第十五章
代谢调节
第一节代谢联系
一、代谢网络
细胞中生物分子成千上万,但它们最终都与几
类基本代谢联系,进入一定的代谢途径,从而使物
质代谢有条不紊进行。不同的代谢途径又通过交叉
点上关键的共同中间代谢产物得以沟通,形成经济
有效、运转良好的代谢网络。
一、代谢网络 -调节
生物体内的代谢调节( metabolic regulation) 在
三个不同层次上进行:
① 分子水平调节:包括底物和辅助因子的调节、酶的
调节。其中酶的调节最原始、最基础,它又包括酶活
性 (翻译后 ) 的调节和酶量 (转录水平 ) 的调节;
② 细胞水平调节:由于细胞内各细胞器之间存在膜系
统,使得各种代谢相互分隔,为了有效地进行物质和
能量交换,细胞内部必需具有一套调节机制;
一、代谢网络 -调节
③ 多细胞整体水平调节:随着生物由单细胞进化为
多细胞,除了在细胞和分子水平的调节外,还有更高
层次的激素水平(组织和器官)和整体水平(神经和
维管束系统)的调节。 它涉及到细胞与外界及细胞间
的信息交流。
6-磷酸葡萄糖、丙酮酸和乙酰辅酶 A
是沟通各个代谢途径的最关键的中间物
一、代谢网络 -糖 -蛋白质 -脂 -核酸
一、代谢网络
O 2 氧化磷酸化
脂肪
大分子
生糖氨基酸
氨基酸 核苷酸 葡萄糖 甘油 脂肪酸
NH
3
1 - 磷酸葡萄糖 磷酸二羟丙酮
甘氨酸
天冬氨酸
谷氨酰胺
丙氨酸
甘氨酸
半胱氨酸
丝氨酸
苏氨酸
核糖 磷酸 - 5 - 6 - 磷酸葡萄糖
β 氧化
丙酮酸 丙二酸单酰辅酶 A
生酮氨基酸
亮氨酸
赖氨酸
苯丙氨酸
酪氨酸
色氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
色氨酸
乙酰乙酰辅酶 A 乙酰辅酶 A 胆固醇
酮体
共同中间物
构造单元
天冬氨酸
天冬酰胺
草酰乙酸
苹果酸
延胡索酸
琥珀酰辅酶 A
α 酮戊二酸
异柠檬酸
柠檬酸
琥珀酸
三羧酸循环
乙醛酸 乙醛酸循环
酪氨酸
苯丙氨酸
天冬氨酸
异亮氨酸
甲硫氨酸
苏氨酸
缬氨酸
谷氨酸
谷氨酰胺
组氨酸
脯氨酸
精氨酸
核酸 淀粉、糖原 蛋白质
HO
2
CO
2 代谢终产物
NADH+ H
+
第二阶段
第三阶段
第一阶段





















