代謝調(diào)節(jié)綜述課件

第十五章代謝調(diào)節(jié)綜述

生物體內(nèi)存在著相互聯(lián)系，錯(cuò)綜復(fù)雜的代謝過(guò)程。如果體內(nèi)不存在調(diào)節(jié)和控制，各種代謝就會(huì)變得雜亂無(wú)章，生物也就不能存活。實(shí)際上，生物體內(nèi)存在著調(diào)節(jié)控制，控制各種代謝有條不紊地進(jìn)行。代謝調(diào)節(jié)的內(nèi)容及重要性生物體內(nèi)的代謝調(diào)節(jié)，在四種不同水平上進(jìn)行。酶的調(diào)節(jié)激素的調(diào)節(jié)神經(jīng)的調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)的內(nèi)容各種調(diào)節(jié)之間的關(guān)系

細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)，主要是通過(guò)控制酶的作用而實(shí)現(xiàn)的。這種酶水平的調(diào)節(jié)，是最基本的調(diào)節(jié)方式。激素和神經(jīng)調(diào)節(jié)是隨著生物進(jìn)化、發(fā)展而完善起來(lái)的調(diào)節(jié)機(jī)制，但是它們?nèi)匀皇峭ㄟ^(guò)“酶水平”的調(diào)節(jié)而發(fā)揮其作用。所有這些調(diào)節(jié)又受生物遺傳因素的控制。15.1酶的調(diào)節(jié)一、通過(guò)控制酶的生物合成調(diào)節(jié)代謝酶合成的誘導(dǎo)和阻遏作用分解代謝產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏二、通過(guò)控制酶活性調(diào)節(jié)代謝抑制作用活化作用別構(gòu)作用共價(jià)修飾三、相反單向反應(yīng)對(duì)代謝的調(diào)節(jié)四、酶的分布區(qū)域化對(duì)代謝的調(diào)節(jié)1.酶的誘導(dǎo)和阻遏

(induceandrepressionofenzyme)某些物質(zhì)可以誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)酶，這種作用叫做酶的誘導(dǎo)生成作用。誘導(dǎo)酶：是指當(dāng)細(xì)胞中加入特定誘導(dǎo)物后誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶，它的含量在誘導(dǎo)物存在下顯著增高，這種誘導(dǎo)物往往是酶底物的類似物或底物本身。例：E.coli可利用多種糖為碳源，當(dāng)利用乳糖做碳源時(shí)，需要一個(gè)關(guān)鍵性的酶，β-半乳糖苷酶，這個(gè)酶可將乳糖水解為半乳糖和G。而用乳糖作碳源時(shí)，開始E.coli幾乎不能利用，1-2分鐘后，此酶迅速增加上千倍。這是新的酶分子的合成，而不是原有酶分子的活化，它是由乳糖誘導(dǎo)生成的。因此，β-半乳糖苷酶是個(gè)誘導(dǎo)酶。誘導(dǎo)酶的例子2.操縱子(operon)1961年Monod和Jacob提出了操縱子學(xué)說(shuō)，闡明了酶的誘導(dǎo)、阻遏和基因的關(guān)系，這一學(xué)說(shuō)開始只是一個(gè)假說(shuō)，但后來(lái)，逐步為許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，現(xiàn)已普遍接受。

操縱子：在原核生物的DNA分子的不同區(qū)域分布著一個(gè)調(diào)節(jié)基因和一個(gè)操縱子，一個(gè)操縱子包括一個(gè)操縱基因，一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因，以及在調(diào)節(jié)基因和操縱基因之間專管轉(zhuǎn)錄起始的啟動(dòng)子(基因)。啟動(dòng)子操縱子操縱子模型示意圖操縱子的組成操縱基因(operator)：沒(méi)有基因產(chǎn)物的基因，在DNA序列中它接近結(jié)構(gòu)基因。有阻遏蛋白的結(jié)合位置，是轉(zhuǎn)錄的開關(guān)，控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)基因(promotor)：（在調(diào)節(jié)基因和操縱基因之間），有RNA聚合酶的結(jié)合部位，啟動(dòng)DNA轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)基因(Structuralgene)：可以轉(zhuǎn)錄出mRNA合成酶蛋白，決定蛋白質(zhì)中的氨基酸順序，或決定mRNA中核苷酸順序的基因。調(diào)節(jié)基因(regulator)：負(fù)責(zé)阻遏蛋白的合成。啟動(dòng)子當(dāng)誘導(dǎo)物存在時(shí)，誘導(dǎo)物和阻遏蛋白結(jié)合時(shí)，改變阻遏蛋白的構(gòu)象，不能與操縱基因結(jié)合，于是RNA聚合酶起作用，使底物基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，生成酶蛋白。B.酶生成的阻遏作用機(jī)制在沒(méi)有代謝產(chǎn)物時(shí)，阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，因而結(jié)構(gòu)基因就轉(zhuǎn)錄翻譯，生成酶蛋白。3.乳糖操縱子模型（誘導(dǎo)型操縱子）以E.coli乳糖操縱子為例，說(shuō)明操縱子學(xué)說(shuō)。當(dāng)把E.coli培養(yǎng)在僅含乳糖的培養(yǎng)液中，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生利用乳糖的酶。Ecoli乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因Z.Y.A，可轉(zhuǎn)錄并翻譯出利用乳糖的三個(gè)酶，β半乳糖苷酶，半乳糖苷透性酶、β半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。這里，乳糖是誘導(dǎo)物誘導(dǎo)這3種酶的合成，這3種酶就是誘導(dǎo)酶。乳糖操縱子β半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶β半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶

4.色氨酸操縱子模型（阻遏型操縱子）色氨酸操縱子除了含有結(jié)構(gòu)基因、操縱基因和啟動(dòng)子外，還有1個(gè)衰減子和1段前導(dǎo)序列。一般情況，操縱子進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄和翻譯，當(dāng)終產(chǎn)物色氨酸過(guò)多時(shí)就會(huì)作為輔阻遏物和阻遏蛋白結(jié)合，使無(wú)活性的阻遏蛋白變?yōu)橛谢钚缘淖瓒舻鞍讖亩筒倏v基因結(jié)合使操縱基因關(guān)閉，5個(gè)結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄，阻止了有關(guān)酶的合成。DECBA啟動(dòng)子P操縱基因O前導(dǎo)序列L衰減子色氨酸操縱子衰減子是一種更為精細(xì)的阻遏調(diào)節(jié)，是DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核苷酸序列。色氨酸存在時(shí)，衰減子使轉(zhuǎn)錄水平降低或終止。（二）、分解代謝產(chǎn)物對(duì)酶合成的阻遏當(dāng)反應(yīng)中有其他產(chǎn)物時(shí)會(huì)抑制酶的生物合成。如：當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，則優(yōu)先利用葡萄糖，等葡萄糖耗盡再利用乳糖。這就是葡萄糖效應(yīng)。二、通過(guò)控制酶活性調(diào)節(jié)代謝（一）抑制作用簡(jiǎn)單抑制：一種代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)累積過(guò)多時(shí)由于物質(zhì)作用定律的關(guān)系，可抑制其本身的形成，這種抑制酶本身結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化。反饋抑制：指酶促反應(yīng)終產(chǎn)物對(duì)酶活力的抑制。即一系列酶促反應(yīng)的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)酶起抑制作用。CTP利用率低，CTP濃度高，抑制天冬aa轉(zhuǎn)氨甲酰酶的活力。反饋、前饋是細(xì)胞中一種很巧妙的代謝調(diào)節(jié)方式?？杀苊夥磻?yīng)中，反應(yīng)物、產(chǎn)物過(guò)多積累和浪費(fèi)，對(duì)生物體原料和能源的合理利用具有重要意義。（三）別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)allostericregulation：酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價(jià)結(jié)合后發(fā)生構(gòu)象的改變，進(jìn)而改變E活性狀態(tài)，稱為E的別構(gòu)調(diào)節(jié)。由別構(gòu)酶起作用調(diào)節(jié)代謝過(guò)程稱別構(gòu)調(diào)節(jié)。具有這種調(diào)節(jié)作用的E稱為別構(gòu)酶allostericenzyme。別構(gòu)效應(yīng)分為：正效應(yīng)物positive：使酶活力增強(qiáng)。負(fù)效應(yīng)物negative：使酶活力降低。別構(gòu)酶

別構(gòu)酶也稱變構(gòu)酶。這種酶除了有活性中心外，還有別構(gòu)中心，當(dāng)別構(gòu)效應(yīng)物非共價(jià)結(jié)合到別構(gòu)中心上時(shí)，酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變酶活力。

當(dāng)別構(gòu)效應(yīng)物與酶結(jié)合，大大有利于后續(xù)分子與酶的結(jié)合，使酶的活力增加，稱為別構(gòu)激活，也稱為正協(xié)同；反之，稱為別構(gòu)抑制，或負(fù)協(xié)同。細(xì)胞可以通過(guò)酶的別構(gòu)使酶活力升高或降低以調(diào)節(jié)其代謝。別構(gòu)酶的特點(diǎn)：1.有多個(gè)亞基，都是寡聚酶；2.活性中心和別構(gòu)中心位于E蛋白的不同部位，或處在不同亞基上，或在同一亞基上的不同部位；3.活性中心負(fù)責(zé)對(duì)底物的結(jié)合與催化，別構(gòu)中心則負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度。4.不遵循米氏方程。符合米氏方程酶的雙曲線正協(xié)同別構(gòu)酶的S型曲線負(fù)協(xié)同別構(gòu)酶的雙曲線別構(gòu)酶的動(dòng)力學(xué)曲線

