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第 12 章 物质代谢的联系与调节 Interrelationships and Regulation of Metabolism.

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1 第 12 章 物质代谢的联系与调节 Interrelationships and Regulation of Metabolism

2 本章主要内容 物质代谢的相互联系 代谢调节的一般原理 激素的作用与受体 细胞信号传导系统

3 1.1 物质代谢的基本目的 生成 ATP ATP 被称之为 “ 通用能量货币 ” 生成还原辅酶 动物机体代谢过程中所产生还原力,其代表性物质是辅酶 ( NADPH+H + ) 产生生物合成的前体小分子 1 物质代谢的相互联系

4 1.2 物质代谢的相互联系 1 物质代谢的相互联系

5 1.2.1 糖代谢与脂代谢 糖与脂类的联系最为密切,糖可以转变成脂类。当有过量葡萄 糖摄入时,糖分解代谢的产物磷酸二羟丙酮还原成 α- 磷酸甘油。丙 酮酸氧化脱羧转变为乙酰 CoA ,在线粒体中合成脂酰 CoA 。 α- 磷酸 甘油与脂酰 CoA 再用来合成甘油三酯。乙酰 CoA 也是合成胆固醇的 原料。磷酸戊糖途径还为脂肪酸、胆固醇合成提供了所需 NADPH 。 在动物体内脂肪转变成葡萄糖是有限度的。脂肪的分解产物包 括甘油和脂肪酸。其中甘油是生糖物质。奇数脂肪酸丙酸可以经甲 基丙二酸单酰 CoA 途径进入异生过程生成葡萄糖(例如在反刍动 物)。然而偶数脂肪酸 β- 氧化产生的乙酰 CoA 不能净合成糖, 因为乙 酰 Co A 不能逆转再生成丙酮酸。尽管有实验显示,同位素标记的 乙酰 Co A 碳原子最终似乎掺入到了葡萄糖分子中去,但其前提是 必须向三羧酸循环中补充如草酰乙酸等有机酸,而动物体内草酰乙 酸又主要由糖代谢的代谢中间产物丙酮酸羧化后得到。

6 1.2.2 糖代谢与氨基酸代谢 糖分解代谢的中间产物, α- 酮酸可以作为 “ 碳骨架 ” ,通过转氨 基或氨基化作用进而转变成非必需氨基酸。 但是当动物缺乏糖的摄入(如饥饿)时,体蛋白的分解加 强。已知组成蛋白质的 20 种氨基酸中,除赖氨酸和亮氨酸以外, 其余的都可以通过脱氨基作用最终直接地或间接地转变成糖异 生途径中的某个中间产物,再沿异生途径合成糖,以满足机体 对葡萄糖的需要和维持血糖水平的稳定。 糖的供应不足,不仅非必需氨基酸合成减少,而且由于细 胞的能量水平下降,使需要消耗大量高能磷酸化合物( ATP 和 GTP )的蛋白质的合成速率受到明显抑制。

7 1.2.3 脂代谢与氨基酸代谢 生酮氨基酸可以通过解酮作用转变成乙酰 CoA 之后合成脂肪 酸,生糖氨基酸既然能异生成糖,自然也可以转变成脂肪。此 外,蛋氨酸,丝氨酸等还是合成磷脂的原料。甘油可以通过糖 代谢途径为合成某些非必需氨基酸提供碳骨架。 动物组织难以利用脂肪酸合成氨基酸。这是因为脂肪酸分解 生成的乙酰 Co A 要进入三羧酸循环分解,如果再由循环中的中 间产物形成氨基酸必然要消耗循环中的有机酸( 如草酰乙酸等 α- 酮酸),而如无其他来源的补充,反应则不能持续下去。

