第十五章物质间相互联系和代谢调节.ppt

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1、第十五章 物质代谢的联系及其调节,一、糖与脂,第一节 物质代谢的相互关系,在生物体内糖类和脂类化合物之间的相互转变现象很多，例如：植物体内，特别是油料作物，叶片内进行的光合作用大量合成碳水化合物，并以糖的形式运输到种子之后，便转变成脂类化合物贮存起来。而当油料种子萌发时，其中贮存的脂肪又转变为糖转运到生长中的根和芽中去了。,转变过程为：糖经EMP过程，可生成磷酸二羟丙酮和丙酮酸等物质，磷酸-二羟丙酮可被还原成甘油、丙酮酸经氧化脱羧之后转变为乙酰CoA，然后在脂肪酸合成酶系的作用下合成脂肪酸。再与甘油合成脂肪。脂转化成糖的过程：脂肪水解的产物为甘油和脂肪酸，甘油氧化成磷酸二羟丙酮，然后合成己糖，

2、脂肪酸经过-氧化作用生成乙酰CoA，然后通过乙醛酸循环生成琥珀酸，再被氧化成草酰乙酸，经脱羧形成丙酮酸，逆酵解途径合成糖。,二、糖与蛋白质,糖类是生物的重要碳源和能量，糖可以转变为各种AA分子的碳架，经氨基化或转氨基作用而生成相应的AA，AA合成多肽链并形成蛋白质，另一方面也可以转变为碳水化合物，蛋白质水解作用而产生氨基酸，氨基酸脱氨而产生酮酸，再转变为丙酮酸之后又可以合成糖类化合物，连接糖类和蛋白南代谢之间起桥梁作用的是酮酸，它在糖 代谢过程中的糖 酵解途径和三羧酸循环中都 可以产生，也可以在AA脱氨过程中形成。,三、脂与蛋白质,脂肪代谢的水解产物甘油可以转变为丙酮酸，丙酮酸接受NH3生成a

3、a，丙酮酸也可以进一步转变成草酰乙酸（OAA），-酮戊二酸（-kg），这些酮酸接受NH3生成相应的AA，脂肪水解的另一产物脂肪酸经-氧化生成乙酰COA、乙酰COA一方面可以进入三羧酸循环而产生酮酸，以合成AA，另一方面又可以进入乙醛酸循环产生琥珀酸来补充三羧酸循环的碳源，这在油料作物种子萌发期间嗫这明显，相反，蛋白质也可以转变为脂肪。如蛋白质的水解产物AA，经脱氨生成酮酸，生成乙酰COA，乙酰COA经缩合成脂肪酸脂肪。,四、核酸与其他物质的关系,核酸在代谢过程中虽然不是重要的碳源，氮源的能源，但是在生物的遗传过程中是非常重要的物质，按“中心法则”（central dogma）的观点，核酸能控制

4、蛋白质生物合成，进而影响到细胞的组成成分和代谢类型。核酸的降解产物核苷酸在代谢中有极其重要的作用。如ATP中能量和磷酸基团转移的重要物质，UTP及UDP在淀粉代谢、蔗糖代谢中是糖基转移的重要物质，CTP则参与磷酸脂的合成，AMP还可以转变为组aa，此外，在许多代谢中的重要辅酶NAD+、NADP+、FAD、HSCoA等都是腺嘌呤核苷酸衍生物。另一方面，核酸的代谢也依赖其它代谢并受其它代谢的制约。例如：核酸本身的合成需要糖代谢提供核糖，也需要蛋质代谢提供甘aa,天门冬aa和谷氨酰胺参加嘌呤和嘧啶的合成。,可见糖类、脂肪、蛋白质和核酸等物质在代谢过程中彼此都有相互密切的联系，其中糖的酵解（EMP）途

