细胞代谢与基因表达的调节控制

关于细胞代谢与基因表达的调节控制细胞是生物机体的结构和功能单位。细胞代谢是一切生命活动的基础。细胞代谢包括物质代谢、能量代谢和信息代谢三个方面。第2页,共49页，2024年2月25日，星期天本章的主要内容1.代谢途径的相互联系2.酶活性的调节3.细胞结构对代谢的控制4.神经与激素的调节作用5.原核基因的表达调控6.真核基因的表达调控第3页,共49页，2024年2月25日，星期天第一节代谢途径的相互联系所有细胞都是由四类生物大分子(多糖、脂类复合物、蛋白质和核酸)、为数有限的生物小分子、无机盐和水所组成。多糖、蛋白质和核酸都是高聚物，它们由较小的基本结构单位所组成。多糖是由单糖或单糖衍生物聚合而成；蛋白质20种氨基酸所组成；RNA由4种核糖核苷酸所组成；DNA由4种脱氧核糖苷酸组成。脂类分子仍属于生物小分子，然而它们可聚集成超分子结构，因此将脂类复合物也归之为生物大分子。生物大分子具有高度特异性，生物之间的差别是由它们的生物大分子决定的。第4页,共49页，2024年2月25日，星期天一.代谢途径交叉开成网络细胞代谢的原则和方略是，将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应，例如氧化还原、基团转移、水解合成、基团脱加、异构反应等，转化种类繁多的分子。不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用和相互转化。这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通，形成经济有效、运转良好的代谢网络。其中三个最关键的中间代谢物是：6－磷酸葡萄糖、丙酮酸和乙酰辅酶A。第5页,共49页，2024年2月25日，星期天1.糖代谢与蛋白质代谢的相互关系

糖是生物机体重要的碳源和能源，可用于合成各种氨基酸的碳链结构，经氨基化或转氨生成相应的氨基酸。例如，糖在分解代谢过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经三羧酸循环，变成α—酮戊二酸和草酰乙酸。这三种酮酸均可加氨基或经氨基移换作用，分别形成丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸。

蛋白质可以分解为氨基酸，在体内转变为糖。许多种氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，再经糖异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。例如，甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺等。第6页,共49页，2024年2月25日，星期天2.脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系

脂类分子中的甘油可先转变为丙酮酸，再转变为草酰乙酸及α－酮戊二酸，然后接受氨而转变为丙氨酸、天冬氨酸及谷氨酸。脂肪酸可以通过β—氧化生成乙酰辅酶A，乙酰辅酶与草酰乙酸缩合进入三羧酸循环，从而跟天冬氨酸及谷氨酸相联系。第7页,共49页，2024年2月25日，星期天蛋白质分解成各种氨基酸；生酮氨基酸有亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等，这些生酮氨基酸在代谢过程中能生成乙酰乙酸。由乙酰乙酸再缩合成脂肪酸。生糖氨基酸通过丙酮酸，可以转变为甘油，也可以在氧化脱羧后转变为乙酰辅酶A，再经脂肪酸的从头合成途径合成脂肪酸。第8页,共49页，2024年2月25日，星期天

糖转变为脂类的大致步骤为：糖先经酵解过程，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮可还原为甘油。丙酮酸经氧化脱羧后转变为乙酰辅酶A，然后再缩合生成脂肪酸。脂类分解产生的甘油可以经过磷酸化生成α—甘油磷酸，再转变为磷酸二羟丙酮。后者沿酵解过程逆行即可生成糖。(三)糖代谢与脂类代谢的相互联系第9页,共49页，2024年2月25日，星期天ATP是能量和磷酸基团转移的重要物质；UTP参与单糖的转变和多糖的合成。CTP参与卵磷脂的合成；GTP供给合成蛋白质肽链时所需要的能量。此外，许多重要的辅酶，例如辅酶A、NADH、NADPH等，都是腺瞟呤核苷酸的衍生物。另一方面，核酸本身的合成，又受到其他物质特别是蛋白质的作用和控制。例如，甘氨酸飞天冬氨酸、谷氨酰胺参加瞟呤和4.核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的相互联系第10页,共49页，2024年2月25日，星期天第11页,共49页，2024年2月25日，星期天第二节酶活性的调节生物体内的各种代谢变化都是由酶驱动的。酶有两种功能：其一是催化各种生化反应，是生物催化剂；其二是调节和控制代谢的速度、方向和途径，是新陈代谢的调节元件。酶对细胞代谢的调节主要有两种方式：

1.酶活性的调节

2.酶量的调节第12页,共49页，2024年2月25日，星期天一.酶促反应的前馈与反馈

前馈和反馈指代谢底物和代谢产物对代谢过程的作用。前馈或反馈又可分为正作用和负作用两种。凡反应能使代谢过程速加快的，称为正作用；反之；则称为负作用。第13页,共49页，2024年2月25日，星期天二.产能反应与需能反应的调节ATP是通用的能量载体，ATP、ADP和无机磷酸盐广泛参与细胞的各种能量代谢。所以[ATP]/[ADP][Pi]可以作为细胞能量状态的一种指标，称作ATP系统的质量作用比。在正常状态下，该比值是很高的，因而ATP-ADP系统总是充分被磷酸化。当需要ATP的细胞活动突然增加时，这使ADP的浓度变得非常低，远不足以使氧化磷酸化达到最大速度。细胞活动突然增加时，ATP迅速分解成ADP和磷酸盐，从而降低正[ATP]／[ADP][Pi]比值。ADP浓度的增加即能自动增加电子传递和氧化磷酸化的速度，从而加速由ADP合成ATP的反应。

第14页,共49页，2024年2月25日，星期天Atkinson建议以能荷来表示细胞的能量状态。能荷的定义为在总的腺苷酸酸系统中(即ATP、ADP、AMP之和)所负荷的高能磷酸基数量：当所有腺苷酸充分磷酸化为ATP时，能荷值为1.0；如所有腺苷酸产卸空成为AMP时，能荷则等于零。正常情况下细胞的能荷大约为0.9，变动范围从0.85到0.95。第15页,共49页，2024年2月25日，星期天三.酶的别构调节第16页,共49页，2024年2月25日，星期天四.酶的共价修饰1.共价修饰的概念酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性改变。酶的共价修饰主要有磷酸化与脱磷酸化，乙酰化与脱乙酰，甲基化与去甲基化，腺苷化与脱腺苷及SH与-S-S-互变等，其中磷酸化与脱磷酸化在代谢调节中最多。第17页,共49页，2024年2月25日，星期天第18页,共49页，2024年2月25日，星期天糖原的分解和合成是通过不同途径实现的，前者由糖原磷酸化酶催化，后者由糖原合成酶所催化。

糖原磷酸化酶同时受到共价和变构的调节，磷酸化酶激酶使丝氨酸被磷酸化，形成活性形式磷酸化酶a：磷酸化酶磷酸酯酶使酶脱磷酸，形成相对无活性磷酸化酶b；变构效应物AMP可提高其括性。

糖原合成酶也具有磷酸化和脱磷酸两种形式，但与磷酸化酶相反，活性形式是脱磷酸的糖原合成酶a，当它在多种蛋白激酶作用下，两个丝氨酸羟基被磷酸化，糖原合成酶a即转变成较低活性的糖原合成酶b，其活性有赖于变构效应物物6—磷酸葡萄糖的存在。以糖原的分解和合成为例：第19页,共49页，2024年2月25日，星期天第20页,共49页，2024年2月25日，星期天2．酶共价修饰的特点

(1)共价修饰酶都具无活性(或低活性)和有活性(或高活性)两种形式。它们之间在两种不同酶的催化下发生共价修饰，可以互相转变。催化互变反应的酶在体内受调节因素如激素的控制。

(2)和变构调节不同，共价修饰是由酶催化引起的共价键的变化，且因其是酶促反应，故有放大效应。催化效率常较变构调节高。

(3)磷酸化与脱磷酸是最常见的酶促化学修饰反应。酶的1分子亚基发生磷酸化常需消耗1分子ATP，这与合成酶蛋白所消耗的ATP相比显然要少得多，而且作用迅速，又有放大效应，因此，是体内调节酶活性经济而有效的方式。第21页,共49页，2024年2月25日，星期天变构调节与共价修饰调节只是调节酶活性的两种不同方式，而对某一具体酶而言，它可同时受这两种方式的调节。变构调节是细胞的一种基本调节机制，对维持细胞代谢物及能量平衡具有重要作用。然而当效应剂浓度过低，不足以与酶分子全部调节亚基或部位结合时，就不能使所有酶发挥作用，故难以应急。当在应激情况下，少量激素的释放，即可通过一系列级联酶促共价修饰反应，迅速引起关键酶活性的级联放大及生理效应，以适应应激的需要。细胞内同一酶可受这两种调节方式双重调节，二者相辅相成，对细胞水平代谢调节的顺利进行及内环境的稳定具有重要意义。第22页,共49页，2024年2月25日，星期天五.酶连续激活连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其他酶被激活，导致原始信号的放大。这样的连锁代谢反应系统称为级联系统（cascadesystem)。激素或神经递质作用于细胞质膜的受体，从而使细胞内产生第二信使，这是一级放大作用。第二信使活化一些特异的酶系，又进行二级、三级或数级的放大。第23页,共49页，2024年2月25日，星期天第24页,共49页，2024年2月25日，星期天这一信号放大过程：腺苷酸环化酶作为第一个酶被第一信使激素所激活。被激活的腺苷酸环化酶存在于细胞质膜的内侧，催化细胞质中靠近质膜内侧的腺苷三磷酸(ATP)形成第二信使环腺苷酸(cAMP)。cAMP又使无活性的酶IIb转变成有活性的酶IIa。然后依次激活酶Ⅲ和酶IV。最后，被激活的酶Va催化底物转化为产物。以肾上腺素或胰高血糖素作用于肝细胞受体导致糖原分解为例：第25页,共49页，2024年2月25日，星期天第26页,共49页，2024年2月25日，星期天

由cAMP活化的蛋白激酶称为依赖cAMP的蛋白激酶：即蛋白激酶A，蛋白激酶A由4个亚基组成。两个相同的调节亚基（R）和两个相同的催化亚基（C）。4聚体全酶（R2C2）无活牲，当4分子cAMP结合到两个调节亚基的结合部位时，无活性的4聚体解离产生具有酶活性的游离催化亚基以及调节亚基与cAMP的复合物（R2-cAMP4)，反应是可逆的。cAMP通过与调节亚基结合而解除了蛋白激酶活性的抑制。第27页,共49页，2024年2月25日，星期天第28页,共49页，2024年2月25日，星期天级联反应的意义：

1.它能使信号放大；

2.它提供了更多的调控位点，使代谢过程能对细胞内外多种因素的变动作出调整；

3.它使关键的调节酶能够更灵敏和更灵活地控制代谢反应。即在不同情况下对各种代谢物和终产物有不同的应答反应第29页,共49页，2024年2月25日，星期天第三节细胞结构对代谢途径的分隔控制细胞是组成组织及器官的最基本的功能单位。代谢途径有关酶类常常组成酶体系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中。第30页,共49页，2024年2月25日，星期天一.膜结构对代谢的调节控制膜的三种最基本功能：

物质运输能量转换信息传递（一）控制跨膜离子浓度和电位梯度第31页,共49页，2024年2月25日，星期天（二）控制细胞与细胞器的物质运输

细胞器同样需要吸收代谢底物，转移出代谢产物。细胞膜和细胞器膜中的运输系统担负着与周围环境的物质交换。通过运输系统可以控制底物进入细胞或细胞器，从而调节细胞内该物质的代谢。实验证明，葡萄糖进入肌肉和脂肪细胞的运输是它们利用葡萄糖的限速过程。胰岛素可以促进肌肉及脂肪细胞对葡萄糖的主动运输，这也是它能降低血糖，促进肌肉和脂肪细胞中糖的利用、糖原合成和糖转变为脂肪的重要因素。某些载体在代谢底物运入细胞器中起着关键作用。第32页,共49页，2024年2月25日，星期天（三）.内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统将细胞分成许多功能特异的分隔区，各自以封闭的选择透性膜为界。这些分隔区成为分开的亚细胞反应器，其内包含有一套浓集的酶类和辅助因子，因而有利于酶促反应的进行。而且，细胞内的分隔可防止互不相容或竞争性的酶促反应彼此间的干扰。例如：一般的蛋白质是在胞液和内质网膜表面的核糖体上合成，然而不需要的蛋白质是在溶酶体中水解。脂肪酸的合成是以乙酰辅酶A为原料在胞浆内进行，而脂肪酸的β-氧化生成乙酰辅酶A是在线粒体内进行。第33页,共49页，2024年2月25日，星期天第34页,共49页，2024年2月25日，星期天（四）膜与酶的可逆结合

