代謝調(diào)節(jié)與基因表達(dá)調(diào)控課件

第十三章代謝調(diào)節(jié)與

基因表達(dá)的調(diào)控一、代謝調(diào)節(jié)的概念二、代謝調(diào)節(jié)1、酶水平的調(diào)節(jié)2、細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)代謝途徑的分隔控制調(diào)節(jié)3、激素調(diào)節(jié)和跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)第一節(jié)代謝調(diào)節(jié)一、代謝調(diào)節(jié)生命是靠代謝的正常運(yùn)轉(zhuǎn)維持的。生命有限的空間內(nèi)同時(shí)有那麼多復(fù)雜的代謝途徑在運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有靈巧而嚴(yán)密的調(diào)節(jié)機(jī)制，才能使代謝適應(yīng)外界環(huán)境的變化與生物自身生長(zhǎng)發(fā)育的需要。調(diào)節(jié)失靈便會(huì)導(dǎo)致代謝障礙，出現(xiàn)病態(tài)甚至危及生命。在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化歷程中，機(jī)體的結(jié)構(gòu)、代謝和生理功能越來(lái)越復(fù)雜，代謝調(diào)節(jié)機(jī)制也隨之更為復(fù)雜。代謝調(diào)節(jié)的四級(jí)水平：酶水平調(diào)節(jié)細(xì)胞水平調(diào)節(jié)激素水平調(diào)節(jié)神經(jīng)水平調(diào)節(jié)多細(xì)胞整體水平調(diào)節(jié)酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié)

前饋（feedforward）和反饋（feedback）是來(lái)自電子工程學(xué)的術(shù)語(yǔ)，前者的意思是“輸入對(duì)輸出的影響”，后者的意思是“輸出對(duì)輸入的影響”，這里分別借用來(lái)說(shuō)明底物和代謝產(chǎn)物對(duì)代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)可能是正調(diào)控，也可能是負(fù)調(diào)控，其調(diào)節(jié)機(jī)理是通過(guò)酶的變構(gòu)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反饋前饋反饋調(diào)節(jié)中酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)制代謝物別構(gòu)中心活性中心6-磷酸葡萄糖對(duì)糖原合成的前饋激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原合成酶ATPADP

UTPUDPG

氨基酸合成的反饋調(diào)控反硝化作用氧化亞氮氨甲酰磷酸分支酸脫氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤蘚糖-4-磷酸脫氫奎尼酸莽草酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸+預(yù)苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高絲氨酸氨基苯甲酸細(xì)胞能量狀態(tài)指標(biāo)

能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP][ATP][ATP][ADP]ATP系統(tǒng)質(zhì)量作用比=糖酵解與三羧酸循環(huán)途徑的調(diào)節(jié)丙酮酸

G細(xì)胞液檸檬酸乙酰CoA檸檬酸草酰乙酸-酮戊二酸乙酰CoA丙酮酸線粒體

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+++---++----

己糖激酶

丙酮酸脫氫酶

檸檬酸合成酶-酮戊二酸

脫氫酶酶級(jí)聯(lián)系統(tǒng)調(diào)控示意圖意義：由于酶的共價(jià)修飾反應(yīng)是酶促反應(yīng)，只要有少量信號(hào)分子（如激素）存在，即可通過(guò)加速這種酶促反應(yīng)，而使大量的另一種酶發(fā)生化學(xué)修飾，從而獲得放大效應(yīng)。這種調(diào)節(jié)方式快速、效率極高。腎上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸環(huán)化酶（無(wú)活性）腺苷酸環(huán)化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（無(wú)活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（無(wú)活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（無(wú)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腎上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATPADPATPADP456cAMP激活蛋白激酶的作用機(jī)理

糖原合成酶和糖原磷酸化酶的調(diào)控

糖原的分解和合成都是根據(jù)肌體的需要由一系列的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行調(diào)控，其限速酶分別為糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它們的活性是受磷酸化或去磷酸化的共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)及變構(gòu)效應(yīng)的調(diào)節(jié)。二種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(有活性)糖原磷酸化酶b(無(wú)活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶b(無(wú)活性)糖原磷酸化酶a(有活性)PP細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)對(duì)代謝的調(diào)節(jié)和控制作用

