第十二章代谢调节综述
要求掌握：酶合成的诱导和阻遏作用，原核生物基因表达调控的操纵子模型（乳糖操纵子和色氨酸操纵子）；熟悉：通过控制酶活性调节代谢的方式（抑制作用、别构作用、共价修饰作用）。了解：酶的分布区域化，激素对代谢的调节和反义核酸的调节。
重点内容：原核生物基因表达调控的操纵子模型。
难点内容：原核生物基因表达调控的操纵子模型。
第一节原核生物基因表达调控
每种生物在生长发育和分化的过程中，以及在对外环境的反应中各种相关基因有条不紊的表达起着至关重要的作用。在原核生物中，一些与代谢有关的酶基因表达的调控主要表现为对生长环境变化的反应和适应。与原核生物相比，真核生物基因表达的调控更为复杂，真核生物基因表达的调控主要是指编码蛋白质的mRNA 的形成与使用的调节与控制。
一、基因表达
1、概念：贮存着生物体遗传信息的基因转录mRNA和翻译成蛋白质的过程。
2、基因表达的方式
（1）组成型表达（Constitutive expression)
基因的表达是持续性的，不受调控的。如三羧酸循环中的代谢酶等。
（2）诱导型表达
二、原核生物基因表达的调控
原核生物在对外环境突然变化的反应中，是通过诱导或阻遏合成一些相应的蛋白质来调整与外环境之间的关系。由于原核生物的转录与翻译的过程是偶联的，而且这种过程所经历的时间很短，只需数分钟，同时由于大多数原核生物的mRNA 在几分钟内就受到酶的影响而降解，因此就消除了外环境突然变化后所造成的不必要的蛋白质的合成。与真核生物相比，原核生物基因表达的一个特点是快速。
下面分别以大肠埃希菌(E.coli)的乳糖操纵子(1actose operon，属可诱导操纵子)
和色氨酸操纵子(triptophan operon,属可阻遏操纵子)为例介绍原核生物转录起始和转录终止的调控。
1961年，法国Jacob 和F.Monod J.提出了原核细胞基因表达的操纵子模型。(一)操纵子（operon)：指一群功能相关的结构基因和操纵基因、启动子、终止子等组成的原核细胞的基因表达协调单位。
（二）操纵子类型
1、可诱导操纵子
平时关闭
诱导物诱导开放
基因产物通常为分解代谢酶
代表：乳糖操纵子
2、可阻遏操纵子
平时开放
代谢物关闭
基因产物通常为合成代谢酶
代表：色氨酸操纵子
三、乳糖操纵子
（一）乳糖操纵子的结构和诱导剂
所谓操纵子是指一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位，也称基因表达的协同单位(a coordinated unit of gene expression)。在乳糖操纵子中有Z基因(编码β-半乳糖苷酶，β－galactosidase)，Y基因(编码通透酶，permease)，a基因(编码转乙酰基酶，transacetylase)，上述Z、Y、a是结构基因；P(启动子，promoter)，O(操纵基因，operator)是调控基因；I(编码Lac阻遏物，Lac repressor)不属于乳糖操纵子。大肠埃希菌能利用乳糖作为碳源，但要将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖，催化此水解反应的是β-半乳糖苷酶。由于Z、Y、a以多顺反子(polycistron)形式存在，即三种基因被转录到同一条mRNA上，因此乳糖能同时等量地诱导三种酶的合成。通透酶的作用是使乳糖能透过细菌壁，转乙酰基酶的作用还不清楚。在大肠埃希菌内，真正生理性的诱导剂并非乳糖，而是别位乳糖(allo-lactose)，也是由乳糖经β-半乳糖苷酶(未经诱导少量存在于细菌内)催化形成，并再经β-半乳糖苷酶水解为半乳糖和葡萄糖。
(二)Lac阻遏物的作用
Lac阻遏物是一种具有四级结构的蛋白质，4个亚基相同(分子质量 37000)，都有一个与诱导剂(生理性诱导剂为别位乳糖，实验常用的诱导剂是异丙基硫代半乳糖一IPTG)的结合位点。在没有诱导剂的情况下，Lac阻遏物能快速与操纵基因O结合，从而阻碍结构基因的转录。当有诱导剂与Lac阻遏物结合后，阻遏物的构象就发生变化，导致阻遏物从操纵基因O上解离下来，RNA聚合酶不再受阻碍，能转录结构基因Z、Y、a。Lac阻遏物与操纵基因O结合时所覆盖的区域为28 bp。
(三)CAP与cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用
大肠埃希菌具有优先利用葡萄糖作为能源的特点。当大肠埃希菌在含有葡萄糖的培养剂中生长时，一些分解代谢酶，如β-半乳糖苷酶、半乳糖激酶、阿拉伯糖异构酶、色氨酸酶等的水平都很低，这种葡萄糖对其他酶的抑制效应称为分解物阻遏作用(catabolite repression)，这种现象与cAMP有关。葡萄糖能降低大肠埃希菌中cAMP的浓度，而加入外源性cAMP能逆转葡萄糖的这种抑制作用。cAMP能刺激多种可诱导的操纵子(inducible operon)，包括乳糖操纵子转录的启动。从这点上来说，cAMP在细菌和哺乳动物中的作用是相同的，都是作为饥饿信号(hunger signal)，但作用机制全然不同，在哺乳动物细胞，cAMP的作用是激活蛋白激酶，再由蛋白激酶磷酸化其他靶蛋白质分子，例如，调控糖原合成和分解的机制；而细菌中cAMP的作用是通过和一种称为分解物基因激活物蛋白(catabolite gene activator protein ，CAP)结合后发挥作用。CAP是一种具有两个相同亚基的蛋白质，每个亚基都具有与DNA 结合的结构域和与cAMP结合的结构域。CAP与cAMP结合的复合物才能刺激操纵子结构基因的转录。在乳糖操纵子上CAP与DNA结合的区域正好在启动子P的上游。当没有葡萄糖存在(或低浓度葡萄糖)时，cAMP-CAP复合物结合到相应的DNA序列，并刺激RNA聚合酶的转录作用(能使转录效率提高50倍)，这种作用当然是在没有Lac阻遏物与操纵基因O结合的情况下才能发生(图15-5)。在没有CAP-cAM P的情况下，RNA聚合酶与启动子并不形成具有高效转录活性的开放复合体，因此乳糖操纵子结构基因的高表达既需要有诱导剂乳糖的存在(使La c阻遏物失活)，又要求无葡萄糖或低浓度葡萄糖的条件(增高cAMP浓度，并形成CAP-cAMP复合物促进转录)。
乳糖操纵子调控模式在一定程度上也反映了原核生物基因表达调控的一般情
况：第一，环境条件的变化是相关基因表达的外界信号，如葡萄糖，乳糖浓度的变化是乳糖操纵子结构基因是否转录的外界条件和信号；第二，基因表达的负调控(negative regulation)，即调控蛋白质与相应的DNA序列结合后，能阻遏基因的表达，如Lac阻遏物与操纵基因O结合后就抑制了结构基因的表达，在乳糖操纵子这种阻遏作用能被诱导剂解除；第三。基因表达的正调控(positive regulation)，即调控蛋白与相应的DNA序列结合后，能促进基因的表达。如CAP-cAMP就是一种在多种原核生物操纵子中发挥正调控作用的复合物。
四、色氨酸操纵子
原核生物的转录终止阶段，也可以是基因表达调控的环节，色氨酸操纵子的调控模式就是一个典型的例子。色氨酸操纵子的结构基因包括编码5种酶的基因E、D、C、B、A，5种酶在催化分支酸(chorismate)转变为色氨酸的过程中发挥作用，结构基因中还包括L基因，其转录产物是前导mRNA，调控元件有启动子P和操纵基因O(图15-6)。色氨酸操纵子表达的调控有两种机制，一种是通过阻遏物的负调控，另一种是通过衰减作用(attenuation)。
(一)阻遏物对色氨酸操纵子的调控
色氨酸阻遏物是一种同二聚体蛋白质(由两个相同的亚基组成)，每个亚基有107个氨基酸残基。色氨酸阻遏物本身不能和操纵基因O结合，必须和色氨酸结合后才能与操纵基因O结合，从而阻遏结构基因表达，因此色氨酸是一种共阻遏物(corepresso r)。
(二)衰减作用对色氨酸操纵子的调控
