《生物化学》第14章 代谢和代谢调控总论(黄纯版)
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生物调控机制是生物长期进化过程中逐步形成的。生物 进化程度愈高，调控机制愈完善、愈复杂。
生物体内的代谢调节在三种不同水平上进行： (1) (2) 细 胞 激 或 酶 素 水 平 调 调 节 节
(3) 神经调节
其中酶的调节是最基本的调节方式，是一切调节的基础。
一、细胞内或酶水平的调节
也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制 酶的活性和酶的合成量来调节酶促反应的速度和 方向，也就是调节代谢的速度和方向。
物质代谢的相互关系
生物机体内，各类物质代谢相互影响、相互转化。 三羧酸循环不仅是各类物质共同的代谢途径，而
且也是它们之间相互联系的渠道。
丙酮酸、酰基辅酶 A 、 - 酮戊二酸和草酰乙酸等
代谢物则是各类物质相互转化的重要中间产物。
丙酮酸
乙酰CoA
脂肪酸 乙酰CoA
蛋白质 Asp 葡萄糖 苹果酸 Asp Phe Tyr
2. 酶的共价修饰调节
•
酶分子上多肽链上的某些基团，在另一些酶的 催化下可与变构剂进行可逆共价结合，结合后引 起酶活性变构，使酶活力发生变化（激活或抑
制），从而达到调节效果，这种作用称为酶的共
价修饰调节。这类酶则称为共价调节酶。有如下 两个特点：
（ 1 ）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有
往往是代谢途径的第一步反应的酶（a）或是分支代谢途径 中分支点上的酶（b、c、f）或整个代谢途径中的限速酶或 催化不可逆反应的酶（c）。
A
a
B
b
C
c f
D
d
E
F
g G
（一）酶活力的调 节
1. 反馈调节和别构酶 反馈调节是生物体普遍存在的一 种调节机制。反馈抑制是指反 应终产物对自身合成途径中的 酶活力起抑制作用，大多是对 第一个酶的活力起抑制作用。 反馈抑制的效果属于负性的，
第14章 代谢和代谢调控总论
第一节 新陈代谢的概念和研究方法
• 一、物质代谢的概念 • 新陈代谢 (metabolism) 是机体与外界环境不断
进行物质交换的过程。它是通过消化、吸收、中
间代谢和排泄四个阶段来完成的。
• 中 间 代谢 (intermediary metabolism) 就 是 经
过消化、吸收的外界营养物质和体内原有的物质， 在全身一切组织和细胞中进行的多种多样的化学 变化的过程。
苹果酸
Tyr Phe Leu Ile Trp
草酰乙酸 乙酰CoA
草酰乙酸
草酰乙酸
柠檬酸
柠檬酸
脂肪酸 胆固醇 异柠檬酸 异柠檬酸
TCA
延胡索酸 延胡索酸
α-酮戊二酸
α- 酮戊二酸
琥珀酸
Glu 蛋白质
Ile Met Val Thr
琥珀酸
琥珀酰CoA
琥珀酰 CoA 血红素 奇数脂肪酸
核酸与糖、脂类和蛋白质代谢的相互联系
物 质 代 谢
大分子
二、能量代谢的概念
• （一）代谢过程中能量的变化 • （二）食物的卡价和呼吸商 • （三）基础代谢（basal metabolism)：是指人
体的清醒而安静的状态中，同时又没有食物的消 化与吸收作用的情况下（空腹），并处于适宜温 度（室温），所消耗的能量称为基础代谢。
三、物质代谢的研究方法
通过调节酶的活性，这是快速调节，在几分钟到几十分钟
内完成。
通过控制酶合成量的调节要牵涉到基因、mRNA、蛋白质 的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几 天内才能完成。
许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、
多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活 性来调节。
关键酶（Key enzyme）
① 磷酸化/脱磷酸化 ② 腺苷酰化/脱腺苷酰化 ③ 乙酰化/脱乙酰化
④ 尿苷酰化/脱尿苷酰化
⑤ 甲基化/脱甲基化
⑥ S-S/SH相互转变
磷酸化/脱磷酸化与酶活性的调节
4ATP
4ADP
OH OH
P
P
O O
磷酸化酶 b
OH OH 4Pi
磷酸化酶 a
O O P P 4H2O
（二） 酶量的调节
酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身 活动需要，严格控制细胞内各种酶的含量，对生物化学过程进行调控。 (1) 酶蛋白合成的诱导与阻遏 酶作用的底物或产物，以及激素或药物都可影响酶的合成。能加 强酶合成的作用称诱导作用；反之则称为阻遏作用。 (2) 酶分子降解速度的调节
乳糖操纵子的调控机制
