第十三章 物質代謝的調節(jié)控制課件

第十三章物質代謝的調節(jié)控制

第十三章

物質代謝的調節(jié)控制第十三章物質代謝的調節(jié)控制第一節(jié)代謝調控的類型第二節(jié)激素的調節(jié)作用第三節(jié)細胞水平的反饋調節(jié)機制第四節(jié)基因表達的調節(jié)控制第五節(jié)糖代謝與脂代謝調節(jié)第六節(jié)代謝調節(jié)與微生物發(fā)酵第十三章物質代謝的調節(jié)控制生命現(xiàn)象是生物體內發(fā)生的極其復雜的生物化學過程的綜合結果。為了保證生命活動（如生長、發(fā)育、分化、繁殖、代謝和運動等）能夠有條不紊地進行，所有生物體內發(fā)生的生物化學過程都必須受到有效的調控。生物調控機制是生物在長期進化過程中逐步形成的。生物進化程度愈高，調控機制愈完善、愈復雜。第十三章物質代謝的調節(jié)控制調控的分子生物學基礎調控的本質是化學物質與機體組織中具有重要功能的生物大分子之間進行物理化學反應的最終結果。這些能夠與化學物質發(fā)生結合并產(chǎn)生相應作用的生物大分子，一般稱為受體。調控分生物體內物質的調控和外源化學物質的調控。第十三章物質代謝的調節(jié)控制物質之間的相互作用包括生物大分子之間的相互識別與作用，如核酸與蛋白質之間的作用多糖與蛋白質之間的相互作用；蛋白質與蛋白質之間的相互作用。有機小分子與生物大分子之間的相互作用，如輔酶與酶之間的相互作用。有機分子與酶或蛋白質受體之間的相互作用。底物與酶分子之間的識別以及相互作用。無機金屬離子與生物大分子之間的相互作用，如金屬離子與酶或蛋白質之間的絡合；與生物小分子（輔酶、ATP等）之間的絡合作用。第十三章物質代謝的調節(jié)控制第一節(jié)代謝調控的類型神經(jīng)調控作用激素調控作用細胞水平的調節(jié)作用第十三章物質代謝的調節(jié)控制人及高等動物具有高度發(fā)達的神經(jīng)系統(tǒng)，這類生物的各種活動和代謝的調節(jié)機制都處于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制之下。神經(jīng)系統(tǒng)既直接影響各種酶的合成，又影響內分泌腺分泌激素的種類和水平，所以神經(jīng)系統(tǒng)的調節(jié)具有整體性特點。神經(jīng)系統(tǒng)對生命活動的調控在很大程度上是通過調節(jié)激素的分泌來實現(xiàn)的。神經(jīng)調控作用第十三章物質代謝的調節(jié)控制

第二節(jié)激素調節(jié)功能第十三章物質代謝的調節(jié)控制

激素調控作用激素是生物體內特定細胞產(chǎn)生的的對某些靶細胞具有特殊刺激作用的微量物質。激素是生物細胞分泌的一類特殊化學物質，它對各種生命活動和代謝過程具有調控功能。激素調控往往是局部性的，并且直接或間接受到神經(jīng)系統(tǒng)的控制。通常一種激素只作用于一定的細胞組織，不同的激素調節(jié)不同的物質代謝或生理過程。第十三章物質代謝的調節(jié)控制1.含量少；在生物體某特定組織細胞產(chǎn)生。2.通過體液的運動被輸送到其他組織中發(fā)揮作用。3.作用很大，效率高，在新陳代謝中起調節(jié)控制作用。4.在醫(yī)療上，激素也是一類重要藥物。激素具有以下幾個特點：第十三章物質代謝的調節(jié)控制激素的分類在生物激素中，動物激素最為重要。植物激素主要為植物生長調節(jié)劑。根據(jù)激素的化學結構和調控功能，一般可以分為三類（1）含氮激素。包括蛋白質激素、多肽激素、氨基酸衍生物激素等。（2）類固醇激素。性腺和腎上腺皮質分泌的激素大多數(shù)是類固醇激素。（3）脂肪酸衍生物激素。主要由生殖系統(tǒng)及其它組織分泌產(chǎn)生。第十三章物質代謝的調節(jié)控制甲狀腺激素甲狀腺所分泌的激素主要是甲狀腺素和少量的三碘甲腺原氨酸。三碘甲腺原氨酸的活性約為甲狀腺素的5－10倍。二者的結構如下：甲狀腺是體內吸收碘能力最強的組織，能將體內70-80%的碘富集在其中。第十三章物質代謝的調節(jié)控制甲狀腺素生理功能在甲狀腺素的合成中，碘化過程并不是發(fā)生在游離的酪氨酸上，而是甲狀腺球蛋白分子中的酪氨酸殘基發(fā)生碘化反應。主要是促進糖、脂及蛋白質的代謝；促進機體的生長發(fā)育和組織分化；對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、造血過程、肌肉活動及智力和體質的發(fā)育等均有顯著作用。第十三章物質代謝的調節(jié)控制幼年動物若甲狀腺機能減退或切除甲狀腺時，將引起發(fā)育遲緩，身材矮小，行動呆笨而緩慢；成年動物甲狀腺機能減退時，出現(xiàn)厚皮病，心博減慢，基礎代謝降低，性機能低下。反之，甲狀腺機能亢進，動物眼球突出，心跳加快，基礎代謝增高，消瘦，神經(jīng)系統(tǒng)興奮性提高，表現(xiàn)為神經(jīng)過敏等.第十三章物質代謝的調節(jié)控制腎上腺素

