第十六章细胞代谢和基因表达的调控 细胞代谢包括物质代谢和能量代谢。细胞代谢是一个完整统的网络,并且存在复杂的调节机制,这些 调节机制都是在基因表达产物(蛋白质或RNA)的作用下进行的 重点:物质代谢途径的相互联系,酶活性的调节。 第一节物质代谢途径的相互联系 细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径,以少数种类的反应转化种类繁多的分 子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化,其中三个关键的中间物是G6P、丙酮酸、 乙酰CoA。 糖代谢与脂代谢的联系 1、糖转变成脂 图 糖经过酵解,生成磷酸ˉ羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮还原为甘油,丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA, 合成脂肪酸 2、脂转变成糖 甘油经磷酸化为3-磷酸甘油,转变为磷酸二羟丙酮,异生为糖。 在植物、细菌中,脂肪酸转化成乙酰CoA,后者经乙醛酸循环生成琥珀酸,进λTCA,由草酰乙酸脱羧 生成丙酮酸,生糖。 动物体内,无乙醛酸循环,乙酰CoA进入TCA氧化,生成CO2和HO 脂肪酸在动物体内也可以转变成糖,但此时必需要有其他来源的物质补充TA中消耗的有机酸(草酰 乙酸)。 糖利用受阻,依靠脂类物质供能量,脂肪动员,在肝中产生大量酮体(丙酮、乙酰乙酸、β羟基J酸 糖代谢与氨基酸代谢的关系 l、糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架 图 糖→丙酮酸→α-酮戊二酸+草酰乙酸 这三种酮酸,经过转氨作用分别生成Aa、Gu和A
１ 第十六章 细胞代谢和基因表达的调控 细胞代谢包括物质代谢和能量代谢。细胞代谢是一个完整统一的网络，并且存在复杂的调节机制，这些 调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或RNA）的作用下进行的。 重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。 第一节 物质代谢途径的相互联系 细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分 子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是 G-6-P、丙酮酸、 乙酰 CoA。 一、 糖代谢与脂代谢的联系 1、 糖转变成脂 图 糖经过酵解，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮还原为甘油，丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA， 合成脂肪酸。 2、 脂转变成糖 图 甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖。 在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙酰CoA，后者经乙醛酸循环生成琥珀酸，进入 TCA，由草酰乙酸脱羧 生成丙酮酸，生糖。 动物体内，无乙醛酸循环，乙酰CoA 进入TCA 氧化，生成CO2和 H2O。 脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充 TCA 中消耗的有机酸（草酰 乙酸）。 糖利用受阻，依靠脂类物质供能量，脂肪动员，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、β-羟基丁酸）。 二、 糖代谢与氨基酸代谢的关系 1、 糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架 图 糖 → 丙酮酸 → α-酮戊二酸 + 草酰乙酸 这三种酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu 和Asp
2、生糖氨基酸的碳架可以转变成糖 凡是能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的aa,称为生糖aa。 Phe、Tyr、I、I3s、Tp等可生成乙酰乙酰CoA,从而生成酮体。 Phe、Tyr等生糖及生酮。 三、氨基酸代谢与脂代谢的关系 氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA,可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成。 生糖aa的碳架可以转变成甘油。 Ser可以转变成胆胺和胆碱,合成脑磷脂和卵磷脂。 动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA,不能为aa合成提供净碳架。 脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸,经TCA进·步转变为草酰乙酸、α一酮戊二酸,这三者都可以 转变成氨基酸。 四、核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系 核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源原 各种氨基酸,如(、Asp、Gin是核苷酸的合成前体。 有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用: ATP供能及磷酸基团。 UTP参与单糖转变成多糖(活化单糖)。 CTP参与卵磷脂合成。 GTP为蛋白质合成供能 五、物质代谢的特点 l、TCA是中心环节 代谢途径交叉形成网络,主要联系物:丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、α酮戊_ˉ酸、草酰乙酸。 2、分解、合成途径往往是分开的,不是简单的逆反应。 在一条代谢途径中,某些关键部位的正反应和逆反应,往往由两种不同的酶催化,一种酶催化正反应 另一种酶催化逆反应。 以糖代谢为例: P421
