第十三章物质间相互联系和代谢调节

1、第十五章第十五章 物质代谢的联系及其调节物质代谢的联系及其调节一、糖与脂一、糖与脂第一节第一节 物质代谢的相互关系物质代谢的相互关系 在生物体内糖类和脂类化合物之在生物体内糖类和脂类化合物之间的相互转变现象很多，例如：植物间的相互转变现象很多，例如：植物体内，特别是油料作物，叶片内进行体内，特别是油料作物，叶片内进行的光合作用大量合成碳水化合物，并的光合作用大量合成碳水化合物，并以糖的形式运输到种子之后，便转变以糖的形式运输到种子之后，便转变成脂类化合物贮存起来。而当油料种成脂类化合物贮存起来。而当油料种子萌发时，其中贮存的脂肪又转变为子萌发时，其中贮存的脂肪又转变为糖转运到生长中的根和芽中去

2、了。糖转运到生长中的根和芽中去了。转变过程为：糖经转变过程为：糖经EMP过程，可生成磷过程，可生成磷酸二羟丙酮和丙酮酸等物质，磷酸酸二羟丙酮和丙酮酸等物质，磷酸-二羟二羟丙酮可被还原成甘油、丙酮酸经氧化脱羧丙酮可被还原成甘油、丙酮酸经氧化脱羧之后转变为乙酰之后转变为乙酰CoA，然后在脂肪酸合成，然后在脂肪酸合成酶系的作用下合成脂肪酸。再与甘油合成酶系的作用下合成脂肪酸。再与甘油合成脂肪。脂肪。脂转化成糖的过程：脂肪水解的产物为甘脂转化成糖的过程：脂肪水解的产物为甘油和脂肪酸，甘油氧化成磷酸二羟丙酮，油和脂肪酸，甘油氧化成磷酸二羟丙酮，然后合成己糖，脂肪酸经过然后合成己糖，脂肪酸经过-氧化作用生

3、氧化作用生成乙酰成乙酰CoA，然后通过乙醛酸循环生成琥，然后通过乙醛酸循环生成琥珀酸，再被氧化成草酰乙酸，经脱羧形成珀酸，再被氧化成草酰乙酸，经脱羧形成丙酮酸，逆酵解途径合成糖丙酮酸，逆酵解途径合成糖。二、糖与蛋白质二、糖与蛋白质 糖类是生物的重要碳源和能量，糖可以糖类是生物的重要碳源和能量，糖可以转变为各种转变为各种AA分子的碳架，经氨基化或转氨分子的碳架，经氨基化或转氨基作用而生成相应的基作用而生成相应的AA，AA合成多肽链并合成多肽链并形成蛋白质，另一方面也可以转变为碳水化形成蛋白质，另一方面也可以转变为碳水化合物，蛋白质水解作用而产生氨基酸，氨基合物，蛋白质水解作用而产生氨基酸，氨基酸

4、脱氨而产生酮酸，再转变为丙酮酸之后又酸脱氨而产生酮酸，再转变为丙酮酸之后又可以合成糖类化合物，连接可以合成糖类化合物，连接糖类糖类和蛋白南代和蛋白南代谢之间起桥梁作用的是酮酸，它在糖谢之间起桥梁作用的是酮酸，它在糖 代谢过代谢过程中的糖程中的糖 酵解途径和三羧酸循环中都酵解途径和三羧酸循环中都 可以可以产生，也可以在产生，也可以在AA脱氨过程中形成脱氨过程中形成。三、脂与蛋白质三、脂与蛋白质脂肪代谢的水解产物甘油可以转变为丙酮酸，脂肪代谢的水解产物甘油可以转变为丙酮酸，丙酮酸接受丙酮酸接受NH3生成生成aa，丙酮酸也可以进一，丙酮酸也可以进一步转变成草酰乙酸（步转变成草酰乙酸（OAA），），-

5、酮戊二酸酮戊二酸（-kg），这些酮酸接受），这些酮酸接受NH3生成相应的生成相应的AA，脂肪水解的另一产物脂肪酸经，脂肪水解的另一产物脂肪酸经-氧化生氧化生成乙酰成乙酰COA、乙酰、乙酰COA一方面可以进入三一方面可以进入三羧酸循环而产生酮酸，以合成羧酸循环而产生酮酸，以合成AA，另一方，另一方面又可以进入乙醛酸循环产生琥珀酸来补充面又可以进入乙醛酸循环产生琥珀酸来补充三羧酸循环的碳源，这在油料作物种子萌发三羧酸循环的碳源，这在油料作物种子萌发期间嗫这明显，相反，蛋白质也可以转变为期间嗫这明显，相反，蛋白质也可以转变为脂肪。如蛋白质的水解产物脂肪。如蛋白质的水解产物AA，经脱氨生，经脱氨生成酮

