第十五章 物质代谢的联系及其调节
第一节 细胞代谢的调节网络
第二节 代谢调节
思考 ?
第三节 基因表达调控
第一节 细胞代谢的调节网络
一、代谢途径交叉 形成网络
二、分解代谢和合成代谢的 单向性
三,ATP是通用的能量载体
四,NADPH 以还原力形式携带能量
五、代谢的 基本要略
一,代谢途径交叉 形成网络
1,糖代谢与脂类代谢的相互关系
2,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
3,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系
4,核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
糖
类
脂
类
氨
基
酸
和
核
苷
酸
之
间
的
代
谢
联
系
PEP
丙酮酸 生酮氨基酸
?-酮戊二酸
核糖 -5-磷酸
甘氨酸
天冬氨酸
谷氨酰氨
丙氨酸
甘氨酸
丝氨酰
苏氨酸
半胱氨酸
氨基酸
6-磷酸葡萄糖
磷酸二羟丙酮
乙酰 CoA
甘油
脂肪酸
胆固醇
亮氨酸
赖氨酸
酪酰氨
色氨酸
笨丙氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
色氨酸
乙酰乙酰 CoA
脂肪
核苷酸
天冬氨酸
天冬酰氨
天冬氨酸
苯丙酰氨
酪氨酸
异亮氨酸
甲硫酰氨
苏氨酸
缬氨酸
琥珀酰 CoA
苹果酸
草酰乙酸
柠檬酸
异柠檬酸
乙醛酸
蛋白质 淀粉、糖原 核酸
生糖氨基酸
谷氨酰氨
组氨酸
脯氨酸
精氨酸
谷氨酸
延胡索酸
琥珀酸
丙二单酰 CoA
1-磷酸葡萄糖
糖代谢与脂类代谢的相互联系
糖
乙酰 CoA,NADPH 脂肪酸
磷酸二羟丙酮 α -磷酸甘油
脂肪
有 氧氧化
酵解
从头合成
脂肪
甘油 磷酸二羟丙酮 糖代谢
脂肪酸 乙酰 CoA 琥珀酸 糖 (植物 ) 乙醛酸循环 ?-氧化 糖异生
TCA
糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
糖 →→ α -酮酸 氨基酸 蛋白质 NH3
蛋白质 氨基酸 α -酮酸 糖
（生糖氨基酸）
脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系
脂肪
甘油 磷酸二羟丙酮
脂肪酸 乙酰 CoA 氨基酸碳架 氨基酸 蛋白质
蛋白质 氨基酸 酮酸或乙酰 CoA 脂肪酸 脂肪
（生酮氨基酸）
核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
?核苷酸的一些衍生物具重要生理功能 （ 如 CoA,NAD+,NADP+，
cAMP,cGMP） 。
? 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细
胞的成分和代谢类型
? 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要
酶和多种蛋白质因子。
? 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如 ATP
是能量的“通货”，此外 UTP参与多糖的合成,CTP参与磷脂合
成,GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。
脂肪代谢和糖代谢的关系
延胡索酸
琥珀酸
苹果酸
草酰乙酸
3-磷酸甘油
三羧酸
循环
乙醛酸
循环
甘油
乙酰 CoA
三酰 甘油
脂肪酸
?
