第6章增加内容代谢途径调控.ppt
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1、第6章增加内容代谢途径调控,通过代谢途径调控的研究可以阐明途径中酶的活性被调节的机理乃至在分子水平上被控制的机理,一旦了解了酶的调节特性,就可以利用代谢控制分析的方法推断途径通量的总体控制,并根据总体通量控制的特点进行网络的优化和菌种的改进。,第六章 代谢途径的调控和代谢控制分析 Regulation of metabolic pathway & MCA,第6章增加内容代谢途径调控,Enzyme kineticsRegulation of enzyme activityRegulation of enzyme concentrationGlobal regulation Metabolic C
2、ontrol Analysis,第6章增加内容代谢途径调控,细胞内代谢途径的调控主要是通过调节参与生化反应的各种物质的浓度来实现的,包括:酶的浓度(转录和翻译)底物的浓度(分解代谢物阻遏等)产物的浓度(终产物反馈抑制和阻遏)调节物分子的浓度(抑制或激活),代谢途径的调控,第6章增加内容代谢途径调控,代谢途径调控的层次性,原核生物 基因结构简洁有效,无多余序列,必须利用少量的DNA序列充分存储必要的遗传信息 调控层次少,简单而快速:酶活调节-转录和翻译调节-总体调控 能适应多种不利环境,进行快速调节 真核生物 有充分的遗传物质,能形成各种特殊的基因结构 调控层次多而复杂:转录前(DNA扩增、甲基
3、化) 转录(增强子) 转录后(mRNA拼接) 翻译(翻译因子的磷酸化、转铁蛋白等) 翻译后(蛋白质修饰) 对遗传信息传递的准确性和稳定性更有利,第6章增加内容代谢途径调控,分子水平调控 酶的“质”和“量”的调控细胞水平调控 调控代谢子(modulon)或调节子(regulon) 代谢网络的调控(建立代谢调节网络、分析调节网络的特点如拓扑结构、层次性等),代谢途径的调控的层次性,主要介绍原核生物的调控,第6章增加内容代谢途径调控,酶动力学,单底物的酶催化反应动力学模型: 由V. C .R. Henri 于1902年及L. Michaelis 和M. L. Menten 于1913年建立的。简单的
4、酶催化反应动力学通常是指Michaelis-Menten动力学或饱和动力学。,E+S,ES,E+P,两个假定:1.形成ES复合物的反应速度很快. 2.第二步的逆反应速率可忽略。此假设仅在反应初期产物的累积量很少时才能成立。,第6章增加内容代谢途径调控,米氏方程的推导,快速平衡假设,拟稳态假设,E+S,ES,E+P,ES的解离常数,第6章增加内容代谢途径调控,最适底物的判断:(P204 的推导),SKm时 ,,SKm时 ,,S = Km时 ,,第6章增加内容代谢途径调控,第6章增加内容代谢途径调控,第6章增加内容代谢途径调控,I=0,I0,竞争性抑制的最终作用结果是使 ,因此降低了反应速度。最大
5、反应速度不变。竞争性抑制可通过提高底物浓度来克服。,Competitive inhibition enzyme kinetics,第6章增加内容代谢途径调控,Non-competitive inhibition enzyme kinetics,非竞争性抑制剂不是底物类似物。抑制剂与酶结合的位点不是酶的活性位点,这种结合降低了酶的有效浓度。高底物浓度不能克服非竞争性抑制。必须加入其它试剂去阻止抑制剂与酶的结合。,I=0,I0,第6章增加内容代谢途径调控,Uncompetitive inhibition enzyme kinetics,反竞争性抑制剂只与ES复合物结合,而且它与酶无亲和作用。 Vm
6、值的降低要比Km值的降低更具显著作用,其最终结果是使反应速率降低。,I=0,I0,第6章增加内容代谢途径调控,Substrate inhibition enzyme kinetics,如果底物自身有抑制作用:一种反竞争抑制,1/v是1/s的双曲函数,该双曲函数具有一垂直和一倾斜渐近线,在低底物浓度时,S2/KSI1,观察不到抑制作用。反应速率为,在高底物浓度时,Km/S1,抑制作用显著。这种情况下反应速率为,第6章增加内容代谢途径调控,P199 Example 6.1,产物是抑制剂的非竞争产物抑制,第6章增加内容代谢途径调控,酶活力调节的方式,酶原的激活(不可逆)可逆共价修饰(磷酸化、酰基化等
7、)活化剂、抑制剂和变构效应的调节激活蛋白质或抑制蛋白质(例如真核细胞中,带有结合态钙离子的钙调蛋白激活许多酶),第6章增加内容代谢途径调控,变构酶(allosteric enzyme)的特点,具有协同作用的酶别构酶一般具有多个调节位点(效应物)与催化位点(底物)。它们大多是几个亚基聚集而成的多聚体酶,具有四级结构,这些亚基可以不同,也可以完全相同。动力学特征:S型曲线,而不是米氏方程的双曲线协同性(Cooperativity),第6章增加内容代谢途径调控,协同效应 Cooperativity,与一个底物分子的结合引起酶结构的改变,导致剩余结合位点对底物亲和力的升高,随着更多的底物结合,亲和力也
8、越高,称为正协同效应。底物既是反应物,又是调节分子。即底物自身的浓度充当酶活的调节信号,可以在一个较小的底物浓度变化范围内引起酶活的快速、急剧的升高。有利于细胞针对生理环境变化采取快速的调控。,第6章增加内容代谢途径调控,变构调节,一个变构酶的实例:磷酸果糖激酶ADP是活化剂,第6章增加内容代谢途径调控,双曲线表明:M-M动力学方程中r对s的敏感性不高,除非在底物浓度接近零时S型曲线表明: r对s的敏感性在底物浓度接近零时不高,而在正常底物浓度下十分敏感 协同性使变构酶在胞内代谢物处于生理浓度附近(S=Km)起着反应“开关”的作用,对于细胞实现对反应和代谢物浓度的快速调节具有重要意义。,底物同
9、酶的结合具有协同性时,n1。,Hill 经验方程,第6章增加内容代谢途径调控,分支代谢途径中的反馈抑制或激活模式,同工酶反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制协同反馈抑制增效反馈抑制抑制加激活,线性代谢途径中的终产物反馈抑制,前体物激活终产物反馈抑制,第6章增加内容代谢途径调控,同工酶反馈抑制,酶I酶II,第6章增加内容代谢途径调控,累积反馈抑制,0.5V(1-20%)=0.4V,第6章增加内容代谢途径调控,顺序反馈抑制,第6章增加内容代谢途径调控,协同反馈抑制,第6章增加内容代谢途径调控,增效反馈抑制,(1-0.85)*0.2=32%,第6章增加内容代谢途径调控,激活和抑制的联合作用,第6章增加内
10、容代谢途径调控,分支代谢途径反馈调节实例,黄色短杆菌中Tyr和Phe协同反馈抑制DAHP合成酶,并存在两种优先合成和激活调节。枯草芽孢杆菌中Tyr、Phe和Trp只抑制其分支途径中的第一个酶,造成分支酸和预苯酸积累,由这两种中间产物抑制DAHP合成酶,属于顺序反馈抑制。,第6章增加内容代谢途径调控,分支代谢途径反馈调节实例,谷氨酸棒杆菌中Lys和Thr对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制:如果高丝氨酸脱氢酶缺陷,在补加生长所需的少量Ileu和Thr后,可以解除协同反馈抑制而造成Lys积累,第6章增加内容代谢途径调控,分支代谢途径反馈调节实例,大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸合成的调节三种天冬氨酸激酶,其中两
11、种分别只受赖氨酸和苏氨酸的反馈抑制,而且Lys和Thr还分别抑制其分支途径的第一个酶属于同工酶反馈抑制。,第6章增加内容代谢途径调控,酶浓度的调节,转录的控制 正调控 负调控(底物诱导和终产物阻遏) 弱化机制翻译的控制 反义mRNA mRNA稳定性 翻译起始概率 翻译速率 等,第6章增加内容代谢途径调控,酶浓度的调节 转录的控制,顺式作用元件:对基因表达有调节活性的DNA序列,其活性只影响与其同处于一个DNA分子上的基因,这种序列不编码蛋白质,多位于基因旁侧或内含子中,如:操纵基因、启动子和终止子。反式作用因子:游离基因产物扩散至目标场所的过程称为反式作用,反式作用因子的编码基因与其识别或结合
12、位点的靶DNA序列可不在同一个DNA分子上,如阻遏物、RNA聚合酶等都属于反式作用因子。正调控:若调控蛋白有活性(能和顺式作用元件结合),则受调控基因才能表达。负调控:若调控蛋白失活(不能和顺式作用元件结合),则受调控基因开始表达。,第6章增加内容代谢途径调控,Cell numbers,Time,Glucose,Lactose,二次生长:正调控与负调控的联合作用,葡萄糖比乳糖更迅速地被利用,因此细胞以葡萄糖为碳源时生长比以乳糖为碳源时要快.以葡萄糖和乳糖同时作为碳源时,细胞出现二次生长现象葡萄糖被优先利用,被基本耗尽时,细胞开始合成有关利用乳糖的酶(生长停滞期),将乳糖运入胞内后继续生长。,G
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