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1、 第十三章第十三章 物质代谢的调节控制物质代谢的调节控制生物化学合工大物质代谢的调节控制n第一节第一节 代谢调控的类型代谢调控的类型n第二节第二节 激素的调节作用激素的调节作用n第三节第三节 细胞水平的反馈调节机制细胞水平的反馈调节机制n第四节第四节 基因表达的调节控制基因表达的调节控制n第五节第五节 糖代谢与脂代谢调节糖代谢与脂代谢调节n第六节第六节 代谢调节与微生物发酵代谢调节与微生物发酵生物化学合工大物质代谢的调节控制n生生命命现现象象是是生生物物体体内内发发生生的的极极其其复复杂杂的的生物化学过程的生物化学过程的综合结果综合结果。n为为了了保保证证生生命命活活动动（如如生生长长、发发育
2、育、分分化化、繁繁殖殖、代代谢谢和和运运动动等等）能能够够有有条条不不紊紊地地进进行行，所所有有生生物物体体内内发发生生的的生生物物化化学过程都必须受到有效的调控。学过程都必须受到有效的调控。n生生物物调调控控机机制制是是生生物物在在长长期期进进化化过过程程中中逐逐步步形形成成的的。生生物物进进化化程程度度愈愈高高，调调控控机制愈机制愈完善完善、愈、愈复杂复杂。生物化学合工大物质代谢的调节控制调控的分子生物学基础调控的分子生物学基础n调调控控的的本本质质是是化化学学物物质质与与机机体体组组织织中中具具有有重重要要功功能能的的生生物物大大分分子子之之间间进进行行物物理理化学反应的最终结果。化学反
3、应的最终结果。n这这些些能能够够与与化化学学物物质质发发生生结结合合并并产产生生相相应作用的生物大分子，一般称为应作用的生物大分子，一般称为受体受体。n调调控控分分生生物物体体内内物物质质的的调调控控和和外外源源化化学学物质的调控。物质的调控。生物化学合工大物质代谢的调节控制物质之间的相互作用物质之间的相互作用n包包括括生生物物大大分分子子之之间间的的相相互互识识别别与与作作用用，如如核核酸酸与与蛋蛋白白质质之之间间的的作作用用多多糖糖与与蛋蛋白白质质之之间间的的相相互互作作用用；蛋白质与蛋白质之间的相互作用。蛋白质与蛋白质之间的相互作用。n有有机机小小分分子子与与生生物物大大分分子子之之间间
4、的的相相互互作作用用，如如辅辅酶酶与酶之间的相互作用。与酶之间的相互作用。n有机分子与酶或蛋白质受体有机分子与酶或蛋白质受体之间的相互作用。之间的相互作用。n底物与酶分子之间底物与酶分子之间的识别以及相互作用。的识别以及相互作用。n无无机机金金属属离离子子与与生生物物大大分分子子之之间间的的相相互互作作用用，如如金金属属离离子子与与酶酶或或蛋蛋白白质质之之间间的的络络合合；与与生生物物小小分分子子（辅酶、（辅酶、ATPATP等）之间的络合作用。等）之间的络合作用。生物化学合工大物质代谢的调节控制第一节第一节 代谢调控的类型代谢调控的类型n神经调控作用神经调控作用n激素调控作用激素调控作用n细胞
5、水平的调节作用细胞水平的调节作用生物化学合工大物质代谢的调节控制n人及高等动物具有高度发达的神经系统，这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类生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。神经系统既直接中枢神经系统的控制之下。神经系统既直接影响各种影响各种酶的合成酶的合成，又影响内分泌腺分泌激，又影响内分泌腺分泌激素的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。n神经系统对生命活动的调控在很大程度上是神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过调节通过调节激素的分泌激素的分泌来实现的来实现的。
6、神经调控作用神经调控作用生物化学合工大物质代谢的调节控制 第二节第二节 激素调节功能激素调节功能生物化学合工大物质代谢的调节控制激素调控作用激素调控作用n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。n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。n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。n通通常常一一种种激激素素只只作作
7、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。激素调节不同的物质代谢或生理过程。生物化学合工大物质代谢的调节控制n1.1.含量少；含量少；在生物体某特定组织细胞产生。在生物体某特定组织细胞产生。n2.2.通通过过体体液液的的运运动动被被输输送送到到其其他他组组织织中中发发挥挥作用。作用。n3.3.作作用用很很大大，效效率率高高，在在新新陈陈代代谢谢中中起起调调节节控制作用。控制作用。n4.4.在医疗上，激素也是一类重要在医疗上，激素也是一类重要药物。药物。激素具有以下几个特点：激素具有以下几个特点：生物化学合工大物质代谢的调节控制激素的分类激素的分类n在在
