物质代谢的相互联 系和调节控制

关于物质代谢的相互联系和调节控制代谢调节是生物在长期进化过程中，为适应外界条件而形成的一种复杂的生理机能。通过调节作用细胞内的各种物质及能量代谢得到协调和统一，使生物体能更好地利用环境条件来完成复杂的生命活动。

代谢调节作用可在不同水平上进行：低等的单细胞生物是通过细胞内酶的调节而起作用的；多细胞生物则有更复杂的激素调节和神经调节。

细胞内酶的调节是最基本的调节方式。酶的调节是从酶的区域化、酶的数量和酶的活性三个方面对代谢进行调节的。

第2页,共43页，2024年2月25日，星期天操纵子是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个结构基因组成。转录后的调节包括，真核生物mRNA转录后的加工，转录产物的运输和在细胞中的定位等。翻译水平上的调节包括，mRNA本身核苷酸组成和排列（如SD序列），反义RNA的调节，mRNA的稳定性等方面。酶活性的调节是直接针对酶分子本身的催化活性所进行的调节，在代谢调节中是最灵敏、最迅速的调节方式。主要包括酶原激活、酶的共价修饰、反馈调节、能荷调节及辅因子调节等。第3页,共43页，2024年2月25日，星期天生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）、能量、信息交换过程。细胞代谢是一切生命活动的基础。合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。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。第4页,共43页，2024年2月25日，星期天一、代谢网络（物质代谢---联系---转化—）不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和相互转化。这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通，形成经济有有效、运转良好的代谢网络。其中三个最关键的中间代谢物：葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸和乙酰辅酶A。TCA环则是糖、脂肪和蛋白质三大物质互相转化的枢纽。第一节物质代谢的相互联系第5页,共43页，2024年2月25日，星期天物质代谢一览第6页,共43页，2024年2月25日，星期天物质代谢网络第7页,共43页，2024年2月25日，星期天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。1.糖代谢与蛋白质代谢的关系第8页,共43页，2024年2月25日，星期天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：2.脂类代谢与蛋白质代谢的关系乙酰辅酶A—氧化TCA循环草酰乙酸—酮戊二酸苹果酸氨基酸琥珀酸乙醛酸循环脂肪酸蛋白质甘油生酮氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸脂肪酸丙酮酸乙酰辅酶A丙二酸单酰辅酶A脂肪草酰乙酸—酮戊二酸氨基酸脂类分子中的甘油

丙酮酸第9页,共43页，2024年2月25日，星期天

糖与脂类物质也能相互转变：磷酸二羟丙酮丙酮酸甘油乙酰辅酶A脂肪酸脂类甘油—甘油磷酸磷酸二羟丙酮糖脂肪酸乙酰辅酶A琥珀酸草酰乙酸丙酮酸—氧化乙醛酸循环TCACO2+H2O糖尿病：脂肪酮体（乙酰乙酸、丙酮、-羟丁酸）在血液中产生酸中毒或到达肌肉中提供能源在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况3.糖代谢与脂类代谢的关系糖第10页,共43页，2024年2月25日，星期天核酸核苷酸ATPUTPCTPGTP能量和磷酸基团的供应单糖的转变和多糖的合成参与卵磷脂的合成Gly、Asp、Gln嘌呤、嘧啶蛋白酶、蛋白因子核苷酸、核酸的合成核酸降解产物的彻底氧化最终也是通过糖代谢途径。4.核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的关系给蛋白质合成提供能量核酸不是重要的碳源、氮源和能源许多重要的辅酶是AMP的衍生物第11页,共43页，2024年2月25日，星期天相对立的单向反应（opposingunidirectionalreaction）（正反应和逆反应由两种不同的酶所催化）1.糖代谢的例子：

G+ATP6——G+ADP（变构抑制）6——G+H2OG+Pi2.脂代谢的例子：乙酰

CoA＋ＣO2＋ATP丙二酸单酰

CoA＋ADP＋Pi

丙二酸单酰

CoA

乙酰

CoA＋ＣO2PP

己糖激酶６—磷酸葡萄糖酶乙酰

CoA羧化酶丙二酸单酰

CoA脱羧酶二、代谢的单向性和多酶系统第12页,共43页，2024年2月25日，星期天ATPADP+Pi太阳能化学能生物合成细胞运动膜运输能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP三、代谢与能量有机体从环境中获得能量的方式各有不同，有的利用太阳的辐射能，有的利用氧化还原反应释放的化学能。不管那种形式，细胞都能将它转化成高能分子ATP。第13页,共43页，2024年2月25日，星期天NADPH以还原力形式携带能量还原性有机物还原性生物合成产物NADPH+H+NADP+NADH和FADH2是生物氧化过程中氢和电子携带者，其主要功能是通过呼吸链产生ATP。代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元用于生物合成。还原性生物合成反应氧化前体分解代谢氧化产物第14页,共43页，2024年2月25日，星期天第二节代谢的调节一、酶水平的调节（基因表达的调节）ABEX底物水平的调节酶水平的调节酶活性的调节酶含量的调节酶的定位调节辅助因子的调节产物调节酶有两种功能：催化各种生化反应，是生物催化剂；

调节和控制代谢的速度、方向和途径，是新陈代谢的调节元件。第15页,共43页，2024年2月25日，星期天（一）酶定位的区域化酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化。功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节。第16页,共43页，2024年2月25日，星期天主要代谢途径酶系在细胞内的分布胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成。线粒体：脂肪酸β氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。细胞核：核酸的合成、修饰。内质网：蛋白质合成，磷脂合成。胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成溶酶体：多种水解酶第17页,共43页，2024年2月25日，星期天（二）酶活性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。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，细胞可以开动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。