控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度控制細(xì)胞和細(xì)胞器的物質(zhì)運(yùn)輸內(nèi)膜系統(tǒng)對(duì)代謝途徑的分隔作用膜與酶的可逆結(jié)合四、激素調(diào)節(jié)的機(jī)制1、含氮激素作用模式2、甾醇類激素作用模式甾醇類激素作用原理示意圖一、原核和真核基因組二、原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機(jī)制三、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控第二節(jié)基因表達(dá)的調(diào)控

基因（gene）是指DNA分子中的最小功能單位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白質(zhì)編碼的結(jié)構(gòu)序列及無(wú)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的調(diào)控序列?；蚪M（genome）是指某一特定生物單倍體所含的全體基因。原核細(xì)胞的“染色體”DNA分子就包含了一個(gè)基因組；而在真核細(xì)胞中則是指一套單倍染色體的的全部基因。原核和真核基因組基因(gene)概念的發(fā)展1866年Mender建立遺傳兩大定律，提出遺傳因子的概念1903年Sutton&Boveri提出遺傳因子位于染色體上1909年Johansen提出基因概念，取代遺傳因子1910年Morgen建立基因假說(shuō)，確認(rèn)基因是確定性狀的功能單位1941年Beadle提出一個(gè)基因一個(gè)酶學(xué)說(shuō)1944年Avery首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)DNA是遺傳信息的載體1953年Watson&Crick確定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步確定了基因的本質(zhì)1957年Benzer提出順?lè)醋?cistron)學(xué)說(shuō)，認(rèn)為基因是DNA分子的一段序列，負(fù)責(zé)遺傳信息的傳遞70年代發(fā)現(xiàn)基因包括有遺傳效應(yīng)的外顯子(intron)和無(wú)效應(yīng)的內(nèi)含子(extron)操縱子——原核基因表達(dá)的協(xié)同單位操縱子結(jié)構(gòu)基因（編碼蛋白質(zhì)，S）控制部位操縱部位（operator,O）啟動(dòng)子（premotor,P）酶誘導(dǎo)和阻遏的操縱子模型合成途徑操縱子的衰減作用原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機(jī)制

操縱子學(xué)說(shuō)

調(diào)節(jié)基因酶的誘導(dǎo)和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)劑A.有活性阻遏蛋白C.無(wú)活性阻遏蛋白D.無(wú)活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱部位啟動(dòng)子調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結(jié)合,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)阻遏蛋白(無(wú)活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)代謝產(chǎn)物大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用的可能機(jī)制Trp密碼子111232233444核糖體核糖體轉(zhuǎn)錄繼續(xù)轉(zhuǎn)錄終止C.高濃度色氨酸使核糖體到達(dá)2部位，3與4堿基配對(duì)，轉(zhuǎn)錄終止。A.游離mRNA中1與2以及3與4堿基配對(duì)。B.低濃度色氨酸使核糖體停留在1部位，轉(zhuǎn)錄得以完成。真核生物基因表達(dá)調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細(xì)胞質(zhì)真核基因表達(dá)調(diào)控的五個(gè)水平

DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯水平調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控順式作用元件和反式作用因子轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄問(wèn)答題1、為什么說(shuō)三羧酸循環(huán)是糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)代謝的共同通路？2、舉例說(shuō)明核苷酸類化合物在代謝中起的作用。3、試比較變構(gòu)調(diào)節(jié)與化學(xué)修飾調(diào)節(jié)作用的異同？4、試以大腸桿菌乳糖操縱子說(shuō)明酶合成的誘導(dǎo)和阻遏。

名詞解釋反饋抑制共價(jià)修飾第二信使操縱子糖酵解和葡萄糖異生的關(guān)系（胞液）（線粒體）葡萄糖