第十六章第十六章 物质代谢的调节与控制物质代谢的调节与控制第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络第二节第二节 酶活性的调节酶活性的调节第三节第三节 细胞结构对代谢途径细胞结构对代谢途径 的分隔控制的分隔控制第一节 细胞代谢的调节网络1 1、糖代谢与脂类代谢的相互关系、糖代谢与脂类代谢的相互关系2 2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系3 3、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系4 4、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系一、代谢途径交叉形成网络一、代谢途径交叉形成网络糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系糖糖乙酰乙酰CoA，NADPH脂肪酸脂肪酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘磷酸甘油油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解从头合成从头合成脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA琥珀酸琥珀酸糖糖 (植物植物)乙醛酸循环乙醛酸循环 -氧化氧化糖异生糖异生TCA脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸3-磷酸甘油磷酸甘油三羧酸三羧酸循环循环乙醛酸乙醛酸循环循环甘油甘油乙酰乙酰 CoA三酰三酰甘油甘油脂肪酸脂肪酸 氧氧化化 糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸丙酮酸合合成成植物或微植物或微生物生物糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖糖 -酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸）（生糖氨基酸）脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸碳架氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 核核苷苷酸酸的的一一些些衍衍生生物物具具重重要要生生理理功功能能（如如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。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是是能量的能量的“通货通货”，此外，此外UTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用。糖糖类类脂脂类类氨氨基基酸酸和和核核苷苷酸酸之之间间的的代代谢谢联联系系PEP丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸 -酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸 甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰CoA甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoA脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰CoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉、糖原淀粉、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1 1、细胞的能量状态决定代谢的方向、细胞的能量状态决定代谢的方向二、分解代谢和合成代谢的单向性二、分解代谢和合成代谢的单向性 2 2、关键的调控步骤决定代谢的方向、关键的调控步骤决定代谢的方向一、代谢调节的概念第二节 酶 活 性 调 节二、酶水平的调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。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：代谢调节的四级水平： 酶水平调节酶水平调节 细胞水平调节细胞水平调节 激素水平调节激素水平调节 神经水平调节神经水平调节多细胞整体水平调节多细胞整体水平调节（一）、（一）、酶活性的调节酶活性的调节 （二）、（二）、酶含量的调节酶含量的调节二、酶水平的调节1、酶促反应的反馈调节、酶促反应的反馈调节（1 1）、）、反馈活化反馈活化（2 2）、）、反馈抑制反馈抑制 一种运动效果对于这种运动的影响就一种运动效果对于这种运动的影响就是是反馈（反馈（feedback ）。在酶促反应中的产。在酶促反应中的产物或最终产物都能影响变构酶的活性，以物或最终产物都能影响变构酶的活性，以此来调节代谢的进行，若促进活化的为正此来调节代谢的进行，若促进活化的为正反馈，反之为负反馈。反馈，反之为负反馈。 由代谢产物作为由代谢产物作为变构剂变构剂来活化在此产来活化在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为反馈活化。性的作用，称为反馈活化。反馈活化 由代谢产物作为由代谢产物作为变构剂变构剂来抑制在此产来抑制在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为反馈抑制。这是一种反馈性的作用，称为反馈抑制。这是一种反馈机制，多数情况下控制合成代谢。机制，多数情况下控制合成代谢。反馈抑制2、变构调节（别构调节）、变构调节（别构调节）（1 1）变构酶和变构调节作用）变构酶和变构调节作用有有些些酶酶分分子子除除了了具具有有活活性性中中心心（结结合合部部位位和和催催化化部部位位）外外，还还存存在在一一个个特特殊殊的的调调控控部部位位，即即变变构构中心。中心。