1、第十五章第十五章 代谢的调节和控制代谢的调节和控制l生物体内的新陈代谢是错综复杂的，也生物体内的新陈代谢是错综复杂的，也是有序的。无论是单细胞生物，还是多是有序的。无论是单细胞生物，还是多细胞生物，其体内能对各类代谢过程及细胞生物，其体内能对各类代谢过程及它们之间的相互关系进行全面而精确的它们之间的相互关系进行全面而精确的调节，使一切代谢活动指向维持机体处调节，使一切代谢活动指向维持机体处于正常状态。于正常状态。l就整个生物界来说，代谢的调节控制是就整个生物界来说，代谢的调节控制是在三个不同层次上进行的，即在三个不同层次上进行的，即细胞（酶）细胞（酶）水平、激素水平、神经水平水平、激素水平、神
2、经水平。其中细胞。其中细胞和酶水平的调节是最原始的，也是最基和酶水平的调节是最原始的，也是最基本的调节方式，为动、植物和微生物所本的调节方式，为动、植物和微生物所共有。激素和神经的调节，是随着生物共有。激素和神经的调节，是随着生物的进化而发展、完善起来的高级调节机的进化而发展、完善起来的高级调节机制，但它们仍以细胞和酶水平的调节为制，但它们仍以细胞和酶水平的调节为基础。基础。l本章主要介绍细胞水平的调节。本章主要介绍细胞水平的调节。核苷酸核苷酸颗粒内质网颗粒内质网核酸核酸蛋白质蛋白质核酸核酸核孔核孔核核氨基酸氨基酸tt蛋蛋白白质质生生物物合合成成脂脂肪肪乙酰辅酶乙酰辅酶A脂脂肪肪酸酸脊脊线粒体
3、内膜线粒体内膜线粒体外膜线粒体外膜脂脂肪肪酸酸生生物物合合成成草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸三三羧羧酸酸循循环环柠檬酸柠檬酸糖糖酵酵解解第一节第一节 酶活性的调控酶活性的调控l一、变构调节一、变构调节l所谓变构调节，指酶受外界因子影响后，所谓变构调节，指酶受外界因子影响后，酶的空间构象发生变化，导致酶活性变化，酶的空间构象发生变化，导致酶活性变化，从而改变代谢的速度和方向。这是调节酶从而改变代谢的速度和方向。这是调节酶调控代谢的分子基础，不管代谢途径多么调控代谢的分子基础，不管代谢途径多么复杂或酶的来源如何，针对一个具体反应复杂或酶的来源如何，针对一个具体反应步骤调控时，酶的活性高低，往往
4、是通过步骤调控时，酶的活性高低，往往是通过这种最直接的形式表现出来。这种最直接的形式表现出来。l1 1、变构酶的结构、性质和特点、变构酶的结构、性质和特点l变构酶（变构酶（allostericallosteric enzyme enzyme），又叫别构酶，），又叫别构酶，是指具有别构效应（是指具有别构效应（allostericallosteric effect effect），能快），能快速改变酶活性的寡聚酶，其特点是：速改变酶活性的寡聚酶，其特点是：l 它由二个或二个以上的亚基构成，各亚基它由二个或二个以上的亚基构成，各亚基之间靠共价结合，具有四级结构，分子量较大之间靠共价结合，具有四级结构
5、，分子量较大l不仅具有活性中心，还有调节中心，当调节不仅具有活性中心，还有调节中心，当调节中心与调节因子结合后，便立刻引起酶分子构中心与调节因子结合后，便立刻引起酶分子构象和活性的变化即别构效应象和活性的变化即别构效应l变构酶催化动力学的特征不遵守米氏动力学变构酶催化动力学的特征不遵守米氏动力学关系，其关系，其v-sv-s曲线不是双曲线，而是呈曲线不是双曲线，而是呈S S形形 。l在考查变构酶中各亚基之间的变构关系时，在考查变构酶中各亚基之间的变构关系时，引用引用协同效应协同效应的概念。的概念。若一个亚基与变构若一个亚基与变构激活剂结合后，构象改变，活力增加，其激活剂结合后，构象改变，活力增加
6、，其它亚基的活力也增加，或者一个亚基与变它亚基的活力也增加，或者一个亚基与变构抑制剂结合后，活力降低，促使其它亚构抑制剂结合后，活力降低，促使其它亚基都发生活力降低的变化时，称为正协同基都发生活力降低的变化时，称为正协同效应；效应；反之，反之，若一个亚基与效应物结合后，若一个亚基与效应物结合后，构象和活力的变化（增加或降低）导致其构象和活力的变化（增加或降低）导致其它亚基发生相反方向的变化（降低或增加）它亚基发生相反方向的变化（降低或增加）时，则称为负协同效应。时，则称为负协同效应。一般讲，正协同一般讲，正协同效应效应例子较普遍，负协同效应则少见。例子较普遍，负协同效应则少见。lKoshlan
7、dKoshland等人建议，用下列比例式定量等人建议，用下列比例式定量地判断与区分这地判断与区分这3 3类酶：类酶：lll典型米氏型酶典型米氏型酶RsRs=81=81，具有正协同效应，具有正协同效应的变构酶的变构酶RsRs818181。l2 2、变构酶调节原理实例、变构酶调节原理实例l大肠杆菌的天门冬氨酸转氨甲酰酶（简大肠杆菌的天门冬氨酸转氨甲酰酶（简称称ATCaseATCase）l此反应是由氨基甲酰磷酸合成此反应是由氨基甲酰磷酸合成CTPCTP过程过程的第一个反应，的第一个反应，ATCaseATCase是是CTPCTP合成的多合成的多酶体系的第一个酶，酶体系的第一个酶，ATPATP是正调节物
8、，是正调节物，CTPCTP是负调节物，使酶发生变构反应。是负调节物，使酶发生变构反应。l l二、共价修饰酶和酶原激活二、共价修饰酶和酶原激活l1 1、共价修饰酶的概念和特点、共价修饰酶的概念和特点l共价修饰酶是指酶蛋白的某些氨基酸残基上引共价修饰酶是指酶蛋白的某些氨基酸残基上引入或去除某种化学基团后，导致该酶活力增加入或去除某种化学基团后，导致该酶活力增加或降低的一类酶，又叫共价调节酶。或降低的一类酶，又叫共价调节酶。该酶的共该酶的共价修饰也是在另一种有关酶的催化下完成的。价修饰也是在另一种有关酶的催化下完成的。l目前已知的共价修饰类型有：目前已知的共价修饰类型有：磷酸化和去磷酸磷酸化和去磷酸
9、化化、乙酰化和去乙酰化、腺苷酸化和去腺苷酸、乙酰化和去乙酰化、腺苷酸化和去腺苷酸化、甲基化和去甲基化、巯基（化、甲基化和去甲基化、巯基（-SHSH）的氧化）的氧化和还原等，它们属于可逆性共价修饰作用。和还原等，它们属于可逆性共价修饰作用。l2、修饰调节酶活性实例、修饰调节酶活性实例l糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶是典型的共价调节酶，催是典型的共价调节酶，催化糖原磷酸化生成化糖原磷酸化生成1-磷酸葡萄糖，它有磷酸葡萄糖，它有2种存在形式：高活性的磷酸化酶种存在形式：高活性的磷酸化酶a和低活和低活性的磷酸化酶性的磷酸化酶b。a、b二型在酶促共价调二型在酶促共价调节中互变。节中互变。l3 3、意义、意义l
10、共价调节酶的意义是调节代谢，是代谢共价调节酶的意义是调节代谢，是代谢过程中诸多调控因素的一种，鉴于糖原过程中诸多调控因素的一种，鉴于糖原磷酸化酶的共价调节作用是酶促磷酸化磷酸化酶的共价调节作用是酶促磷酸化修饰，所以它就参与了调节糖原分解代修饰，所以它就参与了调节糖原分解代谢的谢的“级联放大系统级联放大系统”。l例如，一种危险信号刺激生物，生物必需作例如，一种危险信号刺激生物，生物必需作出应答反应，这样就需大量供能以做功，于出应答反应，这样就需大量供能以做功，于是肾上腺髓质产生是肾上腺髓质产生肾上腺素（第一信使）肾上腺素（第一信使），通过血液送到靶细胞，活化那里的腺苷酸环通过血液送到靶细胞，活化