1. 乳糖操纵子的诱导
当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时
细胞中 cAMP 浓度升高
乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合
cAMP 与 CRP 结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRP 与启动基因结合并促使 RNA 聚合酶与启动基因结合 基因转录激活
2. 乳糖操纵子的阻遏
改变酶分子降解速度，也能调节细胞内酶的浓度，从而达到调节酶
促反应的速度。这类调节在细胞中的重要性不如诱导和阻遏。
(1) 酶蛋白合成的诱导与阻遏
•
酶蛋白合成的诱导与阻遏的化学本质是基因 表达的调节。在细胞内，所合成的酶的种类及数 量是由特殊的基因信息决定的。DNA所携带的酶
蛋白遗传信息，需要通过转录和翻译而合成酶蛋
称为负反馈。有时终产物可激
活整个代谢反应，这种情况称 为反馈激活，也称正反馈。
有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，
还存在一个特殊的调控部位，即变构部位。
反馈调节剂与酶结构中的调控部位（变构部位）结合后， 酶分子构象发生改变，导致酶活性中心构象改变，从而调节 酶的活性。此类酶称为别构。由于变构剂与变构中心的结合 而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。 调节其活性的抑制剂和激活剂分别称为别构抑制剂和别构 激活剂。
当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时
细胞中 cAMP 浓度降低
缺乏乳糖与阻抑蛋白结合
CRP 失活 阻抑蛋白与操纵基因结合 CRP 及 RNA 聚合酶不能与 启动基因结合
基因转录被阻遏
二、激素和神经系统的调节
（一）激素的调节 1. 激素的生物合成对代谢的调节 2. 激素对酶活性的影响 3. 激素对酶合成的诱导作用
细胞膜上有各种激素受体，激素同膜上专一性受体结合所 成的络合物能活化膜上的腺苷酸环化酶。
活化后的腺苷酸环化酶能使ATP环化形成cAMP。
cAMP 能将激素从神经、底物等得来的各种刺激信息传到
酶反应中去，故称cAMP为第二信使。
3. 激素对酶合成的诱导作用
有 些 激 素 对 酶 的 合 成 有 诱 导 作 用 ， 例 如 ：
物质代谢：物质在体内进行化学变化的过程。
能量代谢：物质在体内进行物质代谢的同时，必然伴
随着能量转移的过程。
物质代谢： 同化作用 从物质交换角度 异化作用
合成代谢
从化学变化角度 分解代谢
新陈代谢图解
合成代谢 新 陈 代 谢
（同化作用）
小分子 需要能量
大分子
释放能量
能 量 代 谢 小分子
分解代谢
（异化作用）
以原核生物乳糖操纵子为例
其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其
CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因； 其 信 息 区 由 β- 半 乳 糖 苷 酶 基 因 （ lacZ ） ， 通 透 酶 基 因 （lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。
控制区
信息区
乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
1. 激素的生物合成对代谢的调节
当血液中某种激素含量偏高时，有关激素由于反馈抑制效应
即对脑垂体激素和下丘脑释放激素的分泌起抑制作用，减低其 合成速度。
当血液中某种激素浓度偏低时，即起促进作用，加速其合成。 通过有关控制机构的相互制约，即可使机体的激素浓度水平 正常而维持代谢正常运转。
2. 激素对酶活性的影响
催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方 向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。 （2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信 号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化
激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。
目前已知有6种类型的共价修饰方式：
