第十五章代謝調節綜述

生物體內存在著相互聯系，錯綜復雜的代謝過程。如果體內不存在調節和控制，各種代謝就會變得雜亂無章，生物也就不能存活。實際上，生物體內存在著調節控制，控制各種代謝有條不紊地進行。代謝調節的內容及重要性生物體內的代謝調節，在四種不同水平上進行。酶的調節激素的調節神經的調節代謝調節的內容各種調節之間的關系

細胞代謝的調節，主要是通過控制酶的作用而實現的。這種酶水平的調節，是最基本的調節方式。激素和神經調節是隨著生物進化、發展而完善起來的調節機制，但是它們仍然是通過“酶水平”的調節而發揮其作用。所有這些調節又受生物遺傳因素的控制。15.1酶的調節一、通過控制酶的生物合成調節代謝酶合成的誘導和阻遏作用分解代謝產物對酶合成的阻遏二、通過控制酶活性調節代謝抑制作用活化作用別構作用共價修飾三、相反單向反應對代謝的調節四、酶的分布區域化對代謝的調節（一）、酶合成的誘導和阻遏作用一些分解代謝的酶類只在有關底物或底物類似物存在時才能誘導合成；一些合成代謝的酶類在產物或產物類似物足夠存在時，其合成被阻遏。一、通過控制酶的生物合成調節代謝1.酶的誘導和阻遏

(induceandrepressionofenzyme)某些物質可以誘導細胞內產生誘導酶，這種作用叫做酶的誘導生成作用。誘導酶：是指當細胞中加入特定誘導物后誘導產生的酶，它的含量在誘導物存在下顯著增高，這種誘導物往往是酶底物的類似物或底物本身。例：E.coli可利用多種糖為碳源，當利用乳糖做碳源時，需要一個關鍵性的酶，β-半乳糖苷酶，這個酶可將乳糖水解為半乳糖和G。而用乳糖作碳源時，開始E.coli幾乎不能利用，1-2分鐘后，此酶迅速增加上千倍。這是新的酶分子的合成，而不是原有酶分子的活化，它是由乳糖誘導生成的。因此，β-半乳糖苷酶是個誘導酶。誘導酶的例子阻遏作用：某種代謝產物能阻止細胞內某種酶的生成，這種作用叫阻遏。例：用NH4+作為唯一氮源時，E.coli能合成20種氨基酸，但若在培養基中加入某種氨基酸，如色氨酸時，則作用NH4+和碳源合成色氨酸的酶系迅速消失，這種現象就是酶生成的阻遏作用。2.操縱子(operon)1961年Monod和Jacob提出了操縱子學說，闡明了酶的誘導、阻遏和基因的關系，這一學說開始只是一個假說，但后來，逐步為許多實驗證實，現已普遍接受。

操縱子：在原核生物的DNA分子的不同區域分布著一個調節基因和一個操縱子，一個操縱子包括一個操縱基因，一群功能相關的結構基因，以及在調節基因和操縱基因之間專管轉錄起始的啟動子(基因)。啟動子操縱子操縱子模型示意圖操縱子的組成操縱基因(operator)：沒有基因產物的基因，在DNA序列中它接近結構基因。有阻遏蛋白的結合位置，是轉錄的開關，控制結構基因的轉錄。啟動基因(promotor)：（在調節基因和操縱基因之間），有RNA聚合酶的結合部位，啟動DNA轉錄。結構基因(Structuralgene)：可以轉錄出mRNA合成酶蛋白，決定蛋白質中的氨基酸順序，或決定mRNA中核苷酸順序的基因。調節基因(regulator)：負責阻遏蛋白的合成。啟動子A.酶生成的誘導作用機制無誘導物時，阻遏蛋白和操縱基因結合后，阻擋了RNA聚合酶的作用，從而使結構基因表達受到抑制。當誘導物存在時，誘導物和阻遏蛋白結合時，改變阻遏蛋白的構象，不能與操縱基因結合，于是RNA聚合酶起作用，使底物基因進行轉錄和翻譯，生成酶蛋白。B.酶生成的阻遏作用機制在沒有代謝產物時，阻遏蛋白不能與操縱基因結合，因而結構基因就轉錄翻譯，生成酶蛋白。當代謝產物存在時，代謝終產物和阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白構象發生變化，可與操縱基因結合，從而使結構基因不能進行轉錄，酶的生成受到阻遏。3.乳糖操縱子模型（誘導型操縱子）以E.coli乳糖操縱子為例，說明操縱子學說。當把E.coli培養在僅含乳糖的培養液中，可以誘導產生利用乳糖的酶。Ecoli乳糖操縱子的結構基因Z.Y.A，可轉錄并翻譯出利用乳糖的三個酶，β半乳糖苷酶，半乳糖苷透性酶、β半乳糖苷轉乙酰酶。這里，乳糖是誘導物誘導這3種酶的合成，這3種酶就是誘導酶。乳糖操縱子β半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶β半乳糖苷轉乙酰酶