6、酸，生成乙酰成酮酸，生成乙酰COA，乙酰，乙酰COA经缩合经缩合成脂肪酸成脂肪酸脂肪。脂肪。四、核酸与其他物质的关系四、核酸与其他物质的关系核酸在代谢过程中虽然不是重要的碳源，氮源的核酸在代谢过程中虽然不是重要的碳源，氮源的能源，但是在生物的遗传过程中是非常重要的物能源，但是在生物的遗传过程中是非常重要的物质，按质，按“中心法则中心法则”（central dogma）的观点，）的观点，核酸能控制蛋白质生物合成，进而影响到细胞的核酸能控制蛋白质生物合成，进而影响到细胞的组成成分和代谢类型。核酸的降解产物核苷酸在组成成分和代谢类型。核酸的降解产物核苷酸在代谢中有极其重要的作用。如代谢中有极其重要的

7、作用。如ATP中能量和磷酸中能量和磷酸基团转移的重要物质，基团转移的重要物质，UTP及及UDP在淀粉代谢、在淀粉代谢、蔗糖代谢中是糖基转移的重要物质，蔗糖代谢中是糖基转移的重要物质，CTP则参与则参与磷酸脂的合成，磷酸脂的合成，AMP还可以转变为组还可以转变为组aa，此外，此外，在许多代谢中的重要辅酶在许多代谢中的重要辅酶NAD+、NADP+、FAD、HSCoA等都是腺嘌呤核苷酸衍生物。另一方面，等都是腺嘌呤核苷酸衍生物。另一方面，核酸的代谢也依赖其它代谢并受其它代谢的制约。核酸的代谢也依赖其它代谢并受其它代谢的制约。例如：核酸本身的合成需要糖代谢提供核糖，也例如：核酸本身的合成需要糖代谢提供

8、核糖，也需要蛋质代谢提供甘需要蛋质代谢提供甘aa,天门冬天门冬aa和谷氨酰胺参加和谷氨酰胺参加嘌呤和嘧啶的合成。嘌呤和嘧啶的合成。 可见糖类、脂肪、蛋白质和可见糖类、脂肪、蛋白质和核酸等物质在代谢过程中彼此都核酸等物质在代谢过程中彼此都有相互密切的联系，其中糖的酵有相互密切的联系，其中糖的酵解（解（EMP）途径和三羧酸）途径和三羧酸TCA循循环更是沟通各代谢之间的重要环环更是沟通各代谢之间的重要环节，所以节，所以EMP途径和途径和TCA循环又循环又被称之为被称之为“中心代谢途径中心代谢途径”或称或称之为之为“不定向代谢途径不定向代谢途径”。 神经水平神经水平 激素水平激素水平动物动物 细胞水平

9、细胞水平 植物植物 单细胞生物单细胞生物 酶水平酶水平生物的调控层次生物的调控层次n DNA 转录前调节转录前调节 转录调节转录调节转录初产物转录初产物RNA 转录后加工的调节转录后加工的调节 转运调节转运调节成熟成熟RNA 降解调节降解调节 翻译调节翻译调节蛋白质前体蛋白质前体 加工调节加工调节 定向运输调节定向运输调节 降解调节降解调节 成熟蛋白质成熟蛋白质(酶酶) 活性调节活性调节细胞水平细胞水平第二节代谢调节第二节代谢调节酶水平的调节酶水平的调节:一、酶定位的区域化一、酶定位的区域化 二、二、 酶活性调节酶活性调节1.酶原激活酶原激活 P365变构酶的特性与结构变构酶的特性与结构变构酶

10、特点：变构酶特点：a. 有多个亚基有多个亚基b. 有四级结构有四级结构c. 除了有可以与底物结合的活性中除了有可以与底物结合的活性中心外，还有可以结合调节物的别心外，还有可以结合调节物的别构中心构中心d. 酶促反应动力学不遵循米氏方程酶促反应动力学不遵循米氏方程2.变构效应的调节变构效应的调节变构酶举例：变构酶举例：a. 大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶ATCase.6个调节亚基个调节亚基R，上面有结合，上面有结合ATP和和CTP部位；部位；6个催化亚基个催化亚基C，具催化，具催化活性。活性。ATP激活剂，激活剂，CTP抑制剂。抑制剂。nCatalytic trimers

