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1、 第十一章第十一章 代谢的联系及调节代谢的联系及调节 周口师范学院生命科学系周口师范学院生命科学系 (2007. 12) 主要内容主要内容第一节第一节 物质代谢间的联系物质代谢间的联系第二节第二节 代谢调节的多样性代谢调节的多样性第三节第三节 酶活性调节酶活性调节第四节第四节 基因表达水平调节基因表达水平调节第五节第五节 激素和神经水平调节激素和神经水平调节第一节第一节 物质代谢间的联系物质代谢间的联系1 1糖代谢与脂类代谢的相互关系糖代谢与脂类代谢的相互关系2 2糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系3 3脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系4 4核
2、酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系1 1糖代谢与脂类代谢的相互关系糖代谢与脂类代谢的相互关系磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸丙酮酸甘油甘油乙酰辅酶乙酰辅酶A A脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪糖糖脂脂肪肪 - -磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖糖脂肪酸脂肪酸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乙酰辅酶乙酰辅酶A ATCA从头合成从头合成有有氧氧化氧氧化酵解酵解糖异生糖异生脂肪代谢和糖代谢的关系脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸3-磷酸甘油磷酸甘油三羧酸三羧酸循环循环乙醛酸乙醛酸循环循环甘
3、油甘油乙酰乙酰 CoA三酰三酰甘油甘油脂肪酸脂肪酸 氧氧化化 糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸丙酮酸合合成成植物或微植物或微生物生物二二 糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源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如糖分解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经丙酮酸，丙酮酸经TCATCA循环产生循环产生酮戊二酸和草酰乙酸，它们均酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。另外，糖分解过可经加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。另外
4、，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：多数氨如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。氨基酸称为生糖氨基酸。糖糖 -酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸生糖氨基酸）三三 脂类代谢与蛋白质代谢的关系脂类代谢与蛋白质代谢的关系草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸氨基酸氨基酸脂类分子中的甘油脂
5、类分子中的甘油 丙酮酸丙酮酸 脂类与蛋白质之间可以相互转化：脂类与蛋白质之间可以相互转化：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四四 核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 核核苷苷酸酸的的一一些些衍衍生生物物具具重重要要生生理理功功能能（如如CoA、NAD+，NADP + ，cAM
6、P，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。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。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是能是能量的量的“通货通货”，此外，此外UTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用
7、。第二节第二节 代谢调节的多样性代谢调节的多样性一、一、代谢途径代谢途径交叉交叉形成网络形成网络二、代谢的二、代谢的单向性单向性和限速反应和限速反应三、三、ATP是通用的能量载体是通用的能量载体四、细胞结构对代谢途径的分隔调节四、细胞结构对代谢途径的分隔调节五、代谢的调节层次五、代谢的调节层次(细胞细胞, 激素激素, 神经神经)糖糖类类脂脂类类氨氨基基酸酸和和核核苷苷酸酸之之间间的的代代谢谢联联系系PEP丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸 -酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸 甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基
