分子生物网络分析-第8章-代谢网络.ppt

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第八章代谢网络（Metabolicnetwork）,教师：

崔颖办公室：

外语学馆412室,代谢网络,8.1代谢网络概述8.2代谢网络的研究进展8.3代谢网络常用数据库8.4代谢网络分析方法,8.1代谢网络概述,8.1.1代谢网络8.1.2三大营养物质代谢途径8.1.3代谢网络的特性8.1.4代谢网络模型,8.1.1代谢网络,代谢，有时也用新陈代谢来指代，是指生物体不断同外界环境进行物质和能量交换的过程。

生物体是一个结构和功能都严整有序的开放系统。

它的严整有序性是靠不断同外界环境进行物质和能量的交换来维持的，一旦物质和能量的交换停止，结构和系统就会解体。

各种生物都有代谢。

代谢包括同化作用和异化作用。

同化作用是形成有机物和贮存能量的过程；异化作用是分解有机物、释放能量的过程。

代谢是一系列极其复杂的、有精确顺序的酶促反应的总和。

各种生物的基本代谢途径相似，各个相应步骤所需的酶相同。

各种生物都以三磷酸腺苷（ATP）为其贮能和放能的中心物。

8.1.1代谢网络,8.1.1代谢网络,代谢是细胞生存和繁衍的手段，代谢是一种高度有组织的过程，它涉及了由酶催化的数以千计的反应。

它大体可以分为两大类：

分解代谢和合成代谢。

分解代谢：

分解复杂化合物以获取能量和构建细胞所需模块。

合成代谢：

构建细胞功能所需要的复杂化合物。

代谢网络是由将分子从一种形态转换为另一种形态的反应所组成的，在建模关系中，分子的浓度及其转化速率尤为重要。

反应网络的基本概念同样可以应用于其他类型的细胞反应网络如信号转导通路。

8.1.1代谢网络,8.1.1代谢网络,一般情况下，对代谢进行如下学习：

1.酶动力学研究孤立体系中单个反应的动力学性质2.代谢的网络特性则需要用到对化合物进行生成和降解平衡的化学计量学分析3.代谢控制分析则通过分析个体浓度变化动力学并将其整合到网络中，定量描述扰动对网络的影响。

8.1.1代谢网络,代谢网络（MN，MetabolicNetwork）是生物体的一套完整的新陈代谢机制，它决定了细胞乃至生物体的生物、物理和化学特性。

MN包括细胞内代谢参与物的化学反应、路径及在其上的物质流（flux）；跨细胞膜载体系统；还包括对整个代谢机制的调控。

8.1.1代谢网络,随着基因组测序计划的完成，现在可以重建从细胞、细菌到人类的许多生物体的MN。

英语的Metabolism代谢一词来自希腊语，表示“变化”或“推翻”的意思。

代谢、代谢途径、代谢网络，处于生命活动的末端，直接导致生物功能与行为。

8.1.1代谢网络,代谢途径（Metabolicpathway）在生物化学中，是一连串在细胞内发生的化学反应，并由酶所催化，形成使用或储存的代谢物，或引发另一个代谢途径（称为“流量控制反应”）。

8.1.1代谢网络,细胞内不同代谢途径组成了代谢网络。

糖、脂类、蛋白质、核酸代谢之间的联系,8.1.1代谢网络,8.1.2三大营养物质代谢途径,8.1.2三大营养物质代谢途径,8.1.2三大营养物质代谢途径,8.1.3代谢网络的特性,

（1）细胞的代谢网络是生物界的一种无标度网络。

ThefollowingexampleisanabstractionofsomepathwaystakenfromthemetabolicnetworkofE.colik12.666Inparticularweconsiderhere:

theGlycolysis（EMPpathway）,thepentosephosphateshuntandsomepathwaysinvolvedinthemetabolismofpyruvate.,8.1.3代谢网络的特性,

