第十四章 细胞代谢和基因表达的调控
细胞代谢包括物质代谢和能量代谢 。 细胞代谢是一个完整统一
的网络, 并且存在复杂的调节机制, 这些调节机制都是在基
因表达产物 （ 蛋白质或 RNA） 的作用下进行的 。
重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。
第一节 物质代谢途径的相互联系
细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径, 以少数种
类的反应转化种类繁多的分子 。 不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中
间物而相互转化, 其中三个关键的中间物是 G-6-P,丙酮酸, 乙酰 CoA。
一, 糖代谢与脂代谢的联系
1,糖转变成脂
图
糖经过酵解, 生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸 。 磷酸二羟丙酮还原为甘油, 丙酮
酸氧化脱羧转变成乙酰 CoA,合成脂肪酸 。
2,脂转变成糖
图
甘油经磷酸化为 3-磷酸甘油, 转变为磷酸二羟丙酮, 异生为糖 。
在植物, 细菌中, 脂肪酸转化成乙酰 CoA,后者经乙醛酸循环生成琥珀酸,
进入 TCA,由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸, 生糖 。
动物体内, 无乙醛酸循环, 乙酰 CoA进入 TCA氧化, 生成 CO2和 H2O。
脂肪酸在动物体内也可以转变成糖, 但此时必需要有其他来源的物质补充
TCA中消耗的有机酸 （ 草酰乙酸 ） 。
糖利用受阻, 依靠脂类物质供能量, 脂肪动员, 在肝中产生大量酮体 （ 丙酮,
乙酰乙酸, β-羟基丁酸 ） 。
二, 糖代谢与氨基酸代谢的关系
1,糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架
图
糖 → 丙酮酸 → α-酮戊二酸 + 草酰乙酸
这三种酮酸, 经过转氨作用分别生成 Ala,Glu和 Asp。
2,生糖氨基酸的碳架可以转变成糖
凡是能生成丙酮酸, α— 酮戊二酸, 琥珀酸, 草酰乙酸的 a.a,称为生糖 a.a。
Phe,Tyr,Ilr,Lys,Trp等可生成乙酰乙酰 CoA,从而生成酮体 。
Phe,Tyr等生糖及生酮 。
三, 氨基酸代谢与脂代谢的关系
氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰 CoA,可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成 。
生糖 a.a的碳架可以转变成甘油 。
Ser可以转变成胆胺和胆碱, 合成脑磷脂和卵磷脂 。
动物体内脂肪酸的降解产物乙酰 CoA,不能为 a.a合成提供净碳架 。
脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸, 经 TCA进一步转变为草酰乙酸, α—
酮戊二酸, 这三者都可以转变成氨基酸 。
四, 核苷酸代谢与糖, 脂, 氨基酸的关系
核苷酸不是重要的碳源, 氮源和能源 。
各种氨基酸, 如 Gly, Asp, Gln是核苷酸的合成前体 。
有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用,
ATP 供能及磷酸基团 。
UTP 参与单糖转变成多糖 （ 活化单糖 ） 。
CTP 参与卵磷脂合成 。
GTP 为蛋白质合成供能 。
五, 物质代谢的特点
1,TCA是中心环节
代谢途径交叉形成网络, 主要联系物：丙酮酸, 乙酰 CoA,柠檬
酸, α-酮戊二酸, 草酰乙酸 。
2,分解, 合成途径往往是分开的, 不是简单的逆反应 。
在一条代谢途径中, 某些关键部位的正反应和逆反应, 往往由
两种不同的酶催化, 一种酶催化正反应, 另一种酶催化逆反
应 。
以糖代谢为例,
P421
3,ATP是通用的能量载体
乙酰 CoA进入 TCA后, 完全氧化生成 CO2,H2O,释放的自由能
