第39章 細胞代謝與基因表達調(diào)控(改動)

第39章細胞代謝與基因調(diào)控10/16/20231細胞代謝生命活動的基礎物質(zhì)代謝能量代謝信息代謝新陳代謝：完整、統(tǒng)一的過程復雜的調(diào)節(jié)機制10/16/20232物質(zhì)代謝一覽生命：代謝的正常運轉(zhuǎn)維持生命有限空間：同時有那么多復雜的代謝途徑在運轉(zhuǎn)必須有靈巧而嚴密的調(diào)節(jié)機制使代謝適應外界環(huán)境的變化與生物自身生長發(fā)育的需要調(diào)節(jié)失靈→代謝障礙，出現(xiàn)病態(tài)甚至危及生命漫長生物進化歷程：機體結(jié)構(gòu)、代謝和生理功能越來越復雜代謝調(diào)節(jié)機制也隨之更為復雜。10/16/20233一、細胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡TCA：糖、脂肪和蛋白質(zhì)三大物質(zhì)互相轉(zhuǎn)化的樞紐物質(zhì)代謝---聯(lián)系---轉(zhuǎn)化（一）代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡關(guān)鍵代謝物：G-6-P，丙酮酸、乙酰輔酶A10/16/202341、糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互關(guān)系糖代謝：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）蛋白質(zhì)→AA，生糖AA→α-酮酸→糖（多數(shù)）AA脫氨→丙酮酸，糖原異生，糖（生糖AA）10/16/2023610/16/202372、脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系脂類分解產(chǎn)生較多的能量→體內(nèi)貯藏能量的物質(zhì)脂類與蛋白質(zhì)之間可以相互轉(zhuǎn)化10/16/202383、糖代謝與脂類代謝的關(guān)系饑餓：與糖尿病類似的情況10/16/202394、核酸代謝與糖、脂肪及蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系Gly、Asp、Gln嘌呤、嘧啶AMP輔酶、組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）代謝的單向性和多酶系統(tǒng)1.相對立的單向反應（opposingunidirectionalreaction）：2.糖代謝的例子：３.脂代謝的例子：10/16/202312（三）代謝與能量：NADPH、ATP、構(gòu)造單元綠色植物、光合細菌：光合作用利用太陽能其他生物：有機物分解代謝的化學能

氧化分解釋放能量→ATP（能量的貯存、傳遞）→需能過程1、ATP：通用的能量載體ATPADP+Pi太陽能化學能生物合成細胞運動膜運輸10/16/2023132、NADPH以還原力形式攜帶能量還原性有機物分解代謝氧化產(chǎn)物NADPH+H+NADP+還原性生物合成產(chǎn)物還原性生物合成反應氧化前體通過NADPH循環(huán)將還原力由分解代謝→生物合成NADPH：生物合成中的良好還原劑產(chǎn)生：光反應、磷酸戊糖途徑、線粒體乙酰CoA的輸出10/16/2023143、代謝的基本要略：形成ATP、還原力和構(gòu)造單元用于生物合成在存在NADPH、ATP、各種構(gòu)造單元的基礎上，進行生物合成10/16/202315大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位（構(gòu)造單元）構(gòu)造單元形成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等），產(chǎn)生NADPH、ATP中間物進入TCA,徹底氧化H2O、CO2，產(chǎn)生大量ATP10/16/202316二、代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)的四級水平：

酶水平調(diào)節(jié)細胞水平調(diào)節(jié)激素水平調(diào)節(jié)神經(jīng)水平調(diào)節(jié)多細胞整體水平調(diào)節(jié)代謝反應：酶控制酶的生物合成和活性：機體調(diào)節(jié)自身代謝和重要措施酶水平調(diào)節(jié)是最根本、最基礎的調(diào)節(jié)10/16/202317（一）酶水平的調(diào)節(jié)酶水平調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)（酶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)）變（別）構(gòu)調(diào)節(jié)快速調(diào)節(jié)（微調(diào)）酶合成的誘導與阻遏長期調(diào)節(jié)（粗調(diào)節(jié)）酶含量調(diào)節(jié)

