生物化学-第十四章-物质代谢的调节控制课件

四川省精品课程 生物化学物质代谢的调节控制物质代谢的调节控制一、代谢调节的类型一、代谢调节的类型二、反馈调节二、反馈调节三、基因表达的调节控制三、基因表达的调节控制四、细胞水平的诱导与阻遏调节机制四、细胞水平的诱导与阻遏调节机制四川省精品课程 生物化学1.生物体内各种代谢途径相互联系，有条不紊进行生物体内各种代谢途径相互联系，有条不紊进行代谢调节代谢调节普遍存在于生物界，是新陈代谢的重要途径之一普遍存在于生物界，是新陈代谢的重要途径之一2.代谢调节在代谢调节在3个不同水平上进行个不同水平上进行分子水平（酶水平）分子水平（酶水平）细胞水平细胞水平多细胞整体水平（激素调节、神经调节）多细胞整体水平（激素调节、神经调节）最基本调节方式最基本调节方式四川省精品课程 生物化学1.1.糖代谢与脂肪代谢的相互关系糖代谢与脂肪代谢的相互关系糖可以在生物体内变成脂肪。脂肪不能大量转变为糖，除了油料作物种子。磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸丙酮酸甘油甘油乙酰乙酰CoACoA脂肪酸脂肪酸脂脂肪肪-甘油磷酸甘油磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖糖脂肪酸脂肪酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A琥珀酸琥珀酸草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸-氧化氧化乙醛酸乙醛酸循环循环TCATCA循环循环CO2+H2CO2+H2O O糖尿病糖尿病 ：脂肪脂肪酮体酮体 在血液中产生在血液中产生酸中毒或到达肌酸中毒或到达肌肉中提供能源肉中提供能源在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。脂肪脂肪糖糖乙酰乙酸乙酰乙酸丙丙 酮酮-羟丁酸羟丁酸（植物）（植物）（动物）（动物）四川省精品课程 生物化学2.2.糖代谢与蛋白质代谢的关系糖代谢与蛋白质代谢的关系糖可以转变为非必需氨基酸。糖可以转变为非必需氨基酸。蛋白质可以转变为糖。蛋白质可以转变为糖。四川省精品课程 生物化学3.3.脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，实际上仅限于实际上仅限于GluGlu。蛋白质间接地转变为脂肪。蛋白质间接地转变为脂肪。草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸氨基酸氨基酸脂类分子中的甘油脂类分子中的甘油 丙酮酸丙酮酸 蛋蛋白白质质甘油甘油生酮氨基酸生酮氨基酸生糖氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸乙酰乙酸脂肪酸脂肪酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A丙二酸单酰丙二酸单酰辅酶辅酶A A脂肪脂肪 脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏能脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏能量的物质。量的物质。脂肪酸脂肪酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A-氧化氧化TCATCA循环循环草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸 苹果酸苹果酸 氨基酸氨基酸琥珀酸琥珀酸乙醛酸循环乙醛酸循环四川省精品课程 生物化学4.4.核酸与其他物质代谢的相互关系核酸与其他物质代谢的相互关系蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又料；糖类产生二羧基氨基酸的酮酸前身，又是戊糖的来源。是戊糖的来源。核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制核酸是细胞内的重要遗传物质，可通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型型四川省精品课程 生物化学四川省精品课程 生物化学第一节第一节 代谢调节的类型代谢调节的类型 根据调控水平的不同，生物调控可分为：根据调控水平的不同，生物调控可分为：1.1.神经系统的调控作用神经系统的调控作用 2.2.激素的调控作用激素的调控作用 3.3.细胞酶水平的调控作用细胞酶水平的调控作用 四川省精品课程 生物化学一一.神经调控作用神经调控作用神经系统既直接影响各种酶的合成，又影神经系统既直接影响各种酶的合成，又影响内分泌腺分泌激素的种类和水平，所以响内分泌腺分泌激素的种类和水平，所以神经系统的调节具有整体性特点。神经系统的调节具有整体性特点。神经系统对生命活动的调控在很大程度上神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过调节激素的分泌来实现的。