1、第八講 代謝調節一、知識要點代謝調節是生物在長期進化過程中， 為適應外界條件而形成的一種復雜的生理機能。 通 過調節作用細胞內的各種物質及能量代謝得到協調和統一， 使生物體能更好地利用環境條件 來完成復雜的生命活動。 根據生物的進化程度不同， 代謝調節作用可在不同水平上進行： 低 等的單細胞生物是通過細胞內酶的調節而起作用的； 多細胞生物則有更復雜的激素調節和神 經調節。 因為生物體內的各種代謝反應都是通過酶的催化作用完成的， 所以， 細胞內酶的調 節是最基本的調節方式。 酶的調節是從酶的區域化、 酶的數量和酶的活性三個方面對代謝進 行調節的。細胞是一個高效而復雜的代謝機器， 每時每刻都在進行

2、著物質代謝和能量的轉化。 細胞 內的四大類物質糖類、 脂類、 蛋白質和核酸， 在功能上雖各不相同， 但在代謝途徑上卻有明 顯的交叉和聯系， 它們共同構成了生命存在的物質基礎。 代謝的復雜性要求細胞有數量龐大、 功能各異和分工明確的酶系統， 它們往往分布在細胞的不同區域。 例如參與糖酵解、 磷酸戊 糖途徑和脂肪酸合成的酶主要存在胞漿中；參與三羧酸循環、脂肪酸3 -氧化和氧化磷酸化的酶主要存在于線粒體中； 與核酸生物合成有關的酶大多在細胞核中；與蛋白質生物合成有關的酶主要在顆粒型內質網膜上。細胞內酶的區域化為酶水平的調節創造了有利條件。生物體內酶數量的變化可以通過酶合成速度和酶降解速度進行調節。

3、酶合成主要來自轉 錄和翻譯過程， 因此， 可以分別在轉錄水平、 轉錄后加工與運輸和翻譯水平上進行調節。 在 轉錄水平上， 調節基因感受外界刺激所產生的誘導物和輔阻遏物可以調節基因的開閉，這是一種負調控作用。而分解代謝阻遏作用通過調節基因產生的降解物基因活化蛋白（CAP）促進轉錄進行， 是一種正調控作用， 它們都可以用操縱子模型進行解釋。 操縱子是在轉錄水平 上控制基因表達的協調單位，由啟動子（P）、操縱基因（0）和在功能上相關的幾個結構基因組成；轉錄后的調節包括，真核生物 mRNA 轉錄后的加工，轉錄產物的運輸和在細胞中 的定位等；翻譯水平上的調節包括， mRNA本身核苷酸組成和排列 （如SD

4、序列），反義RNA 的調節， mRNA 的穩定性等方面。酶活性的調節是直接針對酶分子本身的催化活性所進行的調節，在代謝調節中是最靈 敏、最迅速的調節方式。主要包括酶原激活、酶的共價修飾、反饋調節、能荷調節及輔因子 調節等。一）名詞解釋1誘導酶( Inducible enzyme )2標兵酶( Pacemaker enzyme)3操縱子( 0peron )4衰減子( Attenuator )5阻遏物( Repressor)6輔阻遏物( Corepressor )7降解物基因活化蛋白( Catabolic gene activator protein )8腺苷酸環化酶( Adenylate cyc

5、lase )9共價修飾( Covalent modification )10級聯系統( Cascade system)11反饋抑制( Feedback inhibition )12交叉調節( Cross regulation )13前饋激活( Feedforward activation )14鈣調蛋白( Calmodulin )二）英文縮寫符號1.2.3.4.5.三）填空題 哺乳動物的代謝調節可以在 酶水平的調節包括、是。 酶合成的調節分別在、合成誘導酶的調節基因產物是 在分解代謝阻遏中調節基因的產物是 助和 四個水平上進行。其中最靈敏的調節方式和，它通過與，它能與三個方面進行。 結合起調節

6、作用。結合而被活化，幫6.7.8.9.與啟動子結合，促進轉錄進行。 ，抑制轉錄過程。 和色氨酸是一種 ，能激活 乳糖操縱子的結構基因包括 在代謝網絡中最關鍵的三個中間代謝物是 酶活性的調節包括 、 和1.CAP(Catabolic gene activator protein )2.PKA( Protein kinase )：3.CaM( Calmkdulin )：4.ORF( Open reading frame )：2，使其構象在 和 之間，原核細胞中酶共價修飾形式主要C.轉錄后加工D .轉錄水平B.失活阻遏蛋白D .無基因產物B.是RNA聚合酶識別部位D .是 RNA 聚合酶結合部位C.

