环境生物化学基础代谢调控

环境生物化学基础代谢调控第1页，共62页，2023年，2月20日，星期一第十二章代谢调控第1节物质代谢的相互联系

一.糖代谢与脂肪代谢的相互关系

二糖代谢与蛋白质代谢的相互关系

三.脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系四.核酸代谢、糖、脂肪及蛋白质代谢的相互关系

第2节代谢调节一.酶水平调节二.细胞水平调节三.激素水平调节四.神经系统水平调节第2页，共62页，2023年，2月20日，星期一第1节物质代谢的相互联系

一.糖代谢与脂肪代谢的相互关系

糖可以在生物体内变成脂肪。脂肪不能大量转变为糖，除了油料作物种子。第3页，共62页，2023年，2月20日，星期一

磷酸二羟丙酮丙酮酸甘油乙酰辅酶A脂肪酸脂肪-甘油磷酸磷酸二羟丙酮糖脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸草酰乙酸丙酮酸-氧化乙醛酸循环TCA循环CO2+H2O糖尿病：脂肪酮体

在血液中产生酸中毒或到达肌肉中提供能源在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。脂肪糖乙酰乙酸丙酮-羟丁酸第4页，共62页，2023年，2月20日，星期一二.糖代谢与蛋白质代谢的相互关系

糖可以转变为非必需氨基酸。蛋白质可以转变为糖。第5页，共62页，2023年，2月20日，星期一三.脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系

由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，实际上仅限于Glu。蛋白质间接地转变为脂肪。第6页，共62页，2023年，2月20日，星期一草酰乙酸—酮戊二酸氨基酸脂类分子中的甘油

丙酮酸

蛋白质甘油生酮氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸脂肪酸丙酮酸乙酰辅酶A丙二酸单酰辅酶A脂肪

脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏能量的物质。脂肪酸乙酰辅酶A-氧化TCA循环草酰乙酸—酮戊二酸苹果酸氨基酸琥珀酸乙醛酸循环第7页，共62页，2023年，2月20日，星期一

四.核酸代谢、糖、脂肪及蛋白质代谢的相互关系

蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的来源。核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型第8页，共62页，2023年，2月20日，星期一第9页，共62页，2023年，2月20日，星期一第2节代谢的调节一、生物调控的概念

生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。第10页，共62页，2023年，2月20日，星期一生物体具有完整的调节和控制体系生命现象是生物体内发生的极其复杂的生物化学过程的综合结果。为了保证生命活动（如生长、发育、分化、繁殖、代谢和运动等）能够有条不紊地进行，所有生物体内发生的生物化学过程都必须受到有效的调控。生物调控机制是生物在长期进化过程中逐步形成的。生物进化程度愈高，调控机制愈完善、愈复杂。第11页，共62页，2023年，2月20日，星期一代谢调节的四级水平：酶水平调节细胞水平调节激素水平调节神经水平调节第12页，共62页，2023年，2月20日，星期一二、酶水平调节细胞内进行的错综复杂的代谢过程及生理变化，主要是通过酶的调节来实现的。实际上，激素的调控作用也是通过对酶的影响（酶的产生和酶的活性）而实现的。生物体内发生的生物化学过程的调控就是酶的活性调控。第13页，共62页，2023年，2月20日，星期一（一）酶通道思想概念：

DNA酶阵代谢网络结构①酶阵控制代谢的方向及途径，或代谢方式；

②酶阵中酶活性控制代谢速率；

③酶的总活力=酶分子的活性✖具有活性的酶分子数第14页，共62页，2023年，2月20日，星期一

（二）酶分子活性的调控酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类生物化学反应速度、方向和途径的功能。酶水平的调节作用主要有两种方式：一是通过激活或抑制酶的活性；二是通过影响酶的合成或降解速度，即改变细胞内酶的含量。这种酶水平的调节作用是生物调控最重要的形式。第15页，共62页，2023年，2月20日，星期一1.酶原的激活

有些酶在生物体内首先合成出来的是它的无活性前体，称为酶原。这些酶原在一定的条件下，水解去除一部分肽链，使酶的构象发生变化，形成有活性的酶分子。酶原从无活性状态转变成有活性状态的过程是不可逆的。属于这种类型的酶有消化系统的酶（如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶等）以及凝血酶等。

例如，胰蛋白酶原分子中某一个肽键被特殊的水解酶催化水解后，即转变成活性的胰蛋白酶。第16页，共62页，2023年，2月20日，星期一2.别构调节有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即变构中心。变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但它可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用。这类酶通常称为变构酶，由于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。（1）别构酶和别构调节作用第17页，共62页，2023年，2月20日，星期一

①变构酶目前已知的变构酶均为寡聚酶，含两个或两个以上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂的空间结构。大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，由变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系。第18页，共62页，2023年，2月20日，星期一

