ρ因子是由6个亚基组成的一种“终止蛋白质”，有RNA-DNA解旋酶的活力。它结合在新生的RNA链上，借助水解NTP获得的能量推动其沿RNA链移动，但速度比RNA聚合酶慢，当聚合酶遇到终止子时发生暂停，ρ因子得以赶上酶，并相互作用，导致释放RNA，并使聚合酶与它一起从DNA上脱离。
（四）真核生物中的基因转录
1.真核生物基因组构复杂，大部分蛋白质编码基因是不连续的，编码序列（称外显子exon）被非编码序列（内含子intron）中断。
2.不同的物种、不同细胞或不同的基因可以有不同的上游DNA序列，统称为顺式作用元件（cis-acting element），DDRPⅡ识别的大部分启动子在–25bp处有一个TATAbox（赫哥尼斯盒）。能直接或间接辩认、结合转录上游区段的蛋白质统称反式作用因子（trans-acting factor），直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子（transcriptional factor，TF）。
3.转录起始，需要几个TFⅡ先后与启动子装配成复合物，进而协助DDRPⅡ结合形成转录起始复合物。
4.DDRPⅡ不在特定的位点终止，会在基因下游不同距离处终止，和转录后加工有关。由DDRPⅡ从蛋白质编码基因上合成的RNA分子称原始转录物（或称RNA前体）。
（五）转录过程的抑制剂
转录过程的选择性抑制可通过与DNA结合改变模板功能或抑制RNA聚合酶的活性阻止RNA的合成。前者有放线菌素D，对原核和真核均有专一抑制作用；后者有利福平、α-鹅膏蕈碱等。利福平仅阻止原核RNA的合成，α-鹅膏蕈碱则是真核细胞中RNA合成的专一抑制剂，通过DDRPⅡ阻止mRNA的合成。
第二节 转录后加工
一、mRNA加工
原核细胞合成的mRNA不需要或很少需要加工，许多mRNA甚至在合成前就开始翻译。
真核细胞mRNA的前体是hnRNA（不均一核RNA），hnRNA分子量大，半衰期很短，其加工过程比较复杂，包括5′- 端加帽、3′- 端加尾和中段序列的剪接，一般在核内进行。
1. 帽结构
hnRNA合成一结束，5′-端就被加上一个甲基化的鸟嘌呤帽（capO），帽子结构是5′m7GpppGp。形成过程是磷酸酶将其末端磷酸基除去，和GTP作用形成5′5′三磷酸键，接着在甲基化酶的作用下，由S-腺苷酸甲硫氨酸提供甲基加到末端的鸟嘌呤上形成capO。甲基可以加到G后面的第一个核苷酸的核糖上形成cap1或加到G后面两个核苷酸上形成cap2。该结构的功能可能对mRNA的稳定和它在翻译中起识别作用有关。
2. 3′端加尾
帽化后的hnRNA由核酸内切酶切去3′端一些过剩的核苷酸，3′端切除信号在高等真核细胞是靠近3′端区有一段保守序列AAUAAA，也是多聚腺苷酸化的信号，多聚腺苷酸聚合酶再以ATP为底物催化形成polyA尾（约100~200个）。polyA尾的功能是保护最终的mRNA3′端免受核酸酶的降解而稳定mRNA。
3. RNA剪接（RNA splicing）
剪接在加帽加尾后进行。由核酸内切酶把内含子和外显子连接的磷酸二酯键水解，去除内含子，把相邻外显子的末端连接生成功能性mRNA。不同的剪接途径允许由单个基因合成几种不同的蛋白质。
内含子5′剪切位点总是以GU开始，3′剪切位点以AG结束且上游有一个含A的分支点和保守的嘧啶序。
剪接反应涉及两步转酯反应并在剪接体装配后进行。分支点中腺苷酸残基的2′- OH攻击5′剪切位点的3′5′磷酸二酯键，使该键断裂；内含子5′回折与分支点上的A形成不寻常的2′5′键（内含子似牛仔的套索）；外显子1的新3′OH攻击3′剪切位点的磷酸二酯键，使得两个外显子连接，释放套索状的内含子。两步转酯反应中，因磷酸酯键的数目没有改变，所以没有ATP的消耗。
RNA剪接需要核内小核糖核蛋白（snRNP）和一些辅助蛋白质，这些蛋白质在将被去除的内含子上装配为剪接体。snRNP由snRNA与一些蛋白质结合形成，snRNA似乎是执行催化作用（催化性的RNA称为核酶）。
