生物化学第39章

1、第39章 细胞代谢调控一、细胞代谢的调节网络一、细胞代谢的调节网络二、酶活性的调节二、酶活性的调节三、细胞结构对代谢途径的分隔控制三、细胞结构对代谢途径的分隔控制四、细胞信号传递系统四、细胞信号传递系统五、基因表达的调节五、基因表达的调节细胞代谢内容：细胞代谢内容：物质代谢物质代谢能量代谢能量代谢信息代谢信息代谢代谢调节的三个水平：代谢调节的三个水平：分子水平分子水平细胞水平细胞水平多细胞整体水平多细胞整体水平负责代谢调控的物质：负责代谢调控的物质：蛋白质（及蛋白质（及rna），因此与基因表达有关。），因此与基因表达有关。一、细胞代谢的调节网络细胞代谢的原则和要略：细胞代谢的原则和要略：将各类

2、物质分别纳入共同代谢途径，以少数种类将各类物质分别纳入共同代谢途径，以少数种类 的反应产生种类繁多的分子；的反应产生种类繁多的分子；不同的代谢途径可通过不同的代谢途径可通过交叉点交叉点上的关键中间代谢上的关键中间代谢 物相互作用和相互转化。物相互作用和相互转化。三个最关键的中间代谢物：三个最关键的中间代谢物：葡萄糖葡萄糖6磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶a1、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖糖 - -酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 nh3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸（生糖氨基酸）丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸-酮

3、戊二酸酮戊二酸2、脂类代谢与蛋白质代谢 的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰coa氨基酸碳架氨基酸碳架氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸或乙酰coa脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪3、糖代谢与脂类代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰coa琥珀酸琥珀酸糖糖 乙醛酸循环乙醛酸循环 -氧化氧化糖异生糖异生柠檬酸循环柠檬酸循环植物植物微生物微生物酵解酵解磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸丙酮酸还原还原甘油甘油氧化脱羧氧化脱羧乙酰乙酰coacoa脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪糖糖4、核酸与糖、脂类、蛋白质 代谢的联系

4、核苷酸的一些核苷酸的一些衍生物衍生物具重要生理功能，如具重要生理功能，如coacoa，fadfad， fmnfmn，nad+nad+，nadp+nadp+，campcamp，cgmpcgmp等。等。 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合 成，影响细胞的成分和代谢类型。成，影响细胞的成分和代谢类型。核酸的合成需要核酸的合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物糖和蛋白质的代谢中间产物参参 加，而且需要加，而且需要酶酶和多种和多种蛋白因子蛋白因子。许多核苷酸在代谢中具有重要作用，许多核苷酸在代谢中具有重要作用，atpatp是主要的能量是主要的能量 载体，此

5、外，载体，此外，utputp参与多糖的合成，参与多糖的合成，ctpctp参与磷脂合成，参与磷脂合成， gtpgtp参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用。糖、脂、蛋白质和核酸代谢的相互关系pep丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸 -酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸 甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰coa甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨

6、酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰coa脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰coa苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉、糖原淀粉、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰coa1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡葡糖糖异异生生途途径径概概貌貌分解代谢和合成代谢的单向性 代谢过程是代谢过程是单单向向的，同一物质的的，同一物质的分解和合成途径不分

7、解和合成途径不同，同， 其分解和合成其分解和合成途径中某些关键部途径中某些关键部位的正、逆反应由位的正、逆反应由不同的酶催化。不同的酶催化。己糖激酶己糖激酶磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶代谢的基本要略细胞代谢的内容：细胞代谢的内容：分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢基本要略：基本要略：形成形成atp（底物水平磷酸化、氧化磷酸化）、还（底物水平磷酸化、氧化磷酸化）、还原力（原力（nadph）、构造单元，）、构造单元，用于生物合成。用于生物合成。脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸

8、氨基酸乙酰乙酰coae-磷酸化磷酸化+pi小分子化合物分解小分子化合物分解成共同的中间产物成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰（如丙酮酸、乙酰coa）共同中间物进入三共同中间物进入三羧酸循环羧酸循环,氧化脱下氧化脱下的氢由电子传递链的氢由电子传递链传递生成传递生成h2o，释，释放出大量能量，其放出大量能量，其中一部分储存在中一部分储存在atp中。中。大分子降解成基本大分子降解成基本结构单位。结构单位。主要产能物质分解代谢的三个步骤核糖核糖nadpnadph二、酶活性的调节代谢的最关键调节：代谢的最关键调节：酶酶水平的调节水平的调节代谢调节的四级水平：代谢调节的四级水平： 酶水平调节酶水平调节 细胞

9、水平调节细胞水平调节 激素水平调节激素水平调节 神经水平调节神经水平调节多细胞整体水平调节多细胞整体水平调节 酶的两种功能：酶的两种功能：作为催化剂催化生物反应；作为催化剂催化生物反应；调节和控制代谢速度、方向和途径。调节和控制代谢速度、方向和途径。 酶对代谢调节的两种主要方式：酶对代谢调节的两种主要方式：酶活性酶活性的调节，激活或抑制已有酶分子的活性；的调节，激活或抑制已有酶分子的活性； 方式：别构效应、共价修饰方式：别构效应、共价修饰酶含量酶含量的调节，影响酶分子的合成和降解，改变酶含量。的调节，影响酶分子的合成和降解，改变酶含量。 方式：基因表达调控方式：基因表达调控酶水平的调节酶促反应

10、的前馈和反馈前馈和反馈的前馈和反馈的本意：本意：前馈：前馈：“输入对产出的影响输入对产出的影响”反馈：反馈：“产出对输入的影响产出对输入的影响” 在生物化学中分别说明在生物化学中分别说明底物底物和和代谢产物代谢产物对代谢过程对代谢过程的调节作用。这种调节作用通过酶的的调节作用。这种调节作用通过酶的别构效应别构效应实现。实现。前馈和反馈的类型前馈前馈正前馈：前面的正前馈：前面的底物底物对后面某一反应的酶起对后面某一反应的酶起激活激活作用。作用。负前馈：前面的负前馈：前面的底物底物对后面某一反应的酶起对后面某一反应的酶起抑制抑制作用。作用。反馈反馈正反馈：代谢反应的正反馈：代谢反应的产物产物对前面

11、某一反应的酶起对前面某一反应的酶起激活激活作用。作用。负反馈：代谢反应的负反馈：代谢反应的产物产物对前面某一反应的酶起对前面某一反应的酶起抑制抑制作用。作用。前馈激活和反馈激活示意图ab c d fab gcdee+正前馈作用正前馈作用 正反馈作用正反馈作用 由由代谢终产物代谢终产物作为别构效应剂，来作为别构效应剂，来抑制抑制在此产物在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为为负反馈抑制。负反馈抑制。多数情况下控制多数情况下控制合成代谢。合成代谢。 负反馈抑制负反馈抑制示意图abgfjdche1e3e2负反馈调节中酶活性调节的机制产物

12、产物别别构构中中心心活性活性中心中心例1.乙酰coa形成和柠檬酸循环中的激活和抑制激活：激活：抑制：抑制： 反馈抑制：反馈抑制：p p例.嘧啶核苷酸从头合成的调节 在其它酶的催化下，酶分子中的某些基团可以共价结在其它酶的催化下，酶分子中的某些基团可以共价结合或脱去，引起酶分子构象改变，使酶活性得到调节，这合或脱去，引起酶分子构象改变，使酶活性得到调节，这种方式称为酶的种方式称为酶的共价修饰。共价修饰。目前已知有六种修饰方式：磷酸化目前已知有六种修饰方式：磷酸化/ /去磷酸化，乙酰化去磷酸化，乙酰化/ /去去乙酰化，腺苷酰化乙酰化，腺苷酰化/ /去腺苷酰化，尿苷酰化去腺苷酰化，尿苷酰化/ /去尿

