第十六章 物质代谢的联系与调节

第十六章物质代谢的联系与调节MetabolicInterrelationshipsandRegulation物质代谢的特点TheSpecialtyofMetabolism第一节一、整体性

糖类脂类蛋白质水

无机盐维生素各种物质代谢之间互有联系，相互依存。

消化吸收中间代谢废物排泄二、代谢调节机体有精细的调节机制，调节代谢的强度、方向和速度内外环境不断变化影响机体代谢适应环境的变化三、各组织、器官物质代谢各具特色结构不同酶系的种类、含量不同不同的组织、器官代谢途径不同、功能各异四、各种代谢物均具有各自共同的代谢池例如各种组织消化吸收的糖肝糖原分解糖异生血糖五、ATP是机体能量利用的共同形式营养物分解释放能量ADP+PiATP直接供能六、NADPH是合成代谢所需的还原当量例如乙酰CoANADPH+H+脂酸、胆固醇磷酸戊糖途径物质代谢的相互联系MetabolicInterrelationships第二节一、在能量代谢上的相互联系三大营养素共同中间产物共同最终代谢通路糖脂肪蛋白质乙酰CoATAC2H氧化磷酸化ATPCO2三大营养素可在体内氧化供能。从能量供应的角度看，三大营养素可以互相代替，并互相制约。一般情况下，供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗。脂肪分解增强ATP增多ATP/ADP比值增高任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他物质的降解。糖分解被抑制

6-磷酸果糖激酶-1被抑制（糖分解代谢限速酶之一）例如饥饿时肝糖原分解，肌糖原分解

肝糖异生，蛋白质分解

以脂酸、酮体分解供能为主蛋白质分解明显降低1~2天3~4周（一）糖代谢与脂代谢的相互联系1.摄入的糖量超过能量消耗时二、糖、脂和蛋白质之间的相互联系葡萄糖乙酰CoA合成脂肪（脂肪组织）合成糖原储存（肝、肌肉）2.脂肪的甘油部分能在体内转变为糖脂酸乙酰CoA葡萄糖脂肪甘油甘油激酶肝、肾、肠磷酸-甘油葡萄糖3.脂肪的分解代谢受糖代谢的影响饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时高酮血症草酰乙酸相对不足糖不足脂肪大量动员酮体生成增加氧化受阻（二）糖与氨基酸代谢的相互联系例如丙氨酸丙酮酸脱氨基糖异生葡萄糖1.大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α-酮酸，可转变为糖。2.糖代谢的中间产物可氨基化生成某些非必需氨基酸糖丙酮酸草酰乙酸乙酰CoA柠檬酸α-酮戊二酸丙氨酸天冬氨酸谷氨酸氨基酸乙酰CoA脂肪1.蛋白质可以转变为脂肪2.氨基酸可作为合成磷脂的原料丝氨酸磷脂酰丝氨酸胆胺脑磷脂胆碱卵磷脂（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系——但不能说，脂类可转变为氨基酸。脂肪甘油磷酸甘油醛糖酵解途径丙酮酸其他α-酮酸某些非必需氨基酸3.脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸（四）核酸与糖、蛋白质代谢的相互联系1.氨基酸是体内合成核酸的重要原料甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺一碳单位合成嘌呤合成嘧啶2.磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供葡萄糖、糖原丙酮酸乙酰CoA脂肪Leu、Lys草酰乙酸α-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸TyrProVal,Ile,Met,ThrAspGluArgHisPro胆固醇、酮体AlaTrpSerGlyThrCys甘油脂酸代谢调节TheRegulationofMetabolism第三节代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。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，这种调节称为原始调节或细胞水平代谢调节。单细胞生物高等生物——三级水平代谢调节细胞水平代谢调节激素水平代谢调节高等生物在进化过程中，出现了专司调节功能的内分泌细胞及内分泌器官，其分泌的激素可对其他细胞发挥代谢调节作用。整体水平代谢调节在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及神经递质对靶细胞直接发生影响，或通过某些激素的分泌来调节某些细胞的代谢及功能，并通过各种激素的互相协调而对机体代谢进行综合调节。

一、细胞水平的代谢调节•细胞水平的代谢调节主要是酶水平的调节。•细胞内酶呈隔离分布。•代谢途径的速度、方向由其中的关键酶(keyenzyme)的活性决定。•代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。（一）细胞内酶的隔离分布①速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶(limitingvelocityenzymes)。②催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向。③这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节。关键酶催化的反应具有以下特点：代谢途径是一系列酶促反应组成的，其速度及方向由其中的关键酶决定。快速代谢

迟缓代谢数秒、数分钟通过改变酶的活性数小时、几天通过改变酶的含量变构调节(allostericregulation)化学修饰调节(chemicalmodification)•代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。变构调节的生理意义①代谢终产物反馈抑制(feedbackinhibition)反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。乙酰CoA乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA长链脂酰CoA