氧
化
糖原（或淀粉）
1,6-二磷酸果糖
磷酸二羟丙酮
磷酸烯醇丙酮酸 丙酮
酸 合成
植物或微
生物
糖分解和糖异生途径中
相对独立的单向反应
糖原（或淀粉）
1-磷酸葡萄糖
6-磷酸果糖
1,6-二磷酸果糖
3-磷酸甘油醛 ?磷酸二羟丙酮
2?磷酸烯醇丙酮酸
2?丙酮酸
葡萄糖 己糖激酶
果糖
激酶
二磷酸果糖
磷酸酯酶
丙酮酸
激酶
丙酮酸羧化酶
6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶
6-磷酸葡萄糖
2?草酰乙酸
PEP羧激酶
ATP携带能量由能源传递给细胞的
需能过程
ATP
ADP+Pi
太阳能
化学能
生物合成
细胞运动
膜运输
通过 NADPH循环将还原力由分解代谢
转移给生物合成反应
NADPH+H+ NADP+
分解代谢 还原性有机物
还原性生物合成反应
氧化物
还原性生物
合成产物
氧化前体
代谢的基本要略
代谢的基本要略在于 形成 ATP、还原力和构造单元 以用
于生物合成。 由 ATP、还原力和构造单元可合成各类生物分
子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形
态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由 物质流,
能量流和信息流来支持。
脂肪
葡萄糖、
其它单糖
三羧酸
循环 电子传递（氧化）
蛋白质
脂肪酸、甘油
多糖
氨基酸
乙酰 CoA
e-
磷酸化
+Pi
小分子化合物
分解成共同的
中间产物（如
丙酮酸、乙酰
CoA等）
共同中间物进
入三羧酸循环,
氧化脱下的氢由
电子传递链传递
生成 H2O，释放
出大量能量，其
中一部分通过磷
酸化储存在 ATP
中。
大分子降解
成基本结构
单位
生物氧化的三个阶段
NADPH
生物系统中的能流
（胞液）
（线粒体）
（ PEP）
丙氨酸
天冬氨酸
谷氨酸 （转氨基作用）
糖的分解代谢和
糖异生的关系
一,代谢调节的概念
二,酶水平的调节
三,细胞结构对代谢途径的分隔控制调节
四,激素调节和跨膜信号转导
第二节 代 谢 调 节
代谢调节
生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同
时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调
节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发
育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及
生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理
功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。
代谢调节的四级水平,
酶水平调节
细胞水平调节
激素水平调节
神经水平调节 多细胞整体水平调节
1,酶的别构效应
? 酶活性的前馈和反馈调节
2,产能反应与需能反应的调节
3,酶的共价修饰与级联放大机制
二、酶水平的调节
酶活性的前馈和反馈调节
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
种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是
通过酶的 变构效应 来实现的。
S0 Sn S2 S1 E0 E1 En-1
或 + —
或 + —
反馈
前馈
反馈调节中酶活性调节的机制
代谢物
别
构
中
心
活性
中心
6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用
G UDPG 6-P-G
+
1-P-G
糖原
糖原
合成酶
ATP ADP UTP UDPG
葡萄糖
丙酮酸
羧
化
酶
乙酰 CoA
磷酸烯醇式丙酮酸
1,6-二磷酸果糖
草酰乙酸
?-酮戊二酸
拧檬酸
天冬氨酸
氨基酸
蛋白质
嘧啶核苷酸
核酸
氨甲酰
天冬氨酸
—
—
+
+ +
磷酸烯醇式丙酮酸羧
化反应的调节控制
氨基酸合成的反馈调控
反硝化作用
氧化亚氮
氨甲酰磷酸
分支酸
脱氧庚酮糖酸 -7-磷酸
天冬氨酸
天冬氨酰磷酸
赤藓糖 -4-磷酸
脱氢奎尼酸
莽草酸
谷氨酸
磷酸烯醇式丙酮酸 +
预苯酸
Try
Phe Trp Ile
Trp
His
CTP AMP
Gln
Lys
Met Thr
酮丁酸
Gly
Ala
谷氨酰胺合酶 天冬氨酰半醛
高丝氨酸
氨基苯甲酸
细胞能量状态指标
能荷 = —————————
[ATP]+0.5[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
[ATP]
[ATP] [ADP] ATP系统质量作用比 =
糖酵解与三羧酸循环途径的调节
丙酮酸 G
细胞液
柠檬酸 乙酰 CoA
柠檬酸
草酰乙酸
?-酮戊二酸
乙酰 CoA 丙酮酸
线粒体
G-6-P F-6-P F-1.6-2P
磷酸果
糖激酶
PEP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
NADH O2
ATP ADP+Pi
AMP + ATP 2ADP
Pi
Pi
PEP 羧激酶
+
+ + - -
- + +
-
-
- -
己糖激酶
丙酮酸
脱氢酶
柠檬酸
合成酶
?-酮戊二酸
脱氢酶
酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价
结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，
这种方式称为酶的共价修饰（ Covalent moldification ）。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)。
激酶
ATP ADP
磷酸化酶 b
（无活性）
磷酸化酶 a P
（有活性） 磷酸酯酶 -
OH H2O P
例：糖原磷酸化酶的共价修饰
共价修饰