色氨酸操纵子转录的衰减作用是通过衰减子(attenuator)调控元件使转录终止。色氨酸操纵子的衰减子位于L基因中，离E基因5’端约30—60 bp。大肠埃希菌在无或低色氨酸环境中培养时，能转录产生具有6720个核苷酸的全长多顺反子mRNA，包括L基因和结构基因。培养剂中色氨酸浓度增加时，上述全长多顺反子mRNA合成减少，但L基因5’端部分的140个核苷酸的转录产物并没有减少。这种现象是由衰减子造成的，而不是由于阻遏物-共阻遏物的作用所致。这段140个核苷酸序列就是衰减子序列。
衰减子转录物具有4段能相互之间配对形成二级结构的片段，片段1-和2配对
形成发夹结构时，片段3和4同时能配对形成发夹结构；而片段2和3形成发夹结构时，其他片段配对二级结构就不能形成。片段3+和4及其下游的序列与ρ因子不依赖转录终止有关序列相似。
L基因的部分转录产物(含片段1)能被翻译产生具有14个氨基酸残基的肽链(前导肽)，其中含有两个相邻的色氨酸残基。编码此相邻的两个色氨酸密码，以及原核生物中转录与翻译过程的偶联是产生衰减作用的基础。当L基因转录后核糖体就与mRNA结合，并翻译L序列。在高浓度色氨酸环境中，能形成色氨酰-tRNA，核糖体在翻译过程中能通过片段1，同时影响片段2和3之间的发夹结构形成，但片段3和4之间能形成发夹结构，这个结构就是P因子不依赖的转录终止结构，因此RNA 聚合酶的作用停止。当色氨酸缺乏时，色氨酰-tRNA也相应缺乏，此时核糖体就停留在两个相邻的色氨酸密码的位置上，片段1和2之间不能形成发夹结构，而片段2和3之间可形成发夹结构，结果使色氨酸操纵子得以转录。
第二节真核生物基因表达调控简介（本节选学）
在转录水平，真核生物和原核生物的调控机制基本相似，但至少在三方面真核生物基因表达的调控有其自身的特征：第一，转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关；第二，原核生物基因表达有负调控和正调控，而真核生物基因表达以正调控为主；第三，真核生物的转录和翻译两个过程在细胞内区域化上是分开的，转录在细胞核内进行，翻译在细胞质进行。
一、具有转录活性的染色质结构的变化
真核生物基因组中仅有很小部分的序列是编码蛋白质的。在哺乳动物，只有2％的DNA序列编码蛋白质，这部分序列的DNA信息通过转录和翻译成为具有各种功能的蛋白质。其中，有些基因的表达是比较恒定的，其转录产物在所有的组织细胞中都存在，这类基因称为管家基因（housekeeping genes），这类基因的表达称为组成性表达(constitutive gene expression)。有些基因的表达会因为细胞对信号分子的反应而发生变化，称为可调控的基因表达(regulated gene expression)。
具有转录活性的染色质区域的DNA通常是去甲基化的。启动子附近DNA序列的
甲基化可以抑制转录起始，与基因静止相关。甲基化一般发生在具有CpG序列的胞嘧啶第5位碳原子上。DNA甲基化的异常与肿瘤发生密切相关。
上述这些具有转录活性的染色质结构的改变，都是为转录的启动作准备，使RNA 聚合酶和一些转录因子得以接近被转录基因的调控序列。基因活化的过程是染色质与转录相关的结构改变的过程，此过程称为染色质重建(chromatin remodeling)。二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子
(一)顺式作用元件
这类调控元件是指那些和被转录的结构基因在距离上比较接近的DNA序列，包括启动子(及启动子上游近侧序列)及增强子等。
1.启动子和启动子上游近侧序列编码蛋白质基因的启动子和启动子上游近侧序列中有3种短序列的突变能导致启动子功能的丧失，这3种短序列分别是TATA 盒、CAAT盒、GC盒(已在第十三章作初步介绍)。启动子及启动子近侧的保守序列元件按它们对RNA聚合酶的影响，可分为两类，一类是位于较上游的元件，能较强地影响转录起始的效率，CAAT盒和GC盒即属于这类顺式元件；另一类是位于距转录起始点较近的TATA盒，在选择转录起始点的过程中起调控作用。
2.增强子增强子是一类能增强真核细胞某些启动子功能的顺式作用元件。增强子作用不受序列方向的制约，即顺的和反的序列都有作用，而且在离启动子相对较远的上游或下游都能发挥作用，有的增强子位于基因中间(通常位于内含子中)。有的增强子只能在特异的组织中作用，例如免疫球蛋白基因的增强子(Oct-2)只能在表达该基因的B淋巴细胞中发挥作用，这种具有组织特异性的增强子可能是作为某些特异基因表达调控网络的组成部分而发挥作用。
3．反应元件(response elements) 当真核细胞处于某一特定环境时，有反应的基因具有相同的顺式作用元件，这类顺式元件称为反应元件。例如热激反应元件(HSE)、激素反应元件(HRE，在第十六章将作较深入介绍)，金属反应元件(MRE)等。这些反应元件一般具有较短的保守序列，与转录起始点的距离不固定，一般在200 bp 之内。有些反应元件在启动子或增强子内，如HSE在启动子内，糖皮质激素反应元件(GRE)在增强子内。
4、沉默子（Silencer）
作用与增强子相反，在基因表达调控中起抑制作用的一种顺式作用元件；
调控作用也不受距离和方向的限制。
(二)反式作用因子
反式作用因子(简称反式因子)，也称转录因子(transcription factors)，是一类在细胞核内发挥作用的蛋白质因子。反式因子的作用特点是：①能识别启动子、启动子近侧元件和增强子等顺式元件中的特异靶序列，如转录因子TFⅡD能识别和结合TATA盒，转录因子Spl能识别和结合GC盒，CTFl能识别和结合CAAT盒(图15-9)。RNA聚合酶本身不能有效地启动或不能启动转录，只有当反式因子与相应的顺式元件结合后才能启动或有效启动转录。这种对基因转录启动的调控是通过结合在不同顺式元件上的反式因子之间或反式因子与RNA聚合酶之间的相互作用而实现的。
反式因子具有两个必需的结构域，一个是能与顺式元件结合的结构域，能识别特异的DNA序列；另一个是激活结构域，其功能是与其他反式因子或RNA聚合酶结合，正是由于反式因子激活结构域的这种功能，才能使一些离TATA盒较远(几个kb)的顺式元件所结合的反式因子能参与转录起始的调控。由于DNA分子是柔性的，能成环状，这是结合在相距较远的顺式元件上的反式因子之间相互作用的基础。真核生物基因转录的启动由多个转录因子参与，而不同转录因子组合的相互作用能启动不同基因的转录。
(三)反式作用因子结构的模式
反式因子与相应顺式元件结合的结构域，可归纳为如下几种模式：
1.螺旋一转角一螺旋(helix-turn-helix) 具有这种结构模式的转录调控蛋白最初在原核生物中发现，如本章提到的CAP。
2.锌指(zinc fingers)锌指结构含有约30个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基(两个
是半胱氨酸，两个是组氨酸，或4个都是半胱氨酸)以配位键与Zn2+相互作用(图15—10)。这种结构模式在多种真核转录因子的DNA结合结构域中存在，而且都具有多个相同的锌指，转录因子TFⅢA(与转录5S RNA基因有关)具有9个锌指，每个锌指都能与DNA双螺旋大沟结合（图15－11）
3．亮氨酸拉链(1eucine zippers) 这种结构是指在反式因子的一段肽链中每隔7
个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基出现，这段肽链所形成的α—螺旋就会出现一个由亮氨酸残基构成的疏水面，而另一面则是由亲水性氨基酸残基所构成的亲水面(图15－12)。由亮氨酸残基组成的疏水面即为亮氨酸拉链条，两个具有亮氨酸拉链条的反式因子，就能借疏水作用形成二聚体(图15－13)，有些反式因子要形成二聚体后才能发挥作用，二聚体可以是同二聚体(homodimer，即由两个相同的反式因子组成)，也可以是异二聚体(heterodimer，即由两个不同的反式因子组成)。亮氨酸拉链对二聚体的形成是必需的，但不直接参与和DNA的相互作用，参与和DNA结合的是“拉链”区以外的结构。
