第十一章??代謝調(diào)節(jié)

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一、知識要點

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代謝調(diào)節(jié)是生物在長期進化過程中，為適應外界條件而形成的一種復雜的生理機能。通過調(diào)節(jié)作用細胞內(nèi)的各種物質(zhì)及能量代謝得到協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，使生物體能更好地利用環(huán)境條件來完成復雜的生命活動。根據(jù)生物的進化程度不同，代謝調(diào)節(jié)作用可在不同水平上進行：低等的單細胞生物是通過細胞內(nèi)酶的調(diào)節(jié)而起作用的；多細胞生物則有更復雜的激素調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)。因為生物體內(nèi)的各種代謝反應都是通過酶的催化作用完成的，所以，細胞內(nèi)酶的調(diào)節(jié)是最基本的調(diào)節(jié)方式。酶的調(diào)節(jié)是從酶的區(qū)域化、酶的數(shù)量和酶的活性三個方面對代謝進行調(diào)節(jié)的。

細胞是一個高效而復雜的代謝機器，每時每刻都在進行著物質(zhì)代謝和能量的轉(zhuǎn)化。細胞內(nèi)的四大類物質(zhì)糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸，在功能上雖各不相同，但在代謝途徑上卻有明顯的交叉和聯(lián)系，它們共同構成了生命存在的物質(zhì)基礎。代謝的復雜性要求細胞有數(shù)量龐大、功能各異和分工明確的酶系統(tǒng)，它們往往分布在細胞的不同區(qū)域。例如參與糖酵解、磷酸戊糖途徑和脂肪酸合成的酶主要存在胞漿中；參與三羧酸循環(huán)、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化的酶主要存在于線粒體中；與核酸生物合成有關的酶大多在細胞核中；與蛋白質(zhì)生物合成有關的酶主要在顆粒型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。細胞內(nèi)酶的區(qū)域化為酶水平的調(diào)節(jié)創(chuàng)造了有利條件。

生物體內(nèi)酶數(shù)量的變化可以通過酶合成速度和酶降解速度進行調(diào)節(jié)。酶合成主要來自轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，因此，可以分別在轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工與運輸和翻譯水平上進行調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)錄水平上，調(diào)節(jié)基因感受外界刺激所產(chǎn)生的誘導物和輔阻遏物可以調(diào)節(jié)基因的開閉，這是一種負調(diào)控作用。而分解代謝阻遏作用通過調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的降解物基因活化蛋白（CAP）促進轉(zhuǎn)錄進行，是一種正調(diào)控作用，它們都可以用操縱子模型進行解釋。操縱子是在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達的協(xié)調(diào)單位，由啟動子（P）、操縱基因（O）和在功能上相關的幾個結構基因組成；轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)包括，真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的運輸和在細胞中的定位等；翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括，mRNA本身核苷酸組成和排列（如SD序列），反義RNA的調(diào)節(jié)，mRNA的穩(wěn)定性等方面。

酶活性的調(diào)節(jié)是直接針對酶分子本身的催化活性所進行的調(diào)節(jié)，在代謝調(diào)節(jié)中是最靈敏、最迅速的調(diào)節(jié)方式。主要包括酶原激活、酶的共價修飾、反饋調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)及輔因子調(diào)節(jié)等。

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二、習??題

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（一）名詞解釋

1．誘導酶（Inducible enzyme）

2．標兵酶（Pacemaker enzyme）

3．操縱子（Operon）

4．衰減子（Attenuator）

5．阻遏物（Repressor）

6．輔阻遏物（Corepressor）

7．降解物基因活化蛋白（Catabolic gene activator protein）

8．腺苷酸環(huán)化酶（Adenylate cyclase）

9．共價修飾（Covalent modification）

10．級聯(lián)系統(tǒng)（Cascade system）

11．反饋抑制（Feedback inhibition）

12．交叉調(diào)節(jié)（Cross regulation）

13．前饋激活（Feedforward activation）

14．鈣調(diào)蛋白（Calmodulin）

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（二）英文縮寫符號

1. CAP（Catabolic gene activator protein）：?

2. PKA（Protein kinase）：

3. CaM（Calmkdulin）：??

4. ORF（Open reading frame）：

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（三）填空題

1. 哺乳動物的代謝調(diào)節(jié)可以在???????、???????、???????和???????四個水平上進行。

2. 酶水平的調(diào)節(jié)包括??????????、??????????和??????????。其中最靈敏的調(diào)節(jié)方式是?????????。

3. 酶合成的調(diào)節(jié)分別在?????????、?????????和?????????三個方面進行。

4. 合成誘導酶的調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是????????，它通過與?????????結合起調(diào)節(jié)作用。

5. 在分解代謝阻遏中調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是?????????????，它能與???????結合而被活化，幫助?????????????與啟動子結合，促進轉(zhuǎn)錄進行。

6. 色氨酸是一種?????????，能激活?????????，抑制轉(zhuǎn)錄過程。

7. 乳糖操縱子的結構基因包括?????????、?????????和????????。

8. 在代謝網(wǎng)絡中最關鍵的三個中間代謝物是??????????、?????????和????????。

9. 酶活性的調(diào)節(jié)包括?????????、?????????、?????????、?????????、?????????

