东北林业大学：《生物化学》课程教学资源（教材讲义）第十四章代谢调节.doc_大学文库

第十三章代谢调节新陈代谢是指生物体内的一切分解和合成的作用，它是生物最基本的特征之一。新陈代谢有其自身的特点。首先，新陈代谢过程是由一系列多步骤的中间反应组成的。这些反应互相协调和制约，有条不紊、有序地进行。第二，代谢反应是在比较温和的条件下进行的，绝大多数都由酶催化，表现出灵活的自我调节。代谢物通过影响酶的活性和酶量的变化，改变合成和分解反应的速度，这是一切调节的基础。多步骤反应受多个酶的调节，因而有较大的可变性和适应性，而且能最有效地利用能量。第三，代谢调节是生物在长期演化过程中，为适应环境需要而形成的。新陈代谢既是一个互相联系、错综复杂的变化过程，又是一个通过机体自身调节使之保持相对平衡的稳定过程。代谢周节是指细胞内的代谢速度按照生物的需要而记改变的一种生理作用。进化愈高的生物，其代谢调节的机构就愈复杂，随着生物由单细胞进化为多细胞，除了在细胞和分子水平的调节外，还有更高层次的激素水平（组织和器官）和整体水平神经和维管束系统)的调节。本章主要介绍生物体内各类物质代谢的相互联系，以及细胞和分子水平的代谢调节。细胞和分子水平的调节可有两种方式：一种是酶量的调节，为缓慢调节类型。它是通过改变酶分子合成或降解的速度来改变细胞内酶的含量。另一种是酶活性的调节，属于快速调节类型。它是通过酶分子结构的改变来实现对酶促反应速度的调节。酶在细胞内有一定的布局，互相有关的酶往往组成一个多酶系统而分布于胞内特定部位，这些酶互相靠近、容易接触，使反应迅速进行：而其他酶系则分布在不同部位，各不相扰。这样的分隔分布为细胞水平的精确调节创造了有利条件，以保证代谢顺利进行生物机体的代谢是和机体的内外环境分不开的，生物具有适应环境的能力，当内外条件改变时，生物机体能调整和改变其体内的代谢过程，建立新的代谢平衡，以适应变化了的环境，因此代谢平衡是动态的、相对的。生物体生长发育的全过程就是一个不断地进行代谢调节的过程。第一节代谢途径的相互联系生物界，包括人类、动物、植物和微生物，尽管其结构特征和生活方式多种多样，千变万化。然而，它们却有着共同的最基本的新陈代谢过程，这表明地球上的生物有统一的起源。所有细胞都是由多糖、脂类复合物、蛋白质和核酸四类生物大分子，为数有限的生物 321

321 第十三章代谢调节新陈代谢是指生物体内的一切分解和合成的作用，它是生物最基本的特征之一。新陈代谢有其自身的特点。首先，新陈代谢过程是由一系列多步骤的中间反应组成的。这些反应互相协调和制约，有条不紊、有序地进行。第二，代谢反应是在比较温和的条件下进行的，绝大多数都由酶催化，表现出灵活的自我调节。代谢物通过影响酶的活性和酶量的变化，改变合成和分解反应的速度，这是一切调节的基础。多步骤反应受多个酶的调节，因而有较大的可变性和适应性，而且能最有效地利用能量。第三，代谢调节是生物在长期演化过程中，为适应环境需要而形成的。新陈代谢既是一个互相联系、错综复杂的变化过程，又是一个通过机体自身调节使之保持相对平衡的稳定过程。代谢调节是指细胞内的代谢速度按照生物的需要而改变的一种生理作用。进化愈高的生物，其代谢调节的机构就愈复杂，随着生物由单细胞进化为多细胞，除了在细胞和分子水平的调节外，还有更高层次的激素水平(组织和器官)和整体水平(神经和维管束系统)的调节。本章主要介绍生物体内各类物质代谢的相互联系，以及细胞和分子水平的代谢调节。细胞和分子水平的调节可有两种方式：一种是酶量的调节，为缓慢调节类型。它是通过改变酶分子合成或降解的速度来改变细胞内酶的含量。另一种是酶活性的调节，属于快速调节类型。它是通过酶分子结构的改变来实现对酶促反应速度的调节。酶在细胞内有一定的布局，互相有关的酶往往组成一个多酶系统而分布于胞内特定部位，这些酶互相靠近、容易接触，使反应迅速进行；而其他酶系则分布在不同部位，各不相扰。这样的分隔分布为细胞水平的精确调节创造了有利条件，以保证代谢顺利进行。生物机体的代谢是和机体的内外环境分不开的，生物具有适应环境的能力，当内外条件改变时，生物机体能调整和改变其体内的代谢过程，建立新的代谢平衡，以适应变化了的环境，因此代谢平衡是动态的、相对的。生物体生长发育的全过程就是一个不断地进行代谢调节的过程。第一节代谢途径的相互联系生物界，包括人类、动物、植物和微生物，尽管其结构特征和生活方式多种多样，千变万化。然而，它们却有着共同的最基本的新陈代谢过程，这表明地球上的生物有统一的起源。所有细胞都是由多糖、脂类复合物、蛋白质和核酸四类生物大分子，为数有限的生物

