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1、第十四章 物质代谢的相互联系和调节控制第1页，本讲稿共21页第2页，本讲稿共21页二二二二 代谢的调节代谢的调节代谢的调节代谢的调节（一）酶水平调节（一）酶水平调节（二）细胞水平调节（二）细胞水平调节(酶在细胞内的集中存在与隔离分布酶在细胞内的集中存在与隔离分布)（三）激素对代谢的调节（三）激素对代谢的调节（四）神经系统对代谢的调节（四）神经系统对代谢的调节 第3页，本讲稿共21页1.酶活性的调节酶活性的调节（1）别构调节作用（2）共价修饰调节作用2.酶合成调节（基因表达调控）（1）酶的诱导合成（2）酶的诱导阻遏（一）酶水平调节第4页，本讲稿共21页1、酶活性调节、酶活性调节（1）别构调节）别
2、构调节1）概念）概念:当别构剂与酶的活性部位以非共价键结合时当别构剂与酶的活性部位以非共价键结合时,会使酶的会使酶的构象发生改变构象发生改变,从而影响酶活性从而影响酶活性.别构剂别构剂:一般是激素、底物、产物或与该酶有关的辅酶或核苷酸一般是激素、底物、产物或与该酶有关的辅酶或核苷酸类物质。类物质。2）别构酶的特点：）别构酶的特点：大多为寡聚酶，由两个或两个以上亚基组成，一组为催化大多为寡聚酶，由两个或两个以上亚基组成，一组为催化亚基，与底物结合亚基，与底物结合,一组为调节亚基，可与别构剂结合。一组为调节亚基，可与别构剂结合。别构酶在别构剂作用下活性增高，叫别构激活；活性降低，叫别构酶在别构剂作
3、用下活性增高，叫别构激活；活性降低，叫别构抑制。别构抑制。别构酶的酶促反应速度对底物浓度作图不符合米氏图，呈别构酶的酶促反应速度对底物浓度作图不符合米氏图，呈“S”型曲线。型曲线。第5页，本讲稿共21页3）酶别构调节方式：）酶别构调节方式：依据别构剂的不同或调节方式的不同可分为：依据别构剂的不同或调节方式的不同可分为：前馈：反应的底物通过影响别构酶的活性来调节代谢的过前馈：反应的底物通过影响别构酶的活性来调节代谢的过程。可分为正前馈和负前馈。程。可分为正前馈和负前馈。反馈调节：反应中间产物或终产物通过影响别构酶的活性来调反馈调节：反应中间产物或终产物通过影响别构酶的活性来调节代谢过程。也分正、
4、负反馈节代谢过程。也分正、负反馈腺苷酸对别构酶的调节：在糖代谢和三羧酸循环等与能量生腺苷酸对别构酶的调节：在糖代谢和三羧酸循环等与能量生成有关的代谢途径中，别构酶的活性可因成有关的代谢途径中，别构酶的活性可因ATP、ADP、AMP的浓度大小而被激活或抑制。的浓度大小而被激活或抑制。多余代谢物对别构酶的调节作用：当一条代谢途径中的产多余代谢物对别构酶的调节作用：当一条代谢途径中的产物多余时，会影响有关的别构酶，使代谢方向和速度改变。物多余时，会影响有关的别构酶，使代谢方向和速度改变。第6页，本讲稿共21页（2）酶的共价修饰调节）酶的共价修饰调节（化学修饰调节）（化学修饰调节）1）概念：通过其它酶
5、对酶分子中的某些基团进行化学修饰，使酶处于活性和）概念：通过其它酶对酶分子中的某些基团进行化学修饰，使酶处于活性和无活性的互变状态，达到调节酶活性的目的。无活性的互变状态，达到调节酶活性的目的。2）特点：）特点：被修饰的酶有活化型和非活化型两种，在特定酶催化下可互变。被修饰的酶有活化型和非活化型两种，在特定酶催化下可互变。在特定酶催化下，被修饰酶可逆地与某一化学基团结合，改变酶分子构在特定酶催化下，被修饰酶可逆地与某一化学基团结合，改变酶分子构象，影响酶活性，不涉及共价键变化象，影响酶活性，不涉及共价键变化磷酸化的化学修饰要消耗能量，一分子亚基进行磷酸化消耗一个磷酸化的化学修饰要消耗能量，一分
6、子亚基进行磷酸化消耗一个ATP。因化学修饰是酶促反应，酶促反应具有高效性，所以化学修饰具有放大作因化学修饰是酶促反应，酶促反应具有高效性，所以化学修饰具有放大作用。用。3)共价修饰的几种形式:磷酸化与脱磷酸化磷酸化与脱磷酸化;甲基化与脱甲基化甲基化与脱甲基化;腺苷化与腺苷化与脱腺苷化脱腺苷化第7页，本讲稿共21页第8页，本讲稿共21页2.大肠杆菌酶合成调节大肠杆菌酶合成调节(基因表达的调节基因表达的调节)酶生物合成在转录水平和翻译水平的调节。酶生物合成在转录水平和翻译水平的调节。（1）原核生物基因表达调节）原核生物基因表达调节19601961年，法国巴黎的巴斯德研究所的年，法国巴黎的巴斯德研究
