大学 基础生物化学代谢调节

1、第十章第十章 代谢调节代谢调节 1 1 酶活性调节的概念酶活性调节的概念 2 2 酶合成的调控机理酶合成的调控机理 本章重点本章重点 第一节第一节 物质代谢的相互联系物质代谢的相互联系 新陈新陈 代谢代谢 小分子小分子大分子大分子 合成代谢合成代谢 （同化）（同化） 分解代谢分解代谢 （异化）（异化） 释放释放 能量能量 需要需要 能量能量 能量能量 代谢代谢 大分子大分子小分子小分子 物 质物 质 代谢代谢 分解代谢分解代谢 第一阶段第一阶段: :产生单体产生单体 第二阶段第二阶段: :产生产生乙酰乙酰COACOA 第三阶段第三阶段: :产生产生COCO2 2和和H H2 2O O 糖，蛋白

2、质，脂类糖，蛋白质，脂类 糖，蛋白质，脂类糖，蛋白质，脂类 合成代谢合成代谢 第一阶段第一阶段: :合成简单有机物合成简单有机物 第二阶段第二阶段: :合成单体合成单体 第三阶段第三阶段: :合成大分子化合物合成大分子化合物 有机酸，有机酸， 磷酸丙糖磷酸丙糖 一、代谢网络一、代谢网络 P360P360 l1.1.糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系 l2.2.糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 l3.3.脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系 l4.4.核酸代谢与糖、脂类和蛋白质代谢的联系核酸代谢与糖、脂类和蛋白质代谢的联系 核酸核

3、酸- -蛋白质蛋白质 3 3种种RNARNA指导和控制蛋白质合成指导和控制蛋白质合成 ATPATP、GTPGTP为蛋白质合成提供能量为蛋白质合成提供能量 蛋白质参与核酸复制与转录蛋白质参与核酸复制与转录 氨基酸为核苷酸的从头合成提供原料氨基酸为核苷酸的从头合成提供原料 核酸核酸- -糖糖 lATPATP、UDPGUDPG参与糖的合成参与糖的合成 lNADNAD、NADPNADP、FADFAD等辅因子参与糖代谢等辅因子参与糖代谢 l5-5-磷酸核糖参与核苷酸的合成磷酸核糖参与核苷酸的合成 核酸核酸- -脂类脂类 lATPATP参与脂肪酸合成参与脂肪酸合成 lCTPCTP参与磷脂合成参与磷脂合成

4、lCoACoA、NADNAD、NADPNADP、FADFAD等辅因子参与等辅因子参与-氧氧 化和脂肪酸合成化和脂肪酸合成 l6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 二、代谢网络的三个交叉点代谢物二、代谢网络的三个交叉点代谢物 糖酵解、糖异生、三羧酸循环、发酵、氨基酸合成等糖酵解、糖异生、三羧酸循环、发酵、氨基酸合成等 三羧酸循环、乙醛酸循环、脂肪酸合成、酮体、氨三羧酸循环、乙醛酸循环、脂肪酸合成、酮体、氨 基酸合成、燃料分子的终氧化等基酸合成、燃料分子的终氧化等 糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径、糖原合成、糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径、糖原合成、 核苷酸合成（核酸）、甘油（脂肪核苷酸合成（核酸）、甘油（脂肪

5、） l丙酮酸丙酮酸 l乙酰乙酰COACOA 三、代谢调节的不同水平三、代谢调节的不同水平 l分子水平分子水平 l细胞水平（生物膜）细胞水平（生物膜） l整体水平（激素和神经调节）整体水平（激素和神经调节） 酶活性调节酶活性调节 酶含量调节酶含量调节 细胞区域化调节细胞区域化调节 限速酶限速酶 （一）酶活性的调节（快速调节）（一）酶活性的调节（快速调节） 1.1.酶原激活酶原激活 2.2.共价修饰调节共价修饰调节 3.3.前馈作用、反馈作用前馈作用、反馈作用 4.4.辅因子辅因子 1.1.酶原激活酶原激活 酶原酶原 酶酶无活性无活性有活性有活性 胃蛋白酶胃蛋白酶 原原 胰蛋白酶胰蛋白酶 原原 弹

6、性蛋白酶原弹性蛋白酶原 E1 可逆可逆 E1 共价键结合共价键结合 酶活性酶活性 改变改变 2.2.共价修饰调节共价修饰调节 概念：酶蛋白肽链上概念：酶蛋白肽链上侧链侧链基团与某些化合物基团与某些化合物 发生共价结合或裂解，酶的构象与活性也发生共价结合或裂解，酶的构象与活性也 随之发生变化。随之发生变化。 特点：特点： l具有低活性具有低活性/ /高活性两种形式高活性两种形式 l常见为磷酸化常见为磷酸化/ /去磷酸化修饰（真核）去磷酸化修饰（真核） l具有级联放大效应具有级联放大效应 l高效、快速、普遍高效、快速、普遍 修饰方式修饰方式: : 磷酸化磷酸化 蛋白激酶催化蛋白激酶催化 脱磷酸化脱

