細(xì)胞代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝。細(xì)胞代謝是一個(gè)完整統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，并且存在復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制，這些調(diào)節(jié)機(jī)制都是在基因表達(dá)產(chǎn)物（蛋白質(zhì)或RNA)的作用下進(jìn)行的。
重點(diǎn)：物質(zhì)代謝途徑的相互聯(lián)系，酶活性的調(diào)節(jié)。
第一節(jié) 物質(zhì)代謝途徑的相互聯(lián)系
細(xì)胞代謝的基本原則是將各類(lèi)物質(zhì)分別納入各自的共同代謝途徑，以少數(shù)種類(lèi)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化種類(lèi)繁多的分子。不同代謝途徑可以通過(guò)交叉點(diǎn)上關(guān)鍵的中間物而相互轉(zhuǎn)化，其中三個(gè)關(guān)鍵的中間物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。
一、 糖代謝與脂代謝的聯(lián)系
1、 糖轉(zhuǎn)變成脂
圖
糖經(jīng)過(guò)酵解，生成磷酸二羥丙酮及丙酮酸。磷酸二羥丙酮還原為甘油，丙酮酸氧化脫羧轉(zhuǎn)變成乙酰CoA，合成脂肪酸。
2、 脂轉(zhuǎn)變成糖
圖
甘油經(jīng)磷酸化為3-磷酸甘油，轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岫u丙酮，異生為糖。
在植物、細(xì)菌中，脂肪酸轉(zhuǎn)化成乙酰CoA，后者經(jīng)乙醛酸循環(huán)生成琥珀酸，進(jìn)入TCA，由草酰乙酸脫羧生成丙酮酸，生糖。
動(dòng)物體內(nèi)，無(wú)乙醛酸循環(huán)，乙酰CoA進(jìn)入TCA氧化，生成CO2和H2O。
脂肪酸在動(dòng)物體內(nèi)也可以轉(zhuǎn)變成糖，但此時(shí)必需要有其他來(lái)源的物質(zhì)補(bǔ)充TCA中消耗的有機(jī)酸（草酰乙酸)。
糖利用受阻，依靠脂類(lèi)物質(zhì)供能量，脂肪動(dòng)員，在肝中產(chǎn)生大量酮體（丙酮、乙酰乙酸、β-羥基丁酸)。
二、 糖代謝與氨基酸代謝的關(guān)系
1、 糖的分解代謝為氨基酸合成提供碳架
圖
糖 → 丙酮酸 → α-酮戊二酸 + 草酰乙酸
這三種酮酸，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)氨作用分別生成Ala、Glu和Asp。
2、 生糖氨基酸的碳架可以轉(zhuǎn)變成糖
凡是能生成丙酮酸、α—酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，稱(chēng)為生糖a.a。
Phe、Tyr、Ilr、Lys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，從而生成酮體。
Phe、Tyr等生糖及生酮。
三、 氨基酸代謝與脂代謝的關(guān)系
氨基酸的碳架都可以最終轉(zhuǎn)變成乙酰CoA，可以用于脂肪酸和膽甾醇的合成。
生糖a.a的碳架可以轉(zhuǎn)變成甘油。
Ser可以轉(zhuǎn)變成膽胺和膽堿，合成腦磷脂和卵磷脂。
動(dòng)物體內(nèi)脂肪酸的降解產(chǎn)物乙酰CoA，不能為a.a合成提供凈碳架。
脂類(lèi)分子中的甘油可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸�，�?jīng)TCA進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜�、α—酮戊二酸，這三者都可以轉(zhuǎn)變成氨基酸。
四、 核苷酸代謝與糖、脂、氨基酸的關(guān)系
核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。
各種氨基酸，如Gly 、Asp 、Gln是核苷酸的合成前體。
有些核苷酸在物質(zhì)代謝中也有重要作用：
ATP 供能及磷酸基團(tuán)。
UTP 參與單糖轉(zhuǎn)變成多糖（活化單糖)。
CTP 參與卵磷脂合成。
GTP 為蛋白質(zhì)合成供能。
五、 物質(zhì)代謝的特點(diǎn)
1、 TCA是中心環(huán)節(jié)
代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡(luò)，主要聯(lián)系物：丙酮酸、乙酰CoA、檸檬酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸。
