生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第十一章代谢调节 第一节代谢调节的概念 第二节物质代谢的相互联系 第三节代谢调节
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 11 页 1 第十一章 代谢调节 第一节 代谢调节的概念 第二节 物质代谢的相互联系 第三节 代谢调节
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第一节代谢调节的概念 生物体是一个完整的统一体,各种代谢密切联系、相互作用、相互制约,生物 在其进化过程中形成一套有效而灵敏的调节控制系统。研究代谢调节有着重要的理 论与实践意义,是当代生物化学最活跃的研究领域之 在漫长的生物进化历程中,机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂,代谢调 节机制也随之更为复杂。以高等动物为例,代谢调节在四个相互关系、彼此协调又 各具特色的层面上进行,即神经水平、激素水平、细胞水平和酶水平。但就整个生 物界来说,酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式,为动、植物和单细胞生物所 共直。 神经水平调节 动 激素水平调节 植 物 细胞水平调节 单物 分子水平调节(酶水平调节) 细 胞 所有这些调节机制都是在基因产物蛋白质(可能还有RNA)的作用下进行的。 也就是说与基因表达调控有关 物理 外部因子1化学 代谢调节 生物 胞间(神经、激素) 内部因子 数量 胞内(酶水平)活性 定位 第二节物质代谢的相互联系 活Cell要不断地进行新陈代谢,从外界吸取物质和能量,以构建自身的组成结 构,同时分解已有成分,加以再利用,并将不利用的废物排出。在这个代谢过程中, 细胞内数百种小分子在起关键作用,它们构成了成千上万的生物大分子,如果这些 分子单独代谢互不相干,那么代谢将变的无比复杂,可想象细胞是无法容纳的。那 么:①细胞是如何经济有效地转化各类物质的?代谢的总原则和方略是什么?②谁 在代谢调节中起主导作用? 细胞代谢有一套总原则和方略,来解决经济有效转化问题 (1)将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径,以少数种类的反应,转化种 类繁多的分子,例如,氧化还原基团转移,水解合成,基团脱加,异构反应等。 (2)不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和转化, 这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通,形成经济有效,运转良好的代谢网
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 11 页 2 第一节 代谢调节的概念 生物体是一个完整的统一体，各种代谢密切联系、相互作用、相互制约，生物 在其进化过程中形成一套有效而灵敏的调节控制系统。研究代谢调节有着重要的理 论与实践意义，是当代生物化学最活跃的研究领域之一。 在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调 节机制也随之更为复杂。以高等动物为例，代谢调节在四个相互关系、彼此协调又 各具特色的层面上进行，即神经水平、激素水平、细胞水平和酶水平。但就整个生 物界来说，酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式，为动、植物和单细胞生物所 共有。 神经水平调节 动 激素水平调节 植 物 细胞水平调节 单 物 分子水平调节(酶水平调节) 细 胞 所有这些调节机制都是在基因产物蛋白质（可能还有 RNA）的作用下进行的。 也就是说与基因表达调控有关。 物理 外部因子 化学 代谢调节 生物 胞间（神经、激素） 内部因子 数量 胞内（酶水平） 活性 定位 第二节 物质代谢的相互联系 活 Cell 要不断地进行新陈代谢，从外界吸取物质和能量，以构建自身的组成结 构，同时分解已有成分，加以再利用，并将不利用的废物排出。在这个代谢过程中， 细胞内数百种小分子在起关键作用，它们构成了成千上万的生物大分子，如果这些 分子单独代谢互不相干，那么代谢将变的无比复杂，可想象细胞是无法容纳的。