《细胞代谢》课件

细胞代谢细胞代谢是生物体内物质和能量转换的基础过程，是维持生命活动的核心机制它包括物质代谢和能量代谢两大类，涵盖了细胞内所有的生化反应通过复杂的代谢网络，细胞能够将营养物质转化为能量和构建材料，同时清除代谢废物课程概述1细胞代谢的基本概念掌握代谢的定义、分类和基本特征，了解同化作用与异化作用的区别2物质代谢与能量代谢的关系理解物质转换与能量转换的耦合关系，在代谢中的中心地位ATP3代谢途径及其调控学习主要代谢途径的机制，掌握代谢调控的基本原理和调节机制代谢异常与疾病第一章细胞代谢概述代谢的定义和基本类型细胞代谢的重要性代谢研究的历史与发展代谢是指生物体内发生的所有化学反应细胞代谢是生命活动的基础，为细胞提从早期的生物化学研究到现代的代谢组的总和，包括物质的分解、合成、转化供能量和构建材料，维持细胞结构和功学，代谢研究经历了从单一酶到系统网和能量的产生与利用根据反应性质可能的完整性，实现细胞的生长、分裂和络的发展历程，为理解生命本质提供了分为同化作用和异化作用两大类适应性反应重要洞察代谢的基本概念同化作用（合成代谢）异化作用（分解代谢）同化作用是指将简单的分子合成异化作用是指将复杂分子分解为复杂分子的过程，需要消耗简单分子的过程，同时释放能量ATP提供能量包括蛋白质合成、脂用于合成包括糖酵解、脂ATP肪合成、多糖合成等，是细胞生肪酸氧化、蛋白质分解等，为细长和修复的基础胞活动提供能量代谢网络与代谢流代谢网络由相互连接的代谢途径组成，代谢流是指代谢物在网络中的流动速率代谢流的调控决定了细胞的代谢状态和功能细胞代谢的基本原则共同代谢途径中间产物连接能量耦合转换不同类型的大分子通过少数关键的中间代谢产放能反应与需能反应相共同的代谢中间体进入物如乙酰、柠檬酸互耦合，通过、CoA ATP统一的代谢途径，实现等连接多种代谢途径，等载体分子实现NAD+代谢的协调和整合，提形成代谢网络的节点，能量的捕获、储存和转高代谢效率便于调控和协调移，维持细胞的能量平衡第二章物质代谢脂类代谢蛋白质代谢涉及脂肪酸的合成与分解，提供长期能量储存和细胞膜构成氨基酸的合成、分解和转化，糖类代谢成分维持蛋白质的动态平衡和功能核酸代谢包括糖酵解、柠檬酸循环、糖异生等途径，是细胞能量代谢嘌呤和嘧啶的合成与降解，为的主要来源和的合成提供原料DNA RNA2314糖酵解途径葡萄糖激活葡萄糖磷酸化形成葡萄糖磷酸，消耗个，为后续反应提供驱动力-6-1ATP糖分子重排通过一系列异构化和磷酸化反应，将六碳糖转化为两个三碳化合物能量生成氧化反应产生，底物水平磷酸化产生，净得个分子NADH ATP2ATP丙酮酸形成最终产生分子丙酮酸，进入后续的柠檬酸循环或其他代谢途径2糖酵解的关键酶与调控1己糖激酶催化糖酵解第一步反应，受葡萄糖磷酸反馈抑制，控制糖-6-酵解起始2磷酸果糖激酶糖酵解的限速酶，受抑制、激活，是主要的调控点ATP AMP3丙酮酸激酶催化最后一步生成反应，受多种代谢物调节，确保能量平ATP衡这些关键酶通过变构效应和共价修饰接受多层次调控，确保糖酵解与细胞能量需求相匹配反馈调节机制防止代谢产物过度积累，维持代谢的稳态平衡柠檬酸循环（三羧酸循环）乙酰进入氧化脱羧CoA丙酮酸脱羧形成乙酰，与草酰乙酸两次氧化脱羧反应释放，同时产生CoA