②变构剂可以分为两类激活变构剂：变构剂与酶分子结合后，酶的构象发生了变化，这种新的构象有利于底物分子与酶的结合，使酶促反应速度提高。抑制变构剂：变构剂与酶分子结合所引起的酶的构象变化不利于与底物的结合，表现出一定程度的抑制作用。实验发现，在变构酶中起催化作用，称为催化亚基；与变构剂结合的对反应起调节作用，称为调节亚基。

第19页，共62页，2023年，2月20日，星期一某些代谢途径中别构酶及其别构剂代谢途径别构酶别构激活剂别构抑制剂糖酵解TCA糖异生脂肪合成氨基酸脱氨基作用嘌呤核苷酸合成己糖激酶6-磷酸果糖激酶-1丙酮酸激酶柠檬酸合成酶异柠檬酸脱氢酶丙酮酸羧化酶果糖二磷酸酶乙酰-CoA羧化酶谷氨酸脱氢酶PRPP酰胺转移酶AMP,ADP,FDP,PiFDP,PEP,PiAMPAMP,ADP,NAD+乙酰-CoA，ATPATP柠檬酸ADPPRPPG-6-PATP,柠檬酸ATP,柠檬酸，乙酰-CoAATP,长链脂肪酰-CoAATP,NADHADPFDP,AMP长链脂肪酰-CoAGTP,ATPIMP,AMP,GMP第20页，共62页，2023年，2月20日，星期一③变构效应第21页，共62页，2023年，2月20日，星期一（2）别构调节机制——酶反馈调节作用

①酶活性的反馈调节作用

前馈（feedforward）和反馈（feedback）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节作用是通过酶的变构效应来实现的。

第22页，共62页，2023年，2月20日，星期一②反馈调节中酶活性调节的机制代谢物别构中心活性中心第23页，共62页，2023年，2月20日，星期一

（3）反馈调节的类型

①正反馈作用

②负反馈作用

③酶反馈调节举例

第24页，共62页，2023年，2月20日，星期一

由代谢终产物作为变构剂来抑制在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为反馈抑制。这是一种负反馈机制，多数情况下控制合成代谢。类型：顺序反馈抑制

协同反馈抑制

累积反馈抑制同工酶反馈抑制反馈抑制第25页，共62页，2023年，2月20日，星期一顺序反馈抑制示意图ABGFJDCH---E1E3E2第26页，共62页，2023年，2月20日，星期一芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节第27页，共62页，2023年，2月20日，星期一协同调节示意图ABGFJDCH-E1E3E2---第28页，共62页，2023年，2月20日，星期一赖氨酸和苏氨酸的协同反馈调节第29页，共62页，2023年，2月20日，星期一同工酶反馈抑制示意图ABGFJDCH----E1E2E3E4第30页，共62页，2023年，2月20日，星期一几种氨基酸的同工酶反馈调节第31页，共62页，2023年，2月20日，星期一累积反馈抑制示意图第32页，共62页，2023年，2月20日，星期一反馈激活和前馈激活示意图ABCDFAB•••••GCDEE+++例1:糖代谢途径中丙酮酸积累激活丙酮酸羧化酶例2：乙酰CoA的积累激活PEP羧化酶第33页，共62页，2023年，2月20日，星期一酶

的

反

馈

激

活葡萄糖草酰乙酸丙酮酸羧化酶乙酰CoA活化磷酸烯醇式丙酮酸拧檬酸-酮戊二酸1，6-二磷酸果糖第34页，共62页，2023年，2月20日，星期一谷氨酰氨合成酶的累积反馈抑制第35页，共62页，2023年，2月20日，星期一3.共价修饰调节（1）共价修饰调节

某些酶分子上的基团可以在另一种酶催化下发生共价修饰作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），从而引起酶活性的激活或抑制。这种作用称为共价修饰作用。这类酶则称为共价调节酶。

第36页，共62页，2023年，2月20日，星期一（2）共价修饰调节的特点：①被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。②共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。第37页，共62页，2023年，2月20日，星期一

酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（Covalentmoldification）。目前已知有六种修饰方式：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，氧化（S-S）/还原(2SH)。例：糖原磷酸化酶的共价修饰（3）共价修饰调节的主要类型

第38页，共62页，2023年，2月20日，星期一

激酶ATPADP磷酸化酶（无活性）磷酸化酶P（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰第39页，共62页，2023年，2月20日，星期一酶级联系统调控示意图意义：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、ATPcAMPR、cAMP3、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第40页，共62页，2023年，2月20日，星期一磷酸化酶磷酸化酶b。该酶本身无活性,当磷酸化酶b活性中心的丝氨酸残基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶a。由磷酸化酶b转化为活化形式a的反应,被磷酸化酶激酶所催化,而磷酸化酶a去活化（去磷酸化）则由另一种磷酸酶所催化。第41页，共62页，2023年，2月20日，星期一（三）酶含量的调节1.酶合成的基因表达调节酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身活动需要，严格控制细胞内各种酶的合理含量，从而对各种生物化学过程进行调控。第42页，共62页，2023年，2月20日，星期一酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节。在细胞内，所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的。DNA所携带的酶蛋白遗传信息，需要通过转录和翻译而合成酶蛋白。在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。因此，基因表达的调控主要在转录水平上进行第43页，共62页，2023年，2月20日，星期一（1）酶生物合成的诱导和阻遏现象