生长激素能诱导与蛋白质合成有关的某些酶的合成，甲状腺 素能诱导呼吸作用的酶类合成，胰岛素诱导糖代谢中某些酶 的合成，性激素类诱导脂代谢酶类的合成等。
三、神经的调节
整个生物体内的代谢反应则由中枢神经系统所控制。中
枢神经系激素--细胞
控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。
控制区
调节基因（Regulatory gene）——为阻抑蛋白编码基因 启动基因（Promoter）——为 cAMP 受体蛋白（CRP）和 RNA 聚合酶结合区。 操纵基因（0perater）——为阻抑蛋白结合位点。
信息区——由一个或数个结构基因串联在一起组成。
•
代谢途径的联系：相互转变，相互制约, 同归 。 殊途
图15-2 动植物细胞膜结构 和物质代谢的联系图解（质膜、核及核仁、内质膜、线粒体）
第2节 代谢调控总论
生命现象是复杂生物化学过程综合结果。 为了保证生命活动（如生长、发育、分化、繁殖、代谢 和运动等）能够有条不紊地进行，所有生物体内发生的
生物化学过程都必须受到有效的调控。
白。在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。因 此，基因表达的调控主要在转录水平上进行 。
诱导酶
大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以 代谢乳糖的酶。
但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成 出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。
• （一）体内法（in vivo) • 1. 利用正常机体的方法 • 2. 使用病变动物法
• 3. 切除器官法
• 4. 放射性核素示踪法 • 5.致突变法 • 6.转基因法和基因敲除
（二）体外法(in vitro)
1. 脏器灌注法
2. 组织切片或匀浆法
3. 纯酶法及酶抑制法
4. 使用亚细胞成分的方法
在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳 糖水解相关的三种酶： - 半乳糖苷酶， - 半乳糖苷透性酶和
-半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。
这三个酶蛋白是大肠杆菌 DNA 上的三个结构基因经过转录和 翻译而合成的。
操纵子的结构与功能
典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调
生物体内的代谢调节在三种不同水平上进行： (1) (2) 细 胞 激 或 酶 素 水 平 调 调 节 节
(3) 神经调节
其中酶的调节是最基本的调节方式，是一切调节的基础。
一、细胞内或酶水平的调节
也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制 酶的活性和酶的合成量来调节酶促反应的速度和 方向，也就是调节代谢的速度和方向。
物质代谢的相互关系
生物机体内，各类物质代谢相互影响、相互转化。 三羧酸循环不仅是各类物质共同的代谢途径，而
且也是它们之间相互联系的渠道。
丙酮酸、酰基辅酶 A 、 - 酮戊二酸和草酰乙酸等
代谢物则是各类物质相互转化的重要中间产物。
丙酮酸
乙酰CoA
脂肪酸 乙酰CoA
蛋白质 Asp 葡萄糖 苹果酸 Asp Phe Tyr
2. 酶的共价修饰调节
•
酶分子上多肽链上的某些基团，在另一些酶的 催化下可与变构剂进行可逆共价结合，结合后引 起酶活性变构，使酶活力发生变化（激活或抑
制），从而达到调节效果，这种作用称为酶的共
价修饰调节。这类酶则称为共价调节酶。有如下 两个特点：
（ 1 ）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有
往往是代谢途径的第一步反应的酶（a）或是分支代谢途径 中分支点上的酶（b、c、f）或整个代谢途径中的限速酶或 催化不可逆反应的酶（c）。
A
a
B
b
C
c f
D
d
E
F
g G
（一）酶活力的调 节
1. 反馈调节和别构酶 反馈调节是生物体普遍存在的一 种调节机制。反馈抑制是指反 应终产物对自身合成途径中的 酶活力起抑制作用，大多是对 第一个酶的活力起抑制作用。 反馈抑制的效果属于负性的，
第14章 代谢和代谢调控总论
第一节 新陈代谢的概念和研究方法
• 一、物质代谢的概念 • 新陈代谢 (metabolism) 是机体与外界环境不断
进行物质交换的过程。它是通过消化、吸收、中
间代谢和排泄四个阶段来完成的。
• 中 间 代谢 (intermediary metabolism) 就 是 经
