生物化学课件：第14章-物质代谢调控

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1、Chap.14 Metabolism regulation,代谢途径的相互联系 酶量的调节 酶分子活性的调节 代谢的区域化,Regulation of metabolism是生物在长期进化过程中，为适应外界条件而形成的一种复杂的生理机能。通过调节作用细胞内的各种物质及能量代谢得到协调和统一，使生物体能更好地利用环境条件来完成复杂的生命活动。 代谢调节作用可在不同水平上进行：低等的单细胞生物是通过细胞内酶的调节而起作用的；多细胞生物则有更复杂的激素调节和神经调节。,1) 酶水平调节 2) 细胞水平调节 3) 激素水平调节 4) 神经水平调节,单细胞生物,植物,动物,细胞内酶的调节是最基本的调节方

2、式。酶的调节是从酶的区域化、酶的数量和酶的活性三个方面对代谢进行调节的 操纵子(Operon)是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个结构基因组成 转录后的调节包括，真核生物mRNA转录后的加工，转录产物的运输和在细胞中的定位等,翻译水平上的调节包括，mRNA本身核苷酸组成和排列（如SD序列），反义RNA的调节，mRNA的稳定性等方面 酶活性的调节是直接针对酶分子本身的催化活性所进行的调节，在代谢调节中是最灵敏、最迅速的调节方式。主要包括酶原激活、酶的共价修饰、反馈调节、能荷调节及辅因子调节等,生物代谢biological metabolism：

3、指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）、能量、信息交换过程。 细胞代谢cellular metabolism：是一切生命活动的基础。 合成代谢anabolic metabolism：一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。 分解代谢catabolism：则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。,中间代谢intermediary metabolism：发生在细胞内的一切化学反应。 基础代谢basal metabolism：指人体在清醒而又极端安静的状态下,不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等影响时的能量代谢率。基础代谢经随着性别、年龄等不同而有生理变

4、动。男子的基础代谢率平均比女子高,幼年比成年高;年龄越大,代谢率越低. 基础代谢率basal metabolic rate, BMR：,即在上述条件下,单位时间内,每平方米人体表面所散发的热量的千卡数。,糖、脂、核酸和蛋白质的代谢 合成途径各不相同，分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂、核酸和蛋白质经过一系列分解反应后都进入了TCA cycle，最后被氧化成CO2和H2O。,Section 1 代谢途径的相互联系,代谢网络Metabolic network 代谢的单向性unidirectivity和多酶系统multienzyme systeme 代谢与能量metabolism and energ

5、y,物质代谢-联系-转化 TCA cycle则是Saccharide、Fat、Pro三大物质互相转化的枢纽,一、代谢网络,糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源： 如糖分解过程中可产生Pyr， Pyr经TCA cycle生KG和OAA，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的AA。糖分解过程中产生的能量可供AA和Pro的合成之用。 蛋白质分解产生的AA，在体内可以转变为Sugar。如：多数AA在脱氨后转变为Pyr，经糖原异生作用可生成Sugar，这类氨基酸称为生糖氨基酸。,1、糖代谢与蛋白质代谢的关系,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。脂类与蛋白质之间可以相互转化： 脂类分

6、子中的甘油 丙酮酸 FA,Pro,2、脂类代谢与蛋白质代谢的关系,糖与脂类物质也能相互转变： 糖,磷酸二羟丙酮,丙酮酸,甘油,乙酰辅酶A,脂肪酸,脂类,甘油,-甘油 磷酸,磷酸二 羟丙酮,糖,脂肪酸,AcCoA,琥珀酸,OAA,丙酮酸,-氧化,乙醛酸循环,TCA,CO2+H2O,3、糖代谢与脂类代谢的关系,糖尿病：,脂肪,ketone body, acetone body （乙酰乙酸、 丙酮、-羟丁酸）,在血液中产生酸 中毒或到达肌肉 中提供能源,在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况,核酸,核苷酸,ATP UTP CTP GTP,能量和磷酸基团的供应,单糖的转变和多糖的合成,参与卵磷脂的合成,给蛋

7、白质合成提供能量,AMP,辅酶、组氨酸等,Gly、Asp、Gln,嘌呤、嘧啶,蛋白酶,核苷酸、核酸的合成,蛋白因子,核苷酸、核酸的合成,4、核酸代谢与糖、脂肪 及蛋白质代谢的关系,1. 相对立的单向反应（opposing unidirectional reaction）： 糖代谢的例子： G + ATP 6-p-G + ADP（变构抑制） 6-p-G +H2O G + Pi 脂代谢的例子： 乙酸ATPCoA 乙酰CoA AMPPPi 乙酰CoA + H2O 乙酸 +oA,硫激酶,硫酯酶,二、代谢的单向性 和多酶系统,HK,-p葡萄糖酶,2. 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