8、酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰CoA甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoA脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰CoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉、糖原淀粉、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延
9、胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降
10、解成基本结构成基本结构单位单位 生物氧化的三个生物氧化的三个阶段阶段NADPH（胞液）（胞液）（线粒体）（线粒体）（PEP）丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸（转氨基作用）转氨基作用）糖的糖的分解代谢和糖异分解代谢和糖异生的关系生的关系糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应 糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸果糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2 磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸2 丙酮酸丙酮酸葡萄糖葡萄糖己糖激酶己糖激酶果糖果糖激酶激酶二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸酯酶磷酸酯酶丙酮酸丙酮酸激酶激酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化
11、酶6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶磷酸葡萄糖磷酸酯酶6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖2 草酰乙酸草酰乙酸PEP羧激酶羧激酶 ATPATP是通用的能量载体是通用的能量载体l指细胞内指细胞内ATP、ADP、AMP系统系统中可供利用的高中可供利用的高能磷酸键的量度。能磷酸键的量度。l生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙酰辅酶酰辅酶A等物质的调节，但调节控制中起决定作用等物质的调节，但调节控制中起决定作用的是的是ATP、AMP这些反应这些反应能荷能荷物质。物质。能荷能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP 各种代谢途径的酶都集中并分布于具有各种代谢途径的酶都集中
12、并分布于具有各种代谢途径的酶都集中并分布于具有各种代谢途径的酶都集中并分布于具有一定结构的亚细胞或存在于胞浆的可溶部分。一定结构的亚细胞或存在于胞浆的可溶部分。一定结构的亚细胞或存在于胞浆的可溶部分。一定结构的亚细胞或存在于胞浆的可溶部分。避免各种代谢途径的酶互相干扰，而且有利避免各种代谢途径的酶互相干扰，而且有利避免各种代谢途径的酶互相干扰，而且有利避免各种代谢途径的酶互相干扰，而且有利于它们协调地发挥作用。于它们协调地发挥作用。于它们协调地发挥作用。于它们协调地发挥作用。 酶在细胞内隔离和集中分布是代谢调节酶在细胞内隔离和集中分布是代谢调节酶在细胞内隔离和集中分布是代谢调节酶在细胞内隔离和
13、集中分布是代谢调节的一种重要方式。的一种重要方式。的一种重要方式。的一种重要方式。酶在细胞内的区域化分布酶在细胞内的区域化分布酶酶定定位位的的区区域域化化线粒体线粒体:丙酮酸氧化丙酮酸氧化;三三羧酸循环羧酸循环; -氧化氧化;呼吸呼吸链电子传递链电子传递;氧化磷酸化氧化磷酸化细胞质细胞质:酵解酵解;磷磷戊糖途径戊糖途径;糖原糖原合成合成;脂肪酸合脂肪酸合成成;细胞核细胞核:核酸合成核酸合成内质网内质网:蛋白质合成蛋白质合成;磷脂合成磷脂合成代谢途径（酶或酶系） 细胞内分布 代谢途径（酶或酶系） 细胞内分布糖酵解 胞液 氧化磷酸化(呼吸链) 线粒体三羧酸循环 线粒体 尿素合成 胞液、线粒体磷酸戊
14、糖途径 胞液 蛋白质合成 内质网、胞液糖异生 胞液 DNA合成 细胞核糖原合成与分解 胞液 mRNA合成 细胞核脂肪酸氧化 线粒体 tRNA合成 核质脂肪酸合成 胞液 rRNA合成 核仁呼吸链 线粒体 血红素合成 胞液、线粒体多种水解酶 溶酶体 胆红素生成 微粒体、胞液磷脂合成 内质网 胆固醇合成 内质网、胞液 真核细胞主要代谢途径与酶的区域分布真核细胞主要代谢途径与酶的区域分布l细胞水平的调节作用细胞水平的调节作用l激素水平的调控作用激素水平的调控作用l神经神经水平的水平的调控作用调控作用 代谢调控的层次代谢调控的层次 细胞细胞- -酶水平调控作用酶水平调控作用l酶除了具有催化功能外，还具有
15、调节和控制各类生酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类生物化学反应速度、方向和途径的功能。物化学反应速度、方向和途径的功能。l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、数种类、数量、分布及活性量、分布及活性来控制各种代谢过程或生理过程。来控制各种代谢过程或生理过程。l酶水平的调节作用主要有两种方式：一是通过激活酶水平的调节作用主要有两种方式：一是通过激活或抑制酶的活性；二是通过影响酶的合成或降解速或抑制酶的活性；二是通过影响酶的合成或降解速度，即改变细胞内酶的含量。这种酶水平的调节作度，即改变细胞内酶的含量。这种酶水平的调节作用是生物调控最重要的形式。