5、径和三羧酸TCA循环更是沟通各代谢之间的重要环节，所以EMP途径和TCA循环又被称之为“中心代谢途径”或称之为“不定向代谢途径”。,神经水平 激素水平动物 细胞水平 植物 单细胞生物 酶水平,生物的调控层次,代谢网络,DNA 转录前调节 转录调节转录初产物RNA 转录后加工的调节 转运调节成熟RNA 降解调节 翻译调节蛋白质前体 加工调节 定向运输调节 降解调节 成熟蛋白质(酶)活性调节,细胞水平,第二节代谢调节,酶水平的调节:,一、酶定位的区域化,二、酶活性调节,1.酶原激活 P365,变构酶的特性与结构变构酶特点：a.有多个亚基b.有四级结构c.除了有可以与底物结合的活性中心外，还有可以结

6、合调节物的别构中心d.酶促反应动力学不遵循米氏方程,2.变构效应的调节,变构酶举例：,a.大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶ATCase.6个调节亚基R，上面有结合ATP和CTP部位；6个催化亚基C，具催化活性。ATP激活剂，CTP抑制剂。,Catalytic trimers are green.Regulatory dimers are red.,变构酶的酶促反应动力学,根据结合调节物后构象的变化对酶与底物结合的影响，分为正协调效应与负协调效应。a.非调节酶b.正协同别构酶：在中等或较低底物浓度下，底物浓度发生较小的变化引起酶促反应速度有较大的变化，可以灵敏的调节酶促反应速度。c.负协同别构酶：在很

7、宽的底物浓度范围内，酶促反应速度变化不明显，即对底物浓度变化不敏感。,D-glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(holo form)(E.C.1.2.1.12)complexed with NAD(red),b.3磷酸甘油醛脱氢酶：负协同效应别构酶代表,此酶具有四个亚基，可以和四个NAD结合，但结合常数不同。酶结合NAD后，发生构象变化。NAD和酶结合的解离常数很小，因此虽然底物NAD浓度很低，也能顺利地和酶结合。但是当NAD浓度升高时，酶结合了两个NAD之后，再结合第三、第四个NAD就不那么容易。也就是说这时候再要提高酶反应速度是较难的，需要浓度大

8、大提高才行。在一定的底物浓度范围内，底物浓度变化不足以影响酶反应速度。这就是负协同别构酶对底物浓度变化的不敏感性。,3-磷酸甘油醛脱氢酶与NAD结合的解离常数(平衡透析测定),解离常数(mol/L)虾肌 兔肌 K1 510-9 10-10 K2 510-9 10-9 K3 610-7 310-7 K4 1.310-6 2.610-6,在有机体中有许多需要NAD的代谢途径，NAD+参与许多的反应，其浓度波动大。糖酵解是生物体内重要的代谢过程，速度要求相对稳定，在供氧不足的情况下，它仍需以一定的速度稳定的进行反应。因为3-磷酸甘油醛脱氢酶为此过程的负协同别构酶，对底物NAD浓度变化不敏感，所以当N

9、AD浓度很低(缺氧情况下)，其它需要NAD的代谢反应都随之减缓时，酵解过程仍然能以一定的速度顺利的进行。由此可以看到负协同效应别构酶的重要生理功能。,3.同功酶的调节,同功酶的定义及形成 同功酶(isoenzyme)是能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构、理化作用不完全相同的一组酶。它们普遍存在于动植物和微生物中，至今已发现了数百种之多，同功酶可存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织，甚至同一组织、同一细胞中。,初级同功酶：酶蛋白由不同的基因编码而产生。次级同功酶：由一个酶蛋白的基因在表达过程中经过不同的加工和修饰所产生。,意义：,1.生物不同部位的生理状况2.在发育过程中，适应不

10、同的发育阶段3.分枝代谢的调节,4.酶分子的共价修饰,在某种酶的催化下，某一基团以共价键与酶分子相连，使酶活性发生改变。主要指蛋白质的磷酸化(磷酰基或腺苷酰基)与脱磷酸化。,蛋白质的共价修饰,乙酰化：N末端的氨基和赖氨酸的氨基甲基化：氨基、氨基：精氨酸的胍基以 及C末端的羧基和侧链羧基上 磷酸化：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的羟基上泛素化：氨基和氨基上,糖基化：,N糖苷链：连接于天门冬酰胺的酰胺基上 O糖苷键：丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸的羟基上S糖苷键：半胱氨酸的巯基,概念及特性,蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程是生物体内存在的一种普遍的调节方式，几乎涉及所有的生理及病理过程，如糖代谢、光合作用