11、are green. Regulatory dimers are red.变构酶的酶促反应动力学变构酶的酶促反应动力学根据结合调节物后构象的变化对酶与底物结合的根据结合调节物后构象的变化对酶与底物结合的影响，分为正协调效应与负协调效应。影响，分为正协调效应与负协调效应。a. 非调节酶非调节酶b. 正协同别构酶：在中等或较低底物浓度下，底正协同别构酶：在中等或较低底物浓度下，底物浓度发生较小的变化引起酶促反应速度有较物浓度发生较小的变化引起酶促反应速度有较大的变化，可以灵敏的调节酶促反应速度。大的变化，可以灵敏的调节酶促反应速度。c. 负协同别构酶：在很宽的底物浓度范围内，酶负协同别构酶：在很宽

12、的底物浓度范围内，酶促反应速度变化不明显，即对底物浓度变化不促反应速度变化不明显，即对底物浓度变化不敏感。敏感。D-glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (holo form) (E.C.1.2.1.12) complexed with NAD (red)b. 3磷酸甘油醛脱氢酶：负协同效应别构酶代表磷酸甘油醛脱氢酶：负协同效应别构酶代表n此酶具有四个亚基，可以和四个此酶具有四个亚基，可以和四个NAD结结合，但结合常数不同。酶结合合，但结合常数不同。酶结合NAD后，后，发生构象变化。发生构象变化。NAD和酶结合的解离常和酶结合的解离常数很小，因此虽然

13、底物数很小，因此虽然底物NAD浓度很低，浓度很低，也能顺利地和酶结合。但是当也能顺利地和酶结合。但是当NAD浓度浓度升高时，酶结合了两个升高时，酶结合了两个NAD之后，再结之后，再结合第三、第四个合第三、第四个NAD就不那么容易。也就不那么容易。也就是说这时候再要提高酶反应速度是较难就是说这时候再要提高酶反应速度是较难的，需要浓度大大提高才行。在一定的底的，需要浓度大大提高才行。在一定的底物浓度范围内，底物浓度变化不足以影响物浓度范围内，底物浓度变化不足以影响酶反应速度。这就是负协同别构酶对底物酶反应速度。这就是负协同别构酶对底物浓度变化的不敏感性。浓度变化的不敏感性。3-磷酸甘油醛脱氢酶与磷

14、酸甘油醛脱氢酶与NAD结合的结合的解离常数解离常数(平衡透析测定平衡透析测定) 解离常数解离常数(mol/L) 虾肌虾肌 兔肌兔肌 K1 510-9 10-10 K2 510-9 10-9 K3 610-7 310-7 K4 1.310-6 2.610-6 在有机体中有许多需要在有机体中有许多需要NAD的代谢的代谢途径，途径，NAD+参与许多的反应，其浓度参与许多的反应，其浓度波动大。糖酵解是生物体内重要的代谢波动大。糖酵解是生物体内重要的代谢过程，速度要求相对稳定，在供氧不足过程，速度要求相对稳定，在供氧不足的情况下，它仍需以一定的速度稳定的的情况下，它仍需以一定的速度稳定的进行反应。因为进

15、行反应。因为3-磷酸甘油醛脱氢酶为磷酸甘油醛脱氢酶为此过程的负协同别构酶，此过程的负协同别构酶， 对底物对底物NAD浓度变化不敏感，所以当浓度变化不敏感，所以当NAD浓度很浓度很低低(缺氧情况下缺氧情况下)，其它需要，其它需要NAD的代谢的代谢反应都随之减缓时，酵解过程仍然能以反应都随之减缓时，酵解过程仍然能以一定的速度顺利的进行。由此可以看到一定的速度顺利的进行。由此可以看到负协同效应别构酶的重要生理功能。负协同效应别构酶的重要生理功能。3.同功酶的调节同功酶的调节同功酶的定义及形成同功酶的定义及形成 同功酶同功酶(isoenzyme)是能催化相同是能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子

16、的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构、理化作用不完全相同的一组酶。结构、理化作用不完全相同的一组酶。它们普遍存在于动植物和微生物中，它们普遍存在于动植物和微生物中，至今已发现了数百种之多，同功酶可至今已发现了数百种之多，同功酶可存在于生物的同一种属或同一个体的存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织，甚至同一组织、同一细胞不同组织，甚至同一组织、同一细胞中。中。 初级同功酶：初级同功酶： 酶蛋白由不同的基因编码而酶蛋白由不同的基因编码而产生。产生。 次级同功酶：次级同功酶： 由一个酶蛋白的基因在表达由一个酶蛋白的基因在表达过程中经过不同的加工和修饰所过程中经过不同的加工和修饰所产生。产生。意义