被 ADP捕获转运 。 否则, 自由能以热能形式散发到周围环境
中 。
4,分解为合成提供还原力和能量
物质代谢的基本要略在于：生成 ATP,还原力和结构单元用于体内生物合成 。
NADPH专一用于还原性生物合成, NADH和 FADH2主要功能是通过呼吸链产
生 ATP。
ATP来源,（ 1） 底物水平磷酸化, （ 2） 绿色植物和光合细菌的光合磷酸化,
（ 3） 呼吸链的氧化磷酸化 。
NADPH来源,
（ 1） 植物光合电子传递链
（ 2） 磷酸戊糖途径
（ 3） 乙酰 CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有 NADH的氧化和 NADP+的还原,
所产生的 NADPH可用于脂肪酸合成 P422图 22-4
有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段,P423 图 22-5
（ 1） 将大分子分解为小分子单元, 释放的能量不能被利用 。
（ 2） 将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰 CoA,产生还原力
NADPH和少量 ATP。
（ 3） 乙酰 CoA通过 TCA被完全氧化成 CO2,脱下的电子经氧化磷酸化产生大
量的 ATP。
5,分解, 合成受不同方式调节
单向代谢的反馈调节
顺序反馈控
分枝代谢的反馈调节 对同工酶的反馈抑制
协同反馈抑制
第二节 代谢调节
代谢调节是生物长期进化过程中, 为适应环境的变化的而形成
的一种适应能力 。 进化程度越高的生物, 其代谢调节的机制
越复杂, 越完善 。
生物代谢调节在三个水平上进行, 即酶水平, 细胞水平, 多细
胞整体水平 （ 神经, 激素 ） 。 酶和细胞水平的调节, 是最基
本的调节方式, 为一切生物所共有 。
神经水平调节
动
物
激素水平调节
植
物
细胞水平调节
酶水平调节
单细胞生物
神经调节：整体的, 最高级的调节 。
激素调节：受神经调节控制 。 第二级调节 。
酶调节：原始的, 基本的调节 。 第三级调节 。
酶水平的调节：酶活性调节 （ 酶原激活, 别构效应, 共价修饰 ）
和酶含量 （ 基因表达调控 ）
一, 酶水平的调节
酶水平的调节, 主要通过酶定位的区域化, 酶活性的调节, 酶
含量的调节, 这三个方面进行 。
1,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 。
⑴ 多酶体系在细胞中区域化, 为酶水平的调节创造了有利条件,使某些调节因
素可以专一地影响细胞内某一部分的酶活性, 而不致影响其它部位酶的活
性 。
⑵ 此外, 酶定位的区域化, 使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩, 利
于在细胞局部范围内快速进行各个代谢反应 。
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
2,酶活性的调节
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 。
（ 1）, 共价修饰和级联放大 P430图 22-14
磷酸化 /脱磷酸化
腺苷酰化 /脱腺苷酰化
（ 2）, 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 。
反馈调节：产物对酶活性的调节, 一般是反馈抑制, 但也有反馈激活 。
a,反馈抑制 单价反馈抑制
多价反馈抑制
当序列终产物浓度积累过多时, 会抑制初始反应的酶活性, 使整个体系反应
速度降低 。
b,顺序反馈抑制
c,协同反馈抑制
d,累积反馈抑制
e,同工酶反馈抑制
f,反馈激活和前馈激活
（ 3）, 反馈激活,
（ 4）, 前馈激活,
如在糖酵解中, 1.6— 二磷酸果糖, 可提高后面丙酮酸激酶的活性, 加速磷酸
烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸 。
如当丙酮酸不能经乙酰 CoA进入 TCA时, 丙酮酸积累, 磷酸烯醇式丙酮酸转
