生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第十一章代谢调节 第一节代谢调节的概念 第二节物质代谢的相互联系 第三节代谢调节
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 11 页 1 第十一章 代谢调节 第一节 代谢调节的概念 第二节 物质代谢的相互联系 第三节 代谢调节
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第一节代谢调节的概念 生物体是一个完整的统一体,各种代谢密切联系、相互作用、相互制约,生物 在其进化过程中形成一套有效而灵敏的调节控制系统。研究代谢调节有着重要的理 论与实践意义,是当代生物化学最活跃的研究领域之 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。以高等动物为例,代谢调节在四个相互关系、彼此协调又 各具特色的层面上进行,即神经水平、激素水平、细胞水平和酶水平。但就整个生 物界来说,酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式,为动、植物和单细胞生物所 共直。 神经水平调节 动 激素水平调节 植 物 细胞水平调节 单物 分子水平调节(酶水平调节) 细 胞 所有这些调节机制都是在基因产物蛋白质(可能还有RNA)的作用下进行的。 也就是说与基因表达调控有关 物理 外部因子1化学 代谢调节 生物 胞间(神经、激素) 内部因子 数量 胞内(酶水平)活性 定位 第二节物质代谢的相互联系 活Cell要不断地进行新陈代谢,从外界吸取物质和能量,以构建自身的组成结 构,同时分解已有成分,加以再利用,并将不利用的废物排出。在这个代谢过程中, 细胞内数百种小分子在起关键作用,它们构成了成千上万的生物大分子,如果这些 分子单独代谢互不相干,那么代谢将变的无比复杂,可想象细胞是无法容纳的。那 么:①细胞是如何经济有效地转化各类物质的?代谢的总原则和方略是什么?②谁 在代谢调节中起主导作用? 细胞代谢有一套总原则和方略,来解决经济有效转化问题 (1)将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径,以少数种类的反应,转化种 类繁多的分子,例如,氧化还原基团转移,水解合成,基团脱加,异构反应等。 (2)不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和转化, 这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通,形成经济有效,运转良好的代谢网
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 11 页 2 第一节 代谢调节的概念 生物体是一个完整的统一体，各种代谢密切联系、相互作用、相互制约，生物 在其进化过程中形成一套有效而灵敏的调节控制系统。研究代谢调节有着重要的理 论与实践意义，是当代生物化学最活跃的研究领域之一。 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。以高等动物为例，代谢调节在四个相互关系、彼此协调又 各具特色的层面上进行，即神经水平、激素水平、细胞水平和酶水平。但就整个生 物界来说，酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式，为动、植物和单细胞生物所 共有。 神经水平调节 动 激素水平调节 植 物 细胞水平调节 单 物 分子水平调节(酶水平调节) 细 胞 所有这些调节机制都是在基因产物蛋白质（可能还有 RNA）的作用下进行的。 