生物化学细胞代谢和基因表达调节课件

1、第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络第二节第二节 代谢调节代谢调节第三节第三节 基因表达的调节基因表达的调节第十二章第十二章 细胞代谢与基因细胞代谢与基因表达调控表达调控 一、代谢途径交叉形成网络一、代谢途径交叉形成网络第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络细胞代谢调节的总原则和方略糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系P624糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系脂脂肪肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoACoA琥珀酸琥珀酸糖糖 (植物植物)乙醛酸循环乙醛酸循环 -氧化氧化糖异生糖异生TC

2、A糖糖乙酰乙酰CoACoA，NADPHNADPH脂肪酸脂肪酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸甘油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解从头合成从头合成糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖糖 -酮酸酮酸 非必需氨基酸非必需氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸）（生糖氨基酸）节首氨基化氨基化脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸碳架非必需非必需氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪

3、酸脂肪脂肪（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）节首TCA核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系3.3.核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoACoA、NAD+NAD+，NADP+NADP+，cAMPcAMP，cGMPcGMP）。）。 1.1.核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型，影响细胞的成分和代谢类型2.2.各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如如ATPATP是能量的是能量的“通货通货”，此外，此

4、外UTPUTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTPCTP参与磷脂合成，参与磷脂合成，GTPGTP参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用。节首4.4.核苷酸的生物合成需要糖代谢提供磷酸核糖，蛋白质核苷酸的生物合成需要糖代谢提供磷酸核糖，蛋白质代谢提供氨基酸。代谢提供氨基酸。5.5.核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。而且需要酶和多种蛋白质因子。二、分解和合成代谢的单向性二、分解和合成代谢的单向性三、三、ATP是通用的能量载体是通用的能量载体四、四、NADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携带能

5、量 用于还原性生物合成用于还原性生物合成五、代谢的要略五、代谢的要略 形成形成ATP、NADPH和结构单元用于生物合成和结构单元用于生物合成节首下一页一、细胞水平的代谢调节一、细胞水平的代谢调节二、激素水平的代谢调节二、激素水平的代谢调节三、神经水平的代谢调节三、神经水平的代谢调节第二节第二节 代谢调节代谢调节代谢调节可在多个水平进行，如底物水平、酶水平等。代谢调节可在多个水平进行，如底物水平、酶水平等。一、细胞水平的代谢调节一、细胞水平的代谢调节（一）代谢途径的区域化（一）代谢途径的区域化分隔与控制分隔与控制细胞具有精细结构，真核细胞具有膜包围的细胞器。细胞具有精细结构，真核细胞具有膜包围的

6、细胞器。因此代谢途径的有关酶类，常常组成酶系，分布于细因此代谢途径的有关酶类，常常组成酶系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构胞的某一区域或亚细胞结构。 1.控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度；控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度； 2.控制物质运输控制物质运输 3.膜与酶可逆结合膜与酶可逆结合双关酶（双关酶（HK，PFK等）等）P630酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域糖酵解酶系糖酵解酶系TCA酶系酶系磷酸戊糖途径酶系磷酸戊糖途径酶系脂肪酸脂肪酸氧化酶系氧化酶系脂肪酸合成酶系脂肪酸合成酶系尿素合成酶系尿素合成酶系胞浆胞浆线粒体线粒体胞浆胞浆线粒体线粒体胞浆胞浆线粒体和胞浆线

7、粒体和胞浆蛋白质合成酶系蛋白质合成酶系DNA聚合酶聚合酶RNA聚合酶聚合酶水解酶类水解酶类粗面内质网粗面内质网细胞核细胞核细胞核细胞核溶酶体溶酶体真核细胞内某些酶的区域化分布真核细胞内某些酶的区域化分布节首P631（二）酶活性的调节（二）酶活性的调节1.1. 别构调节别构调节抑制或激活抑制或激活2. 2. 酶原激活酶原激活3. 3. 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节节首（三）酶量的调节（三）酶量的调节1 1、酶生物合成的诱导和阻遏、酶生物合成的诱导和阻遏（原核生物目前研究较深入）（原核生物目前研究较深入） 操纵子学说操纵子学说2 2、酶的降解、酶的降解P626二、激素水平的代谢调节二、激素水平

8、的代谢调节激素的分类激素的分类1 1、氨基酸及其衍生物类激素：酪氨酸的代谢产物、氨基酸及其衍生物类激素：酪氨酸的代谢产物，如甲状腺素、肾上腺素，如甲状腺素、肾上腺素2 2、肽及蛋白质激素：胰岛素、降钙素等、肽及蛋白质激素：胰岛素、降钙素等3 3、固醇类激素：肾上腺皮质激素、性激素、固醇类激素：肾上腺皮质激素、性激素4 4、脂肪酸衍生物类激素：前列腺素、脂肪酸衍生物类激素：前列腺素三、神经水平的调节（高等动物）三、神经水平的调节（高等动物） 中枢神经中枢神经 下丘脑下丘脑垂体垂体 腺体腺体 靶细胞靶细胞P632P638一、基因表达一、基因表达1.1.基因组基因组(genome)(genome)：

9、一个细胞或病毒所携带的全部遗传信：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。息或整套基因。2. 2. 基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)：遗传信息的展现，即：遗传信息的展现，即基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。质分子的过程。可按一定时间程序发生改变可按一定时间程序发生改变时序调节时序调节可随内外环境条件变化而调整可随内外环境条件变化而调整适应调节适应调节第三节第三节 基因表达的调节基因表达的调节（一）基因表达的概念（一）基因表达的概念P639（二）基因表达的特点（二