16、用是生物调控最重要的形式。第三节 酶活性调节一一 酶的别构效应酶的别构效应二二 酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节三三 产能反应与需能反应的调节产能反应与需能反应的调节四四 酶的共价修饰与级联放大机制酶的共价修饰与级联放大机制l有有些些酶酶分分子子除除了了具具有有活活性性中中心心（结结合合部部位位和和催催化化部部位位）外外，还还存存在在一一个个特特殊殊的的调调控控部部位位，即即变变构构中心中心。l变变构构中中心心虽虽然然不不是是酶酶活活性性中中心心的的组组成成部部分分，但但它它可可以以与与某某些些化化合合物物（称称为为变变构构剂剂）发发生生非非共共价价结结合合，引引起起酶酶分分子子构
17、构象象的的改改变变，对对酶酶起起到到激激活活或或抑抑制制的的作作用用。这这类类酶酶通通常常称称为为变变构构酶酶，由由于于变变构构剂剂与与变变构构中中心心的的结结合合而而引引起起酶酶活活性性改改变变的的现现象象则则称称为变构调节作用为变构调节作用。一一 酶的别构效应酶的别构效应 酶的别构效应酶的别构效应l目目前前已已知知的的变变构构酶酶均均为为寡寡聚聚酶酶，含含两两个个或或两两个个以以上上的的亚亚基基，一一般般分分子子量量较较大大，而而且且具具有有复复杂杂的的空空间间结结构。构。l实实验验发发现现，在在变变构构酶酶中中起起催催化化作作用用，称称为为催催化化亚亚基基；与变构剂结合的对反应起调节作用
18、，称为与变构剂结合的对反应起调节作用，称为调节亚基。调节亚基。l大大多多数数由由变变构构酶酶催催化化的的反反应应不不遵遵守守米米氏氏方方程程，由由变变构构剂剂所所引引起起的的抑抑制制作作用用也也不不服服从从典典型型的的竞竞争争性性或或非非竞争性抑制竞争性抑制作用的数量关系。作用的数量关系。 变构酶的特点变构酶的特点变构剂可以分为两类变构剂可以分为两类l激激活活变变构构剂剂：变变构构剂剂与与酶酶分分子子结结合合后后，酶酶的的构构象象发发生生了了变变化化，这这种种新新的的构构象象有有利利于于底底物物分分子子与与酶酶的结合，使酶促反应速度提高。的结合，使酶促反应速度提高。l抑抑制制变变构构剂剂：变变
19、构构剂剂与与酶酶分分子子结结合合所所引引起起的的酶酶的的构构象象变变化化不不利利于于与与底底物物的的结结合合，表表现现出出一一定定程程度度的抑制作用。的抑制作用。l一一般般代代谢谢产产物物变变构构抑抑制制剂剂,而而代代谢谢底底物物往往往往是是变变构激活剂构激活剂.糖和脂肪代谢酶系中某些变构酶及其变构效应剂糖和脂肪代谢酶系中某些变构酶及其变构效应剂代谢途径 变构酶 变构激活剂 变构抑制剂糖酵解 己糖激酶 AMP、ADP、FDP、Pi G-6-P 磷酸果糖激酶-1 FDP 柠檬酸 丙酮酸激酶 FDP ATP、乙酸CoA三羧酸循环 柠檬酸合酶 AMP ATP、长链脂酰CoA 异柠檬酸脱氢酶 AMP、
20、 ADP ATP糖异生 丙酮酸羧化酶 乙酰CoA、ATP AMP 果糖1,6二磷酸酶 5-AMP AMP糖原分解 磷酸化酶b AMP、G-1-P、Pi ATP、G-6-P糖原合成 糖原合酶 G-6-P脂肪酸合成 乙酰CoA羧化酶 柠檬酸、异柠檬酸 长链脂酰CoA胆固醇合成 HMGCoA还原酶 胆固醇氨基酸代谢 谷氨酸脱氢酶 ADP、亮氨酸、甲硫氨酸 ATP、GTP、NADH嘌呤合成 PRPP酰胺转移酶 PRPP AMP、ADP、GMP、 GDP嘧啶合成 天冬氨酸氨基甲酰转 CTP 移酶血红素合成 ALA合成酶 血红素二二 酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节 前馈（前馈（feedfor
21、wardfeedforward ）和反馈（和反馈（feedback feedback ），前者的），前者的意思是意思是“输入对输出的影响输入对输出的影响”，后者的意思是，后者的意思是“输出对输输出对输入的影响入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢，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控，其调节机理是通过酶的变构效应变构效应来实现的来实现的。S0SnS2S1E0E1En-1或或+或或+反馈反馈前馈前馈反馈调节中酶活性调节的机制反馈调节中酶活性调节的机制代谢物代
22、谢物别别构构中中心心活性活性中心中心6-6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原糖原糖原 合成酶合成酶ATP ADP UTP UDPG 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸羧羧化化酶酶乙酰乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸拧拧檬酸檬酸天冬氨酸天冬氨酸氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸核酸核酸 氨甲酰氨甲酰天冬氨酸天冬氨酸+磷酸烯醇式丙酮酸羧磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制化反应的调节控制氨基酸合成的反馈调控氨基酸合成的反馈调控反硝化作用反硝化作用氧化亚
