第十二章物質代謝的整合與調節MetabolicIntegration&Regulation物質代謝的特點TheSpecialtyofMetabolism第一節一、體內各種物質代謝過程互相聯系形成一個整體

糖類

脂類蛋白質水

無機鹽維生素各種物質代謝之間互有聯系，相互依存。

消化吸收中間代謝廢物排泄二、機體物質代謝不斷受到精細調節機體有精細的調節機制，調節代謝的強度、方向和速度內外環境不斷變化影響機體代謝適應環境的變化三、各組織、器官物質代謝各具特色結構不同酶系的種類、含量不同不同的組織、器官代謝途徑不同、功能各異四、體內各種代謝物均具有共同的代謝池例如：各種組織

消化吸收的糖

肝糖原分解糖異生血糖五、ATP是機體儲存能量和消耗能量的共同形式營養物分解釋放能量ADP+PiATP直接供能六、NADPH提供合成代謝所需的還原當量例如：乙酰CoANADPH+H+脂酸、膽固醇

磷酸戊糖途徑氧化反應還原反應物質代謝的相互聯系MetabolicInterrelationships第二節一、各種能量物質的代謝相互聯系相互制約三大營養素各自代謝途徑共同中間產物共同代謝途徑糖脂肪蛋白質乙酰CoATAC2H氧化磷酸化ATPCO2三大營養素可在體內氧化供能。從能量供應的角度看，三大營養素可以互相代替，并互相制約。一般情況下，機體優先利用燃料的次序是糖原（50-70%）、脂肪（10-40%）和蛋白質。供能以糖及脂為主，并盡量節約蛋白質的消耗。

饑餓時：

肝糖原分解，肌糖原分解

肝糖異生，蛋白質分解

以脂酸、酮體分解供能為主蛋白質分解明顯降低1~2天3~4周脂肪分解增強ATP增多ATP/ADP比值增高任一供能物質的代謝占優勢，常能抑制和節約其他物質的降解。糖分解被抑制磷酸果糖激酶-1被抑制(糖分解代謝關鍵酶之一)例如：糖分解增強ATP↑脂酸合成增加，分解抑制

抑制異檸檬酸脫氫酶（三羧酸循環關鍵酶）檸檬酸堆積，出現線粒體

激活乙酰CoA羧化酶（脂酸合成關鍵酶）二、糖、脂和蛋白質代謝通過中間代謝物而相互聯系

糖、脂、蛋白質和核酸通過共同的中間代謝物、檸檬酸循環、生物氧化等彼此聯系且相互轉變。一種物質代謝障礙可引起其他物質代謝的紊亂。（一）葡萄糖可轉變為脂肪酸

1.攝入的糖量超過能量消耗時：葡萄糖乙酰CoA合成脂肪（脂肪組織）合成糖原儲存（肝、肌肉）2.脂肪的甘油部分能在體內轉變為糖脂酸乙酰CoA葡萄糖脂肪甘油甘油激酶肝、腎、腸磷酸-甘油葡萄糖（二）葡萄糖與大部分氨基酸可以相互轉變例如：丙氨酸丙酮酸脫氨基糖異生葡萄糖1.大部分氨基酸脫氨基后，生成相應的α-酮酸，可轉變為糖2.糖代謝的中間產物可氨基化生成某些非必需氨基酸糖丙酮酸草酰乙酸乙酰CoA檸檬酸α-酮戊二酸丙氨酸天冬氨酸谷氨酸氨基酸乙酰CoA脂肪1.蛋白質可以轉變為脂肪2.氨基酸可作為合成磷脂的原料絲氨酸磷脂酰絲氨酸膽胺腦磷脂膽堿卵磷脂（三）氨基酸可轉變為多種脂質但脂質幾乎不能轉變為氨基酸

——

但不能說，脂類可轉變為氨基酸。脂肪甘油磷酸甘油醛糖酵解途徑丙酮酸

其他α-酮酸某些非必需氨基酸3.脂肪的甘油部分可轉變為非必需氨基酸（四）一些氨基酸、磷酸戊糖是合成核苷酸的原料1.氨基酸是體內合成核酸的重要原料甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺一碳單位合成嘌呤合成嘧啶2.磷酸核糖由磷酸戊糖途徑提供肝在物質代謝中的作用FunctionofLiverinMaterialMetabolism第三節作用：一、肝是維持血糖水平相對穩定的重要器官維持血糖水平相對穩定，保障全身各組織，尤其是大腦和紅細胞的能量供應。（一）肝內生成的葡糖-6-磷酸是糖代謝的樞紐G（補充血糖）G-6-PF-6-P（進入酵解途徑）G-1-PGn（合成糖原）UDPG6-磷酸葡萄糖內酯（進入磷酸戊糖途徑）

