第十二章新陈代谢调节.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十二章 新陈代谢调节,代谢调节概述,代谢调节可在三个水平上进行：,分子水平调节：,膜对于代径的分隔控制、膜的选择通透性、膜与酶的结合等；,整体水平上的调节、个体与环境的协调等。,通过底物、辅助因子的调节、酶的调节实现物质代谢调节。其中酶的调节最原始、最基础，包括酶活性和含量调节。,细胞水平：,体液激素调节,第一节 酶活性调节,1.,变构效应,变构调节物或效应物与酶别构中心结合后，诱导或稳住酶分子的某种构象，使酶活性中心的催化作用受到调节，从而调节酶反应速率及代谢过程，称为变构效应,(,alosteric,effect),，也叫协同效应,(,cooperattive,effect),。,具有这种调节作用的酶称为变构酶,(,alloteric,enzyme),。,凡是能使酶分子发生别构效应的物质称为效应物,(,effector,),或别构剂，或者叫配基,(,ligand,),。通常是小分子代谢物或辅助因子。,因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物,(positive,effector,),或别构激活剂，反之则称为负效应物,(negative,effecte,),或别构抑制剂。,一、酶活性调节的类型,同促效应,(,homotorpic,effector,),底物分子对于酶活性的影响称为同促效应。分同促正效应和同促负效应。,异促效应,(,hetrtrorpic,effector,),非底物分子对于酶活性的影响称为异促效应。分同异促正效应和异促负效应。,大多数别构酶兼具同促效应和异促效应。即大多数别构酶既受底物分子调节，又受非底物分子的调节。,100%V,m,50%V,m,S,变构酶,米氏酶,变构酶特点：,活性中心,结合底物并催化底物变化；,调节中心,结合效应物或调节物，能引起亚基构象变化，进而影响催化亚基对底物的亲和力和摧话活性。,(2),酶分子具有底物结合的活性中心，也有与调节物结合的别构中心，这两类中心有的酶于同亚基不同部位，也有的酶可位于不同亚基上；,(3),变构酶的动力学曲线不服从米氏方程式。它的,v-s,关系曲线呈,S,型。别构酶具有,S,型曲线的动力学性质，对于较小的底物浓度的变化，酶反应速度即可作出灵敏的应答。,(1),多亚基，具有四级结构；,酶的共价修饰指一些酶分子的某些氨基酸残基上共价连接一种化学基团或者去掉一种化学基团后，酶的活性状态变化，这类酶称为酶的化学修饰酶,(,或共价修饰)。,2.,共价修饰,共价修饰共有,6,种方式：,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 巯基氧化,/,还原,(S-S/SH),是共价调节的主要方式。有些酶修饰后才表现高活性，有些酶修饰后则活性大大降低。,磷酸化,/,去磷酸化,主要在细胞信号转到过程中起作用。常见的形式为级联系统。,Ser,-,CH,2,-OH,HO-CH,2,-,Ser,糖原磷酸化酶,b,糖原磷酸化酶,a,4H,2,O,4Pi,糖原磷酸化酶,a,磷酸酶,4ATP,4ADP,糖原磷酸化酶,b,激酶,共价修饰举例：,无活性,有活性,O-CH,2,-,Ser,Ser,-CH,2,-O,O-CH,2,-,Ser,Ser,-CH,2,-O,H,H,H,H,O,-,-P-,O,-,O,-P-O,-,O,-,O,O,-,-P-,O,-,O,-P-O,-,O,-,O,在上述酶的共价修饰过程中，酶分,子共价结合磷酸基团之后，亚基构,象变化，致使催化亚基活性中心对,于底物的亲和力及催化活性增加。