CO2结合形成柠檬酸，开始循环2，逐步氧化碳骨架NADH载体再生能量捕获苹果酸氧化再生草酰乙酸和，完通过底物水平磷酸化产生，琥珀酸NADH GTP成循环准备下一轮反应脱氢产生FADH2柠檬酸循环的调控丙酮酸脱氢酶复合体受、、乙酰抑制，调控进入循环的底物量ATP NADHCoA柠檬酸合成酶受抑制，琥珀酰反馈抑制，控制循环起始步骤ATP CoA异柠檬酸脱氢酶受抑制，和激活，是循环的主要调控点ATP ADPCa2+酮戊二酸脱氢酶α-受琥珀酰、抑制，精细调节循环后半段反应CoA NADH电子传递链与氧化磷酸化合成机制ATP质子梯度形成合成酶利用质子回流产生的能量催化电子传递复合物ATP电子传递过程中质子被泵出线粒体基质，在和结合形成这种化学渗透机制ADP PiATP复合物、、、依次传递电子，同时泵内膜两侧形成电化学梯度这种质子动力势实现了电子传递能量向化学键能的高效转I IIIII IV出质子到膜间隙NADH和FADH2作为电储存了电子传递释放的化学能，为ATP合成换，是细胞主要的ATP生产方式子供体，氧气作为最终电子受体被还原为提供驱动力水电子传递过程中释放的能量用于建立质子梯度脂肪酸氧化β-乙酰生成CoA每轮循环产生一个乙酰分子CoA四步循环反应氧化水化氧化硫解四步反应---脂肪酸活化转运肉碱穿梭系统将脂酰转运入线粒体CoA脂肪酸氧化是脂肪分解代谢的核心途径，在线粒体基质中进行长链脂肪酸首先在细胞质中活化形成脂酰，然后通过肉碱穿梭β-CoA系统进入线粒体氧化过程中，脂肪酸从羧基端开始，每次切除两个碳原子形成乙酰，同时产生和β-CoA FADH2NADH蛋白质代谢208标准氨基酸必需氨基酸构成蛋白质的基本氨基酸种类人体无法合成必须从食物获取12非必需氨基酸人体可以通过转氨等反应合成蛋白质代谢包括氨基酸的分解与合成过程脱氨基作用将氨基酸转化为相应的酮α-酸和氨，氨基酸碳骨架可转化为糖、脂肪或直接氧化产能氨的毒性较大，在肝脏通过尿素循环转化为毒性较小的尿素排出体外转氨反应是氨基酸代谢的重要途径，实现不同氨基酸间的相互转化核酸代谢第三章代谢途径的相互联系共同代谢中间物代谢途径的交叉点组织间物质交换乙酰、柠檬酸、草酰乙酸等关键中间主要代谢途径在特定节点相互交汇，如丙不同组织器官具有特异性的代谢特征，通CoA代谢物连接糖、脂、蛋白质代谢，形成统酮酸既可进入糖酵解又可转化为脂肪酸，过血液循环进行物质交换，维持全身代谢一的代谢网络，实现不同营养素间的相互这些交叉点是代谢调控的关键位点的协调和平衡转化糖、脂肪和蛋白质代谢的联系乙酰是连接三大营养素代谢的中心枢纽，糖类、脂肪和蛋白质的分解代谢都汇集于此，进入柠檬酸循环彻底氧化葡萄糖异生作CoA用可从非糖物质合成葡萄糖，维持血糖稳定在饥饿状态下，肝脏产生酮体作为替代燃料氨基酸既可用于蛋白质合成，也可转化为糖或脂肪，体现了代谢的灵活性和适应性组织特异性代谢组织主要代谢特点关键功能肝脏代谢中心，糖异生活维持血糖，解毒代谢跃肌肉糖原储存，蛋白质代运动能量供应谢脑组织主要利用葡萄糖神经功能维持脂肪组织脂肪合成与分解能量储存调节肾脏糖异生，氨基酸代谢调节，废物排泄pH不同组织器官根据其功能需求表现出特异性的代谢模式肝脏作为代谢中心承担多种代谢功能，肌肉适应运动需求储存糖原，脑组织高度依赖葡萄糖供能，脂肪组织调节全身能量平衡，肾脏参与代谢废物处理和酸碱平衡调节第四章能量代谢生物能学基本原理热力学定律在生物系统中的应用，自由能变化决定反应方向和程度高能磷酸键等分子含有高能磷酸键，水解释放大量自由能用于驱动生物反应ATP的中心地位ATP作为细胞的能量货币，连接放能反应和需能反应ATP能量转换效率生物体能量转换效率较高，约的化学能转化为可用的40%ATP能量代谢的基本概念热力学第一定律能量守恒定律在生物系统中的体现，能量不能创造或消失只能转换热力学第二定律熵增原理，生物体通过消耗自由能维持有序状态抵抗熵增吉布斯自由能变△决定反应的自发性，负值反应自发进行，正值需要耦合G呼吸商计算产生量与消耗量的比值，反映代谢底物类型和能量产出CO2O2的结构与功能ATP化学结构高能磷酸键特水解释能ATP ATP性由腺嘌呤、核糖和水解为ATP ADP三个磷酸基团组成，磷酸基团间静电排和释放能量，驱Pi含有两个高能磷酸斥产生分子内张力，动需能反应如肌肉键，结构决定功能水解时释放约收缩、主动转运等特性的自

30.5kJ/mol由能再生机制ATP通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化重新合成，维持ATP细胞能量平衡线粒体与能量代谢线粒体结构特点功能区室化线粒体遗传双分子膜结构，外膜光滑，内膜形成嵴外膜通透性高，内膜选择透过性强基含有独立的和蛋白质合成系统，编DNA增大表面积膜间隙和基质组成不同的质含有柠檬酸循环酶系，内膜含电子传码部分呼吸链亚基母系遗传特征，与功能区室，为能量代谢提供结构基础递链和合成酶区室化实现代谢过某些遗传病相关反映了内共生起源的ATP内膜含有丰富的蛋白质复合物程的有序进行进化历史第五章酶与代谢调控可调节性酶活性可通过多种机制调节条件敏感性对温度等环境因素敏感pH专一性对底物和反应类型具有选择性高效性大幅提高反应速率和效率酶是细胞代谢的催化剂，具有高效性、专一性、条件敏感性和可调节性四大基本特性这些特性使酶能够在温和条件下高效催化生化反应，并通过调节酶活性实现代谢调控酶的本质是蛋白质，其空间结构决定催化功能酶的基本特性高效性催化效率比无机催化剂高倍，显著加速反应10^8-10^12专一性对底物结构和反应类型具有严格的选择性要求条件敏感性活性受温度、、离子强度等环境因素显著影响pH可调节性通过变构调节、共价修饰等机制调控活性降低化学反应活化能的酶活化能概念化学反应需要克服的能量障碍，决定反应速率酶通过提供替代反应途径显著降低活化能，使反应在生理条件下快速进行活化能的降低是酶催化效率高的根本原因酶底物复合物-酶与底物结合形成中间复合物，稳定过渡态结构这种特异性结合降低了反应的活化能，同时保持反应的热力学特性不变复合物形成是酶催化的关键步骤催化机制模型锁钥模型和诱导契合模型解释酶底物识别机制现代观点倾向于-诱导契合模型，强调酶与底物相互作用中的构象变化，实现最佳催化状态的形成影响酶活性的因素酶活性的调节机制变构调节共价修饰调节分子结合变构位点引起酶构象变磷酸化、甲基化、乙酰化等修饰改变酶化，改变活性位点亲和力，实现快速可活性，通过激酶和磷酸酶系统调控逆调节细胞区室化蛋白质水平调控通过控制酶和底物的细胞内分布实现时调节酶蛋白的合成与降解，改变酶分子3空特异性调节数量从而调控总体活性第六章代谢通路的调控1转录水平调控调节代谢酶基因的转录，改变酶蛋白合成量，实现长期调控2激素调控胰岛素、胰高血糖素等激素调节关键酶活性和基因表达3关键酶调控调节代谢途径中的限速酶活性，控制整个途径的通量4代谢调控层次从分子到细胞到器官的多层次调控网络协调代谢活动代谢调控的基本原理需求与供应平衡经济原则与效率根据细胞能量和物质需求调节代细胞代谢遵循经济原则，最小化谢途径活性，维持供需平衡当资源浪费，最大化能量利用效充足时抑制分解代谢，促进率避免同时进行相反的代谢途ATP合成代谢；当能量不足时则相反径，防止无效循环消耗能量调节反馈与前馈调节终产物反馈抑制起始酶活性，防止产物过量积累前馈激活提前激活下游酶，确保代谢流的顺畅进行糖代谢的调控血糖平衡维持正常血糖浓度维持在，通过肝糖原分解、糖异生

4.4-

6.1mmol/L等途径调节激素调控系统胰岛素降血糖促进糖原合成，胰高血糖素升血糖促进糖原分解和糖异生糖原代谢调控糖原合成酶和糖原磷酸化酶通过磷酸化修饰实现相互调控葡萄糖转运调节不同组织表达特异性葡萄糖转运蛋白，调节葡萄糖摄取和利用脂质代谢的调控73关键调控酶主要激素乙酰羧化酶等限速酶的调节胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素CoA5脂蛋白类型、、等载脂蛋白VLDL LDLHDL脂质代谢调控涉及脂肪酸合成与分解的精密平衡乙酰羧化酶是脂肪酸合成的CoA关键限速酶，受柠檬酸激活、软脂酰抑制胰岛素促进脂肪合成，胰高血糖素CoA和肾上腺素促进脂肪分解胆固醇合成受还原酶调控，该酶活性受胆固HMG-CoA醇反馈抑制脂蛋白代谢调节血脂水平和脂质转运蛋白质代谢的调控蛋白质代谢调控维持氨基酸池平衡和蛋白质动态平衡转录水平调控决定合成量，翻译起始因子调节蛋白质合成速率泛素mRNA-蛋白酶体系统负责选择性蛋白质降解，去除错误折叠或不需要的蛋白质氨基酸感应系统如通路整合营养信号调节蛋白质合mTOR成应激条件下自噬途径降解蛋白质提供氨基酸第七章代谢组学与系统生物学代谢组学概念代谢通量分析代谢网络重建系统性分析生物体内所定量测定代谢物在网络构建完整的代谢反应网有小分子代谢物的组成、中的流动速率，了解代络模型，预测代谢行为含量和变化规律，反映谢流分布和调控机制和工程改造策略生理病理状态计算模拟预测利用数学模型和计算方法预测代谢表型和药物作用效果代谢组学研究方法质谱技术核磁共振技术数据分析整合液相色谱质谱联用技术是代谢组学的核技术提供代谢物结构信息，无需复运用生物信息学方法处理海量数据，包-NMR心方法，具有高灵敏度和特异性能够杂样品预处理虽然灵敏度较低，但能括统计分析、模式识别、通路富集分析检测低浓度代谢物，提供分子量和结构同时检测多种代谢物，特别适用于动态等整合多组学数据揭示代谢调控网信息气相色谱质谱适用于挥发性代谢代谢过程监测络-物分析代谢通量分析同位素示踪技术使用、等稳定同位素标记底物，追踪原子在代谢网络中的流向13C15N通量平衡分析基于质量守恒原理建立数学模型，计算稳态条件下的代谢通量分布代谢控制分析量化各个酶对代谢通量的控制系数，识别代谢调控的关键节点疾病通量变化比较正常与病理状态的通量差异，发现疾病相关的代谢改变系统生物学方法第八章细胞呼吸与光合作用细胞呼吸概述光合作用过程细胞呼吸是细胞氧化有机物产生的过程，包括糖光合作用将光能转化为化学能，包括光反应和暗反应两ATP酵解、柠檬酸循环和电子传递链三个阶段个阶段，是地球能量循环的基础1234有氧与无氧呼吸呼吸光合关系有氧呼吸效率高产生个，无氧呼吸效率低但在呼吸与光合作用互为逆过程，共同维持生态系统的碳氧38ATP缺氧环境下维持能量供应平衡和能量流动有氧呼吸与无氧呼吸的比较比较项目有氧呼吸无氧呼吸电子受体氧气₂硝酸盐、硫酸盐等O产量约个葡萄糖个葡萄糖ATP38/2-36/发生场所线粒体细胞质、质膜代谢产物₂、₂有机酸、醇类等CO HO环境要求需要氧气厌氧或微氧环境生物意义高效产能极端环境适应有氧呼吸和无氧呼吸在能量产出效率上存在显著差异有氧呼吸通过完整的电子传递链和氧化磷酸化过程，能够高效提取葡萄糖中的化学能无氧呼吸虽然效率较低，但使生物能够在缺氧环境中生存，体现了生命的适应性光合作用的光反应光能捕获光系统吸收光能激发叶绿素分子，产生高能电子启动电子传递链II水分子裂解的氧化性足以裂解水分子，释放氧气、质子和电子，补充失去的PS II电子电子传递链电子经过细胞色素复合物传递到光系统，进一步被激发产生还原力b6f I合成ATP质子梯度驱动合酶合成，同时产生为暗反应提供还ATP ATP NADPH原力光合作用的暗反应碳固定反应还原反应酶催化₂与结合，RuBisCO CORuBP利用光反应产生的和将ATPNADPH3-形成两分子磷酸甘油酸，是碳同化的3-磷酸甘油酸还原为甘油醛磷酸-3-起始步骤糖类合成再生RuBP剩余的甘油醛磷酸用于合成葡萄部分甘油醛磷酸经过复杂的重排反-3--3-糖、淀粉等有机物，储存化学能应再生，维持循环持续进行RuBP、与植物的代谢差异C3C4CAM植物植物植物C3C4CAM直接通过固定₂形成先在叶肉细胞中将₂固定为碳化夜间开放气孔吸收₂形成苹果酸储RuBisCO CO3-CO4CO磷酸甘油酸在高温低₂条件下，合物，再在维管束鞘细胞中释放₂存，白天关闭气孔释放₂进行光合CO COCO与₂结合发生光呼吸，降供利用这种浓缩机制抑制作用这种时间分离机制减少水分损RuBisCO ORuBisCO低光合效率适应温带湿润环境光呼吸，提高光合效率失，适应干旱环境第九章代谢与疾病422M

1.5M966B全球糖尿病患者糖尿病年死亡人数医疗费用支出年全球成年糖尿病患者数量糖尿病直接导致的年度死亡人数全球糖尿病相关医疗费用美元2021代谢性疾病严重威胁人类健康，其中糖尿病是最常见的代谢紊乱疾病胰岛素分泌不足或作用障碍导致血糖升高，引发多种并发症脂质代谢紊乱导致动脉粥样硬化和心血管疾病遗传性代谢疾病虽然罕见，但对患者影响严重理解代谢异常的分子机制对疾病诊治具有重要意义糖尿病的代谢异常糖尿病并发症血管病变、神经病变、肾病等1高血糖后果2蛋白质糖化、氧化应激增加胰岛素异常3分泌不足或胰岛素抵抗糖尿病的核心问题是胰岛素分泌或作用的异常型糖尿病主要由胰岛细胞破坏导致胰岛素绝对缺乏，型糖尿病则以胰岛素抵抗和1β2相对缺乏为特征高血糖状态下，蛋白质非酶糖化反应增加，产生晚期糖化终产物损伤血管治疗策略包括胰岛素替代、改善胰岛素敏感性和调节糖代谢酶活性。