葡糖醛酸（進入葡糖醛酸途徑）其他單糖脂肪（二）肝是糖異生的主要場所不同營養狀態下肝內如何進行糖代謝？飽食狀態：肝糖原合成↑過多糖則轉化為脂肪，以VLDL形式輸出肝糖原分解↑以糖異生為主脂肪動員↑→酮體合成↑→節省葡萄糖饑餓狀態：空腹狀態：二、肝在脂質代謝中占據中心地位作用：在脂類的消化、吸收、合成、分解與運輸均具有重要作用。（一）肝在脂質消化吸收中具有重要作用

肝細胞合成和分泌的膽汁酸，是脂質消化吸收必不可少的物質。厭油膩、脂肪瀉等肝功能下降膽道阻塞飽食后合成甘油三酯、膽固醇、磷脂，并以VLDL形式分泌入血，供其他組織器官攝取與利用；饑餓時，肝脂肪酸β-氧化產生的大量乙酰輔酶A有兩條去路，一是徹底氧化供能，二是生成酮體。（二）肝是甘油三酯和脂肪酸代謝的中樞器官（三）肝是維持機體膽固醇平衡的主要器官肝是合成膽固醇最活躍的器官，是血漿膽固醇的主要來源；膽汁酸的生成是肝降解膽固醇的最重要途徑；肝也是體內膽固醇的主要排泄器官；肝對膽固醇的酯化也具有重要作用。（四）肝是血漿磷脂的主要來源體內大多數組織都能合成磷脂，但肝合成最活躍。肝可利用糖及某些氨基酸合成磷脂，是血液中磷脂的主要來源。三、肝的蛋白質合成及分解代謝均非常活躍（一）肝合成多數血漿蛋白質肝細胞的一個重要功能是合成與分泌血漿蛋白質；肝還是清除血漿蛋白質（清蛋白除外）的重要器官。（二）肝內氨基酸代謝十分活躍催化氨基酸轉氨基、脫氨基、轉甲基、脫羧基等反應的酶類十分豐富分解氨基酸、合成非必需氨基酸利用一些氨基酸合成各種含氮化合物，如嘌呤類衍生物、嘧啶類衍生物、肌酸、乙醇胺、膽堿等。（三）肝是機體解“氨毒”的主要器官合成尿素：氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ及鳥氨酸氨基甲酰轉移酶只存在于肝細胞線粒體。合成谷氨酰胺四、肝參與多種維生素和輔酶的代謝（一）肝在脂溶性維生素吸收和血液運輸中具有重要作用膽汁酸——脂溶性維生素A、D、E和K吸收視黃醇結合蛋白——結合運輸視黃醇維生素D結合蛋白——結合運輸維生素D（二）肝儲存多種維生素儲存維生素A、E、K及B12，富含維生素B1、B2、B6、泛酸和葉酸。（三）肝參與多數維生素的轉化胡蘿卜素——維生素A維生素PP——NAD+和NADP+泛酸——輔酶A維生素B1——焦磷酸硫胺素維生素D3——25-羥維生素D3五、肝參與多種激素的滅活激素的滅活(inactivation):

激素主要在肝中轉化、降解或失去活性的過程稱為激素的滅活。主要方式：生物轉化作用肝外重要組織器官的物質代謝特點及聯系CharacteristicandInterconnectionofMetabolisminExtra-hepaticTissue/Organ第四節正常優先以脂酸為燃料產生ATP。能量可依次以消耗自由脂酸、葡萄糖、酮體等能源物質提供。

一、心肌優先利用脂肪酸氧化分解供能

（一）心肌可利用多種營養物質及其代謝中間產物為能源（二）心肌細胞分解營養物質供能方式以有氧氧化為主脂肪酸葡萄糖乳酸酮體心肌細胞富含LDH1、肌紅蛋白、細胞色素及線粒體。二、腦主要利用葡萄糖供能且耗氧量大（一）葡萄糖和酮體是腦的主要能量物質（二）腦耗氧量高達全身耗氧總量的四分之一（三）腦具有特異的氨基酸及其代謝調節機制葡萄糖為主要能源，每天消耗約100g。不能利用脂酸，葡萄糖供應不足時，利用酮體。合成、儲存肌糖原和磷酸肌酸；通常以脂酸氧化為主要供能方式；劇烈運動時，以糖酵解為主。三、骨骼肌主要氧化脂肪酸，強烈運動產生大量乳酸四、糖酵解是成熟紅細胞的供能主要途徑成熟紅細胞沒有線粒體，不能進行營養物質的有氧氧化，不能利用脂肪酸和其他非糖物質作為能源。葡萄糖酵解是其主要能量來源。