4．螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix) 这种结构也和亮氨酸拉链一样与形成反式因子二聚体有关。控制多细胞生物体有关基因表达的反式因子往往具有这种结构。这种结构具有比较保守的含有50个氨基酸残基的肽段，既含有与DNA结合的结构，又含有形成二聚体的结构，这部分肽段能形成两个较短的α－螺旋，两个α－螺旋之间有一段能形成环状的肽链，α－螺旋是兼性，即具有疏水面和亲水面(上述亮氨酸拉链也是兼性α－螺旋)。两个具有螺旋-环-螺旋的反式因子能形成二聚体，二聚体的形成有利于反式因子的DNA结合结构域与DNA结合(图15—14)。
第三节通过酶活性对代谢的调节
一、抑制作用---------P536
二、别构作用
别构酶(allosteric enzyme)往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点（catalytic site）外；还有别构位点(allosteric site)．后者是结合别构剂(allesteric effector)的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象就会发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂(allosteric activator)，反之使酶底物的r亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂(allosteric inhibitor)。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节(allosteric regulation)作用．
别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位，但更多的是分别处于不同亚基上．在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基，而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端，而别构酶的别构剂往往是一些生理
性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。
终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制(feedback inhibition)．说明一旦细胞内终产物增多，它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶，及时调整该代谢途径的速度，以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶。（regulatory enzyme）
三、共价修饰调节
体内有些酶需在其它酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具催化活性，这类酶称为修饰酶（modification enzyme）。其中以共价修饰为多见，如酶蛋白的丝氨酸，苏氨酸残基的功能基团-OH可被磷酸化，这时伴有共价键的修饰变化生成，故称共价修饰(covalent modification)。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节(covalent modification regulation)。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化，此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速，具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。
如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式，有活性的称为磷酸化酶a，无活性的称为磷酸化酶b，这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程（详见糖代谢章）
四、相反单向反应对代谢的调节
?糖酵解与糖异生
五、酶的区域分布对代谢的调节----P538
华东理工大学
2014年“生物化学”（科目代码805 ）考试大纲 第一章绪论 了解生物化学的涵义、生物化学的研究范围、其与基础学科以及生命科学的关系、生物化学在工农业生产和医药中的应用 第二章糖类化合物 了解单糖、寡糖、多糖和糖复合物的概念。 第三章脂类化合物 了解脂酰甘油类、磷脂类、萜类和类固醇类、前列腺素及蜡类、结合脂类以及生物膜的结构与功 能。 第四章蛋白质化学 了解蛋白质的功能、蛋白质的基本结构单位氨基酸、蛋白质的分子结构及与功能关系、蛋白质的性质以及蛋白质研究技术。 第五章核酸 了解核酸的种类和生物功能、核苷酸、DNA和RNA 的结构、核酸的物理化学性质以及核酸的研究的 技术。 第六章酶化学 了解生物催化剂的基本概念、酶促反应动力学、
酶活力测定、酶作用的机制与药物分子的设计、寡聚酶、同工酶和固相酶的概念以及酶的应用 第七章生物氧化 了解生物氧化的特点与方式、线粒体的生物氧化体系、生物氧化过程中能量的转变以及非线粒体 的生物氧化体系 第八章糖代谢 了解糖的消化与糖的中间代谢的概念、了解糖的分解代谢（糖酵解、三羧酸循环、磷酸己糖旁路）、糖的合成代谢（糖异生、糖原的合成、光合作用）以及如何利用代谢调节生产发酵产品的概念 第九章脂类代谢 了解脂类消化和中间代谢的基本概念、脂肪的分解代谢（β-氧化）、脂肪酸及脂类的合成代谢第十章蛋白质的分解代谢 了解蛋白质的酶促降解、氨基酸的分解代谢（脱氨、脱羧）以及氨基酸代谢产物的进一步代谢（尿素循环、一碳基团代谢等） 第十一章核苷酸的代谢 了解核酸的酶促降解、嘌呤核苷酸的生物合成（从头合成与补救途径）、嘧啶核苷酸的生物合成（从头合成与补救途径）、以及核苷酸合成与
第十四章代谢调节综述 知识点： 一、细胞水平的代谢调节：代谢途径的区域化，酶活力的非共价修饰调节，酶活力的共价修饰调节，酶量的调节 二、激素水平的代谢调节：激素的化学本质，激素的两类受体，激素的作用特点， 三、常见代谢途径及相互影响：关键交叉位点， 名词解释：区域化、别构调节、别构激活剂、别构抑制剂、共价修饰调节、第二信使，酶的级联系统酶的共价修饰反馈抑制诱导酶组成酶 填空题 1．酶促化学修饰的特点有：（1）除黄嘌呤氧化酶外，属于这类调节方式的酶都有两种形式。（2）化学修饰会引起酶分子的变化。而且，其是酶促反应，故有效应。（3）是最常见的酶促化学修饰反应，一般是耗能的。 2．细胞内酶的数量取决于和。 3．许多代谢途径的第一个酶是限速酶，终产物多是它的，对它进行，底物多为其。 选择题 1．各种分解途径中，放能最多的途径是： A、糖酵解 B、三羧酸循环 C、 —氧化 D、氧化脱氨基 2．下面关于共价修饰调节酶的说法哪个是错误的？ A、共价修饰调节酶以活性和无活性两种形式存在 B、两种形式之间由酶催化共价修饰反应相互转化 C、经常受激素调节、伴有级联放大效应 D、是高等生物独有的调节形式 3．指出下列有关限速酶的论述哪个是错误的？ A、催化代谢途径的第一步反应多为限速酶 B、限速酶多是受代谢物调节的别构酶 C、代谢途径中相对活性最高的酶是限速酶，对整个代谢途径的速度起关键作用 D、分支代谢途径中的第一个酶经常是该分支的限速酶 是非题 1．蛋白激酶和蛋白磷酸酶对蛋白质进行磷酸化和去磷酸化的共价修饰是真核细胞代谢的重要方式。 2．共价修饰调节酶被磷酸化后活性增大，去磷酸化后活性降低。 3．别构酶又称变构酶，催化反应物从一种构型转化为另一种构型。 4．固化酶的缺点是稳定性不如天然酶。 5．细胞内区域化在代谢调节上的作用，除把不同的酶系统和代谢物分隔在特定区间外，还通过膜上的运载系统调节代谢物、辅助因子和金属离子的浓度。 6．组成酶是细胞中含量较为稳定的酶。 7．诱导酶是指当特定诱导物存在时产生的酶，这种诱导物往往是该酶的产物。 问答题：