化成草酰乙酸, 后者可合成 a.a和嘧啶核苷酸 。 合成出的嘧啶核苷酸, 反
馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶, 促进草酰乙酸合成, 保证 TCA对草酰乙酸
的需要 。
3,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 。
二, 细胞水平的调节
（ 1） 控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度
（ 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 。
三, 激素水平的调节
第一节 基因表达的调节
基因表达有几个水平的调节
⑴ 转录水平
⑵ 翻泽水平
⑶ 加工水平 转录后加工, 翻译后加工
⑷ 蛋白质活性调节
其中最关键的是 ⑴, 基因表达的控制主要发生在转录水平,原核生物尤其如此 。
时序调节
适应调节
一, 原核生物基因表达的调节
1,纵子模型
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 mRNA,操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节 。
2,组成型基因和诱导型基因
组成酶 （ 构成酶 ）, 受环境影响小, 正常代谢条件下表达 。 如糖酵解的酶 。
诱导酶 （ 适应型酶 ）, 对不同的生存环境有不同的表达 。 如半乳糖苷酶 。
3,正调控和负调控
在没有调节蛋白质存在时, 基因是关闭的, 加入调节蛋白后,
基因活性被开启, 此为正调控 。
在没有调节蛋白存在时, 基因是表达的, 加入调节蛋白后基因
表达活必被关闭, 此为负调控 。
在正调控中, 调节蛋白称诱导蛋白 。
在负调控中, 调节蛋白称阻遇蛋白 。
4,原核生物结构基因表达的 4种控制模式 。
负调控：诱导作用, 应使阻遇蛋白解离 DNA。
阻遇作用, 应使阻遇蛋白结合 DNA。
P451图 22-25
正调控：诱导作用, 应使诱导蛋白结合 DNA。
阻遇作用, 应使诱导蛋白解离 DNA。
图片 9-1, 杨歧生, P272
5,大肠杆菌乳糖操纵子 Lac操纵子
结构图, P453 图 22-26
LacZ,LacY,LacA为结构基因, 上游依次为操纵基因, 启动子
和调节基因 LacI。
当细胞内无诱导物 （ 乳糖或 IPTG） 存在时, 阻遏蛋白与操纵
基因结合 。 由于操纵基因与启动子有一定程度重叠, 妨碍了
RNA聚合酶在 -10序列上形成开放性启动子复合物 。
当细胞内有诱导物 （ 乳糖或 IPTG） 存在时, 诱导物与阻遏蛋白
结合, 改变阻遏蛋白构象, 使之迅速从操纵基因上解离下来 。
这样 RNA聚合酶就能与启动子结合, 并形成开放性启动子复
合物, 从而开始转录 LacZYA结构基因 。
图片 8-3,孙乃恩, P 285
IPTG：异丙基 -β-D硫代半乳糖苷 （ 安慰诱导物 ）, 能对乳糖操
纵子产生极强的诱导效应, 是强诱导物 。
6,色氨酸操纵子 （ trp） 的转录调控
trp操纵子负责 Trp的合成, 通常是开放的, 调节基因的产物使它关闭, 这种
调控作用称为可阻遏型的负调控 。
⑴ E.coli trp操纵子有 5个结构基因, trpE-D-C-B-A。
⑵ 在 trpE的上游有三个区段 trpP-O-L,trpL是一段 162bp序列, 转录到 mRNA
中成为前导序列, 对操纵子的转录起调控作用 。
⑶ 在染色体 90分区有 trpR基因, 编码 12.5kd的阻遏蛋白亚基,能以四聚体形式
结合到 trpO。
TrpP与一般原核基因启动子一样, 具有 -10序列和 -35序列, -10序列完全位于
trpP之内 。
E.coli trp操纵子的组成及基因产物的功能 。
图片,
E.coli 具有合成各种 a.a的能力 。 在多数情况下, 只有在培养基不供应外源 a.a
时, 才去合成产生该 a.a所必须的酶系 。
当细胞内 Trp浓度较高时, Trp与阻遏蛋白 （ trpR基因产物 ） 结合, 产使它具