成熟的mRNA通过核膜孔转运到细胞质，指导蛋白质的合成。
二、tRNA加工
原核和真核细胞tRNA的基因转录产物为tRNA前体，通过加工形成成熟的tRNA，各种tRNA的前体结构和加工方式不尽相同，一般加工过程包括：
1. 核酸内切酶切断tRNA两端
核酸内切酶不同于DNA限制性内切酶，它不能识别特异的序列，所识别的是加工部位的空间结构。大肠杆菌核糖核酸酶P（RNaseP）是一类切断前体5′端的加工酶，切除3′端的为RNaseF。真核生物tRNA前体中的内含子位于反密码子环上，由RNA剪接反应除去，不同于mRNA的剪接反应的是不涉及转酯反应。
2. 核酸外切酶（RNaseD）从3′端逐个切除附加序列 3. 3′端加CCA-OH结构，催化反应的酶是tRNA核苷酰转移酶（有些细菌tRNA不需要这种加工）。
4. 修饰碱基的形成，由特异性的tRNA修饰酶作用形成甲基化碱基、二氢尿嘧啶等。
三、rRNA的加工
原核和真核细胞合成蛋白质需要大量的核糖体，要求存在大量的rRNA基因拷贝，转录产物是较长的rRNA前体。
原核的30S rRNA前体分子被特异的核糖核酸酶切割产生23S、16S和5S rRNA及一个tRNA。RNaseⅢ催化裂解产生23S和16S rRNA；RNaseE从前体的3′端切割产生5S rRNA。
大部分真核生物，包括人类，有大于100个拷贝的rRNA基因，18S、5.8S 、28SrRNA基因特征性地成蔟分布并串联重复，RNA聚合酶Ⅰ转录rRNA基因，每转录一次包含18S、5.8S 、28S 的基因即产生一个45S rRNA前体。然后在核仁中进行加工。加工需要核仁小RNA（snoRNA），还涉及前体中18S和28S rRNA区域的大量甲基化。核仁小RNA与一些特异蛋白质偶联构成核仁小核糖核蛋白（snoRNP），以类似snRNP介导的mRNA剪接相似的方式进行加工。5S rRNA基因拷贝存在与以上基因不同的位点，由RNA聚合酶Ⅲ转录，转移到核仁中不再加工且装配到
核糖体。
1982年美国的Cech等发现四膜虫大核rRNA前体在成熟过程中能进行自我剪接，加拿大的Altman等发现RNaseP分子中的RNA组分，也像RNaseP的全酶分子一样能单独催化tRNA前体5′端序列的切除。这些有酶样催化活性的RNA称为核酶（ribozyme）。进一步研究发现核酶的催化活性和其一小段保守序列的构象有关（似一种锤头样结构）。
核酶作用的特点：催化自身的RNA或异体RNA；催化效率较酶蛋白低；有一定的特异性；必须有Mg2+的存在。核酶的作用方式为剪切（相当核酸内切酶的作用）或剪接（相当核酸内切酶和连接酶的作用）。
第三节 RNA复制
一、RNA复制酶
某些RNA病毒侵入寄主细胞后，寄主产生RNA复制酶（RNA指导的RNA聚合酶），以病毒RNA为模板，用4种核苷三磷酸为底物合成互补的RNA链，合成方向是5′→3′。RNA复制酶的模板特异性很高，例如噬菌体Qβ的复制酶只能用噬菌体QβRNA作模板，而代用与其类似的噬菌体MS2、R17或寄主细胞的RNA都不行。
二、病毒RNA复制的主要方式
RNA病毒的种类很多，其复制方式也是多样的。
1. 病毒含有正链RNA（噬菌体Qβ和灰质炎病毒为代表） 病毒RNA侵入大肠杆菌细胞后首先合成复制酶，在复制酶的作用下，正链RNA复制互补链（负链），同样的酶又以负链为模板合成正链RNA，再以正链RNA为模板合成病毒蛋白质和复制病毒RNA（具有mRNA功能的链称正链。+RNA → ―RNA → mRNA）。
2. 病毒含有负链RNA和复制酶（狂犬病病毒） 3. 病毒含有双链RNA和复制酶（呼肠孤病毒） 4. 致癌RNA病毒（白血病病毒和肉瘤病毒）
它们的复制是以病毒RNA为模板，由逆转录酶催化生成DNA，再从DNA转录出病毒RNA。
第十一章 蛋白质的生物合成(翻译)
教学目标：
1.熟悉遗传密码的特点，记忆起始密码和终止密码。 2.掌握蛋白质合成体系的组成及功能。