能量代谢的调控－下丘脑食欲调节神经肽 2006-12-8 9:31:00 来源：中华首席医学网频道： 随着肥胖在全球的广泛流行，人们对能量代谢调控的认识也越来越深入。下丘脑作为摄食中枢在能量代谢的调控过程中起着重要的作用，目前所发现的各种增强食欲的神经肽和降低食欲的神经肽在人类长期形成的食欲调节网络中都扮演了非常重要的角色。然而，这个在人类长期与饥饿斗争的进化过程中形成的食欲调节网络，在物质极大丰富的今天却暴露了它的不足和缺陷——即促进能量储存和减少能量消耗的作用要远远大于减少能量储 存和促进能量消耗的作用。正是在这种古老的遗传和现代的环境条件下，肥胖的流行才让人们感受到束手无策，毕竟，要改变遗传和环境的影响需要一个长期的进化和文明。但是，科学技术的高速发展，尤其是生物基因工程技术的发展使我们看到了根治肥胖的曙光。因此，我们有必要对能量代谢调控的机制深入的了解以加快肥胖治疗的步伐，这也是这篇综述的目的。 1 增加食欲的神经肽 1.1神经肽Y（NPY）NPY最早是在1982年被分离出来的［1］，是一个由36个氨基酸组成的高度保守的多肽，是摄食最强的刺激因子。其神经元在下丘脑弓状核（ARC）表达并有神经纤维投射到室旁核（PVN）、腹内侧核（VMH）及下丘脑外侧区（LH）形成神经环路。NPY共有6种受体亚型，与摄食关系最密切的是Y1和Y5受体，Y2可能也参与能量调控作用。 ARC神经元在禁食、运动量增加、寒冷及妊娠等需要能量的情况下，NPY合成增加。应用肾上腺皮质激素也可使NPY合成增加，因为肾上腺皮质激素的分泌增加，其实质是机体应急时需要能量，尤其是需要保证葡萄糖的利用。肾上腺皮质激素通过与Ⅱ型糖皮质激素受体结合刺激NPY基因表达增加，同时葡萄糖异生、糖原分解作用均增强以保证碳水化合物的利用［2］。 ghrelin是从胃分泌的一种激素，是生长激素释放激素受体（GHR-S）的内源性配体［3］。与肾上腺皮质激素相似，其分泌增加提示能量缺乏并影响NPY表达。在空腹及想吃肉时ghrelin分泌增加，而在肥胖患者或进食高脂肪食物后其分泌减少［4］。在幼年易肥胖大鼠ghrelin水平及ARC的GHS-R mRNA的表达减少。脑内注射ghrelin可以增加食欲及PVN的c－Fos神经原免疫活性，提示其任务是恢复能量亏空及改善瘦素引起的厌食。小剂量的外周或中枢给予ghrelin均可刺激摄食增加体重并通过减少脂质的利用而增加机体脂肪的含量。由于只有将ghrelin注射到ARC的NPY神经原附近使NPY的表达增加，其增加摄食的作用才表现出来，且这种作用可以被NPY抗体或拮抗剂所阻断，提示NPY可能介导了ghrelin的刺激摄食作用。但是在NPY基因敲除小鼠［5］，ghrelin受体激动剂的反映正常提示，ghrelin可能尚有其他的作用途径。 与肾上腺皮质激素及ghrelin相反，瘦素和胰岛素则是外周提示能量充足的信号［6］，它们通过饱和传输机制（saturable transport mechanism）进入脑内，经特殊的受体起到调节摄食和能量平衡的作用。经脑内注射瘦素及胰岛素研究发现，其作用的位点也是ARC，可以产生减少摄食、降低体重及脂肪量、刺激能量消耗和激活交感神经系统的作用。同时也发现NPY的表达降低，因此认为瘦素及胰岛素作用在弓状核NPY神经原上瘦素及胰岛素受体，引起NPY减少达到减少摄食及降低体重的作用。然而令人感叹的是这种瘦素的抑制作用在正常体重的易肥胖大鼠却显得非常微弱，而一旦短暂禁食则NPY的刺激摄食的作用又风采依旧，这或许符合人们常
代谢组学在医药领域的应用与进展 一、学习指导 1.学习代谢组学的概念及内涵，掌握代谢组学的研究对象与分析方法。 2.熟悉代谢组学数据分析技术手段 3.了解代谢组学优势特点 4.了解代谢组学在医药领域的应用 5.了解代谢组学发展趋势 二、正文 基因组功能解析是后基因组时代生命科学研究的热点之一，由于基因功能的复杂性和生物系统的完整性，必然要从“整体”层面上来理解构成生物体系的各个模块功能。随着新的测量技术、高通量的分析方法、先进的信息科学和系统科学新理论的发展，加上生物学研究的深入和生物信息的大量积累，使得在系统水平上研究由分子生物学发现的组件所构成的生命体系成为可能[1]。系统生物学家们认为，将生命科学上升为“综合”科学的时机已经成熟，生命科学再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物学时代进入到系统生物学时代[2]。系统生物学不同以往的实验生物学仅关注个别基因和蛋白质，它要研究所有基因、蛋白质，代谢物等组分间的所有相互关系，通过整合各组成成分的信息，以数学方法建立模型描述系统结构[3,4]。 （一）代谢组学的概念及内涵 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后，系统生物学的重要组成部分，也是目前组学领域研究的热点之一。代谢组学术语在国际上有两个英文名，即metabolomics 和metabonomics。Metabolomics是由德国的植物学家Fiehn等通过对植物代谢物研究提出来的，认为代谢组学（metabolomics）是定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学[5]。英国Nicholson研究小组从毒理学角度分析大鼠尿液成份时提出了代谢组学（Metabonomics）的概念，认为代谢组学是通过考察生物体系受扰动或刺激后（如某个特定基因变异或环境变化后），其代谢产物的变化或代谢产物随时间的变化来研究生物体系的代谢途径的一种技术[6]。国内的代谢组学研究小组基本用metabonomics一词来表示“代谢组学”。严格地说，代谢组学所研究的对象应该包括生物系统中所有的代谢产物。但由于实际分析手段的局限性，只对各种代谢路径底物和产物的小分子物质（MW<1Kd）进行测定和分析。 （二）代谢组学优势特点 代谢组学作为系统生物学的一个重要组成部分，代谢组可以更好地反映体系表型生物机体是一个动态的、多因素综合调控的复杂体系，在从基因到性状的生物信息传递链中，机体需通过不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部以及与外界环境的正常动态平衡[7]。
人参皂甙体内代谢综述 方松 学号：201261930 人参又名人衔、棒锤，首载于《神农本草经》，被列为上品。系五加科植物人参Pana ginseng C．A．Mey．的干燥根。在我国的医药学中应用广泛，素有“中药之王”之称。主要产于吉林省长白山一带，是我国“东北三宝”之一。具有抗肿瘤、降血脂、促进细胞再生等多种生理活性。现就人参皂甙在体内代谢作简要综述。 1、人参皂甙分类 现代研究表明，人参中含有人参皂甙、多种氨基酸、糖类、低分子肽类、脂肪酸、有机酸、维生素B、维生素C、菸酸、胆碱、果胶、微量元素等。皂甙是人参生物活性的物质基础，从其皂甙元母核结构上主要分为以下三大类：（1）以原人参三醇为母体的糖甙，以Rg1为代表，为人参的主要成分。（2）以原人参二醇为母体的糖甙，以Rb1为代表，为西洋参的主要成分。（3）以齐墩果醇酸为母体结构的五元环皂甙Ro。 2、人参皂甙的药理活性 （1）对中枢神精系统的双向调节作用：人参能加强大脑皮质的兴奋过程和抑制过程，使兴奋和抑制二种过程达到平衡，使由于紧张造成紊乱的神经过程得以恢复，人参皂甙小剂量主要表现为对中枢的兴奋作用，大剂量则转为抑制作用。从人参所含的有效成分分折、人参皂甙Rb类有中枢镇静作用Rg类有中枢兴奋作用。 （2）人参的适应原样作用：人参对物理的、化学的、生物的各种有害刺激有非特异性的抵抗能力，可以使紊乱的机能恢复正常、主要表现为对血压、肾上腺、甲状腺机能和血糖等方面的双向调节作用。 （3）对免疫功能的用作：人参能增强机体的免疫功能。 在临床上人参主要用于休克、冠心病、心律失常、贫血、白细胞减少症、充血性心力衰竭，还常用于慢性阻塞性肺病、糖尿病、肿瘤、血小板减少性紫癜、早衰、记忆力减退等辅助治疗。 3、Rg1的体内代谢 早在1983年，日本学者Odani等在无菌大鼠灌胃实验中发现，原人参三醇型皂甙Rg1