（基因表達水平調(diào)節(jié)）化學修飾調(diào)節(jié)酶的降解反義核酸的調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)：別構(gòu)效應物引起酶分子構(gòu)象變化而引起活力改變10/16/202318別構(gòu)效應物別構(gòu)激活劑——別構(gòu)激活（正別構(gòu)）——增加活性別構(gòu)抑制劑——別構(gòu)抑制（負別構(gòu)）——降低活性底物、產(chǎn)物或ATP、ADP、AMP等10/16/20231910/16/202320代謝物別構(gòu)中心活性中心反饋調(diào)節(jié)中酶活性調(diào)節(jié)的機制10/16/2023211、酶的別構(gòu)效應

酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié)前饋（feedforward）、反饋（feedback）底物、代謝產(chǎn)物對代謝過程的調(diào)節(jié)作用正作用：反應物使代謝過程速度加快的作用。負作用：反應物使代謝過程速度變慢的作用。10/16/2023221）前饋作用代謝途徑中前面的底物對其后某一催化反應的調(diào)節(jié)酶的作用(1)前饋激活（feedforwardactivation）(2)前饋抑制（feedforwardinhibition）10/16/2023232）反饋作用代謝產(chǎn)物對前面的某一酶有作用(1）反饋激活（feedbackactivation）(2)反饋抑制（feedbackinhibition）A一價或單價反饋抑制（monovalentfeedbackinhibition）10/16/202324B二價或多價反饋抑制（divalentormultivalentfeedbackinhibition）B1同工酶調(diào)節(jié)LysMetIle合成時的反饋抑制B2順序反饋抑制芳香族氨基酸合成10/16/202325B3協(xié)同反饋抑制Lys、Thr的合成B4累積反饋抑制谷氨酰胺合成酶：受各終產(chǎn)物的累積反饋抑制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

-酮戊二酸擰檬酸天冬氨酸氨基酸蛋白質(zhì)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應的調(diào)節(jié)控制10/16/202327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10/16/2023282、產(chǎn)能反應與需能反應的調(diào)節(jié)細胞能量狀態(tài)指標0.85～0.95能荷<0.85，產(chǎn)能（分解）代謝加強能荷＞0.95，貯能（合成）代謝加強10/16/202329丙酮酸

G細胞液檸檬酸乙酰CoA檸檬酸草酰乙酸-酮戊二酸乙酰CoA丙酮酸線粒體

G-6-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

丙酮酸脫氫酶

檸檬酸合成酶-酮戊二酸

脫氫酶糖酵解與TCA途徑的調(diào)節(jié)10/16/2023303、酶的共價修飾和級聯(lián)系統(tǒng)1）共價修飾（covalentmodification）：酶蛋白肽鏈上的基團可與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而改變酶的活性，這種改變酶活性的調(diào)節(jié)方式～（1）共價修飾調(diào)節(jié)酶：通過共價修飾調(diào)節(jié)活性的酶（2）共價修飾的類型：磷酸化/去磷酸化（最常見），乙酰化/去乙?；佘挣；?去腺苷?；蜍挣；?去尿苷酰化甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/還原(2SH)10/16/20233110/16/202332（3）特點修飾過程，酶活性在無活性（低活性）與有活性（高活性）兩種狀態(tài)中互變共價修飾互變由不同的酶催化

快速調(diào)節(jié)激素信號啟動的共價修飾會引起級聯(lián)放大效應10/16/202333糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的調(diào)節(jié)10/16/202334受共價修飾調(diào)節(jié)的酶酶來源改變反應對酶活力的影響糖原磷酸化酶真核細胞磷酸化/脫磷酸化+/-磷酸化酶b激酶哺乳類磷酸化/脫磷酸化+/-糖原合成酶真核細胞磷酸化/脫磷酸化-/+丙酮酸脫氫酶真核細胞磷酸化/脫磷酸化-/+谷氨酰胺合成酶原核細胞(大腸桿菌)腺苷?；?脫腺苷酰化-/+10/16/2023352）級聯(lián)系統(tǒng)（cascadesystem）：連鎖代謝反應中一個酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其它酶被激活，導致原始信號的放大——級聯(lián)系統(tǒng)。腎上腺素→膜受體，效應器活化，引發(fā)一系列胞內(nèi)連鎖反應10/16/202336意義：由于酶的共價修飾反應是酶促反應，只要有少量信號分子（如激素）存在，即可通過加速這種酶促反應，而使大量的另一種酶發(fā)生化學修飾，從而獲得放大效應。這種調(diào)節(jié)方式快速、效率極高。10/16/202337cAMP激活蛋白激酶的作用機理10/16/2023384、酶原與酶原激活酶原：某些酶的無活性前體蛋白（如不是酶，蛋白原）酶原激活：無活性的酶原形成活性酶的過程實質(zhì)：活性中心的形成或暴露過程常見形式：切下一段多余的肽段10/16/2023391）為什么胃蛋白酶存在前體胃蛋白酶原？2）酶原為什么大多是蛋白酶原？3）為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腸激酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶水解ArgLys羧基形成的肽鍵10/16/202343三、代謝的區(qū)域化細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制調(diào)節(jié)（一）細胞結(jié)構(gòu)與酶的空間分布酶定位的區(qū)域化10/16/202344細胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);

