第十四章 物质代谢的相互联系和调节控制
生物化学第十四章物质代谢调节
难点：
酶的诱导和阻遏的调节机制
第一节 物质代谢的调节类型特点
一. 神经系统的调节作用
在中区神经的控制下，通过神经递质对效应器发生 直接影响；或者改变某些激素的分泌，再通过各种激 素的相互协调，对整个代谢进行综合调 节。
特点：
短而快 具整体性 直接调 节代谢的作用 多数通过激素发挥作用
二. 激素水平的调节
第五节细胞水平的诱导与阻遏调节机制
一、构成酶与适应酶
根据酶的合成对环境影响的反应不同:
1.构成酶/组成酶
2.适应酶 诱导酶 阻遏酶
二、酶合成的诱导机制---乳糖操纵子
(一）阻遏蛋白的负调控
1. 关闭(无乳糖)
调节基因 操纵 启动子 基因 lacZ lacY
lacA
mRNA
蛋白质 阻遏蛋白 (有活性) Z: -半乳糖苷酶 Y: -半乳糖苷透过酶
通过改变生物体细胞代谢物的浓度,也可以改变某些 酶的活性或含量从而影响代谢反应的速度。
具组织特异性和效应特异性 缓慢而持久 特点： 局部性调 节部分代谢 由神经系统控制分泌
三. 细胞水平的调节
通过代谢物的浓度的改变,来调 节某些酶促反应的速度。 又称酶水平的调节 酶的活性 特点： 酶的数量
细胞水平的调节类型：
3.沉寂子（silencer）
最早在酵母中发现，以后在T淋巴细胞的T抗原受体基因的 转录和重排中证实沉寂子的作用的存在。 作用特点： 负调控顺式元件 可不受序列方向的影响 距离发挥作用 并可对异源基因的表达起作用
如： UAS（upstream acticity sequence） CAATbox（－70～－80） GC BOX（－80～－110）
(放大效应)
激素与受体结合 激活腺苷酸环化酶
代谢的相互联系及调控-精选
操纵元结构
操 纵 子 的 调 控 模 型
乳糖操纵子模型
①乳糖诱导的负调控
②CAP-cAMP对转录的正调控
cAMP的作用
大肠杆菌二阶段生长现象
大肠杆菌色氨酸操纵子
①有Trp存在时 ②无Trp存在时
大肠杆菌色氨酸操纵子--衰减子模型
前导序列
UUUUU
真核生物基因表达调控
基因
不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包
括启动基因和操纵基因（控制基因）
基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发 育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套 核酸。
原核生物基因组的特点
染色体基因组为一条环状双链DNA分子 基因组小，不编码的DNA部份所占比例很小 结构基因一般是单拷贝，但是编码rRNA的基
● 一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约 蛋白质的消耗。
● 任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约 其他物质的降解。
例如
脂肪分解增强
ATP 增多 ATP/ADP 比值增高
糖分解被抑制
6-磷酸果糖激酶-1被抑制 （糖分解代谢限速酶之一）
一、糖 脂
1. 摄入的糖量超过能量消耗时
合成糖原储存（肝、肌肉）
脂肪
甘油
某些非必需氨基酸
α-磷酸甘油
糖酵解途径
丙酮酸
其他α-酮酸
—— 但不能说，脂类可转变为氨基酸。
四、核酸与糖、脂和蛋白质
１.核酸是细胞的遗传物质，控制蛋白质的合成，影响细胞的成分 和代谢类型； ２.核酸本身受其它物质（如蛋白质）的作用和控制；
嘌呤环的合成需要Gly,Asp,Gln等 核酸的合成需要酶及多种蛋白因子
ATP
物质代谢的相互调节和联系
共同中间物进 入三羧酸循环, 氧化脱下的氢由 电子传递链传递 生成H2O，释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在ATP 中。
目录
二、代谢调节
内外环境 不断变化
影响机体代谢
适应环境 的变化
机体有精细的调节 机制，调节代谢的 强度、方向和速度
目录
三、各组织、器官物质代谢各具特色
不同的组 织、器官
草酰乙酸 延胡索酸
Arg
α- 酮戊二酸 Glu His
Pro
琥珀酸
Val, Ile, Met, Thr
目录
第三节
组织、器官的代谢特点及联系
Metabolic Specialty and Interrelationships of Tissues and
Apparatus
目录
肝
• 是机体物质代谢的枢纽。 • 在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具