代谢组学技术及其在中医研究中的探讨 姓名：郭欣欣学号：22009283 导师：刘慧荣 代谢组学(metabonomics) 是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科,是关于生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后) 其代谢产物(内源代谢物质) 种类、数量及其变化规律的科学。它研究的是生物整体、系统或器官的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响。常用的方法是检测和量化一个生物整体代谢随时间变化的规律;建立内在和外在因素影响下,代谢整体的变化轨迹,反映某种病理(生理) 过程中所发生的一系列生物事件。 1 代谢组学研究技术平台 代谢组学研究的技术平台包括以下几个部分:前期的样品制备,中期的代谢产物检测、分析与鉴定以及后期的数据分析与模型建立。 前期代谢组学研究常用的检测技术,一般不需要对标本行特别的分离、纯化等。但离体条件下,细胞或组织内的代谢状态可迅速改变,代谢物的质与量亦随之变化,为正确反映在体的真实信息,须立即阻断内在酶的活性。最为常用的是冰冻/液氮降温法及冷冻、干燥的保存技术,尽管如此,细胞间仍始终有一低水平的代谢活动,需尽量避免氧化等活化因素。 中期代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学技术的核心部分,最常用的是NMR及质谱(MS)两种。 核磁共振技术是利用高磁场中原子核对射频辐射的吸收光谱鉴定化合物结构的分析技术,生命科学领域中常用的是氢谱( 1H NMR ) 、碳谱(13C NMR)及磷谱(31P NMR)三种。可用于体液或组织提取液和活体分析两大类。 NMR技术在代谢组学中的应用越来越广泛,它具有如下优点: ①无损伤性,不破坏样品的结构和性质; ②可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近生理条件的实验; ③与外界特定干预相结合,研究动态系统中机体化学交换、运动等代谢产物的变化规律; ④实验方法灵活多样。但仪器价格及维护费用昂贵限制了该技术的进一步普及。 质谱技术是将离子化的原子、分子或是分子碎片按质量或是质荷比(m/e)大小顺序排列成图谱,并在此基础上,进行各种无机物、有机物的定性或定量分析。新的离子化技术则使质谱技术的灵敏度和准确度均有很大程度的提高。NMR技术与MS技术相比,各有其优缺点,需要在研究中灵活选用。总体而言,NMR技术应用的更为广泛。此外,根据代谢组学的研究需要,还常用于其他的一些分析技术,如气相色谱(GC) ,高效液相色谱仪(HPLC) ,高效毛细管电泳(HPCE)等。它们往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。但不容忽视的是,随着分析手段更新,敏感性及分辨率提高,“假阳性”的概率也就越大,可能是仪器技术方法固有的，亦或是数据分析过程中产生的。 后期代谢组学研究的后期需借助于生物信息学平台。它往往借助于一定的软件,联合多种数据分析技术,将多维、分散的数据进行总结、分类及判别分析,发现数据间的定性、定量关系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其与机体代谢的关系。如果说分析技术在我们面前打开了“一扇门”,正确的数据分析方法和模型建立便是“找到宝藏”的钥匙。 主成分分析法( PCA) 是最常用的分析方法。其将分散于一组变量上的信息集中于几个综合指标(PC)上,如糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等,利用主成分描述机体代谢的变化情况,发挥了降维分析的作用,避免淹没于大量数据中。其他的模式识别技术,如聚类分析、辨别式功能分析、最小二乘法投影法等在代谢组学研究中亦有其重要的地位。 现实情况下,代谢组学的数据更为复杂,特别是NMR对病理生理过程的研究,将代谢物的表达谱与时间相联系,分析时更加困难,需要借助复杂的模型或是专家系统进行分析(在应用
药用植物代谢组学的研究进展 【摘要】从技术步骤、分析方法以及实际应用三个方面对当前药用植物代谢组学研究领域的一些理论问题和实践中面临的挑战进行综述。 【关键词】药用植物;代谢组学;功能基因组学 代谢组学是对生物体内代谢物进行大规模分析的一项技术[1],它是系统生物学的重要组成部分(如图1所示),药用植物代谢组学主要研究外界因素变化对植物所造成的影响,如气候变化、营养胁迫、生物胁迫,以及基因的突变和重组等引起的微小变化,是物种表型分析最强有力的工具之一。在现代中药研究中,代谢组学在药物有效性和安全性、中药资源和质量控制研究等方面具有重要理论意义和应用价值。另外,在对模式植物突变体文库或转基因文库进行分析之前,代谢组学往往是首先考虑采用的研究方法之一。目前,国外已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子,这为与重要性状相关基因功能的阐明和选育可供商业化利用的转基因作物奠定了基础 目前,还有许多经济作物的全基因组测序计划尚未完成,由于代谢组学研究并不要求对基因组信息的了解,所以在与这些作物有关的研究领域具有更大的利用价值,这也是其与转录组学和蛋白组学研究相比的优势之一。代谢组学研究涉及与生物技术、分析化学、有机化学、化学计量学和信息学相关的大量知识,Fiehn[2]对代谢组学有关的研究方向进行了分类(见表1)。 1代谢组学研究的技术步骤 代谢组学研究涉及的技术步骤主要包括植物栽培、样本制备、衍生化、分离纯化和数据分析5个方面(见图2)。 1.1植物栽培 对研究对象进行培育的目的是为了对样本的稳定性进行控制,相对于微生物和动物而言,植物的人工栽培需要考 表1代谢组学的分类及定义略 虑更多的问题,如中药材在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理状态的变化,而这些非可控及可控双重因素的影响很难进行精确的控制,从而影响药用植物代谢组研究的重复性。为了解决以上问题,推荐使用大容量的培养箱[3],定时更换培养箱中栽培对象的位置,以及使用无土栽培技术等,Fukusaki E[4]利用无土栽培系统将水和养分直接引入植物根部,并且对供给量进行精确地控制,大大提高了实验的重复性。 1.2样本制备 为了获得稳定的实验结果,样本制备需要考虑样本的生长、取样的时间和地点、取样量以及样本的处理方法等问题,并根据分析对象的分子结构、溶解性、极性等理化性质及其相对含量大小对提取和分离的方法进行选择,逐一优化试验方案。Maharjan RP等[5]用6种方法分别对大肠杆菌中代谢产物进行提取,发现用-40℃甲醇进行提取的效果最好。现阶段代谢组学的分析对象主要集中在亲水性小分子,尤其是初级代谢产物,气相色谱 质谱联用(GC MS)和毛细管电泳 质谱(CE MS)联用都是分析亲水小分子的重要技术。Fiehn O等[6]使用GC MS 对拟南芥叶片中的亲水小分子进行了分析,发现酒石酸半缩醛、柠苹酸、别苏氨酸、羟基乙酸等15种植物代谢物。 1.3衍生化处理 对目标代谢产物的衍生化处理取决于所使用的分析设备,GC MS系统只适