代谢物，如己糖、戊糖、生糖氨基酸和甘油降解为丙酮酸然后生成乙酰辅酶A,同样脂肪酸和生酮氨基酸也降解为乙酰辅酶A和其他几个末端产物：最后阶段是乙酰辅酶A和其他产物氧化成水和CO2。合成代谢则经历反向的三个阶段，首先是以分解代谢第三阶段中生成的（或从环境中摄入的)小分子作为起始原料合成简单有机物。不同的生物所利用的起始原料很不相同，基本上分为二类，一类以二氧化碳为同化起始物合成各种有机物质（称为自养生物），不需要由外界提供有机的碳化合物，如高等绿色植物、蓝绿藻、光合细菌、硝酸和亚硝酸细菌等。另一类只能利用有机碳化物为起始原料（称为异养生物），如所有较高等的动物、无光合作用的植物细胞、大多数微生物等。第二阶段是简单的有机物进一步合成构造大分子所需要的单体。如ā酮酸与氨基供体反应生成ā氨基酸，磷酸丙糖生成磷酸己糖和磷酸戊糖。丙酮酸经糖原异生作用生成的单酰乙酰辅酶A可缩合生成脂肪酸，磷酸二羟丙酮可还原为甘油。第三阶段是由单体合成大分子化合物，如ā氨基酸结合成多肽：磷酸己糖合成多糖：磷酸戊糖先形成核苷酸，然后合成核酸：甘油和脂肪酸合成脂肪。分解代谢从各种不同的多糖、脂肪、蛋白质开始逐步形成共同的中间代谢物到第三阶段则集中到一个共同的代谢途径三羧酸循环中。当然，在复杂的代谢中第二阶段的氨基酸甘油、单糖等单体并不是都要经过三羧酸循环，也可以直接作为合成大分子的中间物。合成代谢则与之相反，一开始是共同的少数起始原料，然后逐步分化，经过第二阶段到第阶段产生了许多分枝途径，合成了许多不同类型的生物大分子。生物大分子具有高度的特异性，正是它们决定了生物物种和个体之间的差异。生物机体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，如氧化还原、基团转移、水解脱水、裂解合成、异构反应等，转化成种类繁多的分子。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影响和相互转化。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、运转良好的代谢网络。其中三个最关键的中间代谢物是6磷酸葡萄糖、丙酮酸和乙酰辅酶A。二、代谢的单向性和多酶系统分解代谢和合成代谢可以是同一反应的逆转，但是事实上并不完全如此，整个代谢过程都是单向的。例如，从葡萄糖降解成丙酮酸的酶共有十种，其中有三个酶参与的反应在合成代谢过程中都是由别的酶或别的代谢途径所替代。也就是说在某些关键部位的正逆反应往往是相对独立的单向反应，分别由不同的酶作化。这样可以从分解和合成两个方向分别形成更有效的调节，在需要某一途径开放时另一途径就关闭，这种双重调节是代谢的普遍现象。细胞中的酶常常为了催化一系列连锁反应而联系成多酶系统，根据结构的复杂程度多酶系统可分三种类型。第一种类型酶分子呈溶解状态，底物和产物一般均为小分子。扩散速度快，易从一个酶分子扩散到另一个酶分子。第二种类型酶分子结构较紧密，各个酶分子中间靠物理性质吸附，在功能上组成一个多酶系统，如脂肪酸合成酶系和丙酮酸脱氢酶系，分别由7种和3种酶组合在一起，形城不易解离的复合体，一旦分开后就失去活性，底物分子并不离开酶系，不扩散出去，可连续作用，提高了反应速率。第三种类型酶连接在 323

323 代谢物，如己糖、戊糖、生糖氨基酸和甘油降解为丙酮酸然后生成乙酰辅酶A，同样脂肪酸和生酮氨基酸也降解为乙酰辅酶A和其他几个末端产物；最后阶段是乙酰辅酶A和其他产物氧化成水和CO2。合成代谢则经历反向的三个阶段，首先是以分解代谢第三阶段中生成的（或从环境中摄入的）小分子作为起始原料合成简单有机物。不同的生物所利用的起始原料很不相同，基本上分为二类，一类以二氧化碳为同化起始物合成各种有机物质（称为自养生物），不需要由外界提供有机的碳化合物，如高等绿色植物、蓝绿藻、光合细菌、硝酸和亚硝酸细菌等。另一类只能利用有机碳化物为起始原料（称为异养生物），如所有较高等的动物、无光合作用的植物细胞、大多数微生物等。第二阶段是简单的有机物进一步合成构造大分子所需要的单体。如α-酮酸与氨基供体反应生成α-氨基酸，磷酸丙糖生成磷酸己糖和磷酸戊糖。丙酮酸经糖原异生作用生成的单酰乙酰辅酶A可缩合生成脂肪酸，磷酸二羟丙酮可还原为甘油。第三阶段是由单体合成大分子化合物，如α-氨基酸结合成多肽；磷酸己糖合成多糖；磷酸戊糖先形成核苷酸，然后合成核酸；甘油和脂肪酸合成脂肪。分解代谢从各种不同的多糖、脂肪、蛋白质开始逐步形成共同的中间代谢物到第三阶段则集中到一个共同的代谢途径三羧酸循环中。当然，在复杂的代谢中第二阶段的氨基酸、甘油、单糖等单体并不是都要经过三羧酸循环，也可以直接作为合成大分子的中间物。合成代谢则与之相反，一开始是共同的少数起始原料，然后逐步分化，经过第二阶段到第一阶段产生了许多分枝途径，合成了许多不同类型的生物大分子。生物大分子具有高度的特异性，正是它们决定了生物物种和个体之间的差异。生物机体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，如氧化还原、基团转移、水解脱水、裂解合成、异构反应等，转化成种类繁多的分子。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影响和相互转化。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、运转良好的代谢网络。其中三个最关键的中间代谢物是6-磷酸葡萄糖、丙酮酸和乙酰辅酶A。二、代谢的单向性和多酶系统分解代谢和合成代谢可以是同一反应的逆转，但是事实上并不完全如此，整个代谢过程都是单向的。例如，从葡萄糖降解成丙酮酸的酶共有十种，其中有三个酶参与的反应在合成代谢过程中都是由别的酶或别的代谢途径所替代。也就是说在某些关键部位的正逆反应往往是相对独立的单向反应，分别由不同的酶催化。这样可以从分解和合成两个方向分别形成更有效的调节，在需要某一途径开放时另一途径就关闭，这种双重调节是代谢的普遍现象。细胞中的酶常常为了催化一系列连锁反应而联系成多酶系统，根据结构的复杂程度多酶系统可分三种类型。第一种类型酶分子呈溶解状态，底物和产物一般均为小分子。扩散速度快，易从一个酶分子扩散到另一个酶分子。第二种类型酶分子结构较紧密，各个酶分子中间靠物理性质吸咐，在功能上组成一个多酶系统，如脂肪酸合成酶系和丙酮酸脱氢酶系，分别由7种和3种酶组合在一起，形成不易解离的复合体，一旦分开后就失去活性，底物分子并不离开酶系，不扩散出去，可连续作用，提高了反应速率。第三种类型酶连接在