8 1.2.4 核苷酸代谢与其他物质代谢 核苷酸既是核酸的基本组成单位,也在调节代谢中起重要作用。 ATP 是能量通用货币和转移磷酸基团的主要分子, UTP 参与单糖的转 变和多糖的合成, CTP 参与磷脂的合成,而 GTP 为蛋白质多肽链的 生物合成所必需。 许多重要的辅酶辅基,如 Co A 、 NAD 、 FAD 等都是腺嘌呤核苷酸 的衍生物,参与酶的催化作用。环核苷酸,如 cAMP , cGMP 作为胞 内信号分子(第二信使)参与细胞信号的传导。 糖代谢为核苷酸合成提供了磷酸核糖(及脱氧核糖)和 NADPH 还 原力。甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺等参与嘌呤和嘧啶环的合成,多 种酶和蛋白因子参与了核酸的生物合成(复制和转录),糖、脂等燃 料分子为核酸生物学功能的实现提供了能量保证。

9 糖、脂类和蛋白质代谢之间的相互影响主要表现在能量供应上。 动物所需要的能量约 70 %以上是由糖供应的。当饲料中糖类供应 充足时,机体以糖作为能量的主要来源,而脂肪和蛋白质的分解 供能较少。糖的供应量超过机体的需要时,则可以转变成脂肪作 为能量储备。糖类供应不足或饥饿时,一方面动员脂肪分解供能, 另一方面动用机体蛋白分解异生成糖。持续饥饿,体内脂肪分解 大大加快,甚至会出现酮血症。 一般情况下,饲料蛋白质的主要营养作用是满足动物生长、修补 和更新组织的需要。合成蛋白质需要的能量,主要依靠糖,其次 是脂肪。蛋白质合成代谢增强时,首先是糖的分解代谢必然增强, 除了提供其所需要的能量外,还可合成非必需氨基酸作为蛋白质 合成的原料。可见,饲料中能源物质不足时,会影响蛋白质的合 成。 营养物质之间的相互影响

10 2 动物代谢调节的一般原理 2.1 代谢调节的实质 动物的代谢过程表现为机体不断从外界摄入营养物质,然后在体内 经由不同的代谢途径进行转变,又不断地把代谢产物排出体外和释放热 量。这种状态称为恒态( stable state )。恒态是机体代谢的基本状态。 恒态的破坏意味着疾病或机体的死亡。机体通过代谢调节维持恒态。 代谢的调节主要是对代谢途径中的酶进行调节,包括酶的活性和酶 量。尤其是途径中的关键酶(限速酶、调节酶),使他们的活性不致过 高或过低,不会缺乏也不会不适时表达,以保持整个机体的代谢以恒态 的方式进行。 代谢调节的实质,就是把体内的酶组织起来,在统一的指挥下,互 相协作,以便使整个代谢过程适应生理活动的需要。

11 2.2 代谢调节的方式 细胞水平的调节 酶的区室化( compartmentalizing ) 动物细胞的膜结构把细胞分为许多区域,称为酶的区室化。 酶的区室化作用保证了代谢途径的定向和有序,也使合成途径和分 解途径彼此独立、分开进行。 酶活性的调节 变构调节和共价修饰调节是对关键酶活性调节的两种主要方式。 酶含量的调节 即调节酶的合成,因为细胞内酶的含量一般与其活性呈正相关 。

12 2.2.2 激素水平的调节 激素( hormone )通过血液到达其专一作用的组织和细胞,称为 靶组织( target tissue )、靶细胞( target cell ),与其特异的受体结 合,引起细胞内代谢的改变,于是引起生理效应。 整体水平的调节 在中枢神经系统的控制下,通过神经递质( neurotransmitter )或激素 对靶组织、靶细胞直接发生影响来调节其代谢及功能,并通过各种激素 的互相协调而对机体代谢进行综合调节,这种调节称为整体水平的代谢 调节。因为神经和激素对于内外环境的改变有十分敏锐的反应,根据这 些改变来调节代谢过程,使机体成为一个整体,各个组织器官的代谢互 相协调配合,以适应环境的变化。

