物质代谢联系与调节.ppt

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1、物质代谢的相互联系 和调节控制,一、物质代谢的相互联系 二、酶的活性调节 三、基因表达的调控,生物体内各种代谢过程是一个整体。所以，各类物质的代谢均不是一个独立的事件它们之间有相互影响和相互转化。糖、脂、蛋白和核酸之间都是可以相互转化的。,第一节 物质代谢的相互联系,一、糖代谢和蛋白质代谢的关系,1.糖可以合成各种非必需氨基酸的碳链结构，经氨基化或转氨基作用后，即生成相应的氨基酸。糖代谢产生的能量可以供氨基酸和蛋白质合成。（GTP） 2.蛋白质可以分解成氨基酸，氨基酸中的 生糖氨基酸脱氨后，变成酮酸，再经糖异生作用生成糖。,(1) 糖分解代谢的中间产物为氨基酸合成提供 碳骨架 糖 丙酮酸 -酮

2、戊二酸 草酰乙酸 Ala Glu Asp (2) 生糖氨基酸的碳架可转变为糖 生糖氨基酸：凡可生成丙酮酸，-酮戊二酸，草酰乙 酸, 琥珀酸的氨基酸。 生酮氨基酸：Phe, Tyr, Ile , Lys, Trp 等 生糖兼生酮氨基酸：Phe, Tyr 等,二、脂代谢和蛋白代谢的关系,1. 脂类分子的甘油部分可转变为丙酮酸，丙酮酸可转变为OA，alpha-酮戊二酸，然后接受氨基后转变为相应的氨基酸； 2. 脂类中的FA部分转变为蛋白质是受到限制的， FA分解的产物乙酰-CoA虽然可进入TCA生成酮酸，酮酸经转氨可产生相应的氨基酸，但乙酰-CoA进入TCA，必须要有草酰乙酸。,3.如无其它物质来补

3、充草酰乙酸，反应便不能进行，因此动物不易利用FA合成aa，而在植物和微生物中，因存在乙醛酸循环。（可由2分子的乙酰-CoA合成一分子琥珀酸，用以增加OA，从而促进FA合成aa。）因此在植物中，脂肪酸可转变为aa。 4.Protein可以转变为脂肪，如同aa可转变为乙酰-CoA，由乙酰-CoA可合成FA；生糖aa可以转化为甘油，也可转化为乙酰CoA，再转化为FA。有了FA和甘油就可以顺利合成脂肪。 此外，Ser还可以合成胆胺和胆碱，因此aa也是合成磷脂的原料。,三、糖代谢与脂代谢的相互联系 1.糖可以转变为脂肪。糖分解产生的乙酰CoA可合成FA；另一方面，糖分解产生的磷酸二羟丙酮又可生成甘油，F

4、A和甘油可分成脂肪。 2.脂肪转变为糖是有限的。脂类分子的甘油部分经糖异生可以生成糖，而FA部分分解产生的乙酰CoA进入TCA后全部氧化为CO2和H2O。因此，在动物中，脂肪转变为糖是有限的，而在植物和微生物中存在乙醛酸循环，乙酰-CoA可产生OA，可异生为糖，因此，在植物和微生物中，脂肪可以转变为糖。,四、核酸代谢与糖、脂及蛋白质代 谢的相互联系 1. 核酸及其衍生物和多种物质代谢有关。但脂类代谢，除供应嘌呤环合成原料CO2外，和核酸代谢并无明显的关系；糖代谢中的戊糖循环提供核糖，是合成核酸的原料；蛋白质代谢能为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料，如Gly、Asp、Gln、甲酸盐等。,许多核苷酸在

5、代谢中起着重要作用： ATP提供能量和磷酸基团 UTP参与糖原合成 GTP参与蛋白质合成 CTP参与磷脂合成 许多辅酶均为核苷酸的衍生物CoA、NAD、NADP、FAD。因此，核苷酸与很多代谢有着密切的关系。,2. 核酸与其他物质代谢关系中更为重要的一点是：它作为细胞内的重要遗传物质，可通过控制蛋白质合成，影响细胞的组成成份和代谢类型。 3. 核酸与其它各类代谢物质之间存在着一种交互作用的关系，各类代谢物为核酸及其衍生物的合成提供原料，而核酸及其衍生物又反过来对其他物质的代谢方式和反应速进度发生影响。,糖、脂、氨基酸、核苷酸代谢间的联系,生物体内存在着相互联系，错综复杂的代谢过程。如果，体内存