,腺苷酰化,/,脱腺苷酰化则是细菌中共价修饰调节酶活性的另一种主要方式。例如谷氨酰胺合成酶。,谷氨酰胺合成酶,谷氨酰胺合成酶,腺苷酰化,脱腺苷酰化,(,高活性,),(,低活性,),(GS,0,),(GS,12,),腺苷酰,转移酶,AT-P,A,ATP,PPi,Tyr,-OH,Tyr,-O-AMP,AT-P,A,腺苷酰转移酶,-,调节蛋白,P,A,复合物,AT-P,D,Pi,ADP,AT-P,D,腺苷酰转移酶,-,调节蛋白,P,D,复合物,酶,酶 来 源,修饰机制,酶活性变化,糖原磷酸化酶磷酸化酶激酶 糖原合成酶 丙酮酸脱氢酶激素敏感性酯酶 乙酰,CoA,羧化酶 谷氨酰胺合成酶黄嘌呤氧化酶,真核细胞,哺乳动物真核生物真核生物哺乳动物哺乳动物大肠杆菌哺乳动物,磷酸化,/,脱磷酸化磷酸化,/,脱磷酸化磷酸化,/,脱磷酸化磷酸化,/,脱磷酸化磷酸化,/,脱磷酸化磷酸化,/,脱磷酸化,AMP,化,/,去,AMP,化,S-S/SH,激活,/,抑制激活,/,抑制抑制,/,激活抑制,/,激活激活,/,抑制抑制,/,激活抑制,/,激活激活,/,抑制,常见几种酶修饰机制与活性变化,3.,酶原激活,酶原激活的特点：,酶原在运送到大适当的位点、合适的时间被特定因素作用才能被激活；,酶原激活过程会产生信号放大。,酶原激活常见途径：在蛋白酶作用下切开肽链或切除部分肽链；,胰蛋白酶原(,protripsin,),经肠激酶(,enterokinase,),或胰蛋白酶的自身催化，切下,N-,末端一个,6,肽后即变成活性的胰蛋白酶(,tripsin,)。,酶原的这种激活，除了切除一定片段外，通常要引起其构象变化。,如胃蛋白酶原(,pepsinogen,，,相对分子质量,42500,)在胃酸和胃蛋白酶自身催化下，切除,42,肽(相对分于质量,8100,)后，即形成有活性的胃蛋白酶；,酶 原,激 活,名称,产地,因素,部位,途径,活性酶,胃蛋白酶元,胰蛋白酶元,糜蛋白酶元,羧肽酶元,弹性蛋白酶元,胃粘膜,胰,胰,胰,胰,pH2,(HCl),胃蛋白酶,肠激酶、胰蛋白酶,胰蛋白酶,胰蛋白酶,胃腔,小肠腔,小肠腔,小肠腔,小肠腔,N,端切除,42,肽,N-,端切除,6,肽,内切,1,4-15,二肽,147-148(Thr-Asn),胃蛋白酶,胰蛋白酶,糜蛋白酶,羧肽酶,弹性蛋白酶,4.,反馈调节,终产物浓度的调节作用；,“”或“”反馈,分别表示激活、抑制,E,2,A,B,C,D,P,E,1,E,3,E,4,图,13-4,葡萄糖,-6-P,对于糖原合成的正前馈作用,前馈调节,代谢,(,底,),物浓度的调节作用。,葡萄糖 葡萄糖,-6-P,葡萄糖,-1-P UDPG,糖原,糖原合成酶,ATP ADP,UTP,PPi,（,+,）,(,),乙酰,-,CoA,+CO,2,+H,2,O+ATP,丙二酸单酰,-,CoA,+ADP+Pi,乙酰,CoA,羧化酶,乙酰辅酶,A,丙二酸单酰辅酶,A,脂肪酸,乙酰辅酶,A,羧化酶,（,）,单价反馈,反馈抑制作用类型,线性代谢途径末端终产物对于催化关键步骤的酶,(,通常是第一步反应,),的抑制作用。,协同反馈,几个终产物同时累积才能对于途径关键酶产生反馈抑制作用，称为协同反馈,(,concerted end product inhibition,),。,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸酸,天冬氨酸半醛,赖氨酸,苏氨酸,多重性抑制,顺序反馈抑制,5.,级联放大作用,连锁代谢反应系统称为级联系统,(,cascade system,),。