2、 分解、合成途徑往往是分開(kāi)的，不是簡(jiǎn)單的逆反應(yīng)。
在一條代謝途徑中，某些關(guān)鍵部位的正反應(yīng)和逆反應(yīng)，往往由兩種不同的酶催化，一種酶催化正反應(yīng)，另一種酶催化逆反應(yīng)。
以糖代謝為例：
P421
3、 ATP是通用的能量載體
乙酰CoA進(jìn)入TCA后，完全氧化生成CO2、H2O，釋放的自由能被ADP捕獲轉(zhuǎn)運(yùn)。否則，自由能以熱能形式散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。
4、 分解為合成提供還原力和能量
物質(zhì)代謝的基本要略在于：生成ATP、還原力和結(jié)構(gòu)單元用于體內(nèi)生物合成。
NADPH專(zhuān)一用于還原性生物合成，NADH和FADH2主要功能是通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生ATP。
ATP來(lái)源：（1)底物水平磷酸化、（2)綠色植物和光合細(xì)菌的光合磷酸化、（3)呼吸鏈的氧化磷酸化。
NADPH來(lái)源：
（1)植物光合電子傳遞鏈
（2)磷酸戊糖途徑
（3)乙酰CoA由線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)時(shí)伴隨有NADH的氧化和NADP+的還原，所產(chǎn)生的NADPH可用于脂肪酸合成 P422圖22-4
有機(jī)物分解產(chǎn)生構(gòu)造草料和能量大致可以分三個(gè)階段：P423 圖22-5
（1)將大分子分解為小分子單元，釋放的能量不能被利用。
（2)將各種小分子單元分解為共同的降解產(chǎn)物乙酰CoA，產(chǎn)生還原力NADPH和少量ATP。
（3)乙酰CoA通過(guò)TCA被完全氧化成CO2，脫下的電子經(jīng)氧化磷酸化產(chǎn)生大量的ATP。
5、 分解、合成受不同方式調(diào)節(jié)
單向代謝的反饋調(diào)節(jié)
順序反饋控
分枝代謝的反饋調(diào)節(jié) 對(duì)同工酶的反饋抑制
協(xié)同反饋抑制
第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié)
代謝調(diào)節(jié)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，為適應(yīng)環(huán)境的變化的而形成的一種適應(yīng)能力。進(jìn)化程度越高的生物，其代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制越復(fù)雜、越完善。
生物代謝調(diào)節(jié)在三個(gè)水平上進(jìn)行，即酶水平、細(xì)胞水平、多細(xì)胞整體水平（神經(jīng)、激素)。酶和細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)，是最基本的調(diào)節(jié)方式，為一切生物所共有。
神經(jīng)水平調(diào)節(jié)
動(dòng)
物
激素水平調(diào)節(jié)
植
物
細(xì)胞水平調(diào)節(jié)
酶水平調(diào)節(jié) 單細(xì)胞生物
神經(jīng)調(diào)節(jié)：整體的、最高級(jí)的調(diào)節(jié)。
激素調(diào)節(jié)：受神經(jīng)調(diào)節(jié)控制。第二級(jí)調(diào)節(jié)。
酶調(diào)節(jié)：原始的、基本的調(diào)節(jié)。第三級(jí)調(diào)節(jié)。
酶水平的調(diào)節(jié)：酶活性調(diào)節(jié)（酶原激活、別構(gòu)效應(yīng)、共價(jià)修飾)和酶含量（基因表達(dá)調(diào)控)
一、 酶水平的調(diào)節(jié)
酶水平的調(diào)節(jié)，主要通過(guò)酶定位的區(qū)域化、酶活性的調(diào)節(jié)、酶含量的調(diào)節(jié)，這三個(gè)方面進(jìn)行。
1、 酶定位的區(qū)域化
酶在細(xì)胞內(nèi)有一定的布局和定位。催化不同代謝途徑的酶類(lèi)，往往分別組成各種多酶體系。多酶體系存在于一定的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)域中，或存在于胞質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱(chēng)為酶的區(qū)域化。
功能：濃縮效應(yīng)，防止干擾，便于調(diào)節(jié)。