6、在调节和控制，各种代谢就会变得杂乱无章，生物也就不能存活。实际上，生物体内存在着调节控制，控制各种代谢有条不紊地进行。 生物体内的代谢调节，在三种不同水平上进行。即：1.神经调节；2. 激素调节；3.细胞内调节,第二节 细胞代谢的调节和控制,细胞代谢的调节，主要是通过控制酶的作用而实现的。这种酶水平的调节，是最基本的调节方式。激素和神经调节是随着生物进化、发展而完善起来的调节机制，但是它们仍然是通过“酶水平”的调节而发挥其作用。所有这些调节又受生物遗传因素的控制。,一、动物细胞的结构和物质代谢的关系 DNA的复制、转录在细胞核里进行。转录出的mRNA、tRNA、rRNA从核孔穿出进入细胞质，在

7、粗面内质网上进行蛋白质的生物合成。 在线粒体中进行：TCA、电子传递、氧化磷酸化、脂肪酸的-氧化；urea cycle（前2步）。 在细胞质中进行：酵解，脂肪酸（16C）合成，urea cycle（后3步）。,二、酶水平的调节 生物体内的代谢过程绝大多数是由E所催化的化学反应组成的，这些反应是在精致的调节机制控制下进行的。 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。 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。,（一） 别构调节 1. 概念 别构

8、调节（allosteric regulation）：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变E活性状态，称为E的别构调节。 具有这种调节作用的E称为别构酶。 由别构酶起作用调节代谢过程称别构调节。 2. 别构效应物（effector）分为： 正效应物 positive 负效应物 negative,3. 别构调节有下述几种作用方式： （1）酶活力的反馈和前馈控制 反馈（feedback）是指反应系统中最终产物对初始步骤的E活力的控制作用。可分为正反馈和负反馈。 正反馈：终产物可以激活初始步骤的酶 负反馈：终产生可以抑制初始步骤的酶 前 馈：在反应系统中，反应物对后

9、续反 应的酶的控制作用。,（2）同促效应（homotropic effect）：底物分子本身对别构E的调节作用。（底物与E结合的协同作用）。 （3）异促效应（heterotropic）：非底物分子的调节物对别构E的调节作用。（如ATP与CTP竞争天冬aa转氨甲酰E的调节部位，高水平ATP可阻止CTP对E的抑制）。,（4）其他形式的别构调节 有一些别构酶还受核苷酸类化合物的调节，如酵解和TCA中一些酶活性可因ATP、ADP、AMP的存在而抑制or激活。,以上别构调节所涉及的酶都是别构酶，它的调节代谢过程与别构酶的结构、性质、特点等问题相关。,（二）共价调节 1.概念：共价调节酶通过其它酶的作用，

10、对其结构进行共价修饰或脱去共价修饰，而使其活性在有活性和无活性形式之间相互转变。 许多E被翻译后都要进行共价修饰。生理意义广泛，反应灵敏，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联式放大反应。,2.可逆共价修饰的类型： （1）磷酸化、Tyr、Ser、Thr、His； （2）腺苷酰化（adenylylation）接受 修饰的氨基酸残基：Tyr； （3）尿苷酰化（uridylylation）Tyr； （4）ADP-核糖基化（ADP-ribosylation） Arg.Gln.Cys； （5）甲基化（methylation）Glu,磷酸化酶,磷酸化酶b:该酶本身无活性, 当磷酸化酶b活性中心的丝氨酸残

11、基被磷酸化后，即形成高活性磷酸化酶a。 由磷酸化酶b转化为活化形式a的反应, 被磷酸化酶激酶所催化,而,磷酸化酶b(无活性）,磷酸化酶a去活化（去磷酸化）则由另一种磷酸酶所催化。,磷酸化酶a(有活性）,磷酸化酶激酶,磷酸化酶磷酸酶,糖原合酶 糖原磷酸化E和糖原合E的活性具有相反的调节方式，正好一种E活化时，另一种E受到抑制。它们的协同作用如下：,（三）其它调节方式 此类调节包括酶的合成和降解速度的调节。如：酶的作用物，激素或药物可以诱导酶的合成；代谢产物有的可以阻遏的合成；另一方面改变酶分子的降解速度，也能调节细胞内的量。这种调节较慢，要数小时或几天的时间。,1.酶的诱导和阻遏 某些物质可以诱

