生物化学 第十二章代谢调节ppt课件

第十二章 代谢调节,在自然界中，包括动物、植物和微生物，都是由糖类、脂类、蛋白质、核酸四类生物大分子和其它一些小分子物质构成的。虽然这些物质化学性质不同，功能各异，但它们在生物体内的代谢过程并不是彼此孤立、互不影响的，而是互相联系、互相制约、彼此交织在一起的。 在正常的生物体内，不管是单细胞还是多细胞生物，这些错综复杂的代谢过程均能按其生长发育及适应外界环境的需要而有条不紊地进行，这说明生物在其进化过程中逐渐形成了一整套高效、灵敏、经济、合理的调控系统。,第一节 代谢途径的相互联系,一、糖代谢与蛋白质代谢的关系 二、糖代谢与脂类代谢的关系 三、脂类代谢与蛋白质代谢的关系 四、核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的关系,糖、脂、核酸和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂、核酸和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成CO2和H2O。,糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：如糖分解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经TCA循环产生酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。另外，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。 蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。,一、糖代谢与蛋白质代谢的关系,糖与脂类物质也能相互转变：,二、糖代谢与脂类代谢的关系,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。脂类与蛋白质之间可以相互转化： 脂类分子中的甘油 丙酮酸 脂肪酸,蛋白质,三、脂类代谢与蛋白质代谢的关系,代谢调节（metabolic regulation）：是指生物体根据环境的变化、生理活动的需要，自身对代谢反应速度进行调节和对代谢途径方向加以控制的机能。 代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。,第二节 代谢调节,主要通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶的活性及含量进行调节，这种调节称为分子水平代谢调节。这是最原始的调节方式,单细胞生物,分子水平代谢调节,高等生物 三级水平代谢调节,分子水平代谢调节：包括酶活性、酶含量的调节,细胞水平代谢调节：膜系统对代谢途径的分隔,一、酶水平的调节,二、细胞的膜结构和酶的空间分布对代谢的调节,三、 激素调节,第二节 代谢调节,各类调节作用点均在生物活动的最基本单位细胞中。所以酶水平调节虽然是原始的，但却是最基本的调节方式，是高级水平的激素和神经调节方式的基础。 细胞内的各类代谢反应都是在酶的催化下进行的，代谢反应性质、方式、速度，均决定于酶的性质。在一定意义上，酶是细胞调节的核心。,一、酶水平的调节,（一）酶活性的调节,酶原激活 酶的共价修饰和级联系统酶原激活 反馈与前馈作用 酶的变构调节 辅因子的调节,（1）酶原：酶的无活性前体。 （2）酶原激活（不可逆的共价修饰）：某些酶先以无活性的酶原形式合成或分泌，然后在到达作用部位时由其它酶作用，使其失去部分肽段从而形成或暴露活性中心、形成有活性酶分子的过程。 （3）酶原激活的实例,1、酶原激活,胰凝乳蛋白酶原的激活,胰凝乳蛋白酶原,水解芳香族AA 羧基形成的肽键,胰蛋白酶原的激活及其功能,胰蛋白酶原,六肽,肠激酶,胰蛋白酶,胰凝乳蛋白酶原,胰凝乳蛋白酶,弹性蛋白酶原,弹性蛋白酶,羧肽酶原,羧肽酶,水解Arg Lys 羧基形成的肽键,2、酶的共价修饰和级联系统 （1） 共价修饰（covalent modification）：指在其他酶的催化下，某些小分子基团共价地结合到被修饰的酶分子上或被脱去，引起酶分子构象的改变，从而调节酶活性。 （2）共价修饰调节酶：即通过共价修饰调节活性的 酶叫共价修饰调节酶。 （3）共价修饰的类型： 磷酸化/去磷酸化（主要存在于高等动、植物细胞中） 腺苷酰化/去腺苷酰化；（主要存在细菌中） 乙酰化/去乙酰化； 尿苷酰化/去尿苷酰化； 甲基化/去甲基化； S-S/SH（氧化/还原）,糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的调节,糖原的合成 糖原合成酶a (脱磷酸化，有活性) 糖原磷酸化酶b (脱磷酸化，无活性),ATP ADP,Pi H2O,糖原合成酶b,（磷酸化，无活性),糖原磷酸化酶a,（磷酸化，有活性）,ATP ADP,Pi H2O,糖原的分解,（4）级联系统（cascade system）：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，导致原始信号的放大。这样的连锁代谢反应系统叫级联系统。 实例：肾上腺素作用于膜受体，引起效应器活化，进而引发一系列的胞内连锁反应。,酶级联系统调控示意图,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、ATP,cAMP,R、cAMP,3、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,1,4,5,6,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。