23、氮氧化亚氮氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸分支酸分支酸脱氧庚酮糖酸脱氧庚酮糖酸-7-磷酸磷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰磷酸赤藓糖赤藓糖-4-磷酸磷酸脱氢奎尼酸脱氢奎尼酸莽草酸莽草酸谷氨酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 +预苯酸预苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛天冬氨酰半醛高丝氨酸高丝氨酸氨基苯甲酸氨基苯甲酸能荷状态与反馈调节能荷状态与反馈调节l能荷指细胞内能荷指细胞内ATP、ADP、AMP系统系统中可供利用的高能磷酸键的中可供利用的高能磷酸键的量度。量度。l生物体内糖代谢和脂类代谢虽然
24、受到柠檬酸、乙酰辅酶生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙酰辅酶A等物质等物质的调节，但调节控制中起决定作用的是的调节，但调节控制中起决定作用的是ATP、AMP这些反应的这些反应的能能荷荷 物质。物质。能荷能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP糖酵解与三羧酸循环途径的调节丙酮酸丙酮酸 G细胞液细胞液柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰CoA柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸乙酰乙酰CoA丙酮酸丙酮酸 线粒体线粒体 G-6-P F-6-P F-1.6-2P 磷酸果磷酸果糖激酶糖激酶 PEPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP NADH O
25、2ATPATP ADP+PiADP+PiAMP + ATP 2ADPAMP + ATP 2ADP PiPiPiPi PEP 羧激酶羧激酶+-+- 己糖激酶己糖激酶 丙酮酸丙酮酸脱氢酶脱氢酶 柠檬酸柠檬酸合成酶合成酶 -酮戊二酮戊二酸酸 脱氢酶脱氢酶四四 酶的共价修饰与级联放大机制酶的共价修饰与级联放大机制 酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共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，这种方式称为酶的调节，这种方式称为酶的共价修饰共价修饰（Covalent Covalent moldi
26、ficationmoldification ）。这类酶则称为）。这类酶则称为共价调节酶共价调节酶。修饰方式：修饰方式：磷酸化磷酸化/ /去磷酸化，去磷酸化， 乙酰化乙酰化/ /去乙酰化，去乙酰化，腺苷酰化腺苷酰化/ /去腺苷酰化，去腺苷酰化， 尿苷酰化尿苷酰化/ /去尿苷酰化，去尿苷酰化，甲基化甲基化/ /去甲基化，去甲基化， 氧化（氧化（S-SS-S）/ /还原还原(2SH)(2SH)。 共价修饰共价修饰例：糖原磷酸化酶的共价修饰例：糖原磷酸化酶的共价修饰 糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别
27、为其限速酶分别为糖原糖原磷酸化酶磷酸化酶和和糖原合成酶糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。相似，但其效果相反。磷酸化酶的共价修饰磷酸化酶的共价修饰l被被修修饰饰的的酶酶可可以以有有两两种种互互变变形形式式，即即一一种种为为活活性性形形式式（具具有有催催化化活活性性），另另一一种种为为非非活活性性形形式式（无无催催化化活活性性) )。正正反反两两个个方方向向的的互互变变均均发发生生共共价价修修饰饰反反应应，并并且且都
28、都将将引引起起酶酶活性的变化。活性的变化。l共共价价修修饰饰调调节节作作用用可可以以产产生生酶酶的的连连续续激激活活现现象象，所所以以 具具有有信信号号放放大大效效应应。例例如如肾肾上上腺腺素素引引起起糖糖原原分分解解过过程程中中的的一一系系列列磷磷酸酸化化激激活活步步骤骤，其其结结果果将将激激素素的的信信号号被被逐逐级级放放大大了了约约300300万倍万倍。共价调节酶两个特点共价调节酶两个特点共价修饰与级联放大共价修饰与级联放大cAMP激活蛋白激活蛋白激酶的作用机理激酶的作用机理 某些酶的酶促化学修饰调节某些酶的酶促化学修饰调节 酶酶 类类 反应类型反应类型 效效 应应磷酸果糖激酶磷酸果糖激
29、酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 激活激活/ /抑制抑制磷酸化酶磷酸化酶b b激酶激酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 激活激活/ /抑制抑制磷酸化酶磷酸酶磷酸化酶磷酸酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活糖元合成酶糖元合成酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活甘油三酯脂肪酶甘油三酯脂肪酶（脂肪细胞）（脂肪细胞） 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 激活激活/ /抑制