⑴多酶體系在細(xì)胞中區(qū)域化，為酶水平的調(diào)節(jié)創(chuàng)造了有利條件,使某些調(diào)節(jié)因素可以專(zhuān)一地影響細(xì)胞內(nèi)某一部分的酶活性，而不致影響其它部位酶的活性。
⑵此外，酶定位的區(qū)域化，使它與底物和輔助在細(xì)胞器內(nèi)一起相對(duì)濃縮，利于在細(xì)胞局部范圍內(nèi)快速進(jìn)行各個(gè)代謝反應(yīng)。
主要代謝途徑酶系在細(xì)胞內(nèi)的分布：
胞質(zhì)：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途徑，脂肪酸合成，部分蛋白質(zhì)合成。
線(xiàn)粒體：脂肪酸β氧化，三羧酸循環(huán)，呼吸鏈，氧化磷酸化。
細(xì)胞核：核酸的合成、修飾。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：蛋白質(zhì)合成，磷脂合成。
胞質(zhì)和線(xiàn)粒體：糖異生，膽固醇合成
溶酶體：多種水解酶
2、 酶活性的調(diào)節(jié)
調(diào)節(jié)方式：酶原的激活
pH改變，如溶菌酶。pH7，無(wú)活性。pH5，活性高。
同工酶
共價(jià)修飾
反饋調(diào)節(jié)（生物體內(nèi)最重要)
特點(diǎn)：調(diào)節(jié)快速、靈敏，數(shù)秒至數(shù)分鐘可完成。
（1)、 共價(jià)修飾和級(jí)聯(lián)放大 P430圖22-14
磷酸化/脫磷酸化
腺苷�；�/脫腺苷�；�
（2)、 前饋和反饋調(diào)節(jié)
前饋調(diào)節(jié)：底物對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)，一般是前饋激活，但也可能是前饋抑制。當(dāng)?shù)孜餄舛冗^(guò)高時(shí)可避免該代謝途徑的過(guò)分擁擠和產(chǎn)物的大量合成，如高濃度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的別構(gòu)抑制劑，可避免丙二酸單酰CoA大量合成。
反饋調(diào)節(jié)：產(chǎn)物對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)，一般是反饋抑制，但也有反饋激活。
a．反饋抑制 單價(jià)反饋抑制
多價(jià)反饋抑制
當(dāng)序列終產(chǎn)物濃度積累過(guò)多時(shí)，會(huì)抑制初始反應(yīng)的酶活性，使整個(gè)體系反應(yīng)速度降低。
b. 順序反饋抑制
c. 協(xié)同反饋抑制
d. 累積反饋抑制
e. 同工酶反饋抑制
f. 反饋激活和前饋激活
（3)、 反饋激活：
（4)、 前饋激活：
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轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷?BR>如當(dāng)丙酮酸不能經(jīng)乙酰CoA進(jìn)入TCA時(shí)，丙酮酸積累，磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)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，反饋激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，促進(jìn)草酰乙酸合成，保證TCA對(duì)草酰乙酸的需要。
3、 酶合成的調(diào)節(jié)（基因表達(dá)的調(diào)節(jié))
酶合成調(diào)節(jié)，是通過(guò)酶量的變化來(lái)調(diào)控代謝速率。
二、 細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)
（1)控制跨膜離子濃度剃度和電位梯度
（2)控制跨膜物質(zhì)運(yùn)輸
（3)區(qū)隔化：濃縮作用，防止干擾，便于調(diào)節(jié)
（4)膜與酶可逆結(jié)合：
雙關(guān)酶：能與膜可逆結(jié)合，通過(guò)膜結(jié)合型和可溶型的互變來(lái)調(diào)節(jié)酶的活性。雙關(guān)酶大多是代謝途徑的關(guān)鍵酶和調(diào)節(jié)酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛縮酶，3-磷酸甘油醛脫氫酶，氨基酸代謝的Glu脫氫酶，Tyr氧化酶：參與共價(jià)修飾的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。