草上或核蛋白体上，如氧化电子传递链旅系，电子从底物传到氧，这些髓都在线拉体内榄上。光合电子传递链酶系电子从HO传递到NADP,这些酶都在叶绿体的内囊体膜上。它们就是膜结构的一部分。另外，有一些酶能可逆地与膜结合，称之为双关酶(ambiguous enzyme)。它们有溶解态和膜结合态二种形式。通过与膜的结合与解离迅速调节其活性，应答迅速、灵敏。如糖酵解中的己糖激酶、氨基酸代谢中的谷氨酸脱氢酶以及一些参与蛋白质共价修饰的激酶和磷酸（酯）酶等，是细跑代谢调节的重要方式之一。三、代谢与能量在分解代谢和合成代谢过程中都包括有能量的释放和利用。生物体内涉及到能量转换的一切变化都遵循热力学的规律。一种需能反应与另一种放能反应联系在一起，使两个反应都能进行，这就是活细胞中经常出现的偶联作用(coupling)。有机体从环境中获得能量的方式各有不同，有的利用太阳的辐射能，有的利用氧化还原反应中释放出来的化学能，不管哪种形式，细胞都能将它转变成高能分子ATP。ATP的末端磷酸根的转换率很高，处于迅速代谢之中，在它水解脱去一个磷酸根时，大约释放出 2.9X10J/mol的能量。在完整细胞恒态情况下，ATP、ADP、AMP的浓度是相对稳定的，可以用能荷的概念来表示细胞中腺苷酸库的高能磷酸化状态。其定义如下：能荷= [ATP]+0.5[ADP] ATPI+ADPI+[AMPI 从理论上讲，能荷数值可以从零到1.0。但根据测定，大多数细胞中ATP的相对浓度较高能荷值在0.8到0.9S之间。当细胞消耗较多的能量时，ATP的浓度下降，ADP浓度上升。能荷稍有下降，立即促进糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化和光合磷酸化过程，生成ATP。反之，当ATP积累时，上述过程就被抑制，以降低ATP的生成速度。因为ATP的合成都是由别构酶控制，ATP、ADP和AMP又往往是这些别构酶的调节物。所以胞内ATP水平较为恒定，并不发生大幅度的变化。放能和需能的反应相偶联，以ATP为中心一方面有利于化学能的保存和利用，一方面有利于代谢过程的顺利进行。生物合成往往是一种吸能反应或者是一种还原过程，它通过与能量载体ATP的水解相偶联或者由还原型辅酶NADPH提供还原力（即氢和电子供体）。分解代谢则是放能反应或者是一种氧化过程，生物体内除了ATP-ADP-AMP系统外，其他的核苷酸也参与能量的运转过程。这些核苷酸与ATP之间可以互相转换，共同参与生物大分子的合成过程 A TP U TP A TP GIP AIP CIP 生物体内的高能化多糖蛋白质 RNA DNA 合物除了核苷三磷酸外，还有1，子二磷酸甘油酸中的酰基磷酸键。另外，如烯醇酯、硫酯和磷酸胍化合物，如