也就是说与基因表达调控有关。 物理 外部因子 化学 代谢调节 生物 胞间（神经、激素） 内部因子 数量 胞内（酶水平） 活性 定位 第二节 物质代谢的相互联系 活 Cell 要不断地进行新陈代谢，从外界吸取物质和能量，以构建自身的组成结 构，同时分解已有成分，加以再利用，并将不利用的废物排出。在这个代谢过程中， 细胞内数百种小分子在起关键作用，它们构成了成千上万的生物大分子，如果这些 分子单独代谢互不相干，那么代谢将变的无比复杂，可想象细胞是无法容纳的。那 么：①细胞是如何经济有效地转化各类物质的？代谢的总原则和方略是什么？②谁 在代谢调节中起主导作用？ 细胞代谢有一套总原则和方略，来解决经济有效转化问题： （1）将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应，转化种 类繁多的分子，例如，氧化还原基团转移，水解合成，基团脱加，异构反应等。 （2）不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和转化， 这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通，形成经济有效，运转良好的代谢网
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第3页共11页 络。 在各种代谢途径形成的交叉网络中,其中三个最关键的中间代谢产物:6-磷酸 葡萄糖、丙酮酸、乙酰辅酶A。特别是乙酰辅酶A是各代谢之间的枢纽物质。通过 种中间代谢产物使细胞中4类主要有机物质:糖、脂类、Pr和核酸实现相互转交 、蛋白质和核酸在物质代谢中起主导地位 核酸→蛋白质(酶)→决定代谢方向、速度、相互关系 归根结底是与基因表达调控有关。 蛋白质代谢和糖代谢的关系(通过三羧酸循环相互沟通) Pr一分解,a-脱氨→丙酮酸一 糖原异生 糖 丙AA<>丙酮酸 谷氨酸<> 酮戊二酸 天冬氨酸<>草酰乙酸 1、蛋白质转化为糖,首先要水解成AA。A通过脱氨基作用生成相应的a一酮 酸,然后转变为糖异生途径中的某种中间产物,再经糖异生作用合成糖。其中丙AA 谷AA和天冬A脱氢后分别转变为TCA中间物丙酮酸、a一酮戊二酸和草酰乙酸, 经糖异生作用即可生成糖原。其他AA需经较复杂的分子结构变化转变成相应的a 酮酸,再转变成糖原 2、糖可转变成各种A的碳架结构。丙酮酸是糖代谢的重要中间产物,丙酮酸 经三羧酸循环可以转变为α—酮戊二酸和草酰乙酸,这三种α一酮酸经氨基化或转 氨基作用分别生成丙AA、谷AA和天冬AA。TCA的其他中间产物以及磷酸戊糖途径、 卡尔文循环中间物经转化成α一酮酸后,都能为各种AA合成提供碳骨架,再经转氨 基作用形成A,进而合成蛋白质。 三、脂类代谢和Pr代谢关系 x乙酰COA- 脂肪酸 AA- 酮酸 甘油 脂肪 蛋白质可以转变为脂类。在动物体内的生酮AA如亮A等,在代谢过程中能 生成乙酰乙酸(酮体),然后生成乙酰COA,再进一步合成脂肪酸。而生糖AA,通过 直接或间接生成丙酮酸,可以转变为甘油,也可以在氧化脱羧后转变为乙酰COA合 成胆固醇或者经丙二酸单酰COA用于脂肪酸合成。 Met 甲基 丝A脱羧,胶—胆破 脑磷脂 卵磷脂
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 11 页 3 络。 在各种代谢途径形成的交叉网络中，其中三个最关键的中间代谢产物：6-磷酸 葡萄糖、丙酮酸、乙酰辅酶 A。特别是乙酰辅酶 A 是各代谢之间的枢纽物质。通过 三种中间代谢产物使细胞中 4 类主要有机物质：糖、脂类、Pr 和核酸实现相互转交。 一、蛋白质和核酸在物质代谢中起主导地位 核酸→蛋白质（酶）→决定代谢方向、速度、相互关系 归根结底是与基因表达调控有关。 二、蛋白质代谢和糖代谢的关系（通过三羧酸循环相互沟通） 丙 AA 丙酮酸 谷氨酸 α—酮戊二酸 天冬氨酸 草酰乙酸 1、蛋白质转化为糖，首先要水解成 AA。AA 通过脱氨基作用生成相应的α—酮 酸，然后转变为糖异生途径中的某种中间产物，再经糖异生作用合成糖。其中丙 AA、 谷 AA 和天冬 AA 脱氢后分别转变为 TCA 中间物丙酮酸、α—酮戊二酸和草酰乙酸， 经糖异生作用即可生成糖原。其他 AA 需经较复杂的分子结构变化转变成相应的α— 酮酸，再转变成糖原。 2、糖可转变成各种 AA 的碳架结构。丙酮酸是糖代谢的重要中间产物，丙酮酸 经三羧酸循环可以转变为α—酮戊二酸和草酰乙酸，这三种α—酮酸经氨基化或转 氨基作用分别生成丙 AA、谷 AA 和天冬 AA。TCA 的其他中间产物以及磷酸戊糖途径、 卡尔文循环中间物经转化成α—酮酸后，都能为各种 AA 合成提供碳骨架，再经转氨 基作用形成 AA，进而合成蛋白质。 三、脂类代谢和 Pr 代谢关系 -NH2 乙酰 COA 脂肪酸 Pr AA 酮酸 甘油 脂肪 1、 蛋白质可以转变为脂类。在动物体内的生酮 AA 如亮 AA 等，在代谢过程中能 生成乙酰乙酸（酮体），然后生成乙酰 COA，再进一步合成脂肪酸。而生糖 AA，通过 直接或间接生成丙酮酸，可以转变为甘油，也可以在氧化脱羧后转变为乙酰 COA 合 成胆固醇或者经丙二酸单酰 COA 用于脂肪酸合成。 丝 AA 胆胺 胆碱 脑磷脂 卵磷脂 Pr ⎯分解⎯→⎯ aa ⎯脱氨⎯→⎯ 丙酮酸 ⎯糖原异生 ⎯ → ⎯⎯ 糖 脱羧 甲基 Met
物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第4页共11页 丝氨酸脱羧可以转变为胆胺,胆胺在接受S一腺苷甲硫氨酸给出的甲基后,即 形成胆碱,胆碱是脑磷脂的组成成分,胆碱是卵磷脂的组成成分。 2、脂类可以转化为蛋白质(但很有限)动物不易利用脂肪酸合成aa,因为无 乙醛酸循环。 + nHo ≯甘油—丙酮酸 脂肪 TCA + NH2 脂肪酸—乙酰COA—酮酸 乙醛酸循环 琥珀酸(有机酸)蛋白质 由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的。实际上,当乙酰COA进入三羧酸循环从 而形成α一酮酸即AA的碳架时,需要与草酰乙酸缩合后转变成α一酮戊二酸。a 酮戊二酸可经氨基化或转氨基作用生成谷氨酸。如无其他来源的草酰乙酸补充,反 应便不能进行。在植物和微生物中,存在乙醛酸循环,通过合成琥珀酸,回补了三 羧酸循环中的草酰乙酸,从而促进脂肪酸合成氨基酸。但在动物体内不存在乙醛酸 循环。一般来说,动物组织不易利用脂肪酸合成氨基酸 四、糖代谢与脂类代谢相互关系: 糖_EP磷酸二羟丙酮、丙酮酸_脱羧,乙酰COA缩合脂肪酸 (DHAP) 还原 甘油 脂肪 甘油_≯a—甘油磷酸→DAP一→糖 脂肪 脂肪酸一位→乙酰COA-有机酸一→草酰乙酸一→丙酮酸→糖 多吃糖可以使人发胖;用富含碳水化合物的各类饲料可肥育禽类和肉畜。萌发的 花生种子脂肪减少,并变甜,上述例子说明糖一脂在生物体内可以相互转化。 糖是生物体内重要的碳源和能源。糖可通过下述途径转变成脂类;糖分解代谢 的中间产物磷酸二羟丙酮可还原生成磷酸甘油。另一中间产物乙酰COA则可合成长 脂肪酸,此过程所需的NAD門H又可由磷酸戊糖途径提供。作后脂酰C0A与磷酸甘 油酯化而生成脂肪。此外,乙酰C0A还可转变为胆固醇及其衍生物。 脂肪转化成糖由于生物种类不同而有所区别。在动物体内,甘油可经脱氢生成 磷酸二羟丙酮再通过糖异生作用转变为糖,但脂肪酸不能净合成糖,其关键是由丙 酮酸生成乙酰COA的反应不可逆。虽然有实验证明,脂肪酸在动物体内也可转变成 糖,但需要在有其他来源的三羧酸循环中间有机酸回补时,乙酰CO0A才可转变为草 酰乙酸,再经糖异生作用转变为糖。植物和微生物有乙醛酸循环可补充琥珀酸(有 机酸),转变成草酰乙酸后进入糖异生作用生糖。(这一过程主要发生在含脂肪种子 萌发时。)
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 4 页 共 11 页 4 丝氨酸脱羧可以转变为胆胺，胆胺在接受 S—腺苷甲硫氨酸给出的甲基后，即 形成胆碱，胆碱是脑磷脂的组成成分，胆碱是卵磷脂的组成成分。 2、脂类可以转化为蛋白质（但很有限）动物不易利用脂肪酸合成 aa，因为无 乙醛酸循环。 + NH2 甘油 丙酮酸 AA 脂肪 TCA + NH2 脂肪酸 乙酰 COA 酮酸 AA 乙醛酸循环 TCA 琥珀酸（有机酸） 蛋白质 由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的。实际上，当乙酰 COA 进入三羧酸循环从 而形成α—酮酸即 AA 的碳架时，需要与草酰乙酸缩合后转变成α—酮戊二酸。α— 酮戊二酸可经氨基化或转氨基作用生成谷氨酸。如无其他来源的草酰乙酸补充，反 应便不能进行。在植物和微生物中，存在乙醛酸循环，通过合成琥珀酸，回补了三 羧酸循环中的草酰乙酸，从而促进脂肪酸合成氨基酸。但在动物体内不存在乙醛酸 循环。一般来说，动物组织不易利用脂肪酸合成氨基酸。 四、糖代谢与脂类代谢相互关系： 多吃糖可以使人发胖；用富含碳水化合物的各类饲料可肥育禽类和肉畜。萌发的 花生种子脂肪减少，并变甜，上述例子说明糖—脂在生物体内可以相互转化。 糖是生物体内重要的碳源和能源。糖可通过下述途径转变成脂类；糖分解代谢 的中间产物磷酸二羟丙酮可还原生成磷酸甘油。另一中间产物乙酰 COA 则可合成长 链脂肪酸，此过程所需的 NADPH 又可由磷酸戊糖途径提供。作后脂酰 COA 与磷酸甘 油酯化而生成脂肪。此外，乙酰 COA 还可转变为胆固醇及其衍生物。 脂肪转化成糖由于生物种类不同而有所区别。在动物体内，甘油可经脱氢生成 磷酸二羟丙酮再通过糖异生作用转变为糖，但脂肪酸不能净合成糖，其关键是由丙 酮酸生成乙酰 COA 的反应不可逆。虽然有实验证明，脂肪酸在动物体内也可转变成 糖，但需要在有其他来源的三羧酸循环中间有机酸回补时，乙酰 COA 才可转变为草 酰乙酸，再经糖异生作用转变为糖。植物和微生物有乙醛酸循环可补充琥珀酸（有 机酸），转变成草酰乙酸后进入糖异生作用生糖。（这一过程主要发生在含脂肪种子 萌发时。） 糖 磷酸二羟丙酮 丙酮酸 乙酰 COA 脂肪酸 （DHAP） 还原 甘油 脂肪 EMP 脱羧 缩合 脂肪酸 乙酰COA 有机酸 草酰乙酸 丙酮酸 糖 甘油 α 甘油磷酸 DHAP 糖 脂肪 β 氧化 缩合 TCA 脱羧 磷酸化 逆EMP ⎯⎯ →⎯ ⎯⎯→⎯ ⎯⎯→ ⎯⎯→⎯ → ⎯⎯ →⎯ − → ⎯⎯ →⎯ −
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 五、核酸、糖、脂类、P相互关系 1.核酸是Ce1l重要遗传物质,它通过控制Pr的合成影响Ce11组成成分和代谢 类型,一般不是重要的C、N和能源。许多核苷酸在代谢中起重要作用 ATP能量和磷酸基团转移重要物质 UTP单糖和多糖合成 CTP卵磷脂合成 GTP肽链合成供能 2.核酸本身合成又受其它物质特别是Pr的作用和控制 Gly Asp嘌呤与嘧啶环的合成 GIn 综上所述,糖、脂类、Pr和核酸等物质,在代谢中彼此影响,相互转化、密切 相关的,均成了一个完整的统一的代谢过程。 