细胞代谢和基因表达调控专家讲座

糖分解代谢糖酵解：葡萄糖丙酮酸63~84己糖进入糖酵解：果糖

6-磷酸果糖85~89半乳糖1-磷酸半乳糖1-磷酸葡萄糖

甘露糖

6-磷酸甘露糖

6-磷酸果糖丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸乙酰COA92~96柠檬酸循环：乙酰COACO295~112氧化磷酸化：合成ATP114~146磷酸戊糖路径：6-磷酸葡萄糖核糖-5-磷酸+NADPH147~153糖原分解：糖原1-磷酸葡萄糖血糖176~182细胞代谢和基因表达调控专家讲座第1页糖合成代谢糖异生：糖酵解中间物、产物及TCA中间物葡萄糖154~158葡萄糖-乳酸循环：葡萄糖丙酮酸乳酸葡萄糖158糖原合成：6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原183~187光合作用：CO2+H2O葡萄糖+O2197~229细胞代谢和基因表达调控专家讲座第2页脂肪分解代谢脂肪酸β-氧化：脂肪酸乙酰COA234~239酮体氧化：乙酰乙酸、β-羟丁酸乙酰COACO2245脂类合成代谢脂肪酸合成：乙酰COA脂肪酸257~267三脂酰甘油合成：乙酰COA脂肪酸三脂酰甘油267~268形成酮体：乙酰COA乙酰乙酸、β-羟丁酸244~245胆固醇及胆固醇酯合成：乙酰COA胆固醇胆固醇酯284磷脂合成：脂肪酸磷脂268~278细胞代谢和基因表达调控专家讲座第3页氨基酸核苷酸代谢氨基酸分解：氨基酸乙酰COA，TCA中间物303~329氨基酸合成尿素循环：氨尿素340~362葡萄糖-丙氨酸循环：丙氨酸葡萄糖310核苷酸代谢核苷酸分解：嘌呤尿酸；387~391嘧啶氨、CO2、β-丙氨酸、β-氨基异丁酸核苷酸合成：氨基酸嘌呤、嘧啶391~403DNA复制、修复：406RNA合成及加工：455蛋白质合成及修饰：517细胞代谢和基因表达调控专家讲座第4页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-磷酸葡萄糖一、细胞代谢调整网络细胞代谢和基因表达调控专家讲座第5页糖代谢与脂类代谢相互联络糖乙酰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一、细胞代谢调整网络细胞代谢和基因表达调控专家讲座第6页脂肪代谢和糖代谢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葡萄糖细胞代谢和基因表达调控专家讲座第7页糖代谢与蛋白质代谢相互联络糖→→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）细胞代谢和基因表达调控专家讲座第8页脂类代谢与蛋白质代谢相互联络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）细胞代谢和基因表达调控专家讲座第9页核酸与糖、脂类、蛋白质代谢联络核酸是细胞内主要遗传物质，控制着蛋白质合成，影响细胞成份和代谢类型；核酸生物合成需要糖和蛋白质代谢中间产物参加，而且需要酶和各种蛋白因子；各类物质代谢都离不开具高能磷酸键各种核苷酸，如ATP是能量“通货”，UTP参加多糖合成，CTP参加磷脂合成，GTP参加蛋白质合成与糖异生作用；核苷酸一些衍生物具主要生理功效（如CoA，NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第10页分解代谢和合成代谢单向性糖原（或淀粉）1-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2磷酸烯醇丙酮酸2丙酮酸葡萄糖己糖激酶果糖激酶二磷酸果糖磷酸酯酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶6-磷酸葡萄糖2草酰乙酸PEP羧激酶细胞代谢和基因表达调控专家讲座第11页ATP和NADPH细胞代谢和基因表达调控专家讲座第12页细胞能量状态指标能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP][ATP][ATP][ADP]ATP系统质量作用比=细胞代谢和基因表达调控专家讲座第13页由ATP携带能量传递给细胞需能过程ATPADP+Pi太阳能化学能生物合成细胞运动膜运输细胞代谢和基因表达调控专家讲座第14页肌肉使用ATP做功细胞代谢和基因表达调控专家讲座第15页肌肉使用ATP做功细胞代谢和基因表达调控专家讲座第16页脑利用ATP产生神经冲动细胞代谢和基因表达调控专家讲座第17页经过NADPH循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应NADPH+H+NADP+分解代谢还原性有机物还原性生物合成反应氧化物还原性生物合成产物氧化前体细胞代谢和基因表达调控专家讲座第18页二、

代谢基本要略代谢基本要略在于形成ATP、还原力和结构单元以用于生物合成各类生物分子，进而装配成生物不一样层次结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构过程，需要由物质流、能量流和信息流来支持。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第19页代谢调节代谢调整四级水平：酶水平调整细胞水平调整激素水平调整神经水平调整多细胞整体水平调整

生命有限空间内，同时有复杂代谢路径在运转，所以必须有灵巧而严密调整机制，才能使代谢适应外界环境改变与生物本身生长发育需要。

漫长生物进化历程中，机体结构、代谢和生理功效越来越复杂，代谢调整机制也随之变为复杂。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第20页酶活性前馈和反馈调整