3.熟悉蛋白质生物合成过程（氨基酸的活化、转运和核蛋白体循环、肽链合成后的加工修饰、能量变化）。
4.了解真核生物与原核生物蛋白质合成的差异。
导入：蛋白质是基因表达的最终产物。DNA携带的遗传信息首先转录给mRNA，mRNA所编码的遗传信息再翻译（translation）成蛋白质中氨基酸的排列顺序，这种分子翻译机的组件包括上百种蛋白质及30多种RNA分子，其工作原理很复杂，是一个快速、耗能的合成过程。
第一节 蛋白质合成体系
一、mRNA与遗传密码
1. mRNA是蛋白质合成的直接模板
原核生物一个mRNA带有功能相关的几种蛋白质的编码信息，称多顺反子（几个基因的复本）；真核生物一个mRNA一般只带一种蛋白质的编码信息，称单顺反子。mRNA的生成要经加工，尤其是真核生物细胞，这就造成mRNA的序列和DNA序列间没有完整的一对一的关系。遗传密码（genetic code）是规定mRNA的核苷酸序列翻译成多肽链氨基酸序列的一套法则，也就是mRNA的核苷酸序列和多肽链氨基酸序列的共线性关系。
2. 遗传密码是三联体密码
20世纪中叶，数学推算编码20种氨基酸所需的碱基最低数是3（43=64），密码子（codon）应是三联体（triplet），即mRNA的序列以三个核苷酸为一组。
1961年Crick及其同事通过研究噬菌体基因的移码突变推测三联体密码子是非重叠、无标点的。Nirenberg等用人工合成的mRNA在无细胞蛋白质合成系统中寻找氨基酸与三联体密码子的对应关系。Khorana和他的同事用化学合成结合酶促反应，合成含有2、3、4核苷酸重复序列的多聚核苷酸，以此为模板找出各氨基酸的密码子。技术上的突破来自人工合成的三核苷酸能与对应的氨酰-tRNA一起结合在核糖体上，由此确定绝大多数密码子。1966年全部64个密码子破译，其中AUG编码甲硫氨酸，又是起始密码；UAA、UAG、UGA3个是终止密码，不编码氨基酸；还有 61个编码一特定的氨基酸。
3. 遗传密码特点：①连续性,指密码子必须按5′→3′方向三个一组读码框往下阅读，无标点、不重叠、不跳格。正确的读码框的确立是由核糖体识别在编码序列开头处的起始密码AUG；②简并性，是指同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象。编码同一氨基酸的密码子称为同义密码子，通常只在第3位碱基上不同，这样可减少有害突变。密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵从碱基配对规律（摆动碱基配对），如tRNA反密码子第一位的I（由A转变而来）可与mRNA密码子第3位碱基U、C、A形成配对，U可对应A、G，因而密码子第3个位置又称摆动位置；③通用性，即所有生物基本共用同一套遗传密码。线粒体以及少数生物基因组的密码子有变异（如在酵母、哺乳动物、果蝇中，AUA = Met而非Ile，UGA=Trp而非终止码。）
二、tRNA与氨基酸的转运 1. tRNA是转运氨基酸的工具
具备倒L型三级结构的tRNA由氨酰合成酶催化氨基酸共价连结到3′端，形成氨酰-tRNA，需要 ATP。tRNA与蛋白质合成有关的位点至少有4个，即①3′端CCA上的氨基酸接受位点；②反密码子位点；③识别氨酰-tRNA合成酶位点；④核糖体识别位点。
2. tRNA第二套密码系统
氨酰-tRNA合成酶具有绝对专一性，对L-氨基酸、tRNA两种底物能高度特异识别。大肠杆菌丙氨酸tRNA的氨基酸接受臂上的G3?U70碱基对决定负载Ala的专一性。精氨酸-tRNA（A20），异亮氨酸-tRNA（G5?G69），酵母苯丙氨酸-tRNA（G20,G34,A35,A36）。由于氨基酸和tRNA正确结合，而tRNA又和mRNA、核糖体准确配对，这就确保遗传信息传递的稳定。
氨酰-tRNA合成酶与tRNA之间的相互作用和tRNA分子中某些碱基或碱基对决定着携带专一氨基酸的作用组成tRNA分子第二套密码系统。