２ 2、 生糖氨基酸的碳架可以转变成糖 凡是能生成丙酮酸、α—酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a。 Phe、Tyr、Ilr、Lys、Trp 等可生成乙酰乙酰 CoA，从而生成酮体。 Phe、Tyr 等生糖及生酮。 三、 氨基酸代谢与脂代谢的关系 氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA，可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成。 生糖 a.a 的碳架可以转变成甘油。 Ser 可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。 动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA，不能为a.a 合成提供净碳架。 脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸，经 TCA 进一步转变为草酰乙酸、α—酮戊二酸，这三者都可以 转变成氨基酸。 四、 核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系 核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。 各种氨基酸，如Gly 、Asp 、Gln 是核苷酸的合成前体。 有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用： ATP 供能及磷酸基团。 UTP 参与单糖转变成多糖（活化单糖）。 CTP 参与卵磷脂合成。 GTP 为蛋白质合成供能。 五、 物质代谢的特点 1、 TCA 是中心环节 代谢途径交叉形成网络，主要联系物：丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸。 2、 分解、合成途径往往是分开的，不是简单的逆反应。 在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应和逆反应，往往由两种不同的酶催化，一种酶催化正反应， 另一种酶催化逆反应。 以糖代谢为例： P421
3、ATP是通用的能量载体 乙酰CoA进入TCA后,完全氧化生成CO2、HO,释放的自由能被ADP捕获转运。否则,自由能以热 能形式散发到周围环境中。 4、分解为合成提供还原力和能量 物质代谢的基本要略在于:生成AIP、还原力和结构单元用于体内生物合成。 NADPH专一用于还原性生物合成,NADH和FADH2主要功能是通过呼吸链产生AIP ATP来源:(1)底物水平磷酸化、(2)绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、(3)呼吸链的氧化磷酸化。 NADPH来源 (1)植物光合电子传递链 (2)磷酸戈糖途径 (3)乙酰CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有NADH的氧化和NADP的还原,所产生的 NADPH可 用于脂肪酸合成P422图224 有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段:P423图225 (1)将大分子分解为小分子单元,释放的能量不能被利用。 (2)将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰CoA,产生还原力 NADPH和少量ATP。 (3)乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO,脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的ATP 5、分解、合成受不同方式调节 单向代谢的反馈调节 顺序反馈控 分枝代谢的反馈调节对同工酶的反馈抑制 协同反馈抑制 第二节代谢调节 代谢调节是生物长期进化过程中,为适应环境的变化的而形成的_种适应能力。进化程度越高的生物, 其代谢调节的机制越复杂、越完善。 生物代谢调节在三个水平上进行,即酶水平、细胞水平、多细胞整体水平(神经、激素)。酶和细胞水平 的调节,是最基本的调节方式,为一切生物所共有
３ 3、 ATP是通用的能量载体 乙酰CoA 进入 TCA 后，完全氧化生成CO2、H2O，释放的自由能被 ADP 捕获转运。否则，自由能以热 能形式散发到周围环境中。 4、 分解为合成提供还原力和能量 物质代谢的基本要略在于：生成ATP、还原力和结构单元用于体内生物合成。 NADPH 专一用于还原性生物合成，NADH 和FADH2主要功能是通过呼吸链产生ATP。 ATP 来源：（1）底物水平磷酸化、（2）绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、（3）呼吸链的氧化磷酸化。 NADPH 来源： （1）植物光合电子传递链 （2）磷酸戊糖途径 （3）乙酰 CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有NADH的氧化和 NADP+的还原，所产生的 NADPH 可 用于脂肪酸合成 P422 图22-4 有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段：P423 图 22-5 （1）将大分子分解为小分子单元，释放的能量不能被利用。 （2）将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰CoA，产生还原力NADPH 和少量ATP。 （3）乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO2，脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的 ATP。 5、 分解、合成受不同方式调节 单向代谢的反馈调节 顺序反馈控 分枝代谢的反馈调节 对同工酶的反馈抑制 协同反馈抑制 第二节 代谢调节 代谢调节是生物长期进化过程中，为适应环境的变化的而形成的一种适应能力。进化程度越高的生物， 其代谢调节的机制越复杂、越完善。 生物代谢调节在三个水平上进行，即酶水平、细胞水平、多细胞整体水平（神经、激素）。酶和细胞水平 的调节，是最基本的调节方式，为一切生物所共有
神经水平调节 激素水平调节 物 细胞水平调节单细胞生物 植物 酶水平调节 神经调节:整体的、最高级的调节。 激素调节:受神经调节控制。第二级调节。 酶调节:原始的、基本的调节。第三级调节。 酶水平的调节:酶活性调节(酶原激活、别构效应、共价修饰)和酶含量(基因表达调控) 酶水平的调节 酶水平的调节,主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节,这三个方面进行。 1、酶定位的区域化 酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类,往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存 在于一定的亚细胞结构区域中,或存在于胞质中,这种现象称为酶的区域化 功能:浓缩效应,防止干扰,便于调节。 (1)多酶体系在细胞中区域化,为酶水平的调节仓造了有利条件使某些调节因素可以专一地影响细胞内某 一部分的酶活性,而不致影响其它部位酶的活性。 (2)此外,酶定位的区域化,使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩,利于在细胞局 部范围内快速进行各个代谢反应 主要代谢途径酶系在细胞内的分布: 胞质:糖酵解,糖原合成,磷酸成糖途径,脂肪酸合成,部分蛋白质合成。 线粒体:脂肪酸β氧化,三羧酸循环,呼吸链,氧化磷酸化。 细胞核:核酸的合成、修饰。 内质网:蛋白质合成,磷脂合成 胞质和线粒体:糖异生,胆固醇合成 溶酶体:多种水解酶 2、酶活性的调节 调节方式:酶原的激活 pH改变,如溶菌酶。pH7,无活性。pH5,活性髙
