糖丙氨酸甘氨酸絲氨酸色氨酸半胱氨酸丙酮酸糖轉(zhuǎn)化為氨基酸3-磷酸甘油酸葡萄糖PEP丙酮酸磷酸戊糖途徑色氨酸酪氨酸苯丙氨酸5-磷酸核糖組氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酰胺絲氨酸甘氨酸半胱氨酸天冬氨酸天冬酰胺賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸纈氨酸亮氨酸丙氨酸

17、糖酵解-酮戊二酸草酰乙酸三羧酸循環(huán)4-磷酸赤蘚糖莽草酸脂肪酸甘油磷酸二羥丙酮乙酰CoA三羧酸循環(huán)氨基酸丙酮酸生酮氨基酸脂肪酸脂肪與蛋白質(zhì)的互變脂肪與蛋白質(zhì)的互變核酸甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺核苷酸核苷酸ATPGTPCTPUTP雙糖或多糖葡萄糖葡萄糖磷酸戊糖途徑磷酸戊糖途徑磷酸核糖ADPGGDPGUDPG能量供體蛋白質(zhì)合成磷脂代謝輔助因子信號(hào)分子糖與核酸的互變葡萄糖-6-磷酸丙酮酸和 乙酰CoA 1.1.糖代謝的調(diào)節(jié)糖代謝的調(diào)節(jié) 葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖丙酮酸丙酮酸脫氫酶系乙酰CoA TCA循環(huán)異檸檬酸脫氫酶檸檬酸合成酶-酮戊二酸脫氫酶系糖原己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶酶糖原合成酶磷酸化酶2，6-二磷酸果糖是一個(gè)極有力的PFK的變構(gòu)活化劑和FBP酶的變構(gòu)抑制劑。 2，6-二磷酸果糖的調(diào)節(jié)果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸PFKFBPase高血糖PFK-2增加F2，6P激活激活 丙酮酸脫氫酶系的調(diào)節(jié)丙酮酸脫氫酶系的調(diào)控主要從三方面進(jìn)行： 1）產(chǎn)物抑制（乙酰CoA和NADH的反饋抑制） 2）核苷酸反饋控制（GTP抑制，AMP激活） 3）磷酸化作用控制（酶磷酸化而失去功能）CO2+H2O脂肪酸 糖原合成與分解的調(diào)節(jié)糖原磷酸化酶活性的調(diào)節(jié)質(zhì)膜1受體糖原G-1-P蛋白激酶（有)（無(wú)）腎上腺素（有）PPPP2ba糖原磷酸化酶ATPADPP