-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化細胞核:核酸合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成10/16/202345（二）細胞膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(diào)節(jié)和控制作用

控制濃度梯度

膜的基本功能：物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞與離子、電位梯度的產(chǎn)生、控制有關(guān)質(zhì)子梯度：合成ATPNa+梯度：運輸AA、糖

Ga2+：細胞內(nèi)信使10/16/202346控制細胞和細胞器的物質(zhì)運輸內(nèi)膜系統(tǒng)對代謝途徑的分隔作用通過底物、產(chǎn)物的運輸調(diào)節(jié)代謝

G代謝限速步驟：G進入肌肉、脂肪細胞的運輸胰島素可促進G主動運輸，降低血糖膜與酶的可逆結(jié)合分隔區(qū)；濃集酶、輔因子防止反應間互相干擾，有利于對不同區(qū)域代謝的調(diào)控某些酶與膜可逆結(jié)合而改變性質(zhì)（雙關(guān)酶）離子、代謝物、激素等都可改變其狀態(tài)發(fā)揮迅速、靈敏的調(diào)節(jié)作用10/16/202347（三）蛋白質(zhì)的定位和壽命控制1、蛋白質(zhì)的定位控制

信號肽（分泌蛋白導引至細胞外的信號肽）分泌蛋白、膜蛋白、溶酶體蛋白必須先進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分泌蛋白完全通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，膜蛋白的羧基固定在膜中導肽（胞內(nèi)運輸導引信號肽）線粒體、葉綠體等的蛋白，先翻譯后跨膜運輸，需要導肽通常位于氨基端，富含堿性、羥基AA，，易形成兩性α-螺旋可通過內(nèi)外膜的接觸點穿越膜需能過程，跨膜電位為運輸提供能量，蛋白解折疊需ATP

不同的導肽含不同信息，可將蛋白送入線粒體不同部位10/16/2023482、蛋白質(zhì)壽命的控制隨細胞內(nèi)外環(huán)境改變選擇性降解系統(tǒng)，需ATP供能，活化泛肽

泛肽分布廣泛，結(jié)構(gòu)保守標記需要降解的蛋白質(zhì)，使水解酶能識別并攻擊蛋白10/16/202349四、激素調(diào)節(jié)和跨膜信號轉(zhuǎn)導1、含氮激素作用模式2、甾醇類激素作用模式10/16/202350

ATP

cAMP+PPi內(nèi)在蛋白質(zhì)的磷酸化作用改變細胞的生理過程細胞膜細胞膜cR蛋白激酶（無活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）受體環(huán)化酶激素G蛋白肽類激素通過cAMP-蛋白激酶調(diào)節(jié)代謝示意圖10/16/202351甾醇類激素作用原理10/16/202352五、基因表達的調(diào)控中心法則(thecentraldogma)：（一）基因表達1、基因表達（geneexpression）:基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程rRNA、tRNA的合成10/16/2023532、基因表達的時空特異性