11、那里的腺苷酸环化酶，催化化酶，催化ATPATP生成生成 cAMPcAMP（第二信使）（第二信使），cAMPcAMP诱发一系列反应：诱发一系列反应：cAMPcAMP激活蛋白激酶，激活蛋白激酶，蛋白激酶又激活磷酸化酶蛋白激酶又激活磷酸化酶b b激酶，后者把磷激酶，后者把磷酸化酶酸化酶b b共价修饰成共价修饰成a a，以分解糖原为，以分解糖原为1-1-磷酸磷酸葡萄糖，最后酶促脱磷酸使血糖升高，成为葡萄糖，最后酶促脱磷酸使血糖升高，成为做功的能源，一直到信号解除，做功的能源，一直到信号解除，cAMPcAMP变为变为AMPAMP使血糖下降。使血糖下降。l4 4、不可逆的共价修饰、不可逆的共价修饰酶原的激
12、活酶原的激活l酶原激活是指无活性的酶前体（即酶原）酶原激活是指无活性的酶前体（即酶原）转变成活性酶的过程。这些酶（主要是转变成活性酶的过程。这些酶（主要是消化酶和执行防御功能的酶）在细胞内消化酶和执行防御功能的酶）在细胞内以无活性前体形式合成和分泌，然后输以无活性前体形式合成和分泌，然后输送到细胞外，当功能需要时就会被活化送到细胞外，当功能需要时就会被活化而起作用。而起作用。第二节第二节 酶量的调节酶量的调节l细胞内一种酶的总活力与该酶的含量呈正相关。细胞内一种酶的总活力与该酶的含量呈正相关。而酶含量的高低取决于酶的合成和降解速度的而酶含量的高低取决于酶的合成和降解速度的大小。酶的生物合成与其
13、它蛋白质的生物合成大小。酶的生物合成与其它蛋白质的生物合成一样，受特异基因转录和翻译过程的限制，一一样，受特异基因转录和翻译过程的限制，一般经过数小时甚至数天才能表现出来。因此，般经过数小时甚至数天才能表现出来。因此，酶含量的调节是一种慢性调节，是酶活力快速酶含量的调节是一种慢性调节，是酶活力快速调节的重要补充，酶的生物合成属于基因表达调节的重要补充，酶的生物合成属于基因表达调控的范畴，其中，转录是最为重要的调控环调控的范畴，其中，转录是最为重要的调控环节。节。l一一、操纵子的概念、类型和特点、操纵子的概念、类型和特点l操纵子学说是由法国科学家操纵子学说是由法国科学家JacobJacob和和M
14、onodMonod于于19611961年提出的，年提出的，4040年来的科学年来的科学研究表明，这一学说具有普遍的指导意研究表明，这一学说具有普遍的指导意义，分子生物学的发展也大大丰富了操义，分子生物学的发展也大大丰富了操纵子学说的内容。纵子学说的内容。l操纵子是原核细胞基因表达系统的一种操纵子是原核细胞基因表达系统的一种功能单位，是负责编码蛋白质的结构基功能单位，是负责编码蛋白质的结构基因与调控元件组成，包括因与调控元件组成，包括 ：结构基因结构基因（G G），），启动子（启动子（P P），），操纵基因操纵基因（O O），），终止子。终止子。在在负调控系统负调控系统中，调节基因产物是抑中，调
15、节基因产物是抑制基因转录和翻译成阻遏蛋白，并与制基因转录和翻译成阻遏蛋白，并与操纵基因结合，结构基因无法转录；操纵基因结合，结构基因无法转录；有诱导物乳糖存在时，可与阻遏蛋白有诱导物乳糖存在时，可与阻遏蛋白结合，造成阻遏蛋白不能与操纵基因结合，造成阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因转录和翻译成结合，结构基因转录和翻译成3种酶，种酶，这就是负控诱导调节。这就是负控诱导调节。葡萄糖效应葡萄糖效应（也称降解物阻遏）是指细（也称降解物阻遏）是指细菌生长在含葡萄糖和乳糖培养基中，优菌生长在含葡萄糖和乳糖培养基中，优先利用葡萄糖，只有当葡萄糖耗尽后，先利用葡萄糖，只有当葡萄糖耗尽后，才利用乳糖，表现为二
16、次生长。调节基才利用乳糖，表现为二次生长。调节基因产物是因产物是cAMP受体蛋白或分解产物激活受体蛋白或分解产物激活蛋白蛋白CAP；乳糖浓度增加，；乳糖浓度增加，cAMP浓度浓度增加，增加，cAMP与与CAP结合成结合成CRP，CRP与启动子与启动子P结合，促进结合，促进RNA Pol与与P的结的结合，如合，如O上无阻遏物，基因即进行转录，上无阻遏物，基因即进行转录，这就是正控诱导调节。这就是正控诱导调节。l调节基因产物阻遏蛋白，过量色氨酸与调节基因产物阻遏蛋白，过量色氨酸与之结合，成为有活性的阻遏物；色氨酸之结合，成为有活性的阻遏物；色氨酸浓度降低时，调节基因产物阻遏蛋白无浓度降低时，调节基
