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生物化学——综合
这是一篇关于生物化学的思维导图，主要内容包括：酶、维生素、激素和基因表达调节、 细胞代谢和基因表达的调控。
编辑于2025-01-16 23:48:09- 激素
- 酶
- 基因表达调节
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复习大纲
主题
第 4 章 酶
本章重点和难点：酶的催化机理和酶促反应动力学
4．1 酶的概念及作用特点
4．1．1 酶的概念
4．1．2 酶催化反应的特点
4．1．3 酶的化学本质
4．1．4 酶的活性中心
4．1．5 酶在细胞内的分布
4．2 酶的分类和命名
4．2．1 酶的习惯命名
4．2．2 酶的国际系统命名
4．2．3 酶的系统分类及编号
4．2．4 按酶蛋白分子的组成分类
4．2．5 同工酶、诱导酶
4．3 酶的催化机理
4．3．1 酶催化反应高效性的机理
4．3．2 酶催化反应专一性的机理
4．3．3 酶作用机理举例
4．4 酶促反应动力学
4．4．1 酶的量度
4．4．2 底物浓度对酶促反应速度的影响
4．4．3 pH 值对酶促反应速度的影响
4．4．4 温度对酶促反应速度的影响
4．4．5 酶浓度对酶促反应速度的影响
4．4．6 激活剂对酶促反应速度的影响
4．4．7 抑制剂对酶促反应速度的影响
4．4．8 有机介质中的酶促反应
4．5 酶活性的调节
4．5．1 别构效应调节
4．5．2 共价调节酶
4．5．3 酶原的激活
4．5．4 多酶体系调节
第 6 章 维生素与辅酶
本章重点和难点：脂溶性维生家的活性形式与功能；水溶性维生素与辅酶的关系
6．1 脂溶性维生素
6．1．1 维生素 A 与胡萝卜素
6．1．2 维生素 D
6．1．3 维生素 E
6．1．4 维生素 K
6．2 水溶性维生素与辅酶
6．2．1 维生素 B1
6．2．2 维生素 B2
6．2．3 维生意 B3
？
6．2．4 维生素 B5
？
6．2．5 维生素 B6
6．2．6 维生素 B7
？
6．2．7 维生素 B11
？
6．2．8 维生素 B12
6．2. 9 硫辛酸
6．2．10 维生素 C
第 7 章 激素
本章重点和难点：激素的作用机理及重要的生理功能
7. 1 概论
7．1．1 激素的概念
7．1．2 激素的分类
7．1．3 激素的作用特点
7．2 激素的分泌与控制
7．2．1 下丘脑分泌的激素
7．2．2 垂体分泌的激素
7．2．3 腺体分泌的激素
7．2．4 激素的分泌与控制
7．3 激素的作用机理
7．3．1 受体及特点
7．3．2 cAMP—Ca2+ -钙调蛋白激活蛋白激酶途径
7．3．3 IP3、Ca2+-钙调节蛋白激酶途径
7．3．4 受体一酪氨酸蛋白激酶途径
7．3．5 细胞内受体途径
第 16 章 细胞代谢和基因表达的调控
本章重点和难点：糖、脂、蛋白质代谢的关系，基因表达的调节
16．1 代谢途径的相互关系
16．1．1 代谢途径交叉形成网络
16．1．2 分解代谢与合成代谢的单向性
16．1．3 ATP 是通用的能量载体
16. 1．4 NADPH 以还原力形式携带能量
16．2 酶活性的调节
16．2．1 酶促反应的前馈和反馈
16．2．2 产能反应与需能反应的调节
16．2．3 酶的连续激活和共价修饰
16. 3 细胞结构对代谢途径的分隔控制
16．3．1 细胞结构和酶的空间分布
16．3．2 细胞结构对代谢的调节控制作用
16．3. 3 蛋白质的定位控制
16．4 神经和激素对细胞代谢的调控
16．4．1 门控离子通道和神经信号转录系统
16．4．2 激素和递质受体的信号转录系统
16．5 基因表达的调节
16．5．1 原核生物基因表达的调节
16．5．2 真核生物基因表达的调节
酶
维生素和辅酶
维生素概论
维生素是参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质。
这类物质体内不能合成或合成量不足， 需要由食物供给。
维生素分类
脂溶性维生素 4
主要在肝内储存
维生素A （视黄醇）
构件分子： 异戊二烯
视黄醇， 具有酯环的不饱和一元醇
在生物体内 以酯的形式存在
缺乏症
夜盲症、干眼症、皮肤干燥
食物来源
鱼肝油
生理功能相同，但A1的活性只有A2的一半。
侧链有四个共轭双键，固有8个顺反异构。
β-胡萝卜素
维生素A原
活性蛋白辅基
视黄醛
9-顺视黄醛
11-顺视黄醛
视紫红质
视蛋白Lys-ε-氨基
视肝细胞，对弱光敏感 夜间合成，光中分解
生理功能
子主题
夜间视力
维生素D
固醇 衍生物
缺乏症
佝偻病、软骨病
食物来源
鱼肝油
维生素D3/胆钙化醇
皮肤胆固醇吸收紫外线，光异构 肝 25 肾 1
1, 25—二羟维生素D3
维生素D2/麦角钙化醇
生理功能
作为激素
维生素E （生育酚）
生育酚 8
缺乏症
贫血、不育
食物来源
α-生育酚
极易氧化
抗氧化剂 自由基清除剂
捕捉自由基后，产生生育酚自由基
与维生素C协同，可被VC还原。
与Se协同，谷胱甘肽过氧化酶
与动物生殖功能有关
临床可用于治疗习惯性流产。
促进血红素合成
ALA合成酶 ALA脱水酶
提高活性
维生素K
凝血维生素
缺乏症
不宜缺乏
食物来源
天然1 2
1 绿色植物
2 肠道菌群
临床3 4
依赖维生素K的谷氨酸羧化酶
肝内质网
谷氨酸残基羧化作用
维生素K循环
？
抗凝血剂
子主题
促进肝合成凝血酶原
凝血酶原转变成凝血酶
谷氨酸残基羧基化 与Ca2+螯合 结合在磷脂上，蛋白酶水解称为凝血酶
电子供体
十种水溶性维生素
硫辛酸
硫辛酸
缺乏症
广泛分布
食物来源
与硫胺素同时存在。
活性辅酶
氧化型硫辛酰胺 还原型硫辛酰胺
酶促反应原理
相关酶
丙酮酸脱氢酶系
α-酮戊二酸脱氢酶
生理功能
酰基转移
作为中介，沟通焦磷酸硫胺素与辅酶A
八种B族维生素
化学组成或多或少与氨基酸有关
维生素B_1 （硫胺素）
硫胺素
抗神经炎维生素/抗脚气病维生素
酸性稳定 耐热 易溶于水
化学结构由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成。
缺乏症
神经炎
脚气病
食物来源
谷物
米不易淘洗过多
活性辅酶
硫胺素焦磷酸（TPP）
α-酮酸的脱羧
α-丙酮酸脱羧酶
α-羟酮的形成与裂解
转酮酶
与糖代谢关系密切
原理
1||| TPP-C2质子去除后，形成的碳负离子与羰基碳发生加成反应
2||| 攻击底物，底物裂解形成羰基碳阴离子
3||| 噻唑环的四极氮，阳离子亚胺氮
共振稳定
稳定过渡态中羰基碳的负电荷
4||| 质子化后，分解
相关酶
丙酮酸脱氢酶系
生理功能
酰基转移
泛酸 /维生素B_5
编多酸
β-丙氨酸 ，？
缺乏症
食物来源
蜂王浆
活性辅酶
CoA
结构
β-巯基乙胺，泛酸，3',5'-ADP
4个负电荷
CoA^4-
相关酶
酶促反应
接受传递来酰基 是酰化反应的辅酶
β-酮硫解酶
酶促反应原理
第一步：吸取质子活化酰基的α-氢，形成烯醇负离子。
酸性，可发起亲核攻击
第二步：通过亲核攻击，转移活化的酰基。
巯基携带酰基 形成硫脂键
硫脂键更易水解，具有更高的基团转移能力。
第三步：辅酶A脱离，完成转移。
酰基载体蛋白 ACP
脂肪酸的生物合成
巯基乙胺，泛酸 磷酸 Ser-OH
一个负电荷
ACP^-
维生素B_2 （核黄素）
核黄素
核糖醇 + 7, 8-二甲基异咯嗪 + 磷酸
缺乏症
黏膜及皮肤炎症
食物来源
子主题
活性辅酶
FMN，黄素单核苷酸
黄色
FMNH2
可以接受NADH传来的电子
FAD，黄素二核苷酸
FADH2
可以将电子传递给NAD+
其脱氢的结果通常是产生CC双键
相关酶
氧化还原酶（黄素蛋白）
FMN比烟酰胺氧化性更强， 更容易于氢负离子结合
接受电子
一般不会自由移动
广泛参与体内各种氧化还原反应。
原理
N15有活泼双键，因此易被还原
接受了2个质子和两2个电子
生理功能
电子供体
维生素PP /维生素B_3 （烟酸）
烟酸、烟酰胺
抗糙皮病维生素
吡啶衍生物
由色氨酸Trp转变而来
缺乏症
食物来源
活性辅酶
相关缀合酶
脱氢酶
电子载体
酶促氧化还原反应
脱氢酶
260nm有最大光吸收
还原型在340nm处有吸收峰，氧化型没有。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
NAD+ /辅酶Ⅰ
NADH
还原型
DNA连接酶的辅酶，为磷酸二酯键的合成提供能量
脱氢的结果为产生羟基氧化为醛基
NADP+ /辅酶Ⅱ
2'-OH多一个P
NADPH
还原型
子主题
NADPH在生物合成的还原途径中作为电子供体
相关酶
原理
四极氮，阳离子亚胺氮
共振稳定
底物氢负离子，结合于吡啶环C4的反应中心
=一个质子+2个电子
生理功能
电子供体
维生素B_6 （吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺）
吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺
X
吡啶衍生物
缺乏症
未发现典型病例
食物来源
活性辅酶
磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate，PLP）、磷酸吡哆胺
相关酶
酶促反应
催化涉及氨基酸的多种反应
酶促反应原理
与氨基酸的α氨基形成稳定的schiff碱（醛亚胺）加成物。 起一种有效的电子穴作用，以稳定反应的中间产物。
1||| 被保护4'-醛基露出
Lys-NH_3
2||| 形成底物（氨基酸的α氨基）-PLP Schilff碱
3||| 3'羟基的H与N键合环氧，形成四极氮被稳定。 α碳的质子酸性增加，易解离。
α-脱羧中间物
氨基酸的脱羧基作用
4||| 失去质子后形成碳负离子，被带正电荷的环四极氮稳定。 通过电子离域作用，进入电子穴
消除 消旋 醛醇反应中间物
谷氨酸脱氢酶：
5||| PLP醛碳质子化，形成新的底物PLP Schilff碱。 β碳的质子酸性增加，易解离。
各种中间物
β-脱羧中间物
转氨中间物
转氨酶/氨基转移酶
γ消除中间物
生理功能
与氨基酸的α氨基结合后，参与氨基酸的代谢。
维生素H/ 维生素B_7 （生物素）
生物素
结构
噻吩环+尿素 双环化合物 戊酸基侧链
蛋清中含有抗生物素蛋白， 与生物素结合成无活性又不易吸收的物质。
鸡蛋要煮熟
缺乏症
呕吐、倦怠、厌食
食物来源
肠道菌群
长期使用抗生素可造成生物素缺乏
活性辅基
生物胞素
Lys-e-NH_3
酶促反应原理
重碳酸盐的活化
- ATP
生物素羧化
转羧基
相关酶类
乙酰-CoA羧化酶
羧基化酶 多聚体
生物素羧基载体蛋白
生物素羧化酶
转羧基酶
生理功能
羧基化
叶酸/维生素B_9 蝶酰谷氨酸
叶酸/蝶酰谷氨酸
缺乏症
影响巨红细胞细胞分裂，不能分化成红细胞，引起恶性贫血
食物来源
肠道菌群
二氢叶酸还原酶
碟呤抑制剂 THF类似物
抗癌药物
活性辅酶
四氢叶酸（THF） / CoF
二氢叶酸还原酶
双键还原
- NADPH
一碳单位的载体
甲醇 -2
3H
N^5-甲基-THF
C+高半胱氨酸→甲硫氨酸
甲基钴胺素
THF作为供体
甲醛 0
2H
N^5,N^10-亚甲基-THF
丝氨酸→甘氨酸+C
PLP
甘氨酸→C+NH3+
NAD+
THF作为受体
T的合成
胸腺嘧啶脱氧核苷酸合成酶
甲酸 +2
H
N^5,N^10-次甲基-THF
N^10-甲酰基-THF
嘌呤的从头合成 C_2、C_8
转甲酰基酶
蛋白质的合成
氨基甲酰化
N5-甲酰基-THF
N5-亚胺甲基-THF
组氨酸
THF作为受体
组成的缀合酶
酶促反应
一碳单位的受体和供体
脱一碳单位
加一碳单位
甲基化
氨基酸的转化
子主题
嘌呤和胸腺嘧啶的合成
子主题
酶促反应原理
维生素B_12 （钴胺素）
氰钴胺素
抗恶性贫血因子，最后发现的。
深红色的含 晶体
缺乏症
一般不会缺少
影响巨红细胞细胞分裂，不能分化成红细胞，引起恶性贫血
食物来源
动物肉和肝
肠道菌群
结构
咕啉环
4吡咯基 直接相连 次甲基桥
钴原子 6
上下 2
？
氰-CN
5'-脱氧腺苷
甲基
羟基
5,6-二甲基苯并咪唑
活性辅酶
5'-脱氧腺苷钴胺素/ CoB_12
2个电子给 Co-C键，主要是共价键性质，同时具有部分离子键性质。
@腺苷基转移反应