30、抑制HMG-HMG-CoACoA还原酶还原酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活HMG-HMG-CoACoA还原酶激酶还原酶激酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 激活激活/ /抑制抑制乙酰乙酰CoACoA羧化酶羧化酶 磷酸化脱磷酸磷酸化脱磷酸 抑制抑制/ /激活激活谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶（大肠杆菌）（大肠杆菌） 腺苷化脱腺苷腺苷化脱腺苷 抑制抑制/ /激活激活黄嘌呤氧化黄嘌呤氧化( (脱氢脱氢) )酶酶 SH/-S-S- SH/-S-S- 脱氢脱氢/ /氧化氧化一、一、原核和真核基因组原核和真核基因组二、二、原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控三、三、真核生物基因表达的调
31、控真核生物基因表达的调控第四节 基因表达的调控基因（基因（genegene）是指是指DNADNA分子中的最小功能单位。包括分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNArRNA(tRNAr、rRNArRNA) )和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。基因。基因组基因组（genomegenome）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的胞的“染色体染色体”DNADNA分子就包含了一个基因组；而在分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全
32、部基因。一 原核和真核基因组基因基因(gene)概念的发展概念的发展1866186618661866年年年年 MenderMenderMenderMender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念1903190319031903年年年年 Sutton & Sutton & Sutton & Sutton & BoveriBoveriBoveriBoveri 提出遗传因子位于染色体上提出遗传因子位于染色体上提出遗传因子位于染色体上提出遗传因子位于染色体上1909190919091909年年年
33、年 Johansen Johansen Johansen Johansen 提出基因概念，取代遗传因子提出基因概念，取代遗传因子提出基因概念，取代遗传因子提出基因概念，取代遗传因子1910191019101910年年年年 MorgenMorgenMorgenMorgen 建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位1941194119411941年年年年 Beadle Beadle Beadle Beadle 提出一个基因一个酶学说提出一个基因一个酶学说提出一个基因一个酶
34、学说提出一个基因一个酶学说1944194419441944年年年年 Avery Avery Avery Avery 首次用实验证实首次用实验证实首次用实验证实首次用实验证实DNADNADNADNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体是遗传信息的载体是遗传信息的载体1953195319531953年年年年 Watson & Crick Watson & Crick Watson & Crick Watson & Crick 确定确定确定确定DNADNADNADNA双螺旋结构，进一步确定了基因的本质双螺旋结构，进一步确定了基因的本质双螺旋结构，进一步确定了基因的本质双螺旋结构，进一步确定了基因的本质1
35、957195719571957年年年年 BenzerBenzerBenzerBenzer 提出顺反子提出顺反子提出顺反子提出顺反子( ( ( (cistroncistroncistroncistron) ) ) )学说，认为基因是分子的一段学说，认为基因是分子的一段学说，认为基因是分子的一段学说，认为基因是分子的一段序序序序 列，负责遗传信息的传递列，负责遗传信息的传递列，负责遗传信息的传递列，负责遗传信息的传递 70707070年代年代年代年代 发现基因包括有遗传效应的外显子发现基因包括有遗传效应的外显子发现基因包括有遗传效应的外显子发现基因包括有遗传效应的外显子( ( ( (introni
36、ntronintronintron) ) ) )和无效应的内和无效应的内和无效应的内和无效应的内 含子含子含子含子( ( ( (extronextronextronextron) ) ) )原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点1 1 1 1、基因组小，单复制子，、基因组小，单复制子，、基因组小，单复制子，、基因组小，单复制子，DNADNADNADNA分子上大部分分子上大部分分子上大部分分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；仅有少量重复；仅有少量重复；仅