第九章
物质代谢的联系与调节
Metabolic Interrelationships and Regulation
目录
第一节 物质代谢的特点
The Specialty of Metabolism
目录
第一节 物质代谢的特点
㈠ 整体性 ㈡ 代谢调节 ㈢ 各组织、器官物质代谢各具特色 ㈣ 各种代谢物均具有各自共同的代谢池 ㈤ ATP是机体能量利用的共同形式 ㈥ NADPH是合成代谢所需的还原当量
目录
一、整体性
脂类 糖类
蛋白质
水 无之间互有联系，相互依存。
目录
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 （氧化）
物质代谢相互联系与调节控制
脂肪酸
脂类
甘油 —甘油磷酸 磷酸二羟丙酮 糖 脂肪酸—氧化乙酰辅酶乙A醛酸循琥环珀酸 草酰乙酸 丙酮酸
TCA CO2+H2O
糖尿病：脂肪
酮体（乙酰乙酸、
丙酮、-羟丁酸）
在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况
在血液中产生酸 中毒或到达肌肉 中提供能源
物质代谢相互联系与调节控制
4. 核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的关
代谢调节作用可在不同水平上进行：低等的单细胞生 物是通过细胞内酶的调节而起作用的；多细胞生物则 有更复杂的激素调节和神经调节。
细胞内酶的调节是最基本的调节方式。酶的调节是从 酶的区域化、酶的数量和酶的活性三个方面对代谢进 行调节的。
物质代谢相互联系与调节控制
操纵子是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由 启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个 结构基因组成 。 转录后的调节包括，真核生物mRNA转录后的加工， 转录产物的运输和在细胞中的定位等 。 翻译水平上的调节包括，mRNA本身核苷酸组成和排 列（如SD序列），反义RNA的调节，mRNA的稳定性 等方面 。 酶活性的调节是直接针对酶分子本身的催化活性所进 行的调节，在代谢调节中是最灵敏、最迅速的调节方 式。主要包括酶原激活、酶的共价修饰、反馈调节、 能荷调节及辅因子调节等。
物质代谢相互联系与调节控制
➢ 大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被发现的 操纵子（Monod和Jacob，1961）
➢ 大肠杆菌通常利用葡萄糖作为碳源，通 常情况下环境中乳糖极少，降解乳糖的 酶不被合成，其实质是乳糖降解酶基因 不表达。
物质代谢相互联系与调节控制
乳糖操纵子模型
物质代谢相互联系与调节控制
大肠杆菌乳糖酶诱导合成---调节基因产物对转录的调控
物质代谢的相互联系与调控PPT课件
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２．蛋白质转变为脂肪 ⑴实验：用只含蛋白质的膳食饲养动物，动物
能在体内存积脂肪——证明蛋白质可在动物体 内转变成脂肪，不过这种转变可能是间接的。 ⑵生酮氨基酸和生糖兼生酮氨基酸（如酪氨酸、 苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸、赖氨 酸）在代谢过程中生成乙酰辅酶A；乙酰辅酶A 循脂肪酸合成途径，即可合成脂肪酸。 生糖氨基酸可以直接或间接生成丙酮酸，丙酮 酸可以变成甘油，也可以在氧化脱羧变成乙酰 辅酶A后生成脂肪酸。
其他如精氨酸、组氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、瓜 氨酸均可通过谷氨酸转变成α-酮戊二酸，再转 变成糖原。
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苯丙氨酸、酪氨酸可以先转变成延胡索酸、 沿三羧酸循环变成草酰乙酸，再转变成糖 原。
丝氨酸、甘氨酸、苏氨酸、色氨酸、胱氨 酸、缬氨酸、半胱氨酸等均可先转变成丙 酮酸，再变成糖原。
另外，异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸可转 变成琥珀酰辅酶A，也可以转变成糖原。
6-磷酸果糖
3-磷酸甘油醛
丙酮酸
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②3-磷酸甘油醛
脂肪
甘油
葡萄糖
5-磷酸核酮糖
6-Pi-葡萄糖 磷酸戊糖 途径