文献3 1 代谢组学的发展历史和精髓 代谢是生命活动中所有(生物)化学变化的总称。代谢活动是生命活动的本质特征和物质基础。因此，对代谢物的分析向来就是研究生命活动分子基础的一个重要突破口。生物代谢的系统化科学研究始于18世纪末到19世纪早中期，经过半个多世纪的努力，人们对代谢活动的物质基础和化学本质有了较为详尽的认识。这些科学研究均以经典“还原论”为研究哲学基础，对代谢途径或者其中的某些环节进行了“各个击破”的详尽研究，充分认识了各代谢途径或环节的分子机理。然而，孤立的代谢途径或环节是不存在的。伴随着21世纪的来临，对生物体系的认识需要从整体(或系统)水平进行，随之而诞生了系统生物学的思想。这种研究哲学的转变引发了近两百种所谓“组”和“组学”思想和概念的出现。 所谓代谢组是指生物体内源性代谢物质的动态整体。然而，传统的代谢概念既包括生物合成也包括生物分解，因此理论上代谢物包括核酸、蛋白质、脂类以及其他小分子代谢物质。但为了有别于基因组、转录组和蛋白质组，代谢组目前只涉及相对分子质量约小于1000的小分子代谢物质。 代谢组学是关于生物体内源性代谢物质的整体及其变化规律的科学。代谢组学的中心任务包括检测、量化和编录生物内源性代谢物质的整体及其变化规律，联系该变化规律与所发生的生物学事件或过程的本
质。 在基因组学、转录组学和蛋白质组学等概念存 在的同时，为什么还需要代谢组学的概念呢?首 先，这是因为对生物体系而言，基因、转录子和 蛋白质的存在为某生物学事件或过程的发生奠定了 物质基础，但这个事件或过程有可能不发生;而代 谢物的存在反映生命过程中己经发生了的生物化学 反应，其变化正是对该生物事件或过程的反映。其 次，绝大多数生物由宿主和与之共进化而共生的客 体共同组成，是所谓的超级生物体。 譬如，一个健康的人体由人体和与之共生的菌群两 部分组成。因此，研究人体显然需要对人本 身、菌群及其相互作用等在系统水平对所发生的生 物事件进行整体性认识。但是，体内菌群中菌种繁 多而且多数暂时无法进行体外培养，对这个共生体 仅仅从基因组和蛋白质组水平进行研究，有必然的 困难和方法上的不足。况且仅肠道菌群的细胞数量 和基因组规模均至少为人体的10倍！因此，仅 仅研究宿主本身的基因或细胞，最多只能认识正常 人体的一小部分。 而人体的整体代谢活动包括宿主机体本身的代 谢、寄生菌群的代谢、两者的共代谢以及两者代谢物质交换引起的变
代谢组学综述 摘要：代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的对某一生物或细胞所有低相对分子质量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科,由于其广泛的应用前景,目前已成为系统生物学的重要组成部分。现简要介绍了代谢组学的含义、代谢组学研究的历史沿革、当前代谢组学研究中的分析技术、数据解析方法,综述了代谢组学在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域的应用情况,并对当前代谢组学研究中存在的问题及发展趋势进行探讨。 关键词：代谢组学研究技术 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施,基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用, 与此同时, 代谢组学（metabolomics）在20世纪90年代中期产生并迅速地发展起来, 与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用, 它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律。这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Jeremy N icholson教授提出的, 他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统, 机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。2000年, 德国马普所的Fiehn等提出了代谢组学的概念, 但是与N icholson提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程, 也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代
一、 A 型题 1. 下列描述体内物质代谢的特点，哪项是错误的？ (A) 各种物质在代谢过程中是相互联系的 (B) 内源性和外源性物质在体内共同参与代谢 (C) 体内各种物质的分解、合成和转变维持着动态平衡 (D) 物质的代谢速度和方向决定于生理状态的需要 (E) 进人人体的能源物质超过需要，即被氧化分解 2. 关于糖、脂、氨基酸代谢错误的是 (A) 糖、脂不能转变为蛋白质 (B) 三羧酸循环是糖、脂、氨基酸分解代谢的最终途径 (C) 当摄人糖量超过体内消耗时，多余的糖可转变为脂肪 (D) 当摄人大量脂类物质时，脂类可大量异生为糖 (E) 乙酰CoA是糖、脂、氨基酸分解代谢共同的中间代谢物 3. 关于变构效应剂与酶结合的叙述正确的是 (A) 与酶活性中心底物结合部位结合 (B) 与酶活性中心催化基团结合 (C) 与调节亚基或调节部位结合 (D) 与酶活性中心外任何部位结合 (E) 通过共价键与酶结合 4. 饥饿可使肝内哪一条代谢途径增强？
(A) 糖原合成 (B) 糖酵解途径 (C) 糖异生 (D) 磷酸戊糖途径 (E) 脂肪合成 5. 胞浆内不能进行下列哪一代谢途径？ (A) 脂肪酸合成 (B) 磷酸戊糖途径 (C) 脂肪酸β一氧化 (D) 糖酵解 (E) 糖原合成与分解 6. 磷酸二羟丙酮是哪两种代谢之间的交叉点？ (A) 糖－氨基酸 (B) 糖－脂肪酸 (C) 糖－甘油 (D) 糖－胆固醇 (E) 糖－核酸 7. 长期饥饿时大脑的能量来源主要是 (A) 葡萄糖 (B) 氨基酸 (C) 甘油 (D) 酮体
(E) 糖原 8. 人体活动主要的直接供能物质是 (A) 脂肪酸 (B) 葡萄糖 (C) ATP (D) GTP (E) 磷酸肌酸 9. 作用于细胞内受体的激素是 (A) 类固醇激素 (B) 儿茶酚胺类激素 (C) 生长因子 (D) 肽类激素 (E) 蛋白类激素 10. 关于酶的化学修饰，错误的是 (A) 一般都有活性和非活性两种形式 (B) 活性和非活性两种形式在不同酶催化下可以互变 (C) 催化互变的酶受激素等因素的控制 (D) 一般不需消耗能量 (E) 化学修饰的方式多为肽链的磷酸化和脱磷酸 11. 酶化学修饰调节的主要方式是 (A) 乙酰化与去乙酰化 (B) 甲基化与去甲基
·综述· 代谢组学研究技术进展 胡正青a，林夏珍a，郭明b*(浙江林学院，a. 园林学院；b. 理学院化学系，浙江临安 311300) 摘要：目的介绍代谢组学研究技术的最新进展。方法综合国内外文献报道，介绍当前代谢组学研究中样品制备、仪器分析技术、数据处理方法和结果分析的最新研究概况。结果代谢组学研究技术取得了一定进步，拓宽了代谢组学的应用范围。结论自动化、标准化、整合化和完整化将是代谢组学研究技术的发展方向。 