第39章 细胞代谢与基因表达调控(改动)

第39章细胞代谢与基因调控10/16/20231细胞代谢生命活动的基础物质代谢能量代谢信息代谢新陈代谢：完整、统一的过程复杂的调节机制10/16/20232物质代谢一览生命：代谢的正常运转维持生命有限空间：同时有那么多复杂的代谢途径在运转必须有灵巧而严密的调节机制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→代谢障碍，出现病态甚至危及生命漫长生物进化历程：机体结构、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。10/16/20233一、细胞代谢的调节网络TCA：糖、脂肪和蛋白质三大物质互相转化的枢纽物质代谢---联系---转化（一）代谢途径交叉形成网络关键代谢物：G-6-P，丙酮酸、乙酰辅酶A10/16/202341、糖代谢与蛋白质代谢的相互关系糖代谢：提供碳源和能源（Pr合成）10/16/202351）糖→非必需AA，但不能合成必需AA2）蛋白质→AA，生糖AA→α-酮酸→糖（多数）AA脱氨→丙酮酸，糖原异生，糖（生糖AA）10/16/2023610/16/202372、脂类代谢与蛋白质代谢的关系脂类分解产生较多的能量→体内贮藏能量的物质脂类与蛋白质之间可以相互转化10/16/202383、糖代谢与脂类代谢的关系饥饿：与糖尿病类似的情况10/16/202394、核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的关系Gly、Asp、Gln嘌呤、嘧啶AMP辅酶、组氨酸等蛋白酶核苷酸、核酸的合成蛋白因子核苷酸、核酸的合成10/16/20231010/16/202311（二）代谢的单向性和多酶系统1.相对立的单向反应（opposingunidirectionalreaction）：2.糖代谢的例子：３.脂代谢的例子：10/16/202312（三）代谢与能量：NADPH、ATP、构造单元绿色植物、光合细菌：光合作用利用太阳能其他生物：有机物分解代谢的化学能

氧化分解释放能量→ATP（能量的贮存、传递）→需能过程1、ATP：通用的能量载体ATPADP+Pi太阳能化学能生物合成细胞运动膜运输10/16/2023132、NADPH以还原力形式携带能量还原性有机物分解代谢氧化产物NADPH+H+NADP+还原性生物合成产物还原性生物合成反应氧化前体通过NADPH循环将还原力由分解代谢→生物合成NADPH：生物合成中的良好还原剂产生：光反应、磷酸戊糖途径、线粒体乙酰CoA的输出10/16/2023143、代谢的基本要略：形成ATP、还原力和构造单元用于生物合成在存在NADPH、ATP、各种构造单元的基础上，进行生物合成10/16/202315大分子降解成基本结构单位（构造单元）构造单元形成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等），产生NADPH、ATP中间物进入TCA,彻底氧化H2O、CO2，产生大量ATP10/16/202316二、代谢调节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代谢反应：酶控制酶的生物合成和活性：机体调节自身代谢和重要措施酶水平调节是最根本、最基础的调节10/16/202317（一）酶水平的调节酶水平调节酶活性调节（酶结构调节）变（别）构调节快速调节（微调）酶合成的诱导与阻遏长期调节（粗调节）酶含量调节

（基因表达水平调节）化学修饰调节酶的降解反义核酸的调节别构调节：别构效应物引起酶分子构象变化而引起活力改变10/16/202318别构效应物别构激活剂——别构激活（正别构）——增加活性别构抑制剂——别构抑制（负别构）——降低活性底物、产物或ATP、ADP、AMP等10/16/20231910/16/202320代谢物别构中心活性中心反馈调节中酶活性调节的机制10/16/2023211、酶的别构效应

酶活性的前馈和反馈调节前馈（feedforward）、反馈（feedback）底物、代谢产物对代谢过程的调节作用正作用：反应物使代谢过程速度加快的作用。负作用：反应物使代谢过程速度变慢的作用。10/16/2023221）前馈作用代谢途径中前面的底物对其后某一催化反应的调节酶的作用(1)前馈激活（feedforwardactivation）(2)前馈抑制（feedforwardinhibition）10/16/2023232）反馈作用代谢产物对前面的某一酶有作用(1）反馈激活（feedbackactivation）(2)反馈抑制（feedbackinhibition）A一价或单价反馈抑制（monovalentfeedbackinhibition）10/16/202324B二价或多价反馈抑制（divalentormultivalentfeedbackinhibition）B1同工酶调节LysMetIle合成时的反馈抑制B2顺序反馈抑制芳香族氨基酸合成10/16/202325B3协同反馈抑制Lys、Thr的合成B4累积反馈抑制谷氨酰胺合成酶：受各终产物的累积反馈抑制10/16/202326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——+++磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制10/16/202327氨基酸合成的反馈调控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10/16/2023282、产能反应与需能反应的调节细胞能量状态指标0.85～0.95能荷<0.85，产能（分解）代谢加强能荷＞0.95，贮能（合成）代谢加强10/16/202329丙酮酸