17、：意义：1.生物不同部位的生理状况生物不同部位的生理状况2.在发育过程中，适应不同的发育阶在发育过程中，适应不同的发育阶段段3.分枝代谢的调节分枝代谢的调节 4.酶分子的共价修饰酶分子的共价修饰n在某种酶的催化下，某一基团在某种酶的催化下，某一基团以共价键与酶分子相连，使酶以共价键与酶分子相连，使酶活性发生改变。活性发生改变。 主要指蛋白质主要指蛋白质的磷酸化的磷酸化(磷酰基或腺苷酰基磷酰基或腺苷酰基)与与脱磷酸化。脱磷酸化。蛋白质的共价修饰蛋白质的共价修饰 乙酰化：乙酰化：N末端的末端的 氨基和赖氨酸的氨基和赖氨酸的氨基氨基甲基化：甲基化： 氨基、氨基、氨基：精氨酸的胍基以氨基：精氨酸的胍基

18、以 及及C末端的末端的 羧基和侧链羧基上羧基和侧链羧基上 磷酸化：丝氨酸、苏氨酸、磷酸化：丝氨酸、苏氨酸、 酪氨酸的羟基上酪氨酸的羟基上泛素化：泛素化： 氨基和氨基和氨基上氨基上糖基化：糖基化：N糖苷链：连接于天门冬酰胺糖苷链：连接于天门冬酰胺的酰胺基上的酰胺基上 O糖苷键：丝氨酸、苏氨酸、糖苷键：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸的羟基上羟赖氨酸、羟脯氨酸的羟基上S糖苷键：半胱氨酸的巯基糖苷键：半胱氨酸的巯基概念及特性概念及特性n蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程是生物体内存蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程是生物体内存在的一种普遍的调节方式，几乎涉及所有的生在的一种普遍的调节方式，几乎涉及所有的生理及

19、病理过程，如糖代谢、光合作用、细胞的理及病理过程，如糖代谢、光合作用、细胞的生长发育、基因表达、神经递质的合成与释放、生长发育、基因表达、神经递质的合成与释放、甚至细胞的病变，在细胞的信号传递过程中有甚至细胞的病变，在细胞的信号传递过程中有着极其重要的作用。着极其重要的作用。n蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶催化的把蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶催化的把ATP或或GTP的的位的磷酸基团转移到底物蛋白质氨位的磷酸基团转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆反应由蛋白磷酸酶催基酸残基上的过程，其逆反应由蛋白磷酸酶催化，称为脱磷酸化。化，称为脱磷酸化。 特特 性：性：nATP在大多情况下是磷酸基团的供体。

20、在大多情况下是磷酸基团的供体。蛋白质中被磷酸化的氨基酸残基主要是蛋白质中被磷酸化的氨基酸残基主要是Ser或或Thr，有些蛋白激酶可磷酸化酪氨，有些蛋白激酶可磷酸化酪氨酸。被磷酸化的氨基酸残基可以有多个。酸。被磷酸化的氨基酸残基可以有多个。n多数蛋白激酶表现出一定的底物特异性，多数蛋白激酶表现出一定的底物特异性，但很少有绝对特异性。一种蛋白质可作但很少有绝对特异性。一种蛋白质可作为几种蛋白激酶的底物和一种蛋白激酶为几种蛋白激酶的底物和一种蛋白激酶有多种底物的情况是很常见。但一般情有多种底物的情况是很常见。但一般情况下各类蛋白激酶都有它们的适宜的底况下各类蛋白激酶都有它们的适宜的底物。物。Gluc

21、ose (red), AMP (dark blue, allosteric activator), pyridoxal phosphate (PLP, B6 derivative, light blue), and ser14 (yellow)Glycogen phosphorylasen底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基附近的氨基底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基附近的氨基酸组成和顺序常常构成被蛋白激酶辨认的特殊酸组成和顺序常常构成被蛋白激酶辨认的特殊区域。例如依赖区域。例如依赖cAMP的蛋白激酶的蛋白激酶(PKA)需要底需要底物被磷酸化的丝氨酸或苏酸残基附近物被磷酸化的丝氨酸或苏酸残基附近(N端方