第18页,共43页，2024年2月25日，星期天调节方式：酶原的激活pH改变如溶菌酶，pH7，无活性；pH5，活性高。同工酶共价修饰反馈调节（生物体内最重要）特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成。第19页,共43页，2024年2月25日，星期天赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程水解芳香族AA羧基形成的肽键第20页,共43页，2024年2月25日，星期天胰蛋白酶原胰蛋白酶弹性蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原羧肽酶原羧肽酶肠激酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶胰蛋白酶对胰分泌的各种蛋白酶原的激活作用六肽第21页,共43页，2024年2月25日，星期天酶的共价修饰和级联系统A.共价修饰（covalentmodification）：指在专一性酶的催化下，某些小分子基团共价地结合到被修饰的酶分子上，使被修饰酶的活性发生改变，从而调节酶活性。（1）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。

（2）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第22页,共43页，2024年2月25日，星期天酶活性的调节控制共价修饰(PhK)第23页,共43页，2024年2月25日，星期天

B.级联系统（cascadesystem）：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（和胰岛素的作用不同）。依赖于cAMP的蛋白激酶称为蛋白激酶A（proteinkinaseA,PKA）第24页,共43页，2024年2月25日，星期天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10-8~10-10mol/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。肾上腺素-cAMP的信号转导途径受体G蛋白（一类GTP结合蛋白）第25页,共43页，2024年2月25日，星期天第26页,共43页，2024年2月25日，星期天反馈与前馈作用

S0S1SnE0E1En-1前馈+或-反馈+或-正作用：凡反应物能使代谢过程速度加快者称为正作用。负作用：凡反应物能使代谢过程速度变慢者称为负作用。C、反馈与前馈作用第27页,共43页，2024年2月25日，星期天前馈和反馈调节前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活，但也可能是前馈抑制。当底物浓度过高时可避免该代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成。如高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙二酸单酰CoA大量合成。第28页,共43页，2024年2月25日，星期天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（feedforwardactivation）G-6-6--F1.6-二-FPEP丙酮酸

（2）前馈抑制（feedforwardinhibition）

乙酰CoA+CO2+H2O+ATP丙二酸单酰CoA+ADP+PiPP丙酮酸激酶P前馈激活乙酰CoA羧化酶前馈抑制第29页,共43页，2024年2月25日，星期天2.反馈作用（feedback）

代谢产物对前面的某一酶有作用（1）反馈激活（feedbackactivation）（2）反馈抑制（feedbackinhibition）

A+B

C

D

PE1E2E3E4反馈抑制第30页,共43页，2024年2月25日，星期天(三)酶合成的调节（基因表达的调节）酶合成调节，是通过酶量的变化来调控代谢速率。第31页,共43页，2024年2月25日，星期天二、细胞水平的调节1.控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度2.控制跨膜物质运输3.区隔化：浓缩作用，防止干扰，便于调节4.膜与酶可逆结合：双关酶：能与膜可逆结合，通过膜结合型和可溶型的互变来调节酶的活性。双关酶大多是代谢途径的关键酶和调节酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛缩酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶，氨基酸代谢的Glu脱氢酶，Tyr氧化酶：参与共价修饰的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。第32页,共43页，2024年2月25日，星期天三、激素水平的调节四、基因表达的调节基因表达有几个水平的调节转录水平翻泽水平加工水平转录后加工、翻译后加工蛋白质活性调节其中最关键的是在第一个水平，基因表达的控制主要发生在转录水平，原核生物尤其如此。第33页,共43页，2024年2月25日，星期天（一）原核生物基因表达的调节1.操纵子模型（operonmodel)：是原核生物基因表达的调节机制。操纵子是基因表达的协调单位，它含有在功能上彼此有关的多个结构基因及控制部位，控制部位由启动子和操纵基因组成。一个操纵子的全部基因排列在一起，其中含多个结构基因，转录产物是单个多顺反子mRNA，操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节。调节基因启动子和操纵基因多个结构基因第34页,共43页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被发现的操纵子（Monod和Jacob，1961）大肠杆菌通常利用葡萄糖作为碳源，通常情况下环境中乳糖极少，降解乳糖的酶不被合成，其实质是乳糖降解酶基因不表达。第35页,共43页，2024年2月25日，星期天乳糖操纵子模型第36页,共43页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌乳糖酶诱导合成---调节基因产物对转录的调控阻遏蛋白乳糖酶基因操纵基因结构基因半乳糖苷酶半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷透性酶操纵基因——基因合成的开关调节基因关——阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达诱导物（乳糖）开——诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥mRNA酶蛋白第37页,共43页，2024年2月25日，星期天（二）转录后的调节转录后的调节：对mRNA转录后的加工（也称为成熟）、输出核外、胞浆内定位和降解等过程的调控称为转录后的调节包括几个方面：1.真核生物mRNA转录后的加工2.转录产物由细胞核向胞质运输3.mRNA在胞质中的定位第38页,共43页，2024年2月25日，星期天（三）翻译水平的调节

翻译水平的调节的类型：

不同mRNA翻译能力的差异、翻译阻遏作用、反义RNA的作用。

1.翻译阻遏（trans-lationalrepression）

当有过量核糖体蛋白质存在时，可引起它自身以及有关蛋白质合成