细胞代谢与基因表达调控

关于细胞代谢与基因表达调控第1页，共40页，2023年，2月20日，星期五第一节细胞代谢的调节网络

1、糖代谢与脂类代谢的相互关系2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系3、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系4、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系一、代谢途径交叉形成网络第2页，共40页，2023年，2月20日，星期五糖代谢与脂类代谢的相互联系

糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成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第3页，共40页，2023年，2月20日，星期五脂肪代谢和糖代谢的关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第4页，共40页，2023年，2月20日，星期五糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白质

NH3蛋白质氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）第5页，共40页，2023年，2月20日，星期五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）第6页，共40页，2023年，2月20日，星期五核酸与糖、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。第7页，共40页，2023年，2月20日，星期五糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸丝氨酰苏氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸胆固醇亮氨酸赖氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸异亮氨酸甲硫酰氨苏氨酸缬氨酸琥珀酰CoA苹果酸草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸乙醛酸蛋白质淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨组氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖第8页，共40页，2023年，2月20日，星期五1、细胞的能量状态决定代谢的方向二、分解代谢和合成代谢的单向性

2、关键的调控步骤决定代谢的方向第9页，共40页，2023年，2月20日，星期五一、代谢调节的概念第二节酶活性调节二、酶水平的调节第10页，共40页，2023年，2月20日，星期五代谢调节

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。代谢调节的四级水平：酶水平调节细胞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第11页，共40页，2023年，2月20日，星期五（一）、酶活性的调节

（二）、酶含量的调节二、酶水平的调节第12页，共40页，2023年，2月20日，星期五1、酶促反应的前馈和反馈（1）、反馈活化（2）、反馈抑制

一种运动效果对于这种运动的影响年就是反馈（feedback）。在酶促反应中的产物或最终产物都能影响变构酶的活性，以此来调节代谢的进行，若促进活化的为正反馈，反之为负反馈。酶促反应的前馈和反馈，以下重点介绍反馈第13页，共40页，2023年，2月20日，星期五

由代谢产物作为变构剂来活化在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为反馈活化。反馈活化第14页，共40页，2023年，2月20日，星期五

由代谢产物作为变构剂来抑制在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为反馈抑制。这是一种反馈机制，多数情况下控制合成代谢。反馈抑制第15页，共40页，2023年，2月20日，星期五第16页，共40页，2023年，2月20日，星期五2、、变构调节（别构调节）（1）变构酶和变构调节作用有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即变构中心。变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但它可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用。这类酶通常称为变构酶，由于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。第17页，共40页，2023年，2月20日，星期五目前已知的变构酶均为寡聚酶，含两个或两个以上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂的空间结构。大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，由变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系。第18页，共40页，2023年，2月20日，星期五代谢物别构中心活性中心第19页，共40页，2023年，2月20日，星期五

酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（Covalentmoldification

）。目前已知有六种修饰方式：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/还原(2SH)。3、共价修饰

第20页，共40页，2023年，2月20日，星期五共价调节酶有如下两个特点：（1）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。激酶ATPADP磷酸化酶（无活性）磷酸化酶P（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰第21页，共40页，2023年，2月20日，星期五（2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。第22页，共40页，2023年，2月20日，星期五酶级联系统调控示意图意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。肾上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸环化酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液肾上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATPADPATPADP456第23页，共40页，2023年，2月20日，星期五1、酶蛋白生物合成的诱导和阻遏2、色氨酸衰减作用第24页，共40页，2023年，2月20日，星期五（1）、酶的诱导生成作用——某种物质（诱导物）能促进细胞内酶的生成。如大肠杆菌中β—半乳糖苷酶的合成。（2）酶的阻遏生成作用——某种物质（阻遏物）能阻止细胞内酶的生成。如大肠杆菌中色氨酸酶的合成。第25页，共40页，2023年，2月20日，星期五大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含任何可以代谢乳糖的酶。但是在培养基中加入乳糖后，大肠杆菌就能在几分钟内合成出与乳糖水解有关的酶，使之能利用这种营养物质。在此过程中，乳糖起着诱导物作用。由乳糖诱导产生的与乳糖水解相关的三种酶：-半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。这三个酶蛋白是大肠杆菌DNA上的三个结构基因经过转录和翻译而合成的。第26页，共40页，2023年，2月20日，星期五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、大肠杆菌中β—半乳糖苷酶合成的机制原核生物酶合成调节的遗传机制

操纵子学说

第27页，共40页，2023年，2月20日，星期五

大

肠

杆

菌

中

β

半

乳

苷

酶

的

形

成

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糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa

阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA.有活性阻遏蛋白

B.有活性阻遏蛋白加诱导剂

乳糖

阻遏蛋白（有活性）第28页，共40页，2023年，2月20日，星期五色氨酸操纵子（trpoperon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。

第29页，共40页，2023年，2月20日，星期五色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。第30页，共40页，2023年，2月20日，星期五酶的阻遏合成机制A.无活性阻遏蛋白B.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂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第31页，共40页，2023年，2月20日，星期五

色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。第32页，共40页，2023年，2月20日，星期五第33页，共40页，2023年，2月20日，星期五第三节细胞结构对代谢途径的分隔控制

细胞膜控制细胞与环境之间的物质、能量和信息交换；核膜将细胞分为细胞核和细胞质两部分，细胞核贮存遗传信息，进行基因复制、转录和转录后的加工；胞液是细胞质的连续水相部分，糖酵解、糖原异生、磷酸葡萄糖途径，及糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸的生物合成主要在胞液中进行，胞液中悬浮着细胞器和细胞骨架；粗面内质网合成分泌性蛋白质，光面内质网合成磷脂、糖脂、胆固醇，蛋白质的糖基化在内质网膜的内侧进行，通过运输泡与靶细胞器的膜融合后转向膜的外侧；高尔基体参与细胞合成物和吸收物的加工、浓缩、包装、运输；溶酶体分解细胞的吞噬物和老化的细胞内容物；线粒体中进行柠檬酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、氧化磷酸化等产能反应。第34页，共40页，2023年，2月20日，星期五酶定位的区域化线粒体: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:核酸合成内