一、代谢网络代谢物之间的关系
1,糖与脂代谢的关系:
a,磷酸二羟丙酮 — 磷酸甘油
b,乙酰辅酶 A— 脂肪酸
c,NADPH + H+--合成脂肪所需的能量
d,糖的异生作用
一、代谢网络
2,糖代谢与蛋白质氨基酸代谢的关系:
a,糖提供碳架,如丙酮酸,a-酮戊二酸和草酰乙酸。
b,糖分解提供能量
c,糖的异生作用
代谢物之间的关系
一、代谢网络
3,脂类代谢与蛋白质氨基酸代谢的关系:
a,生酮氨基酸 leu,生酮兼生糖氨基酸 Ile,Phe,Trp
等在代谢过程中生成乙酰乙酸,然后生成乙酰 CoA
b,生糖氨基酸直接生成丙酮酸,转变为甘油。
代谢物之间的关系
一、代谢网络
4,核酸代谢与糖, 脂肪及蛋白质代谢的相互联系,
a,核酸是信息分子, 一般不作为碳源, 氮源和能源物
质 。 核酸作为重要的遗传物质, 主要通过控制蛋白
质的合成, 影响细胞的组成成分和代谢类型;
b,而核酸的生物合成, 除需要酶催化外, 还需要多种
蛋白质因子的参与 。 嘌呤和嘧啶环的合成需要甘氨
酸, 天冬氨酸, 谷氨酰胺参与;
c,构成核酸的原料 —核苷酸在代谢中起着重要的作用
。 例如, ATP是能量和磷酸基团转移的重要物质,
GTP可活化 G蛋白, 还可参与蛋白质的生物合成,
蛋白质的转运等过程等 。
代谢物之间的关系
二、代谢调节与控制
1,代谢是一个完整统一的过程,必然存在复杂而精确
的调节机制。
2,生物体在长期进化过程中,建立了神经水平、激素
水平、细胞水平或分子水平等不同层次的代谢调控
。无论是哪一层次的,最终仍需要通过酶的调节而
起作用。
3.,酶水平”的调节机制,是最基础、最关键的代谢
调节。
二、代谢调节与控制1,细胞对酶的分隔化作用
1,对酶起分隔化作用
2,对酶的底物转运 (浓度 )起调节作用
3,对酶的活性起调节作用 (结合状态、可溶性、激
活因子等 )
二、代谢调节与控制1,细胞对酶的分隔化作用
2,酶活性的调节 -类型
1) 别构调节
二、代谢调节与控制
? 底物、产物(包括代谢途径的最终产物)
? 辅酶等内源调节因子
? 人工合成调节剂
二、代谢调节2,酶活性的调节
通过在酶蛋白某些氨基酸残基上增, 减基团的
办法调节酶的活性态与非活性态间的相互转化, 从
而调节酶的活性, 这种修饰作用称为共价修饰 (
covalent modification) 。 这种酶称为共价修饰酶
( covalent modification enzyme), 是一种代谢
调节酶 。
2) 共价修饰
二、代谢调节
目前已知有下列 6种修饰方式:
a.磷酸化 /去磷酸化
b.乙酰化 /去乙酰化
c.腺苷酰化 /去腺苷酰化
d.甲基化 /去甲基化
e.尿苷酰化 /去尿苷酰化
f.氧化 (S-S)/还原 (2SH)
2,酶活性的调节
二、代谢调节
化学修饰所
调节的酶
酶 酶来源 修饰机制 酶活性
变化
糖原磷酸化

真核细胞
生物
磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

磷酸化酶激

哺乳动物 磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

糖原合酶 真核细胞
生物
磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

丙酮酸脱氢

真核细胞
生物
磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

激素敏感性
脂酶
哺乳动物 磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

乙酰 CoA
羧化酶
哺乳动物 磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

HMG CoA
还原酶
哺乳动物 磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

HMG CoA
还原酶激酶
哺乳动物 磷酸化 /去
磷酸化
激活 /抑

谷氨酰胺合
成酶
大肠杆菌 腺苷酰化 /
去腺苷酰化
激活 /抑

黄嘌呤氧化

哺乳动物 S-S/SH 激活 /抑

二、代谢调节2,酶活性的调节
以磷酸化 /去磷酸化最普遍、最灵敏、机制呈多样化
是高等动植物酶化学修饰的主要形式。
2) 共价修饰
二、代谢调节2,酶活性的调节
许多酶一旦被合成就具有生物活性, 就可催化
底物发生转化, 然而有一些酶 ( 如消化系统的酶类
) 在刚被合成出来时不具有催化活性, 属于一种无
活性的前体, 它的活性中心被掩埋在分子的内部或
尚未形成, 使底物不可触及, 需要经过一定的剪切
,使肽链重新盘绕方能暴露或形成活性中心 。
酶原从无活性酶转变成有活性酶的过程称激活,
是不可逆共价修饰调节
3)酶原激活
二、代谢调节2,酶活性的调节
胰 凝 乳 蛋 白 酶 原 ( 无 活 性 )
胰 蛋 白 酶 原 在 A r g
1 5
,I l e
1 6
断 裂
π
胰 凝 乳 蛋 白 酶 在 L e u
1 3