7、操縱基因D . RNA聚合酶B RNA 加工過程D .酶的激活作用B.常受到激素調節D .是高等生物特有的調節方式cAMPD AMPB.酶與效應物的結合是可逆的D .酶分子的構象與效應物濃度有關10. 共價調節酶是由對酶分子進行相互轉變。11. 真核細胞中酶的共價修飾形式主要是（四）選擇題1. 利用操縱子控制酶的合成屬于哪一種水平的調節：A.翻譯后加工B.翻譯水平2. 色氨酸操縱子調節基因產物是：A.活性阻遏蛋白C. cAMP 受體蛋白3. 下述關于啟動子的論述錯誤的是：A.能專一地與阻遏蛋白結合C.沒有基因產物4. 在酶合成調節中阻遏蛋白作用于：A.結構基因B.調節基因5. 酶合成的調節不包

8、括下面哪一項：A.轉錄過程C. mRNA 翻譯過程6. 關于共價調節酶下面哪個說法是錯誤的：A.都以活性和無活性兩種形式存在C.能進行可逆的共價修飾7. 被稱作第二信使的分子是：A. cDNAB. ACPC.8. 反饋調節作用中下列哪一個說法是錯誤的：A.有反饋調節的酶都是變構酶C.反饋作用都是使反速度變慢五）是非判斷題） 1. 分解代謝和合成代謝是同一反應的逆轉，所以它們的代謝反應是可逆的。） 2. 啟動子和操縱基因是沒有基因產物的基因。（）3. 酶合成的誘導和阻遏作用都是負調控。（）4. 衰減作用是在轉錄水平上對基因表達進行調節的一種方式。（） 5. 與酶數量調節相比，對酶活性的調節是更靈

9、敏的調節方式。（）6. 果糖 1,6 二磷酸對丙酮酸激酶具有反饋抑制作用。（）7. 序列反應中幾個終產物同時過多時的調節作用叫累積調節。（）8. 酶的共價修飾能引起酶分子構象的變化。（）9. 脫甲基化作用能使基因活化。（） 10. 連鎖反應中，每次共價修飾都是對原始信號的放大 .（六）問答題1糖代謝與脂類代謝的相互關系 ?2糖代謝與蛋白質代謝的相互關系?3蛋白質代謝與脂類代謝的相互關系?4簡述酶合成調節的主要內容？5以乳糖操縱子為例說明酶誘導合成的調控過程？ 6以糖原磷酸化酶激活為例，說明級聯系統是怎樣實現反應信號放大的？ 7二價反饋抑制作用有哪些主要類型？8代謝的區域化有何意義？三、答 案（

10、一）、名詞解釋：1. 誘導酶：由于誘導物的存在，使原來關閉的基因開放，從而引起某些酶的合成數量明顯 增加，這樣的酶稱為誘導酶2. 標兵酶：在多酶促系列反應中，受控制的部位通常是系列反應開頭的酶，這個酶一般是 變構酶，也稱標兵酶。3. 操縱子：在轉錄水平上控制基因表達的協調單位，包括啟動子（P）、操縱基因（O）和在功能上相關的幾個結構基因。4. 衰減子：位于結構基因上游前導區調節基因表達的功能單位，前導區轉錄的前導RNA通過構象變化終止或減弱轉錄。5. 阻遏物：由調節基因產生的一種變構蛋白，當它與操縱基因結合時，能夠抑制轉錄的進行。6. 輔阻遏物：能夠與失活的阻碣蛋白結合，并恢復阻遏蛋白與操縱基

11、因結合能力的物質。 輔阻遏物一般是酶反應的產物。7. 降解物基因活化蛋白：由調節基因產生的一種 cAMP 受體蛋白，當它與 cAMP 結合時被 激活，并結合到啟動子上促進轉錄進行。是一種正調節作用。8. 腺苷酸環化酶：催化 ATP 焦磷酸裂解產生環腺苷酸（ cAMP ）的酶。9. 共價修飾：某種小分子基團可以共價結合到被修飾酶的特定氨基酸殘基上，引起酶分子 構象變化，從而調節代謝的方向和速度。10. 級聯系統： 在連鎖代謝反應中一個酶被激活后， 連續地發生其它酶被激活， 導致原始調 節信號的逐級放大，這樣的連鎖代謝反應系統稱為級聯系統。11. 反饋抑制：在代謝反應中，反應產物對反應過程中起作用

