第16章 物质代谢的调节控制
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调节激素的分泌来实现的。
本章要点
1.代谢调节的三个水平及地位；
2.糖代谢与脂肪代谢的联系；
3.分子水平调节的种类；
4.共价修饰与别构修饰的区别； 5.激素的概念； 6.第二信使是什么？
S0
E0
S1
E1
En-1 E n-1
Sn
反馈
（1）别构调节
•具有别构调节作用的酶大多数为寡聚酶，一般由两
个或两个以上的亚基组成。
小分子化合物与酶分子活性中心以外的
某一部位（别构部位）特异结合，引起酶蛋
白分子构象变化，从而改变酶的活性，这种
调节称为酶的变构调节或别构调节。
•变构调节的机制
催化亚基
变构酶
某些人工合成或天然存在的化学物质也具有调控功能，
主要是表现在对酶的活性影响方面。
16.4 多细胞整体水平的调节
1. 激素对代谢的调节
激素是由多细胞生物的特殊细胞所合成、并经体
液输送到其他部位显示特殊生理活性的微量化学物质。
哺乳动物的激素根据化学本质大致分为4类：
氨基酸及其衍生物； 肽及蛋白质； 固醇 脂肪酸衍生物
蛋白激酶
Thr Ser -O-PO32-
磷蛋白磷酸酶
Pi H2O
Tyr
酶蛋白
磷酸化的
酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
•共价修饰调节与别构调节区别 •修饰集团以共价键与酶分子结合；
•修饰过程是酶促反应，对调节信号有放大效应
• 同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。 •磷酸化与脱磷酸是最常见的共价修饰方式。
一类具有生理活性的物质总称，已发现几十种，广泛存在
于生殖系统及其他组织中。
基本结构：含一个戊烷环及两个脂肪侧链，是一种二十碳脂肪酸。在侧
链的C-13和C-14之间有双键，C-15含有一个羟基。
不同前列腺素的区别在于：戊烷环上双键位置和取代基的区别。
33
34
• 激素作用机制
内、外环境改变 机体相关组 织分泌激素
活性的互变状态，从而调节酶的活性，这种调节称为
酶的共价修饰调节作用。 •磷酸化 - - - 去磷酸化
•乙酰化 - - - 脱乙酰化 •甲基化 - - - 去甲基化 •腺苷化 - - - 脱腺苷化
•尿苷化 - - - 脱尿苷化 • SH 与 – S — S – 互变
ATP
ADP
Thr
Ser Tyr -OH
脂类分子中的甘油 丙酮酸
草酰乙酸
氨基酸
—酮戊二酸
脂肪酸
-氧化 乙酰辅酶A
TCA循环
草酰乙酸
—酮戊二酸
乙醛酸循环
苹果酸 琥珀酸
氨基酸
蛋 白 质
生酮氨基酸 生糖氨基酸
乙酰乙酸 丙酮酸
脂肪酸 甘油 乙酰辅酶A
脂肪
丙二酸单酰辅酶A
4. 核酸与其他物质代谢的相互关系
蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原 料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又 是戊糖的来源。
-羟丁酸
在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。
2. 糖代谢与蛋白质代谢的关系
糖可以转变为非必需氨基酸。 蛋白质可以转变为糖。
3. 脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系
由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的， 实际上仅限于Glu。
蛋白质间接地转变为脂肪。
脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体 内贮藏能量的物质。
胰岛素缺乏分泌不足时，产生高血糖症，糖尿病
机体丧失主要能量来源 酮体供能
酮血症、酸中毒
31
•肾上腺皮质素（类固醇激素）
类固醇激素是脂溶性激素，在结
构上都是环戊烷多氢菲衍生物。
生理功能：
调节糖代谢：抑制糖的氧化，使血糖升高；促进蛋白质转化为糖；
调节盐水代谢：促使体内保留钠离子，排除过多钾离子；
32
•前列腺素（脂肪酸衍生物）
调节亚基
变构效应剂： 底物、终产物 其他小分子代谢物 乙酰CoA
乙酰CoA羧化酶
