Chapter 11 Regulation of Metabolism

Chapter 11 Regulation of Metabolism

代谢的调节

Of the 4,000 or so genes in the typical bacterial genome, or the perhaps 35,000 genes in the human genome, only a fraction are expressed in a cell at any given time.

Some gene products are present in very large amounts. Other gene products occur in much smaller amounts. Requirements for some gene products change over time.

The need for enzymes in certain metabolic pathways may wax and wane as food sources change or are depleted（耗竭） .

During development of a multicellular organism, some proteins that influence cellular differentiation are present for just a brief time in only a few cells.

生物代谢： 相互影响 相互制约 相互协调 完整统一

∴ 存在完整的自我调节机制

代谢调节机制是生物在长期进化过程中逐渐形成的，进化程度越高，代谢调节机制愈完善，愈复杂。

第一节 物质代谢的相互联系Internal association of material

metabolism

1.1 物质代谢的三个体系： 碳源的分解体系

结构单元物质的合成体系 结构与功能大分子的生物合成体系

1.2 各类物质的代谢关系 糖类代谢与蛋白质代谢的关系 脂类代谢与蛋白质代谢的关系 糖类代谢与脂类代谢的关系 核酸代谢与其它物质代谢关系 物质代谢与能量代谢的关系

分解代谢和合成代谢的大部分反应是可逆的，关键部位的反应是不可逆的，使得整个代谢过程是单向的。

第二节 生物代谢的调节Regulation of Metabolism

生物机体对自身的代谢过程、各代谢过程的相互关系以及对环境的适应而进行的自我调节机制，就是代谢调节。

生物代谢调节的四种水平：

神经水平调节

激素水平调节

细胞水平调节

酶水平调节单细胞

生物

植

物

动

物！

2.1 以膜结构为基础的细胞结构效应

—细胞（结构）水平的调节 指导功能： 细胞膜的结构对蛋白质的装配具有指导作用 载体功能： 膜结构是酶的载体，不同酶定位在不同的位

置– 控制跨膜离子浓度与电位梯度 ;

– 控制细胞和细胞器的物质运输 ;

膜结构对代谢的调控 屏障功能： 内膜系统将细胞分成许多功能特异的分隔区

调节功能： 双关酶可逆地与膜结合，调节其活性

– 如：代谢途径中的关键酶

膜结构提供了区域化的反应场所 ( 酶反应的微环境 ) — 隔离效应

2.2 细胞信号传导系统 —激素水平的调节

质膜化学信号分子 ( 激素分子 ) 的受体：

依赖于神经递质的离子通道 （配体门控离子通道） 信号转导蛋白（ G 蛋白）

酪氨酸蛋白激酶（ TPK)

三类受体

胞内第二信使作用

胞膜上的受体蛋白接受激素等分子的信号后，作用于不同的信号转导系统，产生或释放能够激活胞内有关酶系统的化学物质—第二信使。

第二信使产生或释放后，再进一步激活一系列的酶反应，使信号得以逐级放大。

第二信使

cAMP

Ca2+

IP3 （ 1,4,5- 三磷酸肌醇）DAG （ 1,2- 二酯酰甘油）NO （？）

受体为 cGMP 合成酶

级联放大作用：

在连锁代谢反应中，一个酶被激活后则会引起一系列酶被激活的现象，这就会使原始信号被极大的放大，这一系统称之为级联 (Cyclic

Casecade) 系统，这种放大作用就称之为级联放大。

2.3 酶的活性调节 （ Regulation of enzyme activity)

变构酶的调节 通过酶分子与效应物的作用而实现调节 同工酶调节 关键步骤由多个酶催化同一反应，各被一终产物抑制。

或不同的代谢途径，不同的代谢环境催化同一反应 多功能酶的调节 同一酶在不同的反应体系有不同的功能 共价调节 酶的 ( 高 ) 活性与非 ( 低 ) 活性通过共价修饰进行调节

( 可逆：共价调节；不可逆：酶原激活 )

前馈作用

反馈作用

The study of gene regulation began with the lac operon in E. coli

第三节 酶的基因调节— 操纵子（ operon ）学

说

操纵子（ operon ）：

系列结构基因与它的调节基因组成的基因表达的协调单位。

调节基因

启动基因（启动子）

操纵基因

结构基因

酶量调节—酶的诱导与阻遏（基因表达的调节）

根据研究的目的不同，对酶的类型的分类不同： 根据动力学性质：米氏酶

别构酶 根据酶的调节性能：静态酶

调节酶 根据酶的合成对环境的响应：组成酶

适应酶诱导酶

阻遏酶

3.1 乳糖操纵子及其基本要点：

培养基中存在乳糖时， E.coli 可以被诱导产生大量的半半半半半半半半半半半半同时另两个酶：半半乳糖苷渗透酶、硫代半乳糖苷转乙酰酶乳糖苷渗透酶、硫代半乳糖苷转乙酰酶与β-半乳糖苷酶一起合成；