那 么：①细胞是如何经济有效地转化各类物质的？代谢的总原则和方略是什么？②谁 在代谢调节中起主导作用？ 细胞代谢有一套总原则和方略，来解决经济有效转化问题： （1）将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应，转化种 类繁多的分子，例如，氧化还原基团转移，水解合成，基团脱加，异构反应等。 （2）不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和转化， 这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通，形成经济有效，运转良好的代谢网
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第3页共11页 络。 在各种代谢途径形成的交叉网络中,其中三个最关键的中间代谢产物:6-磷酸 葡萄糖、丙酮酸、乙酰辅酶A。特别是乙酰辅酶A是各代谢之间的枢纽物质。通过 种中间代谢产物使细胞中4类主要有机物质:糖、脂类、Pr和核酸实现相互转交 、蛋白质和核酸在物质代谢中起主导地位 核酸→蛋白质(酶)→决定代谢方向、速度、相互关系 归根结底是与基因表达调控有关。 蛋白质代谢和糖代谢的关系(通过三羧酸循环相互沟通) Pr一分解,a-脱氨→丙酮酸一 糖原异生 糖 丙AA<>丙酮酸 谷氨酸<> 酮戊二酸 天冬氨酸<>草酰乙酸 1、蛋白质转化为糖,首先要水解成AA。A通过脱氨基作用生成相应的a一酮 酸,然后转变为糖异生途径中的某种中间产物,再经糖异生作用合成糖。其中丙AA 谷AA和天冬A脱氢后分别转变为TCA中间物丙酮酸、a一酮戊二酸和草酰乙酸, 经糖异生作用即可生成糖原。其他AA需经较复杂的分子结构变化转变成相应的a 酮酸,再转变成糖原 2、糖可转变成各种A的碳架结构。丙酮酸是糖代谢的重要中间产物,丙酮酸 经三羧酸循环可以转变为α—酮戊二酸和草酰乙酸,这三种α一酮酸经氨基化或转 氨基作用分别生成丙AA、谷AA和天冬AA。TCA的其他中间产物以及磷酸戊糖途径、 卡尔文循环中间物经转化成α一酮酸后,都能为各种AA合成提供碳骨架,再经转氨 基作用形成A,进而合成蛋白质。 三、脂类代谢和Pr代谢关系 x乙酰COA- 脂肪酸 AA- 酮酸 甘油 脂肪 蛋白质可以转变为脂类。在动物体内的生酮AA如亮A等,在代谢过程中能 生成乙酰乙酸(酮体),然后生成乙酰COA,再进一步合成脂肪酸。而生糖AA,通过 直接或间接生成丙酮酸,可以转变为甘油,也可以在氧化脱羧后转变为乙酰COA合 成胆固醇或者经丙二酸单酰COA用于脂肪酸合成。 Met 甲基 丝A脱羧,胶—胆破 脑磷脂 卵磷脂
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 11 页 3 络。 在各种代谢途径形成的交叉网络中，其中三个最关键的中间代谢产物：6-磷酸 葡萄糖、丙酮酸、乙酰辅酶 A。特别是乙酰辅酶 A 是各代谢之间的枢纽物质。通过 三种中间代谢产物使细胞中 4 类主要有机物质：糖、脂类、Pr 和核酸实现相互转交。 一、蛋白质和核酸在物质代谢中起主导地位 核酸→蛋白质（酶）→决定代谢方向、速度、相互关系 归根结底是与基因表达调控有关。 二、蛋白质代谢和糖代谢的关系（通过三羧酸循环相互沟通） 丙 AA 丙酮酸 谷氨酸 α—酮戊二酸 天冬氨酸 草酰乙酸 1、蛋白质转化为糖，首先要水解成 AA。AA 通过脱氨基作用生成相应的α—酮 酸，然后转变为糖异生途径中的某种中间产物，再经糖异生作用合成糖。其中丙 AA、 谷 AA 和天冬 AA 脱氢后分别转变为 TCA 中间物丙酮酸、α—酮戊二酸和草酰乙酸， 经糖异生作用即可生成糖原。其他 AA 需经较复杂的分子结构变化转变成相应的α— 酮酸，再转变成糖原。 2、糖可转变成各种 AA 的碳架结构。丙酮酸是糖代谢的重要中间产物，丙酮酸 经三羧酸循环可以转变为α—酮戊二酸和草酰乙酸，这三种α—酮酸经氨基化或转 氨基作用分别生成丙 AA、谷 AA 和天冬 AA。TCA 的其他中间产物以及磷酸戊糖途径、 卡尔文循环中间物经转化成α—酮酸后，都能为各种 AA 合成提供碳骨架，再经转氨 基作用形成 AA，进而合成蛋白质。 三、脂类代谢和 Pr 代谢关系 -NH2 乙酰 COA 脂肪酸 Pr AA 酮酸 甘油 脂肪 1、 蛋白质可以转变为脂类。在动物体内的生酮 AA 如亮 AA 等，在代谢过程中能 生成乙酰乙酸（酮体），然后生成乙酰 COA，再进一步合成脂肪酸。而生糖 AA，通过 直接或间接生成丙酮酸，可以转变为甘油，也可以在氧化脱羧后转变为乙酰 COA 合 成胆固醇或者经丙二酸单酰 COA 用于脂肪酸合成。 丝 AA 胆胺 胆碱 脑磷脂 卵磷脂 Pr ⎯分解⎯→⎯ aa ⎯脱氨⎯→⎯ 丙酮酸 ⎯糖原异生 ⎯ → ⎯⎯ 糖 脱羧 甲基 Met