有活性, 从而与 trpO基因结合, 关闭转录 。
当细胞内 Trp浓度很低时, 阻遏遇蛋白上的 Trp解离出来, 使阻遏蛋白失活,
并失去与 trpO结合的能力, 开启转录 。
图片,
7,trp操纵子的前导序列
trp mRNA分子一旦开始合成, 在 trpE基因开始转录之前, 大多
数 mRNA会停止生长, 这是因为前导序列 （ trpL） 对操纵子调
控发挥了重要作用 。
trp mRNA的前导序列及前导肽 。
结构基因上游具有：启动子 — 操纵基因 — 前导序列 — 衰减子区 。
mRNA 5,端有 162b,其中 139个构成前导序列 。 前导序列由 14个
a.a的前导肽, 4个互补区段和 1个衰减子终止点构成 。
衰减子：位于结构基因上游前导区的终止信号 。
前导序列的特点,
⑴ 前导序列的某些区段富含 GC。 尾部有一个含 8个 U的区段, 易
极成不依赖于 ρ的终止信号 。 (3区与 4区构成终止信号的发夹
结构 )
⑵ 1区和 2区构成第二个发夹结构, 其中 1区处于 14个 a.a的前导肽
序列中 。
⑶ 3区与 2区也能形成另一个发夹结构, 从而可阻止 3区与 4区形
成终止发夹结构 。
⑷ 前导序列 RNA编码一段 14a.a的前导肽, 并有一终止密码子
UGA
⑸ 前导序列中, 并列二个 Trp密码子,
在 mRNA合成过程中, 1区与 2区若先配对, 则 3区与 4区配对,终
止转录,
图片,
阻遏和衰减机制, 虽然都是在转录水平上进行调节, 但是它们
的作用机制完全不同, 前者控制转录的起始, 后者控制转录
起始后是否继续下去 。
氨基酸合成操纵子前导肽序列
P454表 22-2
生长速度调节, 严紧控制
基因表达时序调节,
翻译水平调节,
二, 真核基因表达的调节
基因表达调控
基因表达调控 是生命现象的基本需要
? 生物体的不同发育阶段,需要启动
不同的基因表达。
? 细胞的生长、增殖、分化、衰老及
死亡 等不同阶段需要不同的蛋白质参
与。
? 细胞发挥不同的生理功能,以及为了
适应复杂多变的内部与外部环境的变
化,需要不同的蛋白质参与。
基因表达定义,贮存着生物体遗传信息的 基
因 经转录和翻译成 蛋白质 的过程。
一、细菌代谢酶的诱导
? 组成型表达 （ Constitutive expression),
? 这类基因又称 看家基因
(housekeeping genes)，该基因的表达是持
续性的，不受调控的。如：组成机体的
结构蛋白 ； 三羧酸循环中的 代谢酶 等。
?
? 诱导型表达 (Inducible expression),
? 基因的表达水平受调节物的诱导而
增加。 如,参与 DNA修复的酶类；某些
代谢酶等。
二、操纵子 (operon)的结构与功能
Inhibitor
gene
P S1 S2 S3
启动子 结构基因 1,2,3..,
O
操纵基因
Promoter Operator gene Structure gene
调控区 结构基因
操纵子
表达 阻
遏蛋白
结合 RNA
聚合酶
结合
阻遏 蛋白
表达 功能蛋白
I
阻遏物基因
诱
导
型
阻
遏
型 变构
变构
阻遏蛋白变构 失活 阻遏蛋白变构 激活
无活性的
阻遏蛋白
辅阻遏
物
基因
两
种
方
式
阻遏
蛋白
诱
导
物
乳糖操纵子为代表 色氨酸操纵子为代表
四,乳糖操纵子 的工作原理,
1.负调控方式
P Z Y A
启动子 分解代谢 乳糖 的 三种酶基因
O
操纵基因
调控区 结构基因
阻遏蛋白 乳 糖
变构
阻遏蛋白变构 失活
阻遏蛋白
乳糖操纵子 （ Lac Operon）
I
阻遏物基因
阻遏蛋白
阻遏状态
Z:β -半乳糖苷酶
Y:乳糖穿透酶
A:转乙酰基酶
诱导状态
表达
不能
表达
四,乳糖操纵子 的工作原理,2,正调控
P Z Y A
启动子 分解代谢 乳糖 的三种酶基因
O
操纵基因
调控区 结构基因
变构
CAP变构 激 活
CAP
乳糖操纵子
CAP位点
(Catabolite
Activator
Protein site)
CAP
CAP,代谢物激活蛋白
四,乳糖操纵子 的工作原理,
2,正调控 ?