324 膜上或核蛋白体上，如氧化电子传递链酶系，电子从底物传到氧，这些酶都在线粒体内膜上。光合电子传递链酶系电子从H2O传递到NADP+，这些酶都在叶绿体的内囊体膜上。它们就是膜结构的一部分。另外，有一些酶能可逆地与膜结合，称之为双关酶（ambiguous enzyme）。它们有溶解态和膜结合态二种形式。通过与膜的结合与解离迅速调节其活性，应答迅速、灵敏。如糖酵解中的己糖激酶、氨基酸代谢中的谷氨酸脱氢酶以及一些参与蛋白质共价修饰的激酶和磷酸（酯）酶等，是细胞代谢调节的重要方式之一。三、代谢与能量在分解代谢和合成代谢过程中都包括有能量的释放和利用。生物体内涉及到能量转换的一切变化都遵循热力学的规律。一种需能反应与另一种放能反应联系在一起，使两个反应都能进行，这就是活细胞中经常出现的偶联作用（coupling）。有机体从环境中获得能量的方式各有不同，有的利用太阳的辐射能，有的利用氧化还原反应中释放出来的化学能，不管哪种形式，细胞都能将它转变成高能分子ATP。ATP的末端磷酸根的转换率很高，处于迅速代谢之中，在它水解脱去一个磷酸根时，大约释放出 2.9×104 J/ mol的能量。在完整细胞恒态情况下，ATP、ADP、AMP的浓度是相对稳定的，可以用能荷的概念来表示细胞中腺苷酸库的高能磷酸化状态。其定义如下：能荷 [ATP] [ATP] [ADP] [AMP] [ADP] = +0.5 + + 从理论上讲，能荷数值可以从零到1.0。但根据测定，大多数细胞中ATP的相对浓度较高，能荷值在0.8到0.95之间。当细胞消耗较多的能量时，ATP的浓度下降，ADP浓度上升。能荷稍有下降，立即促进糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化和光合磷酸化过程，生成ATP。反之，当ATP积累时，上述过程就被抑制，以降低ATP的生成速度。因为ATP的合成都是由别构酶控制，ATP、ADP和AMP又往往是这些别构酶的调节物。所以胞内ATP水平较为恒定，并不发生大幅度的变化。放能和需能的反应相偶联，以ATP为中心，一方面有利于化学能的保存和利用，一方面有利于代谢过程的顺利进行。生物合成往往是一种吸能反应或者是一种还原过程，它通过与能量载体ATP的水解相偶联或者由还原型辅酶NADPH提供还原力(即氢和电子供体)。分解代谢则是放能反应或者是一种氧化过程，生物体内除了ATP-ADP-AMP系统外，其他的核苷酸也参与能量的运转过程。这些核苷酸与ATP之间可以互相转换，共同参与生物大分子的合成过程。生物体内的高能化合物除了核苷三磷酸外，还有1，3-二磷酸甘油酸中的酰基磷酸键。另外，如烯醇酯、硫酯和磷酸胍化合物，如

磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰辅酶A和磷酸肌酸等也是高能化合物。第二节酶量的调节酶含量的调节就是指对酶的合成和降解的调节，决定酶结构和合成时序的信息编码在核酸分子中表现为特定的核苷酸序列。生物在生长发育过程中，遗传信息的展现可按一定的时间程序发生改变，而且随着内外环境条件的变化而加以调整，这就是时序调节和适应调节。原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，并且转录和翻译可在相同时间和位置上发生，其基因调节主要是在转录水平上进行。真核生物由于存在细胞核结构的分化，转录和翻译在时间和空间上被分隔开，并且在转录后和翻译后都有复杂的信息加工过程，因此真核生物基因的表达需要在更多的层次上进行调节。一、酶合成的调节生物体内某些酶的数量是大致不变的，而有一些酶只有当诱导物存在时才诱导其合成。或者有终产物存在时才阻遏其合成。因此这些酶的合成显然受某种调节机制的控制。下面首先介绍转录水平上基因表达的调节。 1.转录水平的调节诱导和阻遏 (I)操纵子模型操纵子模型(operon model)是由法国巴斯德研究所的Monod和acob 于1961年提出来的。该模型可以很好地说明原核生物基因表达的调节机制。大肠杆菌乳糖操纵子（图132）是第一个被发现的操纵子。所谓操纵子是指在转录水平上控制基因表达的协调单位。它包括启动子(promoter,P)、操纵基因(operator gene,.O)以及在功能上彼此相关的几个结构基因(structural gene,S)。DNA是遗传信息的载体，信息通过蛋调节基因操纵基因乳结构基 3E十☐二二二EL十Lac:Lacy Lac▣5DNA mRNA 0 RNAZ ORNAy mRNAa -0 (00000)(0000）(0000)/ 阻蛋白半老辣图132乳糖操纵子模型白质的结构体现出来。遗传学上一般将决定某种蛋白质的某一段DNA称为某基因。按照基 325

