物質(zhì)代謝的相互聯(lián) 系和調(diào)節(jié)控制

關(guān)于物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系和調(diào)節(jié)控制第1頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五代謝調(diào)節(jié)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中，為適應(yīng)外界條件而形成的一種復(fù)雜的生理機(jī)能。通過調(diào)節(jié)作用細(xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)及能量代謝得到協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，使生物體能更好地利用環(huán)境條件來完成復(fù)雜的生命活動(dòng)。

代謝調(diào)節(jié)作用可在不同水平上進(jìn)行：低等的單細(xì)胞生物是通過細(xì)胞內(nèi)酶的調(diào)節(jié)而起作用的；多細(xì)胞生物則有更復(fù)雜的激素調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)。

細(xì)胞內(nèi)酶的調(diào)節(jié)是最基本的調(diào)節(jié)方式。酶的調(diào)節(jié)是從酶的區(qū)域化、酶的數(shù)量和酶的活性三個(gè)方面對(duì)代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

第2頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五操縱子是在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子（P）、操縱基因（O）和在功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成。轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)包括，真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的運(yùn)輸和在細(xì)胞中的定位等。翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括，mRNA本身核苷酸組成和排列（如SD序列），反義RNA的調(diào)節(jié)，mRNA的穩(wěn)定性等方面。酶活性的調(diào)節(jié)是直接針對(duì)酶分子本身的催化活性所進(jìn)行的調(diào)節(jié)，在代謝調(diào)節(jié)中是最靈敏、最迅速的調(diào)節(jié)方式。主要包括酶原激活、酶的共價(jià)修飾、反饋調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)及輔因子調(diào)節(jié)等。第3頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五生物代謝是指生物活體與外界環(huán)境不斷進(jìn)行的物質(zhì)（包括氣體、液體和固體）、能量、信息交換過程。細(xì)胞代謝是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。合成代謝一般是指將簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的大分子物質(zhì)的過程。分解代謝則是將復(fù)雜的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成小分子物質(zhì)的過程。糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)的合成代謝途徑各不相同，但是它們的分解代謝途徑則有共同之處，即糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)經(jīng)過一系列分解反應(yīng)后都生成了酮酸并進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最后被氧化成CO2和H2O。第4頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五一、代謝網(wǎng)絡(luò)（物質(zhì)代謝---聯(lián)系---轉(zhuǎn)化—）不同的代謝途徑可通過交叉點(diǎn)上關(guān)鍵的中間代謝物而相互作用和相互轉(zhuǎn)化。這些共同的中間代謝物使各代謝途徑得以溝通，形成經(jīng)濟(jì)有有效、運(yùn)轉(zhuǎn)良好的代謝網(wǎng)絡(luò)。其中三個(gè)最關(guān)鍵的中間代謝物：葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸和乙酰輔酶A。TCA環(huán)則是糖、脂肪和蛋白質(zhì)三大物質(zhì)互相轉(zhuǎn)化的樞紐。第一節(jié)物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系第5頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五物質(zhì)代謝一覽第6頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)第7頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五糖代謝為蛋白質(zhì)的合成提供碳源和能源：如糖分解過程中可產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)產(chǎn)生—酮戊二酸和草酰乙酸，它們均可經(jīng)加氨基或氨基移換作用形成相應(yīng)的氨基酸。另外，糖分解過程中產(chǎn)生的能量可供氨基酸和蛋白質(zhì)的合成之用。蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨基酸，在體內(nèi)可以轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。如：多?shù)氨基酸在脫氨后轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，?jīng)糖原異生作用可生成糖，這類氨基酸稱為生糖氨基酸。1.糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系第8頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五脂類分解過程中產(chǎn)生較多的能量，可作為體內(nèi)貯藏能量的物質(zhì)。脂類與蛋白質(zhì)之間可以相互轉(zhuǎn)化：2.脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系乙酰輔酶A—氧化TCA循環(huán)草酰乙酸—酮戊二酸蘋果酸氨基酸琥珀酸乙醛酸循環(huán)脂肪酸蛋白質(zhì)甘油生酮氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸脂肪酸丙酮酸乙酰輔酶A丙二酸單酰輔酶A脂肪草酰乙酸—酮戊二酸氨基酸脂類分子中的甘油