22、端方向向)由碱性氨基酸即由碱性氨基酸即Arg 或或 Lys 残基，如残基，如Arg-Arg-X-Ser/Thr-x 这样的顺序，其中这样的顺序，其中X可以是任可以是任何氨基酸残基。在丝氨酸何氨基酸残基。在丝氨酸/苏氨酸类型的蛋白激苏氨酸类型的蛋白激酶中，由第二信使调节的蛋白激酶都需要底物酶中，由第二信使调节的蛋白激酶都需要底物具有类似的结构，而这类蛋白激酶中非信息依具有类似的结构，而这类蛋白激酶中非信息依赖性的酪蛋白激酶则需要底物被磷酸化的氨基赖性的酪蛋白激酶则需要底物被磷酸化的氨基酸残基酸残基C端附近要有酸性氨基酸残基，即具有端附近要有酸性氨基酸残基，即具有类似类似X-X-Ser/Thr-X

23、-Glu- 的结构顺序。酪氨的结构顺序。酪氨酸型的蛋白激酶有时需要被磷酸化氨基酸残基酸型的蛋白激酶有时需要被磷酸化氨基酸残基附近要有酸性氨基酸，但是不是所有这类蛋白附近要有酸性氨基酸，但是不是所有这类蛋白激酶都需要这样的底物结构尚不清楚。激酶都需要这样的底物结构尚不清楚。蛋白质磷酸化的意义蛋白质磷酸化的意义1催化蛋白质磷酸化的蛋白激酶催化蛋白质磷酸化的蛋白激酶的活性受胞内信使的活性受胞内信使cAMP， Ca2+，DG等的调控，也即其活性主要等的调控，也即其活性主要受胞外信号的间接调节，是细受胞外信号的间接调节，是细胞对外界的信号作出反应，所胞对外界的信号作出反应，所引起的细胞效应，许多是持久引

24、起的细胞效应，许多是持久的，如细胞的分裂分化等过程的，如细胞的分裂分化等过程。2调节细胞内已存在的酶的调节细胞内已存在的酶的“活性酶量活性酶量”。与酶的重新合成与分解相比，这种方式是细胞对与酶的重新合成与分解相比，这种方式是细胞对外界刺激作出迅速反应。外界刺激作出迅速反应。肌肉中，糖原磷酸化酶肌肉中，糖原磷酸化酶 糖元糖元 G-1-P糖元利用的第一步，也是糖元降解利用的主要调糖元利用的第一步，也是糖元降解利用的主要调节机制。节机制。动物体内，两种状态动物体内，两种状态a. (四聚体，激活四聚体，激活) b. (二聚体，失活二聚体，失活)3对外界信号具有级联放大作用对外界信号具有级联放大作用 胰

25、高血糖素升高血糖的机理。胰高血糖素升高血糖的机理。酶是催化剂，它酶是催化剂，它的特点是少量催的特点是少量催化剂可以促进大化剂可以促进大量底物发生反应。量底物发生反应。1个酶分子引起个酶分子引起下一个酶分子下一个酶分子100发生反应发生反应(实实际上，酶的转换际上，酶的转换率比这大得多率比这大得多)，那么，经四级放那么，经四级放大后便为大后便为1亿倍，亿倍，由此可见，激素由此可见，激素对酶活性控制是对酶活性控制是十分灵敏的。十分灵敏的。反馈调节反馈调节 在反应系统中的产物在反应系统中的产物or最终产最终产物对初始反应的酶活性的影响作用。物对初始反应的酶活性的影响作用。 反馈激活反馈激活前馈激活前

26、馈激活反馈抑制反馈抑制: 终产物来抑制途径中第一个或终产物来抑制途径中第一个或 第二个酶活性的作用称为反馈抑第二个酶活性的作用称为反馈抑制。当系列终产物浓度积累过多制。当系列终产物浓度积累过多时，就会反过来抑制初始反应的时，就会反过来抑制初始反应的酶活性，从而降低反应速度。酶活性，从而降低反应速度。单价反馈抑制单价反馈抑制二价反馈抑制二价反馈抑制顺序反馈抑制顺序反馈抑制:协同反馈抑制协同反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制同工酶反馈抑制同工酶反馈抑制特点和图示特点和图示 在在1个分支代谢途径中，如果分支个分支代谢途径中，如果分支点以前的一个反应是由几个同功酶点以前的一个反应是由几个同功酶催化，则分

