生物化学第12章代谢调节

1、第12章 代谢调节,第节 代谢途径的相互联系,代谢途径交叉形成网络,糖代谢和脂类代谢的相互联系,延胡索酸,琥珀酸,苹果酸,草酰乙酸,3-磷酸甘油,甘油,乙酰 CoA,三酰甘油,脂肪酸,植物或微生物,糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖 -酮酸 氨基酸 蛋白质,NH3,蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖,（生糖氨基酸）,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系,脂肪,甘油,磷酸二羟丙酮,脂肪酸,乙酰CoA,氨基酸碳架,氨基酸,蛋白质,蛋白质,氨基酸,酮酸或乙酰CoA,脂肪酸,脂肪,（生酮氨基酸）,核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（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ATP是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。,糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（

2、氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,NADPH,第节 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、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。,一、代谢调节的四级水平： 酶水平调节 细胞水平调节 激素水平调节 神经水平调节,二、细胞结构对代谢途径的分隔控制,代谢途径的有关酶类常常组成酶体系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中，使不同的代谢途径在细胞不同区域内进行。,酶定位的区域化,线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化,细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;,细胞核:

3、核酸合成,内质网:蛋白质合成;磷脂合成,动物细胞结构和代谢途径,1、酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节 2、产能反应与需能反应的调节 3、酶的共价修饰与级联放大机制,三、酶活性的调节,酶活性的前馈和反馈调节,前馈（feedforward ）和反馈（feedback ）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现的。,糖酵解与三羧酸循环途径的调节,丙酮酸,G,细胞液,柠檬酸,乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,线粒体,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,PEP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,NADH,O2,ATP ADP+Pi,AMP + ATP 2ADP,Pi,Pi,PEP 羧激酶,己糖激酶,丙酮酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸 脱氢酶,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，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共

4、价修饰（Covalent moldification ）。目前已知有六种修饰方式：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/还原(2SH)。,共价修饰,酶级联系统调控示意图,意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。,肾上腺素或胰高血糖素,1、腺苷酸环化酶（无活性）,腺苷酸环化酶（活性）,2、ATP,cAMP,R、cAMP,3、蛋白激酶（无活性）,蛋白激酶（活性）,4、磷酸化酶激酶（无活性）,磷酸化酶激酶（活性）,5、磷酸化酶 b（无活性）,磷酸化酶 a（活性）,6、糖原,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,葡萄糖,血液,肾上腺素或胰高血糖素,1,4,5,6,第节 基因表达的调节,基因：指一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。 （某些病毒基因为RNA） 基因表达：遗传信息转录和翻译的过程。 （时序调节和适应调节） 基因表达的调节：转录水平调节和翻译水平调节。 基因表达的特性：时间特异

5、性（时序性）和空间特异性 基因表达调节的生物学意义： 适应环境，维持生长和增殖， 维持个体发育与分化 基因表达的多级调节：原核生物基因调节主要在转录水平； 真核生物则在不同水平进行。,组成型表达（constitutive gene expression） 基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。这些基因常称管家基因（housekeeping gene）。 管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。在基因表达研究中，常作为对照基因，如-actin基因。 调节型表达诱导表达和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被激活，基因表达增强。这种基因称为可诱导基因。这个过程称为诱导（induction）。 在特定环境信号刺激下，基因被抑制，基因表达降低。这种基因称为可阻遏基因。这个过程称为阻遏（repression）。,（一）原核生物基因表达的调节 操纵子（operon）机制,结构基因,启动子,操纵基因,调节基因,(promoter),(operator),操纵子：基因表达的协调单位，包括在功能上彼此有关的结 构基因和控制部位（启动子和操纵基因）所组成。,1、操纵子模型,是RNA聚合酶结合并

6、启动转录的特异DNA序列。,1) 启动子,2 操纵基因 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,调节基因,Jacques Monod, 1965,Franois Jacob, 1965,1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说，开创了基因表达调节研究的新领域。1965年获诺贝尔奖。,酶的诱导和阻遏操纵子模型,B.有活性阻遏蛋白加诱导剂,A.有活性阻遏蛋白,C.无活性阻遏蛋白,D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂,控制区,CAP结合位点,（1）乳糖操纵子(lac operon)的结构,没有乳糖存在时,（2）阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,大肠杆菌乳 糖 操 纵 子 模型,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 关 闭,启动子,O,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（有活性）,2.降解物阻遏,细菌的葡萄糖效应：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，先利用葡萄糖，而不利用乳糖，当葡萄糖耗

7、尽后，才利用乳糖。,a,y,z,o,p,i,注： （1）cAMP-CRP是正调控因子。 （2）葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶活性，降低了cAMP的浓度。 （3）调节子 ：一种调节蛋白控制的几个操纵子构成的调节系统。如：cAMP-CRP,mRNA,环腺苷酸受体蛋白CRP 降解物基因活化蛋白CAP,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CRP(CAP),O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CRP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CAP呈失活状态,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,3、合成途径操纵子的衰减作用,色氨酸操纵子,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,UUUU

8、3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,Trp 密码子,C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱基配对，转录终止。,A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。,B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,4.生长速度的调节 严紧控制：细菌处于贫瘠的生长环境，缺乏氨基酸供给蛋白质合成，它们即关闭大部分的代谢活性。 大肠杆菌的严紧反应可引起(p)ppGpp（魔点）迅速积累，这两种核苷酸作为信号，通过调节抑制稳定RNA（ rRNA和tRNA）的合成，从而影响蛋白质的合成和细菌的生长。 5.基因表达的时序控制 噬菌体的溶原和裂解：取决于CI蛋白和Cro蛋白在最初20分钟两种阻遏蛋白的合成速度。 CI蛋白占优势进入溶原状态， Cro蛋白占优势CI蛋白不能合成，噬菌体进入营养繁殖周期。,6、翻译水平的调节和反义RNA,（1）.不同mRNA翻

9、译能力的差异 SD序列、常用密码子和稀有密码子、操纵子协同表达。 （2）.翻译阻遏作用 按其自身需要的速度合成。如核糖体蛋白质，能和自身的mRNA起始控制部位相结合而影响翻译。 （3）.反义RNA的作用 可以通过互补序列与特定的mRNA相结合（SD序列和起始密码子）从而抑制mRNA的翻译。（具有理论意义和实践意义）,真核生物基因表达调控, 真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节 转录水平调节 转录后加工的调节 翻译水平调节 翻译后加工的调节 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 转录因子的相互作用控制转录,问答题,1、为什么说三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质代谢的共同通路？ 2、举例说明核苷酸类化合物在代谢中起的作用。 3、试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？ 4、试以大肠杆菌乳糖操纵子说明酶合成的诱导和阻遏。 5、写出天冬氨酸在体内氧化生成CO2和H2O的主要历程，注明其中脱氢反应的酶，并计算所产生的ATP数目。 6、简述能荷调节对代谢的影响及其生物系意义。 名词解释 反馈抑制 共价修饰 第二信使 操纵子,4.下列与能量代谢有关的过程除哪个外都发生在线粒体中？ A.糖酵解 B.三羧酸循环 C.脂肪酸的-氧化 D.氧化磷酸化 E.呼吸链电子传递 5.ppGpp在哪种情况下被合成： A.细菌缺乏氮源时 B.细菌缺乏碳源时 C.细菌在环境温度太高时 D.细菌在环境温度太低时 E.细菌在环境中氨基酸含量过高时,7.有关转录调控的机制，下列叙述中哪一个是错误的？ A.效应物分子(effector)可以促进转录因子与DNA结合 B.效应物分子(effector)可以抑制转录因子与DNA结合 C.去诱导

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