13、苷酰化，去尿苷酰化，甲基化甲基化/ /去甲基化，氧化（去甲基化，氧化（s-ss-s）/ /还原还原(2sh)(2sh)。激酶激酶atpadp磷酸化酶磷酸化酶（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶p（有活性）（有活性）磷酸酯酶磷酸酯酶-ohh2op例：糖原磷酸化酶的共价修饰例：糖原磷酸化酶的共价修饰酶的共价修饰酶活性调节的其它方式 产能反应与需能反应的调节产能反应与需能反应的调节 酶活性的激活和抑制酶活性的激活和抑制 酶原的激活酶原的激活三、细胞结构对代谢途径 的分隔控制酶定位的区域化线粒体线粒体：丙酮酸氧化；：丙酮酸氧化；柠檬酸循环；柠檬酸循环； -氧化；氧化；呼吸链电子传递；氧化呼吸链电子传递

14、；氧化磷酸化磷酸化细胞质细胞质：糖酵解；糖酵解；戊糖磷酸途径；糖戊糖磷酸途径；糖原合成；脂肪酸合原合成；脂肪酸合成成细胞核：细胞核：核酸合成、加工核酸合成、加工内质网内质网:蛋白质合成蛋白质合成；磷脂合成；磷脂合成四、细胞信号传递系统通过细胞信号传递系统进行代谢调节的方式：通过细胞信号传递系统进行代谢调节的方式：激素调节、神经调节激素调节、神经调节两种方式都体现了两种方式都体现了多细胞生物多细胞生物从从整体水平整体水平上对代谢进行的调节上对代谢进行的调节五、基因表达的调节操纵子：操纵子：是原核生物基因表达的协同单位，有共同是原核生物基因表达的协同单位，有共同 的控制区和调节系统，包括在功能上彼

15、此的控制区和调节系统，包括在功能上彼此 有关的有关的结构基因结构基因和控制部位，控制部位由和控制部位，控制部位由 启动子启动子和和操纵基因操纵基因组成。组成。操纵子操纵子结构基因（编码蛋白质）结构基因（编码蛋白质）控制部位控制部位操纵基因操纵基因启动子启动子原核生物基因表达的调节操纵子模型操纵子模型的基本内容 酶的酶的诱导诱导和和阻遏阻遏在在调节基因调节基因的产物的产物阻遏蛋白阻遏蛋白作用作用下，通过下，通过操纵基因操纵基因控制结构基因的转录。控制结构基因的转录。 细菌通常并不合成代谢无用的酶，一些细菌通常并不合成代谢无用的酶，一些分解代谢的酶分解代谢的酶类类在在底物或底物类似物底物或底物类似

16、物存在时存在时被诱导合成，被诱导合成，酶酶诱导诱导时，阻时，阻遏蛋白与遏蛋白与诱导物诱导物结合失去封闭操纵基因的能力；结合失去封闭操纵基因的能力； 合成代合成代谢的酶类谢的酶类在在产物或产物类似物产物或产物类似物足够时，足够时，合成被阻遏，合成被阻遏，酶酶阻阻遏遏时，原本无活性的阻遏蛋白与时，原本无活性的阻遏蛋白与辅阻遏物辅阻遏物（合成途径的终（合成途径的终产物或产物类似物）结合而被活化，封闭操纵基因。产物或产物类似物）结合而被活化，封闭操纵基因。酶的诱导和阻遏的操纵子模型a. 酶的诱导酶的诱导b. 酶的阻遏酶的阻遏调节基因调节基因结构基因结构基因诱导物诱导物 阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白结合操纵

17、基因，结构基因不表达阻遏蛋白结合操纵基因，结构基因不表达诱导物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能结合操纵基因，结构基因可以表达诱导物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能结合操纵基因，结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mrna阻遏蛋白不能跟操纵基因结合，阻遏蛋白不能跟操纵基因结合， 结构基因表达结构基因表达代谢产物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白能够结合操纵基因，结构基因不表达代谢产物与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白能够结合操纵基因，结构基因不表达 阻遏蛋白阻遏蛋白酶蛋白酶蛋白mrna代谢产物代谢产物启动子启动子 操纵基因操纵基因大肠杆菌乳糖操纵子模型调节基因调节基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因placzlacylacamrna 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子orplaczlacylaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子ormrnazmrnaymrnaa基基 因因 表表达达mrnaa、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构b、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（无