11、、细胞的生长发育、基因表达、神经递质的合成与释放、甚至细胞的病变，在细胞的信号传递过程中有着极其重要的作用。蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTP的位的磷酸基团转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆反应由蛋白磷酸酶催化，称为脱磷酸化。,特 性：,ATP在大多情况下是磷酸基团的供体。蛋白质中被磷酸化的氨基酸残基主要是Ser或Thr，有些蛋白激酶可磷酸化酪氨酸。被磷酸化的氨基酸残基可以有多个。多数蛋白激酶表现出一定的底物特异性，但很少有绝对特异性。一种蛋白质可作为几种蛋白激酶的底物和一种蛋白激酶有多种底物的情况是很常见。但一般情况下各类蛋白激酶都有它们的适宜的底物。,Glucose(

12、red),AMP(dark blue,allosteric activator),pyridoxal phosphate(PLP,B6 derivative,light blue),and ser14(yellow),Glycogen phosphorylase,底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基附近的氨基酸组成和顺序常常构成被蛋白激酶辨认的特殊区域。例如依赖cAMP的蛋白激酶(PKA)需要底物被磷酸化的丝氨酸或苏酸残基附近(N端方向)由碱性氨基酸即Arg 或 Lys 残基，如Arg-Arg-X-Ser/Thr-x 这样的顺序，其中X可以是任何氨基酸残基。在丝氨酸/苏氨酸类型的蛋白激酶中，由第二信

13、使调节的蛋白激酶都需要底物具有类似的结构，而这类蛋白激酶中非信息依赖性的酪蛋白激酶则需要底物被磷酸化的氨基酸残基C端附近要有酸性氨基酸残基，即具有类似X-X-Ser/Thr-X-Glu-的结构顺序。酪氨酸型的蛋白激酶有时需要被磷酸化氨基酸残基附近要有酸性氨基酸，但是不是所有这类蛋白激酶都需要这样的底物结构尚不清楚。,蛋白质磷酸化的意义,1催化蛋白质磷酸化的蛋白激酶的活性受胞内信使cAMP，Ca2+，DG等的调控，也即其活性主要受胞外信号的间接调节，是细胞对外界的信号作出反应，所引起的细胞效应，许多是持久的，如细胞的分裂分化等过程。,2调节细胞内已存在的酶的“活性酶量”。,与酶的重新合成与分解相

14、比，这种方式是细胞对外界刺激作出迅速反应。肌肉中，糖原磷酸化酶 糖元 G-1-P糖元利用的第一步，也是糖元降解利用的主要调节机制。动物体内，两种状态a.(四聚体，激活)b.(二聚体，失活),3对外界信号具有级联放大作用 胰高血糖素升高血糖的机理。,酶是催化剂，它的特点是少量催化剂可以促进大量底物发生反应。1个酶分子引起下一个酶分子100发生反应(实际上，酶的转换率比这大得多)，那么，经四级放大后便为1亿倍，由此可见，激素对酶活性控制是十分灵敏的。,反馈调节,在反应系统中的产物or最终产物对初始反应的酶活性的影响作用。反馈激活前馈激活,反馈抑制:终产物来抑制途径中第一个或 第二个酶活性的作用称为

15、反馈抑制。当系列终产物浓度积累过多时，就会反过来抑制初始反应的酶活性，从而降低反应速度。,单价反馈抑制二价反馈抑制,顺序反馈抑制:协同反馈抑制累积反馈抑制同工酶反馈抑制,特点和图示,在1个分支代谢途径中，如果分支点以前的一个反应是由几个同功酶催化，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。如图中AB的反应由3个同功酶a、b、c催化，它们分别受最终产物E、H、G抑制，某一终产物过量时仅能抑制相应同功酶的活性，而不影响其他几种终产物的合成。,也称增效反馈抑制，指两种终产物同时存在时的反馈抑制效果远大于一种终产物过量时的反馈抑制作用。其特点是每个终产物都能独立地发挥较弱的反馈抑制作