丙二酰CoA
长链脂酰CoA
变构效应剂 + 酶的调节亚基 疏松 紧密 酶的构象改变 亚基聚合 亚基解聚 酶分子多聚化 酶的活性改变 （激活或抑制 ）
（3）共价修饰调节作用
酶蛋白肽链上某些集团在酶的催化下发生可逆的
共价修饰(covalent modification)，使酶处于活性与无
C
B
A trpmRNA
p
o
E
D
C
B
A
色氨酸结合到阻抑物使它激活
trp
16.3 细胞水平的调节
代谢酶类区域化具有的生理意义即是实现代谢调控的
一个原始方式。
细胞- 酶水平调控是通过调节细胞内的酶的种类、数
量、分布或活性来控制各种代谢过程或生理过程。
这类调控主要包括：细胞膜结构的调控作用和酶的活
性调控作用。
核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制 蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类 型
16.2 分子水平的调节
0、分子水平的调节即酶水平的调节，是最基本的代谢
调节 别构效应 酶活性的调节 共价修饰 酶浓度的调节——基因表达调节
（快速调节）
（慢速调节）
1. 酶活性的调节
（1）反馈调节
酶促反应系统中的最终产物对起始步骤的酶的活 性的调节作用 （正反馈、负反馈）
•碘化过程发生在甲状腺球蛋白分子中的酪氨酸残基上
OH 29
•胰岛激素（多肽蛋白质类激素）
人的胰岛主要有α 、β 、δ 三种细胞
胰高血糖素 胰岛素
含51个氨基酸残基
30
胰岛素生理功能
促进细胞摄取葡萄糖
促进肝糖原和肌糖原的合成 抑制肝糖原的分解 抑制细胞内腺苷酸环化 酶活性，使cAMP产生显 著减少。
16.0 概述
1.生物体内各种代谢途径相互联系，有条不紊进行
代谢调节 普遍存在于生物界，是新陈代谢的重要途径之一 2. 代谢调节在3个不同水平上进行 •
•
分子水平（酶水平）
细胞水平
最基本调节方式
•
多细胞整体水平（激素调节、神经调节）
16.1 物质代谢的相互联系
1. 糖代谢与脂肪代谢的相互关系 •糖可以在生物体内变成脂肪。（北京鸭的故事）
39
cAMP为第二信使的作用机理
第二信使学说 认为一种激素的作用在于把某种调节信息由分泌细胞 带到靶细胞，所以激素是第一信使。 激素本身并不进入细胞内部，而是通过靶细胞膜上的激 素受体再激活腺苷酸环化酶，使ATP转变成环腺苷酸 （cAMP）。 细胞内的cAMP的变化，引起了细胞特有的代谢活动 发生变化，这种变化则表现出特有的生理现象。 这里，cAMP起到了把第一信使传来的信息传递到细胞 内的作用，故把细胞内的cAMP称为激素作用的第二信使。
40
第二信使cAMP激活蛋白激酶A(PKA)的机制
2.神经系统对代谢的调节
人及高等动物具有高度发达的神经系统，这类生
物的各种活动和代谢的调节机制都处于中枢神经系
统的控制之下。神经系统既直接影响各种酶的合成，
又影响内分泌腺分泌激素的种类和水平，所以神经
系统的调节具有整体性特点。
神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过
含 氮 激 素
27
视丘下部
脑下垂体
甲状腺 甲状旁腺 肾上腺
胰腺
雄性激素
雌性激素
28
•甲状腺激素（氨基酸衍生物）
大量 •活性： （5~10） 甲状腺素 =
少量
三碘甲腺原氨酸
O H2N CH C CH2 OH
•均是Tyr的衍生物，且均为L-构型！
•吸碘能力最强，可将体内70%~80%的碘富集在其中
结构基因
阻遏蛋白 诱导物
mRNA 酶蛋白
诱导物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白 不能阻挡操纵基因，结构基因表达。
Jacob and Monod的乳糖操纵子（大肠杆菌的乳 糖操纵子是第一个被发现的操纵子） 实验：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长， 优先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽时，在乳糖的诱 导下，作用于乳糖的酶才产生，细菌开始利用乳 糖。
乳糖操纵子的诱导
乳糖操纵子的阻遏
（2）酶的阻遏
调节基因 操纵基因
结构基因