,级联代谢反应中，当前面某个酶被激活后，后续的酶依次连续被激活，导致原始信号的放大，叫级联放大作用,(,amplification cascade,),。,肾上腺素的级联放大作用,肾上腺素,细胞表面受体,G,蛋白,腺苷酸环化酶,腺苷酸环化酶,ATP,cAMP,无活性,cAMP,依赖性蛋白激酶,cAMP,依赖性蛋白激酶,(,活,),蛋白激酶,A,(,E,2,),无活性磷酸化酶激酶,有活性磷酸化酶激酶,磷酸化酶,b,磷酸化酶,a,糖原,G-1-P,E,1,E,2,E,3,E,4,第一信使,第二信使,10,3,E,2,转换数为,10,3,假设,1,mol,110,6,mol,110,9,mol,G-1-P=,110,12,mol,G,10,3,mol,E,3,转换数为,10,3,E,4,转换数为,10,3,E,5,转换数为,10,3,G=,110,15,mol,6.,酶分子的聚合与解聚,酶 聚合,/,解聚 因素 活性变化,磷酸果糖激酶 聚合,F-6-P,FDP,激活,解聚,ATP,抑制,异柠檬酸脱氢酶 聚合,ADP,激活,解聚,NADH,抑制,糖原磷酸化酶,b,4,聚体,2,聚体 糖原,激活,谷氨酸脱氢酶 聚合,乙酰,CoA,激活,二、酶含量调节,-,基因表达的调节,遗传信息的转录、翻译合成蛋白质的合成过程称为基因表达。基因表达的调节是控制细胞代谢的关键，它们协调和保持发育过程中细胞结构和功能的不同。由于蛋白质合成是高能耗的，细胞在长期进化过程中选择和保留了能量最适化的调节方式，即基因表达的调节。基因表达即体内蛋白质的含量变化，可在七个水平上进行。,本节主要介绍转录起始的调节。,初始,mRNA,合成；,mRNA,的转录后加工；,mRNA,的降解；蛋白质的合成；蛋白质合成后加工；蛋白质降解；蛋白质的投递和运输。,活细胞内基因编码量恒定的酶，叫结构酶。编码这些酶的基因几乎不需要调节。如三羧酸循环中的酶、糖酵解途径酶等。,被诱导物诱导才被合成的酶。这些基因称为可诱导基因。特点是基因产物,(,蛋白质或酶,),随某些诱导物的浓度增加而增加，如,DNA,修复酶，只有当,DNA,严重损伤时该类基因才被诱导表达。乳糖可诱导产生的三种酶等。,1.,酶合成调节,因某中物质造成基因表达酶蛋白减少的现象成为阻遏作用,(repression),。如色氨酸供给充足的情况下，细菌细胞中有关，色氨酸合成酶的基因就会受到阻遏而关闭。,组成酶,(,constitutive enzyme,),或结构酶,(,structural enzyme,),诱导酶,(induced enzyme),阻遏酶,(,repressed enzyme,),2.,操纵子,(,operon,),模型,诱导和阻遏是相反的现象，但实际上属于同一现象的两个方面。即一方面细菌具有调节利用一定物质进行生长发育的能力，另一方面又有调整、关闭某一代谢途径合成产物的能力。这种能力通过“二次生长”曲线反映出来，被,F.Jacob,J.Monod,基于大肠杆菌培养试验提出操纵子学说所解释。,操纵子就是有几个相关的结构基因和控制区以及调节基因组成的转录水平上的功能协调单位。,操纵子包括：,结构基因,(,structural gene,),操作子,(,operator,，,O,),启动子,(,promoter,P,),调节基因,(,coordination unit,),调节基因,可转录、翻译调节蛋白质的基因。调节蛋白可通过操作子控制结构基因的表达,(,转录、翻译,),。,结构基因：具有转录功能，并编码蛋白质,(,酶,),或功能,RNA,(,如,tRNA,、,rRNA,),的,DNA,。