Chapter15 Principles of Metabolic Regulation

 

15.1 调节代谢的通路

（1）细胞和有机体维持着动态稳定

• 调节作用的基因多 2500个 12%
• 激酶占比多 300个
• 一个通路受到多方调节

（2）酶的数量和催化活性 可以被调节

• 反应物的调控
• 糖酵解的产物，代谢物和cofactor，底物
• 信号分子的调控
• cAMP，Ca²⁺

①细胞外信号：激素、神经信号（乙酰胆碱），生长因子，细胞因子

• 调节转录因子的结合
• 相关功能的酶共享response element，被一同调节

②mRNA

③蛋白合成后的调控

• 蛋白可以被泛素识别降解
• 快速关闭某一蛋白的作用很费能量，但是有助于机体快速响应

④转运蛋白

• 细胞质被分割成小区室依靠膜上转运到白调控反应物浓度

 

代谢组学的研究工具：DNA微阵列、二维凝胶电泳

 

一旦酶被合成，如何调控：

• 底物的浓度
• 变构影响因子
• 共价修饰
  • 磷酸化或去磷酸化
  • 阻遏因子的去除
• 结合其他因子
  • PKA的激活要cAMP的结合

（3）细胞内有些反应是*乎*衡的，在底物浓度的变化下反应反向会变化

　　还有一些反应处在非*衡状态，他们是调控的位点

• 以ATP反应供能为例，如果反应*衡了，ATP就不再有正反应的驱动力
• 所以机体要有敏感的调控确保ATP浓度远高于*衡浓度
• 机体的代谢通路中的关键反应都是极度不*衡的，且受到多方调控（PFK-1的反应）

（4）腺嘌呤核苷酸在代谢调控中起到重要作用（AMPK维持ATP足量）

• ATP/AMP 含量是细胞能量状况的标志
• ATP的缺少使得ATP参与反应的酶 无法结合足够的底物（ATP）
• 热力学上ATP维持高浓度推动需要ATP的反应正向进行

• 当饥饿时，ATP会减少，AMP会增多：
  • 机体AMP变构 AMP蛋白激酶AMPK ，使其被LKB1磷酸化激活 
  • AMPK激活后推动糖酵解，脂肪酸氧化，葡萄糖转运；抑制糖原合成

（5）除了ATP，其他物质在体内也要维持稳定：NADH、NADPH、葡萄糖

• 脑细胞没有储糖能力，全靠胰岛素和胰高血糖素（glucagon）来*衡脑补供糖
• 进化的压力使得调节机制处于如下协调的状态：

①最大化能量利用效率（不同时做反方向的事）

②合理分配主干和支路代谢途径

③选择合适的供能物质

④在产物聚集时，减少合成

 

15.2 代谢控制分析

（1）三个参数

① 通量控制系数 C

• 代谢途径中每个酶对调节代谢物流速的相对贡献

② 弹性系数 ε

• 单个酶对代谢物或效应物浓度的反应性，是酶固有的动力学性质

③反应系数 R

• 外部控制物对流经代谢途径通量的影响

 

总和原理 代谢途径各步反应C之和为1

参数相关原理 R = C·ε

（2）control 和 regulation的概念

• control 作用的酶是调节靶点，调控代谢的通路
  • 增加可以使代谢加倍
• regulation 作用的酶是维持机体的稳态，不至于内环境改变造成代谢突然变化
  • 增加不能使代谢加倍

 （3）可以通过提高某一通路的所有酶浓度来提高一条路的flux

 

15.3 糖酵解和糖异生的协同调控

• substrate cycle 底物循环虽然额外地消耗了能量，但是对机体调控有利

（1）己糖激酶的同工酶在肌肉和肝脏中以不同方式调节

• 肝中的己糖激酶IV（葡糖激酶）
• Km值大，
• 不被催化产物G6P抑制
• 调控方式：
• 高血糖时，葡萄糖通过GLUT2转运入肝细胞，被高效合成糖原
• 当血糖浓度降低时，F6P刺激调控蛋白与酶IV的结合（与细胞核内），抑制反应
• 葡萄糖和F6P竞争结合，当葡萄糖含量升高，酶IV被释放
• 一般的己糖激酶在产物G6P升高时会被抑制