27、支代谢的几个最终产物催化，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。如图中作用。如图中AB的反应由的反应由3个同个同功酶功酶a、b、c催化，它们分别受最催化，它们分别受最终产物终产物E、H、G抑制，某一终产物抑制，某一终产物过量时仅能抑制相应同功酶的活性，过量时仅能抑制相应同功酶的活性，而不影响其他几种终产物的合成。而不影响其他几种终产物的合成。也称增效反馈抑制，指两种终产物同时存在时的也称增效反馈抑制，指两种终产物同时存在时的反馈抑制效果远大于一种终产物过量时的反馈抑反馈抑制效果远大于一种终产物过量时的反馈抑制作用。其特点是每个终产物都能独立地

28、发挥较制作用。其特点是每个终产物都能独立地发挥较弱的反馈抑制作用。当其中弱的反馈抑制作用。当其中1种终产物过量合成时，种终产物过量合成时，就会立即控制超量终产物分支点后的代谢。当所就会立即控制超量终产物分支点后的代谢。当所有终产物都过量合成时，才共同作用以增强抑制有终产物都过量合成时，才共同作用以增强抑制效果。效果。每一分支途径的终产物按一定百分每一分支途径的终产物按一定百分率单独抑制共同途径前端的酶；当率单独抑制共同途径前端的酶；当几种终产物共同存在时，它们的抑几种终产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的；各终产物之间无制作用是累积的；各终产物之间无关。关。在分支代谢途径中，按一定顺序逐步进

29、行在分支代谢途径中，按一定顺序逐步进行的反馈抑制称为顺序反馈抑制。在图中，的反馈抑制称为顺序反馈抑制。在图中，E过量可抑制过量可抑制CD，导致，导致C浓度增高，促使浓度增高，促使反应向反应向CFG方向进行，又造成另方向进行，又造成另 一终一终产物产物G浓度升高；浓度升高；G过量时抑制过量时抑制CF，导，导致致C浓度升高，进一步抑制浓度升高，进一步抑制AB转化。转化。三、酶合成的调节三、酶合成的调节 转录水平的调节转录水平的调节 酶合成的调节是通过酶酶合成的调节是通过酶分子含量的变化来调节控制分子含量的变化来调节控制 代谢速率，是基因表达上起代谢速率，是基因表达上起作用，分为两种酶合成的诱作用，

30、分为两种酶合成的诱导，酶合成的阻遏。导，酶合成的阻遏。1.酶合成的诱导酶合成的诱导 根据酶合成对底物的依赖关系，根据酶合成对底物的依赖关系，可分为两类可分为两类:一类是诱导，它们是根一类是诱导，它们是根据外界环境中的化合物而生成，据外界环境中的化合物而生成，e.g.水稻幼苗在含硝酸盐的溶液中，诱水稻幼苗在含硝酸盐的溶液中，诱导形成硝酸还原酶，在培养液中不导形成硝酸还原酶，在培养液中不含硝酸盐，幼苗中就不含这种酶含硝酸盐，幼苗中就不含这种酶。 大肠肝菌培养在只含无机盐及单大肠肝菌培养在只含无机盐及单一碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内一碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内可以测出色氨酸合成的酶系，如果在可

31、以测出色氨酸合成的酶系，如果在培养基中加入色氨酸，大肠杆菌中色培养基中加入色氨酸，大肠杆菌中色氨酸合成的酶系就明显降低。色氨酸氨酸合成的酶系就明显降低。色氨酸存在时，阻止了色氨酸合成酶系的形存在时，阻止了色氨酸合成酶系的形成，细菌可直接利用色氨酸，而不用成，细菌可直接利用色氨酸，而不用自己合成，这种减少酶量的现象称为自己合成，这种减少酶量的现象称为酶合成的阻遏酶合成的阻遏。2.酶合成的阻遏酶合成的阻遏 酶的诱导阻遏是在调节基因产酶的诱导阻遏是在调节基因产物阻遏蛋白的作用下，通过操纵基物阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而因控制结构基因或基因组的转录而发生的。细菌通常并不合

32、成那些在发生的。细菌通常并不合成那些在代谢上无用的酶，因此一些分解代代谢上无用的酶，因此一些分解代谢的酶类只有在底物存在时才被诱谢的酶类只有在底物存在时才被诱导合成。而一些合成代谢的酶类在导合成。而一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物足够量存在时，产物或产物类似物足够量存在时，其合成被阻遏。其合成被阻遏。酶合成调节的遗传机制酶合成调节的遗传机制操操纵子学说纵子学说 Jacob和和Monod在研究在研究大肠杆菌大肠杆菌-半乳糖苷酶合成半乳糖苷酶合成的遗传基础上，提出了控制的遗传基础上，提出了控制基因表达的操纵子学说基因表达的操纵子学说。The Nobel Prize in Physiology

