代谢调控

生物膜控制 底物浓度
糖合成 脂肪合成 蛋白质合成 核酸降解
2、 意义：
酶的集中分布有利于各种酶相互接近，易 于接触，并按一定顺序反应，使酶维持必需的 浓度以加快反应速度； 酶的隔离分布则避免各种代谢途径 的酶互 相干扰，有利于某些调节因素对酶行使专一性 的调节。
（二） 酶的含量调节
1、 酶的合成调节 （1） 转录水平调节
从肽链 N 末端切除42个氨基酸残基 从肽链N末端切除六肽 内切14-15 (ser-Arg) 147-148 (Thr-Asn) 共 两个二肽
凝血酶原
动物
有活性的 X 因子
从肽链 N 末端切除 74 个氨基酸残基,并切 断Arg323-Ile324
凝血酶
2、酶的共价修饰和级联系统
（1） 共价修饰 概念：指被修饰的酶在专一性的
另一种在转录水平调节基因表达的机制。
衰减子(Attenuator):是一种位于结构基因上 游前导区的终止子。
前导RNA序列-----两个发夹环----第二个发夹环和随后的8个尿苷酸----终止子信号
（2） 翻译水平的调节
原核生物和真核生物的调节方式是有所不同的。
原核生物mRNA翻译水平的调节：受控于5′末端与 核糖体的结合部位，该部位通常位于起始密码子AUG 上游约10个核苷酸的地方，往往由一段富含嘌呤的序 列组成，称为SD序列（Shine-Dilgavno)。凡有明显SD 序列特征性部位，翻译起始频率就高，反之则低。
组成和性质不同，可用电泳方法分离
作用 在代谢调控中起重要作用
②
正反馈：又叫反馈激活，代谢产物对催
化形成其的酶起激活作用。例磷酸烯醇式丙酮酸
（PEP）羧化酶的调节。
糖
PEP
PEP羧化酶
丙酮酸
乙酰CoA
TCA环 草酰乙酸 柠檬酸
（四）辅因子调节
1、能荷的调节 能荷（EC）=
[ATP] + 0.5[ADP]
磷酸二羟丙酮 乙酰CoA
糖
脂肪
图中1、箭头长短分别代表变化的易难、程度的大小 2、人类必需AA和脂肪酸不能通过体内互相变化 生成，须由食物供给
2、糖代谢和蛋白质代谢的相互联系
糖
丙酮 酸、草酰乙酸 α-酮戊二酸
蛋白质
1、两者通过共同的中间产物联系 2、蛋白质和氨基酸的合成所需的能量由糖代谢提供 3、当糖供应不足时，组织蛋白质分解加速。
(CRP)
② 衰减作用
另一种在转录水平调节基因表达的机制。
Trp 操纵子----产物阻遏常规酶的合成
调节基因 操纵基因 结构基因
mRNA 阻遏蛋白
酶代谢产物一旦大量积累
酶蛋白
阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。 阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。
原核生物基因主要是转录控制。
衰减作用(attenuation)
酶催化下，与某种小分子基团共价结合，因而发生活性 的改变，这种结合是可逆的。
例如糖原磷酸化酶：
磷酸化
脱磷酸化
有活性二聚体 无活性二聚体 a b 糖原合成酶与上述的脱磷酸化/磷酸化作用酶活的改变正好相反
a．磷酸化 / 去磷酸化; b．乙酰化 / 去乙酰化; c．腺苷酰化 / 去腺苷酰化; d．尿苷酰化 / 去尿苷酰化; e．甲基化 / 去甲基化; f．(-S-S-) 氧化 /(2-SH) 还原。
（4） 酶的降解调节
蛋白质的寿命与其成熟的蛋白质N末端的 氨基酸有关，当N末端为Met、Ser、Ala、Ile、 Val和Gly时，为长命蛋白质，而N末端为Arg 和Asp时则是短命蛋白质。
• 泛肽——有选择的控制一些酶的降解
溶酶体
稳定的 酶结构
蛋白酶
氨基酸
泛肽 易被降解 的酶结构
Ubiquitin
3、蛋白质和脂肪
蛋白质
磷酸二羟丙酮 乙酰CoA
脂肪
4、核酸代谢与其他代谢的关系
（1）遗传物质 （2）合成受控 （3）参与代谢 （4）辅助成分
5、 TCA是代谢的枢纽
丙氨酸 苏氨酸 甘氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 精氨酸 组氨酸
CoASH 柠檬酸 乙酰CoA 异柠檬酸
谷氨酰胺 脯氨酸 谷氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸
（2） 级联系统
概念：连锁反应中一个酶被激活后，连续 地发生其它酶被激活，导致原始信号的放大。 这样的连锁反应系统称为级联系统。激素或神 经递质为原始信号，作用于胞膜外侧的受体， 从而使细胞内产生第二信使，这是一级放大作 用。第二信使活化一些特异的酶系，又进行二 级、三级的放大。例如肾上腺素引起的级联系 统：
半乳糖苷转乙酰酶 半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶
调节基因
mRNA 阻遏蛋白 酶蛋白
诱导物（乳糖）
操纵基因——基因合成的开关 关——阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达
开——诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。
lac 操纵子的正调控—分解代谢物阻遏
CAP---降解物基因活化蛋白
分解代谢物激活蛋白，cAMP受体蛋白
（ 3）
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）
DNA 转录初产物 RNA
1 转录前调节
[ATP]+[ADP]+[AMP]
EC高，则ATP多， 抑制ATP的生成（分解代谢） 却促进ATP的利用（合成代谢）
2、[NAD+]/[NADH]和[NADP+]/[NADPH] 3、金属离子的调节
磷酸戊糖途径
辅酶H2 三羧酸循环 甘油 α-酮戊二酸 乙醛酸循环 磷脂 储存脂肪 丝 CO2 氨基酸 甲硫 组织蛋白质 食 物 蛋 白 质
磷酸戊糖 ATP
辅酶H2
甲酸 ADP CO2 NH3 核酸 H2 O 基因
呼 吸 链
ATP
生糖 氨基酸
NH
3
ATP 尿素
酶
甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺
二、 物质代谢调节概论
2 转录调节
3 转录后加工的调节
细胞核膜
4 转运调节
mRNA
5 翻译调节
生 命
蛋白质前体
6 翻译后加工的调节
各种生命 7 mRNA降解的调节 问题与这 些调节密 [ mRNA降解物 ] 切相关。
活性蛋白质——包括酶
A 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——
Chapter 10
代谢调节
Metabolic Regulation
一、代谢途径的互相联系
（一） 代谢网络
物质代谢---联系---转化—
TCA环则是糖、脂肪和蛋白质三大物质互相 转化的枢纽。
没有孤立的代谢生化反应，所有都是生化反应网络中的节点。
中间产物：
G-6-P、丙酮酸、乙酰辅酶A
1 糖代谢和脂肪代谢的相互联系
反馈与前馈
（1） 前馈作用 ①正前馈：在代谢途径中前面的底物对其后面某 一调节酶起激活作用。
葡萄糖
G-6-P
糖原合成酶
糖原
②负前馈：在代谢途径中前面的底物对其后面 某一调节酶起抑制作用。
CO2 + H2O + ATP +
丙二酸单酰CoA
乙酰CoA 羧化酶
乙酰CoA
+
ADP + Pi
（2） 反馈作用
1、意义：
环境-----自动调节-----适应-----生存
物质代谢调节实质是对催化代谢反应的酶进 行调节， ----保持----平衡----适应----生存和发展
2、 调节方式
代谢调节在三种水平上进行
细 胞 水 分子 平 水平 调 调节 节
多 细 胞 水 平 调 节
三、 细胞、分子水平调节
概念：最基本和最重要。 通过代谢物的浓度的改变来影响细胞内 酶的活性和含量，从而调节代谢过程速度。
①酶的集中隔离分布
②酶的含量
合成
降解
酶的共价修饰 前馈和反馈作用 酶原激活
ห้องสมุดไป่ตู้
③酶的活性
（一）酶的集中隔离分布调节
1、 概念：催化某一代谢途径的酶组成一个多 酶体系，集中并隔离于细胞内的特定部位。如 EMP途径酶存在胞液中；TCA环的酶系定位 在线粒体中等。
代谢的调控的区域化
DNA、RNA 合成
糖降解 脂肪酸降解 硬脂酸等的合成 呼吸链
• 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
B 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
C 翻译水平的调节：主要是控制mRNA的稳 定性和有选择的进行翻译。 mRNA的加帽 和加尾修饰有利于mRNA的稳定。
①
负反馈： ：代谢产物对催化形成其的酶起抑制
作用。这种类型最常见。
A. 单价反馈抑制
己糖激酶
葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
发酵工业如何克服产物抑制尽可能提高产物收率？ 与分离手段偶联、加大生物膜透性
B 二价或多价反馈抑制
B1 顺序反馈抑制
d
X Y
A
a
B
b
C
c
D
d/
顺序反馈抑制
B2 协同反馈抑制
d
X Y
操纵子及调节基因示意图
操纵子Operon : 基因表达的协调单位,它们有共同的控制区和 调节系统。包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位.