和??????????。

10.共價調(diào)節(jié)酶是由??????????對酶分子進行??????????，使其構象在??????和??????之間相互轉(zhuǎn)變。

11.真核細胞中酶的共價修飾形式主要是?????????????，原核細胞中酶共價修飾形式主要是?????????????。

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（四）選擇題

1. 利用操縱子控制酶的合成屬于哪一種水平的調(diào)節(jié)：

A．翻譯后加工????B．翻譯水平????C．轉(zhuǎn)錄后加工????D．轉(zhuǎn)錄水平

2.?色氨酸操縱子調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是：

A．活性阻遏蛋白??????????????????B．失活阻遏蛋白?????

C．cAMP受體蛋白????????????????D．無基因產(chǎn)物

3.?下述關于啟動子的論述錯誤的是：

A．能專一地與阻遏蛋白結合????????B．是RNA聚合酶識別部位

C．沒有基因產(chǎn)物??????????????????D．是RNA聚合酶結合部位?

4.?在酶合成調(diào)節(jié)中阻遏蛋白作用于：

A．結構基因?????B．調(diào)節(jié)基因?????C．操縱基因?????D．RNA聚合酶

5.?酶合成的調(diào)節(jié)不包括下面哪一項：

A．轉(zhuǎn)錄過程??????????????????????B．RNA加工過程????

C．mRNA翻譯過程????????????????D．酶的激活作用

6. 關于共價調(diào)節(jié)酶下面哪個說法是錯誤的：

A．都以活性和無活性兩種形式存在????B．常受到激素調(diào)節(jié)

C．能進行可逆的共價修飾????????????D．是高等生物特有的調(diào)節(jié)方式

7. 被稱作第二信使的分子是：

A．cDNA ??????B．ACP ?????C．cAMP ?????D．AMP

8．反饋調(diào)節(jié)作用中下列哪一個說法是錯誤的：

A．有反饋調(diào)節(jié)的酶都是變構酶???????B．酶與效應物的結合是可逆的

C．反饋作用都是使反速度變慢???????D．酶分子的構象與效應物濃度有關

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（五）是非判斷題

（）1.分解代謝和合成代謝是同一反應的逆轉(zhuǎn)，所以它們的代謝反應是可逆的。

（）2.啟動子和操縱基因是沒有基因產(chǎn)物的基因。

（）3.酶合成的誘導和阻遏作用都是負調(diào)控。

（）4.衰減作用是在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達進行調(diào)節(jié)的一種方式。

（）5.與酶數(shù)量調(diào)節(jié)相比，對酶活性的調(diào)節(jié)是更靈敏的調(diào)節(jié)方式。

（）6.果糖1,6二磷酸對丙酮酸激酶具有反饋抑制作用。

（）7.序列反應中幾個終產(chǎn)物同時過多時的調(diào)節(jié)作用叫累積調(diào)節(jié)。

（）8.酶的共價修飾能引起酶分子構象的變化。

（）9.脫甲基化作用能使基因活化。

（）10.連鎖反應中，每次共價修飾都是對原始信號的放大.

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（六）問答題

1．糖代謝與脂類代謝的相互關系?

2．糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互關系?

3．蛋白質(zhì)代謝與脂類代謝的相互關系?

4．簡述酶合成調(diào)節(jié)的主要內(nèi)容？

5．以乳糖操縱子為例說明酶誘導合成的調(diào)控過程？

6．以糖原磷酸化酶激活為例，說明級聯(lián)系統(tǒng)是怎樣實現(xiàn)反應信號放大的？

7．二價反饋抑制作用有哪些主要類型？

8．代謝的區(qū)域化有何意義？

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三、答??案

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（一）、名詞解釋：

1. 誘導酶：由于誘導物的存在，使原來關閉的基因開放，從而引起某些酶的合成數(shù)量明顯增加，這樣的酶稱為誘導酶

2. 標兵酶：在多酶促系列反應中，受控制的部位通常是系列反應開頭的酶，這個酶一般是變構酶，也稱標兵酶。

3. 操縱子：在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達的協(xié)調(diào)單位，包括啟動子（P）、操縱基因（O）和在功能上相關的幾個結構基因。

4. 衰減子：位于結構基因上游前導區(qū)調(diào)節(jié)基因表達的功能單位，前導區(qū)轉(zhuǎn)錄的前導RNA通過構象變化終止或減弱轉(zhuǎn)錄。?