7、所的J.Monod（莫诺）（莫诺）和和 F.Jacob（雅各布）通过对大肠杆菌研究（雅各布）通过对大肠杆菌研究 提出乳糖操纵子模型提出乳糖操纵子模型（lac operon model）。）。1965年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖.酶合成的诱导作用酶合成的诱导作用降解物的阻遏作用降解物的阻遏作用酶合成的阻遏作用酶合成的阻遏作用（2）真核生物基因表达的调控）真核生物基因表达的调控为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调控、转录后水为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调控、转录后水平的调控、翻译水平调控、翻译后水平调控。平的调控、翻译水平调控、翻译后水平调控。第9页，本讲稿共21页（1）原核
8、生物基因表达调控）原核生物基因表达调控酶合成的诱导作酶合成的诱导作用用乳糖操纵子学说乳糖操纵子学说与乳糖合成有关的基因与乳糖合成有关的基因 调节基因调节基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白 启动基因启动基因:有有RNA聚合酶的结合位点聚合酶的结合位点 操纵基因：可与阻遏蛋白结合，阻碍操纵基因：可与阻遏蛋白结合，阻碍RNA聚合酶聚合酶 与启动基因结合。与启动基因结合。结构基因：一群，能转录和翻译。结构基因：一群，能转录和翻译。第10页，本讲稿共21页ayzopioCAP(代谢产物活化蛋白代谢产物活化蛋白)与与cAMP形成复合形成复合物，结合在乳糖操纵子的启动基因上，促进物，结合在乳糖操纵子的启动基因上，
9、促进转录的进行。转录的进行。cAMP-CAP是正调控因子，阻遏蛋白是负是正调控因子，阻遏蛋白是负调控因子调控因子。结构基因结构基因操纵基因操纵基因调节基因调节基因ayopiz诱导物诱导物(乳糖乳糖)诱导物诱导物-阻遏蛋阻遏蛋白复合物白复合物起动子阻遏蛋白第11页，本讲稿共21页降解物的阻遏作用当大肠杆菌的培养基中既含葡萄糖也含乳糖时当大肠杆菌的培养基中既含葡萄糖也含乳糖时,优先利用葡萄糖优先利用葡萄糖,也就是说也就是说,在有葡萄糖存在时在有葡萄糖存在时,乳乳糖操纵子是关闭的糖操纵子是关闭的,不能合成利用乳糖的不能合成利用乳糖的3种酶种酶.葡萄糖阻遏了利用乳糖葡萄糖阻遏了利用乳糖3种酶的生成种酶
10、的生成.后来发现后来发现,这种阻遏作用这种阻遏作用,不是葡萄糖本身的作用不是葡萄糖本身的作用,而是而是葡萄糖的代谢产物葡萄糖的代谢产物阻遏了酶的合成阻遏了酶的合成,是葡萄是葡萄糖的代谢产物抑制了糖的代谢产物抑制了腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶的活性或激的活性或激活了活了磷酸二酯酶磷酸二酯酶的活性的活性,使使cAMP的浓度降低的浓度降低,代代谢产物活化蛋白谢产物活化蛋白(CAP)不能与不能与cAMP结合成复合结合成复合物物,不能使利用乳糖酶的基因转录不能使利用乳糖酶的基因转录.第12页，本讲稿共21页酶合成的阻遏作用细胞中的阻遏物可阻遏细胞中的酶合成，以大肠细胞中的阻遏物可阻遏细胞中的酶合成，以大肠杆
11、菌为例，用氨做大肠杆菌的唯一碳源时，大肠杆菌为例，用氨做大肠杆菌的唯一碳源时，大肠杆菌能合成所有的含杆菌能合成所有的含N物质，能合成组成蛋白质物质，能合成组成蛋白质的的20种氨基酸，但向培养基中加入某种氨基酸时，种氨基酸，但向培养基中加入某种氨基酸时，如色氨酸，则大肠杆菌利用氨合成氨基酸的酶迅如色氨酸，则大肠杆菌利用氨合成氨基酸的酶迅速消失，说明色氨酸是阻抑物。速消失，说明色氨酸是阻抑物。用色氨酸操作子模型解释酶合成的阻遏作用。用色氨酸操作子模型解释酶合成的阻遏作用。第13页，本讲稿共21页用色氨酸操作子模型解释酶合成的阻遏作用。用色氨酸操作子模型解释酶合成的阻遏作用。色氨酸操作子有色氨酸操作
12、子有:调节基因（调节基因（R）、启动基因）、启动基因（P）、操纵基因（）、操纵基因（O）和）和 5个结构基因（个结构基因（E、D、C、B、A）组成，在第一个结构基因）组成，在第一个结构基因(E)与操纵与操纵基因之间有一段前导序列（基因之间有一段前导序列（L）和衰减子）和衰减子(a)（使（使转录终止或减弱）。转录终止或减弱）。阻遏蛋白原阻遏蛋白原不能与操纵子结合，结构基因可转录不能与操纵子结合，结构基因可转录和翻译出与合成色氨酸有关的酶，在有过量的色和翻译出与合成色氨酸有关的酶，在有过量的色氨酸存在时，色氨酸与阻遏蛋白原结合，使得阻氨酸存在时，色氨酸与阻遏蛋白原结合，使得阻遏蛋白可与操纵基因结合
