第十三章物质代谢的联系及其调节

新陈代谢（metabolism)指生物体与外界物质交换过程中体内所经历的一切化学变化,是一切生命活动的基础，包括物质、能量、信息代谢。

代谢调节(metabolicregulation)正常情况下，生物体生成产物即能满足生物的需要，又不会过多而造成浪费，说明生物体在进化过程中形成了一套有效而灵敏的调控系统。

代谢调节的三个层次

分子水平调节

细胞水平调节

多细胞整体水平调节：激素水平（组织和器官）和整体水平（神经和维管束系统）的调节。第十三章物质代谢的联系及其调控ABEX底物水平的调节酶水平的调节酶活性的调节酶含量的调节酶的定位调节辅助因子的调节产物调节代谢调节主要是分子水平的调节（基因表达调控）第十二章物质代谢的联系及其调控第一节物质代谢的相互联系第二节代谢调节与控制第一节物质代谢的相互联系

二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系一、糖代谢与脂类代谢的相互关系三、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系四、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系一、糖代谢与脂类代谢的相互联系

TCA二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系TCATCA三、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系

脂肪甘油磷酸二羟丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白质蛋白质氨基酸乙酰乙酸脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）氨基酸（生糖氨基酸）丙酮酸{脂肪酸脂肪乙酰CoA甘油四、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系

PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺丙氨酸甘氨酸丝氨酰苏氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸胆固醇亮氨酸赖氨酸酪氨酸色氨酸苯丙氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰胺天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸异亮氨酸甲硫酰氨苏氨酸缬氨酸琥珀酰CoA苹果酸草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸乙醛酸蛋白质淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰胺组氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二酸单酰CoA1-磷酸葡萄糖第一阶段第二阶段第三阶段第二节代谢调节与控制酶活性调节酶含量调节细胞区域化调节细胞信号转导①变构效应②共价修饰及级联放大系统③酶原激活④酶分子聚合与解聚⑤抑制剂与激活剂（一）、酶活性调节的类型

通过在酶蛋白某些氨基酸残基上增、减基团的办法，调节酶的活性态与非活性态间的相互转化，从而调节酶的活性，这种修饰作用叫做共价修饰，这种酶叫共价修饰酶（代谢调节酶）。包括六种类型：磷酸化／去磷酸化乙酰化／去乙酰化腺苷酰化／去腺苷酰化尿苷酰化／去尿苷酰化甲基化／去甲基化S－S／SH共价修饰(covalentmodification)级联系统调控示意图连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其它酶被激活，导致原始信号放大的酶链反应体系叫级联放大系统。肾上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸环化酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMP3、蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液肾上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATPADPATPADP456意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。肾上腺素主要是调节糖代谢,它能够促进肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中的乳酸含量。抑制作用(inhibition)激活作用(activation)级联放大作用(amplificationcascade)（二）酶活性调节产生的效应A单价反馈抑制

ABCDPE1E2E3E4反馈抑制在线性的代谢途径中，单一的末端产物对催化关键步骤酶的反馈抑制抑制作用B协同反馈抑制

ABCD

E4E5E1XY指一种终产物单独过量时只抑制其分支反应速度，而当几个终产物同时过量时才抑制共同的第一个关键酶的活性例如：赖氨酸和苏氨酸的协同反馈调节C酶的多重性抑制ABGFJDCH----E1E2E3E4在分支代谢中，在分支点之前的某个反应，若有一组同工酶催化时，分支代谢的几个终产物往往分别对这一组同工酶中的某个酶发生抑制，叫酶的多重性抑制。D顺序反馈抑制ABCDE1E4E5XY终产物X和Y首先分别抑制各支路上第一个酶，从而使中间产物D累积；然后在通过中间产物D再对共同途径第一个酶产生反馈抑制。芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节Ｅ累积反馈抑制ABEDEF几个终产物中任何一个过量都能单独部分地抑制共同途径中前面的关键酶，并且各终产物对共同关键酶抑制作用有累积效应，当所有终产物都过量时，对这个酶的抑制达到最大谷氨酰胺合成酶受到各种终产物的累积反馈抑制第二节代谢调节控制酶活性调节酶含量调节细胞区域化调节细胞信号转导酶含量调节（基因表达的调节）酶的合成受基因表达调控。生物在生长发育过程中，基因表达可按一定时间顺序发生改变，而且随着内外环境条件的变化而加以调整，这就是基因表达的时序调节和适应调节，基因表达的调控可在转录水平（前、中、后）和翻译水平（中、后）进行。（一）酶合成的调节(1)酶合成的诱导和阻遏（JacobandMonod的工作）大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时，细胞内无上述三种酶合成；大肠杆菌生长在以乳糖为唯一碳源培养基上时，细胞内有上述三种酶合成；当换成葡萄糖培养基时，三种酶基本消失；表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成。由于底物或底物类似物存在而导致作用于该物质的酶合成的现象叫做酶合成的诱导作用(induction)。能诱导酶合成的物质叫诱导物。被诱导合成的酶叫诱导酶。已知分解利用乳糖的酶有：