6-磷酸果糖
3-磷酸甘油醛
生糖氨基酸
丙酮酸
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3-磷酸甘油醛是糖酵解，磷酸戊糖途径 及糖异生的共同中间代谢产物，脂肪分 解产生的甘油通过甘油激酶催化也可形 成 3-磷酸甘油醛，另外，生糖氨基酸脱 氨以后可转变为3-磷酸甘油醛。所以， 3-磷酸甘油醛可以联系糖、脂质及氨基 酸代谢。
糖 丙酮酸 乙酰辅酶A 脂肪酸
生物化学-第十四章物质代谢调节
第五节细胞水平的诱导与阻遏调节机制
一、构成酶与适应酶
根据酶的合成对环境影响的反应不同:
1.构成酶/组成酶 2.适应酶
诱导酶 阻遏酶
二、酶合成的诱导机制---乳糖操纵子
(一）阻遏蛋白的负调控
1. 关闭(无乳糖)
调节基因
操纵
启动子 基因 lacZ lacY lacA
mRNA
蛋白质
Z: -半乳糖苷酶
通过改变生物体细胞代谢物的浓度,也可以改变某些 酶的活性或含量从而影响代谢反应的速度。
具组织特异性和效应特异性
特点：
缓慢而持久 局部性调 节部分代谢
由神经系统控制分泌
三. 细胞水平的调节
通过代谢物的浓度的改变,来调 节某些酶促反应的速度。 又称酶水平的调节
特点：
酶的活性 酶的数量
细胞水平的调节类型：
1.GTF（Genaral Transcription Factor） 通用转录因子
2.TBP(TATAbox binding protein) 是唯一能识别TATA盒并与其结合的转录因子，是三种RNA聚合酶
转录时都需要的；
不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合， 这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。现在已 经发现有许多不同的转录因子，看到的现象是：同一DNA序列可被不同 的蛋白因子所识别；能直接结合DNA序列的蛋白因子是少数，但不同的 蛋白因子间可以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白质－蛋白质间 作用与DNA序列联系并影响转录效率的
蛋白激酶 （有活性）
磷酸化酶激酶 （无活性） ATP
磷酸化酶激酶 ADP （有活性）
磷酸化酶b （无活性) ATP
磷酸化酶a ADP（有活性）
物质代谢的相互关系和调节控制
第十四章物质代谢的相互关系和调节控制在动态生物化学的学习中，我们分别研究了糖、脂肪、核酸和蛋白质的代谢，但是这样分类是人为的，只是为了便于问题的叙述。
生物体内的代谢过程不是孤立的，各代谢途径之间相互联系、相互制约，构成一个协调统一的整体。
如果这些代谢之间的协调关系受到破坏，便会发生代谢紊乱，甚至引起疾病。
机体在正常的情况下，既不会引起某些代谢产物的不足或过剩，也不会造成某些原料的缺乏或积聚，这主要是由于机体内有一套精确而有效的代谢调节机构来适应外界的变化。
本章介绍生物体内物质代谢之间的相互联系和调节控制。
第一节物质代谢的相互联系在生物体内，各类物质代谢相互联系、相互制约，在一定条件下，各类物质又可相互转化。
现将四类主要物质：糖、脂、蛋白质和核酸代谢之间的联系分别加以讨论。
一、糖代谢和脂肪代谢的联系糖可以转变为脂肪，这一代谢转化过程在植物、动物和微生物中普遍存在。
油料作物种子中脂肪的积累；用含糖多的饲料喂养家禽家畜，可以获得育肥的效果；某些酵母，在含糖的培养基中培养，其合成的脂肪可达干重的40%。
这都是糖转变成脂肪的典型例子。
二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系蛋白质由氨基酸组成。
某些氨基酸相对应的α—酮酸可来自糖代谢的中间产物。
如由糖分解代谢产生的丙酮酸、草酰乙酸、α—酮戊二酸经转氨作用可分别转变为丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。
谷氨酸可进一步转变成脯氨酸、羟脯氨酸、组氨酸和精氨酸等其它氨基酸。
三、蛋白质代谢和脂肪代谢的相互联系组成蛋白质的所有氨基酸均可在动物体内转变成脂肪。
生酮氨基酸在代谢中先生成乙酰CoA，然后再生成脂肪酸；生糖氨基酸可直接或间接生成丙酮酸，丙酮酸不但可变成甘油，也可以氧化脱羧生成乙酰CoA后生成脂肪酸，进一步合成脂肪。
脂肪水解成甘油和脂肪酸以后，变成丙酮酸和其它一些α—酮酸，所以它和糖一样，可以转变成各种非必需氨基酸。
脂肪酸经β—氧化作用生成乙酰CoA，乙酰CoA经三羧酸循环与草酰乙酸生成α—酮戊二酸，α—酮戊二酸转变成谷氨酸后再转变成其它氨基酸。
第十四章物质代谢的相互联系和调节控制.