顺序排列的三个酶的结构基因 (Z, Y, A) 作为一个单位被转录；

位于结构基因上游的调节基因 调节基因 I 编码四聚体的蛋白因子，称为乳糖阻遏蛋白，乳糖阻遏蛋白，它通过结合到乳糖操纵子乳糖操纵子的操纵基因操纵基因 (operatoroperator) 上而阻遏阻遏整个乳糖操纵子的转录表达，这是一种负调节；

操纵基因操纵基因 (operatoroperator) 位于转录起始区，与启动子部分重复，是一个回文结构；

乳糖作为诱导剂对阻遏蛋白的特定部位的结合引起阻遏蛋白构象的变化，使得阻遏阻遏蛋白蛋白 -- 诱导剂复合物诱导剂复合物从操纵基因上脱离，从而使得乳糖操纵子得以转录；

研究发现异乳糖异乳糖和乳糖的结构类似物异丙异丙酰硫代半乳糖苷酰硫代半乳糖苷 (IPTGIPTG)都是一个良好的诱导剂—安慰剂。

The The lactose operonlactose operon in the in the repressed repressed state (in the absence of an inducer)state (in the absence of an inducer)

The lac repressorlac repressor binds to the operatoroperator and prevents transcription of Z, Y and A genesOO11 is the main operator fo is the main operator fo

r the lac operonr the lac operon

TheThe lactose operonlactose operon in the in the inducedinduced state (in the presence of an inducer)state (in the presence of an inducer)

The lac repressor protects the lac operator from digestion by pancreatic deoxyribonuclease

The nucleotide sequence of thelac operator is palindromicpalindromic(having a twofold axis of Symmetry).

3.2 降解物阻遏作用 E.coli 生长在葡萄糖葡萄糖为碳源的培养基时，葡萄糖以外的其它糖类的分解代谢酶分解代谢酶会大大减减少少——降解物阻遏作用降解物阻遏作用 ;;

研究发现，葡萄糖降低了胞内 cAMP 的水平，外源的 cAMP 可解除葡萄糖的影响 ;

cAMP 的作用 cAMP主要是通过与降解物基因活化蛋降解物基因活化蛋

白白 (catabolite gene activator protein, CA

P) 结合形成复合物后再结合到启动子前面的特定部位而启动诱导操纵子的转录—这是一种正控制调节 ;

3.2 降解物阻遏作用

CAP-cAMP 结合到一个回文序列，引起靠近启动子的部分 DNA序列发生弯曲 ;

由于 lac 启动子是一个弱的启动子，所以CAP 的激活对于 RN

A聚合酶的开链启动子复合物的形成是必须的

•Strong induction of the lac operon requires both the presence of lactose and the absence or low concentration of glucose.•cAMP-CAP complex is required for optimal expression of the lac operon.

CAP 和 lac 阻遏蛋白的作用是相联系的：当 lac 阻遏蛋白阻遏转录时， CAP几乎不起作用；而没有 CAP-cAMP时，即使阻遏蛋白解离，转录作用也很少 ;

lac 操纵子必须在乳糖存在和葡萄糖不存在或浓度很低时，才具有强烈的诱导作用。

First introduced theconcept of operon,operator, repressor,inducer in generegulation.

3.3 合成途径中的酶合成的阻遏作用

The tryptophan operon in E. coli: repression

E. coli 的 trp 操纵子包含与 Trp 有关的 5 个基因；

E. coli 的 trp 操纵子表达的比率可以在 700

倍的范围内进行变化； E. coli 的 trp 操纵子也有一个调节基因， 编码 trp 阻遏蛋白。 trp 阻遏蛋白是同聚二聚体，单独存在时不能与操纵基因的 DNA 结合；

当 Trp （辅阻遏物）大量存在并与阻遏蛋白结合后，结合到操纵基因 DNA 的特定回文结构区，阻遏 trp 操纵子的转录；

Trp is a corepressor for trp repressor

The operator, which is palindromic, overlaps with the promoter.

The trp repressor is a homodimer containing twohelix-turn-helix DNA-binding motifs.

3.4 操纵子的衰减作用The tryptophan operon in

E. coli: attenuation attenuation ((衰减作用衰减作用 ) )

---the progression of translation leads to premature transcription termination.

The regulation of the trp operon was found to be fine-tunedfine-tuned by transcription transcription attentuationattentuation

当 Trp 浓度高时，只转录大约前 130 个核苷酸；当 Trp 浓度低时，可转录整条 trp mRNA ；

在操纵基因和结构基因 trpE 之间衰减子控制转录的提前终止；

衰减子部位是位于基因上游前导区的终止子结构，该终止子和不依赖 - 因子的终止子是相似的；

这是一种翻译水平的调节。

Deletion of this region leads to enhanced trp mRNA synthesis

The 162 nucleotide leadersequence of the trp mRNA

A potential -independent transcription terminator

Trp缺乏时，核糖体结合部位

Transcriptionterminates

Transcriptioncontinues

Alternative pairingscheme for threesequences in thetrp mRNA leader.

