第十二章 代謝調(diào)節(jié)綜述江大食品生化

第十二章代謝調(diào)節(jié)綜述第一節(jié)酶活性調(diào)節(jié)的機理第二節(jié)酶量調(diào)節(jié)機理代謝調(diào)節(jié)綜述

一切生物的生命都靠代謝的正常運轉(zhuǎn)來維持。機體的代謝途徑異常復(fù)雜，細胞作為生命活動的基本單位，它具有復(fù)雜、精確、有效的代謝調(diào)控系統(tǒng)，來維持代謝平衡。

代謝調(diào)節(jié)是指生物體根據(jù)環(huán)境的變化、生理活動的需要，自身對代謝反應(yīng)速度進行調(diào)節(jié)和對代謝途徑方向加以控制的機能。

不同的生物體代謝調(diào)節(jié)機制不同，生物體的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)隨著進化程度越高，變得越精細、越復(fù)雜。

如∶微生物只有細胞水平上的調(diào)節(jié)；

高等動物和人有細胞水平的調(diào)節(jié)、激素水平的調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)，后兩者是高級水平的調(diào)節(jié)。 本章主要介紹細胞水平的調(diào)節(jié)，它主要是通過調(diào)節(jié)細胞中酶分子的活性和數(shù)量來實現(xiàn)的。細胞水平的調(diào)節(jié)是高級水平調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。

中間代謝的一切反應(yīng)幾乎都是酶催化的反應(yīng)，細胞調(diào)節(jié)主要是對酶的調(diào)節(jié)。

酶是細胞調(diào)節(jié)的核心,代謝物(底物、產(chǎn)物)是調(diào)節(jié)因子；細胞本身的膜結(jié)構(gòu)起著代謝定位和控制反應(yīng)條件的保證作用。這幾種要素共同構(gòu)成了細胞調(diào)節(jié)的三種調(diào)節(jié)機制.(1)酶區(qū)域定位的調(diào)節(jié)－－以膜結(jié)構(gòu)和膜功能為基礎(chǔ)的細胞結(jié)構(gòu)效應(yīng)；細胞內(nèi)的不同部位進行不同的代謝。(2)酶活性調(diào)節(jié)－－以代謝途徑和酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的酶活性調(diào)節(jié)，它包括：

底物對酶的激活;終產(chǎn)物對酶的反饋抑制。(3)酶量調(diào)節(jié)－－以酶的合成系統(tǒng)為基礎(chǔ)的酶量調(diào)節(jié)，它包括：

底物對酶合成系統(tǒng)的誘導(dǎo)作用;產(chǎn)物對酶合成系統(tǒng)的阻遏作用。細胞調(diào)節(jié)的三種調(diào)節(jié)機制第一節(jié)酶活性調(diào)節(jié)的機理一、調(diào)節(jié)酶 調(diào)節(jié)酶的功能∶ ①催化代謝途徑中的特定反應(yīng)。 ②它是一種調(diào)控元件，調(diào)節(jié)代謝速度和方向。

根據(jù)代謝調(diào)節(jié)功能，酶可分為∶

靜態(tài)酶∶只具催化功能，不具調(diào)節(jié)功能，催化的反應(yīng)一般是可逆的，反應(yīng)速度快，能迅速達到平衡點。

調(diào)節(jié)酶∶酶活性受調(diào)節(jié)因子的影響，催化的反應(yīng)速度相對較慢，又稱為限速酶或關(guān)鍵酶。 由限速酶催化的反應(yīng)一般處于一條代謝途徑的起始步驟或分支點、轉(zhuǎn)換點上。 如∶在EMP途徑中，G→6-P-G

二、調(diào)節(jié)酶的種類和酶活調(diào)節(jié)機理

根據(jù)調(diào)節(jié)酶的活性調(diào)節(jié)機理和調(diào)控代謝的功能特點，調(diào)節(jié)酶的種類可分為∶

共價修飾酶 變構(gòu)酶 同功酶 多功能酶酶活性的調(diào)節(jié)機理可分為∶

變構(gòu)調(diào)節(jié) 共價修飾 解聚 聚合 每種酶的調(diào)節(jié)機理可能是一種以上，如變構(gòu)酶以變構(gòu)調(diào)節(jié)為主，有時也伴隨發(fā)生解聚、聚合作用。三、變構(gòu)酶與酶活的變構(gòu)調(diào)節(jié)機理