五、脂肪組織是儲存和釋放能量的重要場所（一）機體將從膳食中攝取的能量主要儲存于脂肪組織膳食脂肪：以CM形式運輸至脂肪組織儲存。膳食糖：主要運輸至肝轉化成脂肪，以VLDL形式運輸至脂肪組織儲存。部分在脂肪細胞轉化為脂肪儲存。（二）饑餓時主要靠分解儲存于脂肪組織的脂肪供能饑餓脂解激素↑HSL↑脂肪動員↑脂肪酸甘油酮體肝氧化供能腎髓質無線粒體，主要由糖酵解供能；腎皮質主要由脂酸、酮體有氧氧化供能。一般情況下，腎糖異生只有肝糖異生葡萄糖量的10%。長期饑餓（5~6周），腎糖異生可達每天40g，與肝糖異生的量幾乎相等。

六、腎能進行糖異生和酮體生成物質代謝調節的主要方式ThemainwayforRegulationofMetabolism第五節代謝調節普遍存在于生物界，是生物的重要特征。主要通過細胞內代謝物濃度的變化，對酶的活性及含量進行調節，這種調節稱為原始調節或細胞水平代謝調節。單細胞生物高等生物——

三級水平代謝調節細胞水平代謝調節激素水平代謝調節高等生物在進化過程中，出現了專司調節功能的內分泌細胞及內分泌器官，其分泌的激素可對其他細胞發揮代謝調節作用。整體水平代謝調節在中樞神經系統的控制下，或通過神經纖維及神經遞質對靶細胞直接發生影響，或通過某些激素的分泌來調節某些細胞的代謝及功能，并通過各種激素的互相協調而對機體代謝進行綜合調節。

一、細胞水平的代謝調節主要調節關鍵酶活性?細胞水平的代謝調節主要是酶水平的調節。?細胞內酶呈隔離分布。?代謝途徑的速度、方向由其中的關鍵酶(keyenzyme)的活性決定。?代謝調節主要是通過對關鍵酶活性的調節而實現的。（一）各種代謝酶在細胞內區隔分布是物質代謝及其調節的亞細胞結構基礎代謝途徑有關酶類常常組成多酶體系，分布于細胞的某一區域。多酶體系分布多酶體系分布DNA及RNA合成細胞核糖酵解胞液蛋白質合成內質網，胞液戊糖磷酸途徑胞液糖原合成胞液糖異生胞液脂肪酸合成胞液脂肪酸β氧化線粒體膽固醇合成內質網，胞液多種水解酶溶酶體磷脂合成內質網檸檬酸循環線粒體血紅素合成胞液，線粒體氧化磷酸化線粒體尿素合成胞液，線粒體主要代謝途徑(多酶體系)在細胞內的分布酶隔離分布的意義:提高同一代謝途徑酶促反應速率。使各種代謝途徑互不干擾，彼此協調，有利于調節物對各途徑的特異調節。（二）關鍵酶活性決定整個代謝途徑的速度和方向※關鍵酶催化的反應特點：①常常催化一條代謝途徑的第一步反應或分支點上的反應，速度最慢，其活性能決定整個代謝途徑的總速度。②常催化單向反應或非平衡反應，其活性能決定整個代謝途徑的方向。③酶活性除受底物控制外，還受多種代謝物或效應劑調節。※關鍵酶（keyenzymes）

代謝過程中具有調節作用的酶。代謝途徑關鍵酶糖原降解磷酸化酶糖原合成糖原合酶糖酵解己糖激酶磷酸果糖激酶-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糖異生丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶果糖雙磷酸酶-1脂肪酸合成乙酰輔酶A羧化酶膽固醇合成HMG輔酶A還原酶某些重要代謝途徑的關鍵酶①快速調節（改變酶分子結構）

②遲緩調節（改變酶含量）數秒、數分鐘改變單個酶分子的催化能力數小時、幾天調節酶的合成與降解速度別構調節

(allostericregulation)化學修飾調節

(chemicalmodification)※調節關鍵酶活性（酶分子結構改變或酶含量改變）是細胞水平代謝調節的基本方式，也是激素水平代謝調節和整體代謝調節的重要環節。（三）別構調節通過別構效應改變關鍵酶活性別構調節是生物界普遍存在的代謝調節方式

一些小分子化合物能與酶蛋白分子活性中心外的特定部位特異結合，改變酶蛋白分子構象、從而改變酶活性，這種調節稱為酶的別構調節(allostericregulation)