因产物的性质，基因可区分为结构基因、调节基因以及一类没有基因产物的基因。结构基因的产物是酶、结构蛋白、抗原蛋白等：调节基因(I)的产物是阻遏蛋白或诱导蛋白，它们对结构基因的活动具有调控作用：启动子和操纵基因则是没有基因产物的基因。启动子是在转录合成mRNA时RNA聚合酶附着的位置，操纵基因是阻遇蛋白的结合位置。大肠杆菌乳糖操纵子包括依次排列的启动子、操纵基因和三个结构基因：LacZ、LacY和LacA, 分别编码B半乳糖苷酶、乳糖透性酶和半乳糖苷转乙酰酶。调节基因和这三个结构基因并不相连。酶的诱导和阻遏是在调节基因的产物阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因（或结构基因组）的转录而发生的。上述三种酶的转录受同一操纵基因的控制，转录出单个多顺反子mRNA(polycistrinic mRNA)。 (2)调节基因产物对转录的调控调节基因产物对转录的调节可以有正调和负调两种。调节基因的产物阻遏物(r©pressor)是一种变构蛋白，能够与操纵基因结合，抑制转录进行，为负调节物。大肠杆菌在以乳糖为碳源的培养基上生长时，首先要经过一段适应期才能开始生长繁殖。细菌要利用乳糖时必须通过B.半乳糖苷酶将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。有人测定在未加乳糖以前每个细胞中只含5个酶分子，当加入乳糖2~3m后，酶分子增加到5000个。这种由于某种诱导物的存在，其体内含量明显增加的酶称之为诱导酶。 B半乳糖苷酶是研究得最早而且最为深入的一种诱导酶。乳糖或者其他含有半乳糖苷结构的，能起诱导作用的小分子物质为诱导物。这种酶的诱导现象也是生物自身调节的一种方式，大肠杆菌的生长环境中如果没有乳糖等诱导物时，阻遏物与操纵基因0结合，以物理方式阻止RNA聚合酶在启动子上的结合从而阻止RNA合成的起始，也就是说半乳糖苷酶的合成是处于被阻遏状态（图133）。当有诱导物存在时，阻遏物和诱导物结合从而改变阻遏物的构象，不再和操纵基因O结合，于是RNA聚合酶可以沿DNA移动，转录出mRNA, 酶的合成也就能进行（图133b)。如果调节基因（）发生突变，阻遏物的构象则发生变化，不能和O位点结合，这种突变型不需诱导便有酶合成，使酶由诱导型变成组成型。在合成代谢过程中，催化氨基酸（或其它小分子最终产物）合成的酶随时都有需要，细胞中这些酶的合成经常处在去阻遏状态，因为这类操纵子的调节基因产物处于无活性状态，不能与操纵基因结合，因此转录和翻译都能正常进行（图133）。当细胞中一旦有过量的终产物积累时，合成酶的基因即关闭（图13-3）。例如色氨酸操纵子控制着5种与色氨酸合成相关的酶的合成，分别由tpE、D、C、B、A编码。只有当胞内色氨酸缺乏时这5 个结构基因才表达。在此，色氨酸不是诱导物，而是一种辅阻遏物(corepressor)。当有辅阻遏物存在并与无活性的阻遏物结合后，便激活了阻遏物。这种活化了的阻遏物能和操纵基因结合，于是转录被抑制。在诱导作用中的诱导物和阻遏作用中的辅阻遏物都是与阻遏物相结合，通过改变阻遏物的构象，影响它与操纵基因的结合活性，控制转录的起始。 (3)分解代谢物阻遏人们还观察到，大肠杆菌如果培养在既含葡萄糖又含乳糖的培养基上时，在葡萄糖没有用完之前，乳糖并不能诱导B半乳糖苷酶等三种酶的形成。这是由于葡萄糖降解物(catablite)通过降低胞内环腺苷酸(cAMP)的含量阻遏了对这三种酶的诱导合成作用，这种阻遏称为分解代谢物阻遏。在这里调节基因的产物为cMP受体蛋白(CRP),也称为降解物基因活化蛋白(CAP)。CAP起的是正调节作用。当它与CAMP

326 因产物的性质，基因可区分为结构基因、调节基因以及一类没有基因产物的基因。结构基因的产物是酶、结构蛋白、抗原蛋白等；调节基因（Ⅰ）的产物是阻遏蛋白或诱导蛋白，它们对结构基因的活动具有调控作用；启动子和操纵基因则是没有基因产物的基因。启动子是在转录合成mRNA时RNA聚合酶附着的位置，操纵基因是阻遏蛋白的结合位置。大肠杆菌乳糖操纵子包括依次排列的启动子、操纵基因和三个结构基因：Lac Z、Lac Y和Lac A，分别编码β-半乳糖苷酶、乳糖透性酶和半乳糖苷转乙酰酶。调节基因和这三个结构基因并不相连。酶的诱导和阻遏是在调节基因的产物阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因（或结构基因组）的转录而发生的。上述三种酶的转录受同一操纵基因的控制，转录出单个多顺反子mRNA（polycistrinic mRNA）。（2）调节基因产物对转录的调控调节基因产物对转录的调节可以有正调和负调两种。调节基因的产物阻遏物（repressor）是一种变构蛋白，能够与操纵基因结合，抑制转录进行，为负调节物。大肠杆菌在以乳糖为碳源的培养基上生长时，首先要经过一段适应期才能开始生长繁殖。细菌要利用乳糖时必须通过β-半乳糖苷酶将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。有人测定在未加乳糖以前每个细胞中只含5个酶分子，当加入乳糖2～3min后，酶分子增加到5 000个。这种由于某种诱导物的存在，其体内含量明显增加的酶称之为诱导酶。 β-半乳糖苷酶是研究得最早而且最为深入的一种诱导酶。乳糖或者其他含有半乳糖苷结构的，能起诱导作用的小分子物质为诱导物。这种酶的诱导现象也是生物自身调节的一种方式，大肠杆菌的生长环境中如果没有乳糖等诱导物时，阻遏物与操纵基因O结合，以物理方式阻止RNA聚合酶在启动子上的结合从而阻止RNA合成的起始。也就是说半乳糖苷酶的合成是处于被阻遏状态（图13-3a）。当有诱导物存在时，阻遏物和诱导物结合从而改变阻遏物的构象，不再和操纵基因O结合，于是RNA聚合酶可以沿DNA移动，转录出mRNA，酶的合成也就能进行（图13-3b）。如果调节基因（I）发生突变，阻遏物的构象则发生变化，不能和O位点结合，这种突变型不需诱导便有酶合成，使酶由诱导型变成组成型。在合成代谢过程中，催化氨基酸（或其它小分子最终产物）合成的酶随时都有需要，细胞中这些酶的合成经常处在去阻遏状态，因为这类操纵子的调节基因产物处于无活性状态，不能与操纵基因结合，因此转录和翻译都能正常进行（图13-3c）。当细胞中一旦有过量的终产物积累时，合成酶的基因即关闭（图13-3d）。例如色氨酸操纵子控制着5种与色氨酸合成相关的酶的合成，分别由trpE、D、C、B、A编码。只有当胞内色氨酸缺乏时这5 个结构基因才表达。在此，色氨酸不是诱导物，而是一种辅阻遏物（corepressor）。当有辅阻遏物存在并与无活性的阻遏物结合后，便激活了阻遏物。这种活化了的阻遏物能和操纵基因结合，于是转录被抑制。在诱导作用中的诱导物和阻遏作用中的辅阻遏物都是与阻遏物相结合，通过改变阻遏物的构象，影响它与操纵基因的结合活性，控制转录的起始。（3）分解代谢物阻遏人们还观察到，大肠杆菌如果培养在既含葡萄糖又含乳糖的培养基上时，在葡萄糖没有用完之前，乳糖并不能诱导B-半乳糖苷酶等三种酶的形成。这是由于葡萄糖降解物（catablite）通过降低胞内环腺苷酸（cAMP）的含量阻遏了对这三种酶的诱导合成作用，这种阻遏称为分解代谢物阻遏。在这里调节基因的产物为cAMP受体蛋白（CRP），也称为降解物基因活化蛋白（CAP）。CAP起的是正调节作用。当它与cAMP