變構(gòu)酶∶是能在一些調(diào)節(jié)因子的影響下，通過構(gòu)象的變化，引起酶活改變的酶。它可以調(diào)節(jié)代謝速度和代謝方向。變構(gòu)激活∶ 代謝底物作用于酶分子，使本來無活性或低活性的酶分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，成為有活性或高活性狀態(tài)的酶。

變構(gòu)抑制∶ 通常是產(chǎn)物的反饋抑制。當(dāng)終產(chǎn)物在細胞內(nèi)積累到一定濃度時，會反作用于代謝途徑的限速酶，使酶分子結(jié)構(gòu)改變，活性降低，從而減慢代謝速度。變構(gòu)作用可分為∶ 一般具有多亞基、多配基結(jié)合位點(活性中心以外的結(jié)合位點-----即調(diào)節(jié)中心)。

配基∶能夠與酶表面結(jié)合的物質(zhì)(如∶底物、激活劑、抑制劑、產(chǎn)物等)通稱為酶的配基。1、變構(gòu)酶分子的結(jié)構(gòu)特點∶由相同亞基組成的變構(gòu)酶，活性中心和調(diào)節(jié)中心在同一個亞基上；由不相同亞基組成的變構(gòu)酶，活性中心和調(diào)節(jié)中心可能不在同一個亞基上。

變構(gòu)作用∶當(dāng)變構(gòu)劑與調(diào)節(jié)中心結(jié)合后，誘導(dǎo)酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，產(chǎn)生一種新的穩(wěn)定構(gòu)象，明顯改善了酶活性中心對底物的親和力和催化能力，這就是變構(gòu)酶的變構(gòu)作用(或稱別構(gòu)效應(yīng))。

協(xié)同效應(yīng)∶酶的一個亞基與配基結(jié)合，所發(fā)生的變構(gòu)作用會影響整個酶分子的其他亞基發(fā)生相應(yīng)變化，改變對后繼配基分子的親和力，這種現(xiàn)象稱為協(xié)同效應(yīng)。

協(xié)同效應(yīng)可分為∶正協(xié)同效應(yīng) 負協(xié)同效應(yīng)2、變構(gòu)作用與協(xié)同效應(yīng)∶

------S型v～[S]關(guān)系曲線∶

正常情況下(米氏酶)∶[S]0.9/[S]0.1=81

具有正協(xié)同效應(yīng)的酶∶[S]0.9/[S]0.1<81

具有負協(xié)同效應(yīng)的酶∶[S]0.9/[S]0.1>81 3、變構(gòu)酶的動力學(xué)特征

這類酶有無活性和有活性兩種基本形式。

由于酶的兩種結(jié)構(gòu)形式是通過其他酶(修飾酶)的催化作用，在其酶蛋白的某些氨基酸殘基上引入或去除共價結(jié)合的某種化學(xué)基團，從而發(fā)生分子共價結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化，實現(xiàn)活性形式與非活性形式的互相轉(zhuǎn)變，這種酶活調(diào)節(jié)方式稱為共價修飾調(diào)節(jié)，這種酶稱為共價修飾酶。

四、共價修飾酶及其調(diào)節(jié)機理∶

磷酸化/去磷酸化 乙?；?去乙?；?尿)苷酸化/去腺(尿)苷酸化 甲基化/去甲基化共價修飾酶的化學(xué)修飾反應(yīng)有∶

糖原磷酸化酶去磷酸化∶無活性磷酸化∶有活性

五、解聚與聚合∶

乙酰CoA羧化酶 同功酶是指催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白分子組成、結(jié)構(gòu)有所不同的一組酶。

它們存在于同一個體或同一組織中，而生理上、免疫上和理化性質(zhì)上都存在差異。同功酶一般是由不同亞基組成的二聚體、四聚體或多聚體。如∶乳酸脫氫酶有五種不同的分子結(jié)構(gòu)形式。M4、M3H、M2H2、MH3、H4。六、同功酶∶酶原的激活第二節(jié)酶量調(diào)節(jié)機理

