第十一章代谢调节

第十一章代谢调节一、知识要点代谢调节是生物在长期进化过程中，为适应外界条件而形成的一种复杂的生理机能。通过调节作用细胞内的各种物质及能量代谢得到协调和统一，使生物体能更好地利用环境条件来完成复杂的生命活动。根据生物的进化程度不同，代谢调节作用可在不同水平上进行：低等的单细胞生物是通过细胞内酶的调节而起作用的；多细胞生物则有更复杂的激素调节和神经调节。因为生物体内的各种代谢反应都是通过酶的催化作用完成的，所以，细胞内酶的调节是最基本的调节方式。酶的调节是从酶的区域化、酶的数量和酶的活性三个方面对代谢进行调节的。细胞是一个高效而复杂的代谢机器，每时每刻都在进行着物质代谢和能量的转化。细胞内的四大类物质糖类、脂类、蛋白质和核酸，在功能上虽各不相同，但在代谢途径上却有明显的交叉和联系，它们共同构成了生命存在的物质基础。代谢的复杂性要求细胞有数量庞大、功能各异和分工明确的酶系统，它们往往分布在细胞的不同区域。例如参与糖酵解、磷酸戊糖途径和脂肪酸合成的酶主要存在胞浆中；参与三羧酸循环、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化的酶主要存在于线粒体中；与核酸生物合成有关的酶大多在细胞核中；与蛋白质生物合成有关的酶主要在颗粒型内质网膜上。细胞内酶的区域化为酶水平的调节创造了有利条件。生物体内酶数量的变化可以通过酶合成速度和酶降解速度进行调节。酶合成主要来自转录和翻译过程，因此，可以分别在转录水平、转录后加工与运输和翻译水平上进行调节。在转录水平上，调节基因感受外界刺激所产生的诱导物和辅阻遏物可以调节基因的开闭，这是一种负调控作用。而分解代谢阻遏作用通过调节基因产生的降解物基因活化蛋白（CAP）促进转录进行，是一种正调控作用，它们都可以用操纵子模型进行解释。操纵子是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个结构基因组成；转录后的调节包括，真核生物mRNA转录后的加工，转录产物的运输和在细胞中的定位等；翻译水平上的调节包括，mRNA本身核苷酸组成和排列（如SD序列），反义RNA的调节，mRNA的稳定性等方面。酶活性的调节是直接针对酶分子本身的催化活性所进行的调节，在代谢调节中是最灵敏、最迅速的调节方式。主要包括酶原激活、酶的共价修饰、反馈调节、能荷调节及辅因子调节等。二、习题（一）名词解释1．诱导酶（Inducibleenzyme）2．标兵酶（Pacemakerenzyme）3．操纵子（Operon）4．衰减子（Attenuator）5．阻遏物（Repressor）6．辅阻遏物（Corepressor）7．降解物基因活化蛋白（Catabolicgeneactivatorprotein）8．腺苷酸环化酶（Adenylatecyclase）9．共价修饰（Covalentmodification）10．级联系统（Cascadesystem）11．反馈抑制（Feedbackinhibition）12．交叉调节（Crossregulation）13．前馈激活（Feedforwardactivation）14．钙调蛋白（Calmodulin）（二）英文缩写符号1.CAP（Catabolicgeneactivatorprotein）：2.PKA（Proteinkinase）：3.CaM（Calmkdulin）：4.ORF（Openreadingframe）：（三）填空题1.哺乳动物的代谢调节可以在、、和四个水平上进行。2.酶水平的调节包括、和。其中最灵敏的调节方式是。3.酶合成的调节分别在、和三个方面进行。4.合成诱导酶的调节基因产物是，它通过与结合起调节作用。5.在分解代谢阻遏中调节基因的产物是，它能与结合而被活化，帮助与启动子结合，促进转录进行。6.色氨酸是一种，能激活，抑制转录过程。7.乳糖操纵子的结构基因包括、和。8.在代谢网络中最关键的三个中间代谢物是、和。9.酶活性的调节包括、、、、和。10.共价调节酶是由对酶分子进行，使其构象在和之间相互转变。