关键词：代谢组学；研究进展；系统生物学；分析技术；综述 中图分类号：Q591 文献标志码：A 文章编号：1007-7693(2010)06-0485-06 Advances in Research Techniques of Metabonomics HU Zhengqing a, LIN Xiazhen a, GUO Ming b*(Zhejiang Forestry University, a.School of Landscape Architecture, b. Department of Chemistry, Lin’an 311300, China) ABSTRACT: OBJECTIVE To introduce the new advances in research techniques of metabonomics. METHODS Make a summary of both national and overseas papers about matabonomics, and introduce the latest development in sample preparation, instrument analytical techniques, data processing and results analysis. RESULTS Research techniques of metabonomics have made certain progress and extend applied fields of metabonomics. CONCLUSION Automation, standardization, integration of multi-disciplinary and completeness will be the orientation for the future development of metabonomic techniques. KEY WORDS: metabonomics; research evolution; systems biology; analytical technique; review 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后迅速发展起来的一门新兴学科，它以生物系统中的代谢产物(由于实际分析手段的局限性，目前主要针对相对分子质量1 000以下的小分子)为分析对象，以高通量、高灵敏度、高分辨率的现代仪器分析方法为手段，结合模式识别等化学计量学方法，分析生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后)其代谢产物的变化或其随时间的变化规律。英文文献中，早期的代谢组学研究使用了两个不同的术语：metabolomics和metabonomics。前者侧重以单个细胞作为研究对象，Fiehn等[1]将其定义为定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量的代谢产物。后者一般以动物的体液和组织为研究对象，Nicholson等[2]将其定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生代谢物质动态应答的定量测定。随着代谢组学的研究发展，不管是在植物和微生物研究领域，还是在病理生理研究领域，这两个名词已经基本等同使用。目前国内的代谢组学研究小组达成共识，以metabonomics来表示“代谢组学”。 在代谢组学的研究过程中，代谢组学的一些相关概念也不断被提出来，目前已获得广泛认同的研究层次有：①代谢物靶标分析；②代谢轮廓(谱)分析；③代谢指纹分析；④代谢组学。严格地说，只有第4层次才是真正意义上的代谢组学研究，但是目前还没有发展出一种可以涵盖所有代谢物而不管分子大小和性质的代谢组学技术。 代谢组学相对于其他组学更能反映生物体的整体信息，这是因为代谢物处于生物系统生化活动调控的末端，反映的是已经发生了的生物学事件，基因表达和蛋白质的变化对系统产生的影响都可在代谢物水平上得到体现，所以从理论上来说，代谢组学分析所提供的信息更能够揭示生物体系生理和生化功能状态，对进行功能基因组的研究提供了极大便利。代谢组学与转录组学和蛋
第三十九章细胞代谢与基因表达调控 内容 14．1 代谢调节的重要性 531 14．2 酶的调节 532 14．2．1 通过控制酶的生物合成调节代谢 532 14．2．1．1 酶合成的诱导作用 532 14．2．1．2 酶合成的阻遏作用 534 14．2．1．3 分解代谢产物对酶合成的代谢 539 14．2．2 通过控制酶活性调节代谢 536 14．2．2．1 抑制作用 536 14．2．2．2 活化作用 536 14．2．2．3 别构作用 537 14．2．2．4 共价修饰 537 14．2．3 相反单向反应对代谢的调节 538 14．2．4 酶的分布区域化对代谢的调节 538 14．3 激素的调节 539 14．3．1 通过控制激素的生物合成调节代谢 539 14．3．2 通过激素对酶活性的影响调节阻遏 535 14．3．3 通过激素对酶合成的诱导作用调节代谢 540 14．3．4 参与代谢调控的激素 540 14．4 反义核酸的调节 541 14．5 神经的调节 541 总结性思考题 542
提要和学习指导本章是将散见在前面各章中有关代谢调节的内容 作总结性的综合叙述，使读者能认识到全书各章内容都是相互有关，而且是如何通过这些内容的有机联系以阐明生命过程中的化学现象。在学习本章的同时应复习酶、激素、维生素和代谢各章中的有关内容配合学习。这样联系具体实例学习理论，就比较容易体会。神经调节代谢，在生物化学方面研究甚少，因而资料缺乏，读者如能参阅一点动物生理学的神经生理，当可得到一些启发。 14．1 代谢调节的重要性 一切生物的生命都靠代谢的正常运转来维持。机体的代谢途径，异常复杂，一个细菌细胞内的代谢反应已在一千种以上，其他高级生物的代谢反应之复杂就可想而知了。正常机体有其精巧细致的代谢调节机构，故能使错综复杂的代谢反应能按一定规律有条不紊地进行。如果有任何原因使任何调节机构失灵都会妨碍代谢的正常运转，而导致不同程度的生理异常，产生疾病，甚至死亡，所以代谢调节对生命的存亡关系极大。 代谢的主要途径，已基本阐明，但有关代谢调节的知识还很不全面。本书对糖类、脂类、蛋白质和核酸代谢的调节已分散地在有关各章中作了介绍，为了使读者对代谢调节知识有一个比较系统和全面的认识，本章特就目前已有的代谢调节资料，再简要地作综合性的阐述。 代谢的调节机构甚多，可概括为下列4项：1．酶的调节；2．激素的调节；3．反义核酸的调节；4．神经的调节。通过这4种调节机构的协作、机体的代谢才可能正常运行。 14．2 酶的调节 一切代谢反应都有酶参加，酶在代谢反应中所起作用的大小，与其浓度和活性密切相关。细胞的酶浓度取决于酶的合成速度，因此，控制酶的生物合成和活性是机体调节自身代谢的重要措施。 14．2．1 通过控制酶的生物合成调节代谢 直接参加代谢调节的关键性酶类统称调节酶。机体必须保存调节酶的一定含量，防止过剩和不足，才能维持其代谢机能的正常运行。通常是用诱导物（inducer）以促进酶的合成，用阻遏物（repressor）以降低酶的合成。 酶本身是蛋白质，酶的合成也就是蛋白质的合成。关于蛋白质生物合成的调节方式，在蛋白质代谢章中（11．4）已作了扼要介绍，现以大肠杆菌为例，较为详细地说明微生物如何利用酶合成的诱导和阻遏来控制有关酶的生物合成。
1微生物的代谢 微生物代谢包括微生物物质代谢和能量代谢。 1.1微生物物质代谢 微生物物质代谢是指发生在微生物活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。 1.1.1分解代谢 分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。—般可将分解代谢分为TP。三个阶段：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。 1.1.1.1大分子有机物的分解 （1）淀粉的分解 淀粉是许多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。一般天然淀粉中，直链淀粉约占20％，支链淀粉约占80％。直链淀粉为α一l、4糖苷键组成的直链分子；支链淀粉只是在支点处由α—1、6糖苷键连接而成。 微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。淀粉酶是一类水解淀粉糖苷键酶的总称。它的种类很多，作用方式及产物也不尽相同，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包括β—淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶）。 以液化型淀粉酶为例，这种酶可以任意分解淀粉的。α-l、4糖苷键，而不能分解α-1、6糖苷键。淀粉经该酶作用以后，黏度很快下降，液化后变为糊精，最终产物为糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。由于这种酶能使淀粉表现为液化，淀粉