酶量調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)酶蛋白的合成過程來實現(xiàn)的。 酶是一種蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成體系的各個環(huán)節(jié)(轉(zhuǎn)錄、翻譯、翻譯后的加工等)都可能影響酶的生物合成速度。

轉(zhuǎn)錄是最重要的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物mRNA是合成酶蛋白的模板，mRNA越多，則酶的生產(chǎn)能力越大。細胞可根據(jù)需要加快或減慢合成mRNA的速度以調(diào)節(jié)酶量。

研究發(fā)現(xiàn)，酶合成系統(tǒng)與環(huán)境中代謝物質(zhì)有關(guān)，根據(jù)其關(guān)系酶可分為兩種∶誘導(dǎo)酶∶ 該酶的合成系統(tǒng)正常情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，產(chǎn)酶的基因不轉(zhuǎn)錄、不翻譯，只有在代謝底物或其結(jié)構(gòu)類似物存在時，才誘導(dǎo)酶合成系統(tǒng)啟動，轉(zhuǎn)錄并翻譯酶蛋白。組成酶(固有酶)∶

在正常情況下，產(chǎn)酶基因能以正常恒定的速度合成酶。無論代謝底物存在與否，細胞中總能維持一定數(shù)量。組成酶的合成主要是受代謝終產(chǎn)物的調(diào)控。當(dāng)終產(chǎn)物的濃度在細胞內(nèi)積累到一定水平時，除反饋抑制限速酶，迅速關(guān)閉已有的代謝途徑外，還能反饋作用于該酶的蛋白質(zhì)合成體系，關(guān)閉合成系統(tǒng)，停止酶分子的合成------即阻遏作用。 總之：底物正調(diào)節(jié)激活或誘酶產(chǎn)物負調(diào)節(jié)抑制或阻遏酶 誘導(dǎo)和阻遏是底物和產(chǎn)物分別對轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的正、負調(diào)節(jié)作用，這是基因水平上的兩種基本調(diào)節(jié)機制。

一、操縱子的概念及類型∶

1961年Monod

和Jacob的研究表明∶

①基因有兩種類型：

一種是負責(zé)編碼蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)基因；

另一種是對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)基因。

②基因的表達是協(xié)同的。

一條代謝途徑中的幾個酶的結(jié)構(gòu)基因在基因圖上常常是排列在一起的，而且一組結(jié)構(gòu)基因常常是轉(zhuǎn)錄為一個共同的mRNA。

由此，他們提出了著名的“操縱子學(xué)說”?！倏v子學(xué)說’認為∶

酶的誘導(dǎo)和阻遏是在調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物------阻遏蛋白的作用下，通過操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因或基因組的轉(zhuǎn)錄而發(fā)生的。

所謂操縱子（Operon）∶

是原核生物基因表達系統(tǒng)的一種功能單 位，它由啟動基因（P）、操縱基因（O） 和若干個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因。

在基因圖上，啟動基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因是連接在一起的。啟動基因是RNA聚合酶的附著部位，操縱基因是調(diào)控RNA聚合酶啟動(或停止)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控位點。啟動基因和操縱基因不能被轉(zhuǎn)錄和翻譯，故沒有基因產(chǎn)物。它的操縱功能是被動的，是受一個在基因圖上遠離操縱子的調(diào)節(jié)基因的控制。

調(diào)節(jié)基因能編碼一種蛋白質(zhì)叫阻遏蛋白(或稱阻遏物)，阻遏蛋白的專一性很強，只能與特定操縱子的操縱基因結(jié)合，擋住RNA聚合酶的去路，使轉(zhuǎn)錄不能正常進行。

阻遏蛋白是一種變構(gòu)蛋白，分子表面至少有兩個配基結(jié)合部位：

一個與操縱基因結(jié)合； 另一個與效應(yīng)物(誘導(dǎo)物或輔阻遏物)結(jié)合。 根據(jù)阻遏蛋白的性質(zhì)不同，操縱子可分為兩種類型∶

誘導(dǎo)型(阻遏蛋白是有活性的)

阻遏型(阻遏蛋白是無活性的)大腸桿菌乳糖操縱子1、誘導(dǎo)型操縱子∶誘導(dǎo)型(阻遏蛋白是有活性的)2、阻遏型操縱子∶體液激素的調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控諸子—概念及其英文密碼子操縱子啟動子復(fù)制子