T y r
1 4 6
和 A s n
1 4 8
自 我 消 化
π 胰 凝 乳 蛋 白 酶 ( 有 活 性 )
S e r A r g
T h r A s n
胰 凝 乳 蛋 白 酶 ( 有 活 性 )?
1 1 3 1 4 1 5 1 4 7 1 4 8 2 4 5
1 1 3 1 4 1 5 1 4 7 1 4 8 2 4 5
1 4 1 5
1 4 7 1 4 8
2 4 5
1 1 3
1 6 1 4 6 1 4 9
L e u I l e
T y r A l a
A 链 B 链
C 链
二、代谢调节
前馈激活:指在一反应序列中,前面的代谢物可对
后面的酶起激活作用。
反馈抑制:指在系列反应中终产物对反应序列前头
的标兵酶发生的抑制作用,从而调节整个系列反应
的速度。
反馈抑制的方式:顺序反馈抑制、协同反馈抑制、
积累反馈抑制、同工酶反馈抑制
3,酶活性的调节方式 — 反馈调节
二、代谢调节3,酶活性的调节方式 — 反馈调节
二、代谢调节4,酶活性合成调节
酶活性合成调节也即基因表达的转录调节或酶
量调节,是一种相对的慢调节过程。
模型,乳糖操纵子理论
操纵子学说是关于原核生物结构及其表达调
控的学说,它是由法国巴斯德研究所科学家
Jacob and Monod于 1961年首先提出,
二、代谢调节4,酶活性合成调节
调节基因 控制基因 结构基因
Lac操纵子及各个组分
操纵子模型
1961年 Jacob和 Monod发表的 lac操纵子是负控制模式
基本要点
? Z,Y,A 基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA
分子所编码。
? mRNA分子的启动子紧接着 O区,而位于 I与 O之
间的启动子 (P),不能单独起动合成 ?-半乳糖苷酶和透
过酶的生理过程。
? 操纵基因是 DNA上的一小段序列 (26bp),是阻遏
物的结合位点。
? 当阻遏物与操纵基因结合时,lac mRNA的转录起
始受到抑制。
? 色氨酸的合成分 5步。每一环节需要一种酶,编
码这些酶的基因紧密联系在一起,转录在一条多顺
反子 mRNA分子上,分别为:
色氨酸操纵子
二、代谢调节3,酶活性合成调节
trpE--邻氨基苯甲酸合成酶
trpD--邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶
trpC--邻氨基苯甲酸异构酶
trpB--色氨酸合成酶
trpA— 吲哚甘油 -3-磷酸合成酶
?色氨酸操纵子 (tryptophane operon)负责色
氨酸的色氨酸合成,当有色氨酸存在时,操纵
子自动关闭。缺乏时,trp基因表达。
色氨酸操纵子
二、代谢调节3,酶活性合成调节
大肠杆菌 trp操纵子
色氨酸操纵子的结构和色氨酸阻抑物的功能
前导肽:由前导 RNA27-68编码的 14个氨基酸多肽
色氨酸衰减子位点的碱基序列
大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减机制
mRNA前导区的序列分析
结论:
衰减子序列本身不能实现衰减作用,而必
需通过对前导序列翻译才能实现。因此,
衰减作用的实质是以翻译手段控制基因转
录。
名词解释
1,转录因子 (transcription factor),在转录起始
复合物的组装过程中,与启动子区结合并与 RNA!聚合
酶相互作用的一种蛋白质。某些转录因子在 RNA延伸
时一直维持着结合状态。
2,操纵子 (operon),是由一个或多个相关基因以
及调控它们转录的操纵基因和启动子序列组成的基因
表达单位
名词解释
3,操纵基因 (operator),与特定阻遏蛋白相互作用
调控一个基因或一组基因表达的 DNA区。
4.结构基因 (structural gene),编码一个蛋白质或
一个 RNA的基因。
5,转录激活剂 (transcriptionalactivator),通过
增加 RNA聚合酶的活性来加快转录速度的一种调节 DNA
结合蛋白。
名词解释
6.阻遏物 (repressor),与一个基因的调控序列或操
纵基因结合以阻止该基因转录的
一类蛋白质。
7.衰减作用 (attenuation),一种翻译调控机制。在
该机制中,核糖体沿着 mRNA分子的移动的速度决定转
录是进行还是终止。