]
细菌优先利用 葡萄糖 作为能源
有葡萄糖,
cAMP CAP无活性 不促进转录
无葡萄糖,
cAMP CAP有活性 促进转录
乳糖操纵子调控方式的比较
负调控 正调控
调节蛋白 阻遏蛋白 CAP
变构物 别乳糖，乳糖 cAMP
与变构物结合 无活性 有活性
基因位点 O基因 CAP位点
结合于基因位点 基因关闭 基因开放
未 结合于基因位点 基因开放 基因关闭
不 与变构物结合 有活性 无活性
细胞代谢包括物质代谢和能量代谢 。 细胞代谢是一个完整统一
的网络, 并且存在复杂的调节机制, 这些调节机制都是在基
因表达产物 （ 蛋白质或 RNA） 的作用下进行的 。
重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。
第一节 物质代谢途径的相互联系
细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径, 以少数种
类的反应转化种类繁多的分子 。 不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中
间物而相互转化, 其中三个关键的中间物是 G-6-P,丙酮酸, 乙酰 CoA。
一, 糖代谢与脂代谢的联系
1,糖转变成脂
图
糖经过酵解, 生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸 。 磷酸二羟丙酮还原为甘油, 丙酮
酸氧化脱羧转变成乙酰 CoA,合成脂肪酸 。
2,脂转变成糖
图
甘油经磷酸化为 3-磷酸甘油, 转变为磷酸二羟丙酮, 异生为糖 。
在植物, 细菌中, 脂肪酸转化成乙酰 CoA,后者经乙醛酸循环生成琥珀酸,
进入 TCA,由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸, 生糖 。
动物体内, 无乙醛酸循环, 乙酰 CoA进入 TCA氧化, 生成 CO2和 H2O。
脂肪酸在动物体内也可以转变成糖, 但此时必需要有其他来源的物质补充
TCA中消耗的有机酸 （ 草酰乙酸 ） 。
糖利用受阻, 依靠脂类物质供能量, 脂肪动员, 在肝中产生大量酮体 （ 丙酮,
乙酰乙酸, β-羟基丁酸 ） 。
二, 糖代谢与氨基酸代谢的关系
1,糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架
图
糖 → 丙酮酸 → α-酮戊二酸 + 草酰乙酸
这三种酮酸, 经过转氨作用分别生成 Ala,Glu和 Asp。
2,生糖氨基酸的碳架可以转变成糖
凡是能生成丙酮酸, α— 酮戊二酸, 琥珀酸, 草酰乙酸的 a.a,称为生糖 a.a。
Phe,Tyr,Ilr,Lys,Trp等可生成乙酰乙酰 CoA,从而生成酮体 。
Phe,Tyr等生糖及生酮 。
三, 氨基酸代谢与脂代谢的关系
氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰 CoA,可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成 。
生糖 a.a的碳架可以转变成甘油 。
Ser可以转变成胆胺和胆碱, 合成脑磷脂和卵磷脂 。
动物体内脂肪酸的降解产物乙酰 CoA,不能为 a.a合成提供净碳架 。
脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸, 经 TCA进一步转变为草酰乙酸, α—
酮戊二酸, 这三者都可以转变成氨基酸 。
四, 核苷酸代谢与糖, 脂, 氨基酸的关系
核苷酸不是重要的碳源, 氮源和能源 。
各种氨基酸, 如 Gly, Asp, Gln是核苷酸的合成前体 。
有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用,
ATP 供能及磷酸基团 。
UTP 参与单糖转变成多糖 （ 活化单糖 ） 。
CTP 参与卵磷脂合成 。
GTP 为蛋白质合成供能 。
五, 物质代谢的特点
1,TCA是中心环节
代谢途径交叉形成网络, 主要联系物：丙酮酸, 乙酰 CoA,柠檬
酸, α-酮戊二酸, 草酰乙酸 。
2,分解, 合成途径往往是分开的, 不是简单的逆反应 。
在一条代谢途径中, 某些关键部位的正反应和逆反应, 往往由