G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-PF-6-PF-1.6-2P

磷酸果糖激酶PEPADP+PiATPADP+PiATP

NADH

O2ATP

ADP+PiAMP+ATP2ADP

PiPi

PEP羧激酶+++---++----

己糖激酶

丙酮酸脱氢酶

柠檬酸合成酶-酮戊二酸

脱氢酶糖酵解与TCA途径的调节10/16/2023303、酶的共价修饰和级联系统1）共价修饰（covalentmodification）：酶蛋白肽链上的基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这种改变酶活性的调节方式～（1）共价修饰调节酶：通过共价修饰调节活性的酶（2）共价修饰的类型：磷酸化/去磷酸化（最常见），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)10/16/20233110/16/202332（3）特点修饰过程，酶活性在无活性（低活性）与有活性（高活性）两种状态中互变共价修饰互变由不同的酶催化

快速调节激素信号启动的共价修饰会引起级联放大效应10/16/202333糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的调节10/16/202334受共价修饰调节的酶酶来源改变反应对酶活力的影响糖原磷酸化酶真核细胞磷酸化/脱磷酸化+/-磷酸化酶b激酶哺乳类磷酸化/脱磷酸化+/-糖原合成酶真核细胞磷酸化/脱磷酸化-/+丙酮酸脱氢酶真核细胞磷酸化/脱磷酸化-/+谷氨酰胺合成酶原核细胞(大肠杆菌)腺苷酰化/脱腺苷酰化-/+10/16/2023352）级联系统（cascadesystem）：连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其它酶被激活，导致原始信号的放大——级联系统。肾上腺素→膜受体，效应器活化，引发一系列胞内连锁反应10/16/202336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。10/16/202337cAMP激活蛋白激酶的作用机理10/16/2023384、酶原与酶原激活酶原：某些酶的无活性前体蛋白（如不是酶，蛋白原）酶原激活：无活性的酶原形成活性酶的过程实质：活性中心的形成或暴露过程常见形式：切下一段多余的肽段10/16/2023391）为什么胃蛋白酶存在前体胃蛋白酶原？2）酶原为什么大多是蛋白酶原？3）为什么唾液淀粉酶不存在唾液淀粉酶原？10/16/202340胃蛋白酶原的激活10/16/20234110/16/202342胰蛋白酶原的激活及其功能胰蛋白酶原六肽肠激酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶水解ArgLys羧基形成的肽键10/16/202343三、代谢的区域化细胞结构对代谢途径的分隔控制调节（一）细胞结构与酶的空间分布酶定位的区域化10/16/202344细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;

-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化细胞核:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成10/16/202345（二）细胞膜结构对代谢的调节和控制作用

控制浓度梯度

膜的基本功能：物质运输、能量转换、信息传递与离子、电位梯度的产生、控制有关质子梯度：合成ATPNa+梯度：运输AA、糖

Ga2+：细胞内信使10/16/202346控制细胞和细胞器的物质运输内膜系统对代谢途径的分隔作用通过底物、产物的运输调节代谢

G代谢限速步骤：G进入肌肉、脂肪细胞的运输胰岛素可促进G主动运输，降低血糖膜与酶的可逆结合分隔区；浓集酶、辅因子防止反应间互相干扰，有利于对不同区域代谢的调控某些酶与膜可逆结合而改变性质（双关酶）离子、代谢物、激素等都可改变其状态发挥迅速、灵敏的调节作用10/16/202347（三）蛋白质的定位和寿命控制1、蛋白质的定位控制

信号肽（分泌蛋白导引至细胞外的信号肽）分泌蛋白、膜蛋白、溶酶体蛋白必须先进入内质网分泌蛋白完全通过内质网膜，膜蛋白的羧基固定在膜中导肽（胞内运输导引信号肽）线粒体、叶绿体等的蛋白，先翻译后跨膜运输，需要导肽通常位于氨基端，富含碱性、羟基AA，，易形成两性α-螺旋可通过内外膜的接触点穿越膜需能过程，跨膜电位为运输提供能量，蛋白解折叠需ATP

