《生物化学》课件-物质代谢的联系及调节

第十五章物质代谢的联系及其调节,第一节细胞代谢的调节网络,第二节代谢调节,思考,第三节基因表达调控,返回,第一节细胞代谢的调节网络,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,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,糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系,糖代谢与脂类代谢的相互联系,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖-酮酸氨基酸蛋白质,NH3,蛋白质氨基酸-酮酸糖,（生糖氨基酸）,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）,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。,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,甘油,乙酰CoA,三酰甘油,脂肪酸,植物或微生物,糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应,ATP携带能量由能源传递给细胞的需能过程,ATP,ADP+Pi,太阳能,化学能,生物合成,细胞运动,膜运输,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,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。,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CoA,e-,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,生物系统中的能流,（胞液）,（线粒体）,（PEP）,糖的分解代谢和糖异生的关系,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,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。,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,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。,反馈调节中酶活性调节的机制,6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用,G,UDPG,6-P-G,1-P-G,糖原,糖原合成酶,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,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,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,Try,Phe,Trp,Ile,Trp,His,CTP,AMP,Gln,Lys,Met,Thr,酮丁酸,Gly,Ala,谷氨酰胺合酶,天冬氨酰半醛,高丝氨酸,氨基苯甲酸,细胞能量状态指标,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,PEP,ADP+PiATP,ADP+PiATP,NADH,O2,ATPADP+Pi,AMP+ATP2ADP,Pi,Pi,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,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,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、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,cAMP激活蛋白激酶的作用机理,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),OH,OH,ATP,ADP,H2O,Pi,糖原合成酶b(无活性),糖原磷酸化酶a(有活性),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,动物细胞结构和代谢途径,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,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,甾醇类激素作用原理示意图,肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,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,一、原核和真核基因组二、原核生物酶合成调节的遗传机制三、真核生物基因表达的调控,第三节基因表达的调控,基因（gene）是指DNA分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。基因组（genome）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色体”DNA分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。,原核和真核基因组,基因(gene)概念的发展,1866年Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念1903年Sutton&Boveri提出遗传因子位于染色体上1909年Johansen提出基因概念，取代遗传因子1910年Morgen建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位1941年Beadle提出一个基因一个酶学说1944年Avery首次用实验证实DNA是遗传信息的载体1953年Watson&Crick确定DNA双螺旋结构，进一步确定了基因的本质1957年Benzer提出顺反子(cistron)学说，认为基因是分子的一段序列，负责遗传信息的传递70年代发现基因包括有遗传效应的外显子(intron)和无效应的内含子(extron),原核生物基因组的特点,1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA中（多顺反子）；3、有基因重叠，以此增加信息容量。,真核生物基因组的特点1、基因组大，有多个复制子；mRNA为单顺反子；2、有大量重复序列，根据重复次数可分为：单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA和表达量大的蛋白质高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后才成为可翻译的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。,酶诱导和阻遏的操纵子模型合成途径操纵子的衰减作用,原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说,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,大肠杆菌乳糖操纵子模型,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基因关闭,启动子,O,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（有活性）,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CGP(CAP),O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP-CAP,P,CGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）,使CAP呈失活状态,lac操纵子的调控总结,有葡萄糖无乳糖：lac操纵子不表达无cAMP-CRP复合物，无诱导物，阻遏蛋白具活性。有葡萄糖有乳糖：lac操纵子不表达无cAMP-CRP复合物，有诱导物，阻遏蛋白无活性无葡萄糖无乳糖：lac操纵子不表达有cAMP-CRP复合物，无诱导物，阻遏蛋白有活性无葡萄糖有乳糖：lac操纵子表达有cAMP-CRP复合物，有诱导物，阻遏蛋白无活性,色氨酸操纵子模型,trpR:阻遏基因（调节基因）trpP:启动基因trpO:操纵基因trpL:前导序列trpA:弱化子trpE-D-C-B-A:结构基因邻氨基苯甲酸合酶、邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶、吲哚甘油磷酸合酶、色氨酸合成酶（亚基、亚基）,大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,Trp密码子,C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4碱基配对，转录终止。,A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。,B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,真核生物基因表达调控,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