1、研究生學(xué)位課,（for 工程碩士）,高級生物化學(xué),Advanced Biochemistry,物質(zhì)代謝之間聯(lián)系,代謝調(diào)控基本理論,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基本理論與研究方法（重點）,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)專題講座,高級生物化學(xué),第一講： 物質(zhì)代謝的聯(lián)系與調(diào)節(jié),第一節(jié) 物質(zhì)代謝的特點,第二節(jié) 物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系,第三節(jié) 組織器官的代謝特點及聯(lián)系,第四節(jié) 代謝調(diào)節(jié),第一節(jié) 物質(zhì)代謝的特點,體內(nèi)各種物質(zhì)（糖、脂、蛋白質(zhì)、水、無機鹽和維生素等）的代謝構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體 彼此相互聯(lián)系 或相互轉(zhuǎn)化 或相互依存,（一）整體性,機體存在精細(xì)的調(diào)節(jié)機制，使各種物質(zhì)代謝能適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化。 調(diào)節(jié)各種物質(zhì)代謝的強度 調(diào)節(jié)各種物質(zhì)代謝的

2、方向 調(diào)節(jié)各種物質(zhì)代謝的速度,（二）代謝調(diào)節(jié),各組織、器官所含酶系不同，因而代謝途徑及功能各異。 肝臟含糖、脂、蛋白質(zhì)代謝的各種酶系，是物質(zhì)代謝的總樞紐 脂肪組織含激素敏感脂肪酶，能進(jìn)行脂肪的儲存與動員 腦組織、紅細(xì)胞有糖代謝酶系，能利用糖氧化供能,（三）各組織、器官物質(zhì)代謝各具特色,各種代謝池（如氨基酸代謝池、血糖代謝池）； 同一種代謝物共同參加到同一代謝池中代謝（如各種來源的血糖均通過血糖代謝池參與各種組織的代謝）。,（四）各種代謝物均具各自的代謝池,（五）ATP是體內(nèi)能量利用的共同形式,（六）NADPH是體內(nèi)各種合成代謝所需 的還原當(dāng)量,生物大分子的合成、肌肉收縮、神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)、細(xì)胞滲

3、透壓及形態(tài)的維持等,乙酰輔酶A合成脂酸、合成固醇等,第二節(jié) 物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系,乙酰輔酶A是三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝共同的中間代謝物； 三羧酸循環(huán)是三大營養(yǎng)物質(zhì)分解代謝共同的最后代謝途徑； 分解代謝釋放的能量均以ATP的形式儲存； 從能量供應(yīng)角度看，三大營養(yǎng)素可以相互代替，并相互制約。,一、在能量代謝上的相互聯(lián)系,二、三大代謝之間的相互聯(lián)系 （一）糖代謝與脂代謝的相互聯(lián)系,糖變脂,攝糖過多檸檬酸ATP,乙酰輔酶A羧化酶,乙酰輔酶A ,合成,脂肪酸 ,儲脂 ,肥胖 及血TG ,脂肪酸不能轉(zhuǎn)變?yōu)樘?脂肪,脂肪酸 ,甘油,糖 （少）,-磷酸甘油 （少）,乙酰CoA （多）,脂肪分解代謝 有賴于糖代謝：,糖代

4、謝 ,草酰乙酸 ,三羧酸循環(huán),高酮血癥,除生酮aa（Leu和Lys）外，其余aa均可生成-酮酸，并循糖異生途徑轉(zhuǎn)變?yōu)樘?糖代謝中間產(chǎn)物可氨基化轉(zhuǎn)變?yōu)榉潜匦鑑a（但不能轉(zhuǎn)變成8種必需aa） 食物中蛋白質(zhì)能代替糖、脂供能 但食物中糖、脂不能代替蛋白質(zhì),（二）糖代謝與氨基酸代謝的相互聯(lián)系,所有aa均分解能生成乙酰CoA，用于脂 肪、膽固醇合成 aa（如Ser）亦可作為磷脂合成原料 僅脂肪動員的甘油可進(jìn)入糖酵解途徑并轉(zhuǎn)變?yōu)榉潜匦鑑a（但不能轉(zhuǎn)變成8種必需aa）,（三）脂代謝與氨基酸代謝的相互聯(lián)系,Gly、Asp、Gln及一碳單位是合成嘌呤的原料 Asp、Gln及一碳單位是合成嘧啶的原料,（四）核酸與氨

5、基酸代謝的相互關(guān)系,氨基酸、糖及脂肪代謝的聯(lián)系,葡萄糖,丙酮酸,乙酰CoA,磷酸丙糖,3. 腦 機體耗能的主要器官（耗氧20% 25%）；幾乎以血糖來源的葡萄糖為唯一能源（每天100g）；長期饑餓時亦可氧化酮體供能。,4. 肌肉組織 以氧化脂酸為主；劇烈運動時進(jìn)行無氧酵解生成乳酸 ；肌糖原對血糖無貢獻(xiàn)（無葡萄糖-6-磷酸酶活性）。,5. 紅細(xì)胞 由糖酵解供能，每天耗30g葡萄糖，不能利用脂肪酸酮體氧化供能（無線粒體）,6. 脂肪組織 儲存脂肪；脂肪動員,7. 腎 能進(jìn)行糖異生（與肝相當(dāng)），并能儲存糖原；亦能利用酮體氧化供能； 腎髓質(zhì)無線粒體，只能通過糖酵解供能。,第四節(jié) 代謝調(diào)節(jié),代謝調(diào)節(jié)作用

6、的三個水平：,細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)（酶活性和酶量，代謝物濃度，區(qū)室化）,激素水平的代謝調(diào)節(jié)（內(nèi)分泌細(xì)胞激素細(xì)胞內(nèi)代謝）,神經(jīng)水平（整體水平）的代謝調(diào)節(jié)（中樞神經(jīng)神經(jīng)遞質(zhì)效應(yīng)器激素分泌細(xì)胞內(nèi)代謝）,（一）酶在細(xì)胞內(nèi)隔離分布（區(qū)室化）,各代謝途徑的有關(guān)酶類，常組成酶體系，分布于細(xì)胞的某一區(qū)域或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，使不同的代謝途徑在細(xì)胞不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。,胞液：糖酵解、糖原合成與分解、糖異生、磷酸戊糖途徑、脂酸合成酶系,線粒體：三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化、呼吸鏈、脂酸氧化酶系,胞核：核酸合成酶系,一、細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)酶（關(guān)鍵酶、限速酶）的概念,一個代謝途徑的速度和方向，常由一個或幾個具有調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵酶的

7、活性所決定。這些調(diào)節(jié)代謝的酶稱調(diào)節(jié)酶（regulatory enzyme）或關(guān)鍵酶（key enzyme）,1. 所催化的反應(yīng)速度最慢，故又稱限速酶；,關(guān)鍵酶的特點,2. 催化單向反應(yīng)或非平衡反應(yīng)，故能決定 整個代謝途徑的方向；,3. 酶活性除受底物影響外，還受多種代 謝物或效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)。,糖原分解 磷酸化酶 糖原合成 糖原合酶 糖酵解 己糖激酶， PFK-1， 丙酮酸激酶 糖有氧氧化 丙酮酸脫氫酶系，檸檬酸合酶， 異檸檬酸脫氫酶,酮戊二酸脫氫酶系 糖異生 丙酮酸羧化酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧激 酶,果糖1,6-二磷酸酶,葡萄糖-6-磷酸酶 脂酸合成 乙酰CoA羧化酶 膽固醇合成 HMGCoA還原

8、酶,某些重要代謝途徑的關(guān)鍵酶,代謝途徑 關(guān)鍵酶,變構(gòu)調(diào)節(jié),共價(化學(xué)) 修飾調(diào)節(jié),代謝調(diào)節(jié)主要通過對關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)實現(xiàn),快速調(diào)節(jié) (數(shù)秒數(shù)分),遲緩調(diào)節(jié) (數(shù)小時數(shù)天),酶量的調(diào)節(jié),酶蛋白的合成,酶蛋白的降解,酶活性調(diào)節(jié),(二) 關(guān)鍵酶的變構(gòu)調(diào)節(jié),1. 變構(gòu)調(diào)節(jié)(別構(gòu)調(diào)節(jié)) allosteric regulation,小分子物質(zhì)與酶蛋白分子活性中心以外的部位非共價鍵結(jié)合，使酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，從而增強或減弱酶的活性。這種調(diào)節(jié)方式稱,變構(gòu)部位(別構(gòu)部位) allosteric site 與變構(gòu)效應(yīng)劑結(jié)合的部位,變構(gòu)酶(別構(gòu)酶) allosteric enzyme 被變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶,變構(gòu)效應(yīng)劑 a

9、llosteric effector 使酶發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì),2. 變構(gòu)調(diào)節(jié)的機制,催化亞基,調(diào)節(jié)亞基,與底物結(jié)合 起催化作用,與變構(gòu)效應(yīng)劑非共價結(jié)合起調(diào)節(jié)作用,變構(gòu)效應(yīng)劑的種類：,底物，代謝終產(chǎn)物，代謝中間產(chǎn)物，其他小分子代謝物,酶活性的變構(gòu)調(diào)節(jié)示意圖,變構(gòu)劑,酶,底物,活性中心,變構(gòu)中心,變構(gòu)抑制,ABCDEZ,FG Z,3. 變構(gòu)調(diào)節(jié)的生理意義 : 反饋調(diào)節(jié) feedback,ABC,DE Y,糖酵解 己糖激酶 AMP,ADP,FDP,Pi G-6-P, ATP PFK-1 FDP 檸檬酸 丙酮酸激酶 ATP,乙酰CoA TAC 檸檬酸合酶 AMP ATP,長鏈脂酰CoA 異檸檬酸脫氫酶

10、 AMP,ADP ATP 糖異生 丙酮酸羧化酶 乙酰CoA,ATP AMP 糖原分解 磷酸化酶b AMP,G-1-P,Pi ATP,G-6-P 脂酸合成 乙酰CoA羧化酶 檸檬酸,異檸檬酸 長鏈脂酰CoA 氨基酸代謝 谷氨酸脫氫酶 ADP,亮氨酸,蛋氨酸 GTP,ATP,NADH 嘌呤合成 Gln-PRPP酰胺轉(zhuǎn)移酶 AMP,GMP 嘧啶合成 Asp轉(zhuǎn)甲酰酶 CTP,UTP 核酸合成 脫氧胸苷激酶 dCTP,dATP dTTP,一些代謝途徑中的變構(gòu)酶及其變構(gòu)劑(了解),代謝途徑 變構(gòu)酶 變構(gòu)激活劑 變構(gòu)抑制劑,（三）酶的共價修飾調(diào)節(jié),1.概念 一種酶在另一種酶的催化下，通過共價鍵的斷裂與生成，

11、結(jié)合或移去某基團，使酶活性改變，這種調(diào)節(jié)稱酶的共價修飾調(diào)節(jié) covalent modification regulation 或化學(xué)修飾調(diào)節(jié) chemical modification regulation,屬快速調(diào)節(jié)，包括:,（三）酶的共價修飾調(diào)節(jié),磷酸化/脫（去）磷酸化(最常見) 乙酰化/脫乙?；?甲基化/去甲基化 腺苷化與脫腺苷 SH/-S-S-,酶的磷酸化與脫磷酸化,酶蛋白,酶蛋白,Nobel獎網(wǎng)址（1901-2002）,http:/www.nobel.se/medicine/laureates/index.html,The Nobel Prize in Physiology or M

12、edicine 1992,for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism,Edmond H. Fischer,Edwin G. Krebs,1920 -,1918-,University of Washington，Seattle, WA, USA,糖原磷酸化酶 磷酸化/脫磷酸 激活/抑制 磷酸化酶b激酶 磷酸化/脫磷酸 激活/抑制 糖原合酶 磷酸化/脫磷酸 抑制/激活 丙酮酸脫羧酶 磷酸化/脫磷酸 抑制/激活 磷酸果糖激酶 磷酸化/

13、脫磷酸 抑制/激活 丙酮酸脫氫酶 磷酸化/脫磷酸 抑制/激活 HMGCoA還原酶 磷酸化/脫磷酸 抑制/激活 HMGCoA還原酶激酶磷酸化/脫磷酸 激活/抑制 乙酰CoA羧化酶 磷酸化/脫磷酸 抑制/激活 甘油三酯脂肪酶 磷酸化/脫磷酸 激活/抑制 黃嘌呤氧化脫氫酶 SH/-S-S- 脫氫酶/氧化酶,酶 化學(xué)修飾類型 酶活性改變,表10-5 酶促化學(xué)修飾對酶活性的調(diào)節(jié),2. 酶促化學(xué)修飾的特點,(1) 化學(xué)修飾酶一般都具有無活性（低活性）和有活性（高活性）兩種形式，它們之間在不同的酶催化下可相互轉(zhuǎn)變。酶受激素的調(diào)節(jié)。（可控）,(2) 化學(xué)修飾由酶催化引起共價鍵的變化，酶促反應(yīng)具有級聯(lián)放大效應(yīng)。

14、（效率高）,(3) 磷酸化與脫磷酸是最常見的。(經(jīng)濟有效),(4) 許多化學(xué)修飾酶也同時受到變構(gòu)調(diào)節(jié)，酶的化學(xué)修飾和變構(gòu)調(diào)節(jié)兩者相輔相成。 （完善）,（四）酶含量的調(diào)節(jié),概念：通過調(diào)節(jié)酶的含量（即通過控制酶蛋白的合成與分解的速度）來實現(xiàn)對代謝反應(yīng)速度和強度的調(diào)節(jié)。,特點：酶蛋白的合成或降解所需時間較長，消耗ATP較多，屬遲緩調(diào)節(jié)，作用慢（幾小時幾天）、持續(xù)時間長。,1. 酶蛋白合成的誘導(dǎo)與阻遏,酶的底物、激素或藥物能在轉(zhuǎn)錄水平增加酶的合成。,誘導(dǎo)劑加速酶蛋白合成的化合物,阻遏劑減少酶蛋白合成的化合物,1）底物對酶合成的誘導(dǎo)與阻遏,例：酪蛋白（飼料）,精氨酸酶量（鼠肝）,+,酶的誘導(dǎo)和阻遏操縱子

15、模型,B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)劑,A.有活性阻遏蛋白,C.無活性阻遏蛋白,D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑,大腸桿菌乳糖操縱子模型,調(diào)節(jié)基因,操縱基因,乳糖結(jié)構(gòu)基因,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 關(guān) 閉,啟動子,O,R,A、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),B、乳糖酶的誘導(dǎo),阻遏蛋白（有活性）,乳糖操縱子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,結(jié)構(gòu)基因,T,CGP(CAP),O,CAP結(jié)合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CGP：代謝物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：環(huán)

16、腺苷酸受體蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CAP呈失活狀態(tài),CAP的正調(diào)控作用,1. 酶蛋白合成的誘導(dǎo)與阻遏,酶的底物、激素或藥物能在轉(zhuǎn)錄水平增加酶的合成。,誘導(dǎo)劑加速酶蛋白合成的化合物,阻遏劑減少酶蛋白合成的化合物,1）底物對酶合成的誘導(dǎo)與阻遏,例：酪蛋白（飼料）,精氨酸酶量（鼠肝）,+,2）產(chǎn)物對酶合成的阻遏,例：膽固醇 ,HMG-CoA還原酶量（肝）,3）激素對酶合成的誘導(dǎo),例：糖皮質(zhì)激素,糖異生4種限速酶量,4）藥物對酶合成的誘導(dǎo),血游離膽紅素(新生兒黃疸),苯巴比妥,葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶（肝微粒體）,2. 酶蛋白的降解,細(xì)胞內(nèi)酶蛋白的降解由蛋白水解酶

17、類催化。有：,1）溶酶體中的蛋白水解酶,2）蛋白酶體,由多種蛋白水解酶組成，需要泛素參與。,泛素: 由76個aa組成，分子量8.5kD, 待降解的蛋白質(zhì)與泛素結(jié)合 （即泛素化）后，可迅速被酶降解。,這種降解作用與細(xì)胞周期性調(diào)節(jié)蛋白（cyclin）的降解有關(guān)，故泛素參與細(xì)胞周期的調(diào)控,真核生物基因表達(dá)調(diào)控, 真核基因表達(dá)調(diào)控的五個水平 DNA水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié) 翻譯水平調(diào)節(jié) 翻譯后加工的調(diào)節(jié) 真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控 順式作用元件和反式作用因子 轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄,（六）翻譯水平的調(diào)節(jié) 翻譯水平的調(diào)節(jié)的類型： 不同mRNA翻譯能力的差異；翻譯阻遏作用；反義RNA的作

18、用。 1. 翻譯阻遏（trans-lational repression） 當(dāng)有過量核糖體蛋白質(zhì)存在時，可引起它自身以及有關(guān)蛋白質(zhì)合成的阻遏。這種在翻譯水平上的阻遏 作用叫翻譯阻遏。 2.反義RNA（意義） 反義RNA指具有互補序列的RNA。亦稱為干擾m RNA的互補RNA。（調(diào)節(jié)基因表達(dá)；抑制有害基因的表達(dá)）,二、激素水平的調(diào)節(jié),激素 (hormone) 概念及作用方式,內(nèi)分泌 細(xì)胞,生物效應(yīng),分泌,激素,血液,受體或 靶細(xì)胞,受體作用方式 能識別相應(yīng)的激素并特異地與之結(jié)合，從而將激素信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)一系列的化學(xué)反應(yīng)，最后表現(xiàn)出激素的生物學(xué)效應(yīng)。,受體（receptor) 概念,分布于靶細(xì)胞

19、膜或細(xì)胞內(nèi)的特異蛋白質(zhì)(糖蛋白或脂蛋白)。,1. 膜受體激素,激素分為膜受體激素和細(xì)胞內(nèi)受體激素,膜受體是細(xì)胞表面質(zhì)膜上的跨膜糖蛋白。,這類激素都是親水的，包括：,胰島素、生長激素、促性腺激素、促甲狀腺激素等蛋白類激素；生長因子等肽類激素；及腎上腺素等兒茶酚胺類激素。,激素作為第一信使與靶細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，通過跨膜信息傳遞，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)的第二信使信號，并通過級聯(lián)放大，產(chǎn)生細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)。,作用,2. 細(xì)胞內(nèi)受體激素,有類固醇激素、甲狀腺素、前列腺素、1,25(OH)2-D3及視黃酸等疏水性激素，均為分子量較小的脂溶性激素。,激素易透過細(xì)胞膜，并與胞內(nèi)特異性受體結(jié)合，形成激素-受體復(fù)合物作用于

20、染色質(zhì)特定序列（激素作用元件），調(diào)節(jié)特異性mRNA的轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的合成而發(fā)揮生理作用。,作用：,第三講 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 結(jié)合起來理解,結(jié)合,三、神經(jīng)水平（整體）調(diào)節(jié),在不同生理和病理狀況下，機體的神經(jīng)系統(tǒng)的活動、激素的分泌和各代謝途徑中的酶(三個調(diào)節(jié)水平)均發(fā)生相應(yīng)的變化，使各種物質(zhì)代謝的速度與同外環(huán)境的變化相適應(yīng)，以保證機體的能量需要和內(nèi)環(huán)境的相對恒定。,例如：在饑餓和應(yīng)激狀態(tài)下的物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)。,（一）饑餓,代謝變化的基本規(guī)律：,在饑餓狀態(tài)下，機體發(fā)生一系列生理和代謝變化 。,基本表現(xiàn)為各個組織細(xì)胞從依賴食物提供葡萄糖，逐步轉(zhuǎn)變并適應(yīng)以自身儲脂為主要能量來源的過程；,蛋白質(zhì)分解提供能量也明顯增

21、加；,氮平衡轉(zhuǎn)向負(fù)氮平衡。,饑餓分期,短期饑餓 (12周),長期饑餓(2周以上),又稱糖異生期。主要靠肝臟糖異生葡萄糖和肝外組織節(jié)省葡萄糖的利用維持血糖水平，以滿足腦組織對糖的需求。,又稱蛋白保存期。體內(nèi)各個組織包括腦組織都以脂肪酸和酮體作為主要能源。,1. 短期饑餓,血糖的維持：饑餓頭2天，主要靠肝糖原分解維持血糖水平；2天后則主要依靠肝糖異生維持血糖水平。,能源: 饑餓時主要能源是儲脂（占85%）和蛋白質(zhì)。,激素分泌的變化：饑餓時血糖水平下降到一定程度后，剌激胰島-細(xì)胞分泌胰高血糖素，抑制-細(xì)胞分泌胰島素。使胰島素/胰高血糖素比值降低，此比值在整個饑餓期間發(fā)揮至關(guān)重要的作用。,1. 短期饑

22、餓,代謝變化：,1）肝糖原分解作用加強,饑餓,胰島素/胰高血糖素比值,肝細(xì)胞,腺苷酸環(huán)化酶,級聯(lián)放大系統(tǒng),糖原磷酸化酶糖原合酶,肝糖原分解作用,2）肌肉蛋白分解加強,肌肉蛋白質(zhì)分解加強，氨基酸以丙氨酸和谷氨酰胺形式進(jìn)入血循環(huán)；,饑餓2天后，肝糖元耗盡；,進(jìn)入肝臟后作為糖異生的原料。,3） 肝臟糖異生作用增強,胰島素/胰高血糖素,肝糖原耗盡,糖皮質(zhì)激素,激素受體途徑,各種相關(guān)酶活性改變,肝外組織利用脂肪 利用糖,肝臟糖異生和酮體生成,肝臟糖異生的原料,甘油(10%),脂肪動員,乳酸和丙酮酸(30%),肌肉和紅細(xì)胞酵解,氨基酸(60%),蛋白質(zhì)降解,4）脂肪動員、肝臟酮體生成和肝外組織酮體利用增強,饑餓早期，心肌、骨骼肌、脂肪組織和肝臟等均能直接利用脂肪酸供能。,饑餓第3天起,脂肪動員,肝臟-氧化作用,線粒體乙酰CoA,三羧酸循環(huán),肝內(nèi)氧化供能,生成酮體,肝外組織利用酮體,(如心3/4的能量供應(yīng))