三、核糖体与肽链装配
1. 核糖体是合成蛋白质的部位（或称蛋白质合成的分子工厂）
1950年P.Zamecnik将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后，取出肝脏，制成匀浆，离心，分成核、线粒体、微粒体及上清液组分，发现微粒体中的放射性强度最高，再处理微粒体，将核糖体从内质网中分离出，发现核糖体的放射译的错误频率小于万分之一）。
2. 原核生物起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸（fMet），起始tRNA是 tRNAfMet。甲酰基转移酶催化fMet-tRNAfMet的形成。
Met + tRNAfMet → Met-tRNAfMet
Met-tRNAfMet+N10-CHOFH4 → fMet-tRNAfMet+ FH4 真核生物起始氨基酸是甲硫氨酸，有两种tRNAMet，只有tRNAiMet才能与小亚基结合，起始肽链合成，普通tRNAMet携带Met只能被渗入正在延伸的肽链中。
二、在核糖体上合成多肽 此过程分为翻译起始、肽链延长、肽链的终止三个阶段。
强度比微粒体高7倍。
2. 核糖体的组成和结构
有70S和80S两种，均由大小不同的两个亚基组成。70S核糖体存在于原核细胞和真核细胞的线粒体和叶绿体中，其30S小亚基含有一个16S rRNA和21种不同的蛋白质（称S蛋白），50S大亚基含有一个23S rRNA、5S rRNA和34种蛋白质（L蛋白）。80S核糖体存在于真核细胞，其40S小亚基含有一个18S rRNA和34种S蛋白，60S大亚基含有28S rRNA、5S rRNA、5.8S rRNA各一分子和49种L蛋白。在通常情况下，核糖体的大小亚基游离于细胞质基质中，只有当小亚基与mRNA结合后，大亚基才与小亚基结合形成完整的核糖体。
核糖体上有两个tRNA结合的位点：A位点是氨酰tRNA结合位，P位点是肽酰tRNA结合位。50S亚基上有一个GTP水解位点，为氨酰-tRNA移位提供能量；两亚基接触面空隙有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延伸因子、释放因子及各种酶相结合的位点，mRNA和合成的新生多肽链通过外出孔进入膜腔。
四、有关的酶和蛋白因子 除了以上提到的氨酰-tRNA合成酶和L蛋白、S蛋白外，重要的酶还有转肽酶、转位酶等；在肽链合成的起始、延伸和终止过程有许多蛋白因子参与。起始因子（initiation factors，IF），包括IF1、IF2、IF3；延伸因子（elongation factors，EF），有EF-T，EF-G；释放因子（release factors，RF），包括RF1、RF2。
第二节 蛋白质生物合成的分子机制
蛋白质的生物合成要比DNA复制和转录复杂的多，有约300种生物大分子协同作用，全过程大致有5个阶段：氨基酸的活化、翻译起始、肽链延长、肽链合成的终止和释放、翻译后加工。真核生物与原核生物蛋白质合成非常相似，但有差异。
一、氨基酸的激活
1. 每一种氨基酸由专一的氨酰-tRNA合成酶激活。 氨酰-tRNA合成酶能识别并使氨基酸的羧基与tRNA3′端腺苷酸核糖基上3′- O H缩水形成二酯键。反应分两步进行。
氨基酸+tRNA+ATP → 氨酰-tRNA+AMP+PPi
tRNA与相应的AA结合是蛋白质合成的关键，tRNA携带正确的AA，多肽合成准确性才有保障。氨酰-tRNA合成酶有氨基酰化部位和水解活性部位，能纠正酰化的错误（如异亮氨酸与缬氨酸只一个甲基的差异，Ile-tRNA合成酶能在酰化部位区分它们，即使Val取代Ile错误掺入生成的Val-tRNA，也会通过Ile-tRNA合成酶将其水解。经过酰化部位和校正部位的共同作用，可使翻
1. 翻译起始