S-腺苷甲硫氨酸
酶促反应 2
（1） 分子内重排
（2） DNA的合成
核苷酸脱氧
核糖核苷酸还原酶（I）
酶促反应原理
甲基钴胺素
酶促反应
甲基转移
将甲基转移到高半胱氨酸上
酶促反应原理
DNA甲基转移酶
维生素C （抗坏血酸）
抗坏血酸
缺乏症
坏血病
食物来源
仅包括人在内的少数脊椎动物不能合成。缺少γ-内酯氧化酶
结构
23烯醇式羟基易解离出质子， 酸性
强还原剂，其还原性质使其 起电子载体的作用。
还原型
自由基
氧化型
具有VC活力
可以进一步水解和氧化
C4C5为手性中心，具有旋光异构体。
自然界：L型
D型无VC活性。
酶促反应
参与体内氧化还原反应
保持巯基酶的活性和谷胱甘肽的还原状态， 起解毒作用。
还原Fe3+
血红蛋白还原
易被肠道吸收
保护A、E、B
促进四氢叶酸的形成
羟化反应
胶原蛋白合成
胆固醇代谢
芳香族氨基酸代谢
其他反应
贫血
变态反应
刺激免疫系统
作为辅酶（辅基）的金属离子
概论
微量元素及其生物化学功能
依据金属结合强度分类
金属酶类
金属辅基
金属酶是指一类含有化学计量的金属辅因子，它们结合得非常牢固且加入游离金属离子后活性并不增加。
主要金属酶类
含铁酶类
细胞色素氧化酶:由营养分子来的电子催化还原分子氧成水 红素酶:包括过氧化氢酶和过氧化物酶 铁硫酶:在动物、植物和细菌细胞中起电子转移功能
含铜酶类
多于羟化酶和氧化酶类，它们与分子氧一起参与催化过程
含锌酶类
唯一在六大酶类中都发现存在的金属酶类
其他金属酶类
含锰金属酶
精氨酸酶与锰形成紧密的复合物起着稳定和催化两种作用
可以作为某些磷酸转移酶的辅因子
含钴金属酶:微量的钴是合成维生素 B12必需的
含钼和钒金属酶:在黄素脱氢酶的活性部位起作用
金属激活酶类
金属辅酶
金属激活酶的金属处于酶表面的结合基团平衡中，这种金属离子在酶的纯化过程中易失去，必须再加入金属离子才能恢复催化活性。
三元复合物 1：1：1 酶活性位点+受结合的金属+底物 MES 4种构型
底物桥复合物
金属桥复合物
金属桥复合物
酶
金属酶
酶学 4
I. 酶通论
酶是生物催化剂
酶的概念
酶：由活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子
酶和一般催化剂的比较
共同点：
（1） 使反应速率加快，缩短反应达到平衡的时间，不改变反应的平衡常数。
（2） 降低反应所需的活化能。
（3） 反应前后性质和数量不发生变化。
酶的特点：
（1） 酶的催化效率很高，远高于非生物催化剂。
（2） 酶具有高度的专一性，通常只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。
（3） 酶易失活，凡是能够使生物大分子变性的因素（高温、强酸、强碱、重金属盐）都能使酶失活。
（4） 酶的活性是可调节的，细胞内具有多种调节和控制酶活性的方式。
活化能
活化能是指一定温度下1mol底物全部进入活化态所需要的自由能，单位为kJ/mol。 活化分子是指具有高能量，处于活化状态的分子。 通常反应所需的活化能愈高，反应速率就愈慢。
酶的化学本质及其组成
酶的化学本质
酶的化学本质（除有催化活性的RNA之外）主要是蛋白质。
类型
酶的组成分类
1. 单纯蛋白
2. 缀合蛋白 （全酶）
（1） 脱辅酶
催化作用
（2） 辅因子
热稳定的非蛋白质小分子物质或金属离子 专一性
结合程度 分类
辅酶
辅酶:脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物质，通过透析方法可以除去;
辅基
辅基:以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析除去
单独存在，均无催化作用。
按酶蛋白分子 的组成分类
1. 单体酶
只有一个亚基
通常由一条肽链组成，也有由多条肽链组成的，链间含有二硫键。
大多数水解酶
2. 寡聚酶 俩个或两个以上亚基
由两个或两个以上亚基组成的酶，这些亚基可以是相同，也可以是不相同的。 绝大部分寡聚酶含有偶数亚基，亚基之间靠次级键结合，彼此容易分开。 大多数寡聚酶的聚合形式是活性型，解聚形式是失活型
DNA聚合酶
3. 多酶复合物
由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，协同完成某一生化反应，这些酶的组合体称为多酶复合体。
转录复合体
复制起始复合物
MAPK级联复合物
脂肪酸合酶复合体
酶在细胞内的分布
细胞结构和酶的区域化分布
酶的命名和分类
习惯命名
1. 根据酶作用的底物命名
淀粉酶
2. 根据酶催化反应的性质及类型命名
水解酶
国际系统命名
1972年国际酶学委员会《酶命名法》——按酶催化的反应命名
① 明确标明底物及催化反应的性质。 ② 若有两种底物，以“：”分隔； 底物是水可将水省略； ③ 酶都用ase为后缀。
国际系统分类及酶的编号 6
酶的分类
1. 氧化还原酶类：
电子受体与电子供体
涉及电子的转移。
丙酮酸脱氢酶
1.1 供体：CHOH
1.1.1 受体：NAD^+/NADP^+
1.1.1.1 乙醇：NAD^+氧化还原酶
1.2 供体：醛/酮
1.2.3 受体：O_2
2. 转移酶类：
-SH
催化化合物某些基团转移的反应，将一个底物的基团或原子转到另一底物。
乙酰转移酶
转氨酶
转酮酶
2.1 转移C1基团
3. 水解酶类：
H+、OH-
催化水解反应。
淀粉酶
蛋白酶
核酸酶
3.1 水解酯键
4. 裂合酶类：
共价键的断裂
催化从底物分子移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应
4.1 C—C键
5. 异构酶类：
共价键的断裂和重组
催化同分异构体之间的相互转变，即底物分子内部基团重新排排列
5.1 消旋酶
6. 连接酶类：
生物大分子连接
使两个底物结合，通常需要ATP 提供能量
DNA连接酶
6.1 形成C—O键
酶的分类编号 EC1.1.1.1
每个酶的分类编号由四个数字组成， 数字间由“.”分隔。
第一个数字指明该酶属于6大类中的哪一类；
第二个数字指出该酶属于哪一亚类；
第三个数字指出该酶属于哪一亚亚类；
第四个数字则表明该酶在亚亚类的排号。
编号之前冠以EC(Enzyme Commission)
同工酶、诱导酶
同工酶： 催化相同化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面具有明显差异的一组酶，它们被不同基因编码。
结构相似与功能相似的关系
三级结构相似并不能反映它们在功能上的相似或相关。
功能同源性一般决定在一个更小、更紧密的范围内的结构相似性。
同工酶不仅存在于同一个体的不同组织中，甚至同一组织、同一细胞的不同亚细胞结构中。
例子
乳酸脱氢酶（LDH） 4亚基聚合而成的四聚体。
两种结构编码基因编码两种蛋白质亚基。 M（肌肉）型富含碱性氨基酸 H（心肌）型富含酸性氨基酸
同工酶的生物学功能
（1） 遗传
分子水平的遗传指标。
（2） 个体发育及组织分化
分化型同工酶：在较晚期的胎儿组织中才开始发生， 活力随组织分化而逐渐升高。
相反
（3） 代谢调节
同工酶是基因分化的产物。 基因分化是因为进化过程中愈加复杂的代谢引起的分子进化。
同工酶只是催化同一反应，不一定有相同功能，调节方式也有不同。
（4） 癌基因表达
紊乱
此消彼长
（5） 临床诊断
诱导酶（induced enzyme）是一种在特定诱导物存在时，由诱导物诱导而生成的酶。这些诱导物通常是酶作用的底物。诱导酶的合成不仅取决于环境中的诱导物，还受到细胞内基因的控制，即内因和外因共同作用的结果 。
乳糖操纵子
细菌功能相关的基因组成操纵子
酶的专一性
酶对底物的专一性
结构专一性
绝对专一性
只作用于一种底物，而不作用于其他任何物质
相对专一性
基团专一性
有些酶作用于底物时，对一个基团要求严格，对另一个则要求不严格
键专一性
有些酶只作用于底物一定的键，而对键两端的基团并无严格要求
立体异构专一性
旋光异构专一性
底物具有旋光异构，但酶只作用于其中一种
几何异构专一性
底物具有几何异构，但酶只作用于其中一种
酶专一性假说
《锁钥学说》
锁钥假说认为酶的活性部位是刚性的，形状刚好能与底物相吻合，非底物因为形状不吻合而不能与酶结合。酶和底物结合时，底物分子或底物分子的一部分与酶的活性中心的必需基团在化学结构上有紧密的互补关系，像锁和钥匙的关系一样。
但无法解释酶催化逆反应以及有些酶可以催化多种底物反应。
《诱导契合学说》
诱导契合学说认为酶活性部位是柔性的，酶和底物的契合是动态的。 当酶活性部位同底物结合时，酶活性部位受底物的诱导，其构象发生改变使其适合于与底物契合进行反应，诱导契合学说更符合实际情况，应用更为广泛。
酶活力测定 分离纯化
酶活力测定
转换数
酶的转换数（Turnover Number，简称 TN）/分子活力是指当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子或每个活性单位将底物转换为产物的分子数。
酶活力
酶活力又称酶活性，是指酶催化某一化学反应的能力。酶活力的大小可以用在一定条件下所催化某一化学反应的反应速率来表示。
酶活力单位（U）
IU
小单位
在最适条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量。
μmol/min
Katal
mol/s
酶的比活力
酶活力与酶量的比值。 酶的比活力可以表示酶的纯度，比活力愈大，表示酶的纯度愈高。
U/mg
测定方法
分光光度法
荧光法
同位素测定法
电化学法
核酸酶
种类
核糖核酸酶
大分子核酶
I型内含子
II型内含子
Rnase P 的RNA组分
小分子核酶 活性片段<100nt
锤头状核酶
发卡状核酶
肝炎δ病毒（HDV）核酶
Vs核酶
脱氧核酶
具有催化功能的DNA分子。
应用前景
抗体酶
抗体酶又称“催化性抗体”，是一种具有催化能力的蛋白质，本质是免疫球蛋白质，在易变区被赋予了酶的属性。抗体酶是将抗体的多样性和酶分子的巨大催化能力结合在一起的蛋白质分子设计的新方法。
应用前景
II. 酶动力学
化学动力学基础
反应速率是指单位时间内反应物或生成物的变化。
反应分子数是指反应过程中真正作用的分子数目，常见的大多数反应都是单分子或双分子反应。
反应级数及特征
当底物浓度较低时，反应速率与底物浓度的关系呈正比关系，表现为一级反应。 随着底物浓度增加（Km），反应速率不再按正比升高，反应表现为混合级反应。 当底物浓度达到相当高时，底物浓度对反应速率的影响变小，最后与反应速率无关，反应达到最大反应速率(Vmax)，表现为零级反应。
底物浓度对酶促反应的影响
《中间复合物学说》
酶在催化某一化学反应时，首先和底物结合形成中间复合物（ES），然后再生成产物（P）并释放出酶。
动力学方程（米氏方程）
快速平衡学说
忽略了中间复合物到产物的逆反应，要求产物浓度趋向于0，也就是说， 第一代的米氏方程只运用于测定反应的初速度。 底物浓度是以初始浓度计算的，这就要求底物浓度远大于酶浓度。 ES分解生成产物的速度不足以破坏E和ES之间的平衡。
稳态模型
稳态是指反应进行一段时间后，中间复合物的生成速率与分解速率相等时的状态。
背
根据米氏方程式可以说明以下关系：
① 当[S] ＜＜Km时，反应速率与底物浓度成正比，[E]与[S]的关系符合一级动力学；
② 当[S] ＞＞Km时，说明反应速率已达到最大速率，此时酶已饱和，[E]与[S]无关，符合零级动力学，并且只有在这种条件下才能正确测得酶活力；
③ 当[S]＝Km时，反应速率为最大速率的一半。
力学参数的意义
利用作图法测定Km和Vmax值
3 多底物的酶促反应动力学
多底物反应：
多底物反应是指在酶促反应过程中有两个或两个以上底物参加的反应，其中以双底物反应最为重要。
（2）多底物反应的分类：
按底物分子数分类：可分为单底物、双底物和三底物反应。
按动力学机制分类：
序列反应/单置换反应 底物AB二者均结合在酶上，产生PQ后释放 E→AEB→PEQ→E
有序反应 A→B→→P→Q
NAD+脱氢酶
随机反应 A→B/B→A→→P→Q/Q→P
肌酸激酶
乒乓反应/双置换反应 E→AE→PE→E'→BE'→QE'→E
谷草转氨酶
酶的抑制作用
概述
酶的抑制作用是指凡是能够引起酶活力降低或丧失的作用，酶受抑制时酶蛋白并没有变性。
抑制作用的类型
标注