8、生生物物激激素素中中，动动物物激激素素最最为为重重要要。植植物物激激素素主主要要为为植物生长调节剂。植物生长调节剂。n根据激素的化学结构和调控功能，一般可以分为三类根据激素的化学结构和调控功能，一般可以分为三类 n（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、氨氨基基酸酸衍生物激素等。衍生物激素等。n（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多数是类固醇激素。数是类固醇激素。n（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织分泌产生。分泌产生。生物化学合工大物质代谢的调节控
9、制甲状腺激素甲状腺激素n甲甲状状腺腺所所分分泌泌的的激激素素主主要要是是甲甲状状腺腺素素和和少少量量的的三三碘碘甲甲腺腺原原氨氨酸酸。三三碘碘甲甲腺腺原原氨氨酸酸的的活活性性约约为为甲状腺素的甲状腺素的5 51010倍。二者的结构如下：倍。二者的结构如下：甲状腺是体内吸收碘能力最强的组织，能将体内甲状腺是体内吸收碘能力最强的组织，能将体内70-80%70-80%的碘富集在其中。的碘富集在其中。生物化学合工大物质代谢的调节控制甲状腺素甲状腺素生理功能生理功能n在在甲甲状状腺腺素素的的合合成成中中，碘碘化化过过程程并并不不是是发发生生在在游游离离的的酪酪氨氨酸酸上上，而而是是甲甲状状腺腺球球蛋白分
10、子中的酪氨酸残基发生蛋白分子中的酪氨酸残基发生碘化反应。碘化反应。n主主要要是是促促进进糖糖、脂脂及及蛋蛋白白质质的的代代谢谢；促促进进机机体体的的生生长长发发育育和和组组织织分分化化；对对中中枢枢神神经经系系统统、循循环环系系统统、造造血血过过程程、肌肌肉肉活活动动及及智智力力和和体体质质的的发发育育等等均均有有显显著著作作用用。生物化学合工大物质代谢的调节控制n幼幼年年动动物物若若甲甲状状腺腺机机能能减减退退或或切切除除甲甲状状腺腺时时，将将引引起起发发育育迟迟缓缓，身身材材矮矮小小，行行动动呆呆笨笨而而缓缓慢；慢；n成成年年动动物物甲甲状状腺腺机机能能减减退退时时，出出现现厚厚皮皮病病，
11、心博减慢，基础代谢降低，性机能低下。心博减慢，基础代谢降低，性机能低下。n反反之之，甲甲状状腺腺机机能能亢亢进进，动动物物眼眼球球突突出出，心心跳跳加加快快，基基础础代代谢谢增增高高，消消瘦瘦，神神经经系系统统兴兴奋性提高，表现为神经过敏等奋性提高，表现为神经过敏等. .生物化学合工大物质代谢的调节控制肾上腺素肾上腺素 n肾肾上上腺腺分分为为髓髓质质和和皮皮质质两两部部分分。髓髓质质分分泌泌肾肾上上腺腺素素和和少少量量去去甲甲肾肾上上腺腺素素。去去甲甲肾肾上上腺腺素素主主要要由由交交感感神神经经末末梢梢分分泌泌。他他们们也也是是酪氨酸的衍生物，为酪氨酸的衍生物，为R-R-构型。构型。生物化学合
12、工大物质代谢的调节控制n肾上腺素具有与肾上腺素具有与交感神经兴奋交感神经兴奋相似相似的作用，使血管收缩，心脏活动加的作用，使血管收缩，心脏活动加强，血压升高，临床上被用来作为强，血压升高，临床上被用来作为升压药物，起抗休克作用。升压药物，起抗休克作用。 n肾上腺素主要是肾上腺素主要是调节糖代谢调节糖代谢, , 它能它能够促进肝糖原和肌糖原的分解，增够促进肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中的加血糖和血中的乳酸乳酸含量。含量。肾上腺素肾上腺素功能功能生物化学合工大物质代谢的调节控制多肽及蛋白质激素多肽及蛋白质激素n 由脑垂体、下丘脑、胰腺、甲状旁腺、由脑垂体、下丘脑、胰腺、甲状旁腺、胃肠粘膜以及
13、胸腺等分泌的激素属于多胃肠粘膜以及胸腺等分泌的激素属于多肽或蛋白质激素。这些激素具有各种各肽或蛋白质激素。这些激素具有各种各样的功能。样的功能。生物化学合工大物质代谢的调节控制胰岛素胰岛素n胰胰岛岛素素是是由由胰胰腺腺中中胰胰岛岛的的-细细胞胞分分泌泌的的一一种种含有含有5151个氨基酸残基的蛋白质激素。个氨基酸残基的蛋白质激素。n胰胰岛岛素素由由两两条条多多肽肽链链组组成成胰胰岛岛素素的的生生理理功功能能主主要要是是促促进进细细胞胞摄摄取取葡葡萄萄糖糖；促促进进肝肝糖糖原原和和肌肌糖糖原的合成；抑制肝糖原的分解。原的合成；抑制肝糖原的分解。n胰胰岛岛素素具具有有抑抑制制细细胞胞内内腺腺苷苷酸
14、酸环环化化酶酶活活性性作作用用，使使cAMPcAMP产产生生显显著著减减少少，导导致致糖糖原原分分解解速速度度减减慢慢。胰岛素的生理功能与肾上腺素的作用相反。胰岛素的生理功能与肾上腺素的作用相反。生物化学合工大物质代谢的调节控制（2 2）胰高血糖素）胰高血糖素n胰胰高高血血糖糖素素为为胰胰岛岛的的-细细胞胞分分泌泌的的多多肽肽激激素素，由由2929个个氨氨基基酸酸组组成成，人人和和猪猪的的胰胰高高血血糖糖素素的的氨氨基基酸酸序序列列完完全全一一样样，其其结结构如下：构如下：nHis-Ser-Gln-Gly-Thr-Phe-Thr-Ser-Asp-Tyr-Ser-Lys-Tyr-His-Ser-
