生物化學第十二章細胞代謝和基因表達調節(jié)

1、第一節(jié)第一節(jié) 細胞代謝的調節(jié)網絡細胞代謝的調節(jié)網絡第二節(jié)第二節(jié) 代謝調節(jié)代謝調節(jié)第三節(jié)第三節(jié) 基因表達的調節(jié)基因表達的調節(jié)第十二章第十二章 細胞代謝與基因細胞代謝與基因表達調控表達調控 一、代謝途徑交叉形成網絡一、代謝途徑交叉形成網絡第一節(jié)第一節(jié) 細胞代謝的調節(jié)網絡細胞代謝的調節(jié)網絡細胞代謝調節(jié)的總原則和方略糖、脂、蛋白質、核酸代謝之間的聯(lián)系糖、脂、蛋白質、核酸代謝之間的聯(lián)系p624糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系脂脂肪肪甘油甘油磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮糖代謝糖代謝脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰coacoa琥珀酸琥珀酸糖糖 (植物植物)乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán) -氧化氧化糖異生糖異生tc

2、a糖糖乙酰乙酰coacoa，nadphnadph脂肪酸脂肪酸磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮-磷酸甘油磷酸甘油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解從頭合成從頭合成糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系糖糖 - -酮酸酮酸 非必需氨基酸非必需氨基酸 蛋白質蛋白質 nh3蛋白質蛋白質 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸）（生糖氨基酸）節(jié)首氨基化氨基化脂類代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系脂類代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰coa氨基酸碳架氨基酸碳架非必需非必需氨基酸氨基酸蛋白質蛋白質蛋白質蛋白質氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸或乙酰coa脂肪酸

3、脂肪酸脂肪脂肪（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）節(jié)首tca核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系3.3.核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如coacoa、nad+nad+，nadp+nadp+，campcamp，cgmpcgmp）。）。 1.1.核酸是細胞內重要的遺傳物質，控制著蛋白質的合成核酸是細胞內重要的遺傳物質，控制著蛋白質的合成，影響細胞的成分和代謝類型，影響細胞的成分和代謝類型2.2.各類物質代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，各類物質代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，如如atpatp是能量的是能量的“通貨通貨”，此外

4、，此外utputp參與多糖的合成，參與多糖的合成，ctpctp參與磷脂合成，參與磷脂合成，gtpgtp參與蛋白質合成與糖異生作用。參與蛋白質合成與糖異生作用。節(jié)首4.4.核苷酸的生物合成需要糖代謝提供磷酸核糖，蛋白質核苷酸的生物合成需要糖代謝提供磷酸核糖，蛋白質代謝提供氨基酸。代謝提供氨基酸。5.5.核酸生物合成需要糖和蛋白質的代謝中間產物參加，核酸生物合成需要糖和蛋白質的代謝中間產物參加，而且需要酶和多種蛋白質因子。而且需要酶和多種蛋白質因子。二、分解和合成代謝的單向性二、分解和合成代謝的單向性三、三、atp是通用的能量載體是通用的能量載體四、四、nadph以還原力形式攜帶能量以還原力形式攜

5、帶能量 用于還原性生物合成用于還原性生物合成五、代謝的要略五、代謝的要略 形成形成atp、nadph和結構單元用于生物合成和結構單元用于生物合成節(jié)首下一頁一、細胞水平的代謝調節(jié)一、細胞水平的代謝調節(jié)二、激素水平的代謝調節(jié)二、激素水平的代謝調節(jié)三、神經水平的代謝調節(jié)三、神經水平的代謝調節(jié)第二節(jié)第二節(jié) 代謝調節(jié)代謝調節(jié)代謝調節(jié)可在多個水平進行，如底物水平、酶水平等。代謝調節(jié)可在多個水平進行，如底物水平、酶水平等。一、細胞水平的代謝調節(jié)一、細胞水平的代謝調節(jié)（一）代謝途徑的區(qū)域化（一）代謝途徑的區(qū)域化分隔與控制分隔與控制細胞具有精細結構，真核細胞具有膜包圍的細胞器。細胞具有精細結構，真核細胞具有膜包

6、圍的細胞器。因此代謝途徑的有關酶類，常常組成酶系，分布于細因此代謝途徑的有關酶類，常常組成酶系，分布于細胞的某一區(qū)域或亞細胞結構胞的某一區(qū)域或亞細胞結構。 1.控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度；控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度； 2.控制物質運輸控制物質運輸 3.膜與酶可逆結合膜與酶可逆結合雙關酶（雙關酶（hk，pfk等）等）p630酶或酶系酶或酶系所在區(qū)域所在區(qū)域酶或酶系酶或酶系所在區(qū)域所在區(qū)域糖酵解酶系糖酵解酶系tca酶系酶系磷酸戊糖途徑酶系磷酸戊糖途徑酶系脂肪酸脂肪酸氧化酶系氧化酶系脂肪酸合成酶系脂肪酸合成酶系尿素合成酶系尿素合成酶系胞漿胞漿線粒體線粒體胞漿胞漿線粒體線粒體胞漿胞漿線粒體和胞