 （2）己糖激酶IV 和 G6Pase 可以在转录水*调节

（3）PFK-1 和 F1,6BPase 是互为相反调节的

• 糖酵解、柠檬酸产物堆积
• AMP、ADP堆积

 

（4）F2,6BP 是强有力的PFK-1、FBPase-1 别构调节剂

• PFK-2/FPBase-2 是同一个蛋白不同结构域
•  胰岛素和胰高血糖素通过对 PFK-2/FPBase-2 磷酸化情况的控制，控制F2,6BP的含量控制PFK-1、FBPase-1以决定糖酵解糖异生方向

 

 

（5）木酮糖对于糖脂肪代谢是一个关键调控物

• 木酮糖由戊糖途径生成
• 磷酸化激活PP2A
• PP2A 脱氢激活PFK-2，F2,6BP升高
• 增加了乙酰CoA的生成和NADPH的生成

（5）丙酮酸激酶 的调控

• 在肝脏中，血糖降低使得胰高血糖素分泌，通过cAMP通路失活丙酮酸激酶，使得更过糖流向别处
• 而在肌肉，肾上腺素刺激的cAMP上升会刺激糖原的分解和糖酵解来满足所需

 

（6） 糖异生丙酮酸羧激酶的调节

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（7）对糖酵解、糖异生 的转录水*调节改变酶的数量

① 转录因子：ChREBP糖相应元件结合蛋白

•  戊糖途径生成的木酮糖xylulose给机体带来了糖酵解底物充足的信号，诱生PP2A使得ChRBP去磷酸化
• ChRBP作为转录因子结合基因上游

② 转录因子：SREBP-1c 固醇调控元件结合蛋白

• 受胰岛素刺激，促进脂肪合成相关转录

③转录因子：CREB 环腺苷磷酸响应原件结合蛋白

• FOXO1 是一种CREB
• 胰高血糖素可以阻止PKB对FOXO1的磷酸化，使其促进转录糖异生相关蛋白

15.3 SUMMARY

• 糖酵解和糖异生有3个不共享酶的反应，这是调控的位点
• 己糖激酶在肝中有特殊作用：低血糖时释放葡萄糖入血，高血糖时合成糖原
• PFK-1被ATP别构抑制，F2,6BP别构激活
• 丙酮酸激酶被ATP别构抑制，在肝中还能被cAMP磷酸化而抑制
• 糖再生的调控位点在丙酮酸羧化酶、FBPase-1
• F2,6BP对PFK-1，FBPase-1x的相反作用控制了糖酵解和糖异生的底物循环
• 胰高血糖素和肾上腺素通过cAMP磷酸化PFK-2/FBPase-2来减少F2,6BP；胰岛素的作用是去磷酸化
• 木酮糖作为一种信号促进糖酵解
• 转录因子接受外来信号，作用于DNA来调控酶合成

 

15.4 糖原的代谢 

（1）糖原分解需要的酶

• 糖原磷酸化酶
• glycogen debranching enzyme　
• 磷酸化 glucomutase
  • 糖原分解产生的G1P由glucomutase变成G6P进入血液循环

 

（2）糖原的合成要让糖结合形成G-UDP，才能加到糖链上

• 这个结合是不可逆的，推动反应正向进行
• 尽管三磷酸核苷与葡糖磷酸反应的自由能小，但生成的焦磷酸水解推动反应
• 核苷对酶的非共价促进作用
• 对要进行糖原生成的糖分子进行了标记
• 糖原合成到一定长度要支化，形成的非还原糖基方便合成和分解糖原

(3)糖原合成的起始阶段需要引物

• 由glycogenin催化在自身合成的8bp糖链形成

15.5 糖原分解与合成的协同调控

（1）糖原磷酸化酶受到变构调节和激素调节

• 通过一系列酶的影响，最终通过磷酸化的状态决定活性（磷酸化有活性）

 

• 肾上腺素造成的级联反应

• 胰岛素通过去磷酸化降低酶活性
• 葡萄糖的增多别构抑制酶的活性

（2）糖原合成酶去磷酸化时表现出活性

•  G6P进行变构调节
• 糖原合成酶去磷酸化状态有活性
• 总之，胰高血糖素和肾上腺素造成糖原合成酶的磷酸化，和糖原磷酸化酶的磷酸化，增高血糖
• 胰岛素的作用相反