录139个核苷酸的前导序列。只有当前导RNA不形成终止子结构时，才会使转录继续，直到合成含有S个结构基因产物的全长mRNA。以前导RNA为模板可合成一小肽，并利用核糖体的空间位置去调节终止子的形成。这类前导RNA序列往往含有多个调节物氨基酸的密码子，如色氨酸操纵子的前导NA含2个连续排列的色氨酸密码子，组氨酸操纵子的前导 RNA含7个组氨酸密码子，亮氨酸操纵子前导RNA含4个亮氨酸密码子。这些密码子可以使翻译前导肽的核糖体因色氨酸原料的缺乏而在此停止前进，终止子结构无法形成（见图13-5b),转录继续下去，结构基因得以表达。当胞内各种氨基酸都缺乏（见图135a, 前导肽不能合成)或各种氨基酸都丰富时（图135C,前导肽可通过色氨酸密码子继续翻译使核糖体处于2部位)均能形成终止子结构，使转录停止，结构基因不表达。很明显衰减子的调节是通过已转录的前导NA在翻译水平上调节终止子信号形成，终止已开始的转录过程。这与阻遏蛋白阻止转录起始的机理完全不同。在体内这两种调节方式可能同时存在，衰减作用是比阻遏作用更为精细的调节。扩增或重组，DNA的碱基通过甲基化，形成高度凝缩的异染色质，而关闭某些基因的表达。反之，通过脱甲基化，形成比较疏松的常染色质，使基因活化，活化是进行转录的前提。 2.转录后的调节真核生物基因表达的调控是一个多阶段的过程。从基因转录直到成熟的蛋白质产生经历了一系列步骤，其调控并不限于转录过程。通常对mRNA转录后的加工（也称为成熟）输出核外、胞浆内定位和降解等过程的调控称为转录后调控。翻译起动、延长、终止和蛋白质前体修饰等过程亦有各自的调控机制。如果说，转录调控主要是基因的特殊结构（顺式作用元件)与转录因子（反式作用因子）相互作用，那么转录后调控与翻译调控主要就是RNA的特殊结构与蛋白质因子的相互作用。转录后的调节主要有以下几个方面： (I)真核生物mRNA转录后的加工它是基因表达的重要的调节步骤。主要包括 mRNA5'端的加“帽子”结构、3'端的加polyA、内含子切除、外显子之间拼接和内部甲基化等。 (2)转录产物由细胞核向胞质运输未成熟的mRNA前体留在核内，RNA在核内特定部位成熟，一旦成熟就可沿着特定路径从这一部位移至核孔。与核孔复合物(NPC)作用，由ATP供给能量，将mRNA由核孔运到胞浆。 (3)mRNA在胞质中定位mRNA定位是一种控制大分子组装反应的空间调节方式 mRNA只有运输到目的地后才用于蛋白质合成，这可能是蛋白质不均一分布的普遍机制。 mRNA运输复合体的形成是mRNA定位的第一步，mRNA的3'-非翻译区形成特定二级结构以识别RNA结构蛋白，形成RNP运输复合体，并向目的地移动。该移动过程并非自由扩散。mRNA锚定在目的部位是依靠某些细胞骨架成分（如肌动蛋白）。mRNA在运输过程中不被翻译，到达锚定地后才解除翻译的抑制。在mRNA的3'非翻译区含有抑制翻译的特异顺序。锚定后翻译起动因子类似物可能使抑制解除。 3.翻译水平的调节 (1)原核生物mRNA翻译水平的调节主要受控于5端与核糖体的结合部位，该部位通常位于起始密码子AUG上游约10个核苷酸的地方，往往由一段富含嘌吟的序列组成，称为 Shine-Dilgavno(简称SD序列)。凡是具有强控制部位结构特征的mRNA,翻译起始频率 329