15、Gln-Gly-Thr-Phe-Thr-Ser-Asp-Tyr-Ser-Lys-Tyr-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-Gln-Asp-Phe-Val-Gln-Trp-Leu-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-Gln-Asp-Phe-Val-Gln-Trp-Leu-Met-Asp-ThrMet-Asp-Thrn胰胰高高血血糖糖素素主主要要是是促促进进肝肝糖糖原原分分解解，使使血血糖糖升升高高，与与肾肾上上腺腺素素作作用用相相似似。其其作作用用原原理理是是激激活活肝肝细细胞胞中中的的腺腺苷苷酸酸环环化化酶酶，使使cAMPcAMP浓度升高，从而提高磷酸化酶活性，促进肝
16、糖原分解浓度升高，从而提高磷酸化酶活性，促进肝糖原分解。生物化学合工大物质代谢的调节控制甲状旁腺激素甲状旁腺激素n甲甲状状旁旁腺腺主主要要分分泌泌甲甲状状旁旁腺腺素素（PTHPTH）和和降降钙素（钙素（CTCT），它们都是多肽激素。），它们都是多肽激素。n二二者者的的生生理理作作用用相相反反，PTHPTH可可以以升升高高血血钙钙，而而CTCT则则可可以以降降低低血血钙钙，因因此此都都是是调调节节钙钙磷磷代代谢的激素。谢的激素。生物化学合工大物质代谢的调节控制糖皮质激素功能糖皮质激素功能n调节糖代谢：调节糖代谢：抑制糖的氧化，使血糖抑制糖的氧化，使血糖升高；促进蛋白质转化为糖。这类激升高；促进蛋
17、白质转化为糖。这类激素还具有良好的抗炎，抗过敏作用，素还具有良好的抗炎，抗过敏作用，是常用的激素药物。是常用的激素药物。生物化学合工大物质代谢的调节控制n调节水盐代谢：调节水盐代谢：促使体内保留钠离子及排出过促使体内保留钠离子及排出过多的钾离子，调节水盐代谢。肾上腺皮质激素多的钾离子，调节水盐代谢。肾上腺皮质激素分泌失常，将引起糖代谢及无机盐代谢紊乱而分泌失常，将引起糖代谢及无机盐代谢紊乱而出现病症。出现病症。盐皮质激素盐皮质激素生物化学合工大物质代谢的调节控制性激素性激素n性激素属于类固醇类激素，可分为雄性激素性激素属于类固醇类激素，可分为雄性激素和雌性激素两类。它们与动物的性别及第二和雌性
18、激素两类。它们与动物的性别及第二性征的发育有关。性征的发育有关。n性激素的分泌受垂体的促性腺激素（性激素的分泌受垂体的促性腺激素（LHF LHF 和和 SHSH）调节。）调节。生物化学合工大物质代谢的调节控制n 第三节第三节细胞细胞- -酶水平调控作用酶水平调控作用生物化学合工大物质代谢的调节控制n细细胞胞- -酶酶水水平平调调控控是是通通过过调调节节细细胞胞内内的的酶酶的的种种类类、数数量量、分分布布或或活活性性来来控控制制各各种种代谢过程或生理过程。代谢过程或生理过程。n这这类类调调控控主主要要包包括括：细细胞胞膜膜结结构构的的调调控控作用和酶的活性调控作用。作用和酶的活性调控作用。n某某
19、些些人人工工合合成成或或天天然然存存在在的的化化学学物物质质也也具具有有调调控控功功能能，主主要要是是表表现现在在对对酶酶的的活活性影响方面。性影响方面。生物化学合工大物质代谢的调节控制n细胞内进行的错综复杂的代谢过程及生理细胞内进行的错综复杂的代谢过程及生理变化，主要是通过变化，主要是通过酶的调节酶的调节来实现的。来实现的。n实际上，激素的调控作用也是通过对酶的实际上，激素的调控作用也是通过对酶的影响（酶的产生和酶的活性）而实现的。影响（酶的产生和酶的活性）而实现的。n细胞细胞- -酶对生物体内发生的生物化学过程的酶对生物体内发生的生物化学过程的调控主要包括调控主要包括细胞膜结构的调控作用细
20、胞膜结构的调控作用和和酶酶的活性调控作用的活性调控作用两个方面。两个方面。生物化学合工大物质代谢的调节控制一、细胞膜结构的调控作用一、细胞膜结构的调控作用n细胞内发生的各种代谢反应及生理变化细胞内发生的各种代谢反应及生理变化之所以能够有条不紊地进行，首先是由之所以能够有条不紊地进行，首先是由于细胞本身具有的特殊膜结构。如果细于细胞本身具有的特殊膜结构。如果细胞的完整性受到破坏，细胞水平的调控胞的完整性受到破坏，细胞水平的调控功能将丧失。功能将丧失。生物化学合工大物质代谢的调节控制 二、酶活性的调控二、酶活性的调控n酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类
21、生物化学反应速度、方向和途径的功能。各类生物化学反应速度、方向和途径的功能。n酶水平的调节作用主要有两种方式：一是通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；二是通过影响酶的过激活或抑制酶的活性；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。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用是生物调控最重要的这种酶水平的调节作用是生物调控最重要的形式。形式。生物化学合工大物质代谢的调节控制n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（feedforward feedforward ）和反馈（）和反馈（feedback feedback ）是来自是