不可逆的抑制作用
不可逆抑制作用是指抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而导致酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复性，这种抑制作用是不可逆的
可逆的抑制作用
竞争性抑制 EI
E+I
抑制剂结构与底物结构相似，能够同底物竞争酶的活性部位，因而减少酶与底物的作用机会
解除抑制：增加底物浓度
非竞争性抑制 EI+S→SEI ES+I→SEI
E, ES+I
抑制剂与底物之间无竞争性，酶与底物结合后，还可与抑制剂结合; 酶和抑制剂结合后，也可再同底物结合，可形成三元复合物(ESI)，但一旦形成了三元复合物之后不能进一步分解为产物，因此影响反应速度
解除抑制：增加酶浓度
反竞争性抑制 ES+I→SEI
ES+I
酶必须先和底物结合形成复合物之后，才能和抑制剂结合形成三元复合物(ESI)， 三元复合物不能分解成产物，因此影响反应速率
降低了酶的催化活性
可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鉴别
不断增加酶， 每一条线为不同量抑制剂，对反应速率变化的影响
可逆抑制剂只是降低了酶的催化活性/酶与底物的作用机会， 没有完全阻断反应的进行。
不可逆抑制剂会使酶失活， 完全阻断了反应的进行。
4 可逆抑制作用动力学
可逆抑制作用动力学曲线及影响特征
1. 在竞争性抑制中，底物或抑制剂与酶的结合都是可逆的； 2. 从竞争性抑制酶反应动力学曲线可以看出，加入竞争性抑制剂后，V（最大反应速率）不变，Km（米氏常数）变大，表明酶对底物的亲和力下降； 3. 双倒数作图直线相交于纵轴，这是竞争性抑制的特点。
1. 从非竞争性抑制曲线中可以看出，加入非竞争性抑制剂后，Km值不变，V（最大反应速率）变小，表明酶对底物的亲和力不变； 2. 双倒数作图直线相交于横轴，这是非竞争性抑制作用的特点。
1. 从反竞争性抑制双倒数曲线中可以看出，加入反竞争性抑制剂后，Km（米氏常数）及Vmax（最大反应速率）都变小； 2. 双倒数图为一组平行线，这是反竞争性抑制作用的特点。
可逆抑制比较
增成减除以
一些重要的抑制剂
抑制剂是指凡是能够引起抑制作用的物质，一种抑制剂只能使一种酶或一类酶产生抑制作用。
（1）不可逆抑制剂：
① 非专一性不可逆抑制剂；
有机磷化合物
抑制某些蛋白酶及酯酶活力，与酶分子活性部位的丝氨酸羟基共价结合，从而使酶失活; 用解磷定或氯磷定能把酶上的磷酸根除去，使酶复活
DFP、敌敌畏敌百虫、对硫磷
有机汞、有机砷化合物
抑制含疏基的酶，与酶分子中半胱氨酸残基的疏基结合
对氯汞苯甲酸
重金属盐
低浓度时，对某些酶的活性产生抑制作用;高浓度时，能使酶蛋白变性失活
金属螯合剂EDTA
烷化试剂
作用于巯基、氨基、羧基、咪唑基和硫醚基
碘乙酸
氰化物、硫化物和 CO
与酶中金属离子形成较为稳定的络合物，使酶的活性受抑制
氰化物
青霉素
与糖肽转肽酶活性部位丝氨酸羟基共价结合，使酶失活
② 专一性不可逆抑制剂
Ks型不可逆抑制剂
具有和底物相似的结构，同时还带有一个活泼的化学基团，与酶活性部位结合后，修饰活性部位的基团使酶失活，从而抑制酶活性
甲苯磺酰-1-赖氨酰氯甲酮(TLCK)与胰蛋白酶活性部位必需基团 His;共价结合，引起不可逆失活
kcat型不可逆抑制剂/自杀性底物
根据酶催化过程设计的，kcat型抑制剂本身无抑制作用，但它是酶的底物，能与酶结合发生类似于底物的变化，被酶催化产生抑制物与酶活性部位结合
β-卤代-D-Ala 是丙氨酸消旋酶的底物，不可逆抑制其催化 L-Ala 转变成 D-Ala，阻断细菌肽聚糖合成
（2）可逆抑制剂
底物类似物
该抑制剂与天然代谢物在结构上十分相似，能选择性地抑制病菌或癌细胞在代谢过程中的某些酶，而具有抗菌和抗癌作用
5'-氟尿嘧啶与尿嘧啶相似，可抑制胸腺嘧啶合成酶作用，使胸腺嘧啶合成受阻癌细胞增殖受阻，是一种抗癌药
过渡态底物类似物
由于酶对过渡态底物的亲和力比对底物的亲和力强，故过渡态底物类似物抑制力更强
乳酸脱氢酶、草酰乙酸脱羧酶、丙酮酸羧化酶在催化各自底物过程中产生烯醇式丙酮酸过渡态，而草酸是烯醇式丙酮酸的类似物，可强烈抑制以上3种酶
酶反应的其他影响因素
温度对酶促反应的影响
高温会导致酶失活
①当温度升高时，反应速率加快; ②温度持续升高，当反应温度超过酶的最适温度，酶蛋白变性逐渐突出，反应速率下降。
酶反应的最适温度:是指当反应速率达到最大值时的温度,但酶的最适温度不是酶的特征物理常数,是化学反应速率加快和酶变性两种因素影响的综和效应。
温度效应的表示
，指温度每升高10℃，反应速率与原反应速率的比值。
pH对酶促反应的影响
强酸强碱会导致酶失活
PH 值的改变导致:
（1） 酶的空间结构破坏从而引起酶构象的改变;
（2） 底物分子及酶分子中各种可解离基团的解离状态发生变化，影响酶与底物的结合及催化;
（3） 影响维持酶分子空间结构的有关基团的解离状态
最适 pH: 是指表现出酶最大活力的 pH，高于或低于此 pH，酶活力降低; 酶的最适 pH 并不是恒定不变的，它受许多因素的影响，随底物和缓冲液的种类和浓度改变，因此最适 pH 只有在一定条件下才有意义。
激活剂对酶促反应的影响 激活剂：凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂。
特征：
1. 激活剂对酶具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶起激活作用，而对另一种酶可能起抑制作用。
2. 有时金属离子之间可互相替代。
3. 可因浓度不同起不同的作用
类型
无机离子
金属离子
多数激酶及合成酶的激活剂
无机阴离子
唾液淀粉酶的激活剂
简单的小分子有机化合物
还原剂（如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽）使二硫键还原为巯基
去除重金属对酶抑制的螯合剂（如EDTA）
一些激活酶原的蛋白酶
III. 酶作用机制
酶活性部位/活性中心
酶的活性部位
酶的活性部位又称酶的活性中心，是与酶活力直接相关的氨基酸残基区域。
酶的活性部位包括结合部位和催化部位，
酶的必需基团是指参与构成酶的活性中心或维持酶的特定构象所必需的基团。
活性部位的构成
结合部位 负责与底物结合，决定酶的专一性
催化部位 负责催化底物键的断裂和形成，决定酶的催化能力。
可能会有辅酶和辅基参与。
酶活性中心的共同特点
① 活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，由几个氨基酸组成；
② 酶的活性部位是一个三维实体；
活性中心的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远，甚至可能位于不同肽链上， 通过盘绕折叠而在空间结构上相互靠近。
③ 酶的活性部位与底物通过诱导契合结合；
④ 酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，是疏水区域；
底物分子结合在裂缝内并发生催化作用。
⑤ 底物通过非共价键与酶结合成ES复合物，包括氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用；
⑥ 酶活性部位具有柔性或可运动性。
研究酶活性部位的方法
（1） 侧链基团化学修饰法
标注
非特异性共价修饰
化学试剂与酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应， 使基团的结构和性质发生改变,。
若修饰后酶活力不变，该集团可能是非必需基团，反之则是必需基团
酶活力的丧失程度和修饰剂浓度成一定的比例; 底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可保护共价修饰剂的抑制作用
特异性共价修饰
某些化学试剂专一修饰酶活性部位的某一氨基酸残基，使酶失活。通过水解分离标记的肽段即可判断出被修饰的酶活性部位的氨基酸残基
通过水解分离标记的肽段，即可判断出被修饰的酶活性部位的氨基酸残基
亲和标记
具有活泼的化学基团可以与活性部位的某一基团结合形成稳定的共价键，作用机制是利用酶对底物的特殊亲和力将酶加以修饰标记
通过水解分离标记的肽段，对实验结果进行分析判断出被修饰的酶活性部位的氨基酸残基
（2） 动力参数测定法
由于酶的活性部位与活性部位氨基酸残基的解离状态直接相关，因此通过动力学方法求得有关参数后，就可对酶活性部位的化学性质作出判断
（3） X射线晶体结构分析法
X射线晶体结构分析法可以直接解析酶分子的三维结构，了解酶活性部位氨基酸残基的相对位置与实际状态，以及与活性部位有关的其他基团
（4） 定点诱变法
现代常用
定点诱变技术可以改变编码蛋白质基因中的 DNA 顺序，来研究酶活性部位的必需氨基酸。
酶催化反应的独特性质
（1） 酶催化反应分为两类：
一类反应仅涉及到电子的转移。
另一类反应涉及到电子和质子两者或者其他基团的转移，大部分反应属于这一类。
（2） 酶催化的媒介：
通常具有催化作用的氨基酸包括组氨酸（His）、丝氨酸（Ser）、半胱氨酸（Cys）、谷氨酸（Glu）等。
有些辅酶或者某些金属离子也发挥催化作用。
（3） 酶催化的最适pH范围：
酶催化反应的最适pH范围是狭小的，一般接近中性。
（4） 活性部位与底物的关系：
酶分子比底物大得多，但是酶的活性部位只比底物稍大一点。
（5） 其他特性：
在活性部位存在1个以上的催化基团，所以能进行协同催化。
存在结合部位，因此底物分子可以与反应中固有的方位结合在活性部位附近。
在包含2个或2个以上底物分子参加反应的情况中，存在着1个以上底物分子结合的部位。
有时底物以某种方式被结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于过渡态复合物的形成。
酶促反应机制 酶与底物的相互作用过程。
基元催化反应： 由某些基团或小分子催化的反应。
一、 酸碱催化： 通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接收质子以稳定过渡态， 加速催化反应的一类催化机制。
酸碱催化是指催化剂通过瞬时向底物提供质子或接受质子并稳定过渡态， 来降低反应的活化能，提高反应速率。
专一的酸碱催化/侠义酸碱催化： 水溶液中，通过高反应性的质子和氢氧根进行的催化
酸水解 碱水解
催化速率仅受PH影响。
总酸碱催化/广义酸碱催化： 通过质子和氢氧根或能提供质子和氢氧根的供体进行的催化。
水解酶类
催化速率受PH和缓冲液浓度影响
在生理条件下，最为主要的酸碱催化。
可作为总酸碱催化的功能基团
羧基
Clu, Asp
氨基
Lys, Arg
酚羟基
Tyr
巯基
Cys
咪唑基
His
醇羟基
Ser
丝氨酸蛋白酶
B催化作用定律 酸碱催化效率取决于总酸碱的解离常数。
斜率 α/β在0~1之间
1时，为专一的酸碱催化
0时，无酸碱催化
二、 共价催化/ 亲核催化+亲电子催化：
转移酶类、
催化基团能放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电子中心，形成不稳定的共价中间复合物，从而降低活化能提高反应速率。
重要的亲核基团
羟基
Ser
巯基
Cys
咪唑基
His
三、 金属离子催化
金属酶 具有结合紧密的金属离子
金属-激活酶 含松散结合的金属离子
金属离子以3种途径参加催化过程:
①通过结合底物为反应定向; ②通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应 ③通过静电稳定或屏蔽负电荷作用而促进反应
酶高催化能力的原因
（1） 邻近和定向效应
邻近效应是指酶与底物结合形成中间复合物后，分子间的反应变成了类似分子内的反应，升高反应的有效浓度，增大反应速率的一种效应
定向效应是指反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定位和取向所产生的增进反应速率的效应。
熵因子
熵丢失
（2） 底物形变和诱导契合