,肾上腺素的级联放大作用 （1） 使信号（激素信号）放大:（肾上腺素浓度10-8-10-10 mol/L，可引起强烈的胞内效应产生葡萄糖5mmol/L）； （2）提供了更多的调控位点，使代谢过程能对细胞内外多种因素的变动作出调整； （3）使关键的调节酶能够更灵敏和更灵活地控制代谢反应，在不同情况下对各种代谢物和终产物有不同的应答反应。,E0,E1,+或-,反馈,+或-,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。,3.反馈与前馈作用,S0 S1 Sn,（1）前馈作用(feedforward)：在代谢途径中前面的底物对其后某一催化反应的调节酶有作用。 (1)前馈激活（feedforward activation） G 6- - G 6- -F 1.6-二 -F PEP 丙酮酸 (2)前馈抑制(feedforward inhibition) 乙酰CoA + CO2 +H2O + ATP 丙二酸单酰CoA + ADP+Pi,P,P,丙酮酸激酶,P,前馈激活,乙酰CoA羧化酶,前馈抑制,(1）反馈激活（feedback activation） (2) 反馈抑制（feedback inhibition）,（2）反馈作用（feedback）代谢产物对前面的某一 酶有作用,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。,A. 一价或单价反馈抑制（monovalent feedback inhibition ）,B 二价或多价反馈抑制（divalent or multivalent feedback inhibition） B1 同工酶调节 A B C D,E1,E1,E2,E3,X,Y,在Lys Met Ile合成时的反馈抑制,B2 顺序反馈抑制 A B C D,E1,E4,E5,X,Y,芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节,B3 协同反馈抑制 A B C D,E4,E5,E1,X,Y,存在于Lys Thr的合成中,B4 累积反馈抑制 A B,E,D E F,谷氨酰胺合成酶受到各种终产物的累积反馈抑制,能荷的调节 能荷 =,高能荷时，抑制分解代谢过程，降低ATP的合成速度； 低能荷时，促进分解代谢过程，提高ATP的合成速度。,例子 EMP：磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶 TCA：柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 - 酮戊二酸脱氢酶 氧化磷酸化过程：,4、辅因子调节,一、酶水平的调节 （二）酶数量的调节,酶是生物反应的催化剂，酶的相对数量决定代谢反应的进程和方向。因此，酶本身也必然受代谢调节的控制。通过酶的合成和降解，细胞内的酶含量和组分便发生变化，因而对代谢过程起调节作用。生物细胞的这种通过改变酶的合成和降解而调节酶的数量，被称为“粗调”。通过粗调，细胞可以开启或完全关闭某种酶的合成，或适当调整某种酶的合 成和降解速度，以适应对这种酶的需要。,1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏 酶作用的底物或产物，以及激素或药物都可影响酶的合成。能加强酶合成的作用称诱导作用；反之则称为阻遏作用。 2. 酶分子降解速度的调节 改变酶分子降解速度，也能调节细胞内酶的浓度，从而达到调节酶促反应的速度。这类调节在细胞中的重要性不如酶合成的诱导和阻遏。,（一）酶数量的调节,酶合成的诱导：某些代谢物可以诱导某些酶的合成，是通过促进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诱导。能诱导酶合成的物质叫诱导物。被诱导合成的酶叫诱导酶。,酶合成的阻遏：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。能阻遏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。,相关概 念,1965年诺贝尔生理学或医学奖奖,1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏,发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。 1961年，FJacob 和JMonod 根据酶合成的诱导和阻遏现象，提出了操纵子学说，用来说明酶合成的调节。,a、操纵子（operon）是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,b、酶合成的诱导和阻遏,原核生物酶合成调节的遗传机制 操纵子学说,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,大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因： 结构基因(S):能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白，这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成半乳糖苷酶，lacY合成半乳糖苷透过酶，lacA合成半乳糖苷转乙酰酶。 操纵基因(O):控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。 启动子(P):位于操纵基因的附近，它是RNA聚合酶识别和结合的信号序列，本身也不能转录成mRNA。 调节基因(I)：可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。,酶合成的诱导乳糖操纵子（大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被发现的操纵子）,已知分解利用乳糖的酶有：-半乳糖苷酶； -半乳糖苷透过酶；半乳糖苷转乙酰酶。