329 录139个核苷酸的前导序列。只有当前导RNA不形成终止子结构时，才会使转录继续，直到合成含有5个结构基因产物的全长mRNA。以前导RNA为模板可合成一小肽，并利用核糖体的空间位置去调节终止子的形成。这类前导RNA序列往往含有多个调节物氨基酸的密码子，如色氨酸操纵子的前导RNA含2个连续排列的色氨酸密码子，组氨酸操纵子的前导 RNA含7个组氨酸密码子，亮氨酸操纵子前导RNA含4个亮氨酸密码子。这些密码子可以使翻译前导肽的核糖体因色氨酸原料的缺乏而在此停止前进，终止子结构无法形成（见图13-5b），转录继续下去，结构基因得以表达。当胞内各种氨基酸都缺乏（见图13-5a，前导肽不能合成）或各种氨基酸都丰富时（图13-5c，前导肽可通过色氨酸密码子继续翻译，使核糖体处于2部位）均能形成终止子结构，使转录停止，结构基因不表达。很明显衰减子的调节是通过已转录的前导RNA在翻译水平上调节终止子信号形成，终止已开始的转录过程。这与阻遏蛋白阻止转录起始的机理完全不同。在体内这两种调节方式可能同时存在，衰减作用是比阻遏作用更为精细的调节。扩增或重组，DNA的碱基通过甲基化，形成高度凝缩的异染色质，而关闭某些基因的表达。反之，通过脱甲基化，形成比较疏松的常染色质，使基因活化，活化是进行转录的前提。 2．转录后的调节真核生物基因表达的调控是一个多阶段的过程。从基因转录直到成熟的蛋白质产生经历了一系列步骤，其调控并不限于转录过程。通常对mRNA转录后的加工（也称为成熟）、输出核外、胞浆内定位和降解等过程的调控称为转录后调控。翻译起动、延长、终止和蛋白质前体修饰等过程亦有各自的调控机制。如果说，转录调控主要是基因的特殊结构（顺式作用元件）与转录因子（反式作用因子）相互作用，那么转录后调控与翻译调控主要就是RNA的特殊结构与蛋白质因子的相互作用。转录后的调节主要有以下几个方面：（1）真核生物mRNA转录后的加工它是基因表达的重要的调节步骤。主要包括 mRNA5′端的加“帽子”结构、3′端的加polyA、内含子切除、外显子之间拼接和内部甲基化等。（2）转录产物由细胞核向胞质运输未成熟的mRNA前体留在核内，RNA在核内特定部位成熟，一旦成熟就可沿着特定路径从这一部位移至核孔。与核孔复合物（NPC）作用，由ATP供给能量，将mRNA由核孔运到胞浆。（3）mRNA在胞质中定位 mRNA定位是一种控制大分子组装反应的空间调节方式， mRNA只有运输到目的地后才用于蛋白质合成，这可能是蛋白质不均一分布的普遍机制。 mRNA运输复合体的形成是mRNA定位的第一步，mRNA的3′-非翻译区形成特定二级结构以识别RNA结构蛋白，形成RNP运输复合体，并向目的地移动。该移动过程并非自由扩散。mRNA锚定在目的部位是依靠某些细胞骨架成分（如肌动蛋白）。mRNA在运输过程中不被翻译，到达锚定地后才解除翻译的抑制。在mRNA的3′-非翻译区含有抑制翻译的特异顺序。锚定后翻译起动因子类似物可能使抑制解除。 3．翻译水平的调节（1）原核生物mRNA翻译水平的调节主要受控于5’端与核糖体的结合部位，该部位通常位于起始密码子AUG上游约l0个核苷酸的地方，往往由一段富含嘌呤的序列组成，称为 Shine-Dilgavno（简称SD序列）。凡是具有强控制部位结构特征的mRNA，翻译起始频率

就高，反之则低。mRNA密码系统也能影响翻译速度，因为代表同一氨基酸的不同密码子所对应的tRNA的胞内含量有时差别很大胞内存在的反义RNA和过剩的翻译产物具有翻译阻遏的作用。反义RNA与特定的 mRNA的SD序列和起始密码子AUG通过其互补关系相结合，阻碍了核糖体与mRNA的结合，因而阻遏翻译的进行。核糖体蛋白质有5O多种，它们与rRNA结合，和RNA保持严格的相应水平，一旦有过量游离的核糖体蛋白存在时，它们就会结合到自身mRNA的翻译起始控制部位上，抑制其mRNA的翻译。 (2)真核生物在翻译水平上的调节主要是控制mRNA的稳定性和有选择地进行翻译。 mRNA的加帽和加尾修饰都有利于mRNA的稳定。无义突变mRNA可使mRNA加速降解，突变离ORF(开放阅读框架)起动信号越近降解越快。mRNA从5'端到3'端，存在着整套序列元件，控制其自身的降解，特别是3'-非翻译区的促降解序列。mRNA分子上的特殊降解序列，需要与特异结合蛋白，即降解因子结合才起作用。这些降解因子的活化与失活构成了对mRNA降解速度的调节网络。它们可能有核酸酶的功能，主要表现为促进 mRNA3'端的poyA脱腺苷酸：S'脱帽：S'→3'核酸外切酶降解mRNA。最近还发现 3'脱腺苷酸作用还可引起mRNA3'→5'降解。 nRNA通常总与一些蛋白质结合成核蛋白颗粒，以保护mRNA免受核酸酶的作用，并控制RNA的翻译功能，主要是翻译起动的调控，一般来讲真核生物翻译起始是核糖体小亚基与mRNA5帽子结构结合，滑动到起始密码子开始翻译。但是真核生物还普遍存在翻译的内部起动机制，该机制可能是从头起始受阻时的一种补偿方式。此外，真核生物还存在一种普遍的翻译调控机制，即这种调控机制能在一定条件下使细胞内所有蛋白质的合成都停止。对于这种调控作用了解比较清楚的是网织红细胞中血红蛋白的合成。当胞内血红素（即血红蛋白的辅基成分）耗尽时，蛋白质的合成便停止。这是由于无血红素情况下蛋白激馥被活化，催化起始因子，的ā亚基第5位丝氨酸发生磷酸化。因为F2是以结合GDP的形式(dF2-GDP)从核糖体起始复合物上释放的，只有当它转变为F2-GTP时，才能与甲硫氨酰起始tRNA(Met-tRNAi)结合，并进一步形成起始复合物启动另一轮蛋白质的合成。用GTP交换F一GDP上的GDP需要由鸟苷酸交换因子 (GEF)的催化。被磷酸化的F,与GEF的亲和力极高，形成一个不可逆转的复合物，因此磷酸化的F就难以投入下一轮的蛋白质合成。此外，该复合物也束缚住了GEF,GEF的含量比F,少得多，因此只要30%的F,被磷酸化时，就可以起蛋白质合成的完全停止。磷酸化的IF2可由专一的磷酸酶催化脱去磷酸基团而恢复功能。蛋白质合成后还要进行“加工”，方可生成具有活性的酶。加工过程主要包括切除起始氨基酸、切除N端信号肽、切除内部肽段、进行正确的折叠、形成二硫键以及氨基酸的修饰，如糖基化和脂类分子的修饰等。二、酶降解的调节近年来的研究表明，蛋白质的寿命与其成熟的蛋白质N床端的氨基酸有关，当N末端为 M、S、A、【、V和G氨基酸时，成为稳定的长寿命蛋白质，而N末端为精氨酸和天冬氨酸 330