37、有少量重复；2 2 2 2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同、功能相同的基因常串联在一起，转录在同、功能相同的基因常串联在一起，转录在同、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个一个一个一个mRNA mRNA mRNA mRNA 中（多顺反子）；中（多顺反子）；中（多顺反子）；中（多顺反子）；3 3 3 3、有基因重叠，以此增加信息容量。、有基因重叠，以此增加信息容量。、有基因重叠，以此增加信息容量。、有基因重叠，以此增加信息容量。1、基因组大，有多个复制子；、基因组大，有多个复制子；mRNA 为单顺反子为单顺反子.2、有大量重复序列，根据重复次数可分为：、有大量重复序列，根据重复次数可分
38、为： 单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少 中度重复序列，可重复几十到几千次，编码中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA 和表达量大的蛋白质和表达量大的蛋白质. 高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性， 可作指纹图谱分析可作指纹图谱分析.3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经 剪切去掉内含子后才成为可翻译的剪切去掉内含子后才成为可翻译的mRNA模板或功能模板或功能rRNA.4、DNA上有多数不编
39、码序列，在基因表达调控中起重要作用上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用. 真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点 操纵子操纵子原核基因表达的协同单位原核基因表达的协同单位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）调控结构调控结构操纵基因（操纵基因（operator, operator, O O）启动基因（启动基因（premotorpremotor, , P P） 酶诱导和阻遏的操纵子模型酶诱导和阻遏的操纵子模型 合成途径操纵子的衰减作用合成途径操纵子的衰减作用二 原核生物酶合成调节的遗传机制(操纵子学说)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
40、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
41、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,从而使阻遏从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表结构基因不表达达代谢产物代谢产物阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（repressor protein）处于活性状态，阻止RNA聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。 当有乳糖存在时，lac操纵子（元）即可被诱导。乳糖进入细胞，经半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、转录发生。 异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作
42、用极强的诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定，因此被实验室广泛应用大大肠肠杆杆菌菌乳乳糖糖操操纵纵子子模模型型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 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子ORPLacZLacYLaca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mRNAA、乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导乳糖酶的诱导 乳糖乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）乳糖操纵子的降解物阻遏
43、乳糖操纵子的降解物阻遏 RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基基 因因 表表达达CAP基因基因结构基因结构基因TCGP(CAP)OCAP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 cAMP CGP：降解物基因活化蛋白（降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：环腺苷酸受体蛋白（环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP recept
44、or protein）降低降低cAMP浓度浓度 使使CAP呈失活状态呈失活状态 当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，从而降低了cAMP的浓度，CAP不能被活化形成CAPcAMP复合物，则不能转录。llac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作：当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但是如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。l lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。