丙酮酸第9頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五

糖與脂類物質(zhì)也能相互轉(zhuǎn)變：磷酸二羥丙酮丙酮酸甘油乙酰輔酶A脂肪酸脂類甘油—甘油磷酸磷酸二羥丙酮糖脂肪酸乙酰輔酶A琥珀酸草酰乙酸丙酮酸—氧化乙醛酸循環(huán)TCACO2+H2O糖尿?。褐就w（乙酰乙酸、丙酮、-羥丁酸）在血液中產(chǎn)生酸中毒或到達(dá)肌肉中提供能源在饑餓時(shí)也產(chǎn)生與糖尿病類似的情況3.糖代謝與脂類代謝的關(guān)系糖第10頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五核酸核苷酸ATPUTPCTPGTP能量和磷酸基團(tuán)的供應(yīng)單糖的轉(zhuǎn)變和多糖的合成參與卵磷脂的合成Gly、Asp、Gln嘌呤、嘧啶蛋白酶、蛋白因子核苷酸、核酸的合成核酸降解產(chǎn)物的徹底氧化最終也是通過糖代謝途徑。4.核酸代謝與糖、脂肪及蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系給蛋白質(zhì)合成提供能量核酸不是重要的碳源、氮源和能源許多重要的輔酶是AMP的衍生物第11頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五相對(duì)立的單向反應(yīng)（opposingunidirectionalreaction）（正反應(yīng)和逆反應(yīng)由兩種不同的酶所催化）1.糖代謝的例子：

G+ATP6——G+ADP（變構(gòu)抑制）6——G+H2OG+Pi2.脂代謝的例子：乙酰CoA＋ＣO2＋ATP丙二酸單酰CoA＋ADP＋Pi

丙二酸單酰CoA

乙酰CoA＋ＣO2PP

己糖激酶６—磷酸葡萄糖酶乙酰CoA羧化酶丙二酸單酰CoA脫羧酶二、代謝的單向性和多酶系統(tǒng)第12頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五ATPADP+Pi太陽能化學(xué)能生物合成細(xì)胞運(yùn)動(dòng)膜運(yùn)輸能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP三、代謝與能量有機(jī)體從環(huán)境中獲得能量的方式各有不同，有的利用太陽的輻射能，有的利用氧化還原反應(yīng)釋放的化學(xué)能。不管那種形式，細(xì)胞都能將它轉(zhuǎn)化成高能分子ATP。第13頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五NADPH以還原力形式攜帶能量還原性有機(jī)物還原性生物合成產(chǎn)物NADPH+H+NADP+NADH和FADH2是生物氧化過程中氫和電子攜帶者，其主要功能是通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP。代謝的基本要略在于形成ATP、還原力和構(gòu)造單元用于生物合成。還原性生物合成反應(yīng)氧化前體分解代謝氧化產(chǎn)物第14頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五第二節(jié)代謝的調(diào)節(jié)一、酶水平的調(diào)節(jié)（基因表達(dá)的調(diào)節(jié)）ABEX底物水平的調(diào)節(jié)酶水平的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)酶的定位調(diào)節(jié)輔助因子的調(diào)節(jié)產(chǎn)物調(diào)節(jié)酶有兩種功能：催化各種生化反應(yīng)，是生物催化劑；

調(diào)節(jié)和控制代謝的速度、方向和途徑，是新陳代謝的調(diào)節(jié)元件。第15頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五（一）酶定位的區(qū)域化酶在細(xì)胞內(nèi)有一定的布局和定位。催化不同代謝途徑的酶類，往往分別組成各種多酶體系。多酶體系存在于一定的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)域中，或存在于胞質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為酶的區(qū)域化。功能：濃縮效應(yīng)，防止干擾，便于調(diào)節(jié)。第16頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五主要代謝途徑酶系在細(xì)胞內(nèi)的分布胞質(zhì)：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途徑，脂肪酸合成，部分蛋白質(zhì)合成。線粒體：脂肪酸β氧化，三羧酸循環(huán)，呼吸鏈，氧化磷酸化。細(xì)胞核：核酸的合成、修飾。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：蛋白質(zhì)合成，磷脂合成。胞質(zhì)和線粒體：糖異生，膽固醇合成溶酶體：多種水解酶第17頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五（二）酶活性的調(diào)節(jié)酶是生物反應(yīng)的催化劑，酶的相對(duì)數(shù)量決定代謝反應(yīng)的進(jìn)程和方向。通過酶的合成和降解，細(xì)胞內(nèi)的酶含量和組分便發(fā)生變化，因而對(duì)代謝過程起調(diào)節(jié)作用。生物細(xì)胞的這種通過改變酶的合成和降解而調(diào)節(jié)酶的數(shù)量，被稱為“粗調(diào)”。通過粗調(diào)，細(xì)胞可以開動(dòng)或完全關(guān)閉某種酶的合成，或適當(dāng)調(diào)整某種酶的合成和降解速度，以適應(yīng)對(duì)這種酶的需要。

