第二十八章 物质代谢的联系及其调节

第一节 细胞代谢的调节网络第二节 代谢调节

思考第三节 基因表达调控

楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

第一节 细胞代谢的调节网络第一节 细胞代谢的调节网络

一、代谢途径交叉形成网络

二、分解代谢和合成代谢的单向性

三、 ATP是通用的能量载体

四、 NADPH 以还原力形式携带能量

五、代谢的基本要略

一、 代谢途径交叉一、 代谢途径交叉形成网络

1 、糖代谢与脂类代谢的相互关系

2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系

3 、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系

4 、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系

楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系

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胺

丙氨酸 甘氨酸丝氨酰苏氨酸半胱氨酸

氨基酸

6- 磷酸葡萄糖

磷酸二羟丙酮

乙酰 CoA

甘油脂肪酸

胆固醇

亮氨酸赖氨酸酪酰氨色氨酸

苯丙氨酸异亮氨酸

亮氨酸色氨酸

乙酰乙酰 CoA

脂肪

核苷酸

天冬氨酸天冬酰胺

天冬氨酸苯丙氨酸

酪氨酸

异亮氨酸甲硫氨酸

苏氨酸缬氨酸

琥珀酰 CoA

苹果酸草酰乙酸

柠檬酸

异柠檬酸

乙醛酸

蛋白质 淀粉、糖原核酸

生糖氨基酸

谷氨酰胺组氨酸脯氨酸精氨酸

谷氨酸

延胡索酸琥珀酸

丙二酸单酰 CoA

1- 磷酸葡萄糖

糖代谢与脂类代谢的相互联系

糖乙酰 CoA ， NADPH

脂肪酸

磷酸二羟丙酮 α- 磷酸甘油

脂肪

有氧氧化

酵解

从头合成

脂肪甘油 磷酸二羟丙酮 糖代谢

脂肪酸 乙酰 CoA 琥珀酸 糖 ( 植物 )

乙醛酸循环- 氧化 糖异生

TCA

糖代谢与蛋白质代谢的相互联系

糖 →→ α- 酮酸 氨基酸 蛋白质

NH3

蛋白质 氨基酸 α- 酮酸 糖 （生糖氨基酸）

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脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系

脂肪甘油 磷酸二羟丙酮

脂肪酸 乙酰 CoA 氨基酸碳架 氨基酸 蛋白质

蛋白质 氨基酸 酮酸或乙酰 CoA 脂肪酸 脂肪（生酮氨基酸）

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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

核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（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 ATP

是能量的“通货”，此外 UTP 参与多糖的合成， CTP 参与磷脂合成， GTP 参与蛋白质合成与糖异生作用。

脂肪代谢和糖代谢的关系

延胡索酸

琥珀酸

苹果酸

草酰乙酸

3- 磷酸甘油

三羧酸循环

乙醛酸循环

甘油

乙酰 CoA

三酰甘油

脂肪酸

氧化

糖原（或淀粉）

1 ， 6- 二磷酸果糖

磷酸二羟丙酮

磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成

植物或微生物

糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应

糖原（或淀粉）

1- 磷酸葡萄糖

6- 磷酸果糖

1 ， 6- 二磷酸果糖

3- 磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮

2 磷酸烯醇丙酮酸

2 丙酮酸

葡萄糖己糖激酶

果糖激酶

二磷酸果糖磷酸酯酶

丙酮酸激酶

丙酮酸羧化酶

6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶

6- 磷酸葡萄糖

2 草酰乙酸

PEP羧激酶

ATP 携带能量由能源传递给细胞的需能过程

ATP

ADP+Pi

太阳能

化学能

生物合成

细胞运动

膜运输

通过 NADPH 循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应

NADPH+H+NADP+

分解代谢还原性有机物

还原性生物合成反应

氧化物

还原性生物合成产物

氧化前体

代谢的基本要略

代谢的基本要略在于形成 ATP 、还原力和构造单元以用

于生物合成。 由 ATP 、还原力和构造单元可合成各类生物

分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物

形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流

、能量流和信息流来支持。

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脂肪

葡萄糖、其它单糖

三羧酸循环电子传递

（氧化）

蛋白质

脂肪酸、甘油

多糖

氨基酸

乙酰 CoA

e-磷酸化

+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰 CoA 等）

共同中间物进入三羧酸循环 ,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成 H2O ，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在 ATP 中。