33、or Medicine 1965Franois JacobAndr Lwoff Jacques Monod 1.乳糖操纵子乳糖操纵子大肠杆菌生长需要碳源大肠杆菌生长需要碳源, 常见常见的是糖类的是糖类, 最方便利用的是葡萄最方便利用的是葡萄糖糖, 但有些条件下培养基中并无但有些条件下培养基中并无葡萄糖，仅有半乳糖等糖类，这葡萄糖，仅有半乳糖等糖类，这时分解它们的酶类必须合成，才时分解它们的酶类必须合成，才能利用半乳糖。能利用半乳糖。 酶的诱导酶的诱导-lac体系受调控的证据体系受调控的证据在不含乳糖及在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基半乳糖苷的培养基中，中，lac+基因型每个大肠杆功细胞基因型每个

34、大肠杆功细胞内大约只有内大约只有1-2个酶分子。如果在培个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的到细胞总蛋白量的6%或或7%，每个，每个细胞中可有超过细胞中可有超过105个酶分子。个酶分子。 科学家把大肠杆菌细胞放在加有科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性放射性35S标记的氨基酸但没有任何标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代，半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放射活性的细菌然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含转移到不含35S、无放射性的培养基、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，中，随着培养基中诱导

35、物的加入，-半乳糖苷酶便开始合成。分离半乳糖苷酶便开始合成。分离-半半乳糖苷酶，发现这种酶无乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记。标记。说明酶的合成不是由前体转化而来说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。的，而是加入诱导物后新合成的。 操纵子即基因表达的协同单操纵子即基因表达的协同单位，含有结构基因位，含有结构基因(编码编码Pr)和控制和控制部位。部位。控制部分控制部分:调节基因、操纵基因调节基因、操纵基因 一个操纵子的全部基因都排一个操纵子的全部基因都排列在一起，控制部分可接受调节列在一起，控制部分可接受调节基因产物的调节。基因产物的调节。 Z编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷

36、酶；Y编码编码-半乳半乳糖苷透过酶；糖苷透过酶；A编码编码-半乳糖苷乙酰基半乳糖苷乙酰基转移酶。转移酶。-半乳糖苷酶是一种半乳糖苷酶是一种-半乳糖半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半乳糖苷半乳糖苷透过酶的作用是使外界的透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶转移酶的作用是把乙酰辅酶A上

37、的乙酰上的乙酰基转到基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。当葡萄糖与乳糖共存，情况比较复杂，当葡萄糖与乳糖共存，情况比较复杂，分解它们的酶类必须不合成。降解物基分解它们的酶类必须不合成。降解物基因活化蛋白因活化蛋白CAP（catabolic gene activate protein, CAP)，与，与cAMP形成复合物结形成复合物结合于启动子部位，引起合于启动子部位，引起DNA构象的变化，构象的变化，促进促进RNA聚合酶与启动子结合，使转录聚合酶与启动子结合，使转录的起始更加频繁，是一种正调控。当有的起始更加频繁，是一种正调控。当有葡萄糖存在时，其分解代谢产物可抑制

38、葡萄糖存在时，其分解代谢产物可抑制腺苷酸环化酶活性，激活磷酸二酯酶活腺苷酸环化酶活性，激活磷酸二酯酶活性，性，cAMP含量下降，使含量下降，使CAP失活。失活。cAMP-CAP-DNA2.色氨酸操纵子色氨酸操纵子 大肠杆菌培养在只含无机盐及单一大肠杆菌培养在只含无机盐及单一碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内可以碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内可以测出色氨酸合成的酶系测出色氨酸合成的酶系, 如果在培养基如果在培养基中加入色氨酸中加入色氨酸, 大肠杆菌中色氨酸合成大肠杆菌中色氨酸合成的酶系就明显降低。色氨酸存在时的酶系就明显降低。色氨酸存在时, 阻阻止了色氨酸合成酶系的形成。细菌可直止了色氨酸合成酶系的

39、形成。细菌可直接利用色氨酸，而不用自己合成，这种接利用色氨酸，而不用自己合成，这种减少酶量的现象称为酶合成的阻遏。减少酶量的现象称为酶合成的阻遏。翻译过程对转录的调节翻译过程对转录的调节衰减作用衰减作用(弱化作用弱化作用) 色氨酸色氨酸mRNA的的5端有端有162核苷酸核苷酸的前导序列，当的前导序列，当RNA的合成启动后除的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分非缺乏色氨酸，否则大部分mRNA仅仅合成合成140核苷酸即停止。前导肽能编码核苷酸即停止。前导肽能编码一小段一小段14肽，其终止区具有潜在的茎肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的环构象和成串的U，表现出转录终止，表现出转录终止位点的特征

