第十二章 物质代谢的相互联系和调节控制

第十二章物质代谢的相互联系和调节控制第一页，共六十五页，编辑于2023年，星期五第一节物质代谢的相互联系一、代谢途径交叉形成网络二、分解代谢和合成代谢的单向性三、ATP是通用的能量载体四、NADPH

以还原力形式携带能量五、代谢的基本要略第二页，共六十五页，编辑于2023年，星期五一、代谢途径交叉形成网络1、糖代谢与脂类代谢的相互关系2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系3、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系4、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系第三页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖类

脂类

氨基酸

核苷酸之间的代谢联系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氨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酰氨色氨酸笨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氨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氨组氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖第四页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖代谢与脂类代谢的相互联系

糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成脂肪甘油磷酸二羟丙酮糖代谢脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖

(植物)乙醛酸循环-氧化糖异生TCA第五页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白质

NH3蛋白质氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）第六页，共六十五页，编辑于2023年，星期五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酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）第七页，共六十五页，编辑于2023年，星期五核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系

核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。

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

核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。

各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。第八页，共六十五页，编辑于2023年，星期五脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸琥珀酸苹果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循环乙醛酸循环甘油乙酰CoA三酰甘油脂肪酸氧化

糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物第九页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应

糖原（或淀粉）1-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2磷酸烯醇丙酮酸2丙酮酸葡萄糖己糖激酶果糖激酶二磷酸果糖磷酸酯酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶6-磷酸葡萄糖2草酰乙酸PEP羧激酶第十页，共六十五页，编辑于2023年，星期五ATP携带能量由能源传递给细胞的需能过程ATPADP+Pi太阳能化学能生物合成细胞运动膜运输第十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期五通过NADPH循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应NADPH+H+NADP+分解代谢还原性有机物还原性生物合成反应氧化物还原性生物合成产物氧化前体第十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

代谢的基本要略

代谢的基本要略在于:形成ATP、还原力和构造单元，以用于生物合成。由ATP、还原力和构造单元可合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流、能量流和信息流来支持。第十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期五脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段NADPH第十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期五生物系统中的能流第十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期五（胞液）（线粒体）（PEP）丙氨酸天冬氨酸谷氨酸（转氨基作用）糖的分解代谢和糖异生的关系第十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期五一、代谢调节的概念二、酶水平的调节三、细胞结构对代谢途径的分隔控制调节四、激素调节和跨膜信号转导第二节代谢调节第十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期五代谢的调节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多细胞整体水平调节第十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期五1、酶的别构效应

酶活性的前馈和反馈调节2、产能反应与需能反应的调节3、酶的共价修饰与级联放大机制二、酶水平的调节第十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期五酶活性的前馈和反馈调节

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。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现的。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反馈前馈第二十页，共六十五页，编辑于2023年，星期五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二十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期五6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原合成酶ATPADP

UTPUDPG

第二十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期五葡萄糖丙酮酸羧化酶乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖草酰乙酸-酮戊二酸拧檬酸天冬氨酸氨基酸蛋白质嘧啶核苷酸核酸

氨甲酰天冬氨酸——+++磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制第二十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期五氨基酸合成的反馈调控反硝化作用氧化亚氮氨甲酰磷酸分支酸脱氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤藓糖-4-磷酸脱氢奎尼酸莽草酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸+预苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高丝氨酸氨基苯甲酸ATP+NH4+ADP+Pi葡萄糖胺-6-磷酸第二十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖酵解与三羧酸循环途径的调节丙酮酸

G细胞液柠檬酸乙酰CoA柠檬酸草酰乙酸-酮戊二酸乙酰CoA丙酮酸线粒体

G-6-P

F-6-P

F-1.6-2P

磷酸果糖激酶

PEPADP+PiATPADP+PiATP

NADH

O2ATP

ADP+PiAMP+ATP2ADP

PiPi

PEP羧激酶+++---++----

己糖激酶

丙酮酸脱氢酶

柠檬酸合成酶-酮戊二酸

脱氢酶第二十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

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)。激酶ATPADP磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶aP（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰共价修饰

第二十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期五级联系统调控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第二十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期五cAMP激活蛋白激酶的作用机理第二十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控

糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。糖原合成酶a(有活性)糖原磷酸化酶b(无活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶b(无活性)糖原磷酸化酶a(有活性)PP第二十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期五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;磷脂合成第三十页，共六十五页，编辑于2023年，星期五动物细胞结构和代谢途径第三十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期五细胞膜结构对代谢的调节和控制作用控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制细胞和细胞器的物质运输内膜系统对代谢途径的分隔作用膜与酶的可逆结合第三十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期五激素调节的机制1、含氮激素作用模式2、甾醇类激素作用模式第三十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期五甾醇类激素作用原理示意图第三十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期五肽类激素通过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蛋白第三十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期五糖酵解和葡萄糖异生的关系（胞液）（线粒体）葡萄糖丙酮酸草酰乙酸天冬氨酸磷酸二羟丙酮3-P-甘油醛-酮戊二酸乳酸谷氨酸丙氨酸TCA循环乙酰CoAPEPG-6-PF-6-PF-1.6-P丙酮酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸3-P-甘油甘油ABC1C2AG-6-P磷酸酯酶BF-1.6-P磷酸酯酶C1丙酮酸羧化酶C2PEP羧激酶第三十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

第三节基因转录调控

一个基因指的是编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA（某些病毒基因为RNA），基因表达就是遗传信息被转录和翻译的过程。基因表达的调控可以在不同水平，例如转录水平，或翻译水平上进行。

原核生物的基因调控主要是在转录水平上进行，因为他们的转录和翻译过程可同时进行。

真核生物的转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，而且转录和翻译后都要经过复杂的加工过程，所以其基因调控在不同水平都需要进行调控。第三十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期五基因表达的调节可以发生在不同水平上：●转录水平：从DNA模板上把信息转录到RNA上。在环境信号分子的影响下。这是在质、量和时间程序上的调节。●翻译水平：将mRNA的三联体密码转变成氨基酸顺序。即蛋白质合成水平上的调节。●加工水平：包括RNA和蛋白质合成后的加工、修饰、转变成有活性的形成。●蛋白质活性的调节：包括别构调节和共价修饰调节

在上述几个方面的调节中，转录水平的调节是最关键的。因为细胞功能的重大调整，不涉及转录就不能实现。基因表达的控制主要是指转录水平的调节，尤其是在原核生物中，翻译和加工的问题比较简单，转录水平的调控就更为突出。第三十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

根据细菌酶的合成对环境的反应不同，酶的合成可分为两种类型：组成酶和适应酶。适应酶可分为诱导酶和阻遏酶。

1961年，法国科学家Jacob和Monod根据酶合成的诱导和阻遏的现象，提出了操纵子（operon）模型。操纵子是指编码一特定代谢途径酶的结构基因和控制这些基因转录的控制顺序所构成的转录单位。（这样的转录单位在原核生物中即称为操纵子。）

一．乳糖操纵子（lacoperon）是酶诱导合成的例子1.乳糖操纵子的组织结构结构基因：Z基因―――编码β－半乳糖苷酶。

Y基因―――编码半乳糖苷透过酶

A基因―――编码硫代半乳糖苷转乙酰基酶操纵基因（operator）:是阻遏蛋白结合部位。启动基因（又称启动子，promoter）:是RNA聚合酶结合的部位。第三十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期五操纵子(operon)的结构与功能InhibitorgenePS1S2S3启动子结构基因1，2，3...O操纵基因PromoterOperatorgeneStructuregene调控区结构基因

操纵子表达阻遏蛋白

结合RNA聚合酶

结合阻遏蛋白表达功能蛋白?I阻遏物基因第四十页，共六十五页，编辑于2023年，星期五Jacob和Monod在对大肠杆菌乳糖发酵过程中酶的生物合成研究时，探讨了基因表达调控机制，并提出了乳糖操纵子模型。操纵子：由一个启动子共转录的几个不同基因组成的转录单位，即由启动子序列、操纵基因和受操纵基因调控的一个或多个相关基因（结构基因）组成的基因表达单位。操纵子模型可以很好说明原核生物基因表达的调控机制。调节物基因控制部位几个相关基因（结构基因）操纵子的一般结构第四十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期五大肠杆菌乳糖操纵子

大肠杆菌乳糖操纵子包括依次排列的启动子、操纵基因和三个结构基因。结构基因Z编码分解乳糖的-半乳糖苷酶、Y编码吸收乳糖的-半乳糖苷透性酶、a编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。O代表操纵基因，i代表调节基因，P代表启动子。如果进行转录，转录产物是一条多顺反子mRNA。大肠杆菌能够利用乳糖作为它的唯一碳源，但需要合成代谢乳糖的三个酶：-半乳糖苷酶（降解乳糖生成半乳糖和葡萄糖）、-半乳糖苷透性酶（使乳糖进入细胞内）、-半乳糖苷乙酰基转移酶（半乳糖代谢时需要的酶）。这三个酶都是乳糖存在时诱导生成的酶。乳糖操纵子第四十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期五第四十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