前馈（feedforward）和反馈（feedback）是来自电子工程学术语，前者意思是“输入对输出影响”，后者意思是“输出对输入影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程调整作用。这种调整可能是正调控，也可能是负调控，其调整机理是经过酶变构效应来实现。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反馈前馈细胞代谢和基因表达调控专家讲座第21页反馈调整中酶活性调整机制代谢物别构中心活性中心细胞代谢和基因表达调控专家讲座第22页6-磷酸葡萄糖对糖原合成前馈激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原合成酶ATPADP

UTPUDPG

细胞代谢和基因表达调控专家讲座第23页葡萄糖丙酮酸羧化酶乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖草酰乙酸-酮戊二酸拧檬酸天冬氨酸氨基酸蛋白质嘧啶核苷酸核酸氨甲酰天冬氨酸——++PEP羧化反应调整控制细胞代谢和基因表达调控专家讲座第24页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PEP+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反馈调控细胞代谢和基因表达调控专家讲座第25页糖酵解与TCA循环路径调整丙酮酸细胞液柠檬酸乙酰CoA柠檬酸草酰乙酸-酮戊二酸乙酰CoA丙酮酸线粒体

G-6-P

F-6-P

F-1.6-2P

磷酸果糖激酶

PEPADP+PiATPADP+PiATP

NADH

O2ATP

ADP+PiAMP+ATP2ADP

PiPi

PEP羧激酶+++---++----

丙酮酸脱氢酶

柠檬酸合成酶-酮戊二酸

脱氢酶细胞代谢和基因表达调控专家讲座第26页酶分子中一些基团，在其它酶催化下，能够共价结合或脱去，引发酶分子构象改变，使其活性得到调整，这种方式称为酶共价修饰（Covalentmoldification）。

当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)。激酶ATPADP磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶aP（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶共价修饰酶共价修饰细胞代谢和基因表达调控专家讲座第27页磷酸化酶共价修饰细胞代谢和基因表达调控专家讲座第28页糖原合成酶和糖原磷酸化酶调控糖原分解和合成都是依据肌体需要由一系列调控机制进行调控，其限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们活性是受磷酸化或去磷酸化共价修饰调整及变构效应调整。二种酶磷酸化及去磷酸化方式相同，但其效果相反。糖原合成酶a(无活性)糖原磷酸化酶b(有活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶b(无活性)糖原磷酸化酶a(有活性)PP细胞代谢和基因表达调控专家讲座第29页常见共价修饰机制细胞代谢和基因表达调控专家讲座第30页酶共价修饰细胞代谢和基因表达调控专家讲座第31页酶共价修饰与级联放大细胞代谢和基因表达调控专家讲座第32页级联络统调控示意图意义：因为酶共价修饰反应是酶促反应，只要有少许信号分子（如激素）存在，即可经过加速这种酶促反应，而使大量另一个酶发生化学修饰，从而取得放大效应。这种调整方式快速、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细胞代谢和基因表达调控专家讲座第33页酶原与酶原激活细胞代谢和基因表达调控专家讲座第34页细胞代谢和基因表达调控专家讲座第35页酶功效：催化剂；调控代谢速度、方向和路径调控方式：调整酶活性；酶含量酶活性调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第36页酶活性别构调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第37页别构调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第38页别构调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第39页别构调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第40页线粒体: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;磷戊糖路径;糖原合成;脂肪酸合成;细胞核:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成细胞结构对代谢路径分割控制细胞代谢和基因表达调控专家讲座第41页酶区域化分布细胞代谢和基因表达调控专家讲座第42页膜结构对代谢调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第43页新陈代谢组织分工细胞代谢和基因表达调控专家讲座第44页肝脏中糖代谢细胞代谢和基因表达调控专家讲座第45页脂肪贮存与动员细胞代谢和基因表达调控专家讲座第46页肝脏中脂肪酸代谢细胞代谢和基因表达调控专家讲座第47页肝脏中氨基酸代谢细胞代谢和基因表达调控专家讲座第48页氧、代谢物、激素血液中运输细胞代谢和基因表达调控专家讲座第49页血糖浓度调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第50页饥饿状态时能量调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第51页饥饿状态时能量调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第52页饥饿状态时能量调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第53页激素调整机制甾醇类激素作用原理示意图细胞代谢和基因表达调控专家讲座第54页肽类激素经过cAMP-蛋白激酶调整代谢示意图

