十六、物质代谢的调节控制

一一 物质代谢的相互联系物质代谢的相互联系二二 代谢的调节代谢的调节（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关系（三）脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系（四）核酸与其他物质代谢的相互关系（一）酶水平调节（二）酶在 细胞 内的集中存在与隔离分布（细胞水平调节）（三）激素对代谢的调节（四）神经系统对代谢的调节第十四章第十四章 物质代谢的相互联系和物质代谢的相互联系和调节控制调节控制（一）糖代谢与脂肪代谢的相互关系一、物质代谢的相互联系 (1)1. 糖可以在生物体内变成脂肪。过程： GlucosePyruvate-Acetyl-CoAFatty Acid-Lipid2. 脂肪能转变成糖吗？脂肪分子中所含的甘油可以经糖原异生作用变成糖原 ,由脂肪分子所含的脂肪酸分解而成的乙酰 CoA也可通过三羧酸循环转变为草酰乙酸后，有少量转变为糖Lipidglycerol +fatty acidglycerol -phosphate glycerol DHAP-hepatin（糖原） fatty acid acetyl-CoA OAA hepatin 结论：在动物体内脂肪不能大量转变为糖，在植物或微生物体内 acetyl-CoA succinyl （琥伯酰） CoA hepatin (油料作物种子最明显）。糖与其他物质代谢的相互联系（二）糖代谢与蛋白质代谢的关系1. 糖可以转变为非必需氨基酸，但是糖不能在体内合成必需的氨基酸（六种类型）Glucose Pyruvate Ala；Glucose Pyruvate -ketoglutarate Glu 2.蛋白质水解变为氨基酸，氨基酸可通过多种途径转变为糖。Protein AA -ketotate(Pyruvate Ala； OAA Asp； -ketoglutarate Glu) hepatin（糖原）Arg、 His、 Pro -ketoglutarate hepatinPhe、 Tyr OAA hepatinSer、 Gly、 Thr、 Trp 、 Val 、 Cys Pyruvate hepatin1.由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，实际上仅限于 Glu。Fatty acid acetyl-CoAs citrate -ketoglutarate Glu2.蛋白质可在动物体内转变为脂肪，不过这种转变是间接的。生酮氨基酸或生酮兼生糖氨基酸（ Tyr、 Phe、 Leu、 Ile、 Trp、 Lys) acetyl-CoA Fatty acid生糖氨基酸 丙酮酸 甘油。（三）脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系（四）核酸与其他物质代谢的相互关系1.蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料（ Gly 、 Gln、 Asp)；2.糖类能产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的来源。3.许多核苷酸在蛋白质代谢中起着重要作用（ ATP UTP CTP GTP）。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。糖类、脂类、蛋白质、核酸代谢的相互联系一、 代谢调节的概念二、 细胞区域化调节四、 激素调节代代 谢谢 调调 节节三、 酶水平的调节代谢调节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么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。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1、酶原激活、酶原激活2、 酶的别构效应酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节3、 酶的共价修饰与级联放大机制酶的共价修饰与级联放大机制酶水平的调节酶水平的调节4、 辅因子对已有酶活性的调节辅因子对已有酶活性的调节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（ 2） 反馈抑制（ 4） 前馈和反馈调节中酶活性调节的机制酶活性的前馈和反馈调节（ 1）限速步骤和标志酶（ 3） 前馈和反馈激活前馈（ 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 。 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（ Covalent moldification ）。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ATP ADP磷酸化酶（无活性）磷酸化酶 P（有活性）磷酸酯酶-OH H2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰共价修饰酶 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ATP ADPATP ADP456 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反馈抑制芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节赖氨酸和苏氨酸的协同反馈调节几种氨基酸的同工酶反馈调节累积反馈抑制示意图谷氨酰氨合成酶的累积反馈抑制反馈调节中酶活性调节的机制代谢物别构中心活性中心辅因子对已有酶活性的调节辅因子对已有酶活性的调节 能荷对代谢的调节能荷对代谢的调节 NADH/NAD+对代谢的调节对代谢的调节 