5. 阻遏物：由調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的一種變構蛋白，當它與操縱基因結合時，能夠抑制轉(zhuǎn)錄的進行。

6. 輔阻遏物：能夠與失活的阻碣蛋白結合，并恢復阻遏蛋白與操縱基因結合能力的物質(zhì)。輔阻遏物一般是酶反應的產(chǎn)物。

7. 降解物基因活化蛋白：由調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的一種cAMP受體蛋白，當它與cAMP結合時被激活，并結合到啟動子上促進轉(zhuǎn)錄進行。是一種正調(diào)節(jié)作用。

8. 腺苷酸環(huán)化酶：催化ATP焦磷酸裂解產(chǎn)生環(huán)腺苷酸（cAMP）的酶。

9. 共價修飾：某種小分子基團可以共價結合到被修飾酶的特定氨基酸殘基上，引起酶分子構象變化，從而調(diào)節(jié)代謝的方向和速度。

10. 級聯(lián)系統(tǒng)：在連鎖代謝反應中一個酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其它酶被激活，導致原始調(diào)節(jié)信號的逐級放大，這樣的連鎖代謝反應系統(tǒng)稱為級聯(lián)系統(tǒng)。

11. 反饋抑制：在代謝反應中，反應產(chǎn)物對反應過程中起作用的酶產(chǎn)生的抑制作用。

12. 交叉調(diào)節(jié)：代謝產(chǎn)物不僅對本身的反應過程有反饋抑制作用，而且可以控制另一代謝物在不同途徑中的合成。

13. 前饋激活：在反應序列中，前身物質(zhì)對后面的酶起激活作用，使反應向前進行。

14. 鈣調(diào)蛋白：一種依賴于鈣的蛋白激酶，酶蛋白與鈣結合引起酶分子構象變化，調(diào)解酶的活性。如磷酸化酶激酶是一種依賴于鈣的蛋白激酶。

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（二）英文縮寫符號

1. CAP（Catabolic gene activator protein）：降解物基因活化蛋白

2. PKA（Protein kinase）：蛋白激酶A ?

3. CaM（Calmkdulin）：鈣調(diào)蛋白??

4. ORF（Open reading frame）：開放閱讀框架

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（三）填空題

1. 細胞內(nèi)酶水平；細胞水平；激素水平；神經(jīng)水平

2. 酶的區(qū)域化；酶數(shù)量的調(diào)節(jié)；酶活性的調(diào)節(jié)

3. 轉(zhuǎn)錄水平；轉(zhuǎn)錄后加工和運輸；翻譯水平

4. 阻遏蛋白；操縱基因

5. 降解物基因活化蛋白（CAP）；環(huán)腺苷酸（cAMP）；RNA聚合酶

6. 輔阻遏物；阻遏蛋白

7.?LacZ；LacY；LacA

8. 6-磷酸葡萄糖；丙酮酸；乙酰輔酶A

9. 酶原激活；酶共價修飾；變構調(diào)節(jié)；反饋調(diào)節(jié)；輔因子調(diào)節(jié)；能荷調(diào)節(jié)

10. 小分子基團；共價修飾；有活性；無活性?

11. 磷酸化和脫磷酸化；核苷?；兔摵塑挣；?/p>

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（四）選擇題

1. D：操縱子在酶合成的調(diào)節(jié)中是通過操縱基因的開閉來控制結構基因表達的，所以是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)。細胞中酶的數(shù)量也可以通過其它三種途徑進行調(diào)節(jié)。

2. B：色氨酸操縱子控制合成色氨酸五種酶的轉(zhuǎn)錄，色氨酸是蛋白質(zhì)氨基酸，正常情況下調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的是無活性阻遏蛋白，轉(zhuǎn)錄正常進行。但當細胞中色氨酸的含量超過蛋白質(zhì)合成的需求時，色氨酸變成輔阻遏物來激活阻遏蛋白，使轉(zhuǎn)錄過程終止；誘導酶的操縱子調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的是活性阻遏物；組成酶的操縱子調(diào)節(jié)基因不產(chǎn)生阻遏蛋白；有分解代謝阻遏作用的操縱子調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是cAMP受體蛋白（降解物基因活化蛋白）。