7、磷酸化蛋白磷酸酶催化蛋白磷酸酶催化 最常见！最常见！ E E 蛋白激酶蛋白激酶 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATP Pi Pi ADP H2O 其它修饰方式其它修饰方式: : 乙酰化乙酰化-去乙酰化去乙酰化 腺苷酸化腺苷酸化-脱腺苷酸化脱腺苷酸化( (原核原核细菌细菌) ) 尿苷酸化尿苷酸化-脱尿苷酸化脱尿苷酸化 甲基化甲基化-脱甲基化脱甲基化 S-S-SHS-S-SH相互转变相互转变 -在一个连锁反应中，起始酶激活继而引起在一个连锁反应中，起始酶激活继而引起 一系列其它酶的激活，结果导致原始信号放一系列其它酶的激活，结果导致原始信号放 大的现象。大的现象。 -导致原始信号放大的连锁反应体系，又

8、称导致原始信号放大的连锁反应体系，又称 级联放大系统级联放大系统。 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 蛋白激酶蛋白激酶 磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶 糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶葡萄糖（葡萄糖（5mM5mM） 肾上腺素（肾上腺素（1010-10 -10 -10 -10-8 -8 M M ） ） 级联放大效应与级联放大系统级联放大效应与级联放大系统 级级 联联 放放 大大 系系 统统 10-10 -10-8M 5mM 3.3.前馈作用和反馈作用前馈作用和反馈作用 （1 1）前馈作用）前馈作用-代谢底物对反应过程的影响代谢底物对反应过程的影响 A B C D 前馈激活（正前馈）：前馈激活（正前馈）： 代谢底物代谢

9、底物对对其后其后某一调节酶具有的某一调节酶具有的促进促进作用作用 前馈抑制（负前馈）：前馈抑制（负前馈）： 代谢底物代谢底物对对其后其后某一调节酶具有的某一调节酶具有的抑制抑制作用作用 -+ 前馈激活前馈激活 G 6- - G 6- -F 1.6-G 6- - G 6- -F 1.6-二二 -F PEP -F PEP 丙酮酸丙酮酸 前馈抑制前馈抑制 乙酰乙酰CoACoA + CO + CO2 2 + H + H2 2O + ATP O + ATP 丙二酸单酰丙二酸单酰CoACoA + ADP+ Pi + ADP+ Pi P P 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 P 前馈激活前馈激活 乙酰乙酰CoACoA羧

10、化酶羧化酶 前馈抑制前馈抑制 - + （2 2）反馈作用）反馈作用-代谢产物代谢产物对反应过程的影响对反应过程的影响 A B C D 反馈激活（正反馈）：反馈激活（正反馈）： 代谢产物代谢产物对某一调节酶具有的对某一调节酶具有的促进促进作用作用 反馈抑制（负反馈）反馈抑制（负反馈）： 代谢产物代谢产物对某一调节酶具有的对某一调节酶具有的抑制抑制作用作用 -+ 单价反馈抑制单价反馈抑制 A A B B C C D D E E F F E1E2E3E4E5 A B C D E F G E1E2E3E4 E5 E6 - - 多价反馈抑制多价反馈抑制 多价反馈抑制方式分为：多价反馈抑制方式分为： 协同

11、反馈抑制协同反馈抑制 累积反馈抑制累积反馈抑制 顺序反馈抑制顺序反馈抑制 同工酶反馈抑制同工酶反馈抑制 协同反馈抑制协同反馈抑制 一个终产物过量只抑制其分支反应的酶一个终产物过量只抑制其分支反应的酶 l 几个终产物同时过量时才抑制几个终产物同时过量时才抑制共同共同途径的途径的 关键酶关键酶 A B C D E F G E1E2E3E4 E5 E6 - - - 例例 多芽孢杆菌多芽孢杆菌 P365P365 A B C D E F G E1E2E3E4 E5 E6 - - - 累积反馈抑制累积反馈抑制 一个终产物过量，部分抑制共同途径的酶一个终产物过量，部分抑制共同途径的酶 l 各终产物各终产物对