330 就高，反之则低。mRNA密码系统也能影响翻译速度，因为代表同一氨基酸的不同密码子所对应的tRNA的胞内含量有时差别很大。胞内存在的反义RNA和过剩的翻译产物具有翻译阻遏的作用。反义RNA与特定的 mRNA的SD序列和起始密码子AUG通过其互补关系相结合，阻碍了核糖体与mRNA的结合，因而阻遏翻译的进行。核糖体蛋白质有50多种，它们与rRNA结合，和rRNA保持严格的相应水平，一旦有过量游离的核糖体蛋白存在时，它们就会结合到自身mRNA的翻译起始控制部位上，抑制其mRNA的翻译。（2）真核生物在翻译水平上的调节主要是控制mRNA的稳定性和有选择地进行翻译。 mRNA的加帽和加尾修饰都有利于mRNA的稳定。无义突变mRNA可使mRNA加速降解，突变离ORF（开放阅读框架）起动信号越近降解越快。mRNA从5′端到3′端，存在着一整套序列元件，控制其自身的降解，特别是3′-非翻译区的促降解序列。mRNA分子上的特殊降解序列，需要与特异结合蛋白，即降解因子结合才起作用。这些降解因子的活化与失活构成了对mRNA降解速度的调节网络。它们可能有核酸酶的功能，主要表现为促进 mRNA3′端的polyA脱腺苷酸；5′脱帽； 5′→3′核酸外切酶降解mRNA。最近还发现 3′脱腺苷酸作用还可引起mRNA3′→5′降解。 mRNA通常总与一些蛋白质结合成核蛋白颗粒，以保护mRNA免受核酸酶的作用，并控制mRNA的翻译功能，主要是翻译起动的调控，一般来讲真核生物翻译起始是核糖体小亚基与mRNA5帽子结构结合，滑动到起始密码子开始翻译。但是真核生物还普遍存在翻译的内部起动机制，该机制可能是从头起始受阻时的一种补偿方式。此外，真核生物还存在一种普遍的翻译调控机制，即这种调控机制能在一定条件下使细胞内所有蛋白质的合成都停止。对于这种调控作用了解比较清楚的是网织红细胞中血红蛋白的合成。当胞内血红素（即血红蛋白的辅基成分）耗尽时，蛋白质的合成便停止。这是由于无血红素情况下蛋白激酶被活化，催化起始因子eIF2的α亚基第5位丝氨酸发生磷酸化。因为eIF2是以结合GDP的形式（eIF2-GDP）从核糖体起始复合物上释放的，只有当它转变为eIF2-GTP时，才能与甲硫氨酰起始tRNA（Met-tRNAi）结合，并进一步形成起始复合物启动另一轮蛋白质的合成。用GTP交换eIF2—GDP上的GDP需要由鸟苷酸交换因子（GEF）的催化。被磷酸化的elF2与GEF的亲和力极高，形成一个不可逆转的复合物，因此磷酸化的eIF2就难以投入下一轮的蛋白质合成。此外，该复合物也束缚住了GEF，GEF的含量比eIF2少得多，因此只要30%的eIF2被磷酸化时，就可以引起蛋白质合成的完全停止。磷酸化的eIF2可由专一的磷酸酶催化脱去磷酸基团而恢复功能。蛋白质合成后还要进行“加工”，方可生成具有活性的酶。加工过程主要包括切除起始氨基酸、切除N端信号肽、切除内部肽段、进行正确的折叠、形成二硫键以及氨基酸的修饰，如糖基化和脂类分子的修饰等。二、酶降解的调节近年来的研究表明，蛋白质的寿命与其成熟的蛋白质N末端的氨基酸有关，当N末端为 M、S、A、I、V和G氨基酸时，成为稳定的长寿命蛋白质，而N末端为精氨酸和天冬氨酸

东北林业大学：《生物化学》课程教学资源（教材讲义）第十四章 代谢调节

东北林业大学：《生物化学》课程教学资源（教材讲义）第十四章代谢调节