三羧酸循环是各类物质代谢的共同途径,是它们之间联系的渠道,现将四类物 质,主要代谢关系总结如下 各种代谢的关系 蛋白质 脂肪 DHAP飞 甘油脂肪 各 乙酰COA 「酰乙酸 柠檬酸 延胡索酸 琥酮或二酸 分解代谢和合成代谢的单向性 酶对正、逆反应同样促进,而代谢途径中有许多过程是可逆的,然而实际上整 个代谢又是单向的。那么生物是怎样来调节反应方向和正、逆速度防止空转浪费的? (1)分解与合成代谢是分开的,各有自身的途径。(2)在一条代谢途径中某些 关键部位的正逆反应经常是有两种不同的酶所催化,一种酶催化正反应,另一种酶 催化逆反应。(3)这种分开机制可使生物合成和降解途径或正逆反应途径分别处于 力学有利态,远离平衡点,保证单向进行。例糖代谢中有3个部位
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 5 页 共 11 页 5 五、核酸、糖、脂类、Pr 相互关系 1．核酸是 Cell 重要遗传物质，它通过控制 Pr 的合成影响 Cell 组成成分和代谢 类型，一般不是重要的 C、N 和能源。许多核苷酸在代谢中起重要作用。 ATP 能量和磷酸基团转移重要物质 UTP 单糖和多糖合成 CTP 卵磷脂合成 GTP 肽链合成供能 2．核酸本身合成又受其它物质特别是 Pr 的作用和控制 Gly Asp 嘌呤与嘧啶环的合成 Gln 综上所述，糖、脂类、Pr 和核酸等物质，在代谢中彼此影响，相互转化、密切 相关的，均成了一个完整的统一的代谢过程。 三羧酸循环是各类物质代谢的共同途径，是它们之间联系的渠道，现将四类物 质，主要代谢关系总结如下： 各种代谢的关系 六、分解代谢和合成代谢的单向性 酶对正、逆反应同样促进，而代谢途径中有许多过程是可逆的，然而实际上整 个代谢又是单向的。那么生物是怎样来调节反应方向和正、逆速度防止空转浪费的？ （1）分解与合成代谢是分开的，各有自身的途径。（2）在一条代谢途径中某些 关键部位的正逆反应经常是有两种不同的酶所催化，一种酶催化正反应，另一种酶 催化逆反应。（3）这种分开机制可使生物合成和降解途径或正逆反应途径分别处于 力学有利态，远离平衡点，保证单向进行。例糖代谢中有 3 个部位。 蛋白质 糖 a a D H A P P y r - C O 2 种 + C O 2 各 草酰乙酸 脂肪 甘油 脂肪酸 乙酰CoA 柠檬酸 α − 酮或二酸 琥 珀 酸 延胡索酸
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第6页共1页 葡萄糖+ATP 己糖激酶P葡萄糖+ADP 6-P-葡萄糖+Ho_6-P-葡萄糖酶葡萄糖+P 脂肪酸代谢也有类似情况。 不同途径:「脂肪酸合成沿丙二酸单酰C0A途径 脂肪酸氧化沿β一氧化途径 第三节代谢调节 酶水平调节 代谢调节〈激素水平调节 神经系统调节 最基本的调节是以酶为中心的调节。 数量调节 酶水平的调节分为活性调节 酶的定位(区域化分布) 神经系统调节 高等动物的神经系统不仅控制各种生理活动,也管制物质代谢, 激素调节 1、激素→受体→膜结合的腺 磷酸 苷酸环化酶 CAMP一 25-AMP 二酯酶 蛋白激酶→某些酶→代谢效应 DP(二酰基甘油) 、激素→受体→G蛋白→磷酸肌醇酶 代谢效应 IP3(肌醇三磷酸) 、酶水平调节 酶水平调节是生物体内最基本、最普遍的调节方式。酶水平的调节是通过改变 细胞中酶的含量和酶的活性对代谢途径进行调节,是最灵敏、最有效的调节,也是 前研究的较多的代谢调节。主要包括两个方面: )、酶数(含)量调节(粗调)
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 6 页 共 11 页 6 葡萄糖 + ATP 6-P-葡萄糖 + ADP 6-P-葡萄糖 + H2O 葡萄糖 + Pi 脂肪酸代谢也有类似情况。 不同途径： 脂肪酸合成 沿丙二酸单酰 COA 途径 脂肪酸氧化 沿 β 一氧化途径 第三节 代谢调节 酶水平调节 代谢调节 激素水平调节 神经系统调节 最基本的调节是以酶为中心的调节。 数量调节 酶水平的调节分为： 活性调节 酶的定位（区域化分布） 一、神经系统调节 高等动物的神经系统不仅控制各种生理活动，也管制物质代谢。 二、激素调节 1、激素→受体→膜结合的腺 苷酸环化酶 DP（二酰基甘油） 2、激素→受体→G 蛋白→磷酸肌醇酶→ →代谢效应 IP3（肌醇三磷酸） 三、酶水平调节 酶水平调节是生物体内最基本、最普遍的调节方式。酶水平的调节是通过改变 细胞中酶的含量和酶的活性对代谢途径进行调节，是最灵敏、最有效的调节，也是 目前研究的较多的代谢调节。主要包括两个方面： （一）、酶数（含）量调节（粗调） 己糖激酶 6-P-葡萄糖酶 A T P C A M P - A M P 5′ 二酯酶 磷酸 蛋白激酶 → 某些酶 → 代谢效应
物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第7页共11页 通过酶的合成和降解,调节细胞内酶的含量,从而对代谢过程进行调节。酶的 合成主要在基因转录水平进行调节(见14.3),酶的降解速率也通过十分复杂的机 制受到有效的控制。 1、酶降解调节 蛋白水解酶催化使酶降解,控制酶的数量 2、酶的合成调节一一基因调节(表达调控)。 生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平,最根本的还是基因的表达调控 基因表达即遗传信息的转录和翻译过程。 在转录和翻译水平上,都能进行调节,但主要是在转录水平上。 DNA mRNA 蛋白质(酶) () 某些物质通过影响基因活性→影响酶的合成 诱导物一一诱导、促进酶的生成No3一硝酸还原酶一般是底物 阻遇物一一阻遏酶的合成Trp-Trp合成酶般是产物 1961年 Monod和 Jacob提出操纵子模型,成功地解释了酶的诱导与阻遏。 乳糖操纵子学说。 操纵子 调节基因 启动子操纵基因结构基因结构基因结构基因 操纵子一染色体上控制蛋白质(酶)合成的功能单位,包括一个或多个结构基 因及控制结构基因转录的操纵基因和启动子。 调节基因一控制操纵子“开”与“关”,位于操纵子上游,产物阻遏蛋白。 以乳糖操纵子为例说明酶合成的诱导和阻遏。 1、酶合成的诱导 (1)当阻遏蛋白有活性时,可与操纵基因结合,从而阻遏结构基因转录 (2)当阻遏蛋白失活时,结构基因转录 在乳糖操纵子的负调控模型中。 调节基因LacI→阻遏蛋白(有活性)→与操纵基因结合→结构基因不转录(关 7
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 7 页 共 11 页 7 通过酶的合成和降解，调节细胞内酶的含量，从而对代谢过程进行调节。酶的 合成主要在基因转录水平进行调节（见 14.3），酶的降解速率也通过十分复杂的机 制受到有效的控制。 1、酶降解调节 蛋白水解酶催化使酶降解，控制酶的数量。 2、酶的合成调节－－基因调节（表达调控）。 生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平，最根本的还是基因的表达调控。 基因表达即遗传信息的转录和翻译过程。 在转录和翻译水平上，都能进行调节，但主要是在转录水平上。 某些物质通过影响基因活性→影响酶的合成 诱导物－－诱导、促进酶的生成 No3 - --硝酸还原酶 一般是底物 阻遇物－－阻遏酶的合成 Trp--Trp 合成酶 一般是产物 1961 年 Monod 和 Jacob 提出操纵子模型，成功地解释了酶的诱导与阻遏。 乳糖操纵子学说。 