12、导细胞内产生诱导酶，这种作用叫做酶的诱导生成作用。 一些分解代谢的酶类只在有关底物or底物类似物存在时才能诱导合成； 一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物足够存在时，其合成被阻遏。,诱导酶：是指当细胞中加入特定诱导物后诱导产生的酶，它的含量在诱导物存在下显著增高，这种诱导物往往是酶底物的类似物或底物本身。 E.coli 葡萄糖培养基 乳糖培养基 （分解乳糖的酶很少） （分解乳糖的酶显著增多）,阻遏作用：某种代谢产物能阻止cell内某种酶的生成，这种作用叫阻遇，例：用NH4+作为唯一氮源时，E.coli能合成20种氨基酸，但若在培养基中加入某种氨基酸，如Trp时，则作用NH4+和碳源合成Trp的

13、酶系迅速消失，这种现象就是酶生成的阻遏作用。 E.coli以NH4+为氮源的培养基中合成20种氨基酸 含Trp的培养基合成Trp的酶系消失。,第三节 基因表达调控,原核生物基因表达调控 操纵子学说： 1961年Monod和Jacob提出了操纵子学说，阐明了酶的诱导、阻遏和基因的关系，这一学说开始只是一个假说，但后来，逐步为许多实验证实，现已普遍接受。,1. 操纵子 (operon),操纵子：包括一个操纵基因，一个启动子和一群功能彼此相关的结构基因。 操纵基因 (operator)：没有基因产物的基因，在DNA序列中它接近结构基因。有阻遏蛋白的结合位置，控制结构基因的转录。,结构基因(S)：可以

14、转录出mRNA合成酶蛋白，决定蛋白质中的氨基酸顺序，或决定mRNA中核苷酸顺序的基因。 启动基因(promotor)：（在调节基因和操纵基因之间），有RNA聚合酶的结合部位，启动DNA转录。 调节基因(regulator)：负责阻遏蛋白的合成。 见书P562，图39-21酶的诱导和阻遏的操纵子模型。,无诱导物时，阻遏蛋白和操纵基因结合后，阻挡了RNA聚合酶的作用，从而使结构基因表达受到抑制。,A. 酶生成的诱导作用,当诱导物存在时，诱导物和阻遏蛋白结合时，改变阻遏蛋白的构象，不能与操纵基因结合，于是RNA聚合酶起作用，使底物基因进行转录和翻译，生成酶蛋白。,B. 酶生成的阻遏作用（repres

15、sion）,在没有代谢产物时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，因而结构基因就转录翻译，生成酶蛋白。,当代谢产物存在时，代谢终产物和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象发生变化，可与操纵基因结合，从而使结构基因不能进行转录，酶的生成受到阻遏。,2. 乳糖操纵子,以E. coli 乳糖操纵子的例子，说明操纵子学说。 当把E.coli培养在仅含乳糖的培养液中，可以诱导产生利用乳糖的酶。E. coli乳糖操纵子的结构基因Z.Y.A，可转录并翻译出利用乳糖的三个酶，-半乳糖苷酶，半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷转乙酰酶。,E. coli. 乳糖操纵子模型,当培养液中无乳糖时，调节基因转录和翻译出乳糖阻遏蛋白，它对操纵基因

16、上特殊序列核甘酸的碱基有很强的亲和力，故紧密结合，使结构基因的表达受到抑制。 当培养液中有乳糖存在时，乳糖成为诱导物与阻遏蛋白结合，使之变构，而不能与操纵基因结合，解除对结构基因的抑制。,二 真核生物基因表达调控,（一） 转录前水平调控 染色质丢失：蛔虫、剑水蚤、四膜虫和哺乳动物的成熟红细胞。 基因扩增：改变基因数量。如非洲爪蟾。 基因重排：基因序列的改变。 染色体的修饰和异染色质化。,（二） 转录水平调控,染色质的活化：调节分子识别染色体的特异部位，使其疏松化为常染色质。 顺式作用元件 （1）启动子：启动转录。 （2）增强子：促进转录。 （3）沉默子：阻遏转录。 3. 反式作用因子：转录调节因子 （1）基本转录因子：RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子 。,（2）特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达，故称特异转录因子。又分转录激活因子和称转录抑制因子,（三） 转录后水平的调控 mRNA的加工 （四） 翻译水平的调控 控制mRNA的稳定性和有选择地进行翻译。 （五）翻译后水平的调控 蛋白质的后加工和折叠。,终于结束了,