13、，使得结构基因不能转遏蛋白可与操纵基因结合，使得结构基因不能转录和翻译出合成色氨酸的酶。，录和翻译出合成色氨酸的酶。，第14页，本讲稿共21页ABCDEopLa trpPtrpO trpE trpD trpC trpBtrpATrp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。阻遏蛋白原阻遏蛋白原 Trp操纵子的阻遏机制操纵子的阻遏机制色氨酸 调节基因R 启动基因P 操纵基因O 结构基因E、D、C、B、A第15页，本讲稿共21页（2）真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控在多层次，受多种因子协同调节控制，是一种多级调控方式。主要包括：
14、染色体结构与转录前水平调控转录水平调控体细胞重组和抗体多样性转录后和翻译的调控第16页，本讲稿共21页染色体结构与转录前水平调控染色体结构与转录前水平调控真核生物的核真核生物的核DNA与组蛋白结合成染色质的形式而存在，与组蛋白结合成染色质的形式而存在，DNA在染色质中高度压缩，内部的基因没有活性，其中往在染色质中高度压缩，内部的基因没有活性，其中往往往10%的基因有活性，的基因有活性，90%的基因无活性，的基因无活性，核核DNA和蛋白质修饰影响基因的表达和蛋白质修饰影响基因的表达甲基化修饰甲基化修饰DNA可关闭基因的活性：可关闭基因的活性：DNA的胞嘧啶甲基化为的胞嘧啶甲基化为5/-甲基胞嘧啶
15、，腺嘌呤甲基化为甲基胞嘧啶，腺嘌呤甲基化为5/-甲基腺嘌呤，经甲基化修甲基腺嘌呤，经甲基化修饰后转录活性消失，没有修饰的具有转录活性。饰后转录活性消失，没有修饰的具有转录活性。核小体中的组蛋白被修饰后影响基因表达活性核小体中的组蛋白被修饰后影响基因表达活性组蛋白的修饰主要是在赖氨酸残基的组蛋白的修饰主要是在赖氨酸残基的-氨基酰化，这种修氨基酰化，这种修饰往往可提高基因的转录活性。饰往往可提高基因的转录活性。第17页，本讲稿共21页转录水平调控主要是通过顺式作用元件和反式作用元件的相互作用对基主要是通过顺式作用元件和反式作用元件的相互作用对基因表达进行调控。因表达进行调控。顺式作用元件：转录起动
16、子和增强子等序列，合称顺式作顺式作用元件：转录起动子和增强子等序列，合称顺式作用元件：用元件：起动子是起动子是RNA识别并与之结合并使结构基因转录的一段特识别并与之结合并使结构基因转录的一段特异性异性DNA序列，位于结构基因的上游。序列，位于结构基因的上游。增强子是能增强基因转录活性的调控增强子是能增强基因转录活性的调控DNA序列序列反式作用元件：调控转录的各种蛋白质因子的总称反式作用元件：调控转录的各种蛋白质因子的总称第18页，本讲稿共21页转录后和翻译的调控转录后水平的调控包括：转录产物的加工和转运的调节。翻译水平的调控主要是多肽链的加工和折叠体细胞重组和抗体多样性第19页，本讲稿共21页
17、酶的区域分布区域化对代谢的调节代谢途径的有关酶常常组成酶体系，分布与细胞的某一区域或亚细胞结构中，使不同的代谢途径在不同的区域中进行。细胞核：核膜上镶嵌或覆盖有大量酶类，与糖、脂类、蛋白质代谢、核酸的运输、复制、转录、加工和修饰有关。胞液：糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径、脂类、氨基酸和核苷酸的生物合成都在胞液中进行。内质网：粗面内质网与蛋白质加工有关，光面内质网与糖类和脂类合成有关，细胞的磷脂、糖脂和胆固醇几乎都是在内质网上合成的。第20页，本讲稿共21页高尔基体：对细胞吸收的物质进行加工、浓高尔基体：对细胞吸收的物质进行加工、浓缩、包装和运输，参与细胞的分泌和吸收过缩、包装和运输，参与细胞的分泌和吸收过程。程。溶酶体：含有水解酶类，主要功能是：消化、溶酶体：含有水解酶类，主要功能是：消化、防御、吞噬和细胞自溶。防御、吞噬和细胞自溶。线粒体：其上有呼吸链、线粒体：其上有呼吸链、TCA循环、循环、-氧化、氧化、氨基酸分解和氨基酸分解和ATP合成有关的酶合成有关的酶第21页，本讲稿共21页