45、 CAPCAP（代谢产物活化蛋白）的（代谢产物活化蛋白）的正性调节正性调节大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制 Trp密码子密码子111232233444核糖体核糖体核糖体核糖体转录继续转录继续转录终止转录终止C.高浓度色氨酸使核高浓度色氨酸使核糖体到达糖体到达2部位，部位， 3与与4 碱基配对，转录碱基配对，转录终止。终止。A.游离游离mRNA中中1与与2以及以及3与与4碱基配对。碱基配对。B.低浓度色氨酸使核低浓度色氨酸使核糖体停留在糖体停留在1部位，部位，转录得以完成。转录得以完成。三 真核生物基因表达调控DNA转录初产物转录初产物RNAmRN
46、A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工转录后加工的调节的调节翻译调节翻译调节mRNA降解降解调节调节翻译后加工翻译后加工的调节的调节核核细胞质细胞质 真核基因表达调控的五个水平真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节水平调节 转录水平调节转录水平调节 转录后加工的调节转录后加工的调节 翻译水平调节翻译水平调节 翻译后加工的调节翻译后加工的调节 真核基因调控主要是正调控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转录因子的相互作用控制转录真核基因的调控真
47、核基因的调控翻译调节（translational control）真核染色质体（真核染色质体（DNA）转录前调节转录初级产物转录初级产物RNA（ProRNA）hnRNA转录后加工的调节（RNA Processing control）转运调节（RNA transport control）mRNAmRNA降解的调控mRNA降解物降解物多肽链多肽链翻译后加工及蛋白质活性控制（protein activity control）活性蛋白活性蛋白失活蛋白失活蛋白转录调节（transcription control）顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件( ( ( (ciscisciscis-ac
48、ting elements)-acting elements)-acting elements)-acting elements) 真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转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录因子结合而影响转录的DNADNA序列。其中主要是起正序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子性调控作用的顺式作用元件，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的元；近年又发现起负性调控作用的元件沉寂子件沉寂子(silencer)(silencer)。启动
49、子（启动子（启动子（启动子（PromoterPromoterPromoterPromoter）l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序列。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约点及其上游约100100200bp200bp序列，包含有若干具有独立功能的序列，包含有若干具有独立功能的DNADNA序列元件，序列元件，每个元件约长每个元件约长7 730bp30bp。 l启动子中的元件可以分为两种：启动子中的元件可以分为两种：l核心启动子元件核心启动子元件(core promoter element)(core promoter e
50、lement)指指RNARNA聚合酶起始转录所必聚合酶起始转录所必需的最小的需的最小的DNADNA序列，包括转录起始点及其上游序列，包括转录起始点及其上游25/25/30bp30bp处的处的TATATATA盒。盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。l上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter element)(upstream promoter element)包括通常位于包括通常位于70bp70bp附附近的近的CAATCAAT盒和盒和GCGC盒、以及距转录起始点更远的上游元件盒、以
51、及距转录起始点更远的上游元件增强子（增强子（增强子（增强子（EhancerEhancerEhancerEhancer）l一种能够提高转录效率的顺式调控元件，通常占一种能够提高转录效率的顺式调控元件，通常占100100200bp200bp长度，长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为8 812bp12bp，可以，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点：单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点：l增强子提高同一条增强子提高同一条DNADNA链上基因转录效率，可以远距离作用，通常链上基因转录效率，可以远距离作用，通常