大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段

NADPH

生物系统中的能流

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（胞液）

（线粒体）

（ PEP ）

丙氨酸

天冬氨酸

谷氨酸（转氨基作用）

糖的分解代谢和糖异生的关系

一、代谢调节的概念

二、酶水平的调节

三、细胞结构对代谢途径的分隔控制调节

四、激素调节和跨膜信号转导

第二节 代 谢 调 节第二节 代 谢 调 节

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代谢调节 生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。

代谢调节的四级水平： 酶水平调节 细胞水平调节 激素水平调节 神经水平调节

多细胞整体水平调节

11 、、酶的别构效应

酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节

22 、、产能反应与需能反应的调节

33 、、酶的共价修饰与级联放大机制

二、酶水平的调节二、酶水平的调节

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酶活性的前馈和反馈调节 前馈（ feedforward ）和反馈（ feedback ）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，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。

S0 SnS2S1

E0 E1 En-1

或+ —

或+ —

反馈

前馈

反馈调节中酶活性调节的机制

代谢物

别构中心

活性中心

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6- 磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用

G UDPG6-P-G

+

1-P-G

糖原

糖原 合成酶

ATP ADP UTP UDPG

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葡萄糖

丙酮酸

羧化酶

乙酰 CoA

磷酸烯醇式丙酮酸

1 ， 6- 二磷酸果糖

草酰乙酸

- 酮戊二酸

拧檬酸

天冬氨酸

氨基酸

蛋白质

嘧啶核苷酸

核酸

氨甲酰天冬氨酸

—

—

++

+

磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制

氨基酸合成的反馈调控

反硝化作用氧化亚氮

氨甲酰磷酸

分支酸

脱氧庚酮糖酸 -7- 磷酸

天冬氨酸

天冬氨酰磷酸

赤藓糖 -4- 磷酸

脱氢奎尼酸

莽草酸

谷氨酸

磷酸烯醇式丙酮酸 ++

预苯酸

TryPhe Trp Ile

Trp

His

CTP AMP

Gln

Lys

MetThr

酮丁酸

GlyAla

谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛

高丝氨酸

氨基苯甲酸

细胞能量状态指标

能荷 = —————————

[ATP]+0.5[ADP]

[ATP]+[ADP]+[AMP]

[ATP]

[ATP] [ADP]ATP 系统质量作用比

=

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糖酵解与三羧酸循环途径的调节

丙酮酸 G

细胞液

柠檬酸 乙酰 CoA

柠檬酸

草酰乙酸

- 酮戊二酸

乙酰 CoA 丙酮酸

线粒体

G-6-P F-6-P F-1.6-2P

磷酸果糖激酶

PEP

ADP+Pi

ATP

ADP+Pi

ATP

NADH O2

ATP ADP+Pi

AMP + ATP

2ADP

Pi

Pi

丙酮酸激酶

+

++ - --

++

-

-

- -

己糖激酶

丙酮酸脱氢酶

柠檬酸合成酶

- 酮戊二酸 脱氢酶

酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰 (Covalent modification) 。目前已知有六种修饰方式：磷酸化 / 去磷酸化，乙酰化 / 去乙酰化，腺苷酰化 / 去腺苷酰化，尿苷酰化 / 去尿苷酰化，甲基化 / 去甲基化，氧化（ S-S ） / 还原 (2SH) 。

激酶ATP ADP

磷酸化酶 b（无活性）

磷酸化酶 a P

（有活性）磷酸酯酶-OH H2OP

例：糖原磷酸化酶的共价修饰

共价修饰

酶级联系统调控示意图意义：由 于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量 信 号 分 子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。

肾上腺素或胰高血糖素

1 、腺苷酸环化酶（无活性）

腺苷酸环化酶（活性）2 、 ATP

cAMP

R 、 cAMP3 、蛋白激酶（无活性

） 蛋白激酶（活性）

4 、磷酸化酶激酶（无活性）

磷酸化酶激酶（活性）

5 、磷酸化酶 b （无活性）

磷酸化酶 a （活性）

6 、糖原

6- 磷酸葡萄糖

1- 磷酸葡萄糖

葡萄糖血液

肾上腺素或胰高血糖素

1

3

2102

104

106

108

葡萄糖

ATP ADP

ATP ADP

4

5

6

cAMP 激活蛋白激酶的作用机理

糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控 糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其