40、。前导位点的特征。前导RNA链有链有4个区域彼个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构，有此互补，可形成奇特的二级结构，有些情况下出现终止子结构。些情况下出现终止子结构。 Stem-loop (hairpin) structure肽链的延长是一肽链的延长是一种以循环的方式种以循环的方式将将AA加到正在加到正在合成的肽链羟端，合成的肽链羟端，NC。转录与翻译偶联是原核生物的特征。转录与翻译偶联是原核生物的特征。原核生物翻译结束原核生物翻译结束mRNA上有上有特殊的终止子结构。特殊的终止子结构。 衰减作用衰减作用(弱化作用弱化作用) 的意义的意义 弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度弱化子系统主要是对外源

41、色氨酸浓度作出反应，维持浓度的恒定。作出反应，维持浓度的恒定。 色氨酸浓度色氨酸浓度 t真核生物转录的调节真核生物转录的调节顺式作用成分与反式作用成分顺式作用成分与反式作用成分顺式作用元件：顺式作用元件：转录其始点转录其始点上游上游30bp处的处的TATA序列序列上游几百上游几百bp的的CCAAT序列或序列或GGGCGG序列序列(GC box)在基因上或下游远端或内含子内增强子在基因上或下游远端或内含子内增强子(enhancer)序列序列负调控序列抑制子负调控序列抑制子(silencer)其它特异调控序列其它特异调控序列 以上各种特异的核苷酸序列都是反式作以上各种特异的核苷酸序列都是反式作用因

42、子蛋白质的靶位点。用因子蛋白质的靶位点。转录因子转录因子反式作用因子：反式作用因子：通用转录因子：通用转录因子： 结合在结合在TATA附近的：附近的：TFA、TFB、TFD、TFE.转录调控因子：结合在上游特异核苷酸转录调控因子：结合在上游特异核苷酸序列上的因子如序列上的因子如SPI、CTF、AP-1、 CREB 还有些蛋白质因子，它们自身并不还有些蛋白质因子，它们自身并不与与DNA相结合，却能激活基因的转录，相结合，却能激活基因的转录，可能在两种不同的调控因子中起桥梁作可能在两种不同的调控因子中起桥梁作用。用。2. 转录因子的功能域转录因子的功能域(domain) a. 转录因子转录因子DN

43、A结合区结合区 Helix-turn-helix(or helix-loop-helix) motifn最早在最早在 噬菌体噬菌体CI和和Cro蛋白及大蛋白及大肠杆菌的肠杆菌的CAP蛋白中发现。虽然蛋白中发现。虽然在氨基酸序列上有很大的可变性，在氨基酸序列上有很大的可变性，但在高级结构上是高度保守的。但在高级结构上是高度保守的。在两个在两个helix中，一个为识别螺旋，中，一个为识别螺旋，它的氨基酸残基直接与靶它的氨基酸残基直接与靶DNA大大沟的碱基专一结合。沟的碱基专一结合。n真核生物中最早在控制果蝇早期真核生物中最早在控制果蝇早期发育的同源域（发育的同源域（homeodomain)蛋蛋白中

44、发现。白中发现。CAP-cAMP CAP-cAMP-DNAZinc finger motifnH2C2最早发现于最早发现于TFIIA 的的DNA结合区，结合区，是是RNA聚合酶转录聚合酶转录5SRNA基因的必需的基因的必需的因子。含有碱性和极性氨基酸的的区域是因子。含有碱性和极性氨基酸的的区域是识别特异识别特异DNA序列的位点。哺乳细胞的序列的位点。哺乳细胞的SP-1 有类似的结构。有类似的结构。nC4：酵母细胞的：酵母细胞的GAL-4,哺乳动物甾体激哺乳动物甾体激素受体，这一类蛋白质中的锌指对素受体，这一类蛋白质中的锌指对DNA的的结合是必需的，但对结合的专一性并不重结合是必需的，但对结合的专一性并不重要，在锌指附近的其他氨基酸残基与要，在锌指附近的其他氨基酸残基与DNA直接作用形成专一结合。直接作用形成专一结合。Zinc finger(H2C2) motifZinc finger(C4) motif三、激素调节三、激素调节 细胞间代谢的调节是通过激素细胞