是通过调节激素的分泌来实现的。四川省精品课程 生物化学二二.激素的调控作用激素的调控作用激素是生物细胞分泌的一类特殊化学物质，激素是生物细胞分泌的一类特殊化学物质，它对各种生命活动和代谢过程具有调控功它对各种生命活动和代谢过程具有调控功能。能。激素调控往往是局部性的，并且直接或间激素调控往往是局部性的，并且直接或间接受到神经系统的控制。接受到神经系统的控制。四川省精品课程 生物化学按激素受体存在的亚细胞部位分类：按激素受体存在的亚细胞部位分类：1 1、膜受体激素（亲水）、膜受体激素（亲水）蛋白质类激素：胰岛素、生长素、蛋白质类激素：胰岛素、生长素、促性腺激素、促性腺激素、促甲状腺素、促甲状腺素、甲状旁腺素甲状旁腺素 肽类激素：生长因子等肽类激素：生长因子等 儿茶酚胺类激素：肾上腺素、去甲肾上腺素儿茶酚胺类激素：肾上腺素、去甲肾上腺素激素激素 激素激素-受体复合物受体复合物跨膜信号传递跨膜信号传递受体受体 第二信使第二信使蛋白质或酶蛋白质或酶生物学效应生物学效应四川省精品课程 生物化学细胞表面受体接受细胞外信号后转换细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使而来的细胞内信号称为第二信使,而将细胞外的信号称为第一信使而将细胞外的信号称为第一信使 cAMPcAMP、cGMPcGMP、1,2-1,2-二酰甘油二酰甘油 、1,4,5-1,4,5-三磷酸肌醇、三磷酸肌醇、Ca2+Ca2+直接作用。如直接作用。如CaCa能直接与骨骼肌的肌钙蛋白能直接与骨骼肌的肌钙蛋白结合引起肌肉收缩结合引起肌肉收缩;间接作用。第二信使通过活化蛋白激酶，诱导间接作用。第二信使通过活化蛋白激酶，诱导一系列蛋白质磷酸化，最后引起细胞效应。一系列蛋白质磷酸化，最后引起细胞效应。四川省精品课程 生物化学四川省精品课程 生物化学2、胞内受体激素（亲脂）、胞内受体激素（亲脂）类固醇激素、前列腺素、甲状腺素等类固醇激素、前列腺素、甲状腺素等 激素激素入胞入胞激素激素-受体复合物受体复合物 DNA上的激素反应元件上的激素反应元件 促进促进/抑制基因转录抑制基因转录 促进促进/阻遏蛋白或酶的合成阻遏蛋白或酶的合成四川省精品课程 生物化学三三.细胞细胞-酶水平调控作用酶水平调控作用细胞细胞-酶水平调控是通过调节细胞内的酶的酶水平调控是通过调节细胞内的酶的种类、数量、分布或活性来控制各种代谢种类、数量、分布或活性来控制各种代谢过程或生理过程。过程或生理过程。酶水平酶水平的调节的调节酶活性的调节酶活性的调节酶含量的调节酶含量的调节酶的定位调节酶的定位调节四川省精品课程 生物化学（一）、酶定位的区域化（一）、酶定位的区域化线粒体线粒体:丙酮丙酮酸氧化酸氧化;三羧三羧酸循环酸循环;-氧氧化化;呼吸链电呼吸链电子传递子传递;氧化氧化磷酸化磷酸化细胞质细胞质:酵酵解解;磷戊糖磷戊糖途径途径;糖原糖原合成合成;脂肪脂肪酸合成酸合成;细胞核细胞核:核核酸合成酸合成内质网内质网:蛋白蛋白质合成质合成;磷脂磷脂合成合成四川省精品课程 生物化学二）酶活性的调节二）酶活性的调节1.共价修饰共价修饰2.亚基的聚合与解聚亚基的聚合与解聚2.变构变构四川省精品课程 生物化学酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可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，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使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（饰（Covalentmoldification Covalentmoldification）。）。磷酸化磷酸化/去磷酸化，乙酰化去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰去乙酰化，腺苷酰化化/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-SS-S）/还原还原(2SH)(2SH)。1.1.共价修饰：共价修饰：四川省精品课程 生物化学激酶激酶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四川省精品课程 生物化学二、亚基的聚合与解聚二、亚基的聚合与解聚乙酰乙酰CoA羧化羧化酶酶三、酶的变构：三、酶的变构：四川省精品课程 生物化学(三）酶含量的调节（迟缓调节）三）酶含量的调节（迟缓调节）通过改变酶的合成与降通过改变酶的合成与降解以调节细胞内酶的含量，从解以调节细胞内酶的含量，从而调节代谢的速度和强度。而调节代谢的速度和强度。四川省精品课程 生物化学第二节第二节 反馈调节反馈调节前馈与反馈的概念前馈与反馈的概念反馈抑制的类型反馈抑制的类型反馈调节的机制反馈调节的机制四川省精品课程 生物化学一、前馈和反馈的概念一、前馈和反馈的概念 前馈（前馈（feedforward feedforward）和反馈（）和反馈（feedback feedback）是）是来自电子工程学的术语，前者的意思是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输入对输出的影响输出的影响”，后者的意思是，后者的意思是“输出对输入的影输出对输入的影响响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代，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。