变变构构中中心心虽虽然然不不是是酶酶活活性性中中心心的的组组成成部部分分，但但它它可可以以与与某某些些化化合合物物（称称为为变变构构剂剂）发发生生非非共共价价结结合合，引引起起酶酶分分子子构构象象的的改改变变，对对酶酶起起到到激激活活或或抑抑制制的的作作用用。这这类类酶酶通通常常称称为为变变构构酶酶，由由于于变变构构剂剂与与变变构构中中心心的的结结合合而而引引起起酶酶活活性性改改变变的的现现象象则则称称为变构调节作用。为变构调节作用。目目前前已已知知的的变变构构酶酶均均为为寡寡聚聚酶酶，含含两两个个或或两两个个以以上上的的亚亚基基，一一般般分分子子量量较较大大，而而且且具具有有复复杂杂的空间结构。的空间结构。大大多多数数由由变变构构酶酶催催化化的的反反应应不不遵遵守守米米氏氏方方程程，由由变变构构剂剂所所引引起起的的抑抑制制作作用用也也不不服服从从典典型型的的竞竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系。争性或非竞争性抑制作用的数量关系。代谢物代谢物别别构构中中心心活性活性中心中心 酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，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，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使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（Covalent moldificationCovalent moldification ）。目前已知有六种修饰方）。目前已知有六种修饰方式：式：磷酸化磷酸化/去磷酸化，乙酰化去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷去乙酰化，腺苷酰化酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基去尿苷酰化，甲基化化/去甲基化，氧化去甲基化，氧化（S-S）/还原还原(2SH)。3 3、共价修饰、共价修饰共价调节酶有如下两个特点：共价调节酶有如下两个特点：（1 1）被被修修饰饰的的酶酶可可以以有有两两种种互互变变形形式式，即即一一种种为为活活性性形形式式（具具有有催催化化活活性性），另另一一种种为为非非活活性性形形式式（无无催催化化活活性性）。正正反反两两个个方方向向的的互互变变均均发发生生共共价价修修饰饰反反应应，并且都将引起酶活性的变化。并且都将引起酶活性的变化。激酶激酶ATPADP磷酸化酶磷酸化酶（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶P（有活性）（有活性）磷酸酯酶磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰例：糖原磷酸化酶的共价修饰（2 2）共共价价修修饰饰调调节节作作用用可可以以产产生生酶酶的的连连续续激激活活现现象象，所所以以具具有有信信号号放放大大效效应应。例例如如肾肾上上腺腺素素引引起起糖糖原原分分解解过过程程中中的的一一系系列列磷磷酸酸化化激激活活步步骤骤，其其结结果果将将激激素素的的信信号被逐级放大了约号被逐级放大了约300300万倍万倍。酶酶级联系统级联系统调控示意图调控示意图意义意义：由于由于酶的共价修饰酶的共价修饰反应是酶促反反应是酶促反应，只要有少应，只要有少量信号分子量信号分子（如激素）存（如激素）存在，即可通过在，即可通过加速这种酶促加速这种酶促反应，而使大反应，而使大量的另一种酶量的另一种酶发生化学修饰，发生化学修饰，从而获得放大从而获得放大效应。这种调效应。这种调节方式快速、节方式快速、效率极高。效率极高。肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素1、腺苷酸环化酶、腺苷酸环化酶（无活性）（无活性）腺苷酸环化酶（活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶、蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶（活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶、磷酸化酶激酶（无活性）（无活性）磷酸化酶激酶（活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶、磷酸化酶 b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶 a（活性）（活性）6、糖原、糖原6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖血液血液肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素132 102 104 106 108葡萄糖葡萄糖ATP ADPATP ADP4561 1、酶蛋白生物合成的、酶蛋白生物合成的诱导和阻遏诱导和阻遏2 2、色氨酸衰减作用色氨酸衰减作用（1 1）、酶的诱导生成作用）、酶的诱导生成作用某种物某种物质（诱导物）能促进细胞内酶的生成。如质（诱导物）能促进细胞内酶的生成。如大肠杆菌中大肠杆菌中半乳糖苷酶的合成。半乳糖苷酶的合成。（2 2）酶的阻遏生成作用）酶的阻遏生成作用某种物质某种物质（阻遏物）能阻止细胞内酶的生成。如（阻遏物）能阻止细胞内酶的生成。如大肠杆菌中色大肠杆菌中色氨酸酶的合成。氨酸酶的合成。大大肠肠杆杆菌菌培培养养过过程程中中如如果果缺缺少少乳乳糖糖，细细胞胞中中就就不含任何可以代谢乳糖的酶。不含任何可以代谢乳糖的酶。但但是是在在培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖后后，大大肠肠杆杆菌菌就就能能在在几几分分钟钟内内合合成成出出与与乳乳糖糖水水解解有有关关的的酶酶，使使之之能能利用这种营养物质。利用这种营养物质。在在此此过过程程中中，乳乳糖糖起起着着诱诱导导物物作作用用。由由乳乳糖糖诱诱导导产产生生的的与与乳乳糖糖水水解解相相关关的的三三种种酶酶： - -半半乳乳糖糖苷苷酶酶， - -半半乳乳糖糖苷苷透透性性酶酶和和 - -半半乳乳糖糖苷苷转转乙乙酰酰酶，被称为诱导酶。