第十四章 代謝調(diào)節(jié)

第十四章代謝調(diào)節(jié)第一節(jié)代謝途徑的相互聯(lián)系

第二節(jié)酶量的調(diào)節(jié)

第三節(jié)酶分子的活性調(diào)節(jié)

第四節(jié)代謝的區(qū)域化代謝調(diào)節(jié)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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。

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。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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。一、代謝網(wǎng)絡(luò)

物質(zhì)代謝---聯(lián)系---轉(zhuǎn)化—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)代謝途徑的相互聯(lián)系物質(zhì)代謝一覽物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)糖代謝為蛋白質(zhì)的合成提供碳源和能源：如糖分解過(guò)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(guò)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幔?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)系脂類分解過(guò)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：

脂類分子中的甘油

丙酮酸

草酰乙酸—酮戊二酸氨基酸蛋白質(zhì)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)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脂肪脂肪酸糖與脂類物質(zhì)也能相互轉(zhuǎn)變：糖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給蛋白質(zhì)合成提供能量AMP輔酶、組氨酸等Gly、Asp、Gln嘌呤、嘧啶蛋白酶核苷酸、核酸的合成蛋白因子核苷酸、核酸的合成4、核酸代謝與糖、脂肪及蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系1.相對(duì)立的單向反應(yīng)（opposingunidirectionalreaction）：p3122.糖代謝的例子：

G+ATP6——G+ADP（變構(gòu)抑制）

6——G+H2OG+Pi３.脂代謝的例子：

乙酸＋ＡＴＰ＋ＣoA乙酰

CoA＋ＡＭＰ＋ＰＰi

乙酰

CoA+H2O

乙酸+ＣoAPP

己糖激酶６—磷酸葡萄糖酶硫激酶硫酯酶二、代謝的單向性和多酶系統(tǒng)細(xì)胞中的酶常常為了催化一系列連鎖反應(yīng)而聯(lián)系成多

酶系統(tǒng)，根據(jù)多酶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，可分三種

類型：一、酶分子呈溶解狀態(tài)

二、酶分子結(jié)構(gòu)比較緊密

三、酶連接在膜上或核蛋白體上ATPADP+Pi太陽(yáng)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(yáng)的輻射能，有利用氧化還原反應(yīng)釋放的化學(xué)能不

管哪種形式，細(xì)胞都能將它轉(zhuǎn)化成高能分子ATP。NADPH以還原力形式攜帶能量還原性有機(jī)物分解代謝氧化產(chǎn)物還原性生物合成產(chǎn)物還原性生物合成反應(yīng)氧化前體NADPH+H+NADP+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第二節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)一、酶合成的調(diào)節(jié)二、酶降解的調(diào)節(jié)酶含量的調(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(guò)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(guò)程起調(diào)節(jié)作用。生物細(xì)胞的這種通過(guò)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(guò)粗調(diào)，細(xì)胞可以開(kāi)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。（一）轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)一、酶的合成調(diào)節(jié)背景介紹：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)。1、操縱子模型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。大腸桿菌乳糖操縱子是第一個(gè)被子發(fā)現(xiàn)的操縱子（Monod和Jacob，1961）操縱子及調(diào)節(jié)基因示意圖乳糖操縱子模型操縱子Operon:基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位,它們有共同的控制區(qū)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。包括在功能上彼此有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制部位.負(fù)調(diào)控正調(diào)控操縱子的調(diào)控模型誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物輔阻遏物輔阻遏物

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(kāi)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(kāi)——誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮。mRNA酶蛋白lac

操縱子的正調(diào)控—分解代謝物阻遏CAP---降解物基因活化蛋白分解代謝物激活蛋白，cAMP受體蛋白(CRP)阻遏蛋白操縱基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，所以結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。酶代謝產(chǎn)物一旦大量積累阻遏蛋白被產(chǎn)物激活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。原核生物基因主要是轉(zhuǎn)錄控制。Trp操縱子----產(chǎn)物阻遏常規(guī)酶的合成另一種在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制。衰減子(Attenuator):是一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止子。4、衰減作用(attenuation)前導(dǎo)RNA序列-----兩個(gè)發(fā)夾環(huán)-----第二個(gè)發(fā)夾環(huán)和隨后的8個(gè)尿苷酸----終止子信號(hào)（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(guò)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（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(guò)量核糖體蛋白質(zhì)存在時(shí)，可引起它自身以及有關(guān)蛋白質(zhì)合成的阻遏。這種在翻譯水平上的阻遏作用叫翻譯阻遏。2.反義RNA（意義）反義RNA指具有互補(bǔ)序列的RNA。亦稱為干擾mRNA的互補(bǔ)RNA。（調(diào)節(jié)基因表達(dá)；抑制有害基因的表達(dá)）原核生物和真核生物的調(diào)節(jié)方式是有所不同的。原核生物mRNA翻譯水平的調(diào)節(jié)：受控于5′末端與核糖體的結(jié)合部位，該部位通常位于起始密碼子AUG上游約10個(gè)核苷酸的地方，往往由一段富含嘌呤的序列組成，稱為SD序列（Shine-Dilgavno)。凡有明顯SD序列特征性部位，翻譯起始頻率就高，反之則低。

真核生物在翻譯水平上的調(diào)節(jié)：主要是控制mRNA的穩(wěn)定性和有選擇的進(jìn)行翻譯。mRNA的加帽和加尾修飾有利于mRNA的穩(wěn)定二、酶降解的調(diào)節(jié)酶合成的誘導(dǎo)和阻遏作用可以調(diào)節(jié)酶的數(shù)量，相反酶的降解速度也能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酶的含量。酶的降解是由特異的蛋白質(zhì)水解酶催化的。在細(xì)胞內(nèi)常含有各種水解酶，其水解蛋白質(zhì)的種類和速度隨細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)和環(huán)境條件而不斷變化。如大腸桿菌在指數(shù)生長(zhǎng)期，蛋白酶的總活性較低，但當(dāng)大腸桿菌由于營(yíng)養(yǎng)缺乏而處于靜止期時(shí)，便誘導(dǎo)合成蛋白水解酶，分解細(xì)胞內(nèi)不需要的蛋白質(zhì)植物種子在萌發(fā)時(shí)蛋白酶的合成速度也明顯增加，用于分解種子中的貯藏蛋白質(zhì)供幼苗生長(zhǎng)之用。細(xì)胞內(nèi)酶的數(shù)量決定于其合成速度與降解速度的比值，是多種因素綜合作用的結(jié)果。第三節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)一、酶原激活

二、酶的共價(jià)修飾和級(jí)聯(lián)系統(tǒng)

三、前饋和反饋?zhàn)饔妹阜肿拥幕钚哉{(diào)節(jié)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)酶原激活酶的共價(jià)修飾和級(jí)聯(lián)系統(tǒng)反饋與前饋?zhàn)饔玫孜锼降恼{(diào)節(jié)酶水平的調(diào)節(jié)輔助因子的調(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)產(chǎn)物調(diào)節(jié)ABEX1.酶原：酶的無(wú)活性前體。

2.酶原激活（不可逆的共價(jià)修飾）：某些酶先以無(wú)活性的酶原形式合成或分泌，然后在到達(dá)作用部位時(shí)由其它酶作用，使其失去部分肽段從而形成或暴露活性中心、形成有活性酶分子的過(guò)程。