《生物化学(第2版)》教学课件16物质代谢的调节与控制

第十六章

物质代谢的调节与控制本章主要内容：各物质代谢之间的联系细胞结构对代谢途径的分割控制酶活性调节机理酶量调节机理二、糖代谢与蛋白质代谢的相互关系三、脂类代谢与蛋白质代谢的相互关系四、核酸与三大营养物质之间代谢的相互关系第一节物质代谢的相互关系一、糖代谢与脂肪代谢的相互关系第二节物质代谢的调节和控制代谢调节（metabolicregulation）是指在代谢途径通量（flux）发生改变时，使有关代谢物浓度得以保持其稳态的机制。代谢控制（metaboliccontrol）是指改变代谢途径的通量（flux），以适应环境变化的机制。也就是说，代谢调节是对代谢物浓度变化的节制；代谢控制是对代谢途径通量的管控。两者合起来简称为调控，或者就称为调节。代谢的调节在分子、细胞和多细胞整体三个水平上进行。或代谢调节就是生物体根据环境条件的变化和生理活动的需要，自身对代谢反应速度进行调节和对代谢途径方向加以控制的技能。（教材P434）主要通过细胞内代谢物（底物，产物）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。高等生物—三级水平代谢调节1.细胞水平的调节--通过对细胞内酶的调节来实现。2.激素水平的调节--协调不同细胞、组织与器官之间的代谢。3.神经系统的调节--在神经系统参与下由酶和激素共同构成的调节网络。单细胞生物一、细胞水平的代谢调节细胞水平的调节主要是通过对酶的控制来实现，因此又称为酶调节，主要包括三种调节机制：1.酶在胞内的区域化分布；2.酶活性的改变；3.酶量的变化（一）区域定位的调节

—以膜结构和功能为基础的细胞结构效应区域化分布对物质代谢及调节的意义：-p438（1）同一代谢途径的酶集中分布，有利于连续反应的进行，提高反应速度。（2）各代谢途径相对独立，互不干扰；但同时某些代谢中间物又相互穿梭，构成复杂的代谢与调控网络.（3）区域化分布形成局部高代谢物浓度，有利于相关代谢途径的调节.多酶体系在细胞内的分布

多酶体系分布多酶体系分布TCA线粒体氧化磷酸化线粒体

EMP胞浆

HMP胞浆糖异生胞浆糖原合成胞浆

β-氧化线粒体软脂酸合成胞浆磷脂合成内质网胆固醇内质网，胞液DNA，RNA的合成细胞核蛋白质合成内质网，胞液各种水解酶溶酶体尿素合成线粒体，胞液血红素线粒体，胞液动物细胞结构和各类物质代谢的联系图解关键酶决定代谢途径的速度及方向：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（即远离平衡的反应），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：关键酶（调节酶）：可以是变构酶、共价修饰酶或同工酶等，酶活调节主要是通过这些酶起作用。例：糖代谢的关键酶（二）酶活性对代谢的调节

通过控制酶的活性来控制代谢速度。对酶的控制主要是由改变酶的分子结构来实现的。酶活调节基本机理：变构调节，共价修饰调节1.变构调节

变构调节的概念小分子化合物与酶分子的非催化部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶的活性，从而改变代谢的速度和方向。这种调节称为酶的变构调节或别构调节。

变构酶分子结构特点1.多亚基非共价结合，四级结构、分子质量较大。2.除具有活性中心外，还有调节中心。3.其动力学曲线V~[S]呈S型曲线，图中米氏酶呈双曲线。

图中[S]0.9对应v=90%Vm,[S]0.1对应v=10%Vm米氏酶变构酶米氏酶：[S]0.9/[S]0.1=81变构酶：[S]0.9/[S]0.1=3说明：（1）当[S]很低时，米氏酶表现敏感，变构酶调节没有明显影响。（2）当[S]提高到一定水平时，米氏酶表现迟钝，随[S]的提高，v增加的越来越不明显；而变构酶表现敏感，[S]的较小变化会使v极大的改变。—所以，变构酶具有调节作用。●变构调节的机制天冬氨酸转氨甲酰基酶（ATCase）—具正协同效应的酶。3-磷酸甘油醛脱氢酶—具负协同效应的酶。变构效应及协同效应是变构调节作用的基本机理。-P440变构效应正变构效应：底物-正变构剂负变构效应：产物-负变构剂协同效应正协同效应：大部分酶表现正协同效应负协同效应：少数酶表现负协同效应(1)3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应正、负协同别构酶与非调节酶的动力学曲线比较1.非别构酶2.正协同3.负协同当NAD+浓度很低时，优先与3-磷酸甘油醛脱氢酶结合；当NAD+浓度高时，由于负协同作用的调节作用，酵解途径就减慢。NAD+用作其他代谢途径的辅助因子。NAD+对3-磷酸甘油醛脱氢酶的变构调节属于典型的负协同效应。（2）天冬氨酸转氨甲酰基酶（简称ATCase）催化的反应ATCase具有12个亚基，6个催化亚基和6个调节亚基，以活性和非活性两种形式存在，两者在ATP和CTP作用下互相转变。ATCase的构象互变催化活性单位调节亚基ATCase对Asp、CTP、ATP的变构动力学特点：-P442Asp（底物）：当氨甲酰磷酸浓度足够大，使酶被底物饱和，v–[Asp]曲线呈S形（图中的1)。表明Asp（底物）是变构剂，表现出正协同效应。[Asp]CTP（抑制剂）：当反应体系中有CTP存在时，v-[Asp]曲线右移，即1/2Vm的[Asp]0.5提高（图中的2）。表明CTP是ATCase的负调节物。ATP（激活剂）：当反应体系中ATP存在时，v-[Asp]曲线S形变陡，[Asp]0.5降低，向左移动（图中的3）；表明ATP是酶的正调节物。在ATP饱和时，变构酶近似于米氏酶，对[Asp]变化的敏感度严重下降。(图中的3，4)