腎上腺分為髓質和皮質兩部分。髓質分泌腎上腺素和少量去甲腎上腺素。去甲腎上腺素主要由交感神經(jīng)末梢分泌。他們也是酪氨酸的衍生物，為R-構型。第十三章物質代謝的調節(jié)控制腎上腺素具有與交感神經(jīng)興奮相似的作用，使血管收縮，心臟活動加強，血壓升高，臨床上被用來作為升壓藥物，起抗休克作用。腎上腺素主要是調節(jié)糖代謝,它能夠促進肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中的乳酸含量。腎上腺素功能第十三章物質代謝的調節(jié)控制多肽及蛋白質激素

由腦垂體、下丘腦、胰腺、甲狀旁腺、胃腸粘膜以及胸腺等分泌的激素屬于多肽或蛋白質激素。這些激素具有各種各樣的功能。第十三章物質代謝的調節(jié)控制胰島素胰島素是由胰腺中胰島的β-細胞分泌的一種含有51個氨基酸殘基的蛋白質激素。胰島素由兩條多肽鏈組成胰島素的生理功能主要是促進細胞攝取葡萄糖；促進肝糖原和肌糖原的合成；抑制肝糖原的分解。胰島素具有抑制細胞內腺苷酸環(huán)化酶活性作用，使cAMP產(chǎn)生顯著減少，導致糖原分解速度減慢。胰島素的生理功能與腎上腺素的作用相反。第十三章物質代謝的調節(jié)控制（2）胰高血糖素胰高血糖素為胰島的α-細胞分泌的多肽激素，由29個氨基酸組成，人和豬的胰高血糖素的氨基酸序列完全一樣，其結構如下：His-Ser-Gln-Gly-Thr-Phe-Thr-Ser-Asp-Tyr-Ser-Lys-Tyr-Leu-Asp-Ser-Arg-Arg-Ala-Gln-Asp-Phe-Val-Gln-Trp-Leu-Met-Asp-Thr胰高血糖素主要是促進肝糖原分解，使血糖升高，與腎上腺素作用相似。其作用原理是激活肝細胞中的腺苷酸環(huán)化酶，使cAMP濃度升高，從而提高磷酸化酶活性，促進肝糖原分解。第十三章物質代謝的調節(jié)控制甲狀旁腺激素甲狀旁腺主要分泌甲狀旁腺素（PTH）和降鈣素（CT），它們都是多肽激素。二者的生理作用相反，PTH可以升高血鈣，而CT則可以降低血鈣，因此都是調節(jié)鈣磷代謝的激素。第十三章物質代謝的調節(jié)控制