4.色氨酸操縱子模型（阻遏型操縱子）色氨酸操縱子除了含有結構基因、操縱基因和啟動子外，還有1個衰減子和1段前導序列。一般情況，操縱子進行正常的轉錄和翻譯，當終產物色氨酸過多時就會作為輔阻遏物和阻遏蛋白結合，使無活性的阻遏蛋白變為有活性的阻遏蛋白從而和操縱基因結合使操縱基因關閉，5個結構基因不能轉錄，阻止了有關酶的合成。DECBA啟動子P操縱基因O前導序列L衰減子色氨酸操縱子衰減子是一種更為精細的阻遏調節，是DNA中可導致轉錄過早終止的一段核苷酸序列。色氨酸存在時，衰減子使轉錄水平降低或終止。（二）、分解代謝產物對酶合成的阻遏當反應中有其他產物時會抑制酶的生物合成。如：當培養基中有葡萄糖和乳糖時，則優先利用葡萄糖，等葡萄糖耗盡再利用乳糖。這就是葡萄糖效應。二、通過控制酶活性調節代謝（一）抑制作用簡單抑制：一種代謝產物在細胞內累積過多時由于物質作用定律的關系，可抑制其本身的形成，這種抑制酶本身結構沒有變化。反饋抑制：指酶促反應終產物對酶活力的抑制。即一系列酶促反應的終產物對第一個酶起抑制作用。反饋（feedback）是指反應系統中最終產物對初始步驟的E活力的控制作用。可分為正反饋和負反饋。正反饋：終產物可以激活初始步驟的酶負反饋：終產物可以抑制初始步驟的酶前饋：在反應系統中，反應物對后續反應的酶的控制作用。反饋抑制CTP利用率低，CTP濃度高，抑制天冬aa轉氨甲酰酶的活力。反饋、前饋是細胞中一種很巧妙的代謝調節方式。可避免反應中，反應物、產物過多積累和浪費，對生物體原料和能源的合理利用具有重要意義。（二）活化作用機體為了使代謝正常，通過增進酶活力的方式進行代謝調節。如：對無活性的酶原通過切除一部分而激活其活性；對被抑制物抑制活性的酶用活化劑或抗抑制劑解除其抑制。（三）別構調節別構調節allostericregulation：酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結合后發生構象的改變，進而改變E活性狀態，稱為E的別構調節。由別構酶起作用調節代謝過程稱別構調節。具有這種調節作用的E稱為別構酶allostericenzyme。別構效應分為：正效應物positive：使酶活力增強。負效應物negative：使酶活力降低。別構酶

別構酶也稱變構酶。這種酶除了有活性中心外，還有別構中心，當別構效應物非共價結合到別構中心上時，酶分子構象發生改變，從而改變酶活力。

當別構效應物與酶結合，大大有利于后續分子與酶的結合，使酶的活力增加，稱為別構激活，也稱為正協同；反之，稱為別構抑制，或負協同。細胞可以通過酶的別構使酶活力升高或降低以調節其代謝。別構酶的特點：1.有多個亞基，都是寡聚酶；2.活性中心和別構中心位于E蛋白的不同部位，或處在不同亞基上，或在同一亞基上的不同部位；3.活性中心負責對底物的結合與催化，別構中心則負責調節酶的反應速度。4.不遵循米氏方程。符合米氏方程酶的雙曲線正協同別構酶的S型曲線負協同別構酶的雙曲線別構酶的動力學曲線

正協同的別構酶結合底物或變構劑后，構像的變化使酶對底物的親合力大大增強。

負協同的別構酶與變構抑制劑結合后，在底物濃度較低的范圍內酶活性增加較快，但底物濃度升高后，催化速率并不顯著增加，這意味著高濃度的低物并不能形成高濃度的產物。別構效應物：1.激素；2.底物、產物或代謝途徑的最終產物；3.與該代謝酶系有關的輔酶及核苷酸類化合物。（四）共價修飾(covalentmodification)定義：酶蛋白在另一種酶的催化下，在其分子上以共價結合的方式接上或脫去某種特殊的化學基團，從而引起酶活力改變的過程。這類酶為共價修飾酶。類型：①磷酸化/去磷酸化②乙?；?去乙酰化③腺苷?；?去腺苷?；苣蜍挣；?去尿苷?；菁谆?去甲基化⑥氧化（S-S）/還原(2SH)舉例：糖原磷酸化酶和糖原合酶