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定状态，只是由于底物的诱导才形成了互补的形状，当酶和底物结合时，不仅酶的构象发生改变，底物分子的构象也发生了变化。酶使底物中的敏感键发生张力，从而使敏感键更容易断裂，接近其过渡态，降低了反应的活化能，使反应易于发生。
（3） 多元催化和协同效应 几个基元催化反应配合在一起共同起作用。
在酶催化反应中，一般是几个基元配合催化反应，多元催化协同作用是使酶反应加速的一个因素
（4） 活性部位微环境的影响
酶的活性中心部位处于疏水环境的裂缝中，是一个非极性环境，其介电常数较低，从而使处于其中带电基团之间的静电作用比极性环境中显著增高因此有利于酶的催化作用
实例
溶菌酶
存在于鸡蛋清及动物的眼泪中， 催化肽聚糖、几丁质水解
结构
催化作用机制
活性部位装6个糖残基
ABCDEF
第四个残基D因空间原因变形为半椅式构象，使糖苷键更容易断裂
Glu35的羧基提供一个质子
C1-O糖苷键断裂，产生C1正离子
Asp52对其进行稳定
EF二聚体脱离
Glu35质子化
C1正离子与OH-反应恢复羟基
ABCD脱离
准备新一轮催化
关键要素
碳酸酐酶
二氧化碳水合反应
丝氨酸蛋白酶
消化作用的丝氨酸蛋白酶 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶
催化机制
凝血作用的丝氨酸蛋白酶
乙酰胆碱酯酶
天冬氨酸蛋白酶
IV. 酶活性的调节
一、 酶的别构调节
概念
别构调节
酶的别构调节是指 酶分子的非催化部位与某些化合物（效应物）可逆地非共价结合 后导致酶构象的改变，进而改变酶活性状态的调节方式。
别构效应是生物体代谢调节的重要方式之一，许多代谢途径的关键酶利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡。
具有这种调节作用的酶称为别构酶。
效应物/别构剂
别构剂又称效应物，是指能使酶分子发生别构作用的物质， 通常为小分子代谢物或辅因子。
正效应物/别构激活剂
是指因别构导致酶活性增加的物质，代谢底物通常是别构激活剂;
如 天冬氨酸转氨甲酰酶-ATP
负效应物/别构抑制剂
是指因别构导致酶活性降低的物质，代谢产物常为别构抑制剂
如 天冬氨酸转氨甲酰酶-CTP
酶的别构效应
当别构酶作用的底物是它的别构剂时，被称为同促酶。 同促酶催化的别构效应称为同促效应。
底物本身就是别构剂。 活性中心亦是调节中心。
当别构酶作用的底物不是它的别构剂时，被称为异促酶。 异促酶催化的别构效应称为异促效应。
活性中心与调节中心在空间上分开， 但可以因构象变化产生协同效应而相互影响。
可以是在同一亚基上，也可以是还在不同亚基上。
别构酶的性质
1. 别构酶一般都是多亚基构成的寡聚酶，通常处于一个代谢途径的开始或分支点;
2. 别构酶有协同效应，其[S]对v的动力学曲线不是双曲线， 而是s形曲线(正协同)或表观双曲线(负协同)，
正协同性是指别构效应中酶结合底物后，酶的构象发生了改变, 新的构象对底物分子的亲和性增加，促进后续分子与酶的结合，
负协同性是指在一个酶反应过程中，底物浓度较低的范围内酶活力上升很快，但随后底物浓度有较大的提高，反应速率却升高很少, 具有这种效应的酶称为负协同效应的别构酶
可以使酶对底物浓度的变化不敏感
指标
协同指数，CI/ 饱和比值，Rs
位点90%饱和时的底物浓度与 位点10%饱和时的底物浓度的比值
典型的米氏类型的酶Rs=81
RS>81，负协同
Hill系数 n<1
RS<81，正协同
Hill系数 n>1
3. K、V型效应物质
K激活剂，使Km值增大，Vmax不变。
V激活剂，Km不变，Vmax增大。
4. 脱敏作用， 脱敏后表现为米氏酶的双曲线 活性会增大。
别构模型
1. 齐变模型（WMC模型）：
每种亚基存在两种构象，一种是有利于结合底物或调节物的松弛型构象（R型），另一种则是不利于底物或调节物结合的紧张型构象（T型）两种状态。
这两种状态可以互变，别构酶的构象是以齐变方式进行的， 各亚基同一时间内处于相同构象，分子对称性保持不变。
优缺点
可以解释正负调节物的作用； 可以解释同促效应。
但不能解释异促效应。
2. 序变模型（KNF模型）：
当配体不存在时，别构酶只有一种构象状态存在（T），而不是处于RT的平衡状态。
只有当配体与之结合后才诱导T态向R态转变， 且构象的转变以序变的方式进行。
存在RT复合态
亚基对邻近亚基的影响 可以分为：
正协同
负协同：亚基亲和力下降
此种模型可解释正协同和负协同效应。
适用于非底物调节的效应
别构酶实例
天冬氨酸转氨甲酰酶
嘧啶的生物合成
被终产物CTP反馈抑制
由催化亚基和催化亚基构成
别构作用通过四级结构变化传递
3-磷酸甘油醛脱氢酶
结合NAD+，受其调节
负协同调节别构酶
半位反应性， 在一定底物浓度范围，底物浓度的变化不足以影响酶的反应速率。
二、 酶的共价调节
（1） 酶的可逆共价修饰
可逆的共价修饰是指共价调节酶在其他酶（如，蛋白激酶）的催化下，其多肽链上的某些基团发生可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性的方式。
酶促共价修饰系统，对代谢流量起调节作用的关键酶。
调控，级联
合成后修饰
常见的共价修饰主要是 磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-核糖基化和甲基化。
蛋白质的磷酸化与脱磷酸化：
蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTP γ位磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷酸化。
蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程是生物体内存在的一种普遍的调节方式，几乎涉及所有的生理及病理过程。
磷酸化与脱磷酸化
30%~50%蛋白
两类被磷酸化的氨基酸残基
P-O
P-N
构象改变
例子
糖原磷酸化酶
蛋白激酶：
蛋白激酶是指调控蛋白磷酸化和去磷酸化的酶。根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类可以分为：Ser/Thr型（目前发现的蛋白激酶多属于这一类）；Tyr型（被磷酸化的底物Tyr残基，数目相对较少）。
蛋白激酶家族
子主题
实例
蛋白激酶A（PKA）
子主题
（2） 酶原激活——不可逆共价调节
概念：
酶原的激活是指体内合成的蛋白质不具生物活性，经过蛋白水解酶专一作用后，构象发生变化，形成酶的活性部位，变成活性蛋白的过程，此过程是不可逆的。
不具生物活性的蛋白质称为前体，如果活性蛋白质是酶，这个前体称为酶原。
无活性前体， 生理学意义：
避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化， 并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。
实例
消化系统中酶原激活
肠激酶激活胰蛋白酶原产生的胰蛋白酶是所有胰脏蛋白酶原的共同激活剂， 在它的控制下，可以使所有的胰脏蛋白酶同时起作用。
凝血涉及的 三个方面
伤口处血管收缩以减少
血小板黏聚形成栓塞堵住伤口
凝血系统中酶原激活
13种凝血因子， 用罗马数字编号，a表示被激活
外在途径
内在途径
Ⅹ
共同途径
血纤蛋白原 （Ⅰ）
血凝过度即为血栓
纤溶系统可以溶解血纤蛋白
三、 多酶体系调节
多酶复合物
多酶体系调节
多酶复合物中酶之间的 空间和时间排列组合 在代谢调控中非常重要。
多酶共固定化反应体系 可以增加酶周围的反应物浓度，并将不同酶的催化特性结合起来，能排除干扰因素，从而提高酶的整体催化效率。
衔接蛋白和支架蛋白 对这种反应体系的形成起着至关重要的作用。
在酶级联动态调控
磷酸化
酶原的激活
多酶体系的创建主要是通过细胞内的基因调控和表达来实现的。
新陈代谢的调节控制
引言
物质代谢、能量代谢、信息代谢 负熵
信息也可以作为系统组织程度的量度，获得信息便意味着混乱程度或者不确定程度的减少，也就是说它的组织程度提高。 在物理学的计算公式中，信息与熵只差一个符号，因此可以说信息就是负熵。
调控
代谢调节： 代谢途径通量发生变化时， 使有关代谢物浓度得以保持其稳态的机制。
剧烈运动前后
代谢旺盛，促进分解代谢，抑制合成代谢。
产生大量的ATP
促进分解代谢相关酶，磷酸化激活 抑制分解代谢相关酶，磷酸化抑制
抑制合成代谢相关酶，磷酸化激活 促进合成代谢相关酶，磷酸化抑制
代谢降低
AMP和ADP浓度会升高，同样会促进分解代谢，抑制合成代谢。
直到进入稳定状态
代谢控制： 改变代谢途径的通量，以 适应环境变化的机制。
诱导酶
进化过程中积累的有用信息编码到基因组中， 越是高等的生物，调控机制越复杂。
代谢的协同调节表现为各代谢途径（包括分解途径和合成途径）间的协调配合，各组织器官间的分工合作以及不同调控机制间的协作互补。
细胞代谢调节控制的基本原理 ——代谢途径的相互关系
底物水平
代谢途径相互联系形成网络
细胞代谢的原则和方略
将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径， 通过少数种类的反应， 以转化出种类繁多的分子。
细胞内4类主要生物分子：糖、脂类、蛋白质和核酸 在代谢过程中相互转化，密切相关。
不同代谢途径交叉点上 三个最关键的中间代谢物， 可以通过其进行相互转化、沟通和有效运转。
6-磷酸葡萄糖
Þ 核糖
Û 甘油
丙酮酸
丙氨酸
生糖氨基酸
乙酰辅酶A
脂肪酸
乙酰乙酰辅酶A
生酮氨基酸
α-酮戊二酸
谷氨酸
生糖氨基酸
草酰乙酸
天冬氨酸
生糖氨基酸
各代谢途径相互协同配合， 形成调节网络。
（1）糖代谢与蛋白质代谢的相互关系：
① 糖作为碳源和能源，可用于合成各种氨基酸的碳链结构。
② 生糖氨基酸的碳架可以转变为糖。
（2）脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系：
① 脂类分子中的甘油可以先转变成丙酮酸，再转变为草酰乙酸，脂肪酸也可通过β-氧化生成乙酰CoA，后者与草酰乙酸缩合进入TCA循环，从而与天冬氨酸、谷氨酸联系。
② 生酮氨基酸在代谢过程中生成乙酰乙酸，由乙酰乙酸再缩合成脂肪酸。
（3）糖代谢与脂类代谢的相互联系：
① 糖经过酵解作用，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸，磷酸二羟丙酮可还原为甘油。丙酮酸经氧化脱羧后转变为乙酰辅酶A，随后缩合为脂肪酸。
② 脂肪酸通过β-氧化生成乙酰辅酶A，在植物或微生物体内经过乙醛酸循环，最后由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸，丙酮酸转变为糖。
核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的相互联系：
三羧酸循环是各类物质共同的代谢途径，也是它们之间相互联系的渠道。
代谢控制分析（metabolic control analy, MCA）P380
代谢控制分析（MCA）将研究对象看作是由代谢反应步骤和代谢途径组成的代谢系统。
总和（C=1）原理
各参数相关性原理
分解代谢与合成代谢的单向性
代谢保持动力学的稳态
动力学稳态是指代谢途径的物流处于稳定状态，代谢物的生成与消耗速率相等，其浓度保持不变。细胞和机体通常都处于动力学的稳态，机体通过增加环境的熵来维持体内的稳态。
如：ATP
剧烈运动时，肌肉细胞ATP需求倍增， 机体此时会通过增强糖酵解等途径加大对ATP的供应。 ATP浓度和其他代谢物的浓度却无显著变化。
可逆化学反应的平衡点
质量比Q值（在不同细胞、不同状态下会存在差别）
接近平衡点的反应易于使物流平稳；
代谢调节点 常是远离平衡的反应
远离平衡点的反应
特征
（1） 单向
细胞中远离平衡的反应，常伴随着高能化合物的水解， 逆反应接近于零。 在稳态条件下，其正向反应速率也就代表了整个代谢途径的速率。
（2） 高能
远离平衡点的反应，消耗的自由能大，故常为调节点。
（3） 受限制
自然选择的压力使催化该反应的酶在进化过程中获得调节功能， 成为调节酶。
代谢关键部位的正反应和逆反应由两种不同的酶催化， 这些反应被称为相对立的单向反应。