糖皮質激素功能

調節(jié)糖代謝：抑制糖的氧化，使血糖升高；促進蛋白質轉化為糖。這類激素還具有良好的抗炎，抗過敏作用，是常用的激素藥物。第十三章物質代謝的調節(jié)控制調節(jié)水鹽代謝：促使體內保留鈉離子及排出過多的鉀離子，調節(jié)水鹽代謝。腎上腺皮質激素分泌失常，將引起糖代謝及無機鹽代謝紊亂而出現(xiàn)病癥。鹽皮質激素第十三章物質代謝的調節(jié)控制性激素性激素屬于類固醇類激素，可分為雄性激素和雌性激素兩類。它們與動物的性別及第二性征的發(fā)育有關。性激素的分泌受垂體的促性腺激素（LHF和SH）調節(jié)。第十三章物質代謝的調節(jié)控制

第三節(jié)

細胞-酶水平調控作用第十三章物質代謝的調節(jié)控制細胞-酶水平調控是通過調節(jié)細胞內的酶的種類、數(shù)量、分布或活性來控制各種代謝過程或生理過程。這類調控主要包括：細胞膜結構的調控作用和酶的活性調控作用。某些人工合成或天然存在的化學物質也具有調控功能，主要是表現(xiàn)在對酶的活性影響方面。第十三章物質代謝的調節(jié)控制細胞內進行的錯綜復雜的代謝過程及生理變化，主要是通過酶的調節(jié)來實現(xiàn)的。實際上，激素的調控作用也是通過對酶的影響（酶的產(chǎn)生和酶的活性）而實現(xiàn)的。細胞-酶對生物體內發(fā)生的生物化學過程的調控主要包括細胞膜結構的調控作用和酶的活性調控作用兩個方面。第十三章物質代謝的調節(jié)控制一、細胞膜結構的調控作用細胞內發(fā)生的各種代謝反應及生理變化之所以能夠有條不紊地進行，首先是由于細胞本身具有的特殊膜結構。如果細胞的完整性受到破壞，細胞水平的調控功能將喪失。第十三章物質代謝的調節(jié)控制

二、酶活性的調控酶除了具有催化功能外，還具有調節(jié)和控制各類生物化學反應速度、方向和途徑的功能。酶水平的調節(jié)作用主要有兩種方式：一是通過激活或抑制酶的活性；二是通過影響酶的合成或降解速度，即改變細胞內酶的含量。這種酶水平的調節(jié)作用是生物調控最重要的形式。第十三章物質代謝的調節(jié)控制酶活性的前饋和反饋調節(jié)

前饋（feedforward）和反饋（feedback）是來自電子工程學的術語，前者的意思是“輸入對輸出的影響”，后者的意思是“輸出對輸入的影響”，這里分別借用來說明底物和代謝產(chǎn)物對代謝過程的調節(jié)作用。這種調節(jié)可能是正調控，也可能是負調控，其調節(jié)機理是通過酶的變構效應來實現(xiàn)的。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反饋前饋第十三章物質代謝的調節(jié)控制別構中心活性中心代謝物反饋調節(jié)中酶活性調節(jié)的機制第十三章物質代謝的調節(jié)控制酶變構調節(jié)作用有些酶分子除了具有活性中心（結合部位和催化部位）外，還存在一個特殊的調控部位，即變構中心。變構中心雖然不是酶活性中心的組成部分，但它可以與某些化合物（稱為變構劑）發(fā)生非共價結合，引起酶分子構象的改變，對酶起到激活或抑制的作用。這類酶通常稱為變構酶，由于變構劑與變構中心的結合而引起酶活性改變的現(xiàn)象則稱為變構調節(jié)作用。第十三章物質代謝的調節(jié)控制目前已知的變構酶均為寡聚酶，含兩個或兩個以上的亞基，一般分子量較大，而且具有復雜的空間結構。大多數(shù)由變構酶催化的反應不遵守米氏方程，由變構劑所引起的抑制作用也不服從典型的競爭性或非競爭性抑制作用的數(shù)量關系。第十三章物質代謝的調節(jié)控制變構劑可以分為兩類激活變構劑：變構劑與酶分子結合后，酶的構象發(fā)生了變化，這種新的構象有利于底物分子與酶的結合，使酶促反應速度提高。抑制變構劑：變構劑與酶分子結合所引起的酶的構象變化不利于與底物的結合，表現(xiàn)出一定程度的抑制作用。實驗發(fā)現(xiàn)，在變構酶中起催化作用，稱為催化亞基；與變構劑結合的對反應起調節(jié)作用，稱為調節(jié)亞基。第十三章物質代謝的調節(jié)控制共價修飾調控某些酶分子上的基團可以在另一種酶催化下發(fā)生共價修飾作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），從而引起酶活性的激活或抑制。這種作用稱為共價修飾作用。這類酶則稱為共價調節(jié)酶。有如下兩個特點：被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無催化活性)。正反兩個方向的互變均發(fā)生共價修飾反應，并且都將引起酶活性的變化。共價修飾調節(jié)作用可以產(chǎn)生酶的連續(xù)激活現(xiàn)象，所以具有信號放大效應。例如腎上腺素引起糖原分解過程中的一系列磷酸化激活步驟，其結果將激素的信號被逐級放大了約300萬倍。第十三章物質代謝的調節(jié)控制