17、因产物阻遏蛋白无活性，即基因转录受一种转录衰减作用活性，即基因转录受一种转录衰减作用的精细调节，是通过转录和翻译偶联实的精细调节，是通过转录和翻译偶联实现的。调节作用的部位称衰减子，是位现的。调节作用的部位称衰减子，是位于结构基因上游前导区的终止子，前导于结构基因上游前导区的终止子，前导区编码区编码mRNA的前导序列，合成的小肽的前导序列，合成的小肽（前导肽）可在转录水平上控制前导区（前导肽）可在转录水平上控制前导区转录的终止。氨基酸缺乏时，前导肽不转录的终止。氨基酸缺乏时，前导肽不能合成。能合成。第三节第三节 分支合成代谢中的分支合成代谢中的反馈调节模式反馈调节模式l反馈（反馈（feedba
18、ckfeedback）是电子工程学里的术）是电子工程学里的术语，指输出对输入的反作用，在这里表语，指输出对输入的反作用，在这里表示代谢反应产物对代谢过程的影响，又示代谢反应产物对代谢过程的影响，又分为正反馈和负反馈。若反应产物对其分为正反馈和负反馈。若反应产物对其前面某一催化反应的调节酶起激活作用前面某一催化反应的调节酶起激活作用或加速代谢途径的进行，称正反馈，否或加速代谢途径的进行，称正反馈，否则称负反馈。反馈调节上酶活性调节中则称负反馈。反馈调节上酶活性调节中最广泛最重要的方式之一。最广泛最重要的方式之一。l一、同功酶调节模式一、同功酶调节模式l二、顺序反馈抑制二、顺序反馈抑制EaEbEc
19、Edl三、协同反馈抑制三、协同反馈抑制l四、积累反馈抑制四、积累反馈抑制l五、活化和抑制的联合作用五、活化和抑制的联合作用第四节第四节 能荷调节能荷调节l细胞在进行物质代谢的同时，伴随着能细胞在进行物质代谢的同时，伴随着能量的代谢，许多代谢反应受到能量状态量的代谢，许多代谢反应受到能量状态的调节。的调节。l能荷的概念是指细胞内总的腺苷酸系统能荷的概念是指细胞内总的腺苷酸系统（ATPATP、ADPADP、AMPAMP之和）所负载的高之和）所负载的高能磷酸基数量，它最早由能磷酸基数量，它最早由AtkinsonAtkinson提出，提出，具体表达式为具体表达式为l早在十九世纪，巴斯德在研究酵母菌的早
20、在十九世纪，巴斯德在研究酵母菌的酒精发酵时发现，在有氧条件下，由于酒精发酵时发现，在有氧条件下，由于进行呼吸作用，酒精的产量大大降低，进行呼吸作用，酒精的产量大大降低，糖的消耗速度在单位时间内也减慢。后糖的消耗速度在单位时间内也减慢。后人将这种呼吸抑制发酵的作用称之为人将这种呼吸抑制发酵的作用称之为巴巴斯德效应。斯德效应。l1.1.酶水平调控的三种机制。酶水平调控的三种机制。l2.2.变构酶的分子组成、结构和催化活性变构酶的分子组成、结构和催化活性的特点。举例说明。的特点。举例说明。l3.3.根据什么特性判断催化酶是变构酶还根据什么特性判断催化酶是变构酶还是米氏酶？是米氏酶？l4.4.共价修饰酶的修饰类型，它是如何实共价修饰酶的修饰类型，它是如何实现信号放大作用的？现信号放大作用的？l5.5.操纵子的概念及其类型？它们的基本操纵子的概念及其类型？它们的基本组成和调控性能有何异同？组成和调控性能有何异同？l6.6.举例说明酶的诱导合成和阻遏作用是举例说明酶的诱导合成和阻遏作用是如何产生的？其意义如何？如何产生的？其意义如何？l7.7.举例说明分枝合成代谢途径的几种类举例说明分枝合成代谢途径的几种类型。型。l8.8.巴斯德效应及其产生机理。巴斯德效应及其产生机理。l9.9.微生物的二次生长现象及其机理的解微生物的二次生长现象及其机理的解释。释。