22、来自电子工程学的术语，前者的意思是电子工程学的术语，前者的意思是“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“输出对输入的影响输出对输入的影响”，这里分别借，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。过酶的变构效应来实现的。S0SnS2S1E0E1En-1或或+或或+反馈反馈前馈前馈生物化学合工大物质代谢的调节控制别别构构中中心心活性活性中心中心代谢物代谢物反馈调节中酶活性调节的机制反馈调节中
23、酶活性调节的机制生物化学合工大物质代谢的调节控制酶变构调节作用酶变构调节作用n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。n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
24、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为变构调节作用变构调节作用。生物化学合工大物质代谢的调节控制n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杂的空间结构。复杂的空间结构。n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争性或非竞争性抑制竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系。作用的数量关系。生物化学合工大物质代谢的调节控制变构剂可以分为两类变构剂可以分为两类n激激
25、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。n抑抑制制变变构构剂剂：变变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。n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；与与变变构构剂剂结结合合的的对对反反应应起起调调节节作作用用，称称为为调调节亚基。节亚基。生物化学合工大物质
26、代谢的调节控制共价修饰调控共价修饰调控n某某些些酶酶分分子子上上的的基基团团可可以以在在另另一一种种酶酶催催化化下下发发生生共共价价修修饰饰作作用用（例例如如磷磷酸酸化化或或去去磷磷酸酸化化作作用用），从从而而引引起起酶酶活活性性的的激激活活或或抑抑制制。这这种种作作用用称称为为共共价价修修饰饰作作用用。这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：n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
27、的互互变变均均发发生生共共价价修修饰饰反反应应，并并且且都将引起酶活性的变化。都将引起酶活性的变化。n共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以n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级放大了约逐级放大了约300300万倍万倍。生物化学合工大物质代谢的调节控制n 共价修饰生物化学合工大物质代谢的调节控制第四节第四节 基因表达调控基因表达调控生物化学合工大物质代谢的调节控制基因表达基因表达转录调控转录调控
28、方式方式n原核生物以原核生物以操纵子操纵子为单元进行表达和调控，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。生物化学合工大物质代谢的调节控制I I调节基因调节基因P P启动子启动子O O操作子（操作操作子（操作基因）基因）Z Z、Y Y、A A三种结三种结构基因构基因乳糖操纵子的调节机制乳糖操纵子的调节机制生物化学合工大物质代谢的调节控制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当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（蛋白（repressor proteinrepressor p
29、rotein）处于活性状态，阻止）处于活性状态，阻止RNARNA聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。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，当有乳糖存在时，laclac操纵子（元）即可被诱导。操纵子（元）即可被诱导。乳糖进入细胞，经乳糖进入细胞，经半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，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，导致阻遏蛋白与使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O O序列解离、转序列解离、转录发生。录发生。 异丙基硫代半乳糖苷（异丙基硫代半乳糖苷（IPTGIPTG）是一种作用极）是一种作用极强的诱