４ 神经水平调节 动 物 激素水平调节 植 物 细胞水平调节 酶水平调节 单细胞生物 神经调节：整体的、最高级的调节。 激素调节：受神经调节控制。第二级调节。 酶调节：原始的、基本的调节。第三级调节。 酶水平的调节：酶活性调节（酶原激活、别构效应、共价修饰）和酶含量（基因表达调控） 一、 酶水平的调节 酶水平的调节，主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节，这三个方面进行。 1、 酶定位的区域化 酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存 在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化。 功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节。 ⑴多酶体系在细胞中区域化，为酶水平的调节创造了有利条件,使某些调节因素可以专一地影响细胞内某 一部分的酶活性，而不致影响其它部位酶的活性。 ⑵此外，酶定位的区域化，使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩，利于在细胞局 部范围内快速进行各个代谢反应。 主要代谢途径酶系在细胞内的分布： 胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成。 线粒体：脂肪酸β氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。 细胞核：核酸的合成、修饰。 内质网：蛋白质合成，磷脂合成。 胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成 溶酶体：多种水解酶 2、 酶活性的调节 调节方式：酶原的激活 pH 改变，如溶菌酶。pH7，无活性。pH5，活性高
同工酶 共价修饰 反馈调节(生物体内最重要) 特点:调节快速、灵敏,数秒至数分钟可完成。 (1)、共价修的和级联放大P430图22-14 磷酸化/脱磷酸化 腺苷酰化脱腺苷酰化 (2)、前馈和反馈调节 前馈调节:底物对酶活性的调节,一般是前馈激活,但也可能是前馈抑制。当底物浓度过髙时可避免该 代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成,如高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂,可避免丙 二酸单酰CoA大量合成 反馈调节:产物对酶活性的调节,一般是反馈抑制,但也有反馈激活。 a.反馈抑制「单价反馈抑制 多价反馈抑制 当序列终产物浓度积累过多时,会抑制初始反应的酶活性,使整个体系反应速度降低 b.顺序反馈抑制 c.协同反馈抑制 d.累积反馈抑制 e.同工酶反馈抑制 f.反馈激活和前馈激活 (3)、反馈激活 (4)、前馈激活 如在糖酵解中,16—二磷酸果糖,可提髙后面丙酮酸激酶的活性,加速磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙釅酸 如当丙酮酸不能经乙酰CoA进入TA时,丙酮酸积累,磷酸矫醇式丙酮酸转化成草酰乙酸,后者可合 成a和嘧啶核苷酸。合成岀的嘧啶核苷酸,反馈激活磷酸烯醇丙酮酸狻化酶,促进草酰♂酸合成,保证TCA 对草酰乙酸的需要。 3、酶合成的调节(基因表达的调节) 酶合成调节,是通过酶量的变化来调控代谢速率。 二、细胞水平的调节 (1)控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度 (2)控制跨膜物质运输 (3)区隔化:浓缩作用,防止干扰,便于调节 (4)膜与酶可逆结合:
５ 同工酶 共价修饰 反馈调节（生物体内最重要） 特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成。 （1）、 共价修饰和级联放大 P430 图22-14 磷酸化/脱磷酸化 腺苷酰化/脱腺苷酰化 （2）、 前馈和反馈调节 前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活，但也可能是前馈抑制。当底物浓度过高时可避免该 代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成，如高浓度的乙酰CoA 是乙酰 CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙 二酸单酰 CoA 大量合成。 反馈调节：产物对酶活性的调节，一般是反馈抑制，但也有反馈激活。 a．反馈抑制 单价反馈抑制 多价反馈抑制 当序列终产物浓度积累过多时，会抑制初始反应的酶活性，使整个体系反应速度降低。 b. 顺序反馈抑制 c. 协同反馈抑制 d. 累积反馈抑制 e. 同工酶反馈抑制 f. 反馈激活和前馈激活 （3）、 反馈激活： （4）、 前馈激活： 如在糖酵解中，1.6—二磷酸果糖，可提高后面丙酮酸激酶的活性，加速磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。 如当丙酮酸不能经乙酰 CoA 进入 TCA 时，丙酮酸积累，磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸，后者可合 成 a.a 和嘧啶核苷酸。合成出的嘧啶核苷酸，反馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，促进草酰乙酸合成，保证TCA 对草酰乙酸的需要。 3、 酶合成的调节（基因表达的调节） 酶合成调节，是通过酶量的变化来调控代谢速率。 二、 细胞水平的调节 （1）控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度 （2）控制跨膜物质运输 （3）区隔化：浓缩作用，防止干扰，便于调节 （4）膜与酶可逆结合：