细胞代谢网络与基因表达调控课件

1、16.1 代谢途径的相互联系16.2 代谢调节16.3 细胞信号转导16.4 基因表达调控第十六章 细胞代谢网络与基因表达调控16.1 代谢途径的相互联系16.1.1 代谢网络（一）代谢途径交叉形成网络 通过共同中间代谢物使各物质的代谢途径联系起来，形成经济有效、运转良好的代谢网络。 三个最关键的中间代谢物：6磷酸葡萄糖、丙酮酸、乙酰CoA（二）分解代谢和合成代谢的单向性（三）ATP是通用的能量载体（四）NADPH以还原力形式携带能量糖、脂类、蛋白质、核酸代谢之间的联系16.1.2 代谢途径间的相互关系(一) 糖代谢与脂类代谢的相互关系 (二) 糖代谢与蛋白质代谢的相互关系(三) 脂类代谢与蛋

2、白质代谢的相互关系(四) 核酸与糖类、脂类、蛋白质代谢的相互关系 脂肪甘油磷酸二羟丙酮糖代谢脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖 (植物)乙醛酸循环-氧化糖异生TCA糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成糖代谢与脂类代谢的相互联系延胡索酸琥珀酸苹果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循环乙醛酸循环甘油乙酰 CoA三酰甘油脂肪酸氧化 糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物脂肪代谢和糖代谢的关系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：如糖分解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经TCA循环产生酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经

3、加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。另外，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。 蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。糖代谢与蛋白质代谢联系图示糖-酮酸 氨基酸 蛋白质 NH3蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖 （生糖氨基酸）脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪甘油磷酸二羟丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白质蛋白质氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）氨基酸核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。 核酸

4、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 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。 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。（胞液）（线粒体）（PEP）丙氨酸天冬氨酸谷氨酸（转氨基作用）糖的分解代谢与糖异生的关系16.2 代谢调节 生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现

5、病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。 细胞水平调节 酶水平调节 激素水平调节 神经水平调节多细胞整体水平调节16.2.1 代谢调节的四级水平代谢途径的区域化：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中，使不同代谢途径在不同细胞内进行区域化的意义：区域化的存在显著影响真核细胞的代谢情况，有利于代谢的调节。例如：脂肪酸的分解与合成16.1.2 细胞结构对代谢途径的分隔控制调节线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;细胞核:核酸合

6、成内质网:蛋白质合成;磷脂合成细胞结构对代谢途径的分隔控制调节代谢途径的区域化酶或酶系所在区域酶或酶系所在区域糖酵解酶系TCA酶系磷酸戊糖途径酶系脂肪酸氧化酶系脂肪酸合成酶系尿素合成酶系胞浆线粒体胞浆线粒体胞浆线粒体和胞浆蛋白质合成酶系DNA聚合酶RNA聚合酶水解酶类粗面内质网细胞核细胞核溶酶体真核细胞内某些酶的区域化分布细胞膜结构对代谢的调节和控制作用最基本的代谢调节酶活性调节酶含量调节变构效应（别构）共价修饰基因表达调控酶的激活与抑制酶的诱导与阻遏16.2.3 酶水平的调节一、酶活性调节通过改变酶的构象或结构来调节酶的活性，是一种精细的调节。包括抑制作用和激活作用。调节机制：酶原激活；别构

7、效应；共价修饰；聚合和解聚等。一）酶活性的前馈和反馈调节前馈（feedforward）:底物对代谢过程的调节作用。反馈（feedback）:代谢产物对代谢过程的调节作用。调节机理:通过酶的变构效应来实现。这种调节可能是正调控，也可能是负调控。S0SnS2S1E0E1En-1或+或+反馈前馈6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原 合成酶ATP ADP UTP UDPG 举例反馈抑制（feedback inhibition）：也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的活力起抑制作

8、用。 反馈抑制在代谢中很多，特别是在氨基酸和核苷酸的生物合成中，这类例子更多。 反硝化作用氧化亚氮氨甲酰磷酸分支酸脱氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤藓糖-4-磷酸脱氢奎尼酸莽草酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸 +预苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高丝氨酸氨基苯甲酸氨基酸合成的反馈调控 共价修饰（covalent modification）: 亦称化学修饰，就是酶蛋白 在另一种酶的催化下，在其分子上以共价结合的方式接上或脱去某种特殊的化学基团，从而引起酶活力改变的过程。 自从1955年Krebs和Suther

9、land等有关糖原磷酸化酶的研究以来，到目前已经知道的有100多种酶在它被翻译后进行共价修饰。 目前已知有6种类型共价修饰酶: 磷酸化/脱磷酸化 腺苷酰化/脱腺苷酰化 乙酰化/脱乙酰化 尿苷酰化/脱尿苷酰化 甲基化/脱甲基化 S-S/SH相互转变 意义：代谢作用中关键酶的共价修饰是级联放大的最终阶段（特别是激素调节）。二）共价修饰 激酶ATPADP磷酸化酶 b（无活性）磷酸化酶a P（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰糖原磷酸化酶磷酸化/脱磷酸化共价修饰表示通式磷酸化酶的共价修饰调节糖原合成酶和糖原磷酸化酶修饰的区别 糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进