谢过程的调节作用。四川省精品课程 生物化学E0E1En-1前馈前馈+或或-反馈反馈+或或-正作用：凡反应物能使代谢过程速度加快者称为正作用。正作用：凡反应物能使代谢过程速度加快者称为正作用。负作用：凡反应物能使代谢过程速度变慢者称为负作用。负作用：凡反应物能使代谢过程速度变慢者称为负作用。反馈与前馈作用反馈与前馈作用四川省精品课程 生物化学二、反馈抑制的类型二、反馈抑制的类型线性代谢的反馈调节线性代谢的反馈调节分支代谢的反馈调节分支代谢的反馈调节 1 1、多价反馈抑制、多价反馈抑制 2 2、协同反馈抑制、协同反馈抑制 3 3、累积反馈抑制、累积反馈抑制 4 4、合作反馈抑制、合作反馈抑制 5 5、顺序反馈抑制、顺序反馈抑制四川省精品课程 生物化学(一）、线性代谢的反馈调节一）、线性代谢的反馈调节 A B C D A B C D P PE1E2E3E4四川省精品课程 生物化学二）、分支代谢的反馈调节二）、分支代谢的反馈调节 A B C D A B C DE1E1E1E1E2E2E3E3XY四川省精品课程 生物化学协同反馈抑制：协同反馈抑制：A B C D A B C D E4E5E1XY存在于存在于Lys ThrLys Thr的合成中的合成中四川省精品课程 生物化学 A B A BEDEF谷氨酰胺合成酶受到各种终产物的谷氨酰胺合成酶受到各种终产物的累积反馈抑制累积反馈抑制累积反馈抑制：累积反馈抑制：四川省精品课程 生物化学A B C DA B C DE1E4E5XY存在芳香族氨基酸合成的过程中存在芳香族氨基酸合成的过程中顺序反馈抑制：顺序反馈抑制：四川省精品课程 生物化学三、反馈调节的机制三、反馈调节的机制变构酶调节变构酶调节同工酶调节同工酶调节多功能酶调节多功能酶调节四川省精品课程 生物化学(一一)变构酶调节变构酶调节代谢物代谢物别别构构中中心心活性活性中心中心四川省精品课程 生物化学(二)同工酶调节ABGFJDCH-E1E2E3E4四川省精品课程 生物化学第三节、基因表达的调节控制第三节、基因表达的调节控制原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控四川省精品课程 生物化学一、原核生物基因表达的调控一、原核生物基因表达的调控(一）一）操纵子学说操纵子学说 原核生物以操纵子为单元进行表达和调控，原核生物以操纵子为单元进行表达和调控，特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。的重要因素。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 S）控制部位控制部位操纵基因（操纵基因（operator,Ooperator,O）启动子（启动子（premotor,Ppremotor,P）四川省精品课程 生物化学操纵子及调节基因示意图操纵子及调节基因示意图四川省精品课程 生物化学负调控负调控正调控正调控诱导物诱导物诱导物诱导物辅阻遏辅阻遏物物辅阻遏物辅阻遏物四川省精品课程 生物化学二）、调控因子二）、调控因子因子因子阻遏蛋白阻遏蛋白CPACPA蛋白蛋白ntrCntrC蛋白蛋白鸟苷多磷酸鸟苷多磷酸四川省精品课程 生物化学二、真核生物基因表达调控二、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转录后加工的调节工的调节翻译调节翻译调节mRNA降解调节降解调节翻译后加翻译后加工的调节工的调节核核细胞质细胞质 真核基因调控主要是正调真核基因调控主要是正调控控 真核基因表达调控的五个真核基因表达调控的五个水平：水平：四川省精品课程 生物化学(一）一）顺式作用元件顺式作用元件 真核基因的顺式调控元件是基因周围能真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的与特异转录因子结合而影响转录的DNADNA序列。序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子件，包括启动子(promoter)(promoter)、增强子、增强子(enhancer)(enhancer)；近年又发现起负性调控作用；近年又发现起负性调控作用的元件沉寂子的元件沉寂子(silencer)(silencer)。四川省精品课程 生物化学1.1.启动子（启动子（PromoterPromoter）是指是指RNARNA聚合酶结合并起动转录的聚合酶结合并起动转录的DNADNA序列。真核启动子一般包括转录起始点序列。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约及其上游约100100200bp200bp序列，包含有若干具序列，包含有若干具有独立功能的有独立功能的DNADNA序列元件，每个元件约长序列元件，每个元件约长7 730bp30bp。