11.真核细胞中酶的共价修饰形式主要是，原核细胞中酶共价修饰形式主要是。（四）选择题1.利用操纵子控制酶的合成属于哪一种水平的调节：A．翻译后加工B．翻译水平C．转录后加工D．转录水平2.色氨酸操纵子调节基因产物是：A．活性阻遏蛋白B．失活阻遏蛋白C．cAMP受体蛋白D．无基因产物3.下述关于启动子的论述错误的是：A．能专一地与阻遏蛋白结合B．是RNA聚合酶识别部位C．没有基因产物D．是RNA聚合酶结合部位4.在酶合成调节中阻遏蛋白作用于：A．结构基因B．调节基因C．操纵基因D．RNA聚合酶5.酶合成的调节不包括下面哪一项：A．转录过程B．RNA加工过程C．mRNA翻译过程D．酶的激活作用6.关于共价调节酶下面哪个说法是错误的：A．都以活性和无活性两种形式存在B．常受到激素调节C．能进行可逆的共价修饰D．是高等生物特有的调节方式7.被称作第二信使的分子是：A．cDNAB．ACPC．cAMPD．AMP8．反馈调节作用中下列哪一个说法是错误的：A．有反馈调节的酶都是变构酶B．酶与效应物的结合是可逆的C．反馈作用都是使反速度变慢D．酶分子的构象与效应物浓度有关（五）是非判断题（）1.分解代谢和合成代谢是同一反应的逆转，所以它们的代谢反应是可逆的。（）2.启动子和操纵基因是没有基因产物的基因。（）3.酶合成的诱导和阻遏作用都是负调控。（）4.衰减作用是在转录水平上对基因表达进行调节的一种方式。（）5.与酶数量调节相比，对酶活性的调节是更灵敏的调节方式。（）6.果糖1,6二磷酸对丙酮酸激酶具有反馈抑制作用。（）7.序列反应中几个终产物同时过多时的调节作用叫累积调节。（）8.酶的共价修饰能引起酶分子构象的变化。（）9.脱甲基化作用能使基因活化。（）10.连锁反应中，每次共价修饰都是对原始信号的放大.（六）问答题1．糖代谢与脂类代谢的相互关系?2．糖代谢与蛋白质代谢的相互关系?3．蛋白质代谢与脂类代谢的相互关系?4．简述酶合成调节的主要内容？5．以乳糖操纵子为例说明酶诱导合成的调控过程？6．以糖原磷酸化酶激活为例，说明级联系统是怎样实现反应信号放大的？7．二价反馈抑制作用有哪些主要类型？8．代谢的区域化有何意义？三、答案（一）、名词解释：1.诱导酶：由于诱导物的存在，使原来关闭的基因开放，从而引起某些酶的合成数量明显增加，这样的酶称为诱导酶2.标兵酶：在多酶促系列反应中，受控制的部位通常是系列反应开头的酶，这个酶一般是变构酶，也称标兵酶。3.操纵子：在转录水平上控制基因表达的协调单位，包括启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个结构基因。4.衰减子：位于结构基因上游前导区调节基因表达的功能单位，前导区转录的前导RNA通过构象变化终止或减弱转录。5.阻遏物：由调节基因产生的一种变构蛋白，当它与操纵基因结合时，能够抑制转录的进行。6.辅阻遏物：能够与失活的阻碣蛋白结合，并恢复阻遏蛋白与操纵基因结合能力的物质。辅阻遏物一般是酶反应的产物。7.降解物基因活化蛋白：由调节基因产生的一种cAMP受体蛋白，当它与cAMP结合时被激活，并结合到启动子上促进转录进行。是一种正调节作用。8.腺苷酸环化酶：催化ATP焦磷酸裂解产生环腺苷酸（cAMP）的酶。9.共价修饰：某种小分子基团可以共价结合到被修饰酶的特定氨基酸残基上，引起酶分子构象变化，从而调节代谢的方向和速度。10.级联系统：在连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其它酶被激活，导致原始调节信号的逐级放大，这样的连锁代谢反应系统称为级联系统。11.反馈抑制：在代谢反应中，反应产物对反应过程中起作用的酶产生的抑制作用。12.交叉调节：代谢产物不仅对本身的反应过程有反馈抑制作用，而且可以控制另一代谢物在不同途径中的合成。13.前馈激活：在反应序列中，前身物质对后面的酶起激活作用，使反应向前进行。14.钙调蛋白：一种依赖于钙的蛋白激酶，酶蛋白与钙结合引起酶分子构象变化，调解酶的活性。