乳糖操纵子模型
负调控
正调控
诱导物
操 纵 子 的 调 控 模 型
诱导物
辅阻遏物
辅阻遏物
大肠杆菌乳糖酶诱导合成---调节基因产物对转录的调控
结构基因 操纵基因 乳糖酶基因
激素激活了一个连锁信号放大，酶D浓度巨升，整个反应速度大幅度提
高。（四两拨千斤 ） 激素对酶的连续激活 激素 激素受体
• 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）
激活
环化酶
ATP
酶A(无活性）
cAMP +PPi
100 （浓度）
酶A(有活性） 104
106 酶B(有活性） 108
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。
半乳糖酶
乳糖
醣酵解
① 操纵子模型（operon model)：是原核生 物基因表达的调节机制。大肠杆菌乳糖操纵 子是第一个被发现的操纵子（Monod和Jacob， 1961）
一旦泛肽和蛋白质结合，蛋白质水解酶即能识别并降解该蛋白质。
（三） 酶的活性调节
这是一种更加灵敏、精细、迅速的调节。能直接使 酶分子激活或失活，使有活性的酶增强或减弱。 这种调节方式有：酶原激活、酶的共价修饰和级 联系统、前馈和反馈作用等。
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
1、 酶原激活
酶原 名称 胃蛋白酶原 胰蛋白酶原 胃蛋白酶 羧肽酶原 弹性蛋白酶原 木瓜蛋白酶原 合成部位 胃黏膜 胰 胰 胰 胰 植物 因素 部位 途径
活化 活性酶 胃蛋白酶 胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 羧肽酶 弹性蛋白酶 -S-S-→-SH还原 木瓜蛋白酶
≤pH2(HCl) 胃蛋白酶 胃腔 肠激酶 胰蛋白酶 胰蛋白酶 胰蛋白酶 胰蛋白酶 硫醇 小肠腔 小肠腔 小肠腔 小肠腔
丙酮酸
草酰乙酸
乙酰乙酰CoA 苯丙氨酸 酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺
α-酮戊二酸
缬氨酸
琥珀酰C oA 苹果酸 三羧酸循环 延胡索酸
苯丙氨酸 酪氨酸
糖原
食 物 糖 葡糖-6-磷酸 酵解 中间物
乳酸 发酵 磷酸烯醇 食物脂肪 丙酮酸 式丙酮酸 辅酶H2 CO2 糖异生 CO2 乙酰CoA 脂肪酸 甘油
酶C(有活性）
酶B(无活性）
酶C(无活性）
1010 酶D(有活性） 极大代谢反应
酶D(无活性）
如胰岛 素对糖 原降解 的激活； 生长素 抑制糖 原分解 等等。
3 前馈和反馈作用
变构酶,别构酶
-----催化部位 -----结合部位 -----调节部位←←←配体 or 别构效应物
V
米氏酶
变构酶 [S]
A
a
B
b
C
c
D
d/
B3 积累反馈抑制
d
X Y
A
a
B
b
C
c
D
d/
累积反馈抑制
B4 同工酶反馈抑制
d
X Y
A
a/ a
B
b
C
c
D
d/
同工酶
概念 催化相同反应但其分子结构、理化性质、 免疫学性质有所不同的一组酶 乳酸脱氢酶（LDH）由H和M亚基以不同比 例组成四聚体酶共5种：
R亚基
H亚基
特点 活性中心相同或相似；多亚基；结构、