当细胞中没有乳糖或其他诱导物时，调节物基因经转录、表达生成阻遏物，然后阻遏物特异与操纵基因结合，阻止z、y、a基因的转录。阻遏物阻遏物与操纵基因结合，阻止z、y、a基因转录第四十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

当细胞中存在乳糖或其他诱导物时，诱导物与阻遏物结合，使阻遏物构象发生变化，从而使阻遏物不能与操纵基因结合。这种状况下，在RNA聚合酶催化下可以进行z、y、a基因的转录。诱导物第四十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期五mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时乳糖操纵子的调节机制阻遏基因1.阻遏蛋白的负性调节第四十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期五mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第四十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期五2.分解代谢物阻遏

当E.coli在含有Glucose的培养基中生长时，培养基中即使含有乳糖，在Glucose被用完之前，是不会产生与乳糖利用有关的酶，这种效应称为Glucose效应或分解代谢物阻遏。因为乳糖操纵子的启动子可分为两部分（图18-17）：▲RNA聚合酶结合部位:富含A·T对，并在它的侧翼富含G·C对▲CAP（orCRP）识别与结合部位:

富含G·C对，且是回文结构。第四十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

乳糖操纵子的结构第四十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

CAP叫做分解代谢物基因活化蛋白（CRP称为cAMP－受体蛋白）它能使G·C对变得不稳定，可促进A·T对分开，从而有利于转录。但CAP的活性受cAMP水平的调节。当cAMP与CAP结合后才能使CAP同启动子的CAP结合部位结合。CAMP的水平受Glucose的某种分解代谢物的影响,该代谢物可以抑制细菌腺苷环化酶的活性，激活磷酸二酯酶的活性，因而可以降低cAMP的浓度.所以当有Glucose存在时,细胞内的cAMP水平显著下降。这样cAMP－CAP的浓度降低，不能促进RNA聚合酶进行转录，也就抑制了酶的诱导合成。只有当以乳糖作为唯一碳源时，才不会存在Glucose的分解代谢物阻遏的现象。这时，cAMP－CAP的水平升高，在乳糖的诱导下即可合成与乳糖代谢有关的酶。第五十页，共六十五页，编辑于2023年，星期五第五十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

cAMP－CAP复合物系统是以cAMP为信号的正调节系统。它对所有分解代谢物敏感的操纵子（包括lac和ara-operon）都有控制作用。在这里，乳糖利用酶的表达受到双重控制，即以乳糖为诱导物的“精调”以及以cAMP为信号的“中调“控制。

第五十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

CAP的正性调节第五十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

第五十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期五CAP的正性调节:CAP蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表现为较高，这时cAMP与CAP蛋白结合形成cAMP­–CAP复合物。此复合物可结合剂lac启动基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达50倍之多。第五十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期五协调调节

※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；

※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。

单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。

葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

第五十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期五

第五十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期五二．色氨酸操纵子是酶合成阻遏的例子

在合成代谢中，催化氨基酸或其他小分子最终产物合成的酶随时都需要，细胞中的这些酶经常在合成,即这些酶的合成经常处于消阻遏的状态。所以，在这类操纵子中，调节基因的产物--阻遏蛋白是不活泼的，不能和操纵基因结合.

当合成途径中的最终产物过量时，它就与阻遏蛋白结合，激活阻遏蛋白。激活后的阻遏蛋白就能结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶对结构基因的转录，与合成反应有关的酶也就不能被合成。最终产物或其衍生物称为辅阻遏物。E.coli和鼠伤寒沙门氏菌的色氨酸操纵子的调节符合这种阻遏现象。第五十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期五1.色氨酸操纵子（trpoperon）的组织结构结构基因（A.B.C.D.E）编码从分支酸开始到色氨酸合成的五种酶（图18-18）。trpL编码一个前导肽。在trpL中有一段顺序称为attenuator（弱化基因或衰减子）。此外，同样存在操纵基因和启动基因。2.终产物Trp对trpoperon的调节

Trp作为一种辅阻遏物激活阻遏蛋白。当培养基中含有丰富的T