金属离子浓度金属离子浓度 对代谢的调节对代谢的调节一、原核和真核基因组二、原核生物酶合成调节的遗传机制 操纵子学说三、 真核生物基因表达的调控基因表达的调控基因表达的调控a、 操纵子 基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质， S）控制部位操纵基因（ operator, O）启动子（ promotor, P）b、酶合成的诱导和 阻遏机理原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说操纵子学说实例：诱导型操纵子 乳糖操纵子阻遏型操纵子 色氨酸操纵子调节基因 阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白 不能阻挡操纵基因基因表达（无活性） （有活性）酶合成的诱导机理酶合成的诱导机理调节基因 阻遏蛋白阻遏物阻遏蛋白 阻挡操纵基因基因不表达（无活性） （有活性）实例：大肠杆菌乳糖操纵子（ 如图 ）酶合成的阻遏机理酶合成的阻遏机理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乳糖操纵子的负调控调节基因操纵基因乳糖结构基因P LacZ LacY LacamRNA阻遏蛋白（有活性）基 因 关 闭启动子ORP LacZ LacY Lac a调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZ mRNAY mRNA a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）半乳糖操纵子（ galoperon） 半乳糖也是 E.coli的一种碳原，它的分解要涉及三种酶的催化：半乳糖激酶，半乳糖转移酶和半乳糖表面异构酶。 乳糖操纵子是一个诱导系统，它控制的是分解代谢，底物小分子的存在 ,诱导操纵子打开，合成一系列酶系，催化乳糖的分解。 ABCDEop L atrpR trpP trpO trpEtrpD trpCtrpB trpAE. coli 色氨酸操纵子模型Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。Trp操纵子的阻遏机制衰减子前导顺序色氨酸操纵子 色氨酸操纵子控制的是合成代谢，最终的产物是色氨酸，只有在培养基中缺乏 Trp时操纵子才能打开，而加入 Trp时将促进 trp操纵子的关闭，也就是最终产物色氨酸或某种物质对转录将起到阻遏的作用（反馈抑制），而不是诱导的作用。trp操纵子的结构和功能 trp操纵子由 5个结构基因 trpE、 trpD、 trpC、 trpB和 trpA组成一个多顺因子的基因簇，在 5端是启动子、操纵子、前导顺序（ trpL）和衰减子（ attenuator）区域（ trpa）。 其特点是：（ 1）阻遏物基因 trpR和结构基因（ trpEDCBA）不紧密连锁； （ 2）操纵基因在启动子区域内； （ 3）启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导顺序直接相联。 （ 4）有衰减子结构，在合成代谢的操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段 DNA顺序，称为衰减子，该顺序可以辅助阻遏作用进行转录调控， 1981年 yanofsky提出了衰减模型。调节 和乳糖操纵子相同，无论是编码阻遏物的基因 trpR发生突变，还是操纵基因发生突变， trp操纵子将出现组成型表达。 TrpR单独是不能与操纵基因结合，只有与色氨酸结合后，构象发生改变，或为具有活性的阻遏物与操纵基因结合，使 RNAPol不能和启动子结合而抑制了转录。色氨酸就称为辅阻遏物。 Trp操纵子的阻遏能力较低，仅是 lacI产物的 1/1000，因此 trp操纵还必须依赖别的途径来进行调节，以免在已有一定浓度的 Trp时，还继续合成 Trp，这种途径正是下面要介绍的衰减作用。色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控 合成色氨酸所需要酶类的基因 E、 D、 C、 B、 A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子 Ptrp和操纵子 的调控。 调控基因 trpR的位置远离 P- -结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达调控蛋白 R， R并没有与 结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时， R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与 特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。 细菌不少生物合成系统的操纵元都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。 衰减子及其作用 在色氨酸操纵元 Ptrp- 与第一个结构基因 trpE之间有 162bp的一段先导序列，实验证明当色氨酸有一定浓度时， RNA聚合酶的转录会终止在这里。 先导序列起到随色氨酸浓度升高降低转录的作用，这段序列就称为衰减子（ attenuator）。在 trp操纵元中，对结构基因的转录阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。 细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵元（如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵元）中也有类似的衰减子存在。 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