两种不同的酶催化, 一种酶催化正反应, 另一种酶催化逆反
应 。
以糖代谢为例,
P421
3,ATP是通用的能量载体
乙酰 CoA进入 TCA后, 完全氧化生成 CO2,H2O,释放的自由能
被 ADP捕获转运 。 否则, 自由能以热能形式散发到周围环境
中 。
4,分解为合成提供还原力和能量
物质代谢的基本要略在于：生成 ATP,还原力和结构单元用于体内生物合成 。
NADPH专一用于还原性生物合成, NADH和 FADH2主要功能是通过呼吸链产
生 ATP。
ATP来源,（ 1） 底物水平磷酸化, （ 2） 绿色植物和光合细菌的光合磷酸化,
（ 3） 呼吸链的氧化磷酸化 。
NADPH来源,
（ 1） 植物光合电子传递链
（ 2） 磷酸戊糖途径
（ 3） 乙酰 CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有 NADH的氧化和 NADP+的还原,
所产生的 NADPH可用于脂肪酸合成 P422图 22-4
有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段,P423 图 22-5
（ 1） 将大分子分解为小分子单元, 释放的能量不能被利用 。
（ 2） 将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰 CoA,产生还原力
NADPH和少量 ATP。
（ 3） 乙酰 CoA通过 TCA被完全氧化成 CO2,脱下的电子经氧化磷酸化产生大
量的 ATP。
5,分解, 合成受不同方式调节
单向代谢的反馈调节
顺序反馈控
分枝代谢的反馈调节 对同工酶的反馈抑制
协同反馈抑制
第二节 代谢调节
代谢调节是生物长期进化过程中, 为适应环境的变化的而形成
的一种适应能力 。 进化程度越高的生物, 其代谢调节的机制
越复杂, 越完善 。
生物代谢调节在三个水平上进行, 即酶水平, 细胞水平, 多细
胞整体水平 （ 神经, 激素 ） 。 酶和细胞水平的调节, 是最基
本的调节方式, 为一切生物所共有 。
神经水平调节
动
物
激素水平调节
植
物
细胞水平调节
酶水平调节
单细胞生物
神经调节：整体的, 最高级的调节 。
激素调节：受神经调节控制 。 第二级调节 。
酶调节：原始的, 基本的调节 。 第三级调节 。
酶水平的调节：酶活性调节 （ 酶原激活, 别构效应, 共价修饰 ）
和酶含量 （ 基因表达调控 ）
一, 酶水平的调节
酶水平的调节, 主要通过酶定位的区域化, 酶活性的调节, 酶
含量的调节, 这三个方面进行 。
1,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 。
⑴ 多酶体系在细胞中区域化, 为酶水平的调节创造了有利条件,使某些调节因
素可以专一地影响细胞内某一部分的酶活性, 而不致影响其它部位酶的活
性 。
⑵ 此外, 酶定位的区域化, 使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩, 利
于在细胞局部范围内快速进行各个代谢反应 。
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
2,酶活性的调节
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 。
（ 1）, 共价修饰和级联放大 P430图 22-14
磷酸化 /脱磷酸化
腺苷酰化 /脱腺苷酰化
（ 2）, 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 。
反馈调节：产物对酶活性的调节, 一般是反馈抑制, 但也有反馈激活 。
a,反馈抑制 单价反馈抑制
多价反馈抑制
当序列终产物浓度积累过多时, 会抑制初始反应的酶活性, 使整个体系反应
速度降低 。
b,顺序反馈抑制
c,协同反馈抑制
d,累积反馈抑制
e,同工酶反馈抑制
f,反馈激活和前馈激活
（ 3）, 反馈激活,
（ 4）, 前馈激活,
如在糖酵解中, 1.6— 二磷酸果糖, 可提高后面丙酮酸激酶的活性, 加速磷酸
烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸 。
如当丙酮酸不能经乙酰 CoA进入 TCA时, 丙酮酸积累, 磷酸烯醇式丙酮酸转