第18頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五調(diào)節(jié)方式：酶原的激活pH改變?nèi)缛芫?，pH7，無活性；pH5，活性高。同工酶共價(jià)修飾反饋調(diào)節(jié)（生物體內(nèi)最重要）特點(diǎn)：調(diào)節(jié)快速、靈敏，數(shù)秒至數(shù)分鐘可完成。第19頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活過程水解芳香族AA羧基形成的肽鍵第20頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五胰蛋白酶原胰蛋白酶彈性蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原羧肽酶原羧肽酶腸激酶胰凝乳蛋白酶彈性蛋白酶胰蛋白酶對(duì)胰分泌的各種蛋白酶原的激活作用六肽第21頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五酶的共價(jià)修飾和級(jí)聯(lián)系統(tǒng)A.共價(jià)修飾（covalentmodification）：指在專一性酶的催化下，某些小分子基團(tuán)共價(jià)地結(jié)合到被修飾的酶分子上，使被修飾酶的活性發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)酶活性。（1）共價(jià)修飾調(diào)節(jié)酶：即通過共價(jià)修飾調(diào)節(jié)活性的酶叫共價(jià)修飾調(diào)節(jié)酶。

（2）共價(jià)修飾的類型：

磷酸化/去磷酸化（主要存在于高等動(dòng)、植物細(xì)胞中）腺苷?；?去腺苷?；?；（主要存在細(xì)菌中）乙?；?去乙?；?；尿苷?；?去尿苷?；?；甲基化/去甲基化；S-S/SH第22頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五酶活性的調(diào)節(jié)控制共價(jià)修飾(PhK)第23頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五

B.級(jí)聯(lián)系統(tǒng)（cascadesystem）：連鎖代謝反應(yīng)中一個(gè)酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其它酶被激活，導(dǎo)致原始信號(hào)的放大。這樣的連鎖代謝反應(yīng)系統(tǒng)叫級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。

實(shí)例：腎上腺素主要是調(diào)節(jié)糖代謝,它能夠促進(jìn)肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中的乳酸含量（和胰島素的作用不同）。依賴于cAMP的蛋白激酶稱為蛋白激酶A（proteinkinaseA,PKA）第24頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五腎上腺素的級(jí)聯(lián)放大作用（1）使信號(hào)（激素信號(hào)）放大:（腎上腺素濃度10-8~10-10mol/L，可引起強(qiáng)烈的胞內(nèi)效應(yīng)——產(chǎn)生葡萄糖5mmol/L）。（2）提供了更多的調(diào)控位點(diǎn)，使代謝過程能對(duì)細(xì)胞內(nèi)外多種因素的變動(dòng)作出調(diào)整。（3）使關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶能夠更靈敏和更靈活地控制代謝反應(yīng)，在不同情況下對(duì)各種代謝物和終產(chǎn)物有不同的應(yīng)答反應(yīng)。腎上腺素-cAMP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑受體G蛋白（一類GTP結(jié)合蛋白）第25頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五第26頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五反饋與前饋?zhàn)饔?/p>