正協(xié)同的別構(gòu)酶結(jié)合底物或變構(gòu)劑后，構(gòu)像的變化使酶對(duì)底物的親合力大大增強(qiáng)。

負(fù)協(xié)同的別構(gòu)酶與變構(gòu)抑制劑結(jié)合后，在底物濃度較低的范圍內(nèi)酶活性增加較快，但底物濃度升高后，催化速率并不顯著增加，這意味著高濃度的低物并不能形成高濃度的產(chǎn)物。別構(gòu)效應(yīng)物：1.激素；2.底物、產(chǎn)物或代謝途徑的最終產(chǎn)物；3.與該代謝酶系有關(guān)的輔酶及核苷酸類化合物。（四）共價(jià)修飾(covalentmodification)定義：酶蛋白在另一種酶的催化下，在其分子上以共價(jià)結(jié)合的方式接上或脫去某種特殊的化學(xué)基團(tuán)，從而引起酶活力改變的過(guò)程。這類酶為共價(jià)修飾酶。類型：①磷酸化/去磷酸化②乙酰化/去乙?；巯佘挣；?去腺苷?；苣蜍挣；?去尿苷?；菁谆?去甲基化⑥氧化（S-S）/還原(2SH)舉例：糖原磷酸化酶和糖原合酶意義：代謝作用中關(guān)鍵酶的共價(jià)修飾是級(jí)聯(lián)放大的最終階段。（特別是激素調(diào)節(jié)）

糖原磷酸化酶

磷酸化酶磷酸化酶b:該酶本身無(wú)活性,當(dāng)磷酸化酶b活性中心的絲氨酸殘基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶a。由磷酸化酶b轉(zhuǎn)化為活化形式a的反應(yīng),被磷酸化酶激酶所催化,而磷酸化酶a去活化（去磷酸化）則由另一種磷酸酶所催化。

糖原合酶糖原磷酸化E和糖原合E的活性具有相反的調(diào)節(jié)方式，正好一種E活化時(shí)，另一種E受到抑制。它們的協(xié)同作用如下：三、相反單向反應(yīng)對(duì)代謝的調(diào)節(jié)相反單向可逆反應(yīng)：在代謝過(guò)程中有些可逆反應(yīng)的正反兩向由不同的酶催化。AB如：果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸在此反應(yīng)中ATP對(duì)酶a起促進(jìn)作用，對(duì)酶b起抑制作用。細(xì)胞利用這種反應(yīng)的特性即可調(diào)節(jié)其代謝物的合成與分解速度。酶b酶a果糖-6-磷酸激酶果糖-1，6-二磷酸酯酶四、酶的分布區(qū)域化對(duì)代謝的調(diào)節(jié)概念：代謝途徑的有關(guān)酶類，常常組成酶系，分布于細(xì)胞的某一區(qū)域或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，使不同代謝途徑在不同細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行。區(qū)域化的意義：區(qū)域化的存在顯著影響真核細(xì)胞的代謝情況，使復(fù)雜的酶反應(yīng)分區(qū)進(jìn)行，有利于代謝的調(diào)節(jié)。真核細(xì)胞內(nèi)某些酶的區(qū)域化分布酶或酶系所在區(qū)域酶或酶系所在區(qū)域糖酵解酶系TCA酶系磷酸戊糖途徑酶系脂肪酸β氧化酶系脂肪酸合成酶系尿素合成酶系胞漿線粒體胞漿線粒體胞漿線粒體和胞漿蛋白質(zhì)合成酶系DNA聚合酶RNA聚合酶水解酶類粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞核細(xì)胞核溶酶體細(xì)胞內(nèi)酶的隔離分布代謝途徑有關(guān)酶類常常組成多酶體系，分布于細(xì)胞的某一區(qū)域。代謝途徑的區(qū)域化15.2激素的調(diào)節(jié)通過(guò)控制激素的生物合成調(diào)節(jié)代謝通過(guò)激素對(duì)酶活性的影響調(diào)節(jié)代謝通過(guò)激素對(duì)酶合成的誘導(dǎo)作用調(diào)節(jié)代謝參與代謝調(diào)控的激素P529，表15-6.激素的分類1、氨基酸及其衍生物類激素：酪氨酸的代謝產(chǎn)物，如甲狀腺素、腎上腺素2、肽及蛋白質(zhì)激素：胰島素、降鈣素等3、固醇類激素：腎上腺皮質(zhì)激素、性激素4、脂肪酸衍生物類激素：前列腺素15.3神經(jīng)的調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)下丘腦垂體腺體靶細(xì)胞15.4反義核酸的調(diào)節(jié)反義核酸的概念：指一切含有