30、导剂，不被细菌代谢而十分稳定，因此被强的诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定，因此被实验室广泛应用实验室广泛应用生物化学合工大物质代谢的调节控制 CAPCAP（代谢产物活化蛋白）的正性调节（代谢产物活化蛋白）的正性调节 当没有当没有葡萄糖葡萄糖及及cAMPcAMP浓度较高时，浓度较高时，cAMPcAMP与与CAPCAP结合，这时结合，这时CAPCAP结合在结合在laclac启动序列附近的启动序列附近的CAPCAP位点，可刺激位点，可刺激RNARNA转录活性。葡萄糖的分转录活性。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，从而降低了磷酸二酯酶，从而
31、降低了cAMPcAMP的浓度，的浓度，CAPCAP不不能被活化形成能被活化形成CAPCAPcAMPcAMP复合物，则不能转录。复合物，则不能转录。生物化学合工大物质代谢的调节控制nlaclac阻遏蛋白负性调节与阻遏蛋白负性调节与CAPCAP正性调节两种机制协正性调节两种机制协调合作：当调合作：当LacLac阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系对该系统不能发挥作用；但是如果没有统不能发挥作用；但是如果没有CAPCAP存在来加强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。无转录活性。n laclac操纵子强的诱导作
32、用既需要乳糖存在又需缺操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。乏葡萄糖。 生物化学合工大物质代谢的调节控制调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物trp阻遏蛋白原阻遏蛋白原l调节基因编码的阻遏蛋白原不与操作基因结合，结构基因转录。调节基因编码的阻遏蛋白原不与操作基因结合，结构基因转录。TrpTrp或或TrpTrpRNARNA与阻遏蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因与阻遏蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因结合，结构基因不能表达。结合，结构基因不能表达。阻遏物调节机制阻遏物调节机制色氨酸
33、操纵子的调节机制色氨酸操纵子的调节机制生物化学合工大物质代谢的调节控制大肠杆菌色氨酸操纵子大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的衰减作用衰减子：衰减子：在转录水平上调节基因表达的衰减作用，在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和减弱转录，这种调节的作用部位叫衰减用于终止和减弱转录，这种调节的作用部位叫衰减子子是一种位于结构基因上游前导区的是一种位于结构基因上游前导区的终止子终止子。生物化学合工大物质代谢的调节控制真核生物基因表达调控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
34、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生物化学合工大物质代谢的调节控制真核基因的调控真核基因的调控翻译调节翻译调节（translational control）
35、真核染色质体（真核染色质体（DNA）转录前调节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降解的调控降解的调控mRNA降解物降解物多肽链翻译后加工及蛋白质活性控制（protein activity control）活性蛋白失活蛋白转录调节（transcription control）生物化学合工大物质代谢的调节控制n n顺式作用元件顺式作用元件(cis acting (cis acting elements)elements) 真核基因的顺
36、式调控元件是基因周围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能与特异转录因子结合而影响转录的DNADNA序列。其中主要是起正性调控作用的顺序列。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；近年又发现起负性调控作用的调控作用的元件沉寂子元件沉寂子(silencer)(silencer)。生物化学合工大物质代谢的调节控制n n1.1.1.1.启动子（启动子（启动子（启动子（PromoterPromoterPromoterPromote
37、r）n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序列序列。真核启。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约动子一般包括转录起始点及其上游约100100200bp200bp序序列，包含有若干具有独立功能的列，包含有若干具有独立功能的DNADNA序列元件，每序列元件，每个元件约长个元件约长7 730bp30bp。 n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：n核心启动子元件核心启动子元件( (core promoter elementcore promoter element) )指指RNARNA聚合酶起始转录所必需的最小的聚合酶起始转录所必需的最小的
38、DNADNA序列，包括序列，包括转录起始点及其上游转录起始点及其上游25/25/30bp30bp处的处的TATATATA盒。核盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生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。基础水平的转录。n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附近的附近的CAATCAAT盒和盒和GCGC盒、以及距盒、以及距转录起始点更远的上游元件转录起始点更远的上游元件生物化学合工大物质代谢的调节控制n n2.2.2.2.增
39、强子（增强子（增强子（增强子（EhancerEhancerEhancerEhancer）一种能够提高转录效率的顺式一种能够提高转录效率的顺式调控元件，通常占调控元件，通常占100100200bp200bp长度，也和启动子一样长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为由若干组件构成，基本核心组件常为8 812bp12bp，可以单，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拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点：点：n增强子提高同一条增强子提高同一条DNADNA链上基因转录效率链上基因转录效率，可以远距可以远距离作用，通常可距离离作用，通常可距离1 14kb4kb、个
40、别情况下离开所调控、个别情况下离开所调控的基因的基因30kb30kb仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用都能起作用。n增强子作用与其序列的正反方向无关，增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方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，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相同的。可见增强子与启动子是很不相同的。n增强子要有启动子才能发挥作用，增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，没有启动子存在，增强子不能表现活性。增强子不能表现活性。生物化学合工大物质代谢的调节控制n n3.3.沉寂子（沉寂
41、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淋巴细胞的淋巴细胞的T T抗原受体基因的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，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用，是一种作用，是一种负调控顺式元件负调控顺式元件。 n nUASUAS（upstream acticity sequenceupstream acticity sequence） CAATboxCAATbox（70708080） GC BOX GC BOX
42、（8080110110）生物化学合工大物质代谢的调节控制 反式作用因子反式作用因子 (trans (transacting factors)acting factors) 以反式作用影响转录的因子可统称为转录因以反式作用影响转录的因子可统称为转录因子子(transcription factors, TF)(transcription factors, TF)。RNARNA聚合聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。生物化学合工大物质代谢的调节控制n nGTFGTF（Genaral Transcription FactorGenaral Transcription
43、 Factor）nTBP(TATAbox binding protein)TBP(TATAbox binding protein) 是唯一能识是唯一能识别别TATATATA盒并与其结合的转录因子，是三种盒并与其结合的转录因子，是三种RNARNA聚合酶转录时都需要的；聚合酶转录时都需要的； n不同基因由不同的上游启动子元件组成，能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，与不同的转录因子结合，这些转录因子通过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。与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。生物化学合工大物质代谢的调节控制 第五节第五节 糖代谢与脂代谢调节糖代谢与脂