操纵子--染色体上控制蛋白质（酶）合成的功能单位，包括一个或多个结构基 因及控制结构基因转录的操纵基因和启动子。 调节基因--控制操纵子“开”与“关”，位于操纵子上游，产物阻遏蛋白。 以乳糖操纵子为例说明酶合成的诱导和阻遏。 1、酶合成的诱导 （1）当阻遏蛋白有活性时，可与操纵基因结合，从而阻遏结构基因转录 （2）当阻遏蛋白失活时，结构基因转录 在乳糖操纵子的负调控模型中。 调节基因 LacI→阻遏蛋白（有活性）→与操纵基因结合→结构基因不转录（关 调节基因 启动子 操纵基因 结构基因 结构基因 结构基因 操纵子 蛋白质( ) 酶 D N A m R N A
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第8页共11页 诱导物(常是结构基因产物一酶的作用底物或底物类似物)与阻遏蛋白结合→ 阻遏蛋白变构失活→结构基因转录 调G G ① 结构基因不能转录翻译 结构基因打开 ②(多诱导物 2、酶合成的阻遏 ①阻遏蛋白无活性,不与操G结合, 结构基因打开→合成蛋白酶)调节G 操G结构 ②辅助遏的与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白结构激活,与操纵基因结合,结构基因 关闭。 乳糖操纵子的正调控P379 酶活性调节(微调) 在酶已合成的情况下,通过酶活性状态的变化,对代谢进行调节控制。 (一)酶原激活 二)共价修饰调节与级联放大 (三)变构调节 (四)辅因子调节
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 8 页 共 11 页 8 闭） 诱导物（常是结构基因产物—酶的作用底物或底物类似物）与阻遏蛋白结合→ 阻遏蛋白变构失活→结构基因转录 ① ② 2、酶合成的阻遏 ①阻遏蛋白无活性，不与操 G 结合， ②辅助遏的与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白结构激活，与操纵基因结合，结构基因 关闭。 乳糖操纵子的正调控 P379 二、酶活性调节（微调） 在酶已合成的情况下，通过酶活性状态的变化，对代谢进行调节控制。 （一）酶原激活 （二）共价修饰调节与级联放大 （三）变构调节 （四）辅因子调节 调G 操G 诱导物 结构基因不能转录翻译 结构基因打开 结构G 调节G 操G 结构G 结构基因打开 → 合成蛋白( ) 酶 调节G 操G 结构G
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第9页共11页 一)酶原激活 无活性)酶原一蛋白质,酯活性) (二)共价修饰调节与级联放大 1、共价修饰调节 种酶可由其它酶对其结构进行共价修饰,即以共价插入或附着一特殊的基团 于酶分子上,使其在活性形式或非活性形式之间转变 修饰形式: (1)磷酸化/去磷酸化 (2)乙酰化/去乙酰化 (3)腺苷酰化/去腺苷酰化 (4)尿苷酰化/去尿苷酰化 (5)甲基化/去甲基化 (6)S-S/SH 其中以磷酸化/去磷酸化最重要、最普遍、最灵敏,机制呈多样化,是高等动 植物酶化学修饰的主要形式,细菌主要是核苷酰化形式。 激酶44TP4DP 2磷酸化酶b(无活性) 磷酸化酶a(有活性) 酯酶 、级联放大系统 连锁代谢反应中多个酶的化学修饰配合进行,当其中的一个酶被激活后,连锁 的反应中的其它酶被激活,导致原始信号逐级放大,催化效率逐渐放大。 激素→腺苷酸环化酶(cAP)→蛋白激酶(活性无→有)→酸磷酸化酶(b→a) (三)变构调节 这种调节作用由变构酶(别构酶)调节。 调节物与酶分子中的调节中心(变构中心)结合后,诱导出酶分子的某种构象, 改变催化活性,调节反应速度及代谢过程 前馈激活 分为 抑制 反馈激活 抑制