（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（胎兒型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β2時間特異性（temporalspecificity）某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生10/16/202354空間特異性（spatialspecificity）在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)同形異位盒基因（homeobox）:高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎發(fā)育的基因同形異位現(xiàn)象（homeosis）:果蠅頭部長觸角部位長出腳來10/16/2023553、基因表達的方式1）組成型表達（constitutive

gene

expression）

個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響持家基因（housekeeping

gene）看家基因（housrkeepinggenes）表達連續(xù)、不受調(diào)控機體結(jié)構(gòu)蛋白、TCA的代謝酶等10/16/2023562）誘導和阻遏表達DNA損傷→修復酶基因激活乳糖→利用乳糖的三種酶表達誘導（induction）：在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導基因10/16/202357阻遏（repression）：在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因色氨酸—色氨酸合成酶系10/16/2023584、基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)——多級調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平：轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后翻譯水平：翻譯、翻譯后10/16/2023595、基因表達調(diào)控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化10/16/202360（二）原核和真核基因組基因（gene）：DNA分子中的最小功能單位RNA(tRNA、rRNA)（蛋白質(zhì)編碼的）結(jié)構(gòu)基因（無轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的）調(diào)節(jié)基因10/16/202361基因組（genome）：某一特定生物單倍體所含的全體基因原核細胞：“染色體”DNA分子包含一個基因組真核細胞：一套單倍染色體的的全部基因10/16/202362（三）原核生物基因表達的調(diào)控：轉(zhuǎn)錄水平

研究意義：為探索更復雜的真核細胞基因表達調(diào)控機制提供重要線索對基因工程重要的指導意義轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（controloftranscription）翻譯水平的調(diào)控（controloftranslation）10/16/2023631、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控1）影響轉(zhuǎn)錄的因素（1）啟動子（promoter）：能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列A、決定轉(zhuǎn)錄方向及模板鏈B、決定轉(zhuǎn)錄效率三個功能區(qū)：啟始部位（+1區(qū)）、結(jié)合部位（-10區(qū)）、

識別部位（-35區(qū)）10/16/202364（2）σ因子：識別基因的啟動子，控制轉(zhuǎn)錄時序σ70：識別大多數(shù)基因的啟動子σ32：識別熱休克誘導基因的啟動子，控制熱休克蛋白（heatshockprotein，Hsp）基因表達10/16/202365（3）阻遏蛋白與激活蛋白：調(diào)控轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白（repressiveprotein）：與操縱子結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白介導的調(diào)控方式：負性調(diào)控(negativeregulation)，抑制轉(zhuǎn)錄；激活蛋白（activatingprotein）：與操縱子結(jié)合后能增強或起動調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白介導的調(diào)控方式：正性調(diào)控(positiveregulation)促進轉(zhuǎn)錄。10/16/202366位于結(jié)構(gòu)基因上游前導區(qū)具有終止子結(jié)構(gòu)的短序列通過前導序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA形成類似于終止子的二級結(jié)構(gòu)達到終止轉(zhuǎn)錄的目的。（4）弱化子（attenuator）10/16/2023672）轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機制（1）乳糖操縱子調(diào)控的機制A、操縱子模型的提出FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)獲1965年諾獎10/16/2023681、操縱子模型：原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制操縱子：轉(zhuǎn)錄水平控制基因表達的協(xié)調(diào)單位啟動子（premotor,P

）操縱基因（operator,O）結(jié)構(gòu)基因（編碼蛋白質(zhì)，S）控制部位操縱子=調(diào)控序列+轉(zhuǎn)錄單位10/16/202369絕大多數(shù)基因：按功能相關(guān)性成簇串聯(lián)，密集于染色體，共同組成一個轉(zhuǎn)錄單位——操縱子（operon）操縱子：一個啟動序列（啟動子）幾個可轉(zhuǎn)錄的編碼基因（2～6個，有的＞20個）同一啟動序列控制，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生多順反子mRNA

原核基因的協(xié)調(diào)表達：通過調(diào)控單個啟動序列的活性完成10/16/2023701）操縱子模型——負性調(diào)控阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因抑制結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄當有信號分子（誘導物）時阻遏蛋白從DNA上脫離信號分子（誘導物）阻遏蛋白無誘導物（信號分子存在）（1）分解代謝酶系的誘導表達10/16/202371乳糖操縱子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)獲1965年諾獎10/16/202372乳糖操縱子(lacoperon)調(diào)控區(qū)CAP（代謝產(chǎn)物激活蛋白）結(jié)合位點啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA10/16/202373mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因與操縱序列結(jié)合，RNA聚合酶則不起作用，不轉(zhuǎn)錄乳糖操縱子：乳糖可作為誘導物，誘導分解利用乳糖的酶的基因轉(zhuǎn)錄10/16/202374mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRN