大连理工大学生物化学-细胞代谢与基因表达调控课件

细胞代谢与基因表达调控糖分解代谢糖酵解：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磷酸戊糖途径：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脂肪的分解代谢脂肪酸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：517PEP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、细胞代谢的调节网络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一、细胞代谢的调节网络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葡萄糖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）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）核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系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因子；各类物质代谢都离不开具高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP是能量的“通货”，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；核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA，NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。分解代谢和合成代谢的单向性糖原（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ATP和NADPH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=由ATP携带能量传递给细胞的需能过程ATPADP+Pi太阳能化学能生物合成细胞运动膜运输肌肉使用ATP做功肌肉使用ATP做功脑利用ATP产生神经冲动通过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二、

代谢的基本要略代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元以用于生物合成各类生物分子，进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流、能量流和信息流来支持。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

生命有限的空间内，同时有复杂的代谢途径在运转，因此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。

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变为复杂。酶活性的前馈和反馈调节

前馈（feedforward）和反馈（feedback）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反馈前馈反馈调节中酶活性调节的机制代谢物别构中心活性中心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ATPADP

UTPUDPG

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羧化反应的调节控制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的反馈调控糖酵解与TCA循环途径的调节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)。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：糖原磷酸化酶的共价修饰酶的共价修饰磷酸化酶的共价修饰糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控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(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常见的共价修饰机制酶的共价修饰酶的共价修饰与级联放大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酶原与酶原激活酶的功能：催化剂；调控代谢速度、方向和途径调控方式：调节酶活性；酶含量酶活性的调节酶活性的别构调节别构调节别构调节别构调节线粒体: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:核酸合成内质网:蛋白质合成;磷脂合成细胞结构对代谢途径的分割控制酶的区域化分布膜结构对代谢的调节新陈代谢的组织分工肝脏中的糖代谢脂肪的贮存与动员肝脏中的脂肪酸代谢肝脏中的氨基酸代谢氧、代谢物、激素血液中的运输血糖浓度的调节饥饿状态时的能量调节饥饿状态时的能量调节饥饿状态时的能量调节激素调节的机制甾醇类激素作用原理示意图肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图

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+RcAMP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白物质代谢的激素调节物质代谢的激素调节调节代谢的信息分子信号受体的种类物质代谢的激素调节蛋白质的定位和寿命1、原核和真核基因组2、原核生物酶合成调节的遗传机制3、真核生物基因表达的调控三、基因表达的调控基因(gene)概念的发展1866年Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念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的功能单位1941年Beadle提出一个基因一个酶学说1944年Avery首次用实验证实DNA是遗传信息的载体1953年Watson&Crick确定DNA双螺旋结构，进一步确定了基因的本质1957年Benzer提出顺反子(cistron)学说，认为基因是分子的一段序列，负责遗传信息的传递70年代发现基因包括有遗传效应的外显子(intron)和无效应的内含子(extron)原核生物基因组的特点1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA中（多顺反子）；3、有基因重叠，以此增加信息容量。真核生物基因组的特点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，根据重复次数可分为：

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和表达量大的蛋白质

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的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。原核生物的基因表达调控

操纵子——原核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）

酶诱导和阻遏的操纵子模型合成途径操纵子的衰减作用原核生物酶合成调节的遗传机制

操纵子学说1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布（F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。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，在操纵子中还发现了另一个开关基因，称为启动基因（promoter）。

启动基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸（cAMP）启动，而cAMP能被葡萄糖所抑制。这样，葡萄糖便通过抑制cAMP而间接抑制启动基因，使结构基因失活，停止合成半乳糖苷酶。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操纵子的三个结构基因为-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聚合酶的转录在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后，改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O区结合。乳糖操纵子大肠杆菌乳

糖

操

纵

子

模型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）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）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的合成。色氨酸合成仅限细菌。大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度Trp使核糖体到达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。乳糖和色氨酸操纵子的共同点以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏物）对受调控的区域起抑制作用。由低分子物质（底物或产物）影响蛋白质对DNA的结合。结果：既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。乳糖和色氨酸操纵子的不同点

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cAMP对转录的调控在乳糖和葡萄糖都存在时，哪种糖被优先利用？乳糖操纵子的启动子属于弱启动子正调控方式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上游的CAP位点，促进分解代谢基因表达CAP位点：位于PO上游，属正调控位点cAMP对转录的调控培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起细胞内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的转录，以便细胞利用乳糖。乳糖操纵子的降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达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的关系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呈失活状态真核生物的基因转录调控真核生物的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：定位大量的内含子：比结构基因多十数倍大量的重复序列：重复次数可达几千~百万次更多的蛋白质参与基因的多态性：不同的地域、人种、个体基因转录调控元