三、 激素水平的調(diào)節(jié)
第三節(jié) 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)
基因表達(dá)有幾個(gè)水平的調(diào)節(jié)
⑴轉(zhuǎn)錄水平
⑵翻澤水平
⑶加工水平 轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯后加工
⑷蛋白質(zhì)活性調(diào)節(jié)
其中最關(guān)鍵的是⑴，基因表達(dá)的控制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平,原核生物尤其如此。
時(shí)序調(diào)節(jié)
適應(yīng)調(diào)節(jié)
一、 原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)
1、 縱子模型
操縱子是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，它含有在功能上彼此有關(guān)的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因及控制位，控制部位由啟動(dòng)子和操縱基因組成。
一個(gè)操縱子的全部基因排列在一起，其中含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是單個(gè)多順?lè)磎RNA，操縱子的控制部位可受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。
2、 組成型基因和誘導(dǎo)型基因
組成酶（構(gòu)成酶)，受環(huán)境影響小，正常代謝條件下表達(dá)。如糖酵解的酶。
誘導(dǎo)酶（適應(yīng)型酶)，對(duì)不同的生存環(huán)境有不同的表達(dá)。如半乳糖苷酶。
3、 正調(diào)控和負(fù)調(diào)控
在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)，基因是關(guān)閉的，加入調(diào)節(jié)蛋白后，基因活性被開(kāi)啟，此為正調(diào)控。
在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)，基因是表達(dá)的，加入調(diào)節(jié)蛋白后基因表達(dá)活必被關(guān)閉，此為負(fù)調(diào)控。
在正調(diào)控中，調(diào)節(jié)蛋白稱(chēng)誘導(dǎo)蛋白。
在負(fù)調(diào)控中，調(diào)節(jié)蛋白稱(chēng)阻遇蛋白。
4、 原核生物結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的4種控制模式。
負(fù)調(diào)控：誘導(dǎo)作用，應(yīng)使阻遇蛋白解離DNA。
阻遇作用，應(yīng)使阻遇蛋白結(jié)合DNA。
P451圖22-25
正調(diào)控：誘導(dǎo)作用，應(yīng)使誘導(dǎo)蛋白結(jié)合DNA。
阻遇作用，應(yīng)使誘導(dǎo)蛋白解離DNA。
圖片9-1 《楊歧生》 P272
5、 大腸桿菌乳糖操縱子 Lac操縱子
結(jié)構(gòu)圖: P453 圖22-26
LacZ、LacY、LacA為結(jié)構(gòu)基因，上游依次為操縱基因、啟動(dòng)子和調(diào)節(jié)基因LacI。
當(dāng)細(xì)胞內(nèi)無(wú)誘導(dǎo)物（乳糖或IPTG)存在時(shí)，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合。由于操縱基因與啟動(dòng)子有一定程度重疊，妨礙了RNA聚合酶在-10序列上形成開(kāi)放性啟動(dòng)子復(fù)合物。
當(dāng)細(xì)胞內(nèi)有誘導(dǎo)物（乳糖或IPTG)存在時(shí)，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，改變阻遏蛋白構(gòu)象，使之迅速?gòu)牟倏v基因上解離下來(lái)。這樣RNA聚合酶就能與啟動(dòng)子結(jié)合，并形成開(kāi)放性啟動(dòng)子復(fù)合物，從而開(kāi)始轉(zhuǎn)錄LacZYA結(jié)構(gòu)基因。
圖片8-3《孫乃恩》P 285
IPTG：異丙基-β-D硫代半乳糖苷（安慰誘導(dǎo)物)，能對(duì)乳糖操縱子產(chǎn)生極強(qiáng)的誘導(dǎo)效應(yīng)，是強(qiáng)誘導(dǎo)物。