-半乳糖苷酶；-半乳糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶。(1)酶合成的诱导和阻遏（JacobandMonod的工作）大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时，检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在；在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌生长的经济原则：不需要就不合成。酶合成的阻遏作用：某些代谢物可以阻止某些酶的合成，是通过阻止为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的阻遏作用(repression)。通过与原来无活性的阻遏蛋白结合能有效阻止相关酶合成的物质叫辅阻遏物。被辅阻遏物作用而停止合成的酶叫阻遏酶。(2)操纵子模型操纵子(operon)——由几个相关的结构基因和调控区以及调节基因组成的整个核苷酸序列。操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵子（operator,O）启动子（premotor,P））调节基因（regulator,R）酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动子调节基因结构基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻档操纵基因，结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA辅阻遏物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物实例：诱导型操纵子乳糖操纵子阻遏型操纵子色氨酸操纵子

莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

获1965年诺贝尔生理学和医学奖操纵子模型的提出①

阻

遏

蛋

白

的

负

调

控调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLacA调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNA阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构

B、乳糖酶的诱导

乳糖阻遏蛋白（有活性）②CAP（降解物基因活化蛋白）的正调控RLaczLacyLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAA基因表达CAP基因结构基因CAPOCAP结合部位RNA聚合酶cAMP-CAPPcAMP降低cAMP浓度使CAP呈失活状态☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录。结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。

色氨酸操纵子的调控机制

trp操纵子——属阻遏型操纵元，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。由启动子、操纵子及5个结构基因组成，5个结构基因依次为trpE、trpD、trpC、trpB、trpA，分别编码邻氨基苯甲酸合成酶的ε和δ链，吲哚甘油磷酸合成酶，trp合成酶的β和α链，在操纵基因和trpE之间有一段长162bp的前导序列（trpL），其中含衰减子或弱化子(attenuator)。trp操纵子的阻遏作用当Trp浓度低于蛋白质合成所需最适水平时，trp操纵子即转录。当Trp充足时，trp操纵子的转录被终产物阻遏。trp操纵子的转录调控是通过Trp阻遏蛋白实现的。当Trp水平低时，阻遏蛋白以无活性形式存在，不能与操纵基因结合，因而trp操纵子被RNA聚合酶转录，Trp生物合成途径被激活。而当trp合成过多时，Trp作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合形成同源二聚体，后者再与操纵基因结合而使基因转录关闭。trp操纵子辅阻遏蛋白的负调控阻阻m形成终止信号转录终止

是RNA聚合酶从启动子出发进行的转录作用受到衰减子的调控，也称为弱化作用。无Trp时操纵子基因开始转录，衰减子是位于结构基因上游前导区的终止子。在衰减子区域含有4段特殊的序列，高浓度色氨酸存在时，能形成不依赖ρ因子的转录终止信号，RNA聚合酶脱落，转录终止。低浓度色氨酸存在时，则不能形成转录终止信号，转录继续。trp操纵子的衰减作用真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译水平调节翻译后加工的调节真核基因调控主要是正调控（二）酶降解的调节许多代谢关键酶和受到严格调控的酶都会迅速降解。酶的降解由蛋白水解酶催化。第二节代谢调节控制酶活性调节酶含量调节细胞区域化调节细胞信号转导酶定位的区域化线粒体:丙酮酸氧化;TCA循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化细胞质:EMP;PPP;糖原合成;脂肪酸合成;细胞核:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成；糖脂；糖蛋白；胆固醇；胆汁；粘多糖等，脂肪酸碳链延长第二节代谢调节控制酶活性调节酶含量调节细胞区域化调节细胞信号转导第二节代谢调节控制

神经和激素调节体现了多细胞整体水平的代谢调节，它涉及到细胞与外界及细胞之间的信息交流，这种信息交流主要通过信号分子起作用，信号分子作用于细胞后，细胞将外界信号转换为细胞能感知的信号，从而使细胞对外界信号作出相应的反应，这种由细胞外信