调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA 酶蛋白
辅阻遏物
代谢产物与阻遏蛋白结 阻遏蛋白不能与操纵基因结合， 合，使之构象发生变化 与操纵基因结合，结构基 结构基因表达 因不能表达
E. coli 色氨酸操纵子模型
无活性阻抑物
o
E
D
靶细胞产生生物学 效应，适应内外环 境改变
激素与靶细胞 上的受体结合
• 激素作用方式
1. 膜受体激素的作用方式
2. 胞 内 受 体 激 素 的 作 用 方 式
cAMP （第二信使）
环腺嘌呤核苷酸是最重要的一种调控信号分子。 功能：激活代谢酶
38
腺苷酸环化酶也是一种膜结合蛋白，它 的催化部位面向胞液。在Mg2＋存在下, 它能催化ATP转变成cAMP。
Jacob and Monod的操纵子模型（1961） 1.操纵子：是基因表达的协调单位，由调节基因、操纵 基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。 操纵基因受调节基因产物的控制。 2.酶合成的诱导与阻遏的操纵子模型 （1）酶的诱导
调节基因 阻遏蛋白 阻遏蛋白阻挡操纵基因， 结构基因不表达。 操纵基因 结构基因 调节基因 操纵基因
级联放大系统：在一系列反应中，一个酶被共价修饰 活化后又引起后续反应中每个酶的共价活化，这样逐 级将信号放大的系统。
演 示
2.基因表达的调节(酶浓度调节）
酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。
（1）原核生物基因表达调节
乳糖操纵子模型。
（2）真核生物基因表达的调控 为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调 控、转录后水平的调控、翻译水平调控、翻译后水平 调控。
•脂肪不能大量转变为糖，除了油料作物种子。
磷酸二羟丙酮 糖
甘油
脂肪
丙酮酸
-甘油磷酸 脂肪酸
-氧化
乙酰CoA
脂肪酸
脂 肪
磷酸二羟丙酮 乙酰辅酶A
乙醛酸 循环
糖 琥珀酸
丙酮酸
草酰乙酸 （植物）
（动物）
TCA循环
糖尿病 ：
脂肪 酮体
乙酰乙酸
丙 酮
CO2+ H2O
在血液中产生 酸中毒或到达肌 肉中提供能源
本章要点
1.代谢调节的三个水平及地位；
2.糖代谢与脂肪代谢的联系；
3.分子水平调节的种类；
4.共价修饰与别构修饰的区别； 5.激素的概念； 6.第二信使是什么？
S0
E0
S1
E1
En-1 E n-1
Sn
反馈
（1）别构调节
•具有别构调节作用的酶大多数为寡聚酶，一般由两
个或两个以上的亚基组成。
小分子化合物与酶分子活性中心以外的
某一部位（别构部位）特异结合，引起酶蛋
白分子构象变化，从而改变酶的活性，这种
调节称为酶的变构调节或别构调节。
•变构调节的机制
催化亚基
变构酶
某些人工合成或天然存在的化学物质也具有调控功能，
主要是表现在对酶的活性影响方面。
16.4 多细胞整体水平的调节
1. 激素对代谢的调节
激素是由多细胞生物的特殊细胞所合成、并经体
液输送到其他部位显示特殊生理活性的微量化学物质。
哺乳动物的激素根据化学本质大致分为4类：
氨基酸及其衍生物； 肽及蛋白质； 固醇 脂肪酸衍生物
蛋白激酶
Thr Ser -O-PO32-
磷蛋白磷酸酶
Pi H2O
Tyr
酶蛋白
磷酸化的
酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
•共价修饰调节与别构调节区别 •修饰集团以共价键与酶分子结合；
•修饰过程是酶促反应，对调节信号有放大效应
• 同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。 •磷酸化与脱磷酸是最常见的共价修饰方式。
一类具有生理活性的物质总称，已发现几十种，广泛存在
于生殖系统及其他组织中。
基本结构：含一个戊烷环及两个脂肪侧链，是一种二十碳脂肪酸。在侧
链的C-13和C-14之间有双键，C-15含有一个羟基。
不同前列腺素的区别在于：戊烷环上双键位置和取代基的区别。
33
34
• 激素作用机制
内、外环境改变 机体相关组 织分泌激素
活性的互变状态，从而调节酶的活性，这种调节称为
酶的共价修饰调节作用。 •磷酸化 - - - 去磷酸化