12、共同酶的抑制作用有对共同酶的抑制作用有累积效应累积效应 l 都过量时，对酶的抑制作用达到最大都过量时，对酶的抑制作用达到最大 - - 例例 大肠杆菌谷氨酰胺合成酶大肠杆菌谷氨酰胺合成酶P365 F G E1E2 E3 E4 E5 E6 - - - - 顺序反馈抑制顺序反馈抑制 一个终产物只抑制其分支反应的酶一个终产物只抑制其分支反应的酶 l中间产物逐级抑制其前面共同途径的酶中间产物逐级抑制其前面共同途径的酶 l最终中间产物抑制共同途径的第一个关键最终中间产物抑制共同途径的第一个关键 酶酶 A B C D E 例例 枯草杆菌中芳香族氨基酸的合成枯草杆菌中芳香族氨基酸的合成 顺序反馈抑制顺序反馈抑

13、制 一个终产物只抑制其分支反应的酶一个终产物只抑制其分支反应的酶 l 中间产物逐级抑制其前面共同途径的酶中间产物逐级抑制其前面共同途径的酶 l 最终中间产物抑制共同途径的第一个关键最终中间产物抑制共同途径的第一个关键 酶酶 A B C D E A B C D E F G E1E2E3E4 E5 E6 - - - - 同工酶反馈抑制同工酶反馈抑制 l 一个终产物只抑制同工酶中的一种酶一个终产物只抑制同工酶中的一种酶 E1 4.4.辅因子辅因子 （1 1）能荷调节）能荷调节 （2 2）NADNAD+ +/NADH/NADH或或NADPNADP+ +/NADPH/NADPH调节调节 （3 3）金属离

14、子及其它）金属离子及其它 ATP ADP+Pi 太阳能太阳能 化学能化学能 生物合成生物合成 细胞运动细胞运动 膜运输膜运输 能荷能荷= ATP + 0.5ADP ATP + ADP + AMP (1) (1) 能荷水平对代谢的调节能荷水平对代谢的调节 还原性有机物还原性有机物 分解代谢分解代谢 氧化产物氧化产物 还原性生物合成产物还原性生物合成产物 还原性生物合成反应还原性生物合成反应 NADH+H+ NAD+ (2) NADH / NAD+对代谢的调节对代谢的调节 氧化前体氧化前体 （二）酶含量调节（迟缓调节）（二）酶含量调节（迟缓调节） 酶含量取决于细胞中酶含量取决于细胞中 酶的降解酶的

15、降解 是基因表达水平上的调节是基因表达水平上的调节 酶的合成酶的合成 （三）细胞区域化（三）细胞区域化 反应场所反应场所 代谢反应代谢反应 细胞核细胞核 核酸的合成核酸的合成 线粒体内膜线粒体内膜 呼吸链氧化磷酸化呼吸链氧化磷酸化 线粒体基质线粒体基质 脂肪酸氧化脂肪酸氧化,TCA,TCA 细胞质细胞质 EMP,PPP,EMP,PPP,脂肪酸从头合成脂肪酸从头合成 氨基酸活化氨基酸活化 核糖体核糖体 蛋白质的合成蛋白质的合成 乙醛酸体乙醛酸体 乙醛酸循环乙醛酸循环 意义：意义： （1 1）消除酶促反应之间的干扰。）消除酶促反应之间的干扰。 （2 2）使代谢途径中的酶和辅因子得）使代谢途径中的酶

16、和辅因子得 到浓缩，有利于酶促反应进行。到浓缩，有利于酶促反应进行。 （3 3）为代谢反应创造良好条件。）为代谢反应创造良好条件。 快速代谢快速代谢 迟缓代谢迟缓代谢 酶活性的调节酶活性的调节 酶含量的调节酶含量的调节 分子水分子水 平调节平调节 辅因子调节辅因子调节 酶原激活酶原激活 共价修饰调节共价修饰调节 前馈与反馈调节调节前馈与反馈调节调节 细胞水平调节细胞水平调节-细胞区域化细胞区域化 第二节第二节 基因表达调控基因表达调控 组成酶组成酶 诱导酶诱导酶 阻遏酶阻遏酶 根据酶合成对环境反应的不同，将酶分为根据酶合成对环境反应的不同，将酶分为： 酶蛋白的合成酶蛋白的合成不受不受 代谢状态

17、的影响代谢状态的影响 EMP,EMP, TCATCA的酶的酶 酶蛋白的合成酶蛋白的合成受受 代谢状态的影响代谢状态的影响 诱导酶诱导酶 诱导作用：指诱导物促进基因表达而诱诱导作用：指诱导物促进基因表达而诱 导该酶合成的现象。导该酶合成的现象。 l诱导酶诱导酶: :受诱导物诱导合成的酶。受诱导物诱导合成的酶。 l诱导物诱导物: :能诱导酶合成的物质。（常为底物）能诱导酶合成的物质。（常为底物） 乳糖乳糖 - - - -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 诱导物诱导物 诱导酶诱导酶 乳糖乳糖 阻遏酶阻遏酶 l阻遏作用：代谢物通过阻止某种酶基因的表阻遏作用：代谢物通过阻止某种酶基因的表 达而阻止酶合成的现象。达而