2016-02，37（1）中国烟草科学 Chinese Tobacco Science 89 代谢组学技术在烟草研究中的应用进展 王小莉，付博，赵铭钦*，贺凡，王鹏泽，刘鹏飞 （河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002） 摘要：简述了作为研究植物生理生化和基因功能新方法的代谢组学在烟草研究中的主要技术流程及其应用现状，归纳了不同生态环境和不同组织中烟草代谢物差异及产生原因，总结了生物和非生物胁迫及化学诱导处理等条件下的烟草生理生化变化及相关基因功能。最后提出了目前烟草代谢组学研究所面临的问题，并指出与其他组学整合应用是代谢组学在烟草研究领域的发展趋势。 关键词：烟草；代谢组学；胁迫；化学诱导；基因功能 中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2016）01-0089-08 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016 Research of Metabolomics in Tobacco WANG Xiaoli, FU Bo, ZHAO Mingqin*, HE Fan, WANG Pengze, LIU Pengfei (College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center, Zhengzhou 450002, China) Abstract: Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research, the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental, biotic and abiotic stresses, chemically induced processes and genetic modifications. Finally, issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco. Keywords: tobacco; metabolomics; stress; chemical induction; gene function 代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从不同层面研究生物体对环境或基因改变的响应，它们都是系统生物学的重要组成部分。植物代谢组学是21世纪初产生的一门新学科，主要通过研究植物的次生代谢物受环境或基因扰动前后差异来研究植物代谢网络和基因功能[1-2]。与微生物和动物相比，植物的独特性在于它拥有复杂的代谢途径，目前发现的次生代谢产物达20万种以上[3]。代谢物差异是植物对基因或环境改变的最终响应[4]，因此，对代谢物进行全面解析，探索相关代谢网络和基因调控机制，是从分子层面深入认识植物生命活动规律的一个重要环节[5-7]。 烟草不仅是重要的经济作物，同时还是一种重要的模式植物，作为生物反应器在研究植物遗传、发育、防御反应和转基因等领域中具有重要意义[8-10]。烟草代谢物非常丰富，目前从烟叶中已鉴定出3000多种[11]，且代谢物理化性质和含量差异较大，给烟草化学及代谢规律研究带来挑战。传统的烟草化学主要集中于研究某一类化学成分或某几种重要物质，如萜类[12]、生物碱类[13]、多酚类等[14]，这很难全面地系统地阐述烟草代谢网络。随着系统生物学的发展，烟草越来越广泛地被用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究中，例如采用系统生物学的方法找出 基金项目：中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发（110201101001 TS-01）；上海烟草集团责任有限公司“浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测”（szbcw201201150） 作者简介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要从事烟草生理生化研究。E-mail：xiaoliwang325@https://www.doczj.com/doc/7d1080202.html, *通信作者，E-mail：zhaomingqin@https://www.doczj.com/doc/7d1080202.html, 收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-19
干血点采样和微透析技术在药动学研究中的应用 摘要：药动学研究过程中，传统的取样方法存在一定的缺陷，使新的方法应运而生，干血点采样技术和微透析技术就是其中两个。本文就它们的原理、目前在药动学方面的应用现状、优点与不足之处作概述。关键词：干血点采样微透析技术药动学 进行药动学研究通常需要从生物体采集大量的全血（临床前试验每个时间点通常采集 100～500μl，临床试验 1～5 ml）以获得足够的血浆用于生物定量分析。应用传统的方法，在临床前试验中，每只动物只能获得一定体积的全血，如果用血量大，则需要将多只动物的血样混合，这往往导致药动学数据的可靠性下降，而且对动物的需求量增加。另外，血浆的处理要使用固相萃取、液液萃取或者蛋白沉淀等方法，这些步骤耗时耗力，限制了检测通量和样品检测数量。最后，血样的运输和储存也存在实质上的困难，运输以及储存过程需要冻存并妥善处理。由此可见，研究新的采样方法对药动学的研究有着不容忽视的意义。本文就两种非传统采样方法进行综述。 1.干血点采样技术 干血点采样（dried blood spot，DBS），即将全血样品收集在卡纸上，作为一种采集生物样品的新型替代技术，在血样采集方法上比传统方法有一定的优势。它需求较少的血量（通常小于 100 μL），可减少动物使用，方便血样采集、存储运输，简化样品前处理。特别适合小动物的连续样品采集。有关DBS样品采集、干燥、储存和运输、前处理等方面的综述如下：
1.1 DBS 样品采集方法 1.1.1 DBS 采样卡 FTA 和 FTA Elute 卡，可用于 DBS 采样，两种卡通过适宜的化学试剂处理后，具备溶解细胞，使蛋白变性，并且抑制细菌等其他微生物生长的功能。 1.1.2 DBS 样品采集过程 在临床前研究中，小动物（如小鼠、大鼠）可以从尾部采血。血样可直接滴到采样卡的圆圈内，应避免直接接触到卡纸，尤其是在采样前和血样未干燥前。还应避免凝血、分层以及过饱和等情况的发生。血样应均匀分布在圆圈内，采样卡两侧血样的颜色应保持一致。如果样品被污染，出现溶血现象或者采样体积不够，均为不合格的采样。也可以使用加样枪将血样点到采样卡上，这样可避免潜在的血细胞比容差异、采血量的影响、血样在采样卡上分布不均匀等采样错误。加样枪头应距离采样卡若干毫米，当血样碰触到卡时会迅速分散开，使血样在卡上分布均匀。 1.2 DBS 样品干燥、储存和运输方法 在储存和运输前将 DBS 样品充分干燥是十分重要的。一般而言，在室温开放环境（15～22 ℃）下，干燥时间至少为 2～3 h。干燥时间取决于采样卡的类型以及采血量的多少。样品不应该加热、重叠放置或者接触其他表面，需要的话应避免阳光直射。潮湿可能引起细菌生长，改变提取效率或者促进不稳定分析物的降解，从而导致血样的分析质量下降。因此在干燥之后，为避免 DBS 样品接触水分或湿气，