原核细胞肽链合成的起始需要7种成分：30S小亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet、起始因子、GTP、50S大亚基、Mg2+。起始分成3步。
① 30S小亚基和起始因子结合，通过SD序列与mRNA结合。
② fMet-tRNAfMet进入小亚基P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码配对。
③带有tRNA、mRNA和IF的小亚基复合物与50S大亚基结合，形成起始复合物。GTP水解，释放IF。
原核mRNA是多顺反子，有多个起始密码AUG位点，核糖体是如何识别合适位置的AUG？
1970年Shine和Dalgarno发现细菌的mRNA通常含有一段富含嘌呤碱基的序列（SD序），它们在起始AUG上游10个碱基左右的位置，能与16S rRNA3′端的7个嘧啶碱基互补识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。
IF3的功能是协助30S小亚基选择mRNA起始位点；IF2具有GTP酶的活性，起始过程需要一分子GTP水解成GDP及磷酸以提供能量，它对30S起始复合物与50S亚基的结合是必需的；IF1则在70S起始复合物生成后促进IF2释放，从而完成起始过程。
2. 肽链的延长
当与起始密码子紧邻的密码子被其氨酰-tRNA上的反密码子识别并结合后，延长反应也就开始。一个氨基酸的掺入是由进位—成肽—转位3个重复的反应完成的。其中肽键的形成靠核糖体自身催化，其它两个反应需要延长因子（elongation factor，EF）的参与。
① 第二个aa-tRNA在 EF-Tu及GTP作用下，生成复合物，并结合到核糖体的A位。 EF-Tu结合GDP离开核糖体。
②肽酰转移酶（转肽酶）催化P位fMet-tRNA携带的fMet转向A位与进入的aa-tRNA形成第一个肽键，催化的实质是使一个酯键转变成肽键。
③移位（translocation），移位因子EF-G催化，GTP和EF-Ts、EF-Tu参与，P位的tRNA脱落，核糖体沿mRNA移动，原A位带有肽链的tRNA转到P位，下一个密码子进入A位，以供继续翻译。
3. 翻译的终止
终止反应由释放因子RF识别进入核糖体A位的终止密码UAA、UAG、UGA开始，大亚基上肽酰转移酶变构，表现水解酶的活性，使P位上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键
水解。RR因子使tRNA从P位脱落，70S核糖体随即也从mRNA上脱落，解离为30S和50S亚基，投入下一轮核糖体循环，合成另一新的蛋白质分子。
通常，多个核糖体同时翻译一个mRNA分子，形成多核糖体（polysome），加快蛋白质合成的速度，亦使mRNA得到充分利用。
蛋白质合成消耗的大量能量用于保证mRNA的遗传信息翻译成蛋白质氨基酸序列的准确性。每一aa-tRNA形成需要 1分子ATP（2个高能键）。延长一个氨基酸消耗2分子GTP。因此每形成1个肽键消耗能量7.3×4=29.2kcal/mol（122kj/mol）。
三、翻译后加工
很多蛋白质在肽链合成后要经过一定的加工或修饰，才转变为有生物学活性的蛋白质。举例说明：
1.一级结构的修饰 ①去除N-fMet
细菌蛋白质的合成以fMet-tRNA作为第一个进位的起始物，所以N端是fMet，脱甲酰基酶水解除去N端的甲酰基，然后氨基肽酶再切除一个或多个N端氨基酸。
②靶向运输
新合成的多肽的输送是有目的、定向地进行的，通过信号肽引导到目的地。通常在被转运多肽链的N端，一段10~40个氨基酸残基组成的序列，含高度疏水性的氨基酸，最后信号肽被信号肽酶切除。如胰岛素原是由84个氨基酸组成的一条无活性的肽链，其前面的23个氨基酸残基的信号肽在转运至高尔基体的过程中被切除。最后形成由A链、B链，3个二硫键组成的有活性的胰岛素。许多蛋白激素是以前体蛋白形式合成，经加工后，再分泌出细胞。
③个别氨基酸的修饰
胶原中羟脯氨酸和羟赖氨酸是脯氨酸和赖氨酸经羟化反应形成；许多酶的活性中心的磷酸丝氨酸也是丝氨酸羟基磷酸化而成。
2. 高级结构的修饰
蛋白质的一级结构决定其高级结构，这一原则只给出蛋白质折叠的热力学上的可能性。多肽链准确折叠和组装过程需要某些辅助蛋白质——分子伴侣（chaperon）的参与，通过提供一个保护环境加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣广泛存在从细菌到人的生物体中，其中有很大一部分被称之为热休克蛋白。
3. 活性肽合成 人体内活性肽多数是从非活性的蛋白质前体经特殊的酶系加工而成。包括多肽链裂解、酰化、乙酰化、糖基化和硫酯化等。
四、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
1. 起始因子种类多。已知有9种，称为eIFs。起始氨基酸是Met，起始tRNA称Met-tRNA1。有帽子结合蛋白。
2. 起始复合物形成的次序有差异。
有43S起始复合物形成，48S起始复合物形成和80S起始复合物形成三步。小亚基40S核糖体结合到mRNA的帽子上，沿着mRNA运动，直到遇到第一个AUG密码子，才开始翻译（没有富含嘌呤的序列确定起始位点）。
3. 肽链延长和终止
目前所知，除因子的种类和名称与原核生物蛋白质合成不同外，其过程非常相似。延长因子是eEF1α和eEF1βγ。终止由单一的释放因子eRF催化。
第十二章 物质代谢的相互联系与调控
教学目标：
1.熟悉物质代谢的特点和相互间的联系，掌握交叉点。 2.了解代谢调节的方式和水平。
3.熟悉酶水平调节的方式、原理（酶活性、酶量、酶的区域化分布）。
4.了解激素和神经水平调节的特点。
导入：动物在生命活动过程中，除摄入氧气排出二氧化碳外，还要不断地摄取食物排出代谢废物。机体这种和环境间不断进行的物质交换，即物质代谢。物质代谢是生命本质特征，是生命活动的物质基础。其特点是什么？
第一节 物质代谢的相互联系
一、物质代谢的特点 1.整体性
各类物质的代谢在相互联系、相互制约下进行，形成一个完整统一的过程（网络）。如在能量供应上，糖、脂、蛋白质可以相互替代，相互制约。一般情况下，糖是主要供能物质（50%~70%），脂主要是储能（供能只占10%~40% ），蛋白质几乎不是供能形式；饥饿或某些病理状态时，糖供能减少，脂和蛋白质分解供能增加。
物质代谢在个体和种属之间都具互补性，这是生态平衡的基础。
2.代谢调节
正常情况下，机体各种物质代谢能适应内外环境变化，有序地进行。这是由于机体存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度以适应内外环境变化。代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。
3.生命物质的降解和合成有共同点
生命物质的降解是一个分子由大到小，生成其单体的过程。降解的方式有水解、磷酸解、焦磷酸解、硫解。降解后的单体进入中间代谢进一步分解。分解的作用一是获得能量，二是获得重
要的中间物。ATP是生物体能量利用的共同形式，是机体最主要的能量载体和各种生命活动能量的直接供体。分解的最终产物是CO2、H2O、NH3、H3PO4、SO2等无机物，因种属差异，各类物质分解的最终产物有所不同。
生命物质的合成是一个由小到大，由简单到复杂的过程。分为半合成和从头合成。蛋白质、核酸、多糖和脂类的聚合是一种半合成。自养生物可直接将无机物转化为有机物，氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸和胆固醇的合成是从无到有，即从头合成。NADPH是合成代谢所需的还原当量。
物质代谢具共同的代谢池，处于动态平衡中。 4.各组织、器官物质代谢各具特色
动物、植物和微生物的物质代谢以及动物各组织、器官的物质代谢途径有所不同，各具特色。肝脏是物质代谢的中心。
