第十二章 代謝的聯(lián)系及調(diào)節(jié) 周口師范學(xué)院生命科學(xué)系,主要內(nèi)容,第一節(jié) 物質(zhì)代謝間的聯(lián)系 第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié)的多樣性 第三節(jié) 酶活性調(diào)節(jié) 第四節(jié) 基因表達(dá)水平調(diào)節(jié) 第五節(jié) 激素和神經(jīng)水平調(diào)節(jié),第一節(jié) 物質(zhì)代謝間的聯(lián)系,糖代謝與脂類代謝的相互關(guān)系 糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系 脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系 核酸與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝的聯(lián)系,糖代謝與脂類代謝的相互關(guān)系,脂肪,-磷酸甘油,磷酸二羥丙酮,糖,脂肪酸,琥珀酸,草酰乙酸,丙酮酸,-氧化,乙醛酸循環(huán),乙酰輔酶A,TCA,從頭合成,有氧氧化,酵解,糖異生,脂肪代謝和糖代謝的關(guān)系,延胡索酸,琥珀酸,蘋果酸,草酰乙酸,3-磷酸甘油,甘油,乙酰 CoA,三酰甘油,脂肪酸,植物或微生物,二.糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系,糖代謝為蛋白質(zhì)的合成提供碳源和能源。如：糖分解過程中可產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)產(chǎn)生-酮戊二酸和草酰乙酸，它們均可經(jīng)加氨基或氨基移換作用形成相應(yīng)的氨基酸。另外，糖分解過程中產(chǎn)生的能量可供氨基酸和蛋白質(zhì)的合成之用。,蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨基酸，在體內(nèi)可以轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。如：多?shù)氨基酸在脫氨后轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，?jīng)糖原異生作用可生成糖，這類氨基酸稱為生糖氨基酸。,糖 -酮酸 氨基酸 蛋白質(zhì),NH3,蛋白質(zhì) 氨基酸 -酮酸 糖,（生糖氨基酸）,三.脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系,脂類與蛋白質(zhì)之間可以相互轉(zhuǎn)化：,蛋白質(zhì),脂肪酸,四. 核酸與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝的聯(lián)系, 核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP + ，cAMP，cGMP）。, 核酸是細(xì)胞內(nèi)重要的遺傳物質(zhì)，控制著蛋白質(zhì)的合成，影響細(xì)胞的成分和代謝類型。, 核酸生物合成需要糖和蛋白質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物參加，而且需要酶和多種蛋白質(zhì)因子。, 各類物質(zhì)代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，如ATP是能量的“通貨”，此外UTP參與多糖的合成，CTP參與磷脂合成，GTP參與蛋白質(zhì)合成與糖異生作用。,第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié)的多樣性,一、代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡(luò) 二、代謝的單向性和限速反應(yīng) 三、ATP是通用的能量載體 四、細(xì)胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔調(diào)節(jié) 五、代謝的調(diào)節(jié)層次(細(xì)胞、 激素、神經(jīng)),糖類脂類氨基酸和核苷酸之間的代謝聯(lián)系,ATP是通用的能量載體,指細(xì)胞內(nèi)ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可供利用的高能磷酸鍵的量度。 生物體內(nèi)糖代謝和脂類代謝雖然受到檸檬酸、乙酰輔酶A等物質(zhì)的調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)控制中起決定作用的是ATP、AMP這些反應(yīng)能荷物質(zhì)。,各種代謝途徑的酶都集中并分布于具有一定結(jié)構(gòu)的亞細(xì)胞或存在于胞漿的可溶部分。避免各種代謝途徑的酶互相干擾，而且有利于它們協(xié)調(diào)地發(fā)揮作用。 酶在細(xì)胞內(nèi)隔離和集中分布是代謝調(diào)節(jié)的一種重要方式。