单链 RNA 之间的互补区可以形成配对关系，这种配对关系受翻译过程调控

When TrpTrp level is high, ribosome quickly translate the 14-residue leader peptide blocking sequence 2 and leaving sequences 3 and 4 to form a transcription terminator.

When Trp level is low, ribosome stalls at the Trp codons of the leader peptide, leaving sequence 2 free to form base pair with sequence 3, preventing the formation of a transcription terminator.

Leader peptides for a few operons encoding enzymes for amino acid synthesis where transcription attenuation occurs.

Thr/Ile operonleader sequence

Phe operonleader sequence

His operonleader sequence

3.5 自身阻遏作用 His 操纵子无调节基因，无特定的阻遏蛋白； 其阻遏蛋白是该操纵子的第一个酶，辅阻遏

物是 His-tRNA 。 结构基因的产物即可作为酶起催化作用，又

可起阻遏蛋白的调节作用，称之为自身调节（自身阻遏）作用。

3.6 真核生物的基因调节

基因的上游序列与调节顺式作用元件 : 基因上游序列中控制转录效率的短的共有序列– 控制元件：可诱导的基因的基本控制序列– 应答元件：受环境因素的变化而作出反应，使

信号分子作用的位点– 增强子– 静默子

基因的上游序列与调节 反式作用因子 : 用于调节控制转录的蛋白质

因子– 基本转录因子：结合在 TATA box 和转录起点– 上游因子：结合在启动子和增强子的上游控制

位点– 可诱导因子：与应答元件作用

3.6 真核生物的基因调节

反式作用因子与 DNA 结合的基序结构 Helix-Turn-Helix Zinc Finger

反式作用因子与 DNA 结合的基序结构 Leucine Zipper helix-loop-helix.

细菌的生长速度是由每个细胞内的核糖体数目所决定的。

∴细菌的生长速度的调节与核糖体的合成有关

3.7 生长速度的调节

3.7.1 Regulation of the biosynthesis of E. coli ribosomal components:

r-proteins and rRNAs

Synthesis of ribosomal proteins and rRNAs are coordinated ；

At least 20 operons encoding more than 50 r-proteins ；

当核糖体蛋白过量生成时，每一个操纵子中至少有一个 r- 蛋白作为翻译阻遏物结合于 mRNA 上，阻遏其自身和整个多顺反子的翻译 ;

r- 蛋白自身翻译阻遏作用可以控制有关蛋白维持在与 rRNA 相应的水平，适应不同的细胞生长条件。

At least one r-protein encoded by each operon serves as a translationaltranslational repressor.repressor.

3.7.2 细菌生长的严紧控制

当细菌处于贫瘠的生长环境，缺乏氨基酸供给蛋白质合成，细菌将关闭大部分的代谢活性。这种现象称为严谨型控制 (stringent control) 。

严谨控制将使总 RNA 的合成显著下降 (1

0-20倍 ) ；– 总mRNA 的合成降低程度较小 ( 约 3倍 ) ，

部分 mRNA 合成降低；– 总 rRNA 的合成降低程度较大

？

任何一种氨基酸的缺乏，都会引起严谨控制反应，它对应的氨酰 tRNA 合成酶失活；

严谨控制反应能够产生两种特殊的核苷酸 pp

Gpp 和 pppGpp (魔斑或魔斑核苷酸， magic

spots) 。 不同的细菌产生的魔斑核苷酸不同， E. coli

的严谨反应主要是迅速积累 ppGpp 。 ppGpp inhibitis rRNA synthesis through unk

nown mechanisms.

∴细胞通过控制 rRNA 和 tR

NA的合成调节生长速度。

3.8 翻译水平的调节 不同 mRNA翻译能力的差异；

– 5’-SD序列控制– tRNA丰度控制

翻译阻遏作用；– 自身阻遏

反义 RNA 的作用；

《生物化学》教学主要参考书目 沈同，王镜岩等《生物化学》第一、二、三版 ; Albert L. Lehingger: Principles of Biochemistry. Edition , Ⅰ

, , Ⅱ Ⅲ Ⅳ; Donald Voet & Judith G. Votet: Biochemistry, Edition ;Ⅱ Philip W. Kuchel & Gregory Ralston: Theory and problems

of Biochemistry, Edition ;Ⅰ David J. Rawn: Biochemistry, Edition ;Ⅰ 生物化学丛书：代谢（一）、（二）、（三）； 曹凯鸣等译：《生物化学》，［美］杰弗里 佐贝主编

guanjun@sdu.edu.cn

guanjun@life.sdu.edu.cn

The End

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