有些酶能可逆地与膜结合，并以其膜结合型和可溶型的互变来影响酶的性质和调节酶活性，这类酶称为双关酶，以区别于膜上固有的组成酶。双关酶对代谢状态变动的应答迅速，调节灵敏，是细胞代谢调节的一种重要方式。双关酶大多是代谢途径中关键的酶或调节酶。例如，糖酵解途径中的己糖激酶、磷酸果糖激酶、醛缩酶、3－磷酸甘油醛脱氢酶；氨基酸代谢的谷氨酸脱氢酶、酪氨酸氧化酶；以及一些参与共价修饰的蛋白激酶等。第35页,共49页，2024年2月25日，星期天二.蛋白质的定位控制蛋白质是如何穿过疏水的脂双层膜?蛋白质又是依靠什么信息来进行识别，从而“各就各位”发挥其正常功能的?第36页,共49页，2024年2月25日，星期天（一）信号肽假说1.信号肽的发现

Milstein等首先发现分泌型免疫球蛋白(IgG)轻链在合成时是以前体形式存在，它的N—末端比成熟的轻链多出一段肽，约由20个氨基酸组成。他们猜测，这段肽具有信号作用，使IgG轻链得以通过内质网并继而分泌到细胞之外。

Blobel进而证明，信号肽插入膜并随后被切除是与翻译过程同时发生的，即以共翻译插入的方式进行。第37页,共49页，2024年2月25日，星期天2.信号肽假说编码分泌蛋白的mRNA在翻译时首先合成的是N—末端带有疏水氨基酸残基的信号肽（signalpeptide)，它被内质网膜上的受体识别并与之相结合。信号肽经由膜中蛋白质形孔道到达内质网内腔，随即被位于腔表面的信号肽酶水解，但是由于它的引导，新生的多肽链能够通过内质网膜进入腔内，最终被分泌到胞外。翻译结束后，核糖体亚基解聚，孔道消失，内质网膜又恢复原先的脂双层结构。该假说不仅能解释分泌蛋白，如何通过内质网膜，适用于膜蛋白嵌入内质网膜以及原核细胞蛋白质的跨膜运送。第38页,共49页，2024年2月25日，星期天3.信号肽的特点：1.信号肽存在于肽段的N—末端，但也有极小数存在于肽链的中间；2.长度为15－36个氨基酸残基的小肽；3.它们一般都含有一个疏水氨基酸构成的中心区域(长约十多个氨基酸残基)第39页,共49页，2024年2月25日，星期天4.与蛋白质跨膜运送有关的重要成份信号识别体（signalrecognitionparticle，SRP）停靠蛋白（dockingprotein）核糖体受体（ribosomereceptor）第40页,共49页，2024年2月25日，星期天信号识别体（SRP）能专一地识别带有信号肽段的核糖体，它与这类核糖体的信号肽结合后，多肽合成暂时中止。由于信号肽都一个疏水核，推测SRP的疏水区很可能即是与信号肽的这一疏水部分相结合。随后，将带有信号肽的核糖体引向内质网膜表面以与分布其上的停靠蛋白(又称信号识别体受体）相结合。停靠蛋白通过与SRP作用使被暂时抑制的翻译过程恢复进行，它还可引起内质上核糖体受体蛋白的聚集，这种受体具有形成孔道的功能，可以使翻译出来的肽链直接进内质网腔内。进入内质网的蛋白质在信号肽切除之后即进行折叠、糖基化及二硫键形成等过程。第41页,共49页，2024年2月25日，星期天第42页,共49页，2024年2月25日，星期天（二）.线粒体蛋白质的跨膜运送线粒体中大量的蛋白质是由核基因组编码，由胞质溶胶中的游离核糖体合成，释放到胞溶胶中，最后运送到细胞器。这个过程称为翻译后插入(post

translationalinsertion)。翻译后插入过程中导肽或前导序列、前序列(1eadersequence)起着导向的作用。第43页,共49页，2024年2月25日，星期天导肽位于新合成蛋白质前体的N端序列，能够将蛋白质导向到线粒体基质中。导肽一般长度在20—80个氨基酸残基，富含丝氨酸、苏氨酸的碱性氨基酸和带正电的氨基酸，不含酸性氨基酸，羟基氨基酸含量较高，有形成两性(既有亲水性又有疏水性)的a—螺旋结构倾向。线粒体蛋白质可在导肽引导下运送至线粒体的四种部位：外膜、膜间间隙、内膜、基质。导肽中不同肽段含有不同的导向信息。凡牵引蛋白质跨膜运送至线粒体内基质的导肽，一般均含有导向基质肽段和水解部位。1.导肽的结构第44页,共49页，2024年2月25日，星期天蛋白质由胞质溶胶中的核糖体合成以后，被释放到胞质溶胶中，但由于在合成中，一种称为侣伴蛋白质