12、的酶產生的抑制作用。12. 交叉調節： 代謝產物不僅對本身的反應過程有反饋抑制作用， 而且可以控制另一代謝物 在不同途徑中的合成。13. 前饋激活：在反應序列中，前身物質對后面的酶起激活作用，使反應向前進行。14. 鈣調蛋白： 一種依賴于鈣的蛋白激酶， 酶蛋白與鈣結合引起酶分子構象變化， 調解酶的 活性。如磷酸化酶激酶是一種依賴于鈣的蛋白激酶。（二）英文縮寫符號1. CAP （ Catabolic gene activator protein ）：降解物基因活化蛋白2. PKA ( Protein kinase )：蛋白激酶 A3. CaM( Calmkdulin )：鈣調蛋白4. ORF (

13、 Open reading frame )：開放閱讀框架（三）填空題1. 細胞內酶水平；細胞水平；激素水平；神經水平2. 酶的區域化；酶數量的調節；酶活性的調節3. 轉錄水平；轉錄后加工和運輸；翻譯水平4. 阻遏蛋白；操縱基因5. 降解物基因活化蛋白（CAP ;環腺苷酸（CAMP ; RNA聚合酶6. 輔阻遏物；阻遏蛋白7. LaCZ ; LaCY ; LaCA8. 6- 磷酸葡萄糖;丙酮酸;乙酰輔酶 A9. 酶原激活;酶共價修飾;變構調節;反饋調節;輔因子調節;能荷調節10. 小分子基團;共價修飾;有活性;無活性11. 磷酸化和脫磷酸化;核苷酰化和脫核苷酰化（四）選擇題1. D:操縱子在酶合

14、成的調節中是通過操縱基因的開閉來控制結構基因表達的，所以是轉錄水平的調節。細胞中酶的數量也可以通過其它三種途徑進行調節。2. B:色氨酸操縱子控制合成色氨酸五種酶的轉錄，色氨酸是蛋白質氨基酸，正常情況下調節基因產生的是無活性阻遏蛋白， 轉錄正常進行。 但當細胞中色氨酸的含量超過蛋白 質合成的需求時， 色氨酸變成輔阻遏物來激活阻遏蛋白， 使轉錄過程終止; 誘導酶的操 縱子調節基因產生的是活性阻遏物; 組成酶的操縱子調節基因不產生阻遏蛋白; 有分解 代謝阻遏作用的操縱子調節基因產物是 CAMP 受體蛋白（降解物基因活化蛋白） 。3. A:操縱基因是阻遏蛋白的結合部位。4. C:活性阻遏蛋白與操縱基

15、因結合使轉錄終止。5. D:酶的激活作用是對酶活性的調節，與酶合成的調節無關。6. D :共價調節酶是高等生物和低等生物都具有的一種酶活性調節方式。7C: CDNA 為互補 DNA， ACP 為酰基載體蛋白， AMP 為腺苷酸。 CAMP 由腺苷酸環化 酶催化 ATP 焦磷酸裂解環化生成，腺苷酸環化酶可感受激素信號而被激活，所以，一 般把激素稱為“第一信使” ，把 CAMP 稱為“第二信使” 。& C:反饋作用包括正反饋（反饋激活）和負反饋（反饋抑制），正反饋對酶起激活作用，負反饋對酶起抑制作用。（五）是非判斷題1. 錯: 分解代謝和合成代謝雖然是同一反應的逆轉，但它們各自的代謝途徑不

16、完全相同， 如在糖酵解途徑中， 葡萄糖被降解成丙酮酸的過程有三步反應是不可逆的，在糖異生過程中需要由其它的途徑或酶來代替。2. 對：操縱子包括啟動子、 操縱基因和結構基因， 啟動子是RNA聚合酶識別和結合部位， 操縱基因可以與阻遏蛋白結合控制基因表達， 兩者都沒有基因產物。 結構基因的轉錄產物 為與DNA互補的RNA3. 對: 在酶合成的誘導中， 調節基因產生的活性阻遏物在沒有誘導物的情況下， 能與操縱基因結合， 使轉錄終止和減弱; 在酶合成的阻遏中， 調節基因產生的失活阻遏物與輔阻遏 物結合后被活化，再與操縱基因結合，也能使轉錄終止和減弱;4. 對:衰減作用是通過對已轉錄的前導 RNA 翻譯

17、后形成的終止子，對已開始的轉錄過程進行調節。5. 對:酶合成的調節需要經過轉錄、翻譯、加工等過程，酶的降解需要蛋白酶的作用，它們都是慢速的調節過程。 酶活性的調節則直接作用于酶分子本身， 所以是更靈敏更迅速的 調節過程。6. 錯: 果糖 1,6 二磷酸對丙酮酸激酶具有前饋激活作用。 因為， 在糖酵解的序列反應中， 果 糖 1,6 二磷酸位于丙酮酸激酶催化的反應之前， 果糖 1,6 二磷酸對丙酮酸激酶的前饋激 活作用有利于酵解反應的進行。7. 錯：叫協同調節。 幾個終產物中任何一個產物過多都能部分抑制某一酶的活性， 要達到最 大的效果幾個終產物必需同時過多，這種調節作用叫累積調節。8. 對：在酶

18、分子中共價引入或去除某種小分子基團， 能使酶蛋白的空間結構在有活性和無活 性構象之間發生轉變。9. 對： DNA 的堿基通過脫甲基化作用能使染色質變疏松，基因得到活化。而甲基化作用可 關閉某些基因的表達。10. 對：因為在連鎖反應中，每次共價修飾都相當于增加一級酶促反應，使原始信號得到一 次放大。（六）問答題（解題要點）1. 答：（ 1）糖轉變為脂肪：糖酵解所產生的磷酸二羥丙同酮還原后形成甘油，丙酮酸氧化 脫羧形成乙酰輔酶 A 是脂肪酸合成的原料，甘油和脂肪酸合成脂肪。（ 2）脂肪轉變為糖： 脂肪分解產生的甘油和脂肪酸， 可沿不同的途徑轉變成糖。 甘油經 磷酸化作用轉變成磷酸二羥丙酮，再異構化

19、變成 3- 磷酸甘油醛，后者沿糖酵解逆反應 生成糖；脂肪酸氧化產生乙酰輔酶 A,在植物或微生物體內可經乙醛酸循環和糖異生作 用生成糖，也可經糖代謝徹底氧化放出能量。（ 3）能量相互利用： 磷酸戊糖途徑產生的 NADPH 直接用于脂肪酸的合成， 脂肪分解產 生的能量也可用于糖的合成。2. 答：（1）糖是蛋白質合成的碳源和能源：糖分解代謝產生的丙酮酸、a -酮戊二酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、4-磷酸赤蘚糖等是合成氨基酸的碳架。糖分解產生的能量被用于蛋白質的合成。2）蛋白質分解產物進入糖代謝：蛋白質降解產生的氨基酸經脫氨后生成a -酮酸， a -酮酸進入糖代謝可進一步氧化放出能量，或經糖異生作用

20、生成糖。3. 答：（ 1）脂肪轉變為蛋白質： 脂肪分解產生的甘油可進一步轉變成丙酮酸、a -酮戊二酸、草酰乙酸等，再經過轉氨基作用生成氨基酸。脂肪酸氧化產生乙酰輔酶A 與草酰乙酸縮合進入三羧酸循環，能產生谷氨酸族和天冬氨酸族氨基酸。2）蛋白質轉變為脂肪： 在蛋白質氨基酸中， 生糖氨基酸通過丙酮酸轉變成甘油， 也可 以氧化脫羧后轉變成乙酰輔酶 A,用于脂肪酸合成。生酮氨基酸在代謝反應中能生成乙 酰乙酸，由乙酰乙酸縮合成脂肪酸。絲氨酸脫羧后形成膽氨，膽氨甲基化后變成膽堿， 后者是合成磷脂的組成成分。4. 答：（1）轉錄水平的調節：負調控作用（酶合成的誘導和阻遏） ；正調控作用（降解物基因活化蛋白） ；衰減作用（衰減子） 。（ 2）轉錄后的的調節： 轉錄后 mRNA 的加工， mRNA 由細胞核向細胞質的運輸， mRNA 細胞中的定位和組裝。（ 3）翻譯水平的調節： mRNA 本身核苷酸組成和排列 （如 SD 序列），反義 RNA 的活性， mRNA 的穩定性等都是翻譯水平的調節的重要內容。5. 答：（ 1）乳糖操縱子：操縱子是指在轉錄水平上控制基因表達的協