过消化、吸收的外界营养物质和体内原有的物质， 在全身一切组织和细胞中进行的多种多样的化学 变化的过程。
苹果酸
Tyr Phe Leu Ile Trp
草酰乙酸 乙酰CoA
草酰乙酸
草酰乙酸
柠檬酸
柠檬酸
脂肪酸 胆固醇 异柠檬酸 异柠檬酸
TCA
延胡索酸 延胡索酸
α-酮戊二酸
α- 酮戊二酸
琥珀酸
Glu 蛋白质
Ile Met Val Thr
琥珀酸
琥珀酰CoA
琥珀酰 CoA 血红素 奇数脂肪酸
核酸与糖、脂类和蛋白质代谢的相互联系
物 质 代 谢
大分子
二、能量代谢的概念
• （一）代谢过程中能量的变化 • （二）食物的卡价和呼吸商 • （三）基础代谢（basal metabolism)：是指人
体的清醒而安静的状态中，同时又没有食物的消 化与吸收作用的情况下（空腹），并处于适宜温 度（室温），所消耗的能量称为基础代谢。
三、物质代谢的研究方法
通过调节酶的活性，这是快速调节，在几分钟到几十分钟
内完成。
通过控制酶合成量的调节要牵涉到基因、mRNA、蛋白质 的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几 天内才能完成。
许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、
多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活 性来调节。
关键酶（Key enzyme）
① 磷酸化/脱磷酸化 ② 腺苷酰化/脱腺苷酰化 ③ 乙酰化/脱乙酰化
④ 尿苷酰化/脱尿苷酰化
⑤ 甲基化/脱甲基化
⑥ S-S/SH相互转变
磷酸化/脱磷酸化与酶活性的调节
4ATP
4ADP
OH OH
P
P
O O
磷酸化酶 b
OH OH 4Pi
磷酸化酶 a
O O P P 4H2O
（二） 酶量的调节
酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身 活动需要，严格控制细胞内各种酶的含量，对生物化学过程进行调控。 (1) 酶蛋白合成的诱导与阻遏 酶作用的底物或产物，以及激素或药物都可影响酶的合成。能加 强酶合成的作用称诱导作用；反之则称为阻遏作用。 (2) 酶分子降解速度的调节
乳糖操纵子的调控机制
1. 乳糖操纵子的诱导
当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时
细胞中 cAMP 浓度升高
乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合
cAMP 与 CRP 结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRP 与启动基因结合并促使 RNA 聚合酶与启动基因结合 基因转录激活
2. 乳糖操纵子的阻遏
改变酶分子降解速度，也能调节细胞内酶的浓度，从而达到调节酶
促反应的速度。这类调节在细胞中的重要性不如诱导和阻遏。
(1) 酶蛋白合成的诱导与阻遏
•
酶蛋白合成的诱导与阻遏的化学本质是基因 表达的调节。在细胞内，所合成的酶的种类及数 量是由特殊的基因信息决定的。DNA所携带的酶
蛋白遗传信息，需要通过转录和翻译而合成酶蛋
称为负反馈。有时终产物可激
活整个代谢反应，这种情况称 为反馈激活，也称正反馈。
有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，
还存在一个特殊的调控部位，即变构部位。
反馈调节剂与酶结构中的调控部位（变构部位）结合后， 酶分子构象发生改变，导致酶活性中心构象改变，从而调节 酶的活性。此类酶称为别构。由于变构剂与变构中心的结合 而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。 调节其活性的抑制剂和激活剂分别称为别构抑制剂和别构 激活剂。
当培养基中乳糖浓度降低而葡萄糖浓度升高时
细胞中 cAMP 浓度降低
缺乏乳糖与阻抑蛋白结合
CRP 失活 阻抑蛋白与操纵基因结合 CRP 及 RNA 聚合酶不能与 启动基因结合
基因转录被阻遏
二、激素和神经系统的调节
（一）激素的调节 1. 激素的生物合成对代谢的调节 2. 激素对酶活性的影响 3. 激素对酶合成的诱导作用
细胞膜上有各种激素受体，激素同膜上专一性受体结合所 成的络合物能活化膜上的腺苷酸环化酶。
活化后的腺苷酸环化酶能使ATP环化形成cAMP。
cAMP 能将激素从神经、底物等得来的各种刺激信息传到
酶反应中去，故称cAMP为第二信使。
3. 激素对酶合成的诱导作用
有 些 激 素 对 酶 的 合 成 有 诱 导 作 用 ， 例 如 ：