限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化

的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。

糖原合成酶 a ( 有活

性 )

糖原磷酸化酶 b ( 无活性 )

OH

OH ATP

ADPH2O

Pi

糖原合成酶 b ( 无活

性 )

糖原磷酸化酶 a ( 有活性 )

P

P

酶定位的区域化

线粒体 : 丙酮酸氧化 ; 三羧酸循环 ; - 氧化 ; 呼吸链电子传递 ; 氧化磷酸化

细胞质 : 酵解 ; 磷戊糖途径 ; 糖原合成 ; 脂肪酸合成 ;

细胞核 : 核酸合成 内质网 : 蛋白质合成 ; 磷脂合成

动物细胞结构和代谢途径

细胞膜结构对代谢的调节和控制作用细胞膜结构对代谢的调节和控制作用

控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度

控制细胞和细胞器的物质运输控制细胞和细胞器的物质运输

内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统对代谢途径的分隔作用

膜与酶的可逆结合膜与酶的可逆结合

楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

激 素 调 节 的 机 制激 素 调 节 的 机 制

1、含氮激素作用模式

2、甾醇类激素作用模式

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甾醇类激素作用原理示意图

肽类激素通过 cAMP- 蛋白激酶调节代谢示意图

ATP cATP+PPi

内在蛋白质的磷酸化作用

改变细胞的生理过程

细胞膜

细胞膜

cR

蛋白激酶（无活性）

c + R cATP蛋白激酶（有活性）

受体环化酶

激素

G 蛋白

一、原核和真核基因组

二、原核生物酶合成调节的遗传机制

三、真核生物基因表达的调控

第三节 基因表达的调控第三节 基因表达的调控

楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

基因（ gene ）是指 DNA 分子中的最小功能单位。包括 RNA (tRNA 、 rRNA) 和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。

基因组（ genome ）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色体” DNA 分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。

原核和真核基因组

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基因 (gene)概念的发展18661866 年 年 MendelMendel 建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念

19031903 年 年 Sutton & Boveri Sutton & Boveri 提出遗传因子位于染色体上提出遗传因子位于染色体上

19091909 年 年 Johansen Johansen 提出基因概念，取代遗传因子提出基因概念，取代遗传因子

19101910 年 年 Morgan Morgan 建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位

19411941 年 年 Beadle Beadle 提出一个基因一个酶学说提出一个基因一个酶学说

19441944 年 年 Avery Avery 首次用实验证实首次用实验证实 DNADNA 是遗传信息的载体是遗传信息的载体

19531953 年 年 Watson & Crick Watson & Crick 确定确定 DNADNA 双螺旋结构，进一步确定了基双螺旋结构，进一步确定了基

因的本质因的本质

19571957 年 年 Benzer Benzer 提出顺反子提出顺反子 (cistron)(cistron) 学说，认为基因是分子的一学说，认为基因是分子的一段 段

序列，负责遗传信息的传递序列，负责遗传信息的传递

7070 年代 发现基因包括有遗传效应的外显子年代 发现基因包括有遗传效应的外显子 (exon)(exon) 和无效应的内和无效应的内

含子含子 (intron)(intron)

原核生物基因组的特点11、基因组小，单复制子，、基因组小，单复制子， DNADNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；为单拷贝或仅有少量重复；

22、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个 mRNA mRNA 中（多顺反子）；中（多顺反子）；

33、有基因重叠，以此增加信息容量。、有基因重叠，以此增加信息容量。真核生物基因组的特点11、基因组大，有多个复制子；、基因组大，有多个复制子； mRNA mRNA 为单顺反子；为单顺反子；