8、，根据多酶系统结构的复杂程度，可分三种类型： 酶分子呈溶解状态（如EMP,PPP,-氧化） 酶分子结构比较紧密(如FA synthetase complex , Pyruvate DHase complex,-KG DHase complex) 酶连接在膜上或核蛋白体上,三、 代谢与能量,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，有利用氧化还原反应释放的化学能不 管哪种形式，细胞都能将它转化成高能分子ATP。,NADPH以还原力形式携带能量,还原性有机物 分解代谢 氧化产物,还原性生物合成产物 还原性生物合成反应 氧化前体,NADPH+H+,NADP+,代谢的基本要略在于形

9、成ATP、还原力和构造单元用于生物合成,基因表达的调节 （酶含量的调节）,酶是生物反应的催化剂，酶的相对数量决定代谢反应的进程和方向。通过酶的合成和降解，细胞内的酶含量和组分便发生变化，因而对代谢过程起调节作用。生物细胞的这种通过改变酶的合成和降解而调节酶的数量，被称为“粗调”。通过粗调，细胞可以开动或完全关闭某种酶的合成，或适当调整某种酶的合成和降解速度，以适应对这种酶的需要。,Section 2 基因表达的调节,生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。

10、 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质,一、原核生物基因的转录和翻译调控,原核生物的DNA： 单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控,根据基因表达产物可划分： 组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、 环境影响组成型表达。 调节型蛋白/适应型蛋白：基因表达受时 期、部位、环境影响非组成型表达。 一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态? 结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。,DNA level Transc

11、ription level Translation level,基因调控主要在三个水平上进行:,突变子：突变的最小单位 基因 重组子：交换的最小单位 顺反子（作用子）：功能单位（基因） 基因可进一步分为不同类型： (1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一段DNA 序列 (2)调控基因：其产物参与调控其他结构基因表 达的基因,(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序，由于阅读框架(ORF)的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象 (4)隔裂基因：指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序，如内含子所隔裂的现象 (5)跳跃基因：可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列，有人

12、将它作为转座因子的同义词 (6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因,1、转录水平的调控 原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平 当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。当不需要这种 产物时，mRNA转录受到抑制,正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱导物与另一蛋白质结合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录 负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才能起动，产生mRNA分子 原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物

13、中则主要是正调控机制。,转录水平的负调控与正调控,2、乳糖操纵元(可诱导操纵子) E.coli的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当E.coli生长在含有乳糖的培养基上时，Lactose代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没有Lactose时，Lactose代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制,负责乳糖代谢的3个酶： 1、-半乳糖苷酶 2、半乳糖苷透性酶 3、硫代半乳糖转乙酰基酶（具体功能不详）,操纵子模型（operon model),操纵子模型是原核生物基因表达的调节机制。大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被

14、发现的操纵子（Monod和Jacob，1961）,操纵子及调节基因示意图,操纵子Operon : 基因表达的协调单位,它们有共同的控制区和调节系统。包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位. 或指染色体上控制（酶）蛋白质合成的功能单位，包括一个操纵基因，一群功能相关的结构基因以及在调节基因和操纵基因之间专管转录起始的启动基因（启动子）。,调控区 信息区 调节基因(i) 启动子(p) 操纵基因(o) 结构基因 操纵子 DNA控制蛋白质合成的功能单位,DNA控制蛋白质合成的功能单位,乳糖操纵子模型,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,阻遏蛋白,诱导剂 （乳糖）,-半乳糖 苷酶,半乳糖苷 通透酶,硫半

15、乳糖苷 转乙酰基酶,启动子（基因）,操纵基因基因合成的开关,关阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达,开诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。,转录起点 5/ 负（模） 3/ 上游（） 下游（+） 3/ -1 +1 正（编） 5/ mRNA 互补于负链,转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区），转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3。,乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子的活性与Glc有关： Glc抑制腺苷酸环化酶的活性 腺苷酸环化酶催化ATPcAMP cAMP+代谢激活蛋白(CAP) cAMP-CAP复合物，作为操纵元的正调控因子,当cAMP-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢固，因而转录效率更高。 在有葡萄糖存在时，不能形成cAMP，也就没有操纵元的正调控因子cAMP-CAP复合物，因此基因不表达。,乳糖操纵子的正调控,R,LacZ,LacY,LacA,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CAP,O,CAP结合部位,