各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP
是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合
成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。
核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，
cAMP，cGMP）。
蛋白质
核酸
核苷酸
淀粉、糖原
1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖
P O LacZ
乳糖结构基因
LacY 基 因 关 Laca 闭
阻遏蛋白 （有活性）
B、乳糖酶的诱导
调节 基因
R mRNA
启 动 操纵 子 基因 P O
乳糖结构基因 LacZ LacY Laca
mRNAZ 乳糖 阻遏蛋白 （无活性）
mRNAY
mRNAa
基 因 表 达
阻遏蛋白 （有活性）
乳糖操纵子的降解物阻遏
E. coli 色氨酸操纵子模型
p o L a E D C B A
trpR
trpP
trpO trpE trpD trpC trpB trpA
Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰 减调节。
(三)真核生物基因表达调控
真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节
DNA
DNA水平调节
转录水平调节
CAP 基因 CAP结 合部位
结构基因
P O
R
T
LacZ
LacY
Laca
T
mRNA
RNA 聚合酶
mRNAZ
mRNAY
mRNAa
基 因 表 达
CGP(CAP)
cAMP -CAP 降低cAMP浓度 使CAP呈失活状态
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第十四章物质代谢的相互联系和调节控制第一节代谢间的网络联系
⏹提问：近几年的网络化进步都带来了哪些便利？
⏹联系密切（世界范围）
⏹资源共享（世界范围）
⏹音乐网、文学网、化学网、环保网、人际关系网…………集团优势的充分体现
⏹几亿年前生物小小的细胞内就已经进化出了网络化行为——代谢网络
提问：有什么益处？
⏹资源共享—途径
⏹在满足需要的前提下，互通有无，最大限度的减少酶、代谢途径及中间产物的数量
⏹这些代谢之间是否会存在互相干扰的问题呢？
⏹是
⏹如何尽量降低其程度呢？
⏹各种代谢调控的方法
第二节代谢的调控
⏹器官层次——
⏹器官功能分化，如肝脏是主要的氧化、合成部位
⏹细胞层次——
⏹细胞器功能分化
2.1分子水平
⏹提问：如何调控呢？
⏹酶——代谢调控的开关
⏹提问：影响酶活力的因素有哪些？
⏹底物浓度、酶浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂、辅酶或辅基、别构激活抑制⏹pH、温度基本控制在定值
⏹例如温度高太耗能、低了酶活性低
⏹1.底物激活、产物抑制——前馈反馈
2.能量物质——ADP/ATP调节
⏹提问：如何调控？
⏹ADP-Pi↑—分解反应↑
⏹ATP ↑—合成反应↑
⏹背景介绍
⏹大肠杆菌通常利用葡萄糖作为碳源，通常情况下环境中乳糖极少，降解乳糖的酶
不被合成，其实质是乳糖降解酶基因不表达。
真核生物基因是多层次调控
•目前生化领域最引人注目的研究课题之一。
•研究目的——更有效地控制真核生物（动植物及人类自身）的生长发育。
•真核生物DNA中基因部分只占5%，其余大多与调控有关。
•严密控制不同部位的细胞中基因的表达—
•以实现明确的分工（代谢能力、功能）
⏹转录前调节—
⏹ 1.染色体丢失——
⏹如红细胞成熟过程中整个核丢失了。
⏹ 2.基因扩增——
⏹如受精卵细胞大量扩增rRNA基因数量，以加速蛋白质合成速度，从而加速细胞分裂速度；
⏹又如癌细胞大量扩增癌基因；
⏹ 3.甲基化——
⏹关闭该基因功能
⏹转录调节
⏹ 1.固醇激素（如动物性激素）——
⏹与基因结合，促使细胞转录加速，生长加速
⏹ 2.增强子——DNA片段
⏹产生增强蛋白加速转录速度。
B.降解调控
⏹泛肽——有选择的控制一些酶的降解
4.激素对酶的连续激活
⏹主要指肽类及氨基酸衍生物激素。
⏹（动物激素主要包括肽类、氨基酸衍生物类、固醇类激素）
5.神经信号对酶的调节
⏹高等动物特有的调节机制
⏹信号——化学信号、电信号
⏹化学信号（神经递质）——与激素连续激活原理相同；
⏹如乙酰胆碱、神经肽、氨基酸等
⏹电信号（Na+、Ca2+、K+ 在细胞内外的定向流动）——以Ca2+在细胞内
的浓度变化引起细胞内相关的酶蛋白激活或抑制。
⏹各种生物在生物化学层次完全平等⏹生物化学中具有高度的生命智慧。