13 3. 细胞信号传导 信号传导实现细胞之间的通讯联络,使多细胞生物对外界环境的 变化可以作出协同一致的反应。细胞信号的传导系统包括信号分子、 受体、第二信使分子、胞内的靶蛋白或靶酶等。 3.1 信号分子( signal molecules ) 激 素 (胰岛素、肾上腺素等) 生长因子(生长激素、上皮生长因子等) 细胞因子(白细胞介素、肿瘤坏死因子等) 神经递质(乙酰胆碱、 5- 羟色胺等) 气体分子( NO 、 CO 等)

14 3.2 受体( receptor ) 是指细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子(激素、神经递质、毒素、药物等) 并与之结合的生物大分子,主要是蛋白质。大多数的受体位于细胞膜上,少部分 在胞内或核内。 受体的特点 亲和性 —— 与配体( ligand )有极高的亲和力; 专一性 —— 存在于特定组织细胞的膜上或胞内。这些细胞或组织称为靶 组织、靶细胞; 效应性 —— 受体一旦与配体结合(可逆地)即引起细胞的生理效应

15 门控通道型受体(膜上) 如乙酰胆碱受体 G 蛋白偶联型受体(膜上) 如肾上腺素受体 酪氨酸激酶型受体(膜上) 如生长激素受体 DNA 转录调节型受体(核内) 如雌激素受体 受体类型 受体的类型

16 门控通道型 G 蛋白偶联型 酪氨酸激酶型

17 G 蛋白分布极广,参与细胞物质代谢的调节和基因转录的调控 3.3 G 蛋白偶联型受体系统 G 蛋白 全称为 GTP 结合调节蛋白,是位于 细胞膜胞浆面的外周蛋白,是由 ( αβγ ) α βγ βγ 结 合成 3 聚体,成为非活性形式。 全称为 GTP 结合调节蛋白,是位于 细胞膜胞浆面的外周蛋白,是由 ( αβγ ) 3 个亚基组成的三聚体, α 结合 GTP 时, 与 βγ 分离,成为活 性形式,而结合 GDP 时,又与 βγ 结 合成 3 聚体,成为非活性形式。

18 与 G 蛋白偶联的受体结构特点 胞外 —— 结合配体部分 胞内 —— 与 G 蛋白作用部分 过膜 —— 七段螺旋

19 蛋白激酶 A ( PKA )途径 IP 3 - 钙离子 / 钙调蛋白激酶途径 蛋白激酶 C 途径 由 G 蛋白介导可激活一些信号传导途径

20 配体与受体结合 G 蛋白活化(交换 GTP/GDP ) 结合并激活 AC (腺苷酸环化酶) 生成 cAMP (第二信使) 激活蛋白激酶 A ( PKA ) 发挥生理调节作用 蛋白激酶 A(PKA) 途径 ( cAMP-PKA 途径)

21 第二信使 cAMP 激活蛋白激酶 A 的机制 ——PKA 的变构激活 R 表示调节亚基, C 表示催化亚基

22 由激活的蛋白激酶 A 引发的一系列酶的级联放大效应促进糖原快速分解 注意: 一系列酶通过磷酸化被化学修饰从而改变了活性

23 IP 3 - 钙离子 / 钙调蛋白激酶途径 蛋白激酶 C 途径

24 第二信使 IP 3 和 DG 的产生

25 酪氨酸蛋白激酶受体 结构特点 胞外为结合配体部分(类似免疫球 蛋白的结构),胞内为催化结构域, 由单股螺旋过膜。与配体结合促进受 体二聚化。激活的受体有自催化作用, 使其酪氨酸磷酸化,再进而通过胞内 一系列靶蛋白或靶酶的磷酸化修饰引 起级联放大效应。 许多与细胞生长、分裂和分化有关 的生长因子在细胞膜表面的受体具有 酪氨酸蛋白激酶( TPK )的活性。 3.4 受体酪氨酸蛋白激酶( TPK )途径

26 3.5 DNA 转录调节型受体系统

27 本章结束


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