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-磷酸果糖激酶抑制糖的氧化乙酰辅酶A羧化酶

促进脂酸的合成2.共价修饰调节（1）有些酶，在其它酶的催化下，其分子结构中的某些基团，如：Ser、Thr或Tyr的-OH基，能与特殊的化学基团，如ATP分子上脱下的磷酸基或腺苷酰基(AMP)，共价结合或解离，从而使酶分子活性形式发生改变。这种修饰作用称为共价修饰调节。这种被修饰的酶称为共价调节酶。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)。糖原磷酸化酶-OH（无活性）糖原磷酸化酶-O-P（有活性）蛋白激酶ATPADP磷酸酯酶-OHH2OP（3）举例：糖原磷酸化酶的共价修饰（2）共价修饰调节的特点-P446（a）大多数化学修饰的酶都存在有活性（或高活性）与无活性（或低活性）两种形式。且两种形式之间通过两种不同的酶的催化可以相互转变。（b）化学修饰具有级联放大效应，即少量的调节因素可引起大量酶分子的化学修饰。调节效率高。（c）磷酸化和脱磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应。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（第一信使）1、腺苷酸环化酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMP（第二信使）R、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产能代谢肌肉酶活调节小结

无论是变构调节还是共价修饰调节都是以酶蛋白的结构发生改变为基础。变构调节是酶的调节中心与效应物发生非共价结合，从而影响酶的活性中心与底物的亲和力，从而调节酶活力。变构调节具有协同效应。共价修饰调节是酶蛋白中的活性基团（-OH、-SH、-COOH、-NH2）在其他酶的作用下发生共价修饰，从而改变酶的活性。共价修饰调节具有级联放大作用，效率高。（三）酶量变化对代谢的调节（基因表达的调节控制）

细胞内酶浓度的改变也可以改变代谢速度。主要是通过调节酶蛋白的合成过程实现的。（1）活化基因则合成相应的酶，酶量增加；（2）钝化基因则停止酶的合成，酶量降低。这种调节方式为迟缓调节，所需时间较长，但作用时间持久。1.酶量调节机理酶量调节的两种基本调节机制是诱导和阻遏诱导：一些分解代谢的酶类只在有关的底物或底物类似物存在时才被诱导合成。依赖于诱导物才能合成的酶称为诱导酶。阻遏：对于合成代谢的酶类，在产物或产物类似物足够量存在时，其合成被阻遏。（反馈阻遏）底物在细胞调节中的作用是正调（激活调节酶活性或诱导有关的酶合成）产物在细胞调节中的作用是负调（反馈抑制调节酶活性或反馈阻遏有关酶的合成系统）a、操纵子—原核细胞基因表达的协同单位。由若干个在功能上相关的结构基因和控制位点所组成。控制位点包括启动基因和操纵基因，在基因图上，它们顺序连接在一起。b、酶合成的诱导和阻遏2.操纵子的概念和类型实例：诱导型操纵子

乳糖操纵子阻遏型操纵子色氨酸操纵子启动子（premotor,P）操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）操纵基因启动子调节基因

结构基因

阻遏蛋白操纵子结构模型：启动子（启动基因）：RNA聚合酶的附着部位。操纵基因：不能被转录和翻译，即没有基因表达产物。受调节基因的调控。阻遏蛋白：调节基因的表达产物，是变构蛋白。其分子表面至少有两个配基结合部位，即结合效应物部位和与操纵基因结合部位。结构基因：转录合成蛋白质所需要的mRNA。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PLacZLacYLacamRNA

阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLaca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）阻遏蛋白作用于操纵基因时阻止转录的进行—负调控。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：cAMP降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）或称cAMP受体蛋白降低cAMP浓度使CAP呈失活状态cAMP受体蛋白与cAMP结合后促进转录的进行—正调控。降解物阻遏和降解物基因活化蛋白（CAP）正调机制二次生长现象（葡萄糖效应）：

研究E.coli对混合碳源的利用，发现葡萄糖抑制其它糖利用，只有当葡萄糖耗尽后，细菌经过一段停滞期，不久在其他糖源诱导下，合成有关的酶，才能利用其它糖，出现二次生长现象。

所有迅速代谢能源都能阻抑较慢代谢的能源所需酶的合成。酶的生成被易分解碳源所阻遏。此称葡萄糖效应。葡萄糖效应并不是由葡萄糖直接造成，而是葡萄糖某种分解代谢物引起。_降解物阻遏cAMP是关键控制因子。其与降解物基因活化蛋白（CAP）即环腺苷酸受体蛋白（CRP）结合，促使RNA聚合酶与启动基因结合而开始转录。cAMP浓度低时，影响结合，不能转录。

葡萄糖的某种代谢产物降低了cAMP水平，即使有诱导剂存在，也不能合成分解其它糖的酶，只有葡萄糖消耗完，c