44、代谢调节生物化学合工大物质代谢的调节控制 能荷能荷n指细胞内指细胞内ATP、ADP、AMP系统系统中可供中可供利用的高能磷酸键的量度。利用的高能磷酸键的量度。n生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙酰辅酶檬酸、乙酰辅酶A等物质的调节，但调节等物质的调节，但调节控制中起决定作用的是控制中起决定作用的是ATP、AMP这些这些反应反应能荷的能荷的物质。物质。生物化学合工大物质代谢的调节控制生物系统中的能流生物系统中的能流生物化学合工大物质代谢的调节控制糖代谢途径的调节糖代谢途径的调节nATP是糖酵解途径中限速酶磷酸果糖激酶、酵解途径中限速酶磷酸果糖激酶、丙酮酸激
45、酶的反馈抑制物质。丙酮酸激酶的反馈抑制物质。n再三羧酸循环中、再糖原合成与分解途再三羧酸循环中、再糖原合成与分解途径中，径中，ATP均通过调节酶的活性来调节均通过调节酶的活性来调节整个的物质代谢速度。整个的物质代谢速度。生物化学合工大物质代谢的调节控制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
46、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糖糖类类、脂脂类类、蛋蛋白白质质类类代代谢谢途途径径关关系系生物化学合工大物质代谢的调
47、节控制核酸与糖、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+，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。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。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，如各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如
48、ATP是能量的是能量的“通货通货”，此外，此外UTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTP参与磷脂合参与磷脂合成，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。生物化学合工大物质代谢的调节控制通过通过NADPHNADPH循环将还原力由分解代谢循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应转移给生物合成反应NADPH+HNADPH+H+ +NADPNADP+ +分解代谢分解代谢还原性有机物还原性有机物还原性生物合成反应还原性生物合成反应氧化物氧化物还原性生物还原性生物合成产物合成产物氧化前体氧化前体生物化学合工大物质代谢的调节控制脂肪酸合成的调节脂肪酸合成的调节n乙酰辅酶乙酰辅酶A
49、羧化酶羧化酶呈呈聚合态是具有活性聚合态是具有活性，因此，凡促进其聚合因素起正调节作用，因此，凡促进其聚合因素起正调节作用，使其解聚的因素起负调节作用。使其解聚的因素起负调节作用。生物化学合工大物质代谢的调节控制 第六节第六节 代谢调节与微生物发酵代谢调节与微生物发酵生物化学合工大物质代谢的调节控制n微生物代谢的调节控制可以直接应用于微生物代谢的调节控制可以直接应用于发酵工业。发酵工业。n目前主要有目前主要有三种措施三种措施改变微生物的正常改变微生物的正常代谢。代谢。 1.降低最终产物的浓度降低最终产物的浓度以解除反馈抑制。以解除反馈抑制。 2.改变敏感酶和酶生成机制改变敏感酶和酶生成机制。 3
50、.改变细胞的透性改变细胞的透性。生物化学合工大物质代谢的调节控制降低最终产物的浓度降低最终产物的浓度n降低最终产物的浓度可以解除最终产物降低最终产物的浓度可以解除最终产物对合成途径的对合成途径的反馈抑制或阻遏作用反馈抑制或阻遏作用，也，也就能就能积累中间产物或最终产物积累中间产物或最终产物。生物化学合工大物质代谢的调节控制改变敏感酶的作用机制改变敏感酶的作用机制 选育抗代谢类似物的选育抗代谢类似物的变异株，变异株，也是提高也是提高某些代谢产物产量的措施某些代谢产物产量的措施。生物化学合工大物质代谢的调节控制改变细胞的透性改变细胞的透性n一方面注意筛选细胞膜通透性强的野生菌株。一方面注意筛选细胞膜通透性强的野生菌株。n另一方面对于通过诱变选育出来的突变体要注另一方面对于通过诱变选育出来的突变体要注意控制发酵条件，以提高细胞膜的透性。意控制发酵条件，以提高细胞膜的透性。生物化学合工大物质代谢的调节控制本章重点本章重点:1. 糖类、脂类、蛋白质和核酸代谢的调控糖类、脂类、蛋白质和核酸代谢的调控和相互关系。和相互关系。2. 了解细胞结构、酶活性、信号转导和基了解细胞结构、酶活性、信号转导和基因水平的代谢调节。因水平的代谢调节。生物化学合工大物质代谢的调节控制