7、漿線粒體和胞漿蛋白質合成酶系蛋白質合成酶系dna聚合酶聚合酶rna聚合酶聚合酶水解酶類水解酶類粗面內質網粗面內質網細胞核細胞核細胞核細胞核溶酶體溶酶體真核細胞內某些酶的區(qū)域化分布真核細胞內某些酶的區(qū)域化分布節(jié)首p631（二）酶活性的調節(jié)（二）酶活性的調節(jié)1. 1. 別構調節(jié)別構調節(jié)抑制或激活抑制或激活2. 2. 酶原激活酶原激活3. 3. 酶的共價修飾調節(jié)酶的共價修飾調節(jié)節(jié)首（三）酶量的調節(jié)（三）酶量的調節(jié)1 1、酶生物合成的誘導和阻遏、酶生物合成的誘導和阻遏（原核生物目前研究較深入）（原核生物目前研究較深入） 操縱子學說操縱子學說2 2、酶的降解、酶的降解p626二、激素水平的代謝調節(jié)二、激

8、素水平的代謝調節(jié)激素的分類激素的分類1 1、氨基酸及其衍生物類激素：酪氨酸的代謝產物、氨基酸及其衍生物類激素：酪氨酸的代謝產物，如甲狀腺素、腎上腺素，如甲狀腺素、腎上腺素2 2、肽及蛋白質激素：胰島素、降鈣素等、肽及蛋白質激素：胰島素、降鈣素等3 3、固醇類激素：腎上腺皮質激素、性激素、固醇類激素：腎上腺皮質激素、性激素4 4、脂肪酸衍生物類激素：前列腺素、脂肪酸衍生物類激素：前列腺素三、神經水平的調節(jié)（高等動物）三、神經水平的調節(jié)（高等動物） 中樞神經中樞神經 下丘腦下丘腦垂體垂體 腺體腺體 靶細胞靶細胞p632p638一、基因表達一、基因表達1.1.基因組基因組(genome)(genom

9、e)：一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信：一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。息或整套基因。2. 2. 基因表達基因表達(gene expression)(gene expression)：遺傳信息的展現(xiàn)，即：遺傳信息的展現(xiàn)，即基因經過轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白基因經過轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程。質分子的過程。可按一定時間程序發(fā)生改變可按一定時間程序發(fā)生改變時序調節(jié)時序調節(jié)可隨內外環(huán)境條件變化而調整可隨內外環(huán)境條件變化而調整適應調節(jié)適應調節(jié)第三節(jié)第三節(jié) 基因表達的調節(jié)基因表達的調節(jié)（一）基因表達的概念（一）基因表達的概念p639（二）基因表達的特

10、點（二）基因表達的特點1.時間特異性時間特異性多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity)(stage specificity)。2.空間特異性空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組細胞或組織特異性織特異性(cell or tissue specificity)(cell or tissue specificity)。在個體生長全過程，某種基因

11、產物在個體按不同組織空在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatial (spatial specificity)specificity)。3.受內外環(huán)境條件的影響而變化受內外環(huán)境條件的影響而變化（三）基因表達的方式（三）基因表達的方式按照對刺激的反應性，基因表達的方式分為：按照對刺激的反應性，基因表達的方式分為：1. 組成型表達（持家基因）組成型表達（持家基因）某些基因在個體的幾乎某些基因在個體的幾乎所有細胞所有細胞中中持續(xù)恒定表達持續(xù)恒定表達，通常，通常被稱為管家基因或持家基因被稱為管家基因或持家基

12、因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。管家基因較少受環(huán)境因素影響，在個體各個生長階段管家基因較少受環(huán)境因素影響，在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小，這類的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小，這類基因表達被視為組成型表達基因表達被視為組成型表達(constitutive gene (constitutive gene expression)expression)。2. 2. 可誘導和可阻遏表達（可調基因）可誘導和可阻遏表達（可調基因）（1 1）可誘導）可誘導在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產在特定環(huán)境信

13、號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。可誘導基因在特定環(huán)境中物增加，這種基因稱為可誘導基因。可誘導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導表達增強的過程，稱為誘導(induction)(induction)。如分解乳糖的基因。如分解乳糖的基因。 （2 2）可阻遏）可阻遏如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏(repression)(repression)。如合成。如合成trptrp的基因。的基因。在一定機制控制下，