18、阻止酶合成的现象。 l辅阻遏物辅阻遏物: :能阻遏酶合成的物质能阻遏酶合成的物质（常为产物）（常为产物） l阻遏酶阻遏酶: :被辅阻遏物作用而停止合成的酶。被辅阻遏物作用而停止合成的酶。 Trp - Trp合成酶合成酶 辅阻遏物辅阻遏物 阻遏酶阻遏酶 l 结构结构-紧密连锁紧密连锁 l 功能功能-协同表达协同表达 启动基因启动基因 P P l 组成组成- - 操纵基因操纵基因 O O 结构基因结构基因 S S 一、一、 操纵子（操纵子（operonoperon）模型）模型 操纵子操纵子- P366 Jacob and MonodJacob and Monod（19611961）提出）提出 调节

19、基因调节基因 R 启动子启动子P 操纵基因操纵基因 O 结构基因结构基因 S A 操纵子（操纵子（operon） BC 启动基因启动基因P P：RNApolRNApol 结合位点结合位点 操纵基因操纵基因O O：调节（：调节（阻遏）蛋白阻遏）蛋白的结合位的结合位 点点 结构基因结构基因S S：编码蛋白质的位点：编码蛋白质的位点 RNA pol 阻遏蛋白阻遏蛋白 操操 纵纵 子子 调节基因调节基因R R：编码阻遏蛋白，控制结构基因的表达：编码阻遏蛋白，控制结构基因的表达 DN A （开放，关闭）（开放，关闭） 环境环境不能不能提供乳糖提供乳糖 不能合成不能合成利用乳糖的酶类利用乳糖的酶类 环境环

20、境能够能够提供乳糖时提供乳糖时 能合成能合成利用乳糖的酶类利用乳糖的酶类 二、酶合成的诱导机制（乳糖操纵子模型二、酶合成的诱导机制（乳糖操纵子模型 调控区调控区 调节基因调节基因 启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因 Z Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y Y： -半乳糖苷透过半乳糖苷透过 酶酶 A A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 ZYAOP DNA 乳糖（乳糖（LacLac) )操纵子结构操纵子结构 （阻遏蛋白结合）（阻遏蛋白结合） （RNARNA聚合酶结合）聚合酶结合） Lac Lac Z Z : :-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 催化乳糖催化乳糖半乳糖半乳糖 葡萄糖葡萄糖 Lac

21、Lac Y Y : :-半乳糖透过酶半乳糖透过酶 催化乳糖进入大肠杆菌催化乳糖进入大肠杆菌 Lac Lac A A : :乙酰基转移酶乙酰基转移酶 催化半乳糖的乙酰化催化半乳糖的乙酰化 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 R DNA ZYAOP pol 没有乳糖存在时没有乳糖存在时 调节基因调节基因 不转录不转录 阻遏蛋白阻遏蛋白有活性有活性！ 操纵子处操纵子处 于于阻遏状阻遏状 态态操纵基因操纵基因 结构基因结构基因 结合位点结合位点 阻遏蛋白能特异性与操纵基因阻遏蛋白能特异性与操纵基因O O紧密结合，紧密结合， 在环境在环境没有乳糖没有乳糖存在的情况下存在的情况下 分解乳糖分解乳糖的酶类的酶类不合

22、成不合成 操纵子处操纵子处 于于阻遏状阻遏状 态态 相关相关结构基因关闭结构基因关闭，无法转录和翻译，无法转录和翻译 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 乳糖存在时乳糖存在时 I DNA ZYAOPpol mRNA 乳糖乳糖 阻遏蛋白与诱导物结合后，阻遏蛋白与诱导物结合后，无活性无活性！ 转录转录 启动转录启动转录 操纵基因操纵基因 阻遏蛋白阻遏蛋白失去与失去与操纵基因操纵基因O O紧密结合紧密结合的能力，的能力， 在环境在环境有乳糖有乳糖存在的情况下存在的情况下 分解乳糖的酶类分解乳糖的酶类合成合成 操纵子处操纵子处 于于去阻遏去阻遏 状态状态 相关相关结构基因开放结构基因开放，从而转录翻译。，从而