,R P O ST,调节基因,启动子,操作子,结构基因,操作子：顺式作用元件的一种，通过调节蛋白实施对结构基因转录的控制。如调节蛋白结合操作子，结构基因关闭，调节蛋白不与操作子结合，结构基因开放。或相反的过程。,调节蛋白,正调节蛋白：能促进结构基因表达。,R P O ST,调节基因,启动子,操作子,结构基因,调节蛋白,诱导物,辅阻遏物,负调节蛋白：能阻止结构基因表达。常称为阻遏蛋白。,诱导物：能结合有活性的调节蛋白使之失活，结构基因开放、表达。,辅阻遏物：能与无活性的调节蛋白结合使之激活，并结合到操作子上阻止结构基因表达。,调节蛋白,结构基因正调控与负调控,如果没有调节蛋白作用时，操纵子内结构基因是处于关闭状态的。而当有调节蛋白作用时，结构基因表达启动。这种控制系统称为正控制系统。,如果没有调节蛋白作用时，操纵子内结构基因是开放的，处于表达状态的。而当有调节蛋白作用时，结构基因表达被关闭。这种控制系统称为负控制系统。,R P O ST,调节基因,启动子,操作子,结构基因,调节蛋白,3.,乳糖操纵子,多数负责分解代谢的操纵子属于诱导操纵子。,E.Coli,在含有乳糖培养基中培养，结构基因编码三种酶：,著名实验现象：,-,半乳糖苷酶,(,-,glactosidase,),-,半乳糖苷透性酶,(,-,glactosidase,permease,),-,半乳糖苷乙酰基转移酶,(,-,glactosidase,acetylase,),E.Coli,转移到不含有乳糖培养基中培养，结构基因编码的三种酶含量很快下降，结构基因甚至完全关闭。,DNA,R,操作子,阻遏蛋白,负调节作用：诱导物分子引起调节蛋白从操作子上解离，,RNA,聚合酶能够通过操作子，结构基因打开转录进行。,mRNA,Z,Y,A,E,1,E,2,E,3,启动子,P,乳糖,乳糖诱导操纵子控制的结构基因开放,(,Jacob,Monod,),模型,：,当,E,.coli,在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，通常先利用葡萄糖，而不利用乳糖。当葡萄糖消耗完之后，经过一段停滞期，在乳糖诱导下开始合成,-,半乳糖苷酶等三种酶，这是,E.coli,才能充分利用乳糖。这种现象称为葡萄糖效应。,E.coli,的二度生长现象：,半乳糖,-,半乳糖苷酶,葡萄糖,乳糖,-,-1,，,4-,葡萄糖,H,2,O,+,乳糖,只要有葡萄糖就能维持细菌生长发育，而无需,-,半乳糖苷酶等三种酶，大大节省了能量和原料。当葡萄糖消耗完之后，细菌才会开启结构基因编码三种酶，进一步利用乳糖作为营养进行正常的生长发育。,E.coli,的二度生长现象科学解释：,Lacz,Lacy,Laca,结构基因不仅受乳糖诱导，也受其它正调节蛋白的控制。,为什么没有葡萄糖时乳糖分解代谢有关的结构基因开放？,DNA,CAP,操作子,CAP,mRNA,Z,Y,A,E,1,E,2,E,3,启动子,P,cAMP,无葡萄糖时细胞,cAMP,CAP,降解物阻遏蛋白基因，能编码,CAP,降解物阻遏蛋白,有葡萄糖时细胞,cAMP,葡萄糖降解物,腺苷酸环化酶,ATP,cAMP,(,),第二节 细胞信号转导,单细胞生物的代谢调控涉及酶水平调节，植物在此基础上又发展了激素水平调节；高等动物则进化发展到神经水平、激素水平、细胞水平和酶水平对代谢进行调节。神经调节和激素调节体现了多细胞整体性水平的调节，它涉及到细胞与细胞、细胞与外界环境之间的信息交流。,细胞与外界及细胞之间的信息交流主要通过信号分子实现。信号分子作用于细胞后，细胞能将外界信号分子所带有的信息转换为细胞能“感知”的信号，从而使细胞对外界信号做出反应。这种由细胞外信号转换为细胞内信使的过程叫做信号转导（,signaltransduction,）。,细胞的信号转导包括：信号识别接受、信号放大、效应的产生三个过程。,一、细胞化学信号,1.,细胞间通讯的信号分子,主要类型：,内分泌激素,含氮类激素 甾类激素,肾上腺素,促甲状腺素释放因子,胰岛素,糖蛋白,雌二醇,睾酮,糖皮质甾体,盐皮质甾体,神经激素,乙酰胆碱；,-,氨基丁酸、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酸；去甲肾上腺素、多巴胺、,5-,羟色胺；神经肽等。,旁分泌和自分泌因子,各种细胞因子：表皮生长因子、血小板生长因子、神经生长因子、白细胞介素、干扰素等。,气体信号分子：一氧化氮（,NO,）等。,2.,细胞内通讯的信号分子,cAMP,、,cGMP,、,cADP,、,Ca,2+,、,IP,3,（肌醇三磷酸）,DAG,（甘油二酯）等。,细间通讯的化学信号分子与胞内通讯的化学信号分子在功能上是密切配合的。多细胞生物体受到刺激后，常由特定组织产生胞间化学信号，到达靶组织细胞表面或胞内受体部位后，通过胞内信号将信息传递到特定效应器（酶）而起作用。因此，胞间信号分子又称第一信使，胞内信号分子又称第二信使。,二、受体概念及特征,受体,(,reseptor,，,R),：,是细胞组成成分中具有特异结构的大分子物质。能与激素、递质或化学物质专一性结合，并触发生物效应的一类物质。主要是蛋白质。,一般受体应具有下面的功能：,具有识别和结合配体的功能。能够与受体结合作用的物质称为配体,(,ligand,),，即信号分子。如激素、递质、药物等,转到信号功能：受体与其配体结合后，能将识别和接受的信号准确无误地放大，并传递到第二信使或效应器上，如酶、离子通道等。,产生相应的生物效应。,2.,高度亲和性,(high affinity),微量的信号分子（配基）就能发挥较大的生理效应；,受体具备如下相关联的四特性：,1.,高度特异性,(specificity),受体对信号分子（配基）的严格选择性；,3.,饱和性,(,saturabilety,),受体以一定的数量存在于特异的靶细胞的质膜或细胞内，配基数目增加到一定程度会被配基全部 结合而处于饱和状态。,4.,生物学效应,(biological response),激素通过受体介导在细胞内产生生物效应。,三、受体主要类型,四、常见受体介导的信号转导机制,根据配体和功能的传统分类法：,神经递质受体，激素受体，药物受体，毒素受体和病原受体等,9,类。,根据受体存在部位分：膜受体；胞内受体：细胞质、核质、胞内膜上的受体。,目前根据受体结构和信号转导机制，可将受体分为,4,种类型。,分类 受体部位 效应器 作用方式 效应时程 代表受体,细胞膜 离子通道 直接 毫秒 烟碱型乙酰胆碱受体,细胞膜 酶,/,离子通道 通过,G,蛋白 秒 毒蕈型乙酰胆碱受体,细胞膜 酪氨酸激酶 直接 分,/,小时 胰岛素受体,胞核,/,胞浆 转录因子 通过,DNA,小时,/,天 糖皮质激素受体,细胞间信息物质影响细胞功能的途径,种类,信息物质,受体,引起细胞内的变化,神经,递质,乙酰胆碱、谷氨酸,氨基丁酸,质膜,受体,影响离子通道关闭,生长,因子,类胰岛素样生长因子,-1,，表皮生长因子、血小板衍生生长因子,质膜,受体,引起酶蛋白和功能蛋,白的磷酸化和去磷酸,化，改变细胞的代谢,和基因表达,激素,蛋白质、多肽及氨基,酸衍生物类激素，,类固醇激素甲状腺素,质膜受体,胞内受体,同上,调节,转录,维生素,维生素,A,、,维生素,D,胞内受体,同上,膜受体激素的作用方式,胞内受体激素的作用方式,1.,离子通道受体,又称为配体门控离子通道（,direct,ligand,-gated,channal,）,大多数为快速反应的神经递质受体，包括烟碱型乙酰胆碱受体、,-,氨基丁酸受体、甘氨酸受体、谷氨酸,/,天门冬氨酸受体和,5-,羟色胺受体等。