（2）代谢网络具有不同层次有关细胞的代谢网络可以分不同层次来讨论：

基因组（DNA层次）、代谢途径及生化反应网络（蛋白质层次）、代谢流（物流层次）、代谢生理（微生物细胞层次）等等。

8.1.3代谢网络的特性,（3）代谢网络没有绝对的起点和终点，代谢路径作为代谢通道是有起讫点的对于延续的微生物生命来讲，代谢网络没有绝对的起点，也没有绝对的终点，形成细胞的4个反应群（产能反应群、生物合成反应群、多聚反应群、组装反应群）环环相扣，初级代谢的三大板块（向心板块、中心板块、离心板块）两两相接，成一个整体。

8.1.3代谢网络的特性,（4）代谢网络一直处于对环境的变动的响应之中代谢网络一直处于对环境的变动的响应之中，因此代谢网络的概念是虚拟的网络概念。

网络中的离心途径的终端又可能成为向心途径的起点；网络中的中心途径不止一条，而且有分支，向心途径和离心途径也有多条，而且也有汇合或分支。

途径与途径之间还可能存在横向联系。

8.1.4代谢网络模型,代谢网络模型的基本元件有：

物质及其浓度；改变物质浓度的反应或转运过程。

在生物环境中，反应通常由酶来催化，而转运步骤则由转运蛋白或相关通道来执行。

因此，它们能被看做是同等地位的生化成分。

代谢的一个重要特征是细胞进程的发生具有很宽的时间尺度，一些修饰可能会在几秒内发生，而其他的进程需要几小时或更长时间。

即在酶促反应水平上，我们也能发现它们对变化所需的响应时间会有很大差别。

对于代谢反应，时间状态由动力学常数所表征。

8.1.4代谢网络模型,8.2代谢网络的研究进展,8.2.1早期研究8.2.2二十世纪以来的探索,8.2.1代谢的早期研究,代谢概念的出现可以追溯到13世纪，阿拉伯医学家Ibnal-Nafis（12131288）提出,“身体和它的各个部分是处于一个分解和接受营养的连续状态，因此它们不可避免地一直发生着变化”,8.2.1代谢的早期研究,第一个关于人体代谢的实验由意大利人桑托里奥.桑托里奥（SantorioSantorio,15611636）完成，并于1614年发表在他的著作医学统计方法（Arsdestaticamedecina）中。

在此书中，他描述了他如何在进食、睡觉、工作、饮酒以及排泄等各项活动前后对自己的体重进行秤量；,8.2.1代谢的早期研究,他认为：

大多数他所摄入的食物最终都通过他所称的”无知觉排汗“被消耗掉了。

8.2.1代谢的早期研究,在上述早期研究中，代谢机制还没有被揭示，人们普遍认为存在一种“活力”可以活化器官。

19世纪，在对糖被酵母酵解为酒精的研究中，著名的法国科学家路易斯.巴斯德（18221895）总结出酵解过程是由酵母细胞内他称为“酵素”的物质来催化的。

8.2.1代谢的早期研究,1828年，德国化学家FriedrichWohler（18001882）发表了关于尿素的化学合成的论文。

Pasteur与Wohler的发现证明了细胞中发现的化学反应与生物体的其他化学反应无异，都遵循化学的基本原理。

8.2.2二十世纪以来的探索,1.代谢路径2.代谢特点,8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,代谢路径：

生物化学路径在支持生物体的代谢活动时称为代谢路径。

20世纪初，酶首次被德国化学家EduardBuchner（18601917）所发现，这一发现使得对代谢中化学反应的研究从细胞生物学中独立出来，也标志着生物化学研究的开始。

他于1907年获得诺贝尔化学奖。

8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,代谢的一大特点：

不同物种的基本代谢路径是相似的。

无论是微小的单细胞细菌，还是巨大的多细胞生物如大象，在所有的生物体中都存在基本代谢路径-三羧酸循环。

8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,在此图中，仅仅只有43个蛋白质和40个代谢物之间的相互作用，其基因组数量有45000个，拟南芥的基因组是目前已知植物基因组中最小的。

8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,20世纪中期以后，生物化学家们在研究中应用了大量的新技术：