不同的导肽含不同信息，可将蛋白送入线粒体不同部位10/16/2023482、蛋白质寿命的控制随细胞内外环境改变选择性降解系统，需ATP供能，活化泛肽

泛肽分布广泛，结构保守标记需要降解的蛋白质，使水解酶能识别并攻击蛋白10/16/202349四、激素调节和跨膜信号转导1、含氮激素作用模式2、甾醇类激素作用模式10/16/202350

ATP

cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图10/16/202351甾醇类激素作用原理10/16/202352五、基因表达的调控中心法则(thecentraldogma)：（一）基因表达1、基因表达（geneexpression）:基因转录及翻译的过程rRNA、tRNA的合成10/16/2023532、基因表达的时空特异性

（temporalandspatialspecificity）Hb(hemoglobin)

α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：

ε（胚胎型）、γ（胎儿型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β2时间特异性（temporalspecificity）某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生10/16/202354空间特异性（spatialspecificity）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同形异位盒基因（homeobox）:高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因同形异位现象（homeosis）:果蝇头部长触角部位长出脚来10/16/2023553、基因表达的方式1）组成型表达（constitutive

gene

expression）

个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响持家基因（housekeeping

gene）看家基因（housrkeepinggenes）表达连续、不受调控机体结构蛋白、TCA的代谢酶等10/16/2023562）诱导和阻遏表达DNA损伤→修复酶基因激活乳糖→利用乳糖的三种酶表达诱导（induction）：在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因10/16/202357阻遏（repression）：在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因色氨酸—色氨酸合成酶系10/16/2023584、基因表达调控的环节——多级调控转录水平：转录前、转录、转录后翻译水平：翻译、翻译后10/16/2023595、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化10/16/202360（二）原核和真核基因组基因（gene）：DNA分子中的最小功能单位RNA(tRNA、rRNA)（蛋白质编码的）结构基因（无转录产物的）调节基因10/16/202361基因组（genome）：某一特定生物单倍体所含的全体基因原核细胞：“染色体”DNA分子包含一个基因组真核细胞：一套单倍染色体的的全部基因10/16/202362（三）原核生物基因表达的调控：转录水平

研究意义：为探索更复杂的真核细胞基因表达调控机制提供重要线索对基因工程重要的指导意义转录水平的调控（controloftranscription）翻译水平的调控（controloftranslation）10/16/2023631、转录水平的调控1）影响转录的因素（1）启动子（promoter）：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列A、决定转录方向及模板链B、决定转录效率三个功能区：启始部位（+1区）、结合部位（-10区）、

识别部位（-35区）10/16/202364（2）σ因子：识别基因的启动子，控制转录时序σ70：识别大多数基因的启动子σ32：识别热休克诱导基因的启动子，控制热休克蛋白（heatshockprotein，Hsp）基因表达10/16/202365（3）阻遏蛋白与激活蛋白：调控转录阻遏蛋白（repressiveprotein）：与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白介导的调控方式：负性调控(negativeregulation)，抑制转录；激活蛋白（activatingprotein）：与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白介导的调控方式：正性调控(positiveregulation)促进转录。10/16/202366位于结构基因上游前导区具有终止子结构的短序列通过前导序列转录产生的mRNA形成类似于终止子的二级结构达到终止转录的目的。（4）弱化子（attenuator）10/16/2023672）转录的调控机制（1）乳糖操纵子调控的机制A、操纵子模型的提出FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)获1965年诺奖10/16/2023681、操纵子模型：原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子：转录水平控制基因表达的协调单位启动子（premotor,P

）操纵基因（operator,O）结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵子=调控序列+转录单位10/16/202369绝大多数基因：按功能相关性成簇串联，密集于染色体，共同组成一个转录单位——操纵子（operon）操纵子：一个启动序列（启动子）几个可转录的编码基因（2～6个，有的＞20个）同一启动序列控制，转录产生多顺反子mRNA

原核基因的协调表达：通过调控单个启动序列的活性完成10/16/2023701）操纵子模型——负性调控阻遏蛋白结合于操纵基因，阻止结构基因转录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上脱离信号分子（诱导物）阻遏蛋白无诱导物（信号分子存在）（1）分解代谢酶系的诱导表达10/16/202371乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)获1965年诺奖10/16/202372乳糖操纵子(lacoperon)调控区CAP（代谢产物激活蛋白）结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA10/16/202373mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因与操纵序列结合，RNA聚合酶则不起作用，不转录乳糖操纵子：乳糖可作为诱导物，诱导分解利用乳糖的酶的基因转录10/16/202374mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRN