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生物化学与分子生物学——代谢的整合与调节
人民卫生出版社 第九版 《生物化学与分子生物学》第十章 代谢的整合与调节思维导图，包含代谢的整体性、代谢调节的主要方式、体内重要组织和器官的代谢特点等。
Edited at 2023-11-04 17:54:46
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- Outline
代谢的整合与调节
代谢的整体性
体内代谢过程互相联系形成一个整体
代谢的整体性
不同物质的代谢同时进行，各种物质代谢之间互有联系，相互依存，构成一个统一的整体
共同的代谢池
利用营养物质代谢时，机体不区分来源不同的营养物质
无论是自身合成的内源性营养物质和食物中摄取的外源性营养物质，均组成共同的代谢池
体内代谢处于动态平衡
营养物质代谢途径多样性
合成
有获取则随之被转变（消耗）
分解
有消耗则适时获得补充
中间代谢物不会出现堆积或匮乏的现象
氧化分解产生的NADPH为合成代谢提供所需的还原当量
NADPH主要来源于葡萄糖的磷酸戊糖途径
意义
联系氧化反应和还原反应
物质代谢与能量代谢相互关联
三大营养物质代谢整体性
共同的中间代谢物
乙酰CoA
共同的代谢途径
三羧酸循环
氧化磷酸化
共同的能量储存形式
ATP
能量供应角度
三大营养物质可以相互代替、相互补充，但也相互制约
能量供应优先性
以糖和脂为主，尽量节约蛋白质的消耗
供能次序
糖原（50%～70%）、脂质（10%～40%）、蛋白质
糖、脂质和蛋白质代谢通过中间代谢物而相互联系
通过共同的中间代谢物、三羧酸循环和生物氧化等彼此联系、相互转变
葡萄糖可以转变为脂肪酸
摄入的糖量超过能量消耗时
脂肪酸不能在体内转变为葡萄糖
甘油可以在甘油激酶的作用下转变成磷酸甘油，进而转变成糖，但与脂肪中大量脂肪酸分解生成的乙酰CoA相比，其量极少
糖转变为脂质
葡萄糖与大部分氨基酸可以相互转变
大部分氨基酸脱氨基后生成相应的α-酮酸，可循糖异生途径转变为糖
氨基酸的分类
生酮氨基酸
亮氨酸、赖氨酸
生糖氨基酸
生糖兼生酮氨基酸
异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸
糖代谢的中间产物可以氨基化生成某些非必须氨基酸
丙酮酸——丙氨酸
草酰乙酸——天冬氨酸
α-酮戊二酸——谷氨酸
精氨酸、组氨酸、脯氨酸可先转变为谷氨酸，进一步脱氨生成α-酮戊二酸，再经草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸异生为葡萄糖
糖和蛋白质之间相互转变
氨基酸可转变为多种脂质但脂质几乎不能转变为氨基酸
氨基酸可以转变为脂质
合成脂肪
氨基酸分解→乙酰CoA→脂肪酸→脂肪
合成胆固醇
氨基酸分解→乙酰CoA→胆固醇
合成磷脂
丝氨酸脱羧转变为乙醇胺，乙醇胺甲基化转变为胆碱
丝氨酸是合成丝氨酸磷脂的原料
乙醇胺是合成脑磷脂的原料
胆碱是合成卵磷脂的原料
脂质不能转变为氨基酸
仅脂肪中的甘油可异生为葡萄糖，转变成某些非必需氨基酸，但是量很少
蛋白质转变为脂质
一些氨基酸、磷酸戊糖是合成核苷酸的原料
碱基
嘧啶碱从头合成原料
天冬氨酸
谷氨酸
一碳单位
嘌呤碱从头合成原料
甘氨酸
天冬氨酸
谷氨酰胺
一碳单位
磷酸戊糖
葡萄糖磷酸戊糖途径分解产物
蛋白质、糖类转变为核酸
一种物质的代谢障碍可引起其他物质的代谢紊乱
代谢调节的主要方式
三级水平代谢调节
细胞水平代谢调节
主要通过对关键酶活性的调节实现
结构基础
物质代谢及其调节的亚细胞结构基础
各种代谢酶在细胞内区隔分布
糖异生
细胞质、线粒体
脂肪酸氧化
细胞质、线粒体
血红素合成
细胞质、线粒体
尿素合成
细胞质、线粒体
意义
酶的这种区隔分布，能避免不同代谢途径之间彼此干扰，使同一代谢途径中的系 列酶促反应能够更顺利地连续进行，既提高了代谢途径的进行速度，也有利于调控
基本原理
关键酶活性决定整个代谢途径的速度和方向
关键酶催化的反应特点
①常常催化一条代谢途径的第一步反应或分支点上的反应，速度最慢，其活性能决定整个代谢途径的总速度
②常催化单向反应或非平衡反应，其活性能决定整个代谢途径的方向
③酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂调节
调节关键酶活性（酶分子结构改变或酶含量改变）的方法
快速调节
分类
别构调节
原理
别构效应
一些小分子化合物能与酶蛋白分子活性中心外的特定部位特异结合，改变酶蛋白分子构象、从而改变酶活性
机制
调节亚基含有一个“假底物”序列
“假底物”序列能阻止催化亚基结合底物，抑制酶活性；效应剂结合调节亚基导致“假底物”序列构象变化，释放催化亚基，使其发挥催化作用。如cAMP激活PKA
酶构象改变
别构效应剂与调节亚基结合，能引起酶分子三级和/或四级结构在“T”构象（紧密态、无活性／低活性）与“R”构象（松弛态、有活性／高活性）之间互变，从而影响酶活性。如氧调节Hb
别构效应剂
底物、终产物、其他小分子代谢物
意义
别构调节使一种物质的代谢与相应的代谢需求和相关物质的代谢协调
代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的关键酶，避免产生超多需要的产物
别构调节使能量得以有效利用，避免生成过多造成浪费
别构调节使不同的代谢途径相互协调进行
化学修饰调节
原理
酶促共价修饰调节酶活性
共价修饰可逆
酶促共价修饰有多种形式
磷酸化与去磷酸化
乙酰化与去乙酰化
甲基化与去甲基化
腺苷化与去腺苷化
其他
酶的化学修饰调节具有级联放大效应
特点
受化学修饰调节的关键酶都具无（或低）活性和有（或高）活性两种形式，由两种酶催化发生共价修饰，互相转变
酶的化学修饰是另外一个酶的酶促反应，特异性强，有放大效应
磷酸化与去磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应，作用迅速，有放大效应，是调节酶活性经济有效的方式
催化共价修饰的酶自身常受别构调节、化学修饰调节，并与激素调节偶联，形成由信号分子、信号转导分子和效应分子组成的级联反应
同一个酶可以同时受别构调节和化学修饰调节
特点
通过改变酶分子结构改变酶活性，进而改变酶促反应速度
迟缓调节
特点
通过改变酶蛋白分子的合成或降解速度改变细胞内酶含量，从而改变酶促反应速度
合成
诱导或阻遏酶蛋白基因表达调节酶含量
诱导剂
经常是底物或类似物
降解
改变酶蛋白降解速度调节酶含量
阻遏剂
经常是代谢产物
两条途径
溶酶体蛋白水解酶
非特异性降解
ATP依赖的泛素-蛋白酶体途径
特异性降解
组成（型）酶
特点
浓度在任何时间、任何条件下基本不变、几乎恒定
举例
甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）
用途
作为基因表达变化研究的内参照
激素水平代谢调节
激素通过特异性受体调节靶细胞的代谢
膜受体激素
通过跨膜信号转导调节代谢
胰岛素
生长激素
促性腺激素
促甲状腺激素
甲状腺激素
儿茶酚胺类
其他
胞内受体激素
通过激素-胞内受体复合物改变基因表达、调节代谢
类固醇激素
甲状腺素
其他
整体水平代谢调节
基本概念
在神经系统主导下，调节激素释放，并通过激素整合不同组织器官的各种代谢，实现整体调节，以适应饱食、空腹、饥饿、营养过剩、应激等状态，维持整体代谢平衡
饱食状态下机体三大物质代谢与膳食组成有关
混合膳食
机体主要分解葡萄糖供能
未被分解的葡萄糖，部分合成肝糖原和肌糖原贮存；部分在肝内合成甘油三酯，以VLDL形式输送至脂肪等组织
吸收的甘油三酯，部分经肝转换成内源性甘油三酯，大部分输送到脂肪组织、骨骼肌等转换、储存或利用
胰岛素水平中度升高
高糖膳食
部分葡萄糖合成肌糖原和肝糖原和VLDL
大部分葡萄糖直接被输送到脂肪组织、骨骼肌、脑等组织转换成甘油三酯等非糖物质储存或利用
胰岛素水平明显升高，胰高血糖素降低
高蛋白膳食
肝糖原分解补充血糖
肝利用氨基酸异生为葡萄糖补充血糖
部分氨基酸转化成甘油三酯
还有部分氨基酸直接输送到骨骼肌
胰岛素水平中度升高，胰高血糖素水平升高
高脂膳食
肝糖原分解补充血糖
肌组织氨基酸分解，转化为丙酮酸，输送至肝异生为葡萄糖，补充血糖
吸收的甘油三酯主要输送到脂肪、肌组织等
脂肪组织在接受吸收的甘油三酯同时，也部分分解脂肪成脂肪酸，输送到其他组织
肝氧化脂肪酸，产生酮体
胰岛素水平降低，胰高血糖素水平升高
空腹机体物质代谢以糖原分解、糖异生和中度脂肪动员为特征
空腹的定义
通常指餐后12小时以后，体内胰岛素水平降低，胰高血糖素升高
餐后6～8小时
肝糖原即开始分解补充血糖
餐后16～18小时
肝糖原即将耗尽，糖异生补充血糖
脂肪动员中度增加，释放脂肪酸
肝氧化脂肪酸，产生酮体，主要供应肌组织
骨骼肌部分氨基酸分解，补充肝糖异生的原料
饥饿时机体主要氧化分解脂肪供能
短期饥饿后糖氧化供能减少而脂肪动员加强
定义
通常指1～3天未进食
具体代谢调节
机体从葡萄糖氧化供能为主转变为脂肪氧化供能为主：除脑组织细胞和红细胞外，组织细胞减少摄取利用葡萄糖，增加摄取利用脂肪酸和酮体
脂肪动员加强且肝酮体生成增多：脂肪动员释放的脂肪酸约25％在肝氧化生成酮体
肝糖异生作用明显增强（150g／天） ：以饥饿16～36小时增加最多。原料主要来自氨基酸，部分来自乳酸及甘油
骨骼肌蛋白质分解加强：略迟于脂肪动员加强。氨基酸异生成糖
长期饥饿可造成器官损害甚至危及生命
定义
指未进食3天以上
具体代谢调节
脂肪动员进一步加强：生成大量酮体，脑利用酮体超过葡萄糖。肌组织利用脂肪酸
蛋白质分解减少：释出氨基酸减少