22、有大量重复序列，根据重复次数可分为：、有大量重复序列，根据重复次数可分为：

单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少

中度重复序列，可重复几十到几千次，编码中度重复序列，可重复几十到几千次，编码 tRNAtRNA、、 rRNArRNA 和表达量大的蛋白和表达量大的蛋白质质

高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析

33、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后

才成为可翻译的才成为可翻译的 mRNAmRNA 模板或功能模板或功能 rRNArRNA 。。

44、、 DNADNA 上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。

操纵子——原核基因表达的协同单位

操纵子

结构基因（编码蛋白质， S ）

控制部位操纵基因（ operator, O ）

启动子（ promoter, P ）

酶诱导和阻遏的操纵子模型

合成途径操纵子的衰减作用

原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说操纵子学说

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酶的诱导和阻遏操纵子模型

B. 有活性阻遏蛋白加诱导剂

A. 有活性阻遏蛋白

C.无活性阻遏蛋白

D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂

操纵基因启动基因调节基因 结构基因

阻遏蛋白 ( 有活

性 )

阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达

诱导物诱导物与阻遏蛋白结合 ,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用 , 结构基因可以表达

酶蛋白

mRNA

阻遏蛋白不能跟操纵基因结合 , 结构基因可以表达阻遏蛋白 (无活性 )

酶蛋白

mRNA

代谢产物与阻遏蛋白结合 , 从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因 , 结构基因不表

达代谢产物

大肠杆菌乳糖操纵子模型

调节基因

操纵基因

乳糖结构基因

P LacZ LacY LacA

mRNA

阻遏蛋白（有活性）

基 因 关 闭

启动子

OR

P LacZ LacY LacA

调节基因

操纵基因

乳糖结构基因启动子

OR

mRNA Z mRNA Y mRNA A 阻遏蛋白

（无活性）

基 因 表达

mRNA

A 、乳糖操纵子的结构

B 、乳糖酶的诱导

乳糖

阻遏蛋白（有活性）

乳糖操纵子的降解物阻遏

R LacZ LacY LacA

mRNA mRNA Z mRNA Y mRNA A基 因 表达

CAP基因 结构基因

T

CGP(CAP)

O

CAP 结合部位

RNA聚合酶

T

cAMP -CAP

P

葡萄糖

分解代谢产物

腺苷酸环化酶

磷酸二酯酶

ATP

cAMP

5'-AMP

抑制

激活

葡萄糖降解物与 cAMP 的关系

cAMP

CGP：降解物基因活化蛋白（ catabolic

gene activation protein ） CAP：环腺苷酸受体蛋白（ cyclic AMP

receptor protein ）

降低 cAMP浓度使 CAP呈失活状态

大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制

Trp密码子

1

1

12

3

2

2 3

34 44

核糖体

核糖体

转录继续 转录终止

C. 高浓度色氨酸使核糖体到达 2 部位， 3与 4 碱基配对，转录终止。

A.游离 mRNA 中 1与 2 以及 3 与 4碱基配对。

B.低浓度色氨酸使核糖体停留在 1 部位，转录得以完成。

真核生物基因表达调控DNA

转录初产物RNA

mRNA

蛋白质前体 mRNA 降解物

活性蛋白质

DNA水平调节

转录水平调节

转录后加工的调节

翻译调节 mRNA 降解调节

翻译后加工的调节

核细胞质

真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节

转录水平调节

转录后加工的调节

翻译水平调节

翻译后加工的调节

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

转录因子的相互作用控制转录

问答题

1 、为什么说三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质代谢的共同通路？

2 、举例说明核苷酸类化合物在代谢中起的作用。

3 、试比较变构调节与化学修饰调节作用的异同？

4 、试以大肠杆菌乳糖操纵子说明酶合成的诱导和阻遏。

5 、写出天冬氨酸在体内氧化生成 CO2 和 H2O 的主要历程，注明其中脱氢反应的酶，并计算所产生的 ATP数目。

6 、简述能荷调节对代谢的影响及其生物系意义。

名词解释　　反馈抑制　　共价修饰　　第二信使　　　操纵子　

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糖酵解和葡萄糖异生的关系

（胞液）（线粒体）

葡萄糖

丙酮酸草酰乙酸天冬氨酸

磷酸二羟丙酮3-P- 甘油醛

- 酮戊二酸

乳酸

谷氨酸 丙氨酸

TCA 循环乙酰 CoA

PEP

G-6-P

F-6-P

F-1.6-P

丙酮酸草酰乙酸

谷氨酸- 酮戊二酸

天冬氨酸

3-P- 甘油 甘油

A

B

C1

C2

A G-6-P 磷酸酯酶

B F-1.6-P 磷酸酯酶

C1 丙酮酸羧化酶

C2 PEP 羧激酶