•乙酰化 - - - 脱乙酰化 •甲基化 - - - 去甲基化 •腺苷化 - - - 脱腺苷化
•尿苷化 - - - 脱尿苷化 • SH 与 – S — S – 互变
ATP
ADP
Thr
Ser Tyr -OH
脂类分子中的甘油 丙酮酸
草酰乙酸
氨基酸
—酮戊二酸
脂肪酸
-氧化 乙酰辅酶A
TCA循环
草酰乙酸
—酮戊二酸
乙醛酸循环
苹果酸 琥珀酸
氨基酸
蛋 白 质
生酮氨基酸 生糖氨基酸
乙酰乙酸 丙酮酸
脂肪酸 甘油 乙酰辅酶A
脂肪
丙二酸单酰辅酶A
4. 核酸与其他物质代谢的相互关系
蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原 料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又 是戊糖的来源。
-羟丁酸
在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。
2. 糖代谢与蛋白质代谢的关系
糖可以转变为非必需氨基酸。 蛋白质可以转变为糖。
3. 脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系
由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的， 实际上仅限于Glu。
蛋白质间接地转变为脂肪。
脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体 内贮藏能量的物质。
胰岛素缺乏分泌不足时，产生高血糖症，糖尿病
机体丧失主要能量来源 酮体供能
酮血症、酸中毒
31
•肾上腺皮质素（类固醇激素）
类固醇激素是脂溶性激素，在结
构上都是环戊烷多氢菲衍生物。
生理功能：
调节糖代谢：抑制糖的氧化，使血糖升高；促进蛋白质转化为糖；
调节盐水代谢：促使体内保留钠离子，排除过多钾离子；
32
•前列腺素（脂肪酸衍生物）
调节亚基
变构效应剂： 底物、终产物 其他小分子代谢物 乙酰CoA
乙酰CoA羧化酶
丙二酰CoA
长链脂酰CoA
变构效应剂 + 酶的调节亚基 疏松 紧密 酶的构象改变 亚基聚合 亚基解聚 酶分子多聚化 酶的活性改变 （激活或抑制 ）
（3）共价修饰调节作用
酶蛋白肽链上某些集团在酶的催化下发生可逆的
共价修饰(covalent modification)，使酶处于活性与无
C
B
A trpmRNA
p
o
E
D
C
B
A
色氨酸结合到阻抑物使它激活
trp
16.3 细胞水平的调节
代谢酶类区域化具有的生理意义即是实现代谢调控的
一个原始方式。
细胞- 酶水平调控是通过调节细胞内的酶的种类、数
量、分布或活性来控制各种代谢过程或生理过程。
这类调控主要包括：细胞膜结构的调控作用和酶的活
性调控作用。
核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制 蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类 型
16.2 分子水平的调节
0、分子水平的调节即酶水平的调节，是最基本的代谢
调节 别构效应 酶活性的调节 共价修饰 酶浓度的调节——基因表达调节
（快速调节）
（慢速调节）
1. 酶活性的调节
（1）反馈调节
酶促反应系统中的最终产物对起始步骤的酶的活 性的调节作用 （正反馈、负反馈）
•碘化过程发生在甲状腺球蛋白分子中的酪氨酸残基上
OH 29
•胰岛激素（多肽蛋白质类激素）
人的胰岛主要有α 、β 、δ 三种细胞
胰高血糖素 胰岛素
含51个氨基酸残基
30
胰岛素生理功能
促进细胞摄取葡萄糖
促进肝糖原和肌糖原的合成 抑制肝糖原的分解 抑制细胞内腺苷酸环化 酶活性，使cAMP产生显 著减少。
16.0 概述
1.生物体内各种代谢途径相互联系，有条不紊进行
代谢调节 普遍存在于生物界，是新陈代谢的重要途径之一 2. 代谢调节在3个不同水平上进行 •
•
分子水平（酶水平）
细胞水平
最基本调节方式
•
多细胞整体水平（激素调节、神经调节）
16.1 物质代谢的相互联系
1. 糖代谢与脂肪代谢的相互关系 •糖可以在生物体内变成脂肪。（北京鸭的故事）
39
cAMP为第二信使的作用机理