物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第4页共11页 丝氨酸脱羧可以转变为胆胺,胆胺在接受S一腺苷甲硫氨酸给出的甲基后,即 形成胆碱,胆碱是脑磷脂的组成成分,胆碱是卵磷脂的组成成分。 2、脂类可以转化为蛋白质(但很有限)动物不易利用脂肪酸合成aa,因为无 乙醛酸循环。 + nHo ≯甘油—丙酮酸 脂肪 TCA + NH2 脂肪酸—乙酰COA—酮酸 乙醛酸循环 琥珀酸(有机酸)蛋白质 由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的。实际上,当乙酰COA进入三羧酸循环从 而形成α一酮酸即AA的碳架时,需要与草酰乙酸缩合后转变成α一酮戊二酸。a 酮戊二酸可经氨基化或转氨基作用生成谷氨酸。如无其他来源的草酰乙酸补充,反 应便不能进行。在植物和微生物中,存在乙醛酸循环,通过合成琥珀酸,回补了三 羧酸循环中的草酰乙酸,从而促进脂肪酸合成氨基酸。但在动物体内不存在乙醛酸 循环。一般来说,动物组织不易利用脂肪酸合成氨基酸 四、糖代谢与脂类代谢相互关系: 糖_EP磷酸二羟丙酮、丙酮酸_脱羧,乙酰COA缩合脂肪酸 (DHAP) 还原 甘油 脂肪 甘油_≯a—甘油磷酸→DAP一→糖 脂肪 脂肪酸一位→乙酰COA-有机酸一→草酰乙酸一→丙酮酸→糖 多吃糖可以使人发胖;用富含碳水化合物的各类饲料可肥育禽类和肉畜。萌发的 花生种子脂肪减少,并变甜,上述例子说明糖一脂在生物体内可以相互转化。 糖是生物体内重要的碳源和能源。糖可通过下述途径转变成脂类;糖分解代谢 的中间产物磷酸二羟丙酮可还原生成磷酸甘油。另一中间产物乙酰COA则可合成长 脂肪酸,此过程所需的NAD門H又可由磷酸戊糖途径提供。作后脂酰C0A与磷酸甘 油酯化而生成脂肪。此外,乙酰C0A还可转变为胆固醇及其衍生物。 脂肪转化成糖由于生物种类不同而有所区别。在动物体内,甘油可经脱氢生成 磷酸二羟丙酮再通过糖异生作用转变为糖,但脂肪酸不能净合成糖,其关键是由丙 酮酸生成乙酰COA的反应不可逆。虽然有实验证明,脂肪酸在动物体内也可转变成 糖,但需要在有其他来源的三羧酸循环中间有机酸回补时,乙酰CO0A才可转变为草 酰乙酸,再经糖异生作用转变为糖。植物和微生物有乙醛酸循环可补充琥珀酸(有 机酸),转变成草酰乙酸后进入糖异生作用生糖。(这一过程主要发生在含脂肪种子 萌发时。)
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 4 页 共 11 页 4 丝氨酸脱羧可以转变为胆胺，胆胺在接受 S—腺苷甲硫氨酸给出的甲基后，即 形成胆碱，胆碱是脑磷脂的组成成分，胆碱是卵磷脂的组成成分。 2、脂类可以转化为蛋白质（但很有限）动物不易利用脂肪酸合成 aa，因为无 乙醛酸循环。 + NH2 甘油 丙酮酸 AA 脂肪 TCA + NH2 脂肪酸 乙酰 COA 酮酸 AA 乙醛酸循环 TCA 琥珀酸（有机酸） 蛋白质 由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的。实际上，当乙酰 COA 进入三羧酸循环从 而形成α—酮酸即 AA 的碳架时，需要与草酰乙酸缩合后转变成α—酮戊二酸。α— 酮戊二酸可经氨基化或转氨基作用生成谷氨酸。如无其他来源的草酰乙酸补充，反 应便不能进行。在植物和微生物中，存在乙醛酸循环，通过合成琥珀酸，回补了三 羧酸循环中的草酰乙酸，从而促进脂肪酸合成氨基酸。但在动物体内不存在乙醛酸 循环。一般来说，动物组织不易利用脂肪酸合成氨基酸。 四、糖代谢与脂类代谢相互关系： 多吃糖可以使人发胖；用富含碳水化合物的各类饲料可肥育禽类和肉畜。萌发的 花生种子脂肪减少，并变甜，上述例子说明糖—脂在生物体内可以相互转化。 