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,ATP
cAMP
R,cAMP 3,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
1
3
2 ?102
?104
?106
?108
葡萄糖
ATP ADP
ATP ADP
4
5
6
cAMP激活蛋白
激酶的作用机理
糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控
糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其
限速酶分别为糖原 磷酸化酶 和 糖原合成酶 。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化
的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，
但其效果相反。
糖原合成酶 a
( 有活性 )
糖原磷酸化酶 b
( 无活性 )
OH
OH ATP
ADP H
2O
Pi
糖原合成酶 b
( 无活性 )
糖原磷酸化酶 a
( 有活性 )
P
P
酶
定
位
的
区
域
化
线粒体,丙酮酸氧化 ;三羧
酸循环 ;?-氧化 ;呼吸链电
子传递 ;氧化磷酸化
细胞质,酵解 ;磷
戊糖途径 ;糖原
合成 ;脂肪酸合
成 ;
细胞核,核酸合成 内质网,蛋白质合成;磷脂合成
动
物
细
胞
结
构
和
代
谢
途
径
细胞膜结构对代谢的调节和控制作用
? 控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度
? 控制细胞和细胞器的物质运输
? 内膜系统对代谢途径的分隔作用
? 膜与酶的可逆结合
激 素 调 节 的 机 制
1,含氮激素 作用模式
2,甾醇类激素作用模式
甾
醇
类
激
素
作
用
原
理
示
意
图
肽类激素通过 cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图
ATP cATP+PPi
内在蛋白质的磷酸化作用
改变细胞的生理过程
细胞膜
细胞膜
c
R
蛋白激酶（无活性）
c + R cATP
蛋白激酶（有活性）
受体 环化酶
激素
G蛋白
一,原核和真核基因组
二,原核生物酶合成调节的遗传机制
三,真核生物基因表达的调控
第三节 基因表达的调控
基因 （ gene）是指 DNA分子中的最小功
能单位。包括 RNA(tRNAr,rRNA)和蛋白质
编码的结构基因及无转录产物的调节基因。
基因组（ genome）是指某一特定生物单
倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色
体” DNA分子就包含了一个基因组；而在真
核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部
基因。
原核和真核基因组
基因 (gene)概念的发展
1866年 Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念
1903年 Sutton & Boveri 提出遗传因子位于染色体上
1909年 Johansen 提出基因概念，取代遗传因子
1910年 Morgen 建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位
1941年 Beadle 提出一个基因一个酶学说
1944年 Avery 首次用实验证实 DNA是遗传信息的载体
1953年 Watson & Crick 确定 DNA双螺旋结构，进一步确定了基
因的本质
1957年 Benzer 提出顺反子 (cistron)学说，认为基因是分子的一段
序列，负责遗传信息的传递
70年代 发现基因包括有遗传效应的外显子 (intron)和无效应的内
含子 (extron)
原核生物基因组的特点
1、基因组小，单复制子,DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为
单拷贝或仅有少量重复；
2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个 mRNA 中（多顺反子）；
3、有基因重叠，以此增加信息容量。
真核生物基因组的特点
1、基因组大，有多个复制子； mRNA 为单顺反子；
2、有大量重复序列，根据重复次数可分为,
?单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少
?中度重复序列，可重复几十到几千次，编码 tRNA,rRNA和表达量大的蛋白质
?高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析
3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后
才成为可翻译的 mRNA模板或功能 rRNA。
4,DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。
? 操纵子 —— 原核基因表达的协同单位
操纵子
结构基因（编码蛋白质,S）
控制部位
操纵基因（ operator,O）
启动子（ premotor,P）
? 酶诱导和阻遏的操纵子模型
? 合成途径操纵子的衰减作用
原核生物酶合成调节的遗传机制
操纵子学说
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.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂
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
大
肠
杆
菌
乳
糖
操
纵
子
模
型
调节
基因
操纵
基因
乳糖结构基因
P LacZ LacY Laca
mRNA
阻遏蛋白
（有活性）
基 因 关 闭
启
动
子
O R
P LacZ LacY Laca
调节
基因
操纵
基因
乳糖结构基因 启动