化成草酰乙酸, 后者可合成 a.a和嘧啶核苷酸 。 合成出的嘧啶核苷酸, 反
馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶, 促进草酰乙酸合成, 保证 TCA对草酰乙酸
的需要 。
3,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 。
二, 细胞水平的调节
（ 1） 控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度
（ 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 。
三, 激素水平的调节
第一节 基因表达的调节
基因表达有几个水平的调节
⑴ 转录水平
⑵ 翻泽水平
⑶ 加工水平 转录后加工, 翻译后加工
⑷ 蛋白质活性调节
其中最关键的是 ⑴, 基因表达的控制主要发生在转录水平,原核生物尤其如此 。
时序调节
适应调节
一, 原核生物基因表达的调节
1,纵子模型
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 mRNA,操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节 。
2,组成型基因和诱导型基因
组成酶 （ 构成酶 ）, 受环境影响小, 正常代谢条件下表达 。 如糖酵解的酶 。
诱导酶 （ 适应型酶 ）, 对不同的生存环境有不同的表达 。 如半乳糖苷酶 。
3,正调控和负调控
在没有调节蛋白质存在时, 基因是关闭的, 加入调节蛋白后,
基因活性被开启, 此为正调控 。
在没有调节蛋白存在时, 基因是表达的, 加入调节蛋白后基因
表达活必被关闭, 此为负调控 。
在正调控中, 调节蛋白称诱导蛋白 。
在负调控中, 调节蛋白称阻遇蛋白 。
4,原核生物结构基因表达的 4种控制模式 。
负调控：诱导作用, 应使阻遇蛋白解离 DNA。
阻遇作用, 应使阻遇蛋白结合 DNA。
P451图 22-25
正调控：诱导作用, 应使诱导蛋白结合 DNA。
阻遇作用, 应使诱导蛋白解离 DNA。
图片 9-1, 杨歧生, P272
5,大肠杆菌乳糖操纵子 Lac操纵子
结构图, P453 图 22-26
LacZ,LacY,LacA为结构基因, 上游依次为操纵基因, 启动子
和调节基因 LacI。
当细胞内无诱导物 （ 乳糖或 IPTG） 存在时, 阻遏蛋白与操纵
基因结合 。 由于操纵基因与启动子有一定程度重叠, 妨碍了
RNA聚合酶在 -10序列上形成开放性启动子复合物 。
当细胞内有诱导物 （ 乳糖或 IPTG） 存在时, 诱导物与阻遏蛋白
结合, 改变阻遏蛋白构象, 使之迅速从操纵基因上解离下来 。
这样 RNA聚合酶就能与启动子结合, 并形成开放性启动子复
合物, 从而开始转录 LacZYA结构基因 。
图片 8-3,孙乃恩, P 285
IPTG：异丙基 -β-D硫代半乳糖苷 （ 安慰诱导物 ）, 能对乳糖操
纵子产生极强的诱导效应, 是强诱导物 。
6,色氨酸操纵子 （ trp） 的转录调控
trp操纵子负责 Trp的合成, 通常是开放的, 调节基因的产物使它关闭, 这种
调控作用称为可阻遏型的负调控 。
⑴ E.coli trp操纵子有 5个结构基因, trpE-D-C-B-A。
⑵ 在 trpE的上游有三个区段 trpP-O-L,trpL是一段 162bp序列, 转录到 mRNA
中成为前导序列, 对操纵子的转录起调控作用 。
⑶ 在染色体 90分区有 trpR基因, 编码 12.5kd的阻遏蛋白亚基,能以四聚体形式
结合到 trpO。
TrpP与一般原核基因启动子一样, 具有 -10序列和 -35序列, -10序列完全位于
trpP之内 。
E.coli trp操纵子的组成及基因产物的功能 。
图片,
E.coli 具有合成各种 a.a的能力 。 在多数情况下, 只有在培养基不供应外源 a.a
时, 才去合成产生该 a.a所必须的酶系 。
当细胞内 Trp浓度较高时, Trp与阻遏蛋白 （ trpR基因产物 ） 结合, 产使它具
有活性, 从而与 trpO基因结合, 关闭转录 。
当细胞内 Trp浓度很低时, 阻遏遇蛋白上的 Trp解离出来, 使阻遏蛋白失活,
并失去与 trpO结合的能力, 开启转录 。