每种物质代谢的活化方式不同（如糖的降解是磷酸化己糖，而糖的聚合是UDPG、ADPG；甘油三酯的合成是甘油-α-磷酸和脂酰辅酶A；氨基酸的活化以氨酰腺苷酸方式进行）。
二、物质代谢的相互联系
物质代谢通过各代谢途径的共同中间产物相互联系，但在相互转变的程度上差异很大，有些代谢反应是不可逆的。乙酰CoA是糖、脂、氨基酸代谢共有的重要中间代谢物，三羧酸循环是三大营养物最终代谢途径，是转化的枢纽。
1. 糖代谢与脂肪代谢的关系
糖可以转变成脂肪、磷脂和胆固醇。二羟丙酮磷酸经甘油磷酸脱氢酶催化变成甘油-α-磷酸；丙酮酸氧化脱羧变成乙酰辅酶A，再合成双数碳原子的脂肪酸。
在动物和人，脂肪转变成糖惟量很少。甘油可经糖异生变成糖原，但脂肪酸代谢的乙酰辅酶A不能转变成丙酮酸，不能异生成糖。虽然甘油、丙酮和丙酰CoA可以转变成糖，其量微不足道。
植物体内有乙醛酸循环途径，所以，脂肪转变成糖惟量大。 2. 糖代谢与蛋白质代谢的关系
糖不能转变成蛋白质，而蛋白质可转变成糖。糖代谢产生的α-酮酸（丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸）氨基化和转氨生成相应的非必需氨基酸。蛋白质分解的20种氨基酸（亮氨酸、赖氨酸除外），均可生成α-酮酸转变为糖。
3. 脂肪代谢和蛋白质代谢的关系
脂不能转变为蛋白质，而蛋白质可转变为脂类。因为脂肪酸转变成氨基酸仅限于谷氨酸，且需草酰乙酸存在（来源糖）。
氨基酸代谢可生成乙酰CoA及合成磷脂的原料。 4. 核酸和其他物质代谢的关系
核酸和其他物质代谢的关系密切。核酸通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型，核酸代谢离不开酶及调节蛋白。
许多核苷酸在物质代谢中起重要作用，UTP参与糖的合成，CTP参与磷脂的合成，CTP为蛋白质合成所必需。许多辅酶为核苷酸衍生物。氨基酸及其代谢产生的一碳单位，糖代谢磷酸戊糖途径产生的磷酸核糖是合成核苷酸的原料。
第二节 物质代谢的调节
一、代谢调节的方式和水平 1. 细胞水平的调节
通过改变关键酶的结构或含量以影响酶的活性，进而对代谢进行调节。是生物最基本的调节方式。关键酶催化的反应特点：在整条代谢通路中催化的反应速度最慢，又称限速酶；催化单向反应或非平衡反应；受多种效应物的调节。
2. 激素水平的调节
是通过与靶细胞受体特异结合，将激素信号转化为细胞内一系列化学反应，最终表现出激素的生物效应。
3. 神经水平的调节
是神经系统通过激素、酶或直接对组织、器官施加影响，进行整体调节。
二、细胞水平的调节
（一）酶活性的调节
通过改变酶结构快速调节酶活性，有2种调节方式。 1. 变构调节
变构剂与酶的调节亚基或调节部位非共价结合，引起酶分子构象改变，从而改变酶活性。受调节的酶称为变构酶或别构酶。变构剂有底物、产物、代谢途径终产物及小分子核苷酸类物质。变构效应有变构激活和变构抑制。变构调节主要以反馈方式控制酶的活性，反馈抑制（负反馈）普遍存在。
2. 共价修饰调节
酶分子的某些基团在另一种酶催化下发生化学共价修饰（如磷酸化/脱磷酸，乙酰化/脱乙酰，甲基化/脱甲基等），使酶的构象改变，从而改变酶活性。具有放大效应。
以上两种调节相辅相成。对某一具体的酶而言，可同时受到它们的调节。
（二）酶量的调节
通过改变酶的合成或降解以调节细胞内酶的含量，从而调节代谢的速度和强度。属迟缓调节。酶合成是受基因表达调节的，可在转录和翻译水平进行。
1. 原核生物基因表达的调节
1960~1961年Jacob和Monod对大肠杆菌乳糖发酵过程酶的诱导合成及各种突变型研究后，提出了操纵子模型。操纵子是原核生物基因表达的协调单位，一般含2~6个基因。操纵子模型的核心是对原核生物基因的划分，以后为基因结构分析证实并丰富该模型，还发现色氨酸操纵子、半乳糖操纵子等。转录的起始是基因表达的基本控制点。
（1）酶合成的诱导作用