6、 色氨酸操縱子（trp)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控
trp操縱子負(fù)責(zé)Trp的合成，通常是開(kāi)放的，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物使它關(guān)閉，這種調(diào)控作用稱(chēng)為可阻遏型的負(fù)調(diào)控。
⑴E.coli trp操縱子有5個(gè)結(jié)構(gòu)基因，trpE-D-C-B-A。
⑵在trpE的上游有三個(gè)區(qū)段trpP-O-L， trpL是一段162bp序列，轉(zhuǎn)錄到mRNA中成為前導(dǎo)序列，對(duì)操縱子的轉(zhuǎn)錄起調(diào)控作用。
⑶在染色體90分區(qū)有trpR基因，編碼12.5kd的阻遏蛋白亞基,能以四聚體形式結(jié)合到trpO。
TrpP與一般原核基因啟動(dòng)子一樣，具有-10序列和-35序列，-10序列完全位于trpP之內(nèi)。
E.coli trp操縱子的組成及基因產(chǎn)物的功能。
圖片：
E.coli 具有合成各種a.a的能力。在多數(shù)情況下，只有在培養(yǎng)基不供應(yīng)外源a.a時(shí)，才去合成產(chǎn)生該a.a所必須的酶系。
當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Trp濃度較高時(shí)，Trp與阻遏蛋白（trpR基因產(chǎn)物)結(jié)合，產(chǎn)使它具有活性，從而與trpO基因結(jié)合，關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。
當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Trp濃度很低時(shí)，阻遏遇蛋白上的Trp解離出來(lái)，使阻遏蛋白失活，并失去與trpO結(jié)合的能力，開(kāi)啟轉(zhuǎn)錄。
圖片：
7、 trp操縱子的前導(dǎo)序列
trp mRNA分子一旦開(kāi)始合成，在trpE基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄之前，大多數(shù)mRNA會(huì)停止生長(zhǎng)，這是因?yàn)榍皩?dǎo)序列（trpL)對(duì)操縱子調(diào)控發(fā)揮了重要作用。
trp mRNA的前導(dǎo)序列及前導(dǎo)肽。
結(jié)構(gòu)基因上游具有：?jiǎn)?dòng)子—操縱基因—前導(dǎo)序列—衰減子區(qū)。
mRNA 5，端有162b，其中139個(gè)構(gòu)成前導(dǎo)序列。前導(dǎo)序列由14個(gè)a.a的前導(dǎo)肽、4個(gè)互補(bǔ)區(qū)段和1個(gè)衰減子終止點(diǎn)構(gòu)成。
衰減子：位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止信號(hào)。
前導(dǎo)序列的特點(diǎn)：
⑴前導(dǎo)序列的某些區(qū)段富含GC。尾部有一個(gè)含8個(gè)U的區(qū)段，易極成不依賴(lài)于ρ的終止信號(hào)。(3區(qū)與4區(qū)構(gòu)成終止信號(hào)的發(fā)夾結(jié)構(gòu))
⑵1區(qū)和2區(qū)構(gòu)成第二個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其中1區(qū)處于14個(gè)a.a的前導(dǎo)肽序列中。
⑶3區(qū)與2區(qū)也能形成另一個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)，從而可阻止3區(qū)與4區(qū)形成終止發(fā)夾結(jié)構(gòu)。
⑷前導(dǎo)序列RNA編碼一段14a.a的前導(dǎo)肽，并有一終止密碼子UGA
⑸前導(dǎo)序列中，并列二個(gè)Trp密碼子.
在mRNA合成過(guò)程中，1區(qū)與2區(qū)若先配對(duì)，則3區(qū)與4區(qū)配對(duì),終止轉(zhuǎn)錄.
圖片:
阻遏和衰減機(jī)制，雖然都是在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是它們的作用機(jī)制完全不同，前者控制轉(zhuǎn)錄的起始，后者控制轉(zhuǎn)錄起始后是否繼續(xù)下去。
氨基酸合成操縱子前導(dǎo)肽序列
P454表22-2
生長(zhǎng)速度調(diào)節(jié): 嚴(yán)緊控制
基因表達(dá)時(shí)序調(diào)節(jié)：
翻譯水平調(diào)節(jié)：
二、 真核基因表達(dá)的調(diào)節(jié)