,酶在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域化分布,酶定位的區(qū)域化,線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化,細(xì)胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成,細(xì)胞核:核酸合成,內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成,代謝途徑（酶或酶系） 細(xì)胞內(nèi)分布 代謝途徑（酶或酶系） 細(xì)胞內(nèi)分布 糖酵解 胞液 氧化磷酸化(呼吸鏈) 線粒體 三羧酸循環(huán) 線粒體 尿素合成 胞液、線粒體 磷酸戊糖途徑 胞液 蛋白質(zhì)合成 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、胞液 糖異生 胞液 DNA合成 細(xì)胞核 糖原合成與分解 胞液 mRNA合成 細(xì)胞核 脂肪酸氧化 線粒體 tRNA合成 核質(zhì) 脂肪酸合成 胞液 rRNA合成 核仁 呼吸鏈 線粒體 血紅素合成 胞液、線粒體 多種水解酶 溶酶體 膽紅素生成 微粒體、胞液 磷脂合成 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 膽固醇合成 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、胞液,真核細(xì)胞主要代謝途徑與酶的區(qū)域分布,細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)作用 激素水平的調(diào)控作用 神經(jīng)水平的調(diào)控作用,代謝調(diào)控的層次,細(xì)胞酶水平調(diào)控作用,酶除了具有催化功能外，還具有調(diào)節(jié)和控制各類生物化學(xué)反應(yīng)速度、方向和途徑的功能。 細(xì)胞-酶水平調(diào)控是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的酶的種類、數(shù)量、分布及活性來控制各種代謝過程或生理過程。 酶水平的調(diào)節(jié)作用主要有兩種方式：一是通過激活或抑制酶的活性；二是通過影響酶的合成或降解速度，即改變細(xì)胞內(nèi)酶的含量。酶水平的調(diào)節(jié)作用是生物調(diào)控最重要的形式。,第三節(jié) 酶活性調(diào)節(jié),一. 酶的別構(gòu)效應(yīng) 二. 酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié) 三. 產(chǎn)能反應(yīng)與需能反應(yīng)的調(diào)節(jié) 四. 酶的共價(jià)修飾與級(jí)聯(lián)放大機(jī)制,有些酶分子除了具有活性中心（結(jié)合部位和催化部位）外，還存在一個(gè)特殊的調(diào)控部位，即變構(gòu)中心。 變構(gòu)中心雖然不是酶活性中心的組成部分，但它可以與某些化合物（稱為變構(gòu)劑）發(fā)生非共價(jià)結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象的改變，對酶起到激活或抑制的作用。這類酶通常稱為變構(gòu)酶，由于變構(gòu)劑與變構(gòu)中心的結(jié)合而引起酶活性改變的現(xiàn)象則稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)作用。,一.酶的別構(gòu)效應(yīng),酶的別構(gòu)效應(yīng),目前已知的變構(gòu)酶均為寡聚酶，含兩個(gè)或兩個(gè)以上的亞基，一般分子量較大，而且具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在變構(gòu)酶中起催化作用，稱為催化亞基；與變構(gòu)劑結(jié)合的對反應(yīng)起調(diào)節(jié)作用，稱為調(diào)節(jié)亞基。 大多數(shù)由變構(gòu)酶催化的反應(yīng)不遵守米氏方程，由變構(gòu)劑所引起的抑制作用也不服從典型的競爭性或非競爭性抑制作用的數(shù)量關(guān)系。,變構(gòu)酶的特點(diǎn),變構(gòu)劑可以分為兩類,變構(gòu)激活劑：變構(gòu)劑與酶分子結(jié)合后，酶的構(gòu)象發(fā)生了變化，這種新的構(gòu)象有利于底物分子與酶的結(jié)合，使酶促反應(yīng)速度提高。 變構(gòu)抑制劑：變構(gòu)劑與酶分子結(jié)合所引起的酶的構(gòu)象變化不利于與底物的結(jié)合，表現(xiàn)出一定程度的抑制作用。 一般代謝產(chǎn)物變構(gòu)抑制劑，而代謝底物往往是變構(gòu)激活劑。,糖和脂肪代謝酶系中某些變構(gòu)酶及其變構(gòu)效應(yīng)劑 代謝途徑 變構(gòu)酶 變構(gòu)激活劑 變構(gòu)抑制劑 糖酵解 己糖激酶 AMP、ADP、FDP、Pi G-6-P 磷酸果糖激酶-1 FDP 檸檬酸 丙酮酸激酶 FDP ATP、乙酸CoA 三羧酸循環(huán) 檸檬酸合酶 AMP ATP、長鏈脂酰CoA 異檸檬酸脫氫酶 AMP、 ADP ATP 糖異生 丙酮酸羧化酶 乙酰CoA、ATP AMP 果糖1,6二磷酸酶 5-AMP AMP 糖原分解 磷酸化酶b AMP、G-1-P、Pi ATP、G-6-P 糖原合成 糖原合酶 G-6-P 脂肪酸合成 乙酰CoA羧化酶 檸檬酸、異檸檬酸 長鏈脂酰CoA 膽固醇合成 HMGCoA還原酶 膽固醇 氨基酸代謝 谷氨酸脫氫酶 ADP、亮氨酸、甲硫氨酸 ATP、GTP、NADH 嘌呤合成 PRPP酰胺轉(zhuǎn)移酶 PRPP AMP、ADP、 GMP、 GDP 嘧啶合成 Asp氨基甲酰轉(zhuǎn)移酶 CTP 血紅素合成 ALA合成酶 血紅素,二.酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié),前饋（feedforward ）和反饋（feedback ），前者的意思是“輸入對輸出的影響”，后者的意思是“輸出對輸入的影響”，這里分別借用來說明底物和代謝產(chǎn)物對代謝過程的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)可能是正調(diào)控，也可能是負(fù)調(diào)控，其調(diào)節(jié)機(jī)理是通過酶的變構(gòu)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。,6-磷酸葡萄糖對糖原合成的前饋激活作用,G,UDPG,6-P-G,1-P-G,糖原,糖原 合酶,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,天冬氨酸,氨基酸,蛋白質(zhì),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應(yīng)的調(diào)節(jié)控制,氨基酸合成的反饋調(diào)控,反硝化作用,氧化亞氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脫氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤蘚糖-4-磷酸,脫氫奎尼酸,莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸,+,預(yù)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,高絲氨酸,氨基苯甲酸,糖酵解與三羧酸循環(huán)途徑的調(diào)節(jié),丙酮酸,G,細(xì)胞液,檸檬酸,乙酰CoA,檸檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,線粒體,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,丙酮酸脫氫酶,檸檬酸合酶,-酮戊二酸 脫氫酶,四.酶的共價(jià)修飾與級(jí)聯(lián)放大機(jī)制,酶分子中的某些基團(tuán)，在其它酶的催化下，可以共價(jià)結(jié)合或脫去，引起酶分子構(gòu)象的改變，使其活性得到調(diào)節(jié)，這種方式稱為酶的共價(jià)修飾（Covalent moldification ）。這類酶則稱為共價(jià)調(diào)節(jié)酶。 修飾方式： 磷酸化/去磷酸化， 乙?；?去乙酰化， 腺苷?；?去腺苷?；?， 尿苷?；?去尿苷?；?， 甲基化/去甲基化， 氧化（S-S）/還原(2SH)。,共價(jià)修飾,例：糖原磷酸化酶的共價(jià)修飾,糖原的分解和合成都是根據(jù)肌體的需要由一系列的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行調(diào)控，其限速酶分別為糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它們的活性是受磷酸化或去磷酸化的共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)及變構(gòu)效應(yīng)的調(diào)節(jié)。二種酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。,被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無催化活性)。正反兩個(gè)方向的互變均發(fā)生共價(jià)修飾反應(yīng)，并且都將引起酶活性的變化。 共價(jià)修飾調(diào)節(jié)作用可以產(chǎn)生酶的連續(xù)激活現(xiàn)象，所以,具有信號(hào)放大效應(yīng)。例如腎上腺素引起糖原分解過程中的一系列磷酸化激活步驟，其結(jié)果將激素的信號(hào)被逐級(jí)放大了約300萬倍。,共價(jià)調(diào)節(jié)酶兩個(gè)特點(diǎn),某些酶的酶促化學(xué)修飾調(diào)節(jié) 酶 類 反應(yīng)類型 效 應(yīng) 磷酸果糖激酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 丙酮酸脫氫酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 丙酮酸脫羧酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 糖原磷酸化酶 磷酸化脫磷酸 激活/抑制 磷酸化酶b激酶 磷酸化脫磷酸 激活/抑制 磷酸化酶磷酸酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 糖原合成酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 甘油三酯脂肪酶 （脂肪細(xì)胞） 磷酸化脫磷酸 激活/抑制 HMG-CoA還原酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 HMG-CoA還原酶激酶 磷酸化脫磷酸 激活/抑制 乙酰CoA羧化酶 磷酸化脫磷酸 抑制/激活 谷氨酰胺合成酶 （大腸桿菌） 腺苷化脫腺苷 抑制/激活 黃嘌呤氧化(脫氫)酶 SH/-S-S- 脫氫/氧化,共價(jià)修飾與級(jí)聯(lián)放大,一、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 二、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控,第四節(jié) 基因表達(dá)的調(diào)控,一.原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機(jī)制 (操縱子學(xué)說),酶的誘導(dǎo)和阻遏操縱子模型,B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)劑,A.有活性阻遏蛋白,C.