10、）基因表达的特点1.时间特异性时间特异性多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)(stage specificity)。2.空间特异性空间特异性基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组细胞或组织特异性织特异性(cell or tissue specificity)(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在

11、个体按不同组织空在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial (spatial specificity)specificity)。3.受内外环境条件的影响而变化受内外环境条件的影响而变化（三）基因表达的方式（三）基因表达的方式按照对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按照对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1. 组成型表达（持家基因）组成型表达（持家基因）某些基因在个体的几乎某些基因在个体的几乎所有细胞所有细胞中中持续恒定表达持续恒定表达，通常，通常被称为管家基因或持家基因被称为管家基因或持家基因(h

12、ousekeeping gene)(housekeeping gene)。管家基因较少受环境因素影响，在个体各个生长阶段管家基因较少受环境因素影响，在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小，这类的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小，这类基因表达被视为组成型表达基因表达被视为组成型表达(constitutive gene (constitutive gene expression)expression)。2. 2. 可诱导和可阻遏表达（可调基因）可诱导和可阻遏表达（可调基因）（1 1）可诱导）可诱导在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产在特定环境信号刺激

13、下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导表达增强的过程，称为诱导(induction)(induction)。如分解乳糖的基因。如分解乳糖的基因。 （2 2）可阻遏）可阻遏如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)(repression)。如合成。如合成TrpTrp的基因。的基因。在一定机制控制下，功能上

14、相关的一组基因，无论其在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)(coordinate expression)，这种调节称为协调调节。，这种调节称为协调调节。二、基因表达的多级调控二、基因表达的多级调控1.DNA水平水平2.转录水平：转录水平：转录起始转录起始 、转录终止、转录后加工、转录终止、转录后加工蛋白质降解等蛋白质降解等3.翻译水平翻译水平反义反义RNARNA、mRNAmRNA的二级结构与稳定性、翻译后的二级结构与稳定性、翻译后加工修

15、饰加工修饰第一个被阐明的操纵子第一个被阐明的操纵子大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子 基于乳糖对乳糖代谢酶的诱导现象：基于乳糖对乳糖代谢酶的诱导现象：大肠杆菌培养基中没有乳糖，则细胞内参与乳糖分解代大肠杆菌培养基中没有乳糖，则细胞内参与乳糖分解代谢的谢的3 3种酶很少（种酶很少（ -半乳糖苷酶半乳糖苷酶0.5-50.5-5个个/cell/cell）；一旦）；一旦加入乳糖或其类似物，则几分钟内酶分子数骤增（加入乳糖或其类似物，则几分钟内酶分子数骤增（ -半半乳糖苷酶乳糖苷酶50005000个个/cell/cell，其它两种酶也大量增加）。，其它两种酶也大量增加）。三、原核生物基因表达三、原核生

16、物基因表达转录起始水平转录起始水平的调控的调控为什么加入底物，相应的分解代谢的酶才会合成？为什么加入底物，相应的分解代谢的酶才会合成？经济原则经济原则PS1S2S3启动子启动子OPromoter调控序列调控序列结构基因结构基因 操纵子（操纵子（operon） 结合结合RNARNA聚合酶聚合酶表达功能蛋白表达功能蛋白?操纵子（操纵子（operonoperon）: :原核生物基因表达调控的基本单位，原核生物基因表达调控的基本单位，由一个或由一个或多个相关的结构基因、调控它们转录的操纵基因、调节基因和启多个相关的结构基因、调控它们转录的操纵基因、调节基因和启动子序列组成。动子序列组成。操纵基因操纵基

17、因OperatorI调节基因调节基因Regulator表达调节蛋白表达调节蛋白（一）大肠杆菌乳糖操纵子（一）大肠杆菌乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵基因操纵基因 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： -半乳糖苷酶透过酶半乳糖苷酶透过酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAZYAOPDNAI调节基因调节基因P640mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）乳糖操纵子阻遏蛋白的负调节（二）乳糖操纵子阻遏蛋白的负调节调节基因调节基因结构基因不能转录结构基因不能转录mRNA阻遏

18、蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶诱导物诱导物构象构象改变改变（三）乳糖操纵子（三）乳糖操纵子CAP的正调节（的正调节（P641）葡萄糖效应葡萄糖效应：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，优先利用时，优先利用G G，只有在，只有在G G耗尽后耗尽后, ,经过一段停滞期才利用经过一段停滞期才利用乳糖。乳糖。分解分解G G的酶是组成型表达，的酶是组成型表达，G G的降解物影响了分解其它糖的降解物影响了分解其它糖的酶表达的酶表达, ,称之为称之为降解物阻遏降解物阻遏。调节基因的产物为环腺苷酸受体（调节基因的产物为环腺苷酸受体（CRPCRP），也称为降解），也称为降解物基因活化蛋白（物基因活化蛋白（CAPCAP），与），与cAMPcAMP结合后被活化，与操结合后被活化，与操纵子上某部位结合使纵子上某部位结合使DNADNA链弯曲，促进链弯曲，促进RNARNA聚合酶与启动聚合酶与启动子的结合，从而子的结合，从而cAMP-CRPcAMP-CRP能增强转录。能增强转录。G G分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，导致酯酶，导致cAMPcAMP浓度降低，