生物体内整个代谢过程是单向的，分解代谢和合成代谢是分开的，各有其自身的途径。在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应和逆反应通常由两种不同的酶催化，这种分开机制可使生物合成和降解分别处于热力学最有利状态。
ATP是通用的能量载体
ATP与磷酰基转移
NADPH以还原力形式携带能量
戊糖磷酸途径是细胞产生还原力（NADPH）的主要途径
酶活性和酶量的调节
酶水平
酶活性的调节
酶活性的变构调节： 前馈和反馈
（1）前馈：
代谢底物对代谢反应的作用。
操纵子
底物对其后某一催化反应的调节酶起激活作用，称为正前馈作用；
为避免代谢途径的拥挤，当代谢底物过量存在时，底物对代谢过程亦可抑制，呈负前馈作用。
（2）反馈：
代谢产物对代谢过程的调节。
代谢中主要的调节方式
当合成或分解的产物积累时，产物对代谢途径第一步反应的酶或关键步骤的酶活性发生抑制或激活作用，这就是反馈。分为正反馈和负反馈。
产能反应与需能反应的调节
产能反应与ADP的磷酸化相偶联，需能反应则与ATP高能磷酸键的水解相偶联。
（1）ATP系统的质量作用比是 指ATP与ADP和Pi的浓度比值[ATP]/[ADP][Pi]， 是细胞能量状态的一种指标。
稳态 ATP系统的质量作用比
升高（运动）
高能荷
机体正在对外做功，需要消耗能量。
分解代谢产生ATP
动能
热能
生物分子的 磷酸化程度降低
此时分解代谢相关的酶通过磷酸化被激活
分解代谢占主导
合成代谢相关的酶通过磷酸化被抑制。
降低（休息）
机体在运动过后，处于静息阶段
多余ATP
合成代谢
化学能
热能
回归正常水平波动
生物分子的 磷酸化程度降低
此时分解代谢相关的酶通过去磷酸化被抑制
合成代谢相关的酶通过去磷酸化被激活。
合成代谢恢复
略微升高（进食）
进食状态
合成代谢占主导
（2）能荷是指在总的腺苷酸系统中（即ATP、ADP和AMP之和）所负荷的高能磷酸基数量，表示细胞的能量状态。
能量状态：
富能
能荷高于稳态
贫能
能荷低于稳态
酶活性的特异激活和抑制
特异的蛋白质激活剂和抑制剂在酶活性的调节中起重要作用。如钙调蛋白能够感受细胞内Ca2＋浓度变化，当钙的水平升高时激活相关蛋白质。
酶原激活、共价修饰和级联反应
蛋白酶解对酶活性的影响
酶原和激素原由蛋白酶解而激活，是一个不可逆过程，无需供给能量。
酶的共价修饰与连续激活
酶的共价修饰与连续激活的作用方式及特点
酶的磷酸化与脱磷酸化
磷酸化和脱磷酸分别由不同酶促反应来完成，以便于对反应的控制磷酸化反应具有高度放大效应;酶的磷酸化和脱磷酸作用主要在细胞信号转导途径中进行
腺苷酰化和脱腺苷酰化
腺苷酰化酶的 AMP 单位来自 ATP，共价结合的AMP单位可通过磷酸解而脱去，并产生 ADP;
这两个反应都是由腺苷酰转移酶催化完成的;腺苷酰转移酶的特异性是由调节蛋白 P所控制，该调节蛋白以P_A、P_D两种形式存在。
尿苷酰化和脱尿苷酰化
调节蛋白 P通过尿苷酰化和脱尿苷酰化反应改变调节作用的特异性
酶的共价修饰和连续激活的作用方式除了上述方式以外，还有乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化等酶促反应的调节机制。
酶量的调节
酶量的调节
即，基因表达调节
酶的数量是酶的生成和酶的降解两方面作用的结果。可分为两类：一类随细胞生长而生成或降解，并以相对恒定的水平存在于细胞内；另一类在细胞根据自身需要选择生成或降解。
细胞对代谢途径的分隔与控制
细胞水平
细胞结构和酶的区域化分布
细胞质膜
细胞膜
信号传导膜蛋白
G蛋白偶联受体
受体酪氨酸激酶
离子通道
黏着蛋白
内质网
蛋白修饰相关酶系
高尔基体
溶酶体
水解酶
细胞溶胶
糖异生
糖原的合成
脂肪酸的合成
大多数合成代谢
磷酸戊糖途径
氨基酸的降解和合成酶系
核苷酸的降解和合成酶系
翻译和蛋白质定位相关酶系
糖酵解酶系
细胞核
核膜 穿梭机制
核孔复合体
复制相关酶系和因子
转录相关酶系和因子
调控相关的反式作用因子
DNA RNA修饰
线粒体内
线粒体内外膜 穿梭机制
子主题
三羧酸循环
电子传递和氧化磷酸化
脂肪酸β氧化酶系
细胞膜结构对代谢的调节
控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度
控制细胞和细胞器的物质运输
膜和酶的可逆结合
信号转导途径对代谢的调节，即信号转导
机体在整体水平上 对细胞代谢的调节控制
机体的整体水平
激素对代谢的调节
神经对代谢的调节
各器官间代谢的协调
肝加工和转运营养物
肌肉利用ATP做机械功
脑利用能量传递电脉冲以加工信息
血液运送氧、代谢物和激素
血脑屏障
代谢紊乱造成的疾病
糖尿病与胰岛素
胰岛素抵抗：身体对胰岛素的反应减弱，
以及胰岛素分泌不足
肥胖病与脂代谢紊乱
血脂
高甘油三酯血症、
高胆固醇血症和低高密度脂蛋白胆固醇血症
胰岛素抵抗
长期禁食和饥饿造成的代谢紊乱
糖原分解
糖异生
脂肪氧化
酮体
蛋白质降解
基因表达调节
一、 基因表达调节的基本原理
一、 1 概念
（1）基因表达：是指在基因的遗传信息指导下产生基因产物（蛋白质和RNA）的过程。
（2）时序调节和适应调节：遗传信息的展现按一定时间程序发生改变，而且随着内外环境条件的变化而加以调整，即时序调节和适应调节。
两类基因
持家基因
组成型表达
表达产物常以恒定水平始终存在于细胞内。
可调基因
可调型表达
表达产物只有在细胞需要时才表达。
真核生物与原核生物不同的调节特征
生长快、效率高、多种多样
进化潜力大、调节精确、适应性强
二、 基因表达不同的水平上的调节
基因表达在转录水平（包括转录前、转录和转录后）或是翻译水平（包括翻译和翻译后）都可以进行调节。
基因表达的水平
转录水平
转录前、转录、转录后
翻译水平
翻译、翻译后
原核生物基因表达 在不同水平调节：
原核生物无细胞核结构，只有拟核，因此转录和翻译是连在一起的，转录水平的调节十分重要。两步合称转译，有共同的调节系统。
真核生物基因表达 在不同水平调节：
真核生物基因表达受多级调节系统的调节。
① 染色质结构的调节；② RNA转录的调节；③ RNA转录后加工的调节；④ RNA降解的调节；⑤ 蛋白质合成的调节；⑥ 蛋白质合成后加工的调节；⑦ 蛋白质降解的调节。
真核生物的 多级调节系统 包括：
（1） 染色质结构的调节
（2） RNA转录的调节
（3） RNA转录后加工的调节
（4） RNA降解的调节
（5） 蛋白质合成的调节
（6） 蛋白质合成后加工的调节
（7） 蛋白质降解的调节
三、 反式作用因子和顺式作用元件的调节
无论是原核生物还是真核生物，基因表达调节总是通过反式因子与顺式作用元件之间的作用来完成的。
反式因子
反式因子：反式因子包括调节蛋白和调节RNA。包括合成代谢的产物、信号分子、第二信使、激素等。
反式：不同分子
类型
调节蛋白
调节RNA
通过改变构象 而调节基因的表达
反映了细胞内外环境的需要。
接受信号分子带来的细胞内外环境的信息
信号分子
分解代谢的底物
合成代谢的产物
第二信使
激素
其他
顺式作用元件
顺时作用元件：顺时作用元件是指基因旁侧序列中能影响基因表达的调控序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等。
顺式：与DNA和RNA相同分子
基因组的调控区 拥有各种调控元
结合转录因子 招募有关蛋白质复合物 起始或调节转录活性
各个表达水平的调节信息也都表达到RNA上 称为RNA的调节元件。
常见的顺式作用元件
启动子
终止子
沉默子
衰减子
增强子
应答元件
四、 正调节和负调节
适应酶
需要时才诱导合成 不需要时合成即被阻遏
正调节（+）
真核生物正调节比较常见 激活因子比抑制因子多
正调节：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互作用来帮助基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录。
激活蛋白的结合
激活基因表达
激活蛋白的解离
抑制基因的表达
负调节（-）
原核生物负调节比较常见
负调节：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的调节。
阻遏蛋白的解离
激活基因表达
阻遏蛋白的结合
抑制基因的表达
不看结果看机制
五、 调节蛋白的 结合DNA的结构域和 蛋白质-蛋白质相互作用结构域
调节蛋白具有结合DNA的结构域
调节蛋白与靶基因序列 特异的相互作用
以α螺旋形式插入到DNA深沟内 与碱基对形成特异性氢键。
结合DNA的结构域 有一个或多个相对较小、具有特征的 结构基序
螺旋-转角-螺旋（HTH）
锌指（ZnF）
同源域（HD）
调节蛋白具有蛋白质-蛋白质相互作用结构域
亮氨酸拉链（ZiP）
螺旋-突环-螺旋（HLH）
二、 原核生物基因表达调节
一、 原核生物基因表达的调节
基因的表达可以在不同的水平上进行，原核生物的基因组和染色体结构由于比较简单，转录和翻译可以发生在同一时间内，因此原核生物主要在转录水平上进行调节。
二、 转录水平的调节
1. 细菌功能相关的基因 组成操纵子
操纵子模型
（1）操纵子是基因表达的协调单位，它们有共同的控制区和调节系统。 操纵子包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位，后者由启动子和操纵基因所组成。
（2）操纵子的全部基因的转录产物是一条多顺反子mRNA，操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节。操纵子的典型代表是乳糖操纵子模型和大肠杆菌色氨酸操纵子模型。
乳糖操纵子模型
乳糖操纵子由3个功能相关的结构基因、操纵基因和启动子组成，受一个调节基因的调控。
乳糖操纵子
启动子 P
启动子P是转录的起始位点，RNA聚合酶由此开始启动转录。
操纵基因 lac O
操纵基因O不编码任何蛋白质，是另一位点上调节基因R所编码的阻遏蛋白的结合部位，决定RNA聚合酶能否与启动子接触，启动RNA转录。
三个结构基因
含有Z、Y及A三个结构基因，分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
lac Z
lac Y
O
lac A
终止子 t
调节基因 R
启动子 P
lacⅠ
表达产物：阻遏蛋白
调节基因R编码一种阻遏蛋白，阻遏蛋白与O序列结合，使操纵子受阻遏而处于关闭状态。
与乳糖/其他诱导物结合构象发生改变， 构象发生改变后，其无法结合到Lac O位点
乳糖操纵子的调节：
① 培养基不含乳糖时：操纵子关闭，调节基因R转录而产生mRNA，编码阻遏蛋白。阻遏蛋白是一种变构蛋白。乳糖不存在时，阻遏蛋白有活性，能够识别操纵基因O并与之结合，导致RNA聚合酶不能与启动子结合，抑制转录启动，结果操纵子中结构基因不能转录成mRNA，因而不能产生3种特定的酶。
② 培养基含有乳糖时：阻遏蛋白能够与乳糖结合，使阻遏蛋白构象发生变化，导致阻遏蛋白不能与操纵子结合，启动子和RNA聚合酶结合，结构基因转录，此时基因开放表达，经翻译形成3种酶，消化乳糖。
2. 细菌的降解物阻遏
降解物阻遏又称葡萄糖效应，是指当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，通常优先利用葡萄糖，而不利用乳糖，只有当葡萄糖耗尽后，细菌经过一段停滞期，乳糖诱导β-半乳糖苷酶合成，细菌才能充分利用乳糖的现象。在这里调节基因的产物是环腺苷酸受体蛋白（CRP），当它与环腺苷酸（cAMP）结合后被活化，并作用于分解代谢操纵子的启动子的一定部位，促进转录进行。
降解物阻遏： 一些代谢的有关的酶类会受到其他降解物（葡萄糖）的影响而停止合成。
调节基因
表达产物： 环腺苷酸受体蛋白（CRP） /降解物基因活化蛋白（CAP）
降解物会抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶 导致cAMP浓度降低，从而抑制（-）CRP
与环腺苷酸结合后活化 结合在操纵子的一定部位，促进转录
cAMP-CRP
使结合位点DNA发生94°扭曲 促进RNA聚合酶与启动子结合
受降解物阻遏的酶类操纵子
转录前
3. 合成途径操纵子的衰减作用
控制转录起始后是否继续下去。 比阻遏作用更加精细
色氨酸操纵子模型
转录和翻译 同时进行
调节基因