10、行调控，其限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。糖原合成酶 a ( 有活性)糖原磷酸化酶 b ( 无活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶 b ( 无活性)糖原磷酸化酶 a ( 有活性)PP共价修饰与级联放大辅因子对已有酶活性的调节 能荷对代谢的调节 NADH/NAD+对代谢的调节 金属离子浓度对代谢的调节细胞能量状态指标能荷= ATP+0.5ADPATP+ADP+AMPATPATP ADPATP系统质量作用比=2、产能反应与需能反应的调节正常状态，该比值很高。机体的调节也非

11、常灵敏和精确，因此该比值波动很小。正常情况下，大约为0.9，变动范围0.850.95二、酶量的调节组成酶 诱导酶 酶量的调节通过调节酶合成和降解速度来实现。酶的合成主要在基因转录水平上进行，见基因表达的调控部分。16.2.4 激素水平的代谢调节激素的分类1、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2、肽及蛋白质激素：胰岛素、降钙素等3、固醇类激素：肾上腺皮质激素、性激素4、脂肪酸衍生物类激素：前列腺素激素受体分类：1、细胞膜受体：水溶性激素，激素受体复合物，第二信使：cAMP2、细胞浆受体脂溶性激素，易进入细胞，激素受体复合物，进入细胞核，开启基因活力，使相应基因表达，表

12、现生物效应。激素对代谢的调节机制（一）激素通过细胞膜受体而起作用 1、激素与膜上的受体结合 2、cAMP的生成 （1）cAMP激活多种蛋白酶 级联放大作用 （2）cAMP作用于基因系统，调节转 录和翻译，影响酶的合成。（二）激素通过细胞内受体起作用类固醇激素对代谢的调节机制:不是改变酶的活性，而是通过作用于基因系统改变蛋白质的合成，从而调节生物效应。16.2.5 神经水平的调节中枢神经 下丘脑 垂体 腺体 靶细胞操纵子类型1、诱导型操纵子乳糖操纵子2、阻遏型操纵子色氨酸操纵子操纵子的类型操纵子的负调控(分解代谢酶系的诱导表达)信号分子（诱导物）阻遏蛋白 乳糖操纵子：乳糖作为诱导物诱导分解利用乳

13、糖的酶的基因转录当无诱导物（信号分子)存在时阻遏蛋白结合于操纵基因抑制结构基因转录当有信号分子（诱导物）时阻遏蛋白 从DNA上脱离操纵子的负调控(合成代谢酶系的阻遏表达)辅阻遏物（合成产物）阻遏蛋白 色氨酸操纵子：色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸合成产物辅阻遏物当合成产物积累时，阻遏蛋白被合成产物激活而与操纵基因结合当合成产物减少时，合成产物脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失活。转录酶使结构基因转录，蛋白质酶合成使合成代谢开始操纵子的正调控(辅阻遏物的阻遏作用)转录因子结合于启动子上游促进转录酶结合于启动子上从而促进结构基因的转录辅阻遏物使转录因子失活而从DNA上脱离也使RN

14、A聚合酶不能结合于DNA上活性转录因子 抑制信号（辅阻遏物）无活性转录因子操纵子的正调控(辅阻遏物的阻遏作用)活性转录因子 抑制信号（辅阻遏物）无活性转录因子转录因子结合于启动子上游促进转录酶结合于启动子上从而促进结构基因的转录辅阻遏物使转录因子失活而从DNA上脱离也使RNA聚合酶不能结合于DNA上操纵子的正调控(诱导物的诱导作用)无诱导物存在：转录因子无活性而从DNA脱离RNA聚合酶不能结合于DNA结构基因不能转录诱导物存在时无活性转录因子被激活而结合于DNA上，促进RNA聚合酶结合于DNA促进结构基因转录乳糖操纵子调节基因阻遏蛋白启动基因乳糖操纵子的负调控调节基因操纵基因乳糖结构基因PLa

15、cZLacYLacamRNA 阻遏蛋白（有活性）基 因 关 闭启动子ORPLacZLacYLacA调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAA 阻遏蛋白（无活性） 基 因 表达mRNAA、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导 乳糖 阻遏蛋白（有活性）乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacAmRNAmRNAZmRNAYmRNAA基 因 表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位 RNA聚合酶TcAMP - CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolic

16、gene activation protein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态一、原核和真核基因组二、原核生物酶合成调节的遗传机制 操纵子学说三、真核生物基因表达的调控14.4 基因表达调控16.4.1.原核和真核基因组基因组:是指是指某一特定生物单倍体所含的全体基因，原核的一个“染色体”DNA分子就包含了一个基因组。真核则指一套单倍体染色体的全部基因。1原核生物基因组的特点 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元多顺反子 有重叠基因2真核生物基因组的特点 真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、

17、内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列a、操纵子基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator, O）启动子（premotor, P）b、酶合成的诱导和阻遏原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说实例：诱导型操纵子乳糖操纵子 阻遏型操纵子 色氨酸操纵子乳糖操纵子模型的基本要点： 调节基因启动子操纵基因结构基因A操纵子（operon）BC一群功能相关的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。 一群功能相关的结构基因（structural gene）和操纵基因（operator）、启动子

18、（promoter）组成了一个操纵子(operon) 。 为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基 因（regulator gene）所调节。 酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因 阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物乳糖操纵子的负调控调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA 阻遏蛋白（有活性）基 因 关 闭启动子ORPLacZLacYLaca调节基因操纵基因乳