14、功能上相關的一組基因，無論其在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinate expression)(coordinate expression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)。，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)。二、基因表達的多級調控二、基因表達的多級調控1.dna水平水平2.轉錄水平：轉錄水平：轉錄起始轉錄起始 、轉錄終止、轉錄后加工、轉錄終止、轉錄后加工蛋白質降解等蛋白質降解等3.翻譯水平翻譯水平反義反義rnarna、mrnamrna的二級結構與穩(wěn)定性、翻譯后的二級結構與穩(wěn)定性、翻譯后

15、加工修飾加工修飾第一個被闡明的操縱子第一個被闡明的操縱子大腸桿菌乳糖操縱子大腸桿菌乳糖操縱子 基于乳糖對乳糖代謝酶的誘導現(xiàn)象：基于乳糖對乳糖代謝酶的誘導現(xiàn)象：大腸桿菌培養(yǎng)基中沒有乳糖，則細胞內參與乳糖分解代大腸桿菌培養(yǎng)基中沒有乳糖，則細胞內參與乳糖分解代謝的謝的3 3種酶很少（種酶很少（ -半乳糖苷酶半乳糖苷酶0.5-50.5-5個個/cell/cell）；一旦）；一旦加入乳糖或其類似物，則幾分鐘內酶分子數(shù)驟增（加入乳糖或其類似物，則幾分鐘內酶分子數(shù)驟增（ -半半乳糖苷酶乳糖苷酶50005000個個/cell/cell，其它兩種酶也大量增加）。，其它兩種酶也大量增加）。三、原核生物基因表達三、

16、原核生物基因表達轉錄起始水平轉錄起始水平的調控的調控為什么加入底物，相應的分解代謝的酶才會合成？為什么加入底物，相應的分解代謝的酶才會合成？經濟原則經濟原則ps1s2s3啟動子啟動子opromoter調控序列調控序列結構基因結構基因 操縱子（操縱子（operon） 結合結合rnarna聚合酶聚合酶表達功能蛋白表達功能蛋白?操縱子（操縱子（operonoperon）: :原核生物基因表達調控的基本單位，原核生物基因表達調控的基本單位，由一個或由一個或多個相關的結構基因、調控它們轉錄的操縱基因、調節(jié)基因和啟多個相關的結構基因、調控它們轉錄的操縱基因、調節(jié)基因和啟動子序列組成。動子序列組成。操縱基因

17、操縱基因operatori調節(jié)基因調節(jié)基因regulator表達調節(jié)蛋白表達調節(jié)蛋白（一）大腸桿菌乳糖操縱子（一）大腸桿菌乳糖操縱子(lac operon)的結構的結構 調控區(qū)調控區(qū)cap結合位點結合位點啟動子啟動子操縱基因操縱基因 結構基因結構基因z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶y： -半乳糖苷酶透過酶半乳糖苷酶透過酶a：乙?；D移酶：乙?；D移酶zyaopdnazyaopdnai調節(jié)基因調節(jié)基因p640mrna阻遏蛋白阻遏蛋白idnazyaoppol沒有乳糖存在時沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子阻遏蛋白的負調節(jié)（二）乳糖操縱子阻遏蛋白的負調節(jié)調節(jié)基因調節(jié)基因結構基因不能轉錄結構基因不能轉錄mrn

18、a阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時有乳糖存在時idnazyaoppol啟動轉錄啟動轉錄mrna乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶誘導物誘導物構象構象改變改變（三）乳糖操縱子（三）乳糖操縱子cap的正調節(jié)（的正調節(jié)（p641）葡萄糖效應葡萄糖效應：細菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長：細菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長時，優(yōu)先利用時，優(yōu)先利用g g，只有在，只有在g g耗盡后耗盡后, ,經過一段停滯期才利用經過一段停滯期才利用乳糖。乳糖。分解分解g g的酶是組成型表達，的酶是組成型表達，g g的降解物影響了分解其它糖的降解物影響了分解其它糖的酶表達的酶表達, ,稱之為稱之為降解物阻遏降解物阻遏。調節(jié)基因的產物為環(huán)腺苷酸受體（調節(jié)基因的產物為環(huán)腺苷酸受體（crpcrp），也稱為降解），也稱為降解物基因活化蛋白（物基因活化蛋白（capcap），與），與campcamp結合后被活化，與操結合后被活化，與操縱子上某部位結合使縱子上某部位結合使dnadna鏈彎曲，促進鏈彎曲，促進rnarna聚合酶與啟動聚合酶與啟動子的結合，從而子的結合，從而camp-crpcamp-crp能增強轉錄。能增強轉錄。g g分解代謝的降解物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并活化磷酸二分解代謝的降解物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并活化磷酸二酯酶，導致酯酶，導致campcamp濃度降低，