ATP

cAMP+PPi内在蛋白质磷酸化作用改变细胞生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcAMP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白细胞代谢和基因表达调控专家讲座第55页物质代谢激素调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第56页物质代谢激素调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第57页调整代谢信息分子细胞代谢和基因表达调控专家讲座第58页信号受体种类细胞代谢和基因表达调控专家讲座第59页物质代谢激素调整细胞代谢和基因表达调控专家讲座第60页蛋白质定位和寿命细胞代谢和基因表达调控专家讲座第61页1、原核和真核基因组2、原核生物酶合成调整遗传机制3、真核生物基因表示调控三、基因表示调控细胞代谢和基因表达调控专家讲座第62页基因(gene)概念发展1866年Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子概念1903年Sutton&Boveri提出遗传因子位于染色体上1909年Johansen提出基因概念，取代遗传因子1910年Morgen建立基因假说，确认基因是确定性状功效单位1941年Beadle提出一个基因一个酶学说1944年Avery首次用试验证实DNA是遗传信息载体1953年Watson&Crick确定DNA双螺旋结构，深入确定了基因本质1957年Benzer提出顺反子(cistron)学说，认为基因是分子一段序列，负责遗传信息传递70年代发觉基因包含有遗传效应外显子(intron)和无效应内含子(extron)细胞代谢和基因表达调控专家讲座第63页原核生物基因组特点1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质基因，所以多数为单拷贝或仅有少许重复；2、功效相同基因常串联在一起，转录在同一个mRNA中（多顺反子）；3、有基因重合，以此增加信息容量。真核生物基因组特点1、基因组大，有多个复制子；mRNA为单顺反子；2、有大量重复序列，依据重复次数可分为：

单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少

中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA和表示量大蛋白质高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后才成为可翻译mRNA模板或功效rRNA。4、DNA上有多数不编码序列，在基因表示调控中起主要作用。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第64页原核生物基因表示调控细胞代谢和基因表达调控专家讲座第65页操纵子——原核基因表示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）开启子（premotor,P）酶诱导和阻遏操纵子模型合成路径操纵子衰减作用原核生物酶合成调整遗传机制

操纵子学说细胞代谢和基因表达调控专家讲座第66页1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布（F·Jacob）发表“蛋白质合成中遗传调整机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控研究。1965年，莫诺与雅可布荣获诺贝尔生理学与医学奖。60年代中期，在操纵子中还发觉了另一个开关基因，称为开启基因（promoter）。

开启基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。开启基因由环腺苷酸（cAMP）开启，而cAMP能被葡萄糖所抑制。这么，葡萄糖便经过抑制cAMP而间接抑制开启基因，使结构基因失活，停顿合成半乳糖苷酶。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第67页细胞代谢和基因表达调控专家讲座第68页酶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开启基因调整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示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作用,结构基因能够表示酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因能够表示阻遏蛋白(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,结构基因不表示代谢产物细胞代谢和基因表达调控专家讲座第69页操纵子三个结构基因为-半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转移酶。在无乳糖时，阻遏蛋白与O区结合，阻止RNA聚合酶转录在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后，改变了阻遏蛋白结构，使其不能与O区结合。乳糖操纵子细胞代谢和基因表达调控专家讲座第70页大肠杆菌乳

糖

操

纵

子

模型调整基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭开启子ORPLacZLacYLaca调整基因操纵基因乳糖结构基因开启子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏蛋白（无活性）mRNAA、乳糖操纵子结构B、乳糖酶诱导乳糖阻遏蛋白（有活性）细胞代谢和基因表达调控专家讲座第71页色氨酸操纵子色氨酸操纵子有5个结构基因D、E基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶C基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶B、A基因：共同产物是色氨酸合成酶这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸合成。色氨酸合成仅限细菌。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第72页大肠杆菌色氨酸操纵子衰减作用可能机制111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度Trp使核糖体抵达2部位，3与4碱基配对，转录终止。A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。B.低浓度Trp使核糖体停留在1部位，转录得以完成。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第73页乳糖和色氨酸操纵子共同点以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏物）对受调控区域起抑制作用。由低分子物质（底物或产物）影响蛋白质对DNA结合。结果：既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第74页乳糖和色氨酸操纵子不一样点

乳糖操纵子色氨酸操纵子

阻遏物阻遏物R基因R基因阻遏物阻遏物代谢物基因开放基因关闭细胞代谢和基因表达调控专家讲座第75页cAMP对转录调控在乳糖和葡萄糖都存在时，哪种糖被优先利用？乳糖操纵子开启子属于弱开启子正调控方式CAP：catabolitegeneactivatorprotein(分解代谢基因活化蛋白)受cAMP激活cAMP-CAP复合物：结合于DNA上游CAP位点，促进分解代谢基因表示CAP位点：位于PO上游，属正调控位点细胞代谢和基因表达调控专家讲座第76页cAMP对转录调控培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引发细胞内cAMP水平下降，乳糖操纵子基因关闭。培养基中葡萄糖不足时：cAMP水平升高，cAMP-CAP复合物生成，cAMP使CAP变构，而与CAP位点结合，促进乳糖操纵子基因转录，方便细胞利用乳糖。细胞代谢和基因表达调控专家讲座第77页乳糖操纵子降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表示CAP基因结构基因TCGP(CAP)OCAP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关系cAMPCGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilicAMPreceptorprotein,CRP）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态细胞代谢和基因表达调控专家讲座第78页真核生物基因转录调控真核生物基因转录调控更为复杂：总量大：30亿bp，10万基因分散在各染色体上，23对染色体：定位大量内含子：比结构基因多十数倍大量重复序列：重复次数可达几