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 9 页 共 11 页 9 （一）酶原激活 （无活性） （有活性） （二）共价修饰调节与级联放大 1、共价修饰调节 一种酶可由其它酶对其结构进行共价修饰，即以共价插入或附着一特殊的基团 于酶分子上，使其在活性形式或非活性形式之间转变。 修饰形式： （1）磷酸化/去磷酸化 （2）乙酰化/去乙酰化 （3）腺苷酰化/去腺苷酰化 （4）尿苷酰化/去尿苷酰化 （5）甲基化/去甲基化 （6）S-S/SH 其中以磷酸化/去磷酸化最重要、最普遍、最灵敏，机制呈多样化，是高等动、 植物酶化学修饰的主要形式，细菌主要是核苷酰化形式。 例 2、级联放大系统 连锁代谢反应中多个酶的化学修饰配合进行，当其中的一个酶被激活后，连锁 的反应中的其它酶被激活，导致原始信号逐级放大，催化效率逐渐放大。 激素→腺苷酸环化酶（cAMP）→蛋白激酶（活性无→有）→酸磷酸化酶（b→a）。 （三）变构调节 这种调节作用由变构酶（别构酶）调节。 调节物与酶分子中的调节中心（变构中心）结合后，诱导出酶分子的某种构象， 改变催化活性，调节反应速度及代谢过程。 酶原⎯蛋白质 ⎯ → ⎯⎯ 酶 激活 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 抑制 反馈 激活 抑制 前馈 激活 分为 4 A T P 4 A D P 4 P i 4 H 2 O P P P P 激酶 酯酶 2磷酸化酶b(无活性) 磷酸化酶a(有活性)
生物化学:代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 10页共11页 1、限速步骤和标兵酶 若B→C进行慢,则C供应减少,以后的一系列反应跟着减慢,B→C为整个代 谢过程的限速步骤。催化B→C的酶为标兵酶 标兵酶是一种调节酶,常常是变构酶, 2、反馈抑制 产物(终产物)对反应本身的抑制。系列反应中终产物对反应序列前头的标 兵酶发生的抑制作用,从而调节了整个系列反应速度 分为: 单价反馈抑制:一个单一代谢途径的末端产物对标兵酶活性的抑制作用。 价反馈抑制:在分支代谢途径中,两个或两个以上的分支末端代谢产物对共同代 谢途径中第一个酶的抑制作用 二价反馈抑制(机理)又分为: (1)顺序反馈抑制 X、Y分别抑制d、d,使D积累,D又对a进行抑制 (2)协同反馈抑制 A→aB→ X、Y除分别对d、d‘进行抑制外二者协同抑制a,但X或Y单独对a不抑制。 (3)积暴反馈抑制 AaB→C→D
生物化学: 代谢调节 山农大生物化学与分子生物学系 第 10 页 共 11 页 10 1、限速步骤和标兵酶 A→B→C→D→P 若 B→C 进行慢，则 C 供应减少，以后的一系列反应跟着减慢，B→C 为整个代 谢过程的限速步骤。催化 B→C 的酶为标兵酶。 标兵酶是一种调节酶，常常是变构酶。 2、反馈抑制 产物（终产物）对反应本身的抑制。系列反应中终产物对反应序列前头的标 兵酶发生的抑制作用，从而调节了整个系列反应速度。 分为： 单价反馈抑制：一个单一代谢途径的末端产物对标兵酶活性的抑制作用。 二价反馈抑制：在分支代谢途径中，两个或两个以上的分支末端代谢产物对共同代 谢途径中第一个酶的抑制作用。 二价反馈抑制（机理）又分为： （1）顺序反馈抑制 X、Y 分别抑制 d、dˊ，使 D 积累，D 又对 a 进行抑制。 （2）协同反馈抑制 X、Y 除分别对 d、dˊ进行抑制外二者协同抑制 a，但 X 或 Y 单独对 a 不抑制。 （3）积累反馈抑制 A B A B C D X Y d′ d d ′ A B C D X Y a d Y X A B C D a Y X A B C D