四川省精品课程 生物化学2.2.增强子（增强子（EhancerEhancer）一种能够提高转录效率的顺一种能够提高转录效率的顺式调控元件，通常占式调控元件，通常占100100200bp200bp长度，长度，也和启动子一样由若干组件构成，基也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为本核心组件常为8 812bp12bp，可以单拷贝，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。或多拷贝串连形式存在。四川省精品课程 生物化学3.3.沉寂子（沉寂子（silencersilencer）最早在酵母中发现，以后在最早在酵母中发现，以后在T T淋巴细胞淋巴细胞的的T T抗原受体基因的转录和重排中证实这抗原受体基因的转录和重排中证实这种沉寂子的作用可不受序列方向的影响，种沉寂子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用，是一种负调控顺式元件。的表达起作用，是一种负调控顺式元件。四川省精品课程 生物化学二）、反式作用因子二）、反式作用因子(trans(transacting acting factors)factors)以反式作用影响转录的因子可以反式作用影响转录的因子可统称为转录因子统称为转录因子(transcription (transcription factors,TF)factors,TF)。RNARNA聚合酶是一种反式聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。作用于转录的蛋白因子。四川省精品课程 生物化学第四节、细胞水平的诱导与阻遏调节机制第四节、细胞水平的诱导与阻遏调节机制组成酶与适应酶组成酶与适应酶诱导机制诱导机制阻遏机制阻遏机制四川省精品课程 生物化学乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构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（有活阻遏蛋白（有活性）性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子OR四川省精品课程 生物化学PLacZLacYLaca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mRNA乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）乳糖酶的诱导乳糖酶的诱导 四川省精品课程 生物化学阻遏蛋白阻遏蛋白操纵基因操纵基因结构基因结构基因调节基因调节基因mRNA酶蛋白酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。酶代谢产物一旦大量积累酶代谢产物一旦大量积累阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。原核生物基因主要是转录控制。原核生物基因主要是转录控制。Trp Trp Trp Trp 操纵子操纵子操纵子操纵子-产物阻遏常规酶的合成产物阻遏常规酶的合成产物阻遏常规酶的合成产物阻遏常规酶的合成四川省精品课程 生物化学阻遏蛋白阻遏蛋白乳糖酶基因乳糖酶基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶操纵基因操纵基因基因合成的开关基因合成的开关调节基因调节基因关关阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达诱导物（乳糖）诱导物（乳糖）开开诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。mRNA酶蛋白酶蛋白四川省精品课程 生物化学酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA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,从而使阻遏蛋从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达结构基因不表达代谢产物代谢产物四川省精品课程 生物化学乳糖操纵子的正调控乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基基 因因 表表达达CAP基因基因结构基因结构基因TCAPOCAP结结合部位合部位 RNA聚合酶聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖葡萄糖分解代分解代谢产物谢产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸二磷酸二酯酶酯酶ATPcAMP5-AMP抑制抑制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）降低降低cAMP浓度浓度使使CAP呈失活状态呈失活状态