图片,
7,trp操纵子的前导序列
trp mRNA分子一旦开始合成, 在 trpE基因开始转录之前, 大多
数 mRNA会停止生长, 这是因为前导序列 （ trpL） 对操纵子调
控发挥了重要作用 。
trp mRNA的前导序列及前导肽 。
结构基因上游具有：启动子 — 操纵基因 — 前导序列 — 衰减子区 。
mRNA 5,端有 162b,其中 139个构成前导序列 。 前导序列由 14个
a.a的前导肽, 4个互补区段和 1个衰减子终止点构成 。
衰减子：位于结构基因上游前导区的终止信号 。
前导序列的特点,
⑴ 前导序列的某些区段富含 GC。 尾部有一个含 8个 U的区段, 易
极成不依赖于 ρ的终止信号 。 (3区与 4区构成终止信号的发夹
结构 )
⑵ 1区和 2区构成第二个发夹结构, 其中 1区处于 14个 a.a的前导肽
序列中 。
⑶ 3区与 2区也能形成另一个发夹结构, 从而可阻止 3区与 4区形
成终止发夹结构 。
⑷ 前导序列 RNA编码一段 14a.a的前导肽, 并有一终止密码子
UGA
⑸ 前导序列中, 并列二个 Trp密码子,
在 mRNA合成过程中, 1区与 2区若先配对, 则 3区与 4区配对,终
止转录,
图片,
阻遏和衰减机制, 虽然都是在转录水平上进行调节, 但是它们
的作用机制完全不同, 前者控制转录的起始, 后者控制转录
起始后是否继续下去 。
氨基酸合成操纵子前导肽序列
P454表 22-2
生长速度调节, 严紧控制
基因表达时序调节,
翻译水平调节,
二, 真核基因表达的调节
基因表达调控
基因表达调控 是生命现象的基本需要
? 生物体的不同发育阶段,需要启动
不同的基因表达。
? 细胞的生长、增殖、分化、衰老及
死亡 等不同阶段需要不同的蛋白质参
与。
? 细胞发挥不同的生理功能,以及为了
适应复杂多变的内部与外部环境的变
化,需要不同的蛋白质参与。
基因表达定义,贮存着生物体遗传信息的 基
因 经转录和翻译成 蛋白质 的过程。
一、细菌代谢酶的诱导
? 组成型表达 （ Constitutive expression),
? 这类基因又称 看家基因
(housekeeping genes)，该基因的表达是持
续性的，不受调控的。如：组成机体的
结构蛋白 ； 三羧酸循环中的 代谢酶 等。
?
? 诱导型表达 (Inducible expression),
? 基因的表达水平受调节物的诱导而
增加。 如,参与 DNA修复的酶类；某些
代谢酶等。
二、操纵子 (operon)的结构与功能
Inhibitor
gene
P S1 S2 S3
启动子 结构基因 1,2,3..,
O
操纵基因
Promoter Operator gene Structure gene
调控区 结构基因
操纵子
表达 阻
遏蛋白
结合 RNA
聚合酶
结合
阻遏 蛋白
表达 功能蛋白
I
阻遏物基因
诱
导
型
阻
遏
型 变构
变构
阻遏蛋白变构 失活 阻遏蛋白变构 激活
无活性的
阻遏蛋白
辅阻遏
物
基因
两
种
方
式
阻遏
蛋白
诱
导
物
乳糖操纵子为代表 色氨酸操纵子为代表
四,乳糖操纵子 的工作原理,
1.负调控方式
P Z Y A
启动子 分解代谢 乳糖 的 三种酶基因
O
操纵基因
调控区 结构基因
阻遏蛋白 乳 糖
变构
阻遏蛋白变构 失活
阻遏蛋白
乳糖操纵子 （ Lac Operon）
I
阻遏物基因
阻遏蛋白
阻遏状态
Z:β -半乳糖苷酶
Y:乳糖穿透酶
A:转乙酰基酶
诱导状态
表达
不能
表达
四,乳糖操纵子 的工作原理,2,正调控
P Z Y A
启动子 分解代谢 乳糖 的三种酶基因
O
操纵基因
调控区 结构基因
变构
CAP变构 激 活
CAP
乳糖操纵子
CAP位点
(Catabolite
Activator
Protein site)
CAP
CAP,代谢物激活蛋白
四,乳糖操纵子 的工作原理,
2,正调控 ?
]
细菌优先利用 葡萄糖 作为能源
有葡萄糖,
cAMP CAP无活性 不促进转录
无葡萄糖,
cAMP CAP有活性 促进转录
乳糖操纵子调控方式的比较
负调控 正调控
调节蛋白 阻遏蛋白 CAP
变构物 别乳糖，乳糖 cAMP
与变构物结合 无活性 有活性
基因位点 O基因 CAP位点
结合于基因位点 基因关闭 基因开放
未 结合于基因位点 基因开放 基因关闭
不 与变构物结合 有活性 无活性