16、用。当其中1种终产物过量合成时，就会立即控制超量终产物分支点后的代谢。当所有终产物都过量合成时，才共同作用以增强抑制效果。,每一分支途径的终产物按一定百分率单独抑制共同途径前端的酶；当几种终产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的；各终产物之间无关。,在分支代谢途径中，按一定顺序逐步进行的反馈抑制称为顺序反馈抑制。在图中，E过量可抑制CD，导致C浓度增高，促使反应向CFG方向进行，又造成另 一终产物G浓度升高；G过量时抑制CF，导致C浓度升高，进一步抑制AB转化。,三、酶合成的调节 转录水平的调节,酶合成的调节是通过酶分子含量的变化来调节控制 代谢速率，是基因表达上起作用，分为两种酶合成的诱导，

17、酶合成的阻遏。,1.酶合成的诱导 根据酶合成对底物的依赖关系，可分为两类:一类是诱导，它们是根据外界环境中的化合物而生成，e.g.水稻幼苗在含硝酸盐的溶液中，诱导形成硝酸还原酶，在培养液中不含硝酸盐，幼苗中就不含这种酶。,大肠肝菌培养在只含无机盐及单一碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内可以测出色氨酸合成的酶系，如果在培养基中加入色氨酸，大肠杆菌中色氨酸合成的酶系就明显降低。色氨酸存在时，阻止了色氨酸合成酶系的形成，细菌可直接利用色氨酸，而不用自己合成，这种减少酶量的现象称为酶合成的阻遏。,2.酶合成的阻遏,酶的诱导阻遏是在调节基因产物阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的

18、。细菌通常并不合成那些在代谢上无用的酶，因此一些分解代谢的酶类只有在底物存在时才被诱导合成。而一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物足够量存在时，其合成被阻遏。,酶合成调节的遗传机制操纵子学说 Jacob和Monod在研究大肠杆菌-半乳糖苷酶合成的遗传基础上，提出了控制基因表达的操纵子学说。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,Franois Jacob,Andr Lwoff,Jacques Monod,1.乳糖操纵子,大肠杆菌生长需要碳源,常见的是糖类,最方便利用的是葡萄糖,但有些条件下培养基中并无葡萄糖，仅有半乳糖等糖类，这时分解它们

19、的酶类必须合成，才能利用半乳糖。,酶的诱导-lac体系受调控的证据在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆功细胞内大约只有1-2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。,科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，-半乳糖苷酶便开始合成。分离-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记。说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。,操纵子即基因表达的协同单位

20、，含有结构基因(编码Pr)和控制部位。控制部分:调节基因、操纵基因 一个操纵子的全部基因都排列在一起，控制部分可接受调节基因产物的调节。,Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,当葡萄糖与乳糖共存，情况比较复杂，分解它们的酶类必须不合成。降解物基因活化蛋白CAP（c

21、atabolic gene activate protein,CAP)，与cAMP形成复合物结合于启动子部位，引起DNA构象的变化，促进RNA聚合酶与启动子结合，使转录的起始更加频繁，是一种正调控。当有葡萄糖存在时，其分解代谢产物可抑制腺苷酸环化酶活性，激活磷酸二酯酶活性，cAMP含量下降，使CAP失活。,cAMP-CAP-DNA,2.色氨酸操纵子,大肠杆菌培养在只含无机盐及单一碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内可以测出色氨酸合成的酶系,如果在培养基中加入色氨酸,大肠杆菌中色氨酸合成的酶系就明显降低。色氨酸存在时,阻止了色氨酸合成酶系的形成。细菌可直接利用色氨酸，而不用自己合成，这种减少酶量的现象

22、称为酶合成的阻遏。,翻译过程对转录的调节衰减作用(弱化作用),色氨酸mRNA的5端有162核苷酸的前导序列，当RNA的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分mRNA仅合成140核苷酸即停止。前导肽能编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U，表现出转录终止位点的特征。前导RNA链有4个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构，有些情况下出现终止子结构。,转录与翻译偶联是原核生物的特征。,原核生物翻译结束mRNA上有特殊的终止子结构。,衰减作用(弱化作用)的意义,弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度作出反应，维持浓度的恒定。色氨酸浓度 t,真核生物转录的调节,顺式作用成分与反式作用成分顺式作用元