②变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促进糖的储存③变构调节使不同的代谢途径相互协调。柠檬酸–+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化乙酰辅酶A羧化酶促进脂酸的合成（三）酶的化学修饰调节1.化学修饰的概念酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰(covalentmodification)，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的化学修饰。2.化学修饰的主要方式磷酸化---去磷酸乙酰化---脱乙酰甲基化---去甲基腺苷化---脱腺苷SH与–S—S–互变酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白3.化学修饰的特点①酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。②具有放大效应，效率较变构调节高。③磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。

同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。（四）酶量的调节1.酶蛋白合成的诱导与阻遏加速酶合成的化合物称为诱导剂(inducer)减少酶合成的化合物称为阻遏剂(repressor)

常见的诱导或阻遏方式Ⅰ底物对酶合成的诱导和阻遏Ⅱ产物对酶合成的阻遏Ⅲ激素对酶合成的诱导Ⅳ药物对酶合成的诱导2.酶蛋白降解溶酶体蛋白酶体——释放蛋白水解酶，降解蛋白质——泛素识别、结合蛋白质；蛋白水解酶降解蛋白质通过改变酶蛋白分子的降解速度，也能调节酶的含量。（2）前馈和反馈激活（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）限速步骤和标兵酶（3）反馈抑制

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ATPADPATPADP456

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内、外环境改变机体相关组织分泌激素激素与靶细胞上的受体结合靶细胞产生生物学效应，适应内外环境改变激素作用机制二、激素水平的代谢调节1.膜受体激素的作用方式激素作用方式2.胞内受体激素的作用方式（一）饥饿糖原消耗血糖趋于降低胰岛素分泌减少胰高血糖素分泌增加引起一系列的代谢变化1.短期饥饿（1～3天）三、整体水平的代谢调节

（1）蛋白质代谢变化分解加强，氨基酸异生成糖（2）糖代谢变化糖异生加强，组织对葡萄糖利用降低（3）脂代谢变化

脂肪动员加强，酮体生成增多2.长期饥饿（1）蛋白质代谢变化蛋白质分解减少（2）糖代谢变化肝肾糖异生增强肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸（3）脂代谢变化脂肪动员进一步加强脑组织利用酮体增加（二）应激1.概念应激(stress)指人体受到一些异乎寻常的刺激，如创伤、剧痛、冻伤、缺氧、中毒、感染及剧烈情绪波动等所作出一系列反应的“紧张状态”。2.机体整体反应交感神经兴奋肾上腺髓质及皮质激素分泌增多胰高血糖素、生长激素增加，胰岛素分泌减少引起一系列的代谢变化3.代谢改变（1）血糖升高（2）脂肪动员增强（3）蛋白质分解加强第三节基因表达调控一、原核生物的基因表达调控

操纵子学说

●操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因，与共同的控制位点组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）.1.操纵子的提出

大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(

-galactosidase)。在环境中没有乳糖或其他

-半乳糖苷时，大肠杆菌合成

-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量合成

-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的

-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中

-半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子（lacoperon）学说。●

一个操纵子=结构基因（2-6）+控制位点（启动子+操纵基因+调节基因)调节基因操纵基因结构基因PZYA启动子OR操纵子结构示意图控制位点乳

糖

操

纵

子

的

负

调

控PLacZLacYLacA调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa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）调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子OR乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态失活状态活化状态

色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子（trpoperon）的调控。1.色氨酸操纵子的结构

2.阻遏蛋白的负调控

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ｏ的调控，调控基因trpR的位置远离P-ｏ-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其编码分子量为47000的调控蛋白R，R并没有与ｏ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ｏ特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。3.衰减子及其作用实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构有关。在色氨酸操纵子Ptrp-ｏ与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列（leadingsequence，L），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。这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的短肽的开放阅读框，其序列中有2个色氨酸相连，在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点（RBS）序列，提示这段短开放阅读框在转录后是能被翻译的。衰减子作用色氨酸操纵子的衰减机理2、Trp浓度低时转录1、Trp浓度高时衰减酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白＋诱导物A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白+辅阻遏剂阻遏蛋白(有活性)结构基因不表达操纵基因启动子调节基因结构基因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小结：

原核基因表达转录水平调控的基本方式：通过特殊的代谢物调控基因的活性⑴可诱导调节方式负调控：阻遏蛋白的调节正调节：激活蛋白的调节⑵可阻遏调节方式通过衰减方式进行调节；通过异化抑制作用进行调节；应急调节真核基因表达的调控

一、真核基因组的复杂性二、真核基因表达调控的特点三、真核基因转录水平的调控四、真核基因转录前的调控五、翻译水平的调控六、翻译后水平的调控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降解调节翻译后加工的调节核细胞质

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录二、真核基因表达调控的特点真核生物和原核生物基因表达的对比