如磷酸化酶激酶是一种依赖于钙的蛋白激酶。（二）英文缩写符号1.CAP（Catabolicgeneactivatorprotein）：降解物基因活化蛋白2.PKA（Proteinkinase）：蛋白激酶A3.CaM（Calmkdulin）：钙调蛋白4.ORF（Openreadingframe）：开放阅读框架（三）填空题1.细胞内酶水平；细胞水平；激素水平；神经水平2.酶的区域化；酶数量的调节；酶活性的调节3.转录水平；转录后加工和运输；翻译水平4.阻遏蛋白；操纵基因5.降解物基因活化蛋白（CAP）；环腺苷酸（cAMP）；RNA聚合酶6.辅阻遏物；阻遏蛋白7.LacZ；LacY；LacA8.6-磷酸葡萄糖；丙酮酸；乙酰辅酶A9.酶原激活；酶共价修饰；变构调节；反馈调节；辅因子调节；能荷调节10.小分子基团；共价修饰；有活性；无活性11.磷酸化和脱磷酸化；核苷酰化和脱核苷酰化（四）选择题1.D：操纵子在酶合成的调节中是通过操纵基因的开闭来控制结构基因表达的，所以是转录水平的调节。细胞中酶的数量也可以通过其它三种途径进行调节。2.B：色氨酸操纵子控制合成色氨酸五种酶的转录，色氨酸是蛋白质氨基酸，正常情况下调节基因产生的是无活性阻遏蛋白，转录正常进行。但当细胞中色氨酸的含量超过蛋白质合成的需求时，色氨酸变成辅阻遏物来激活阻遏蛋白，使转录过程终止；诱导酶的操纵子调节基因产生的是活性阻遏物；组成酶的操纵子调节基因不产生阻遏蛋白；有分解代谢阻遏作用的操纵子调节基因产物是cAMP受体蛋白（降解物基因活化蛋白）。3.A：操纵基因是阻遏蛋白的结合部位。4.C：活性阻遏蛋白与操纵基因结合使转录终止。5.D：酶的激活作用是对酶活性的调节，与酶合成的调节无关。6．D：共价调节酶是高等生物和低等生物都具有的一种酶活性调节方式。7．C：cDNA为互补DNA，ACP为酰基载体蛋白，AMP为腺苷酸。cAMP由腺苷酸环化酶催化ATP焦磷酸裂解环化生成，腺苷酸环化酶可感受激素信号而被激活，所以，一般把激素称为“第一信使”，把cAMP称为“第二信使”。8．C：反馈作用包括正反馈（反馈激活）和负反馈（反馈抑制），正反馈对酶起激活作用，负反馈对酶起抑制作用。（五）是非判断题1.错：分解代谢和合成代谢虽然是同一反应的逆转，但它们各自的代谢途径不完全相同，如在糖酵解途径中，葡萄糖被降解成丙酮酸的过程有三步反应是不可逆的，在糖异生过程中需要由其它的途径或酶来代替。2.对：操纵子包括启动子、操纵基因和结构基因，启动子是RNA聚合酶识别和结合部位，操纵基因可以与阻遏蛋白结合控制基因表达，两者都没有基因产物。结构基因的转录产物为与DNA互补的RNA。3.对：在酶合成的诱导中，调节基因产生的活性阻遏物在没有诱导物的情况下，能与操纵基因结合，使转录终止和减弱；在酶合成的阻遏中，调节基因产生的失活阻遏物与辅阻遏物结合后被活化，再与操纵基因结合，也能使转录终止和减弱；4.对：衰减作用是通过对已转录的前导RNA翻译后形成的终止子，对已开始的转录过程进行调节。5.对：酶合成的调节需要经过转录、翻译、加工等过程，酶的降解需要蛋白酶的作用，它们都是慢速的调节过程。酶活性的调节则直接作用于酶分子本身，所以是更灵敏更迅速的调节过程。6.错：果糖1,6二磷酸对丙酮酸激酶具有前馈激活作用。因为，在糖酵解的序列反应中，果糖1,6二磷酸位于丙酮酸激酶催化的反应之前，果糖1,6二磷酸对丙酮酸激酶的前馈激活作用有利于酵解反应的进行。7.错：叫协同调节。几个终产物中任何一个产物过多都能部分抑制某一酶的活性，要达到最大的效果几个终产物必需同时过多，这种调节作用叫累积调节。8.对：在酶分子中共价引入或去除某种小分子基团，能使酶蛋白的空间结构在有活性和无活性构象之间发生转变。9.对：DNA的碱基通过脱甲基化作用能使染色质变疏松，基因得到活化。而甲基化作用可关闭某些基因的表达。10.对：因为在连锁反应中，每次共价修饰都相当于增加一级酶促反应，使原始信号得到一次放大。（六）问答题（解题要点）1.答：（1）糖转变为脂肪：糖酵解所产生的磷酸二羟丙同酮还原后形成