第二信使学说 认为一种激素的作用在于把某种调节信息由分泌细胞 带到靶细胞，所以激素是第一信使。 激素本身并不进入细胞内部，而是通过靶细胞膜上的激 素受体再激活腺苷酸环化酶，使ATP转变成环腺苷酸 （cAMP）。 细胞内的cAMP的变化，引起了细胞特有的代谢活动 发生变化，这种变化则表现出特有的生理现象。 这里，cAMP起到了把第一信使传来的信息传递到细胞 内的作用，故把细胞内的cAMP称为激素作用的第二信使。
40
第二信使cAMP激活蛋白激酶A(PKA)的机制
2.神经系统对代谢的调节
人及高等动物具有高度发达的神经系统，这类生
物的各种活动和代谢的调节机制都处于中枢神经系
统的控制之下。神经系统既直接影响各种酶的合成，
又影响内分泌腺分泌激素的种类和水平，所以神经
系统的调节具有整体性特点。
神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过
含 氮 激 素
27
视丘下部
脑下垂体
甲状腺 甲状旁腺 肾上腺
胰腺
雄性激素
雌性激素
28
•甲状腺激素（氨基酸衍生物）
大量 •活性： （5~10） 甲状腺素 =
少量
三碘甲腺原氨酸
O H2N CH C CH2 OH
•均是Tyr的衍生物，且均为L-构型！
•吸碘能力最强，可将体内70%~80%的碘富集在其中
结构基因
阻遏蛋白 诱导物
mRNA 酶蛋白
诱导物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白 不能阻挡操纵基因，结构基因表达。
Jacob and Monod的乳糖操纵子（大肠杆菌的乳 糖操纵子是第一个被发现的操纵子） 实验：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长， 优先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽时，在乳糖的诱 导下，作用于乳糖的酶才产生，细菌开始利用乳 糖。
乳糖操纵子的诱导
乳糖操纵子的阻遏
（2）酶的阻遏
调节基因 操纵基因
结构基因
调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA 酶蛋白
辅阻遏物
代谢产物与阻遏蛋白结 阻遏蛋白不能与操纵基因结合， 合，使之构象发生变化 与操纵基因结合，结构基 结构基因表达 因不能表达
E. coli 色氨酸操纵子模型
无活性阻抑物
o
E
D
靶细胞产生生物学 效应，适应内外环 境改变
激素与靶细胞 上的受体结合
• 激素作用方式
1. 膜受体激素的作用方式
2. 胞 内 受 体 激 素 的 作 用 方 式
cAMP （第二信使）
环腺嘌呤核苷酸是最重要的一种调控信号分子。 功能：激活代谢酶
38
腺苷酸环化酶也是一种膜结合蛋白，它 的催化部位面向胞液。在Mg2＋存在下, 它能催化ATP转变成cAMP。
Jacob and Monod的操纵子模型（1961） 1.操纵子：是基因表达的协调单位，由调节基因、操纵 基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。 操纵基因受调节基因产物的控制。 2.酶合成的诱导与阻遏的操纵子模型 （1）酶的诱导
调节基因 阻遏蛋白 阻遏蛋白阻挡操纵基因， 结构基因不表达。 操纵基因 结构基因 调节基因 操纵基因
级联放大系统：在一系列反应中，一个酶被共价修饰 活化后又引起后续反应中每个酶的共价活化，这样逐 级将信号放大的系统。
演 示
2.基因表达的调节(酶浓度调节）
酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。
（1）原核生物基因表达调节
乳糖操纵子模型。
（2）真核生物基因表达的调控 为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调 控、转录后水平的调控、翻译水平调控、翻译后水平 调控。
•脂肪不能大量转变为糖，除了油料作物种子。
磷酸二羟丙酮 糖
甘油
脂肪
丙酮酸
-甘油磷酸 脂肪酸
-氧化
乙酰CoA
脂肪酸
脂 肪
磷酸二羟丙酮 乙酰辅酶A
乙醛酸 循环
糖 琥珀酸
丙酮酸
草酰乙酸 （植物）
（动物）
TCA循环
糖尿病 ：
脂肪 酮体
乙酰乙酸
丙 酮
CO2+ H2O
在血液中产生 酸中毒或到达肌 肉中提供能源