糖异生明显减少（与短期饥饿相比）：乳酸和甘油成为肝糖异生的主要原料。肾糖异生作用明显增强，几乎与肝相等
应激使机体分解代谢加强
应激定义
机体或细胞为应对内、外环境刺激做出一系列非特异性反应。这些刺激包括中毒、感染、发热、创伤、疼痛、大剂量运动或恐惧等
应激状态
应激状态下，交感神经兴奋，肾上腺髓质、皮质激素分泌增多，血浆胰高血糖素、生长激素水平增加，而胰岛素分泌减少，引起一系列代谢改变。
具体代谢调节
应激使血糖升高
保证大脑、红细胞的供能
应激使脂肪动员增强
为心肌、骨骼肌及肾等组织供能
应激使蛋白质分解加强
骨骼肌释出丙氨酸等氨基酸增加，氨基酸分解增强，负氮平衡
肥胖是多因素引起代谢失衡的结果
肥胖是多种重大慢性疾病的危险因素加强
较长时间的能量摄入大于消耗导致肥胖
过剩能量以脂肪形式储存是肥胖的基本原因
抑制食欲激素功能障碍引起肥胖：瘦蛋白 ，胆囊收缩素（CCK） ，α-促黑激素（α-MSH）等
刺激食欲激素功能异常增强引起肥胖：如生长激素释放肽，神经肽Y
肥胖患者脂连蛋白缺陷
脂连蛋白
增加靶细胞内AMP，激活AMP激活的蛋白激酶
引起下游效应蛋白质磷酸化
促进骨骼肌对脂肪酸的摄取和氧化
抑制肝内脂肪酸合成和糖异生
促进肝、骨骼肌对葡萄糖的摄取和酵解
胰岛素抵抗导致肥胖
体内重要组织和器官的代谢特点
肝是人体物质代谢中心和枢纽
可以消耗葡萄糖、脂肪酸、甘油和氨基酸等以供能，但不能利用酮体
肝虽可大量合成脂肪，但不能储存脂肪，肝细胞合成的脂肪随即合成VLDL释放入血
肝还具有糖异生、酮体生成等代谢方式
脑主要利用葡萄糖供能且耗氧量大
葡萄糖和酮体是脑的主要能量物质
葡萄糖为主要能源，每天消耗约100g。不能利用脂酸，葡萄糖供应不足时，利用酮体
脑耗氧量高达全身耗氧总量的四分之一
脑具有特异的氨基酸及其代谢调节机制
氨基酸在脑内富集量有限
心肌可利用多种能源物质
心肌可利用多种营养物质及其代谢中间产物为能源
心主要通过有氧氧化脂肪酸、酮体和乳酸获得能量，极少进行糖酵解
心肌在饱食状态下不排斥利用葡萄糖，餐后数小时或饥饿时利用脂肪酸和酮体，运动中或运动后则利用乳酸
心肌细胞既富含细胞色素和线粒体，也富含LDH1，有利于乳酸氧化供能
心肌细胞分解营养物质供能方式以有氧氧化为主
心肌细胞富含LDH1、肌红蛋白、细胞色素及线粒体
骨骼肌以肌糖原和脂肪酸作为主要能量来源
不同类型骨骼肌产能方式不同
红肌
耗能多，富含肌红蛋白及细胞色素体系，具有较强氧化磷酸化能力
白肌
耗能少，主要靠酵解供能
骨骼肌适应不同耗能状态选择不同能源
直接能源：ATP
磷酸肌酸：可快速转移能量，生成ATP
静息状态：以有氧氧化肌糖原、脂肪酸、酮体为主
剧烈运动：糖无氧酵解供能大大增加
乳酸循环：整合糖异生与肌糖酵解途径
脂肪组织是储存和动员甘油三酯的重要组织
机体将从膳食中摄取的能量主要储存于脂肪组织
膳食脂肪
以CM形式运输至脂肪组织储存
膳食糖
主要运输至肝转化成脂肪，以VLDL形式运输至脂肪组织储存。部分在脂肪细胞转化为脂肪储存
饥饿时主要靠分解储存于脂肪组织的脂肪供能
肾可进行糖异生和酮体生成
肾髓质
无线粒体，主要靠糖酵解供能
肾皮质
主要靠脂肪酸、酮体有氧氧化供能
一般情况下，肾糖异生只有肝糖异生葡萄糖量 的10%。长期饥饿(5~6周)，肾糖异生可达每天 40g，与肝糖异生的量几乎相等