無活性阻遏蛋白,D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑,大腸桿菌乳 糖 操 縱 子 模型,調(diào)節(jié)基因,操縱基因,乳糖酶結(jié)構(gòu)基因,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 關(guān) 閉,啟動(dòng)子,O,R,A、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),B、乳糖酶的誘導(dǎo),阻遏蛋白（有活性）,三.真核生物基因表達(dá)調(diào)控, 真核基因表達(dá)調(diào)控的五個(gè)水平 DNA水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié) 翻譯水平調(diào)節(jié) 翻譯后加工的調(diào)節(jié) 真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控 順式作用元件和反式作用因子 轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄,順式作用元件(cis-acting elements) 真核基因的順式調(diào)控元件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要是起正性調(diào)控作用的順式作用元件，包括啟動(dòng)子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負(fù)性調(diào)控作用的元件沉默子(silencer)。,啟動(dòng)子（Promoter） 是指RNA聚合酶結(jié)合并起動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。真核啟動(dòng)子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游約100200bp序列，包含有若干具有獨(dú)立功能的DNA序列元件，每個(gè)元件約長730bp。 啟動(dòng)子中的元件可以分為兩種： 核心啟動(dòng)子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游25/-30bp處的TATA盒。核心元件單獨(dú)起作用時(shí)只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。 上游啟動(dòng)子元件(upstream promoter element) 包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)更遠(yuǎn)的上游元件。,增強(qiáng)子（Ehancer） 一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件，通常占100200bp長度，也和啟動(dòng)子一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為812bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。增強(qiáng)子的作用有以下特點(diǎn)： 增強(qiáng)子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通?？删嚯x14kb、個(gè)別情況下離開所調(diào)控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。 增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒就不能起作用，可見增強(qiáng)子與啟動(dòng)子是很不相同的。 增強(qiáng)子要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用，沒有啟動(dòng)子存在，增強(qiáng)子不能表現(xiàn)活性。,反式作用因子(trans-acting factors) 以反式作用影響轉(zhuǎn)錄的蛋白可統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors, TF)。RNA聚合酶是一種反式作用轉(zhuǎn)錄因子。 轉(zhuǎn)錄因子3個(gè)功能域（DNA結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄激活區(qū)和其它結(jié)構(gòu)域）， DNA結(jié)合域有螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋和螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)、鋅指結(jié)構(gòu)、亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)等。,第五節(jié) 激素和神經(jīng)水平調(diào)節(jié),一、 激素調(diào)控作用,二 、 神經(jīng)調(diào)控作用,激素是生物體內(nèi)特定細(xì)胞產(chǎn)生的的對某些靶細(xì)胞具有特殊刺激作用的微量物質(zhì)。 激素是生物細(xì)胞分泌的一類特殊化學(xué)物質(zhì)，它對各種生命活動(dòng)和代謝過程具有調(diào)控功能。 激素調(diào)控往往是局部性的，并且直接或間接受到神經(jīng)系統(tǒng)的控制。 通常一種激素只作用于一定的細(xì)胞組織，不同的激素調(diào)節(jié)不同的物質(zhì)代謝或生理過程。,一、 激素調(diào)控作用,激素的分類,根據(jù)來源:動(dòng)物激素和植物激素。 根據(jù)激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和調(diào)控功能，一般可以分為三類(動(dòng)物): （1）含氮激素：包括