52、可距离可距离1 14kb4kb、个别情况下离开所调控的基因、个别情况下离开所调控的基因30kb30kb仍能发挥作用，仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用而且在基因的上游或下游都能起作用。l增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。相同的。l增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。表现活性。反式作用因子反式作用因子
53、(trans-acting factors)(trans-acting factors)l以反式作用影响转录的蛋白可统称为转录因子以反式作用影响转录的蛋白可统称为转录因子(transcription factors, TF)(transcription factors, TF)。RNARNA聚合酶是一种聚合酶是一种反式作用转录因子。反式作用转录因子。l转录因子转录因子3 3个功能域（个功能域（DNADNA结合域、转录激活区和其结合域、转录激活区和其它结构域），它结构域）， DNADNA结合域有结合域有螺旋螺旋- -转角转角- -螺旋和螺旋螺旋和螺旋- -环环- -螺旋结构、锌指结构、亮氨酸拉链
54、结构等。螺旋结构、锌指结构、亮氨酸拉链结构等。l锌指结构锌指结构，由一个富含，由一个富含CysCys的多肽链构成，每的多肽链构成，每4 4个个CysCys残基或残基或HisHis残基残基螯合螯合1 1分子分子ZnZn2+2+，其余其余12-1312-13残基则呈指样突起，可嵌入残基则呈指样突起，可嵌入DNADNA双螺旋的双螺旋的大沟而与之结合。大沟而与之结合。l亮氨酸拉链，亮氨酸拉链，由由2 2段段-螺旋平行排列构成，螺旋平行排列构成，-螺旋中存在每隔螺旋中存在每隔7 7个个残基规律排列的残基规律排列的LeuLeu残基，残基， LeuLeu侧链交替排列而成拉链状，侧链交替排列而成拉链状，2 2
55、条肽链条肽链呈嵌状与呈嵌状与DNADNA结合。结合。lTBP(TATAboxTBP(TATAbox binding protein) binding protein) 是唯一能识别是唯一能识别TATATATA盒并与其结合盒并与其结合的转录因子，是三种的转录因子，是三种RNARNA聚合酶转录时都需要的；聚合酶转录时都需要的； 不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合，不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合，这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。第五节第五节 激素和神经水平调节激素和神经
56、水平调节一一 激素调控作用激素调控作用二二 神经调控作用神经调控作用l激素是生物体内特定细胞产生的的对某些激素是生物体内特定细胞产生的的对某些靶细胞具有特殊刺激作用的微量物质。靶细胞具有特殊刺激作用的微量物质。l激激素素是是生生物物细细胞胞分分泌泌的的一一类类特特殊殊化化学学物物质质，它它对对各种生命活动和代谢过程具有调控功能。各种生命活动和代谢过程具有调控功能。l激激素素调调控控往往往往是是局局部部性性的的，并并且且直直接接或或间间接接受受到到神经系统的控制。神经系统的控制。l通通常常一一种种激激素素只只作作用用于于一一定定的的细细胞胞组组织织，不不同同的的激素调节不同的物质代谢或生理过程。
57、激素调节不同的物质代谢或生理过程。一一 激素调控作用激素调控作用激素的分类l根据来源根据来源: :动物激素动物激素和和植物激素植物激素。l根根据据激激素素的的化化学学结结构构和和调调控控功功能能，一一般般可可以以分分为为三三类类( (动物动物):): （1 1）含含氮氮激激素素。包包括括蛋蛋白白质质激激素素、多多肽肽激激素素、氨氨基基酸衍生物激素等。酸衍生物激素等。 （2 2）类类固固醇醇激激素素。性性腺腺和和肾肾上上腺腺皮皮质质分分泌泌的的激激素素大大多数是类固醇激素。多数是类固醇激素。 （3 3）脂脂肪肪酸酸衍衍生生物物激激素素。主主要要由由生生殖殖系系统统及及其其它它组组织分泌产生。织分
58、泌产生。甾甾醇醇类类激激素素作作用用原原理理示示意意图图肽类激素通过肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图蛋白激酶调节代谢示意图 ATP cATP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）蛋白激酶（有活性）受体受体环化酶环化酶激素激素G蛋白蛋白l人及高等动物具有高度发达的神经系统，这类生人及高等动物具有高度发达的神经系统，这类生物的各种活动和代谢的调节机制都处于中枢神经物的各种活动和代谢的调节机制都处于中枢神经系统的控制之下。神经系统既直接影响各种系统的控制之下。神经系统既直接影响各种酶的酶的合成合成，又影响内分泌腺分泌激素的，又影响内分泌腺分泌激素的种类和水平种类和水平，所以神经系统的调节具有所以神经系统的调节具有整体性特点整体性特点。l神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过调节调节激素的分泌激素的分泌来实现的。来实现的。二二 神经调控作用神经调控作用