子
O R
mRNAZ mRNAY mRNAa
阻遏蛋白
（无活性）
基
因
表
达
mRNA
A、乳糖操纵子的结构
B、乳糖酶的诱导
乳糖
阻遏蛋白
（有活性）
乳糖操纵子的降解物阻遏
R LacZ LacY Laca
mRNA mRNAZ mRNAY mRNAa 基 因
表
达
CAP
基因 结构基因
T
CGP(CAP)
O
CAP结
合部位
RNA
聚合酶
T
cAMP -CAP
P
葡萄糖
分解代
谢产物
腺苷酸
环化酶
磷酸二
酯酶
ATP
cAMP
5'-AMP
抑制
激活
葡萄糖降解物与 cAMP的关系
cAMP
CGP：降解物基因活化蛋白（ catabolic
gene activation protein）
CAP：环腺苷酸受体蛋白（ cycilic AMP
receptor protein）
降低 cAMP浓度
使 CAP呈失活状态
大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制
Trp
密码子
1
1
1
2
3
2
2 3
3 4 4 4
核糖体
核糖体
转录继续 转录终止
C.高浓度色氨酸使核
糖体到达 2部位,3
与 4 碱基配对，转录
终止。
A.游离 mRNA中 1与 2
以及 3与 4碱基配对。
B.低浓度色氨酸使核
糖体停留在 1部位，
转录得以完成。
真核生物基因表达调控 DNA
转录初产物
RNA
mRNA
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
问答题
1,为什么说三羧酸循环是糖, 脂, 蛋白质三大物质代谢的
共同通路？
2,举例说明核苷酸类化合物在代谢中起的作用 。
3,试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？
4,试以大肠杆菌乳糖操纵子说明酶合成的诱导和阻遏 。
5,写出天冬氨酸在体内氧化生成 CO2和 H2O的主要历程,
注明其中脱氢反应的酶, 并计算所产生的 ATP数目 。
6,简述能荷调节对代谢的影响及其生物系意义 。
名词解释
反馈抑制 共价修饰 第二信使 操纵子
糖
酵
解
和
葡
萄
糖
异
生
的
关
系
（胞液）
（线粒体）
葡萄糖
丙酮酸 草酰乙酸 天冬氨酸
磷酸二羟丙酮 3-P-甘油醛
?-酮戊二酸
乳酸
谷氨酸 丙氨酸
TCA循环 乙酰 CoA
PEP
G-6-P
F-6-P
F-1.6-P
丙酮酸 草酰乙酸
谷氨酸 ?-酮戊二酸
天冬氨酸
3-P-甘油 甘油
A
B
C1
C2
A G-6-P磷酸酯酶
B F-1.6-P磷酸酯酶
C1 丙酮酸羧化酶
C2 PEP羧激酶
第一节 细胞代谢的调节网络
第二节 代谢调节
思考 ?
第三节 基因表达调控
第一节 细胞代谢的调节网络
一、代谢途径交叉 形成网络
二、分解代谢和合成代谢的 单向性
三,ATP是通用的能量载体
四,NADPH 以还原力形式携带能量
五、代谢的 基本要略
一,代谢途径交叉 形成网络
1,糖代谢与脂类代谢的相互关系
2,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
3,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系
4,核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
糖
类
脂
类
氨
基
酸
和
核
苷
酸
之
间
的
代
谢
联
系
PEP
丙酮酸 生酮氨基酸
?-酮戊二酸
核糖 -5-磷酸
甘氨酸
天冬氨酸
谷氨酰氨
丙氨酸
甘氨酸
丝氨酰
苏氨酸
半胱氨酸
氨基酸
6-磷酸葡萄糖
磷酸二羟丙酮
乙酰 CoA
甘油
脂肪酸
胆固醇
亮氨酸
赖氨酸
酪酰氨
色氨酸
笨丙氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
色氨酸
乙酰乙酰 CoA
脂肪
核苷酸
天冬氨酸
天冬酰氨
天冬氨酸
苯丙酰氨
酪氨酸
异亮氨酸
甲硫酰氨
苏氨酸
缬氨酸
琥珀酰 CoA
苹果酸
草酰乙酸
柠檬酸
异柠檬酸
乙醛酸
蛋白质 淀粉、糖原 核酸
生糖氨基酸
谷氨酰氨
组氨酸
脯氨酸
精氨酸
谷氨酸
延胡索酸
琥珀酸
丙二单酰 CoA
1-磷酸葡萄糖
糖代谢与脂类代谢的相互联系
糖
乙酰 CoA,NADPH 脂肪酸
磷酸二羟丙酮 α -磷酸甘油
脂肪
有 氧氧化
酵解
从头合成
脂肪
甘油 磷酸二羟丙酮 糖代谢
脂肪酸 乙酰 CoA 琥珀酸 糖 (植物 ) 乙醛酸循环 ?-氧化 糖异生
TCA
糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
糖 →→ α -酮酸 氨基酸 蛋白质 NH3
蛋白质 氨基酸 α -酮酸 糖
（生糖氨基酸）
脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系
脂肪
甘油 磷酸二羟丙酮
脂肪酸 乙酰 CoA 氨基酸碳架 氨基酸 蛋白质
蛋白质 氨基酸 酮酸或乙酰 CoA 脂肪酸 脂肪
（生酮氨基酸）
核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
?核苷酸的一些衍生物具重要生理功能 （ 如 CoA,NAD+,NADP+，
cAMP,cGMP） 。
? 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细
胞的成分和代谢类型
? 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要
酶和多种蛋白质因子。
? 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如 ATP
是能量的“通货”，此外 UTP参与多糖的合成,CTP参与磷脂合
成,GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。
脂肪代谢和糖代谢的关系
延胡索酸
琥珀酸
苹果酸
草酰乙酸
3-磷酸甘油
三羧酸
循环
乙醛酸
循环
甘油
乙酰 CoA
三酰 甘油
脂肪酸
?
氧
化
糖原（或淀粉）
1,6-二磷酸果糖
磷酸二羟丙酮
磷酸烯醇丙酮酸 丙酮
酸 合成
植物或微
生物
糖分解和糖异生途径中
相对独立的单向反应
糖原（或淀粉）
1-磷酸葡萄糖
6-磷酸果糖
1,6-二磷酸果糖
3-磷酸甘油醛 ?磷酸二羟丙酮
2?磷酸烯醇丙酮酸
2?丙酮酸
葡萄糖 己糖激酶
果糖
激酶
二磷酸果糖
磷酸酯酶
丙酮酸
激酶
丙酮酸羧化酶
6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶
6-磷酸葡萄糖
2?草酰乙酸
PEP羧激酶
ATP携带能量由能源传递给细胞的
需能过程
ATP
ADP+Pi
太阳能
化学能
生物合成
细胞运动
膜运输
通过 NADPH循环将还原力由分解代谢
转移给生物合成反应
NADPH+H+ NADP+
分解代谢 还原性有机物
还原性生物合成反应
氧化物
还原性生物
合成产物
氧化前体
代谢的基本要略
代谢的基本要略在于 形成 ATP、还原力和构造单元 以用
于生物合成。 由 ATP、还原力和构造单元可合成各类生物分
子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形
态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由 物质流,
能量流和信息流来支持。
脂肪
葡萄糖、
其它单糖
三羧酸
循环 电子传递（氧化）
蛋白质
脂肪酸、甘油
多糖
氨基酸
乙酰 CoA
e-
磷酸化
+Pi
小分子化合物
分解成共同的
中间产物（如
丙酮酸、乙酰
CoA等）
共同中间物进
入三羧酸循环,
氧化脱下的氢由
电子传递链传递
生成 H2O，释放
出大量能量，其
中一部分通过磷
酸化储存在 ATP
中。
大分子降解
成基本结构
单位
生物氧化的三个阶段
NADPH
生物系统中的能流
（胞液）
（线粒体）
（ PEP）
丙氨酸
天冬氨酸
谷氨酸 （转氨基作用）
糖的分解代谢和
糖异生的关系
一,代谢调节的概念
二,酶水平的调节
三,细胞结构对代谢途径的分隔控制调节
四,激素调节和跨膜信号转导
第二节 代 谢 调 节
代谢调节
生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同
时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调
节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发
育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及
生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理
功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。
代谢调节的四级水平,
酶水平调节
细胞水平调节
激素水平调节
神经水平调节 多细胞整体水平调节
1,酶的别构效应
? 酶活性的前馈和反馈调节
2,产能反应与需能反应的调节
3,酶的共价修饰与级联放大机制
二、酶水平的调节
酶活性的前馈和反馈调节
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
种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是
通过酶的 变构效应 来实现的。
S0 Sn S2 S1 E0 E1 En-1
或 + —
或 + —
反馈
前馈
反馈调节中酶活性调节的机制
代谢物
别
构
中
心
活性
中心
6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用
G UDPG 6-P-G
+
1-P-G
糖原
糖原
合成酶
ATP ADP UTP UDPG
葡萄糖
丙酮酸
羧
化
酶
乙酰 CoA
磷酸烯醇式丙酮酸
1,6-二磷酸果糖
草酰乙酸
?-酮戊二酸
拧檬酸
天冬氨酸
氨基酸
蛋白质
嘧啶核苷酸
核酸
氨甲酰
天冬氨酸
—
—
+
+ +
磷酸烯醇式丙酮酸羧
化反应的调节控制
氨基酸合成的反馈调控
反硝化作用
氧化亚氮
氨甲酰磷酸
分支酸
脱氧庚酮糖酸 -7-磷酸
天冬氨酸
天冬氨酰磷酸
赤藓糖 -4-磷酸
脱氢奎尼酸
莽草酸
谷氨酸
磷酸烯醇式丙酮酸 +
预苯酸
Try
Phe Trp Ile
Trp
His
CTP AMP
Gln
Lys
Met Thr
酮丁酸
Gly
Ala
谷氨酰胺合酶 天冬氨酰半醛
高丝氨酸
氨基苯甲酸
细胞能量状态指标
能荷 = —————————
[ATP]+0.5[ADP]
[ATP]+[ADP]+[AMP]
[ATP]
[ATP] [ADP] ATP系统质量作用比 =
糖酵解与三羧酸循环途径的调节
丙酮酸 G
细胞液
柠檬酸 乙酰 CoA
柠檬酸
草酰乙酸
?-酮戊二酸
乙酰 CoA 丙酮酸
线粒体