,正调控系统和负调控系统,负调控系统： 在没有调节蛋白存在时基因表达，加入调节蛋白后基因表达活性被关闭。 阻遏蛋白：负调控系统中的调节蛋白。 正调控系统： 没有调节蛋白存在时基因关闭，加入这种调节蛋白后基因活性被开启。 诱导蛋白：正调控系统中的调节蛋白。,乳 糖 操 纵 子 的 负 调 控,调节基因,操纵基因,结构基因,P,LacZ,LacY,LacA,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,启动子,O,I,A、阻遏蛋白的负调控,B、乳糖的诱导,阻遏蛋白（有活性）,阻遏蛋白的负调控： 可诱导调控 1) 无乳糖存在时，阻遏蛋白可以结合在操纵基因上 阻止转录过程 基因关闭； 2）有乳糖存在时，乳糖与阻遏物结合阻遏物变构 阻遏蛋白不能结合操纵基因 转录进行 基因表达。,乳糖操纵子的正调控,R,LacZ,LacY,LacA,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CAP,O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）,使CAP呈失活状态,CAP存在原因： 由于乳糖启动子是弱启动子，单纯因乳糖的存在而使乳糖操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。,CAP(CRP cAMP activated protein)：由CAP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化的，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合或者与RNA Pol结合。,CAP的作用机制,CAP以两种方法来激活转录： 它可能直接和RNA Pol相互作用； CAP作用于RNA pol a亚基， 证据: 缺失 RNApol a亚基的-C末端时，失去受CAP激活的能力。 作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNA Pol结合。 乳糖操纵子的启动子上有40bp的CAP结合区域。,负调控与正调控协调调节(coordinate regulation),阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，即使没有阻遏蛋白与操纵基因结合，操纵子仍无转录活性。,乳糖操纵子调节的解释：若有葡萄糖或葡萄糖乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖 。 结论：乳糖操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,实验: (1)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； (2)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。,酶合成阻遏的色氨酸操纵子,trp 操纵子的结构,(1)操纵基因在启动子内 (2)有衰减子(attenuator) (3)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导顺序(Leader sequence)所隔开,trp 操纵子的结构特点:,trp操纵子转录的调控是通过Trp阻遏蛋白实现的，它结合于trp操纵基因，但阻遏蛋白的DNA结合活性直接受色氨酸调控，色氨酸结合阻遏蛋白，并起着一个效应分子的作用（也称之辅阻遏物）。 在有高浓度色氨酸存在时，阻遏蛋白-色氨酸复合物形成一个同源二聚体，并且紧密结合于trp操纵基因序列，因此可以阻止转录。然而当色氨酸水平低时，缺少色氨酸的阻遏蛋白以一种非活性形式存在，不能结合DNA。在这样的条件下，trp操纵子被RNA聚合酶转录，同时色氨酸生物合成途径被激活。,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,阻遏蛋白不能与操纵基因结合， 结构基因表达,调节基因,操纵基因,结构基因,辅阻遏物trp,代谢产物与阻遏蛋白结 合，使之构象发生变化 与操纵基因结合，结构基 因不能表达,酶合成的阻遏色氨酸操纵子,衰减子：在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和减弱转录，这种调节的作用部位叫衰减子。是一种位于结构基因上游前导区的终止子。,酶合成的衰减作用,trp操纵子的另一种转录调控是称之衰减作用（attenuation）的调控机制，这是一种将翻译与转录联系在一起的新的转录调控形式。,在trp mRNA 5端trpE基因的起始密码前有一个长162核苷酸的mRNA片段被称为前导序列，分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA；如果翻译起始于AUG，应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。这个假设的多肽（还未实际观察到）被称为前导肽。 因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以这个前导肽的翻译必定对tRNATrp的浓度敏感。,酶合成的衰减作用,细胞内Trp-tRNATrp浓度决定核糖体是否停留在trp mRNA中的前导序列内的两个连续的色氨酸密码子处。当色氨酸水平高和Trp-tRNATrp可利用时，起转录终止作用的发卡环结构（由区3和区4之间）形成，RNA聚合酶刚好在一个聚尿嘧啶的下游处脱离DNA模板，转录终止。,In tryptophan-rich medium,当色氨酸水平低时，Trp-tRNATrp水平也低，核糖体就停留在RNA中连续的两个色氨酸密码子处。核糖体这