色氨酸操纵子的调节基因（trpR）产生阻遏物蛋白，在有过量色氨酸存在时与之结合，成为有活性的阻遏物，它作用于操纵基因可阻止转录的进行。
除了阻遏物操纵基因的调节外，还存在另一种在转录水平上的调节，称为衰减作用，用以终止和减弱转录。
色氨酸操纵子
衰减子： 一种位于结构基因上游前导区的终止子。
衰减作用：终止或减弱转录
前导区的 前导肽编码区
4个区域互补，形成奇特的二级结构
5'端有一段162前导序列，若非缺乏色氨酸 大部分mRNA仅合成到140nt后终止
色氨酸衰减子模型
a．当氨基酸缺乏时，前导肽不能形成，前导RNA链以图34-5A的结构存在，转录在终止信号处（RNA茎环结构和寡聚U）停止。
1-2，3-4
b．如果环境中缺乏色氨酸但有其他氨基酸存在，则色氨酰-tRNATrp不能形成，前导肽翻译至色氨酸密码子（UGG）处停止。核糖体占据区域1的位置，区域2与3配对，终止信号不能形成，转录继续进行，RNA链以图34-5B的结构存在。
2-3
反终止子：终止信号不能形成
只有在色氨酸缺乏时，终止子位点特征才不会显露 转录才能继续。
产物：相关蛋白
c．环境中有足够量氨基酸存在或合成过量，前导肽被正常合成，这时核糖体占据1和2位置，终止信号形成，故90%~95%的转录会被终止，如图34-2C所示。
3-4
产物：编码14氨基酸的短肽，前导肽。
结构基因
其他氨基酸操纵子
子主题
4. 生长速度的调节
细菌在不同的生长培养基中表现出不同的生长速度，当周围生长环境贫瘠，缺乏氨基酸供给蛋白质合成，细菌就出现严紧控制现象，关闭大部分代谢活性的控制调节。在此过程中，rRNA和tRNA的合成被强烈抑制。
核糖体蛋白与rRNA的协同合成
核糖体数目 蛋白质合成速度 生长速度
翻译相关编码基因，组成二十几个操纵子
游离r蛋白的翻译阻遏
严紧型控制： 由于环境贫瘠，缺乏氨基酸供给蛋白合成， 关闭大部分代谢活性
任何一种氨基酸缺乏 或氨酰tRNA合成酶失活 都会引起严紧控制反应。
rel A
严紧控制因子（SF）
催化ATP的焦磷酸转移到GDP/GTP 3'端
核糖体
mRNA和未负载的tRNA
魔点
5'ppGpp3'
是控制多种反应的效应分子
5'pppGpp3'
结果 与RNA聚合酶结合
抑制rRNA操纵子启动子的转录起始
增加RNA聚合酶转录过程中的暂停，放慢延长相
三、 翻译水平的调节
原核生物除了转录水平上的调节外，还存在翻译水平调节，表现为以下几方面。
不同mRNA的翻译能力
mRNA的翻译能力主要受控于5′端的核糖体结合部位（SD序列），强的控制部位造成翻译起始频率高，反之则低。
翻译能力的影响因素
mRNA留存期
二级结构
茎环结构的存在会降低翻译速度
SD序列
强则翻译频率高
采用的翻译系统
常用密码子的翻译速度快
核糖体蛋白的 翻译阻遏
当有过量核糖体蛋白质存在时，能和自身mRNA起始控制部位相结合而影响翻译。
起调节作用的 核糖体蛋白
存在过量核糖体游离蛋白 起调节作用的核糖体蛋白可与mRNA多顺反子相应编码区的邻近部位结合， 起到阻止翻译的作用。 与rRNA结合能力>与mRNA结合能力
反义RNA（antisense RNA, asRNA） /干扰mRNA的互补RNA（micRNA）
反义RNA是指能与mRNA互补的RNA分子，也包括与其他RNA互补的RNA分子，由于核糖体不能翻译双链的RNA，所以反义RNA能与靶部位序列互补而与之结合，或者直接阻止其功能或改变靶部位的构象来影响其功能。
结合位置
SD序列
起始密码子
mRNA下游
tmRNA
mRNA转录不完全、损坏或部分降解， 核糖体翻译停留在断链处。
一半tRNA一半mRNA
TLD（domain）
MLR（region）
ORF 363nt
tmRNA的三个功能：
清理
进入A位点，其携带的丙氨酸与肽酰基形成肽键，残缺mRNA脱落。
接下来以tmRNA的阅读框合成11肽后，核糖体正常释放。
质控
加了11肽后的残缺蛋白，被蛋白酶降解
回收
残缺的mRNA和蛋白质被回收
RNA世界
核糖开关 mRNA非翻译区可以调节翻译活性的区域
RNA的自我调节， 可能是最古老的基因表达调节方式
非编码区（UTR） 能够结合配体的适体域（AD）
同蛋白质一样可以识别小分子 但能力逊于蛋白质
B_12框
5'-脱氧腺苷钴胺素/ CoB_12
配体
一种适体仅识别一种配体
代谢物、金属离子
AD构象变化，诱导契合
可能结果
出现终止信号
SD序列遮蔽或显露
内含子剪切方式改变
激活核糖核酸酶活性
调节表达的表达平台
三、 真核生物基因表达调节
导言
真核生物细胞内DNA含量远大于原核生物，其中很大部分是用于储存调控信息。核内DNA和蛋白质以及RNA构成以核小体为基本单位的染色质，其中DNA以很高的压缩比将十分长的分子装配成较短的染色体。转录和翻译分别发生在细胞核和细胞质中，在转录和翻译中均存在复杂的信息加工过程。
特征
结构复杂，功能分化，调节精确，适应潜力大。 DNA含量高，大部分用于存储调控信息。
多级调节系统 （8：内4外4）
真核生物可在 不同表达水平 做出精确调节
（1） 转录前调节
（2） 转录调节
（3） RNA加工和剪接的调节
（4） RNA转运的调节
（5） 翻译水平的调节
RNA干扰和多种RNA的调节
（6） mRNA降解的调节
（7） 翻译后加工的调节
（8） 蛋白质降解的调节
短期调控
主要是细胞对环境变动作出的反应
可逆性
长期调控
仅发生于真核生物
发育过程中细胞的决定和分化
永久性
多级调节系统 （8）
一、 转录前水平的调节
通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达的过程均属于转录前水平的调节。
调节方式
（1） 染色质丢失
删除一定量的基因组DNA， 可以调节某些功能基因的表达水平。
如，哺乳动物成熟的红细胞。
生殖过程
（2） 基因扩增
？
通过改变基因数量而调节基因表达产物的水平， 可以使细胞短期内大量产生某一基因的拷贝从而适应某种特殊需要。
如，某些真核生物在发育过程， 会增加rRNA基因的拷贝
昆虫产卵时，需要分泌大量卵壳蛋白， 此时会该基因进行专一的扩增
（3） 基因重排
基因组序列发生改变，失去一段序列或一段序列从一个位点转移到另一个位点。
可使表达的基因发生改变，以适应特殊需要
如，免疫气球蛋白基因的重排
（4） 染色质的修饰和异染色质化
2 DNA的修饰
DNA 的碱基可以被甲基化，DNA 甲基化和异染色质化可以关闭某些基因的活性
甲基化
一般非活性区甲基化程度高。
保持性甲基化酶
在甲基化母链的指导下，使特定部位甲基化
从头合成甲基化酶
不需要母链
染色质凝缩，可将该区域内的基因封闭
如，雌性哺乳动物的两个X染色体 其中一个高度异质化而永久失去活性。
二、 转录水平的调节
重要
真核生物的基因调节主要表现在对基因转录活性的控制上。 基因的转录活性与基因组DNA和染色质的空间结构状态有关。
基因的转录活性与 染色质空间结构和 基因启动子活化有关。
使染色体结构疏松活化
调节因子进一步影响记忆活性
生物在生长发育过程中染色质DNA和组蛋白会发生修饰， 这种影响表型的变化可以被细胞记忆， 在细胞分裂时遗传给子代细胞，称为表观遗传。
只涉及对基因活化条件的遗传，不涉及其序列。
调节方式
（1） 染色质的活化与阻遏
1 组蛋白变异和修饰
染色质改型是指染色质中与转录相关的结构变化，需要ATP提供能量， 其中包括核小体组蛋白核心的酶促乙酰化和脱乙酰化。
① 促乙酰化会降低核小体对DNA的亲和力，促进转录。
② 脱乙酰化会提高核小体对DNA的亲和力，抑制转录。
转录活性高的染色质区域 DNase Ⅰ敏感
缺少或全然没有核小体。
超敏感位点
位于转录基因5'端一侧的1000bp内，长度越200bp。 也存在于3'端或基因内。
在其介导下极易被核酸酶水解
（2） 启动子和增强子的顺式作用元件
增强子、沉默子
沉默子则是负调节蛋白作用的位点。
增强子广泛存在于各类真核生物基因组中, 其作用有几个明显特点:
可以看作是启动子远离原点的上游元件
能在很远距离(大于几 kb)对启动子产生影响:
无论位于启动子上游或是下游都能发挥作用;
其功能与序列取向无关:
无生物种属特异性:
有组织特异性， 优先或只能在某种类型的细胞中表现其功能
受发育和分化的影响。
应答元件
与转录因子（诱导因子）结合，引起专一性的基因表达。
是信号分子传导过程中最终作用位点， 可对细胞内外环境因素变动作出反应。
如，金属硫蛋白基因的调节
现以金属硫蛋白(metallothionein,MT)基因的调节区为例,说明各顺式作用元件和反式作用因子对基因转录的调节(图 34-12)。金属硫蛋白可与重金属离子结合,将其带出细胞外,从而保护细胞,免除重金属的毒害。通常该基因以基础水平表达,但被重金属离子(如镉)或糖皮质激素诱导以较高水平表达。TATA 框和 GC框是两个组成型启动子元件,位于靠近转录起点的上游。两个基础水平元件(basallevel element,BLE)属于增强子,为基础水平组成型表达所必需。佛波酯(phorbol ester)应答元件 TRE 是存在于多个增强子中的共有序列,SV40增强子中也有该序列,其上可结合反式因子激活蛋白 AP1,该因子除作为上游因子促使组成型表达外,还能对佛波酯作为促肿瘤剂(promotertumoragent)产生效应,而这种效应是由AP1与TRE相互作用介导的。佛波酯通过该途径(但不是唯一的)启动一系列转录的变化。金属应答元件(MRE)受相应转录因子MTFI调节,多个MRE元件可引起MT以较高水平表达,该序列可看作启动子的应答元件。糖皮质激素是一种类固醇激素,它的应答元件(glucocorticoid response element.GRE)是增强子的可调节位点,位于转录起点 250bp的位置。类固醇激素与其受体结合于该位点而诱导 MT高水平表达。与 GRE相邻为E框(E-box),由上游激活因子 USF 所活化。
（3） 调节转录的反式作用因子
反式作用因子是识别、结合顺式作用元件，并调控基因转录的蛋白质。编码反式作用因子的基因与被反式作用因子调控的靶基因位于不同的染色体或不同的DNA分子上。
转录因子 共有的三个结构域
DNA结合结构域
调节蛋白具有结合DNA的结构域
转录调控结构域
转录激活结构域
富含酸性氨基酸α螺旋
富含谷氨酰胺结构域
富含脯氨酸结构域
转录抑制结构域
二聚化结构域
调节蛋白具有蛋白质-蛋白质相互作用结构域
大多数通过中介复合物作用于转录复合物。
三、 RNA加工和剪接的调节
剪接
组成型剪接
同时产生多种异型体蛋白
功能可能相同，也可能不同
调节型剪接
随条件的不同产生不同的产物
增强子、沉默子
调节蛋白
SR蛋白
RNA编辑
四、 RNA转运的调节
mRNA的运输
主动过程，Ran-GTP
五、 翻译水平的调节
与原核生物相似
翻译水平的调节
RNA干扰和多种RNA的调节
双链RNA引起特异基因表达沉默的现象，称为RNA干扰。 比asRNA更加有效。
应对
外源基因入侵
内源异常RNA合成
转座子和高度重复序列转录
dsRNA
长的dsRNA经RNA切酶Dicer消化产生的 约23nt的短双链RNA。
短的干扰RNA（siRNA）
与有关蛋白形成 RNA诱导的沉默复合物
三条抑制途径
ATP，解开双链
（1） 破坏含有互补序列的mRNA
完全互补
（2） 抑制mRNA的翻译
不完全互补
（3） 在启动子处诱导染色质修饰使基因沉默
进入核内，与基因序列配对
微RNA，miRNA 小时序RNA
非编码蛋白基因转录，前体
20~25
控制发育 主要作用于发育调节蛋白的mRNA
保守性、组织特异性、时序性
除可编码蛋白的mRNA，其他RNA都称为 非编码RNA，ncRNA
lncRNA
子主题
RNAa
RNA激活因子
六、 翻译后加工的调节
真核生物翻译后水平的调节主要是控制多肽链的加工方式和折叠，通过不同的加工方式可产生不同的活性产物。
蛋白质的剪接
外显肽1
内含肽
N端
-SH -OH
攻击肽键
肽链转移到上面
羧基端天冬酰胺环化
外显肽2
N端
-SH -OH
攻击酯键
肽链转移到上面
剪接反应
七、 蛋白质降解的调节
N端法则：蛋白质的寿命与其成熟蛋白N端的氨基酸有关。
实际情况比较复杂，还存在其他信号。
不稳定
稳定
泛素介导的蛋白质降解机制
原核生物没有，其蛋白质的降解缺少精确的选择性和可控性
蛋白质的选择性降解可以通过泛素-蛋白酶体的途径，其生物学功能十分广泛，包括调节基因转录，细胞周期，器官形成和生物节律、抑制肿瘤、加工抗原等。
激素和信号转导
一、 信号
细胞能够对外部信号作出反应, 这是细胞得以生存的必要机制。外部信号包括物理信号(如光、声波、机械接触等)和化学信号(无机分子和生物分子),由受体接受,再转化为细胞反应。 通常信号分子无需进人细胞,在作用于受体后即引起细胞内的化学变化,称为信号转导(signal transduction)。
（外）表皮神经内分泌系统
多细胞生物 协调机体内各器官和组织的 胞外化学信号
信息素： 在不同个体间，特别是异性个体间传递信息。 一个重要功能是作为性引诱剂促进性行为的发生。 目前的研究集中在昆虫。
外源信号
生长因子/细胞因子： 如，表皮生长因子、红细胞生成素、白细胞介素和干扰素 属于是一类小的分泌蛋白。 通过跟靶细胞的质膜受体结合，促进靶细胞的生长和分裂。 与激素的区别是，引起细胞应答的活性更加持久。
激素
神经递质
（特指由神经元轴突末梢释放的信号，对邻近的神经元产生影响）
特性
特异性
时间短，效应强
细胞分泌，体液运输
内源信号
二、 激素
一、激素概述
1 概念
激素是由内分泌腺或内分泌细胞产生的，直接分泌到体液中，对机体生理过程起调节作用的一群微量有机化合物。
2 激素的特点
（1）激素是内分泌系统合成的信息载体或信号分子；
（2）激素被直接分泌到体液（如血浆、淋巴液、脑脊液、器官组织之间的组织液和细胞之间的胞外液）；
（3）激素的作用很强，很低浓度就能引起很强的应答；
（4）激素分子在细胞中不能积累，很快就被破坏。
3 激素分类（按化学本质分类）
（1）含氮激素（包括蛋白质、多肽类激素，氨基酸衍生物激素）；
（2）固醇类激素；
（3）脂肪酸衍生物激素（二十碳四烯酸）。
按生物来源 分类 3
人和脊椎动物的 一些重要激素
激素按化学本质 分类 3-8
含氮激素
肽激素
一级和二级内分泌腺，除了多巴胺外， 分泌的几乎都是肽激素
氨基酸衍生物类激素
儿茶酚胺类
来自酪氨酸
肾上腺素
多巴胺
甲状腺激素
来自甲状腺球蛋白含碘酪氨酸
氧化氮
来自精氨酸+氧气
氧化氮（NO·）是一个相对稳定的自由基，在NO合酶催化的反应中由分子氧和精氨酸的胍基氮合成。氧化氮可以激活细胞溶胶的鸟苷酸环化酶，催化第二信使cGMP的产生，进而通过cGMP依赖型蛋白激酶磷酸化关键蛋白质并改变其活性。
受体-鸟苷酸环化酶途径
水溶性，不能通过质膜， 与靶细胞膜受体结合；产生第二信使。
类二十烷酸激素
来自花生四烯酸
旁分泌
类二十烷酸激素是由20-碳多不饱和脂肪酸衍生而来的，包括前列腺素、凝血噁和白三烯。
水不溶性，不能通过质膜， 与靶细胞膜受体结合；产生第二信使。
类固醇激素
固醇类激素
胆固醇
包括肾上腺皮质素和性激素，是带有不同侧链的环戊烷多氢菲的衍生物。
维生素D激素
胆固醇
维生素D激素常称骨三化醇，是1,25-二羟维生素D3。它在肝和肾中从维生素D经酶促羟基化而来；
类视黄醇激素
来自维生素A
类视黄醇激素是一类强力激素，通过核内类视黄醇受体调节细胞的生长、生存和分化。
水不溶性，可以通过质膜， 与核内受体结合，调节基因的表达。
通过核内受体的信号转导机制
昆虫激素
昆虫内激素
昆虫外激素
即，信息素
植物激素
生长素、细胞分裂素、赤霉素
脱落酸、乙烯
激素的分泌 和控制
内分泌腺及 其分泌的激素
内分泌系统
内分泌系统是人体及脊椎动物体内的两大通讯系统之，它由分散在体内的内分泌腺的一些无管腺和细胞组成。这些特定的器官和细胞在特定的神经或体液的刺激下分泌激素进入体液（如血液）。
一级内分泌腺 ——下丘脑
+ 释放因子（RF）
- 抑制因子（IF）
一级内分泌腺 如，ng 促肾上腺皮质激素释放因子。
二级内分泌腺 ——垂体
神经垂体（后叶） 含有起始于神经元的轴突末梢， 可以看作是下丘脑的一部分。
催产素 OT
催乳和 促进子宫活动。
血管升压素/抗利尿激素 ADH
子主题
腺垂体（前叶）
各种促激素
促进靶细胞生长和分泌活动
生长激素 GH
促肾上腺素皮质激素 ACTH
促甲状腺激素 TSH
催乳激素/促乳素 LTH
怀孕
促进乳腺生长和 乳的合成。
等
二级内分泌腺 如，μg（x1000） 促肾上腺素皮质激素
甲状腺
甲状腺素 T4
增加代谢
甲状旁腺
甲状旁腺激素
促进骨骼脱钙
肾上腺皮质
糖皮质激素 （皮质醇）
肝细胞糖原异生，提高血糖 升高血压 增强免疫应答。
盐皮质激素 （醛固酮）
肾小管重吸收 钾排泄
肾上腺髓质
独立应答
肾上腺素
cAMP—PKA途径-钙调蛋白激活蛋白激酶途径
子主题
去甲肾上腺素
胰岛
独立应答
胰岛β细胞 胰岛素
受体酪氨酸激酶 RTK
胰岛α细胞 胰高血糖素
性腺
卵巢
雌激素 （雌二醇）
子主题
孕酮（黄体酮）
怀孕期间
子宫内膜增生 抑制子宫活动，具有安胎的作用
睾丸
雄激素 （睾酮）
子主题
胎盘
绒毛膜促性腺激素（CG）
促进黄体分泌激素 功能与孕酮相似
雌激素
孕酮
胎盘催乳素（PL）
胸腺
胸腺素
松果体
褪黑素
胃肠道
肾脏
肾素
1, 25—二羟维生素D3
调节钙和磷的代谢
心脏
心脏因血容量增加而舒展
心房肽
促进钠排泄， 与血压有关
肝
胰岛素样生长因子
三级内分泌腺 如，mg（x1000） 皮质醇
激素释放的分级控制和反馈调节
激素释放的调节通常是通过上级内分泌腺对下级内分泌腺的调节，以及神经系统与内分泌系统共同调节发挥作用。
分级控制
一级内分泌腺—— 下丘脑
二级内分泌腺—— 垂体
一级靶腺 是最高级内分泌腺下丘脑释放的激素的靶子。
三级内分泌腺
其释放的激素称为外围激素/第三级激素
反馈调节
反馈作用是指靶细胞代谢活动的结果反过来对内分泌腺的代谢或功能起调节作用，这种作用一般是抑制性的，是机体对激素的产生和分泌进行调节的基本方式之一，通过负反馈作用维持激素浓度的相对稳定，保持对激素效应的控制。
激素级联
在级联的每一个水平上，一个小信号引出一个大的应答
激素释放的自我控制
（负反馈，-） 在激素级联水平上， 最后一个激素或一个中间激素的浓度超过不必要的水平， 会抑制级联前面激素的释放。
如， 皮质醇可以引起下丘脑中分泌CRF的神经动作电位， 同时还可以直接作用于垂体前叶，降低ACTH细胞对CRF的敏感度。
激素的横向制约
雌激素可以提高垂体前叶促乳素的分泌， 肾上腺素可以抑制胰腺小岛细胞分泌胰岛素。
三、 信号转导
概述
信号转导是指细胞外信号被放大并转化为细胞内的化学变化的过程。
信号转导的共同特点
专一性
激素与它的受体之间结构互补。
敏感性
酶级联放大作用
方面 3
亲和力
Scatchard分析 p538
激素与受体的相互作用
协同性
指配体浓度的小变化则引起受体活性的大变化。
氧与血红蛋白结合的协同性
级联放大
酶级联是指一个跟信号受体结合的酶被连续激活的反应链，即酶催化酶的生化序列。
一个酶分子在一步反应中可以催化多个多个底物发生转化，假设10个。 如果底物也是酶，则第二步反应可以使10^2个底物发生转化。 如果n步底物都是酶的化，则最后产物则有10^n个
分子的模块性
蛋白具有多个结构域，因此可以识别多个特定靶标 单个模块是多价的， 这些模块可以组装成各种各样的复合体。
受体系统的脱敏作用
转导系统的整合作用
指系统接受多信号并产生适合细胞或生物体需要的统一应答能力。 不同信号途径在几个水平上可以相互转换，产生复杂的对话，以维持稳态。
信号转导的基本过程
首先，一个信号跟受体发生相互作用； 第二，被活化了的受体跟细胞机器相互作用，产生第二信使或细胞蛋白质活性发生变化； 第三，靶细胞的代谢活动发生改变； 最后，转导过程结束。
受体
基本受体类型 6
G蛋白偶联受体
受体酪氨酸激酶
受体鸟苷酸环化酶
核内受体
激素作用受体
质膜门控离子通道
黏着受体
G蛋白偶联受体 两条信号通路
G蛋白偶联受体 GPCR
涉及许多常见的疾病。 市场中几乎一般一半的药物是瞄准它的。
基本要素 3
一个具有7个跨膜螺旋段的质膜受体
G蛋白： 鸟嘌呤核苷酸结合蛋白。
非活性形式
G-GDP
活性形式
G-GDP→G-GTP 从被占受体上解离下来， 结合到附近的效应酶。
效应酶
腺苷酸环化酶
酶活化，催化ATP环化成cAMP
磷脂酶 C PLC
PIP2专一，产生 DAG IP3
人类基因组
编码约350个用来检测配体的GPCR
至少150个未鉴定出受体
编码约500个作为嗅觉和味觉的受体蛋白
cAMP—PKA途径
大部分含氮激素如肾上腺素
激素到达靶细胞后，首先和靶细胞膜上的特异性受体相结合，活化的受体刺激与之偶联G蛋白，使G蛋白活化，刺激腺苷酸环化酶（AC）活性，使细胞内的ATP转变成cAMP，提高靶细胞cAMP水平。cAMP与无活性的蛋白激酶A（PKA）的上调节亚基（R）结合释放出催化亚基（C），使得PKA获得活性，进一步催化下游靶蛋白磷酸化，发挥生物学作用。在这种机制中，激素被称为第一信使，cAMP则被称为第二信使。这种激素的作用机制称为第二信使学说。这种作用反应快，通过生成cAMP而立刻作用于机体组织。大部分含氮激素都以这种方式起作用。
β-肾上腺素能受体系统
肌肉、肝、脂肪组织
信号转导
激动剂与拮抗剂
GPCR
肾上腺素能受体 4
α1-肾上腺素能受体
α2-肾上腺素能受体
β1-肾上腺素能受体
β2-肾上腺素能受体
肾上腺素与受体上位于质膜深处的结合位点结合，构象发生改变。
G蛋白 （杂三聚体，αβγ）
刺激G蛋白
开关接通 on
受体与G蛋白的相互作用受到影响，促进G蛋白α亚基中GDP的解离和GTP的结合。
α亚基-GTP可以激活效应蛋白——腺苷酸环化酶， 解离后移动至附近的腺苷酸环化酶。
α亚基-GTP自失活
开关关闭 off 单独的GTPase活性比较微弱。
腺苷酸环化酶
内在蛋白 胞内侧有活性部位
与其结合后激活，催化ATP环化成cAMP
@cAMP
cAMP依赖型蛋白激酶 PKA 四聚体 R2C2
锚定蛋白
cAMP结合催化亚基R，构象改变 激活PKA-2C催化结构域解离
自抑制结构域的置换
PKA-2C 催化靶蛋白磷酸化 引起细胞细胞对肾上腺素的应答
底物结合裂隙内有一段氨基酸残基 在已知的1000种激酶都是一样的。
PKA识别靶蛋白标记序列，标记出待磷酸化的Ser/Thr残基 ——共有序列
cAMP被磷酸二酯酶水解
终止应答 3
肾上腺激素的浓度水平低于受体的K时，激素自行解离
机制一
-ATP被G蛋白固有GTPase水解
机制二
GTP酶激活剂蛋白（GAP）
cAMP被磷酸二酯酶水解
机制三
最后，磷蛋白磷酸酶去除磷酸化
脱敏
β-肾上腺素能受体磷酸化
β-肾上腺素能受体激酶 βARK/GRK2
招募
羧基端的几个Ser残基磷酸化
抑制蛋白缔合
β-抑制蛋白 βarr
结合在磷酸化羧基结构域 阻止受体与G蛋白的相互作用。
复合物招募小泡形成的蛋白 通过胞吞作用移入胞内小泡 使受体隐藏
最后，磷蛋白磷酸酶去除磷酸化
IP_3、Ca2+-钙调节蛋白 DAG-PKC途径
第二GPCR
激素通过结合到细胞表面的受体上，激活G蛋白，G蛋白开启磷酸肌醇酶的催化活性。这个级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇4,5-二磷酸的两个酶解产物：肌醇1,4,5-三磷酸和二酰基甘油。在磷酸肌醇酶催化下先产生二酰基甘油和肌醇三磷酸。二酰基甘油进一步活化蛋白激酶C，促使靶蛋白质中的苏氨酸残基与丝氨酸残基磷酸化，最终改变一系列酶的活性；肌醇三磷酸则作用于内质网膜受体，打开Ca2＋通道，升高细胞质内Ca2＋浓度，改变钙调蛋白和其他的钙传感器的构象，使之变得更易于与其靶蛋白质结合，改变靶蛋白质的生物活性，使一系列蛋白质或酶的活性发生改变。从而完成激素的磷酸肌醇级联放大作用，最终在细胞内引起激素的广泛的生理效应。
受体 G_qα
磷脂酶 C PLC
PIP_2 → IP3 + 二酰甘油
第二信使
cAMP
+/- 腺苷酸环化酶
-
激活抑制性G蛋白 Gi
α2-肾上腺素能受体
通过别构作用激活cAMP依赖型蛋白激酶A PKA
靶蛋白磷酸化
激活某种功能相关蛋白
如果PKA的催化亚基进入核内，磷酸化cAMP应答元件结合蛋白（CREB）， 调节专一基因的表达
一个胞外信号对不同组织或细胞 可有极其不同的效应，取决于3个因素：
受体类型
与受体偶联的G蛋白类型
PKA的靶蛋白
衔接蛋白/支架蛋白
众多信号被单一第二信使介导的原因 靶酶的亚细胞定位
能够把一些担当合作者角色的其他蛋白质分子结合到一起。
A激酶锚定蛋白 AKAP
可以将PKA以及相关蛋白限制在某一结构附近 且不同类型的细胞，有不同的一套AKAP， 因此cAMP可以刺激特定蛋白磷酸化
IP3、Ca^2+、DAG
PI3K
二酰甘油( DAG)
激活蛋白激酶C（PKC）
允许与含有PKC共有序列的蛋白结合， 并使其磷酸化
肌醇-1,4,5-三磷酸 (IP3)
内质网
水溶性化合物，可从质膜扩散到内质网
IP3-门控Ca2+离子通道
开启
内质网释放钙离子到细胞溶胶
Ca2+
Ca2+
特性及时空分布
时空分布
未激动的细胞
细胞溶胶
[Ca2+]<10-7，保持在很低的水平。
Ca2+泵 磷酸钙
胞外环境+ 内质网(ER)、线粒体
激动的细胞
细胞溶胶
[Ca2+]骤然升高
Ca2+通道
开启
胞外环境+ 内质网(ER)、线粒体
担任作为第二信使 触发胞内应答的角色
细胞内Ca2+浓度可以大幅度地发生变化；
能够与蛋白质上的多个负电荷氧很好地结合， 从而促进蛋白质构象的改变。
Ca2+局部应答 与信号波动
释放过程的某一步发生反馈调节。
与cAMP的通讯
cAMP相关酶受Ca2+刺激 引起短暂而局部的变化。
钙调蛋白 CaM
一条多肽链，148aa
酸性蛋白质 有4个高亲和力的Ca2+结合位点
[Ca2+]=10-6，结合Ca2+
Ca2+结合蛋白家族(170~)
如，肌钙蛋白，触发骨骼肌收缩。
E-F手结构
两个α螺旋，E、F
中间β折叠
Ca2+结合部位
可以与多种蛋白结合 作为内在亚基， 调节它们的活性
CaM 激酶，Ⅰ~Ⅳ
磷酸化靶酶
肌肉磷酸酶b激酶
磷酸化靶酶
肌肉收缩， 糖原降解
受体一酪氨酸激酶途径
激素与受体酪氨酸激酶（Receptor Tyrosine Kinase, RTK）结合后，使原来无活性的RTK变为有活性的RTK，RTK催化受体分子自身Tyr残基磷酸化，并进一步提高RTK的活性，使其他底物蛋白磷酸化，通过一系列的反应产生相应的生理效应。胰岛素、表皮生长因子以及一些癌基因的作用途径就是受体酪氨酸激酶途径。
受体酪氨酸激酶 RTK
许多受体结合配体后，会二聚化，INSR例外。
胰岛素受体蛋白(INSR, 二聚体2αβ)
胰岛素
胞外
α亚基 胰岛素受体结构域
β亚基
中断信号传导
β亚基跨膜螺旋段
胞内
β亚基羧基端
酪氨酸激酶活性 把ATP的磷酰基转移到专一靶蛋白中Tyr残基的-OH上。
自磷酸化 封闭活性部位的抑制序列移出 成为活性酪氨酸激酶
磷酸化其他靶蛋白。
MAPK级联
介导各类由生长因子 启动的信号传导。
受体
（1） 胰岛素受体
以胰岛素为例
受体酪氨酸激酶 RTK
羧基端酪氨酸残基自磷酸化
（2） TGF-β受体
转化生长因子
丝氨酸/苏氨酸激酶活性
羧基端丝氨酸/苏氨酸残基自磷酸化
补充
胰岛素受体底物-1(IRS-1)
分支点
磷酸化 -Tyr-P
多蛋白复合体
Grb2属于衔接蛋白
衔接蛋白/支架蛋白
Grb2-SH2结构域
Src
可溶性蛋白Tyr激酶，可与受体缔合。 具有特有的P-Tyr结构域。
Src同源（SH）结构域
Grb2-SH3结构域
Sos
富含脯氨酸区
鸟苷酸交换因子(GEF) 催化GTP取代结合在Ras蛋白上的GDP。
Ras
小G蛋白家族
GTP结合蛋白，单体
激活后续三个蛋白激酶的级联
MAPK级联: Raf-1 MEK ERK
两步的磷酸化
2 Ser
Thr Tyr
ERK-Thr-P
进入核内，磷酸化核内的转录因子 如，EIK1
这些调节因子调整约 100多个胰岛素调节基因的转录， 其中还包含了编码细胞分裂所必需的蛋白。
促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族
MAPKK
MAPKKK
Ser+Tyr
Ser/Tyr
促分裂原是一类胞外信号，诱导有丝分裂和细胞分裂。
Ser/Tyr
胰岛素促进糖原合成的途径
PIP3分支
PI3K
SH2结构域
PIP2→PIP3
4. 磷脂酰肌醇（PI）：
多电荷头基，另一条级联途径支路的起点。
专一磷酸酶，PTEN
肿瘤中经常发现该基因突变
中断信号传导
PKB
结合期间被PDK1激活
Ser/Tyr磷酸化
糖原合酶激酶3，GSK3
磷酸化失活
糖原合酶保留活性，加速糖原合成速率。
JAK-START
促红细胞生成素 EPO
EPO受体
EPO受体二聚化，结合并激活 蛋白质激酶JAK，磷酸化受体胞质结构域中的几个Tyr残基
JAK（Janus激酶）是一类非受体酪氨酸激酶家族
START
一个转录因子家族
START5-SH结构域与受体P-Tyr结合
被JAK磷酸化 形成二聚体
核定位序列 NLS
二聚体转运到核内
诱导红细胞成熟
信号转导系统之间的通讯 （普遍而复杂）
胰岛素使肾上腺素信号途径减弱
内化
INSR激酶直接磷酸化能受体的2个Tyr PRK磷酸化2个Ser
触发网格蛋白辅助的内化，敏感性降低
肾上腺素能受体上 P-Tyr用作含SH2结构域的蛋白。
第二信使的相互作用
细胞内受体途径
受体-鸟苷酸环化酶途径
类型
受体鸟苷酸环化酶
心房肽 ANF 集合管细胞，Na排泄 血管平滑肌细胞，舒张 降低血压
鸟甘素和内毒素 肠道表皮细胞，Cl排泄 减少肠皮层对水的重吸收而引起腹泻
胞外
跨膜螺旋段
胞内
鸟苷酸环化酶活性
可溶性鸟苷酸环化酶-血红素
NO，极性分子无需载体即可穿膜。 不稳定形成的几秒钟内发生氧化，生成硝酸盐和亚硝酸盐。 心肌细胞舒张，缓解心绞痛。
cGMP
cGMP依赖型蛋白激酶 ——蛋白激酶G PKG
磷酸化靶蛋白PKC共有序列的Ser和Thr残基
硝基血管舒张剂
降解过程中可以产生稳定的NO流
伟哥
抑制阴茎血管cGMP PDE（磷酸二酯酶）同工酶
通过核内受体的信号转导机制
类固醇激素， 疏水，不溶于血液，需要专一的载体蛋白转运
激素首先进入细胞，作用于细胞核。这类激素的受体通常是结合DNA的蛋白质，一旦激素结合到受体上，受体就转变成一种转录的增强子而特定的基因就得到扩增表达，这种作用是通过基因转录形成mRNA而实现的，过程较慢。这些激素的原发效应反映在基因表达上，而不表现在酶的激活或转运过程的变化上。由于这种作用是通过基因转录形成mRNA而实现的，因此作用过程较慢。
激素-受体与激素应答元件(HRE)结合， 然后通过与附近蛋白的协作，调节附近基因的表达。
阻断药物
三苯氧胺
雌激素拮抗物，用于治疗乳腺癌。
米菲司酮
与孕酮受体结合并阻断受精卵植入子宫所必需的激素作用。 避孕药
门控离子通道 信号通路
刺激信号 神经递质
门控离子通道检测外部信号产生膜电位变化， 是可兴奋细胞中电信号传递的基础
可兴奋细胞：感觉细胞、神经元、肌细胞
无机离子的 跨膜移动
K+、Na+、Ca2+、Cl-
极化膜
Na+-K+ATP酶
主动运输/转运，吸钾排钠。
+2K+ -3Na+
内负外正，膜静息电位建立。
规定
细胞内负外正，Vm为负值
典型动物细胞：Vm=-70~-50mV
离子通道
被动
去极化：Na+流入和Cl-流出，Vm趋于0。
产生短暂的动作电位，电脉冲
超极化：K+流出，Vm降低
恢复和维持静息电位
电化学势
浓度差和电位差两部分
电压门控离子通道产生神经元的动作电位
电压门控Na＋通道
一条长的多肽链围绕成中央通道，有四个结构域；
子主题
当膜处于静息时( V m = - 6 0 m V )通道关闭； 在应答乙酰胆碱（或某些其他神经递质）膜发生局部去极化时，通道短暂打开 Na+内流。>10^7离子/s
后快速失活，存在一个简短的不应期。
保证动作电位的传导方向不会改变。
电压门控K＋通道
在应答附近Na＋通道的打开而去极化时，K＋通道立即打开， 浓度梯度差大于电位差，所以K＋外流。
Na＋流入轴突造成的去极化马上有K＋流出引起的复极化（repolarization）与之抗衡。
膜内外的电荷变化， 产生电信号，沿着轴突传导
电压门控Ca2+通道
轴突的远端
当Na＋和K＋通道活动引起的去极化和复极化的波到达时，Ca2+通道立即打开，触发神经递质乙酰胆碱的释放。 乙酰胆碱把信号传递给下一个神经元，激发动作电位；或传递给一个肌细胞，引起收缩。
配体门控离子通道
激素与可兴奋细胞膜上受体结合后会激活受体，打开或关闭膜上的离子通道，改变跨膜电位（Vm），并传递下去。可兴奋细胞在神经传导、肌肉收缩、激素分泌、感觉过程和学习与记忆中起关键作用。
乙酰胆碱受体
K+、Na+、Ca2+
构象改变，引起离子通道打开。 阳离子向内移动，使极化膜去极化，产生动作电位。
有一个打开几秒后立即关闭闸门的固有定时机制。
由五个同源亚基组成
M2螺旋Leu残基侧链 α亚基-乙酰胆碱
其他不同神经递质的受体通道
促（亲）离子型受体，本身是离子通道的受体。 促（亲）代谢型受体，产生第二信使。
阳离子通道
5-羟色胺、谷氨酸
在一些关键位置是带负电荷的Glu和Asp侧链。
胞外配体
阴离子通道
甘氨酸
胞内第二信使调节的离子通道， 参与视觉、嗅觉和味觉的感觉传导。
毒素靶向离子通道
自然界发现的许多最强毒素都作用于离子通道。 少量的毒素分子在胞外作用就能对全身的神经传导产生十分显著的效应。
整合蛋白——双向黏着受体
胚胎发育分化、免疫识别、血小板凝结 细胞与细胞或胞外基质的黏着，整合胞外和胞内环境的信息。
当激素在离跨膜受体几个纳米的一个位点结合时，整合蛋白的胞外结构域进行剧烈、全面的构象变化。这些变化以某种方式更改α和β亚基胞质（侧）尾端的布局，改变跟胞内蛋白质的相互作用，因而把信号向内传输。同理，处于一种构象态的胞外结构域对胞外基质的蛋白质没有亲和力，但来自细胞的激素信号能够使之转变为另一种构象，采取这种构象的整联蛋白能与胞外蛋白质紧密黏着。
由外向内信号传导
配体
胶原蛋白
整合蛋白识别序列 -Arg-Gly-Asp-(RGD)
胞外结构域构象变化， 改变胞内蛋白的相互作用。
由内向外信号传导
配体
细胞骨架
改变胞外结构域构象，改变配体结合能力。
生化
碳骨架
氧化脱氢与电子传递
辅因子
缩合
羰基
羰基的物理性质包括具有强红外吸收，化学性质方面，由于氧的强吸电子性，碳原子上易发生亲核加成反应。其他常见化学反应包括亲核还原反应、羟醛缩合反应等 。羰基化合物的沸点比相应相对分子质量的烷烃高，但比醇低。低级醛酮能与水混溶，因为它们的氧原子可以与水形成氢键。
羟基
甲基化
相关辅酶
1. S-腺苷甲硫氨酸（SAM）
：SAM是生物体内甲基化反应的主要直接供体，它能够将甲基转移至胺、苯酚和硫醇，生成N-、O-和S-甲基衍生物。SAM在上百种不同的甲基受体中作为供体，比如合成RNA、DNA、蛋白质、胆碱、磷脂、肉碱、肌酸、肾上腺素、神经递质等所需要的甲基都是由SAM提供的
2. 四氢叶酸（THF）
：四氢叶酸作为辅酶参与甲基化反应，它可以携带甲酰基，参与嘌呤类、丝氨酸、甘氨酸和甲基基团的生物合成。叶酸在核蛋白的生物合成上也是不可缺少的
3. 维生素B12（钴胺素）
：维生素B12在辅酶形式下称为辅酶B12，它含有咕啉环系统和钴离子，参与某些需要甲基化的反应，如在谷氨酸残基的羧化作用中的功能
4. NADPH
：NADPH在甲基化反应中也起到重要作用，它可以作为电子供体参与氧化还原反应，维持细胞内的还原状态，从而间接影响甲基化过程
氮源
N_2
硫源
硫酸的还原
H2S
半胱氨酸 甲硫氨酸
氨基酸与密码子
甲硫氨酸
AUG
谷氨酸
天冬氨酸
化合价
原子与非自身的原子结合时，争夺电子的能力
化合价正值越高代表争夺电子的能力越强，外在表现就是氧化型更强。
相应的，化合价负值越高争夺电子的能力就越弱，外在表现为还原型更强。
原子化合价的计算
1||| 判断原子共价键条数
双键算两条
以此类推
2||| 依照吸引电子能力的强弱
原子序数越高 吸引电子的能力越强。
吸引电子的能力较弱，自身失去电子为正价
吸引电子能力较强，自身得到电子为负价
相同原子形成的共价键为零价
3||| 个共价键价位之和记为当前原子的总化合价
电位
在电子传递的过程中，电子不断从低电位传递给高电位， 在电子传递的过程中，会引起质子的跨膜运输，从而产生电化学势能。
自由能
分解反应伴随着自由能的释放，分子的自由能整体上是下降的。
合成反应伴随着自由能的供给-活化，分子的自由能整体上是下降的，就底物和产物而言自由能是上升的。
无论是合成代谢还是分解代谢都有活化阶段。
活化
中间的活化阶段会出现自由能短时间升高/下降的情况，与分子的活化能有关，活化的本质就是酶活性中心的氨基酸残基或辅助因子，降低生物分子反应的活化能，推动产生并稳定高能的中间产物。
辅因子
ATP
酰基转移相关的辅酶
子主题
辅因子通过与生物分子结合，赋予生物分子更高的反应活性
常见的活化方式 及对应的活化分子
磷酸化
子主题