。代謝途徑變構酶變構激活劑變構抑制劑糖酵解己糖激酶AMP、ADP、FDP、PiG-6-P磷酸果糖激酶-1FDP檸檬酸丙酮酸激酶ATP，乙酰CoA三羧酸循環檸檬酸合酶AMPATP，長鏈脂酰CoA異檸檬酸脫氫酶AMP，ADPATP糖異生丙酮酸羧化酶乙酰CoA，ATPAMP糖原分解磷酸化酶bAMP，G-1-P，PiATP，G-6-P脂酸合成乙酰輔酶A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嘌呤合成谷氨酰胺PRPP酰胺轉移酶AMP，GMP嘧啶合成天冬氨酸轉甲酰酶CTP，UTP核酸合成脫氧胸苷激酶dCTP，dATPdTTP一些代謝途徑中的變構酶及其變構效應劑2.別構效應劑通過改變酶分子構象改變酶活性別構酶催化亞基調節亞基別構效應劑：底物、終產物其他小分子代謝物別構效應劑+酶的調節亞基酶的構象改變酶的活性改變（激活或抑制）疏松亞基聚合緊密亞基解聚酶分子多聚化※別構效應的機制有兩種：（1）調節亞基含有一個“假底物”（pseudosubstrate）序列“假底物”序列能阻止催化亞基結合底物，抑制酶活性；效應劑結合調節亞基導致“假底物”序列構象變化，釋放催化亞基，使其發揮催化作用。如cAMP激活PKA。（2）別構效應劑與調節亞基結合，能引起酶分子三級和/或四級結構在“T”構象（緊密態、無活性／低活性）與“R”構象（松弛態、有活性／高活性）之間互變，從而影響酶活性。如氧調節Hb。3.別構調節使一種物質的代謝與相應的代謝需求和相關物質的代謝協調調節相應代謝的強度、方向，以協調相關代謝、滿足相應代謝需求別構效應劑（底物、終產物、其他小分子代謝物）細胞內濃度的改變（反映相關代謝途徑的強度和相應的代謝需求）關鍵酶構象改變，影響酶活性①

代謝終產物反饋抑制(feedbackinhibition)

反應途徑中的酶，使代謝物不致生成過多。乙酰CoA

乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA長鏈脂酰CoA

②變構調節使能量得以有效利用，不致浪費。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促進糖的儲存③變構調節使不同的代謝途徑相互協調。檸檬酸–+磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化

乙酰輔酶A

羧化酶

促進脂酸的合成（四）化學修飾調節通過酶促共價修飾調節酶活性1.酶促共價修飾有多種形式酶蛋白肽鏈上某些殘基在酶的催化下發生可逆的共價修飾(covalentmodification)，從而引起酶活性改變，這種調節稱為酶的化學修飾。化學修飾的主要方式：磷酸化---去磷酸乙酰化---脫乙酰甲基化---去甲基腺苷化---脫腺苷SH與–S—S–互變酶化學修飾類型酶活性改變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/脫磷酸抑制/激活丙酮酸脫氫酶磷酸化/脫磷酸抑制/激活HMG-CoA還原酶磷酸化/脫磷酸抑制/激活HMG-CoA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/激活脂肪細胞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/氧化酶酶促化學修飾對酶活性的調節酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白2.酶的化學修飾調節具有級聯放大效應酶促化學修飾的特點：①受化學修飾調節的關鍵酶具無（或低）活性和有（或高）活性兩種形式，由兩種酶催化發生共價修飾，互相轉變。②酶的化學修飾是酶促反應，特異性強，有放大效應。③磷酸化與去磷酸化是最常見的化學修飾反應，是調節酶活性經濟有效的方式，作用迅速，有放大效應，。④催化共價修飾的酶自身常受別構調節、化學修飾調節，并與激素調節偶聯，形成由信號分子、信號轉導分子和效應分子組成的級聯反應，使細胞內酶活性調節更精細協調。※同一個酶可以同時受變構調節和化學修飾調節。（五）通過改變細胞內酶含量調節酶活性1．誘導或阻遏酶蛋白基因表達調節酶含量

加速酶合成的化合物稱為誘導劑(inducer)減少酶合成的化合物稱為阻遏劑(repressor)

誘導劑或阻遏劑在酶蛋白生物合成的轉錄或翻譯過程中發揮作用，影響轉錄較常見。常見的誘導或阻遏方式:Ⅰ底物對酶合成的誘導和阻遏Ⅱ產物對酶合成的阻遏Ⅲ激素對酶合成的誘導Ⅳ藥物對酶合成的誘導2．調節細胞酶含量也可通過改變酶蛋白降解速度溶酶體蛋白酶體——

釋放蛋白水解酶，降解蛋白質——

泛素識別、結合蛋白質；蛋白水解酶降解蛋白質通過改變酶蛋白分子的降解速度，也能調節酶的含量。內、外環境改變機體相關組織分泌激素激素與靶細胞上的受體結合靶細胞產生生物學效應，適應內外環境改變激素作用機制：二、激素通過特異受體調節物質代謝激素分類：Ι膜受體激素Ⅱ胞內受體激素按激素受體在細胞的部位不同，分為：（一）膜受體激素通過跨膜信號轉導調節物質代謝腺苷環化酶（無活性）腺苷環化酶（有活性）

激素（胰高血糖素、腎上腺素等）+受體ATPcAMP

PKA(無活性)

磷酸化酶b激酶

糖原合酶

糖原合酶-P

PKA(有活性)磷酸化酶b

磷酸化酶a-P

磷酸化酶b激酶-PPi磷蛋白磷酸酶-1

PiPi磷蛋白磷酸酶-1

磷蛋白磷酸酶-1–––磷蛋白磷酸酶抑制劑-P磷蛋白磷酸酶抑制劑

PKA（有活性）

（二）胞內受體激素通過激素-胞內受體復合物改變基因表達、調節物質代謝三、機體通過神經系統及神經-體液途徑整體調節體內物質代謝整體水平調節：在神經系統主導下，調節激素釋放，并通過激素整合不同組織器官的各種代謝，實現整體調節，以適應飽食、空腹、饑餓、營養過剩、應激等狀態，維持整體代謝平衡。（一）飽食狀態下機體三大物質代謝與膳食組成有關※混合膳食→胰島素水平中度升高：（1）機體主要分解葡萄糖供能（2）未被分解的葡萄糖，部分合成肝糖原和肌糖原貯存；部分在肝內合成甘油三酯，以VLDL形式輸送至脂肪等組織。（3）吸收的甘油三酯，部分經肝轉換成內源性甘油三酯，大部分輸送到脂肪組織、骨骼肌等轉換、儲存或利用。※高糖膳食→胰島素水平明顯升高，胰高血糖素降低：（1）部分葡萄糖合成肌糖原和肝糖原和VLDL（2）大部分葡萄糖直接被輸送到脂肪組織、骨骼肌、腦等組織轉換成甘油三酯等非糖物質儲存或利用。※高蛋白膳食→胰島素水平中度升高，胰高血糖素水平升高：（1）肝糖原分解補充血糖（2）肝利用氨基酸異生為葡萄糖補充血糖（3）部分氨基酸轉化成甘油三酯（4）還有部分氨基酸直接輸送到骨骼肌。※高脂膳食→胰島素水平降低，胰高血糖素水平升高：（1）肝糖原分解補充血糖（2）肌組織氨基酸分解，轉化為丙酮酸，輸送至肝異生為葡萄糖，補充血糖。（3）吸收的甘油三酯主要輸送到脂肪、肌組織等。（4）脂肪組織在接受吸收的甘油三酯同時，也部分分解脂肪成脂肪酸，輸送到其他組織。（5）肝氧化脂肪酸，產生酮體。（1）餐后6～8小時

肝糖原即開始分解補充血糖。（2）餐后16～24小時

肝糖原即將耗盡，糖異生補充血糖。脂肪動員中度增加，釋放脂肪酸。肝氧化脂肪酸，產生酮體，主要供應肌組織。骨骼肌部分氨基酸分解，補充肝糖異生的原料。（二）空腹機體物質代謝以糖原分解、糖異生和中度脂肪動員為特征空腹：通常指餐后12小時以后，體內胰島素水平降低，胰高血糖素升高。（三）饑餓時機體主要氧化分解脂肪供能

糖原消耗血糖趨于降低胰島素分泌減少胰高血糖素分泌增加

引起一系列的代謝變化1.短期饑餓后糖氧化供能減少而脂肪動員加強

短期饑餓：通常指1～3天未進食。

（1）機體轉變為脂肪氧化供能為主。（2）脂肪動員加強且肝酮體生成增多。（3）肝糖異生作用明顯增強（4）骨骼肌蛋白質分解加強2.長期饑餓可造成器官損害甚至危及生命。長期饑餓：指未進食3天以上。（1）脂肪動員進一步加強：生成大量酮體，腦利用酮體超過葡萄糖。肌組織利用脂肪酸。（2）蛋白質分解減少：釋出氨基酸減少。（3）糖異生明顯減少（與短期饑餓相比）：乳酸和丙酮酸成