共價修飾第十三章物質代謝的調節(jié)控制第四節(jié)基因表達調控第十三章物質代謝的調節(jié)控制基因表達轉錄調控方式原核生物以操縱子為單元進行表達和調控，特異的阻遏蛋白是控制原核啟動序列活性的重要因素。第十三章物質代謝的調節(jié)控制I－調節(jié)基因P－啟動子O－操作子（操作基因）Z、Y、A－三種結構基因乳糖操縱子的調節(jié)機制第十三章物質代謝的調節(jié)控制阻遏蛋白的負性調節(jié)

當無誘導物乳糖存在時，調節(jié)基因編碼的阻遏蛋白（repressorprotein）處于活性狀態(tài)，阻止RNA聚合酶與啟動基因的結合，則無法啟動轉錄。當有乳糖存在時，lac操縱子（元）即可被誘導。乳糖進入細胞，經(jīng)β－半乳糖苷酶催化，轉變?yōu)榘肴樘?。后者作為一種誘導劑分子結合阻遏蛋白，使蛋白構象變化，導致阻遏蛋白與O序列解離、轉錄發(fā)生。異丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一種作用極強的誘導劑，不被細菌代謝而十分穩(wěn)定，因此被實驗室廣泛應用第十三章物質代謝的調節(jié)控制

CAP（代謝產(chǎn)物活化蛋白）的正性調節(jié)

當沒有葡萄糖及cAMP濃度較高時，cAMP與CAP結合，這時CAP結合在lac啟動序列附近的CAP位點，可刺激RNA轉錄活性。葡萄糖的分解代謝產(chǎn)物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并活化磷酸二酯酶，從而降低了cAMP的濃度，CAP不能被活化形成CAP－cAMP復合物，則不能轉錄。第十三章物質代謝的調節(jié)控制lac阻遏蛋白負性調節(jié)與CAP正性調節(jié)兩種機制協(xié)調合作：當Lac阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；但是如果沒有CAP存在來加強轉錄活性，即使阻遏蛋白從操縱序列上解聚仍幾無轉錄活性。

lac操縱子強的誘導作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。第十三章物質代謝的調節(jié)控制調節(jié)基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白調節(jié)基因操縱基因結構基因輔阻遏物trp阻遏蛋白原調節(jié)基因編碼的阻遏蛋白原不與操作基因結合，結構基因轉錄。Trp或Trp－RNA與阻遏蛋白結合，使之構象發(fā)生變化與操縱基因結合，結構基因不能表達。阻遏物調節(jié)機制色氨酸操縱子的調節(jié)機制大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用衰減子：在轉錄水平上調節(jié)基因表達的衰減作用，用于終止和減弱轉錄，這種調節(jié)的作用部位叫衰減子——是一種位于結構基因上游前導區(qū)的終止子。第十三章物質代謝的調節(jié)控制真核生物基因表達調控DNA轉錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質前體mRNA降解物活性蛋白質DNA水平調節(jié)轉錄水平調節(jié)轉錄后加工的調節(jié)翻譯調節(jié)mRNA降解調節(jié)翻譯后加工的調節(jié)核細胞質

真核基因表達調控的五個水平

DNA水平調節(jié)轉錄水平調節(jié)轉錄后加工的調節(jié)翻譯水平調節(jié)翻譯后加工的調節(jié)