23、件：转录其始点上游30bp处的TATA序列上游几百bp的CCAAT序列或GGGCGG序列(GC box)在基因上或下游远端或内含子内增强子(enhancer)序列负调控序列抑制子(silencer)其它特异调控序列 以上各种特异的核苷酸序列都是反式作用因子蛋白质的靶位点。,转录因子,反式作用因子：,通用转录因子：结合在TATA附近的：TFA、TFB、TFD、TFE.转录调控因子：结合在上游特异核苷酸序列上的因子如SPI、CTF、AP-1、CREB 还有些蛋白质因子，它们自身并不与DNA相结合，却能激活基因的转录，可能在两种不同的调控因子中起桥梁作用。,2.转录因子的功能域(domain)a.转

24、录因子DNA结合区,Helix-turn-helix(or helix-loop-helix)motif,最早在 噬菌体CI和Cro蛋白及大肠杆菌的CAP蛋白中发现。虽然在氨基酸序列上有很大的可变性，但在高级结构上是高度保守的。在两个helix中，一个为识别螺旋，它的氨基酸残基直接与靶DNA大沟的碱基专一结合。真核生物中最早在控制果蝇早期发育的同源域（homeodomain)蛋白中发现。,CAP-cAMP,CAP-cAMP-DNA,Zinc finger motif,H2C2最早发现于TFIIA 的DNA结合区，是RNA聚合酶转录5SRNA基因的必需的因子。含有碱性和极性氨基酸的的区域是识别特

25、异DNA序列的位点。哺乳细胞的SP-1 有类似的结构。C4：酵母细胞的GAL-4,哺乳动物甾体激素受体，这一类蛋白质中的锌指对DNA的结合是必需的，但对结合的专一性并不重要，在锌指附近的其他氨基酸残基与DNA直接作用形成专一结合。,Zinc finger(H2C2)motif,Zinc finger(C4)motif,三、激素调节,细胞间代谢的调节是通过激素的作用来实现的。激素是指由生物体内产生，经体液或细胞外液运送到靶细胞，从而引起特殊的激动效应的一群微量的有机化合物。,低浓度和瞬时性来发挥作用，具有组织特异性、效应特异性。,作用特点:,胞外的刺激信号，如激素、神经递质、局部化学介导因子以及

26、某些环境因素，如光、温、重力等，少部分可以直接跨膜引起生理反应，多数只能在位于细胞膜上受体识别后，通过膜上信号转换系统，转变为胞内信号，才能调节细胞代谢反应及生理过程。,各种激素都有相应的受体,激素作为第一信使，作用于细胞膜上的受体，将激素信号转换为某种细胞内的化学成分。如cAMP、CaM(钙调蛋白)、作为第二信使，传递激素的信息，从而产生生理效应的调节物称第二信使。,cAMP的调节作用 cAMP是动物细胞最早发现的重要调节物。当蛋白质肽类和AA衍生物类激素与细胞膜外侧上的受体结合后。促使膜内侧上的G蛋白催化GTP水解为GDP，从而激活靶细胞膜上的腺苷环化酶，催化ATP分解为cAMP。,cGMP的调节,依赖cGMP的蛋白激酶PKG,（一）钙离子的特性（二）钙离子在细胞内的分布及运输,细胞内的钙离子Ca2+,Ca2+/钙调素的调节作用:钙调素是一个小分子单链Pr，在正常生理条件下，CaM结合Ca2+后变成活化形式Ca2+-CaM去激活某些蛋白激酶，使之构象改变，成为活性态而起作用，因此将这类蛋白激酶称作依赖 Ca2+-CaM的蛋白激酶(CDPK)。,三磷酸肌醇IP3和甘油二酯DG系统,生物化学课程结束！,什么是生物化学？是一门有趣的科学；是一门可以获得荣誉和金钱的学问；是一种可以谋生的手艺；是一门讨厌的课程。,