G-6-P F-6-P F-1.6-2P
磷酸果
糖激酶
PEP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
NADH O2
ATP ADP+Pi
AMP + ATP 2ADP
Pi
Pi
PEP 羧激酶
+
+ + - -
- + +
-
-
- -
己糖激酶
丙酮酸
脱氢酶
柠檬酸
合成酶
?-酮戊二酸
脱氢酶
酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价
结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，
这种方式称为酶的共价修饰（ Covalent moldification ）。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)。
激酶
ATP ADP
磷酸化酶 b
（无活性）
磷酸化酶 a P
（有活性） 磷酸酯酶 -
OH H2O P
例：糖原磷酸化酶的共价修饰
共价修饰
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,ATP
cAMP
R,cAMP 3,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
1
3
2 ?102
?104
?106
?108
葡萄糖
ATP ADP
ATP ADP
4
5
6
cAMP激活蛋白
激酶的作用机理
糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控
糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其
限速酶分别为糖原 磷酸化酶 和 糖原合成酶 。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化
的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，
但其效果相反。
糖原合成酶 a
( 有活性 )
糖原磷酸化酶 b
( 无活性 )
OH
OH ATP
ADP H
2O
Pi
糖原合成酶 b
( 无活性 )
糖原磷酸化酶 a
( 有活性 )
P
P
酶
定
位
的
区
域
化
线粒体,丙酮酸氧化 ;三羧
酸循环 ;?-氧化 ;呼吸链电
子传递 ;氧化磷酸化
细胞质,酵解 ;磷
戊糖途径 ;糖原
合成 ;脂肪酸合
成 ;
细胞核,核酸合成 内质网,蛋白质合成;磷脂合成
动
物
细
胞
结
构
和
代
谢
途
径
细胞膜结构对代谢的调节和控制作用
? 控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度
? 控制细胞和细胞器的物质运输
? 内膜系统对代谢途径的分隔作用
? 膜与酶的可逆结合
激 素 调 节 的 机 制
1,含氮激素 作用模式
2,甾醇类激素作用模式
甾
醇
类
激
素
作
用
原
理
示
意
图
肽类激素通过 cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图
ATP cATP+PPi
内在蛋白质的磷酸化作用
改变细胞的生理过程
细胞膜
细胞膜
c
R
蛋白激酶（无活性）
c + R cATP
蛋白激酶（有活性）
受体 环化酶
激素
G蛋白
一,原核和真核基因组
二,原核生物酶合成调节的遗传机制
三,真核生物基因表达的调控
第三节 基因表达的调控
基因 （ gene）是指 DNA分子中的最小功
能单位。包括 RNA(tRNAr,rRNA)和蛋白质
编码的结构基因及无转录产物的调节基因。
基因组（ genome）是指某一特定生物单
倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色
体” DNA分子就包含了一个基因组；而在真
核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部
基因。
原核和真核基因组
基因 (gene)概念的发展
1866年 Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念
1903年 Sutton & Boveri 提出遗传因子位于染色体上
1909年 Johansen 提出基因概念，取代遗传因子
1910年 Morgen 建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位
1941年 Beadle 提出一个基因一个酶学说
1944年 Avery 首次用实验证实 DNA是遗传信息的载体
1953年 Watson & Crick 确定 DNA双螺旋结构，进一步确定了基
因的本质
1957年 Benzer 提出顺反子 (cistron)学说，认为基因是分子的一段
序列，负责遗传信息的传递