①酶生物合成的诱导现象：

1900年发现，E.Coli，乳糖，-半乳糖苷酶，诱导剂，诱导酶，诱导作用

②酶生物合成的阻遏现象：

1953年，J.Monod发现，色氨酸，阻遏剂，辅阻遏剂，阻遏酶，阻遏作用

第44页，共62页，2023年，2月20日，星期一③诱导酶大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以代谢乳糖的酶。但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶：-半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。这三个酶蛋白是大肠杆菌DNA上的三个结构基因经过转录和翻译而合成的。第45页，共62页，2023年，2月20日，星期一①操纵子学说的提出：1961年，J.Monod和F.Jacob提出。操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）启动子（premotor,P）

（2）操纵子学说——原核生物酶合成调节的遗传机制第46页，共62页，2023年，2月20日，星期一②酶合成的诱导和阻遏实例：诱导型操纵子乳糖操纵子阻遏型操纵子色氨酸操纵子第47页，共62页，2023年，2月20日，星期一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基因调节基因结构基因

阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡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代谢产物与阻遏蛋白结合,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第48页，共62页，2023年，2月20日，星期一乳

糖

操

纵

子

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ORmRNAZmRNAYmRNAa

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）第49页，共62页，2023年，2月20日，星期一乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态第50页，共62页，2023年，2月20日，星期一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顺式作用元件和反式作用因子转录因子的相互作用控制转录第51页，共62页，2023年，2月20日，星期一（2）酶的降解灭活

（3）酶水平调节的分级

①一级机制毫秒范围

②二级机制数秒至数分钟范围

③三级机制数小时几天或更长第52页，共62页，2023年，2月20日，星期一

三、细胞水平的调节

细胞内发生的各种代谢反应及生理变化之所以能够有条不紊地进行，首先是由于细胞本身具有的特殊膜结构。如果细胞的完整性受到破坏，细胞水平的调控功能将丧失。

（一）内膜系统对酶分隔的区域化调节作用

（二）膜对及代谢物选择性通透的调节作用

第53页，共62页，2023年，2月20日，星期一酶定位的区域化线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;细胞核:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成第54页，共62页，2023年，2月20日，星期一酶在真核细胞内的区域化分布细胞器酶种类相关代谢途径细胞膜线粒体外膜线粒体间质线粒体内膜线粒体基质细胞核溶酶体粗面内质网滑面内质网叶绿体过氧化体胞浆ATP酶，腺苷酸环化酶，各类膜受体等单胺氧化酶，脂酰转移酶，NDP激酶腺苷酸激酶，NDP激酶，NMP激酶呼吸链酶，肉毒碱脂酰转移酶TCA酶类，β-氧化酶类，氨基酸氧化脱氨酶及转氨酶类DNA聚合酶，RNA聚合酶，连接酶等各种水解酶蛋白质合成酶加氧酶系，合成糖、脂酶系等可溶性酶，光合链酶过氧化氢酶，过氧化物酶EMP酶类，谷胱甘肽合成酶系，氨酰tRNA合成酶等能量和信息转换胺氧化，脂肪酸活化，NTP合成核苷酸代谢氧化磷酸化，脂肪酸转运糖、脂肪酸和氨基酸的有氧氧化DNA复制，基因表达等多糖、脂类、蛋白质、核酸等水解蛋白质生物合成加氧反应，糖蛋白、脂蛋白加工催化暗反应，传递光电子处理过氧化氢、过氧化物等糖分解，GSH代谢，氨基酸活化第55页，共62页，2023年，2月20日，星期一四、激素水平的调节——激素作用机制

激素是什么？激素是生物体内特定细胞产生的的对某些靶细胞具有特殊刺激作用的微量物质。在机体的代谢过程或生理过程起调控作用。

（一）氨基酸、多肽和蛋白质类激作用机制

（二）类固醇激素作用机制第56页，共62页，2023年，2月20日，星期一肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图

ATP

cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白第57页，共62页，2023年，2月20日，星期一甾醇类激素作用原理示意图第58页，共62页，2023年，2月20日，星期一五、神经系统水平调节

（一）神经系统调节的概念

（二）激素和神经系统对代调节的上下级关系

（三）激素和神经系统对代调节的反馈关系

现代健康的标准：

健康的身体，高尚的道德，健康的心理，对挫折的承受力第59页，共62页，2023年，2月20日，星期一

大脑皮层大脑皮层------------------------------------------------------------------