糖是生物体内重要的碳源和能源。糖可通过下述途径转变成脂类；糖分解代谢 的中间产物磷酸二羟丙酮可还原生成磷酸甘油。另一中间产物乙酰 COA 则可合成长 链脂肪酸，此过程所需的 NADPH 又可由磷酸戊糖途径提供。作后脂酰 COA 与磷酸甘 油酯化而生成脂肪。此外，乙酰 COA 还可转变为胆固醇及其衍生物。 脂肪转化成糖由于生物种类不同而有所区别。在动物体内，甘油可经脱氢生成 磷酸二羟丙酮再通过糖异生作用转变为糖，但脂肪酸不能净合成糖，其关键是由丙 酮酸生成乙酰 COA 的反应不可逆。虽然有实验证明，脂肪酸在动物体内也可转变成 糖，但需要在有其他来源的三羧酸循环中间有机酸回补时，乙酰 COA 才可转变为草 酰乙酸，再经糖异生作用转变为糖。植物和微生物有乙醛酸循环可补充琥珀酸（有 机酸），转变成草酰乙酸后进入糖异生作用生糖。（这一过程主要发生在含脂肪种子 萌发时。） 糖 磷酸二羟丙酮 丙酮酸 乙酰 COA 脂肪酸 （DHAP） 还原 甘油 脂肪 EMP 脱羧 缩合 脂肪酸 乙酰COA 有机酸 草酰乙酸 丙酮酸 糖 甘油 α 甘油磷酸 DHAP 糖 脂肪 β 氧化 缩合 TCA 脱羧 磷酸化 逆EMP ⎯⎯ →⎯ ⎯⎯→⎯ ⎯⎯→ ⎯⎯→⎯ → ⎯⎯ →⎯ − → ⎯⎯ →⎯ −
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 五、核酸、糖、脂类、P相互关系 1.核酸是Ce1l重要遗传物质,它通过控制Pr的合成影响Ce11组成成分和代谢 类型,一般不是重要的C、N和能源。许多核苷酸在代谢中起重要作用 ATP能量和磷酸基团转移重要物质 UTP单糖和多糖合成 CTP卵磷脂合成 GTP肽链合成供能 2.核酸本身合成又受其它物质特别是Pr的作用和控制 Gly Asp嘌呤与嘧啶环的合成 GIn 综上所述,糖、脂类、Pr和核酸等物质,在代谢中彼此影响,相互转化、密切 相关的,均成了一个完整的统一的代谢过程。 三羧酸循环是各类物质代谢的共同途径,是它们之间联系的渠道,现将四类物 质,主要代谢关系总结如下 各种代谢的关系 蛋白质 脂肪 DHAP飞 甘油脂肪 各 乙酰COA 「酰乙酸 柠檬酸 延胡索酸 琥酮或二酸 分解代谢和合成代谢的单向性 酶对正、逆反应同样促进,而代谢途径中有许多过程是可逆的,然而实际上整 个代谢又是单向的。那么生物是怎样来调节反应方向和正、逆速度防止空转浪费的? (1)分解与合成代谢是分开的,各有自身的途径。(2)在一条代谢途径中某些 关键部位的正逆反应经常是有两种不同的酶所催化,一种酶催化正反应,另一种酶 催化逆反应。(3)这种分开机制可使生物合成和降解途径或正逆反应途径分别处于 力学有利态,远离平衡点,保证单向进行。例糖代谢中有3个部位
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 5 页 共 11 页 5 五、核酸、糖、脂类、Pr 相互关系 1．核酸是 Cell 重要遗传物质，它通过控制 Pr 的合成影响 Cell 组成成分和代谢 类型，一般不是重要的 C、N 和能源。许多核苷酸在代谢中起重要作用。 ATP 能量和磷酸基团转移重要物质 UTP 单糖和多糖合成 CTP 卵磷脂合成 GTP 肽链合成供能 2．核酸本身合成又受其它物质特别是 Pr 的作用和控制 Gly Asp 嘌呤与嘧啶环的合成 Gln 综上所述，糖、脂类、Pr 和核酸等物质，在代谢中彼此影响，相互转化、密切 相关的，均成了一个完整的统一的代谢过程。 三羧酸循环是各类物质代谢的共同途径，是它们之间联系的渠道，现将四类物 质，主要代谢关系总结如下： 各种代谢的关系 六、分解代谢和合成代谢的单向性 酶对正、逆反应同样促进，而代谢途径中有许多过程是可逆的，然而实际上整 个代谢又是单向的。那么生物是怎样来调节反应方向和正、逆速度防止空转浪费的？ （1）分解与合成代谢是分开的，各有自身的途径。（2）在一条代谢途径中某些 关键部位的正逆反应经常是有两种不同的酶所催化，一种酶催化正反应，另一种酶 催化逆反应。（3）这种分开机制可使生物合成和降解途径或正逆反应途径分别处于 力学有利态，远离平衡点，保证单向进行。例糖代谢中有 3 个部位。 蛋白质 糖 a a D H A P P y r - C O 2 种 + C O 2 各 草酰乙酸 脂肪 甘油 脂肪酸 乙酰CoA 柠檬酸 α − 酮或二酸 琥 珀 酸 延胡索酸