乳糖操纵子（Lactose operon）由一组功能相关的结构基因（z、y、a），操纵基因（o），启动基因（p），调节基因（i）组成。三个结构基因“开放”可转录同一条mRNA，再翻译出3种利用乳糖的酶（β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷 转乙酰酶）。
乳糖操纵子“开”与“关”是在独立的正、负调节因子作用下完成的。阻遏蛋白是负调节因子，cAMP-CAP是正调节因子。CAP是代谢产物活化蛋白，也称cAMP受体蛋白（CRP）。cAMP-CAP结合在启动基因上可促进转录。
葡萄糖的降解物能抑制cAMP酶的活性，并活化磷酸二酯酶，使cAMP的浓度下降，CAP不能活化形成复合物，导致一些酶基因不能转录。大肠杆菌培养基有葡萄糖时，先利用葡萄糖，乳糖是诱导物。
（2）酶合成的阻遏作用
色氨酸操纵子是阻遏操纵子，可说明某些代谢产物阻止细胞内酶的合成。
trpE、D、C、B、A是结构基因。是开放的，转录并翻译合成trp的5种酶。PO是启动基因和操纵基因；L是前导序，a是衰减子。调节基因（trpR）表达的产物阻遏蛋白原无活性，培养基有trp或trp合成过量，可作为辅阻遏物与阻遏蛋白原结合，使其有活性，结合O，阻止P的启动，结构基因关闭。
阻遏作用只控制转录的起始，是粗调节；衰减子形成的衰减调节可控制转录的进行，使细调节。
2. 真核生物基因表达的调节
真核生物基因表达的调节比原核生物复杂。是多层次，受多种因子协同调控的，以正性调节占主导。在转录激活上主要表现在顺式作用元件和反式作用因子的相互作用。
顺式作用元件指影响自身基因表达活性的DNA序列，有启动子、增强子、沉默子等。增强子是增强基因转录活性的调控序列，远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异性表达。沉默子是某些基因含有的负调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
反式作用因子是与顺式元件结合实现转录调节的蛋白质，有基本转录因子和特异转录因子，一般都有多个结构域。
（三）酶的区域化
同一个细胞内催化各种代谢的酶有2千多种，催化各种代谢途径的酶往往组成各种多酶体系，存在胞液和一定的亚细胞结构区域，酶在细胞内有一定的分布和定位现象称酶的区域化。
真核细胞主要代谢酶系的区域化分布：糖酵解、戊糖磷酸途径、糖原合成、脂肪酸合成在胞液；三羧酸循环、氧化磷酸化、呼吸链、脂肪酸β氧化、酮体生成在线粒体；核酸合成在细胞核；蛋白质合成、磷脂合成在内质网；糖异生、尿素合成在胞液和线粒体；胆固醇合成、类固醇激素合成在胞液和内质网；多种水解酶在溶酶体；ATP酶、腺苷酸环化酶在细胞质膜。
三、激素对代谢的调节
激素是多细胞生物特殊细胞或腺体产生，经体液输送到特定部位引起特定生物学效应的一些微量化学物质。
激素是靶细胞外的信号分子，对代谢的调节是通过细胞信息传递，需受体介导的，和受体的作用有专一性、可逆性、放大性。
受体是与激素、递质或其它化学物质专一性结合并相互作用，最终触发细胞生物学效应的生物大分子，多数是蛋白质。
1. 膜受体激素
此类激素是蛋白质肽类激素及氨基酸衍生类激素，多为水溶性。
激素（第一信使）与膜受体结合，激活膜上腺苷酸环化酶，使ATP转为cAMP（第二信使），再激活蛋白激酶，进而发挥对靶细胞的调节作用。
2. 胞内受体激素
为类固醇激素，多为脂溶性。激素到达靶细胞，与胞内一种特殊的受体蛋白结合，形成复合物，在一定条件下进入细胞核，作为转录因子，调控相应基因的表达，产生代谢效应。
四、神经系统对代谢的调节
神经系统对代谢的调节是整体调节，以保持内环境的相对稳定。
短期饥饿，胰岛素分泌减少，胰高血糖素分泌增多，引起体内肌肉蛋白质分解，糖异生增强，脂肪分解及酮体生成增多。而长期饥饿，则蛋白质降解减少，脂肪分解及酮体生成进一步增多，肾的糖异生增强。
应激时，肾上腺髓质与皮质分泌增多，胰岛素分泌减少，引起脂肪动员增强，蛋白质分解加强，血糖升高。
王镜岩生物化学笔记（整理版）