真核基因調控主要是正調控

順式作用元件和反式作用因子

轉錄因子的相互作用控制轉錄第十三章物質代謝的調節(jié)控制真核基因的調控⑤翻譯調節(jié)（translationalcontrol）真核染色質體（DNA）①轉錄前調節(jié)轉錄初級產(chǎn)物RNA（Pro－RNA）hnRNA③轉錄后加工的調節(jié)（RNAProcessingcontrol）④轉運調節(jié)（RNAtransportcontrol）mRNA⑥mRNA降解的調控mRNA降解物多肽鏈⑦翻譯后加工及蛋白質活性控制（proteinactivitycontrol）活性蛋白失活蛋白②轉錄調節(jié)（transcriptioncontrol）順式作用元件(cisactingelements)

真核基因的順式調控元件是基因周圍能與特異轉錄因子結合而影響轉錄的DNA序列。其中主要是起正性調控作用的順式作用元件，包括啟動子(promoter)、增強子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負性調控作用的元件沉寂子(silencer)。

1.啟動子（Promoter）

是指RNA聚合酶結合并起動轉錄的DNA序列。真核啟動子一般包括轉錄起始點及其上游約100－200bp序列，包含有若干具有獨立功能的DNA序列元件，每個元件約長7－30bp。啟動子中的元件可以分為兩種：①核心啟動子元件(corepromoterelement)指RNA聚合酶起始轉錄所必需的最小的DNA序列，包括轉錄起始點及其上游－25/－30bp處的TATA盒。核心元件單獨起作用時只能確定轉錄起始位點和產(chǎn)生基礎水平的轉錄。②上游啟動子元件(upstreampromoterelement)包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉錄起始點更遠的上游元件2.增強子（Ehancer）

一種能夠提高轉錄效率的順式調控元件，通常占100－200bp長度，也和啟動子一樣由若干組件構成，基本核心組件常為8－12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。增強子的作用有以下特點：①增強子提高同一條DNA鏈上基因轉錄效率，可以遠距離作用，通?？删嚯x1－4kb、個別情況下離開所調控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。②增強子作用與其序列的正反方向無關，將增強子方向倒置依然能起作用。而將啟動子倒就不能起作用，可見增強子與啟動子是很不相同的。

③增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用，沒有啟動子存在，增強子不能表現(xiàn)活性。第十三章物質代謝的調節(jié)控制3.沉寂子（silencer）最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細胞的T抗原受體基因的轉錄和重排中證實這種沉寂子的作用可不受序列方向的影響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達起作用，是一種負調控順式元件。UAS（upstreamacticitysequence）

CAATbox（－70～－80）

GCBOX（－80～－110）第十三章物質代謝的調節(jié)控制

反式作用因子

(transactingfactors)

以反式作用影響轉錄的因子可統(tǒng)稱為轉錄因子(transcriptionfactors,TF)。RNA聚合酶是一種反式作用于轉錄的蛋白因子。GTF（GenaralTranscriptionFactor）TBP(TATAboxbindingprotein)

是唯一能識別TATA盒并與其結合的轉錄因子，是三種RNA聚合酶轉錄時都需要的；不同基因由不同的上游啟動子元件組成，能與不同的轉錄因子結合，這些轉錄因子通過與基礎的轉錄復合體作用而影響轉錄的效率。第十三章物質代謝的調節(jié)控制

第五節(jié)糖代謝與脂代謝調節(jié)第十三章物質代謝的調節(jié)控制

能荷指細胞內ATP、ADP、AMP系統(tǒng)中可供利用的高能磷酸鍵的量度。生物體內糖代謝和脂類代謝雖然受到檸檬酸、乙酰輔酶A等物質的調節(jié)，但調節(jié)控制中起決定作用的是ATP、AMP這些反應能荷的物質。第十三章物質代謝的調節(jié)控制生物系統(tǒng)中的能流第十三章物質代謝的調節(jié)控制糖代謝途徑的調節(jié)ATP是糖酵解途徑中限速酶磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的反饋抑制物質。再三羧酸循環(huán)中、再糖原合成與分解途徑中，ATP均通過調節(jié)酶的活性來調節(jié)整個的物質代謝速度。第十三章物質代謝的調節(jié)控制PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸絲氨酰蘇氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸異亮氨酸甲硫酰氨蘇氨酸纈氨酸琥珀酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單酰CoA1-磷酸葡萄糖糖類、脂類、蛋白質類代謝途徑關系第十三章物質代謝的調節(jié)控制核酸與糖、脂