3. A：操縱基因是阻遏蛋白的結合部位。

4. C：活性阻遏蛋白與操縱基因結合使轉(zhuǎn)錄終止。

5. D：酶的激活作用是對酶活性的調(diào)節(jié)，與酶合成的調(diào)節(jié)無關。

6．D：共價調(diào)節(jié)酶是高等生物和低等生物都具有的一種酶活性調(diào)節(jié)方式。

7．C：cDNA 為互補DNA，ACP為?；d體蛋白，AMP為腺苷酸。cAMP由腺苷酸環(huán)化酶催化ATP焦磷酸裂解環(huán)化生成，腺苷酸環(huán)化酶可感受激素信號而被激活，所以，一般把激素稱為“第一信使”，把cAMP稱為“第二信使”。

8．C：反饋作用包括正反饋（反饋激活）和負反饋（反饋抑制），正反饋對酶起激活作用，負反饋對酶起抑制作用。

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（五）是非判斷題

1.錯：分解代謝和合成代謝雖然是同一反應的逆轉(zhuǎn)，但它們各自的代謝途徑不完全相同，如在糖酵解途徑中，葡萄糖被降解成丙酮酸的過程有三步反應是不可逆的，在糖異生過程中需要由其它的途徑或酶來代替。

2.對：操縱子包括啟動子、操縱基因和結構基因，啟動子是RNA聚合酶識別和結合部位，操縱基因可以與阻遏蛋白結合控制基因表達，兩者都沒有基因產(chǎn)物。結構基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為與DNA互補的RNA。

3.對：在酶合成的誘導中，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的活性阻遏物在沒有誘導物的情況下，能與操縱基因結合，使轉(zhuǎn)錄終止和減弱；在酶合成的阻遏中，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的失活阻遏物與輔阻遏物結合后被活化，再與操縱基因結合，也能使轉(zhuǎn)錄終止和減弱；

4.對：衰減作用是通過對已轉(zhuǎn)錄的前導RNA翻譯后形成的終止子，對已開始的轉(zhuǎn)錄過程進行調(diào)節(jié)。

5.對：酶合成的調(diào)節(jié)需要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、加工等過程，酶的降解需要蛋白酶的作用，它們都是慢速的調(diào)節(jié)過程。酶活性的調(diào)節(jié)則直接作用于酶分子本身，所以是更靈敏更迅速的調(diào)節(jié)過程。

6.錯：果糖1,6二磷酸對丙酮酸激酶具有前饋激活作用。因為，在糖酵解的序列反應中，果糖1,6二磷酸位于丙酮酸激酶催化的反應之前，果糖1,6二磷酸對丙酮酸激酶的前饋激活作用有利于酵解反應的進行。

7.錯：叫協(xié)同調(diào)節(jié)。幾個終產(chǎn)物中任何一個產(chǎn)物過多都能部分抑制某一酶的活性，要達到最大的效果幾個終產(chǎn)物必需同時過多，這種調(diào)節(jié)作用叫累積調(diào)節(jié)。

8.對：在酶分子中共價引入或去除某種小分子基團，能使酶蛋白的空間結構在有活性和無活性構象之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。

9.對：DNA的堿基通過脫甲基化作用能使染色質(zhì)變疏松，基因得到活化。而甲基化作用可關閉某些基因的表達。

10.對：因為在連鎖反應中，每次共價修飾都相當于增加一級酶促反應，使原始信號得到一次放大。

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（六）問答題（解題要點）

1. 答：（1）糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹荆禾墙徒馑a(chǎn)生的磷酸二羥丙同酮還原后形成甘油，丙酮酸氧化脫羧形成乙酰輔酶A是脂肪酸合成的原料，甘油和脂肪酸合成脂肪。

???（2）脂肪轉(zhuǎn)變?yōu)樘牵褐痉纸猱a(chǎn)生的甘油和脂肪酸，可沿不同的途徑轉(zhuǎn)變成糖。甘油經(jīng)磷酸化作用轉(zhuǎn)變成磷酸二羥丙酮，再異構化變成3-磷酸甘油醛，后者沿糖酵解逆反應生成糖；脂肪酸氧化產(chǎn)生乙酰輔酶A，在植物或微生物體內(nèi)可經(jīng)乙醛酸循環(huán)和糖異生作用生成糖，也可經(jīng)糖代謝徹底氧化放出能量。

???（3）能量相互利用：磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的NADPH直接用于脂肪酸的合成，脂肪分解產(chǎn)生的能量也可用于糖的合成。

2. 答：（1）糖是蛋白質(zhì)合成的碳源和能源：糖分解代謝產(chǎn)生的丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、4-磷酸赤蘚糖等是合成氨基酸的碳架。糖分解產(chǎn)生的能量被用于蛋白質(zhì)的合成。

?（2）蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物進入糖代謝：蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生的氨基酸經(jīng)脫氨后生成α-酮酸，α-酮酸進入糖代謝可進一步氧化放出能量，或經(jīng)糖異生作用生成糖。

3. 答：（1）脂肪轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)：脂肪分解產(chǎn)生的甘油可進一步轉(zhuǎn)變成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等，再經(jīng)過轉(zhuǎn)氨基作用生成氨基酸。脂肪酸氧化產(chǎn)生乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合進入三羧酸循環(huán)，能產(chǎn)生谷氨酸族和天冬氨酸族氨基酸。

???（2）蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹荆涸诘鞍踪|(zhì)氨基酸中，生糖氨基酸通過丙酮酸轉(zhuǎn)變成甘油，也可以氧化脫羧后轉(zhuǎn)變成乙酰輔酶A，用于脂肪酸合成。生酮氨基酸在代謝反應中能生成乙酰乙酸，由乙酰乙酸縮合成脂肪酸。絲氨酸脫羧后形成膽氨，膽氨甲基化后變成膽堿，后者是合成磷脂的組成成分。

4. 答：（1）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)：負調(diào)控作用（酶合成的誘導和阻遏）；正調(diào)控作用（降解物基因活化蛋白）；衰減作用（衰減子）。

???（2）轉(zhuǎn)錄后的的調(diào)節(jié)：轉(zhuǎn)錄后mRNA的加工，mRNA由細胞核向細胞質(zhì)的運輸，mRNA細胞中的定位和組裝。

???（3）翻譯水平的調(diào)節(jié)：mRNA本身核苷酸組成和排列（如SD序列），反義RNA的活性，mRNA的穩(wěn)定性等都是翻譯水平的調(diào)節(jié)的重要內(nèi)容。

5. 答：（1）乳糖操縱子：操縱子是指在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達的協(xié)調(diào)單位，包括啟動子（P）、操縱基因（O）和在功能上相關的幾個結構基因，操縱子可受調(diào)節(jié)基因的控制。乳糖操縱子是三種乳糖分解酶的控制單位。

???（2）阻遏過程：在沒有誘導物（乳糖）情況下，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的活性阻遏蛋白與操縱基因結合，操縱基因被關閉，操縱子不轉(zhuǎn)錄。

???（3）誘導過程：當有誘導物（乳糖）的情況下，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的活性阻遏蛋白與誘導物結合，使阻遏蛋白構象發(fā)生改變，失去與操縱基因結合的能力，操縱基因被開放，轉(zhuǎn)錄出三種乳糖分解酶（LacZ、LacY、LacA）。

6. 答：（1）級聯(lián)系統(tǒng)：在連鎖代謝反應中一個酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其它酶被激活，導致原始調(diào)節(jié)信號的逐級放大，這樣的連鎖代謝反應系統(tǒng)稱為級聯(lián)系統(tǒng)。糖原磷酸化酶的激活過程就是一個例子。

???（2）放大過程：a-激素（如腎上腺素）使腺苷酸環(huán)化酶活化，催化ATP和生成cAMP。

???????????????b- cAMP使蛋白激酶活化，使無活力的磷酸化酶b激酶轉(zhuǎn)變成有活力的????磷酸化酶b激酶。

???????????????c-磷酸化酶b激酶使磷酸化酶b轉(zhuǎn)變成激活態(tài)磷酸化酶a。

???????????????d-磷酸化酶a使糖原分解為磷酸葡萄糖。

每次激活都是一次共價修飾，也是對原始信號的一次放大過程。

7. 答：（1）二價反饋抑制：在有分支的序列反應中，產(chǎn)生兩種或兩種以上的終產(chǎn)物，都對序列反應開頭的酶起反饋抑制作用。

???（2）主要類型：同工酶反饋抑制；順序反饋抑制；協(xié)同反饋抑制；累積反饋抑制。

8．答：（1）消除酶促反應之間的干擾。

???（2）使代謝途徑中的酶和輔因子得到濃縮，有利于酶促反應進行。

???（3）使細胞更好地適應環(huán)境條件的變化。

???（4）有利于調(diào)節(jié)能量的分配和轉(zhuǎn)換。