,细胞膜外,细胞膜内,结构共同特点：多亚基寡聚蛋白；每个亚基均含,4,6,个跨膜的,-,螺旋区，每个亚基均由三个结构域：胞外、胞内、跨膜区；主要功能：阳离子或阴离子通道。,Na,+,Na,+,Na,+,细胞膜外,细胞膜内,烟碱型乙酰胆碱受体（,nAchR,）：,五亚基寡聚蛋白：,2,，分子量：（,5.510,3,）,5,；中间为受体的,Na,+,离子通道区，直径,0.6,0,.7nm,。,Ach,结合位点在两个亚基上。当两个,Ach,结合到年,AchR,亚基上，受体离子通道开放到,0,.7nm,，使,Na,+,，,K,+,流入或流出。,Ach,Na,+,Ach,Na,+,细胞膜外,细胞膜内,2.G,蛋白偶联受体,G,蛋白偶联受体型,(G-,proteincoupled,type),受体包括多数神经递质和肽类激素的受体，如毒蕈碱型乙酰胆碱受体,(,mAchR,),、,-,肾上腺素受体、,5-,羟色胺受体和多巴胺受体等。这些受体结构与信号传递机理十分相似。,G,蛋白为单体蛋白，含,400,500,氨基酸残基。分三胞外区胞内区和跨膜区。跨膜区大多为,-,螺旋形成,的,7,次跨膜（,7-transmembrane segment,，,7TMS,）结构。,当配体与,G,蛋白结合后，,G,蛋白会与效应酶偶联：腺苷酸环化酶、磷脂酶,C,等，改变胞内第二信使浓度，第二信使再将信号传递到效应器进而产生生物效应。,3.,酪氨酸蛋白激酶相关受体,酪氨酸激酶型（,tyrosine-,kinase,-linked,）受体包括许多细胞因子受体，如胰岛素受体（,I-R,）、类胰岛素受体（,IGF-1-R,）、表皮生长因子受体（,EGF-R,）、血小板生长因子受体（,PDAGF-R,）等。,这类受体绝大多数本身具有酪氨酸蛋白激酶（,TPK,）活性，故又称受体型,TPK,（,receptor tyrosine protein,kinase,RTPK,）。,细胞膜外,细胞膜内,配体结合结构域,跨膜结构域,激酶活性结构域,N,C,ATP,酪氨酸残基,底物结合区,40,50氨基酸残基，常含有Thr,/,Ser,或,Tyr,残基可受磷酸化调控，是,PTK,活性和负调控部位。含有,ATP,结合部位和底物结合部位。结合,ATP,部位极为保守，底物结合部位氨基酸多变，它是不同类型,RPTK,底物结合特异性的决定区。,RPTK,结构示意图,含有大量糖基和二硫键，形成了配体结合的基础,多数为疏水性残基,四、,G,蛋白家族,鸟苷三磷酸结合蛋白（,guanosine,triphosphoate,-binding protein,）,G,蛋白：,这类蛋白质包含多种功能极为相似的成员，在细胞信号转导过程中起着偶联膜受体和效应器的中介作用。,主要生物学功能：,根据,G,蛋白大小，分两大类：,异三聚体,G,蛋白,(,heterotrimeric,GTP-binding protein),称为,G,蛋白。,单链小分子,G,蛋白,(small GTP-binding protein),。,1.G,蛋白,ATP,cAMP,PPi,受体,AC,第一信使（肾上腺素）,激活的,AC,使胞质内,ATP,变为,cAMP,受体,GTP,GDP,受体,GDP,GDP,GTP,PKA,级联放大,生理效应,