酶，被称为诱导酶。这这三三个个酶酶蛋蛋白白是是大大肠肠杆杆菌菌DNADNA上上的的三三个个结结构构基基因经过转录和翻译而合成的。因经过转录和翻译而合成的。a a、操纵子、操纵子基因表达的协同单位基因表达的协同单位操纵子操纵子结构基因（编码蛋白质，结构基因（编码蛋白质，S）控制部位控制部位操纵基因（操纵基因（operator, O）启动子（启动子（premotor, P）b b、大肠杆菌中大肠杆菌中半乳糖苷酶合成的机制半乳糖苷酶合成的机制原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说大大肠肠杆杆菌菌中中半半乳乳苷苷酶酶的的形形成成调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子ORPLacZLacYLaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子ORmRNAZmRNAYmRNAa 阻遏蛋白阻遏蛋白（无活性）（无活性） 基基 因因 表表达达mRNAA.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白 B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂 乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。关闭。 酶酶的的阻阻遏遏合合成成机机制制A.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白B.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂阻遏蛋白不能跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表结构基因不表达达代谢产物代谢产物 色色 氨氨 酸酸 操操 纵纵 子子 的的 调调 控控 还还 涉涉 及及 转转 录录 衰衰 减减(attenuation)机机制制。即即在在色色氨氨酸酸操操纵纵子子第第一一个个结结构构基基因因与与启启动动基基因因之之间间存存在在有有一一衰衰减减区区域域，当当细细胞胞内内色色氨氨酸酸酸酸浓浓度度很很高高时时，通通过过与与转转录录相相偶偶联联的的翻翻译译过过程程，形形成成一一个个衰衰减减子子结结构构，使使RNA聚合酶从聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。上脱落，导致转录终止。 第三节第三节 细胞结构对代谢途径的分隔控制细胞结构对代谢途径的分隔控制 细胞膜控制细胞与环境之间的物质、能量和信息交换；细胞膜控制细胞与环境之间的物质、能量和信息交换； 核膜将细胞分为细胞核和细胞质两部分，细胞核贮存遗传信息，进核膜将细胞分为细胞核和细胞质两部分，细胞核贮存遗传信息，进行基因复制、转录和转录后的加工；行基因复制、转录和转录后的加工； 胞液是细胞质的连续水相部分，糖酵解、糖原异生、磷酸葡萄糖途胞液是细胞质的连续水相部分，糖酵解、糖原异生、磷酸葡萄糖途径，及糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸的生物合成主要在胞液中进行，胞径，及糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸的生物合成主要在胞液中进行，胞液中悬浮着细胞器和细胞骨架；液中悬浮着细胞器和细胞骨架； 粗面内质网合成分泌性蛋白质，光面内质网合成磷脂、糖脂、胆固粗面内质网合成分泌性蛋白质，光面内质网合成磷脂、糖脂、胆固醇，蛋白质的糖基化在内质网膜的内侧进行，通过运输泡与靶细胞器的醇，蛋白质的糖基化在内质网膜的内侧进行，通过运输泡与靶细胞器的膜融合后转向膜的外侧；膜融合后转向膜的外侧； 高尔基体参与细胞合成物和吸收物的加工、浓缩、包装、运输；高尔基体参与细胞合成物和吸收物的加工、浓缩、包装、运输； 溶酶体分解细胞的吞噬物和老化的细胞内容物；溶酶体分解细胞的吞噬物和老化的细胞内容物； 线粒体中进行柠檬酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、氧化磷酸化线粒体中进行柠檬酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、氧化磷酸化等产能反应。等产能反应。 酶酶定定位位的的区区域域化化线粒体线粒体:丙酮酸氧化丙酮酸氧化;三三羧酸循环羧酸循环; -氧化氧化;呼吸呼吸链电子传递链电子传递;氧化磷酸化氧化磷酸化细胞质细胞质:酵解酵解;磷磷戊糖途径戊糖途径;糖原糖原合成合成;脂肪酸合脂肪酸合成成;细胞核细胞核:核酸合成核酸合成内质网内质网:蛋白质合成蛋白质合成;磷脂合成磷脂合成真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控DNA转录初产物转录初产物RNAmRNA蛋白质前体蛋白质前体mRNA降解物降解物活性蛋白质活性蛋白质DNA水平调节水平调节转录水平调节转录水平调节转录后加工转录后加工的调节的调节翻译调节翻译调节mRNA降解降解调节调节翻译后加工翻译后加工的调节的调节核核细胞质细胞质 真核基因表达调控的五个水平真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节水平调节 转录水平调节转录水平调节 转录后加工的调节转录后加工的调节 翻译水平调节翻译水平调节 翻译后加工的调节翻译后加工的调节 真核基因调控主要是正调控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转录因子的相互作用控制转录激激 素素 调调 节节 的的 机机 制制1 1、含氮激素含氮激素作用模式作用模式2 2、甾醇类激素作用模式甾醇类激素作用模式甾甾醇醇类类激激素素作作用用原原理理示示意意图图肽类激素通过肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图蛋白激酶调节代谢示意图 ATP cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）蛋白激酶（有活性）受体受体环化酶环化酶激素激素G蛋白蛋白