23、转录翻译。 三、酶合成的阻遏机制（色氨酸操纵子模型三、酶合成的阻遏机制（色氨酸操纵子模型 环境环境不能不能提供提供 足够的色氨酸足够的色氨酸 自身自身合成合成色氨酸色氨酸 环境环境能够能够提供色氨酸时提供色氨酸时减少或减少或停止合成停止合成色氨酸色氨酸 调控区调控区 调节基因调节基因 启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 ZYAOP DNA 色氨酸色氨酸( (TrpTrp) )操纵子结构操纵子结构 TrpE TrpD TrpC TrpB TrpA 结构基因结构基因 能催化合成色氨酸能催化合成色氨酸 指导合成阻遏蛋白指导合成阻遏蛋白 （无活性蛋白）（无活性蛋白）+色氨酸色氨酸 过量色氨酸存在时过量

24、色氨酸存在时 成为有活性的阻遏物成为有活性的阻遏物 阻止转录阻止转录 催化分支酸转变为催化分支酸转变为TrpTrp-见书见书P280P280 TrpTrp E: E: 磷酸核糖基转移酶磷酸核糖基转移酶 TrpTrp D D：邻氨基苯甲酸合成酶：邻氨基苯甲酸合成酶 TrpTrp C C：吲哚甘油酸磷酸合成酶：吲哚甘油酸磷酸合成酶 TrpTrp B B：色氨酸合成酶：色氨酸合成酶亚基亚基 TrpTrp A A： 色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 TrpTrp是辅助遏物是辅助遏物 Trp 有有Trp 时，阻碍转录时，阻碍转录 无无Trp 时时 mRNA EDCBAOP trpR 调节区调节区 结构基

25、因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 阻遏蛋白与辅阻遏物结合后，阻遏蛋白与辅阻遏物结合后，有活性有活性 阻遏蛋白阻遏蛋白没有活性没有活性 不转录不转录 阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因O O紧密合紧密合 在环境在环境没有色氨酸没有色氨酸存在的情况下存在的情况下 合成色氨酸所需合成色氨酸所需的酶类的酶类合成合成 操纵子处操纵子处 于于去阻遏去阻遏 状态状态 相关相关结构基因开放结构基因开放，转录和翻译，转录和翻译。 阻遏蛋白阻遏蛋白与操纵基因与操纵基因O O紧密结合紧密结合 在环境在环境有色氨酸有色氨酸存在的情况下存在的情况下 合成色氨酸

26、所需合成色氨酸所需的酶类的酶类不合成不合成 操纵子处操纵子处 于于阻遏状阻遏状 态态 相关相关结构基因关闭结构基因关闭，不转录，不翻译。，不转录，不翻译。 阻遏蛋白与操纵基因结合阻遏蛋白与操纵基因结合 结构基因结构基因不不转录转录 阻遏蛋白阻遏蛋白不不与操纵基因结合与操纵基因结合 结构基因转录结构基因转录 负调控负调控 原核生物：负调控为主原核生物：负调控为主 调节基因对操纵子的负调控调节基因对操纵子的负调控 正调控正调控 阻遏蛋白与操纵基因结合阻遏蛋白与操纵基因结合 结构基因转录结构基因转录 阻遏蛋白阻遏蛋白不不与操纵基因结合与操纵基因结合 结构基因结构基因不不转录转录 原核生物：正调控为辅

27、原核生物：正调控为辅 调节基因调节基因 阻遏蛋白阻遏蛋白 激活蛋白激活蛋白 激活蛋白激活蛋白 激活蛋白激活蛋白 调节基因对操纵子的正调控调节基因对操纵子的正调控 环境中有环境中有葡萄糖葡萄糖和和乳糖乳糖 不能合成不能合成分解乳糖的酶类分解乳糖的酶类 环境中葡萄糖耗尽，环境中葡萄糖耗尽， 只剩下只剩下乳糖乳糖时时 能合成能合成分解乳糖的酶类分解乳糖的酶类 四、分解代谢物阻遏（正调节）四、分解代谢物阻遏（正调节） 葡萄糖的降解产物对葡萄糖的降解产物对 laclac 操纵子的阻遏作用操纵子的阻遏作用 称分解代谢阻遏。称分解代谢阻遏。 葡萄糖葡萄糖 CAP-CAP-降解物基因降解物基因活化蛋白活化蛋白，由调节基因编码，由调节基因编码 CAP-cAMPCAP-cAMP结合后，活化并结合到启动子的一定结合后，活化并结合到启动子的一定 部位，利于部位，利于RNApolRNApol的识别，增强转录。的识别，增强转录。 调节基因调节基因 启动子启动子 操纵操纵 基因基因 lacZ lacY lacA CA