70年代 发现基因包括有遗传效应的外显子 (intron)和无效应的内
含子 (extron)
原核生物基因组的特点
1、基因组小，单复制子,DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为
单拷贝或仅有少量重复；
2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个 mRNA 中（多顺反子）；
3、有基因重叠，以此增加信息容量。
真核生物基因组的特点
1、基因组大，有多个复制子； mRNA 为单顺反子；
2、有大量重复序列，根据重复次数可分为,
?单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少
?中度重复序列，可重复几十到几千次，编码 tRNA,rRNA和表达量大的蛋白质
?高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析
3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后
才成为可翻译的 mRNA模板或功能 rRNA。
4,DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。
? 操纵子 —— 原核基因表达的协同单位
操纵子
结构基因（编码蛋白质,S）
控制部位
操纵基因（ operator,O）
启动子（ premotor,P）
? 酶诱导和阻遏的操纵子模型
? 合成途径操纵子的衰减作用
原核生物酶合成调节的遗传机制
操纵子学说
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.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂
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
大
肠
杆
菌
乳
糖
操
纵
子
模
型
调节
基因
操纵
基因
乳糖结构基因
P LacZ LacY Laca
mRNA
阻遏蛋白
（有活性）
基 因 关 闭
启
动
子
O R
P LacZ LacY Laca
调节
基因
操纵
基因
乳糖结构基因 启动
子
O R
mRNAZ mRNAY mRNAa
阻遏蛋白
（无活性）
基
因
表
达
mRNA
A、乳糖操纵子的结构
B、乳糖酶的诱导
乳糖
阻遏蛋白
（有活性）
乳糖操纵子的降解物阻遏
R LacZ LacY Laca
mRNA mRNAZ mRNAY mRNAa 基 因
表
达
CAP
基因 结构基因
T
CGP(CAP)
O
CAP结
合部位
RNA
聚合酶
T
cAMP -CAP
P
葡萄糖
分解代
谢产物
腺苷酸
环化酶
磷酸二
酯酶
ATP
cAMP
5'-AMP
抑制
激活
葡萄糖降解物与 cAMP的关系
cAMP
CGP：降解物基因活化蛋白（ catabolic
gene activation protein）
CAP：环腺苷酸受体蛋白（ cycilic AMP
receptor protein）
降低 cAMP浓度
使 CAP呈失活状态
大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制
Trp
密码子
1
1
1
2
3
2
2 3
3 4 4 4
核糖体
核糖体
转录继续 转录终止
C.高浓度色氨酸使核
糖体到达 2部位,3
与 4 碱基配对，转录
终止。
A.游离 mRNA中 1与 2
以及 3与 4碱基配对。
B.低浓度色氨酸使核
糖体停留在 1部位，
转录得以完成。
真核生物基因表达调控 DNA
转录初产物
RNA
mRNA
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
问答题
1,为什么说三羧酸循环是糖, 脂, 蛋白质三大物质代谢的
共同通路？
2,举例说明核苷酸类化合物在代谢中起的作用 。
3,试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？
4,试以大肠杆菌乳糖操纵子说明酶合成的诱导和阻遏 。
5,写出天冬氨酸在体内氧化生成 CO2和 H2O的主要历程,
注明其中脱氢反应的酶, 并计算所产生的 ATP数目 。
6,简述能荷调节对代谢的影响及其生物系意义 。
名词解释
反馈抑制 共价修饰 第二信使 操纵子
糖
酵
解
和
葡
萄
糖
异
生
的
关
系
（胞液）
（线粒体）
葡萄糖
丙酮酸 草酰乙酸 天冬氨酸
磷酸二羟丙酮 3-P-甘油醛
?-酮戊二酸
乳酸
谷氨酸 丙氨酸
TCA循环 乙酰 CoA
PEP
G-6-P
F-6-P
F-1.6-P
丙酮酸 草酰乙酸
谷氨酸 ?-酮戊二酸
天冬氨酸
3-P-甘油 甘油
A
B
C1
C2
A G-6-P磷酸酯酶
B F-1.6-P磷酸酯酶
C1 丙酮酸羧化酶
C2 PEP羧激酶