色谱分析X射线晶体学核磁共振电子显微学同位素标记质谱分析分子动力学模拟,8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,利用这些技术深入研究了细胞中与代谢路径相关的分子，对代谢机制的认识产生了从反应和路径到网络、从局部到整体的一次质的飞跃，他们把反应、代谢路径和跨细胞膜载体系统的有序组合看成为一个整体，即代谢网络（MN）。

8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,20世纪80年代以来，随着越来越多生物化学反应的MN的构建，迫切需要对其性能进行评估，为此一些科学家提出了基于网络的代谢路径分析方法。

主要包括基本模式（ElMo,elementarymode）和极端路径（ExPa,extremepathway）分析，此二者均使用了凸分析方法，它属于数学与几何学的分学科，适用于分析可利用线性方程组描述的MN。

8.2.2二十世纪以来代谢机制的探索,进入21世纪以来，网络科学研究者H.Jeong（2000）、E.Ravasz（2002）和网络科学家A.L.barabasi等利用网络科学的复杂网络理论研究了MN，相关论文发表在Nature和Science。

8.3代谢网络常用数据库,在MN构建、分析和建模中，经常用到有关基因、酶、反应和路径的各种数据库。

基因和基因组数据库KEGG基因数据库GeneDB数据库BioCyc,EcoCyc和MetaCys路径工具PathwayTools酶数据库ENZYME酶数据库BRENDA其他数据库,1.KEGG,KEGG（kyotoEncyclopediaofGenesandGenomes）的全称是基因和基因组的京都百科全书，这是一个生物信息数据库，包括基因、蛋白质、反应和路径的数据。

它将生物体分为真核和原核生物两类，包括许多生物的基因和基因组信息。

网址：

http:

/www.genome.jp/kegg/,2.GeneDB,提供各种生物的基因组数据。

将代谢分为若干层次结构，输入酶的名字，就可以找到对应的基因及代谢路径。

网址：

http:

/www.genedb.org/Homepage,3.BioCyc,EcoCyc和MetaCyc,BioCyc数据库包括200多种生物体的代谢路径和基因组子数据库，http:

/biocyc.org/EcoCyc子数据库提供大肠杆菌的基因组、代谢和信号转导路径数据，http:

/ecocyc.org/MetaCyc子数据库，可称为代谢的百科全书，包括了600多种生物体的代谢路径，http:

/metacyc.org/,4.路径工具PathwayTools,这是一个生物信息学软件包，可连接EcoCyc等多个数据库，提供创建新数据库的若干工具，还可以推断新的代谢路径。

网址：

http:

/pathway-,5.酶数据库ENZYME,它是位于日内瓦的ExPASY蛋白质组学万维网服务器的一部分，由瑞士生物信息学研究所（SIB，SwissInstituteofBioinformatics）管理。

可查询某一特定酶催化的反应，还可链接到KEGG、BRENDA、PUBMED及PUMA2等各种其他基因、酶和医学文献数据库。

6.酶数据库BRENDA,可以搜索到各种生物体的酶的相关信息。

网址：

http:

/www.brenda-enzymes.org/,代谢网络数据库,http:

/202.113.12.55/GSMNDB/gsmndb.htm,代谢网络数据库,http:

/www.plantcyc.org/,代谢网络数据库,http:

/p-sys-bio.org/yeastnet/,Glucose,代谢网络数据库,8.4代谢网络分析方法,8.4.1代谢网络分析方法研究进展8.4.2基本概念和术语8.4.3代谢网络的路径分析,8.4.1代谢网络分析方法研究进展,近20多年来，在代谢网络分析方法的研究中，研究者们引入了凸分析方法，提出了ElMo和ExPa分析方法。

8.4.1代谢网络分析方法研究进展,概括地说，MN分析主要包括如下4个步骤：

1.确定网络的节点、边及流、构建MN2.建立MN的流平衡方程及化学计量矩阵3.进行MN的路径分析和流平衡分析4.研究MN的特性，优化流通分布，评估网络的效能。

8.4.2基本概念和术语,1.代谢网络的节点、边