物质代谢：物质在体内进行化学变化的过程。
能量代谢：物质在体内进行物质代谢的同时，必然伴
随着能量转移的过程。
物质代谢： 同化作用 从物质交换角度 异化作用
合成代谢
从化学变化角度 分解代谢
新陈代谢图解
合成代谢 新 陈 代 谢
（同化作用）
小分子 需要能量
大分子
释放能量
能 量 代 谢 小分子
分解代谢
（异化作用）
以原核生物乳糖操纵子为例
其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其
CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因； 其 信 息 区 由 β- 半 乳 糖 苷 酶 基 因 （ lacZ ） ， 通 透 酶 基 因 （lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。
控制区
信息区
乳糖操纵子的结构基因及其表达产物
1. 激素的生物合成对代谢的调节
当血液中某种激素含量偏高时，有关激素由于反馈抑制效应
即对脑垂体激素和下丘脑释放激素的分泌起抑制作用，减低其 合成速度。
当血液中某种激素浓度偏低时，即起促进作用，加速其合成。 通过有关控制机构的相互制约，即可使机体的激素浓度水平 正常而维持代谢正常运转。
2. 激素对酶活性的影响
催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方 向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。 （2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信 号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化
激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。
目前已知有6种类型的共价修饰方式：
生长激素能诱导与蛋白质合成有关的某些酶的合成，甲状腺 素能诱导呼吸作用的酶类合成，胰岛素诱导糖代谢中某些酶 的合成，性激素类诱导脂代谢酶类的合成等。
三、神经的调节
整个生物体内的代谢反应则由中枢神经系统所控制。中
枢神经系激素--细胞
控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。
控制区
调节基因（Regulatory gene）——为阻抑蛋白编码基因 启动基因（Promoter）——为 cAMP 受体蛋白（CRP）和 RNA 聚合酶结合区。 操纵基因（0perater）——为阻抑蛋白结合位点。
信息区——由一个或数个结构基因串联在一起组成。
•
代谢途径的联系：相互转变，相互制约, 同归 。 殊途
图15-2 动植物细胞膜结构 和物质代谢的联系图解（质膜、核及核仁、内质膜、线粒体）
第2节 代谢调控总论
生命现象是复杂生物化学过程综合结果。 为了保证生命活动（如生长、发育、分化、繁殖、代谢 和运动等）能够有条不紊地进行，所有生物体内发生的
生物化学过程都必须受到有效的调控。
白。在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。因 此，基因表达的调控主要在转录水平上进行 。
诱导酶
大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以 代谢乳糖的酶。
但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成 出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。
• （一）体内法（in vivo) • 1. 利用正常机体的方法 • 2. 使用病变动物法
• 3. 切除器官法
• 4. 放射性核素示踪法 • 5.致突变法 • 6.转基因法和基因敲除
（二）体外法(in vitro)
1. 脏器灌注法
2. 组织切片或匀浆法
3. 纯酶法及酶抑制法
4. 使用亚细胞成分的方法
在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳 糖水解相关的三种酶： - 半乳糖苷酶， - 半乳糖苷透性酶和
-半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。
这三个酶蛋白是大肠杆菌 DNA 上的三个结构基因经过转录和 翻译而合成的。
操纵子的结构与功能
典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调