S0S1SnE0E1En-1前饋+或-反饋+或-正作用：凡反應(yīng)物能使代謝過程速度加快者稱為正作用。負(fù)作用：凡反應(yīng)物能使代謝過程速度變慢者稱為負(fù)作用。C、反饋與前饋?zhàn)饔玫?7頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五前饋和反饋調(diào)節(jié)前饋調(diào)節(jié)：底物對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)，一般是前饋激活，但也可能是前饋抑制。當(dāng)?shù)孜餄舛冗^高時(shí)可避免該代謝途徑的過分擁擠和產(chǎn)物的大量合成。如高濃度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的別構(gòu)抑制劑，可避免丙二酸單酰CoA大量合成。第28頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五1.前饋?zhàn)饔?feedforward)：在代謝途徑中前面的底物對(duì)其后某一催化反應(yīng)的調(diào)節(jié)酶有作用。（1）前饋激活（feedforwardactivation）G-6-6--F1.6-二-FPEP丙酮酸

（2）前饋抑制（feedforwardinhibition）

乙酰CoA+CO2+H2O+ATP丙二酸單酰CoA+ADP+PiPP丙酮酸激酶P前饋激活乙酰CoA羧化酶前饋抑制第29頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五2.反饋?zhàn)饔茫╢eedback）

代謝產(chǎn)物對(duì)前面的某一酶有作用（1）反饋激活（feedbackactivation）（2）反饋抑制（feedbackinhibition）

A+B

C

D

PE1E2E3E4反饋抑制第30頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五(三)酶合成的調(diào)節(jié)（基因表達(dá)的調(diào)節(jié)）酶合成調(diào)節(jié)，是通過酶量的變化來調(diào)控代謝速率。第31頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五二、細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)1.控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度2.控制跨膜物質(zhì)運(yùn)輸3.區(qū)隔化：濃縮作用，防止干擾，便于調(diào)節(jié)4.膜與酶可逆結(jié)合：雙關(guān)酶：能與膜可逆結(jié)合，通過膜結(jié)合型和可溶型的互變來調(diào)節(jié)酶的活性。雙關(guān)酶大多是代謝途徑的關(guān)鍵酶和調(diào)節(jié)酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛縮酶，3-磷酸甘油醛脫氫酶，氨基酸代謝的Glu脫氫酶，Tyr氧化酶：參與共價(jià)修飾的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。第32頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五三、激素水平的調(diào)節(jié)四、基因表達(dá)的調(diào)節(jié)基因表達(dá)有幾個(gè)水平的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平翻澤水平加工水平轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯后加工蛋白質(zhì)活性調(diào)節(jié)其中最關(guān)鍵的是在第一個(gè)水平，基因表達(dá)的控制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，原核生物尤其如此。第33頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五（一）原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)1.操縱子模型（operonmodel)：是原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制。操縱子是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，它含有在功能上彼此有關(guān)的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因及控制部位，控制部位由啟動(dòng)子和操縱基因組成。一個(gè)操縱子的全部基因排列在一起，其中含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是單個(gè)多順反子mRNA，操縱子的控制部位可受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子和操縱基因多個(gè)結(jié)構(gòu)基因第34頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五大腸桿菌乳糖操縱子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的操縱子（Monod和Jacob，1961）大腸桿菌通常利用葡萄糖作為碳源，通常情況下環(huán)境中乳糖極少，降解乳糖的酶不被合成，其實(shí)質(zhì)是乳糖降解酶基因不表達(dá)。第35頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五乳糖操縱子模型第36頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五大腸桿菌乳糖酶誘導(dǎo)合成---調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控阻遏蛋白乳糖酶基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因半乳糖苷酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶半乳糖苷透性酶操縱基因——基因合成的開關(guān)調(diào)節(jié)基因關(guān)——阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物（乳糖）開——誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮mRNA酶蛋白第37頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五（二）轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)：對(duì)mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工（也稱為成熟）、輸出核外、胞漿內(nèi)定位和降解等過程的調(diào)控稱為轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)包括幾個(gè)方面：1.真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工2.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由細(xì)胞核向胞質(zhì)運(yùn)輸3.mRNA在胞質(zhì)中的定位第38頁，共43頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)45分，星期五（三）翻譯水平的調(diào)節(jié)

翻譯水平的調(diào)節(jié)的類型：

不同mRNA翻譯能力的差異、翻譯阻遏作用、反義RNA的作用。

1.翻譯阻遏（trans-lationalrepression）

當(dāng)有過量核糖體蛋白質(zhì)存在時(shí)，可引起它自身以