第12章代謝調(diào)控2009

第十二章細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控Chapter12CELLULARMETABOLISMANDREGULATIONOFGENEEXPRESSION

◆了解操縱子學(xué)說內(nèi)容

◆弄清楚三種類型的操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

◆掌握真核生物基因表達(dá)的調(diào)控學(xué)習(xí)目標(biāo)

◆轉(zhuǎn)錄因子既可作為轉(zhuǎn)錄的激活劑，也可作為阻遏劑

◆

E.coli中乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控（IPTG引起乳糖操縱子的去阻遏，激活蛋白正向調(diào)控乳糖操縱子）

◆通過細(xì)胞中的色氨酸濃度雙向調(diào)控色氨酸操縱子

◆了解真核生物基因表達(dá)的調(diào)控內(nèi)容提要

一物質(zhì)代謝是相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體二代謝調(diào)節(jié)三基因表達(dá)的調(diào)節(jié)主要內(nèi)容

一物質(zhì)代謝是相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)新陳代謝通常采取的方略和原則:以少數(shù)種類的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化種類繁多的分子各類物質(zhì)具有相對獨立的代謝途徑各途徑通過交叉點上的關(guān)鍵中間物實現(xiàn)相互作用和相互轉(zhuǎn)化代謝過程受到嚴(yán)格的、多個層次、多種方式的調(diào)節(jié)控制，形成有機(jī)的統(tǒng)一整體

HMS奇數(shù)脂肪酸1糖、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸的代謝關(guān)系

2ATP、還原力和構(gòu)造單元：細(xì)胞代謝的基本要略：分解形成ATP、還原力和構(gòu)造單元，用于生物合成(1)生物大分子

構(gòu)造單元（氨基酸、單糖、脂肪酸等）(2)構(gòu)造單元共同降解產(chǎn)物(乙酰CoA)，還原力,部分ATP(3)乙酰CoA徹底氧化（CO2）、大量ATPATP是通用的能量載體NADPH以還原力形式攜帶能量

二代謝調(diào)節(jié)：代謝在三種不同水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)：分子水平、細(xì)胞水平、多細(xì)胞整體水平。

1前饋（feedforword）與反饋（feedback）：

S1E0

S2E1??????En-1

Sn

前饋：在代謝途徑中前面的底物對其后某一催化反應(yīng)的調(diào)節(jié)酶（變構(gòu)酶）起激活或抑制作用。正前饋：前期底物6-P-G別構(gòu)激活糖原合酶；負(fù)前饋：高濃度乙酰CoA底物別構(gòu)抑制乙酰CoA羧化酶反饋：代謝產(chǎn)物對代謝過程調(diào)節(jié)酶（變構(gòu)酶）活性的調(diào)節(jié)作用。負(fù)反饋：CTP對自身合成第一步酶ATCase的抑制正反饋：乙酰CoA反饋激活磷酸烯醇丙酮酸羧激酶，促進(jìn)TCA的回補(bǔ)反應(yīng)中PEP生成草酰乙酸的作用。前饋（+或-）反饋（+或-）（一）分子水平的調(diào)節(jié)：

ATPADPUTPPPi

糖原合酶GG-6-PG-1-PUDPG糖原（+）

乙酰-CoA羧化酶

乙酰-CoA+CO2+H2O+ATP丙二酸單酰-CoA+ADP+Pi（-）

PEP丙酮酸乙酰-CoA

PEP羧激酶+檸檬酸草酰乙酸（+）

2能量狀態(tài)與代謝調(diào)節(jié)：ATP、ADP及Pi通過質(zhì)量作用效應(yīng)調(diào)節(jié)能量代謝

ATP系統(tǒng)的質(zhì)量作用比(磷酸化勢能)=[ATP]/[ADP]·[Pi]產(chǎn)能反應(yīng)與ADP磷酸化相偶聯(lián)吸能反應(yīng)與ATP水解相偶聯(lián)ATP、ADP及Pi還是許多調(diào)節(jié)酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)物細(xì)胞能荷：在總的腺苷酸系統(tǒng)中(ATP,ADP和AMP之和)所負(fù)荷的高能磷酸基數(shù)量（ATP加1/2ADP）。是細(xì)胞產(chǎn)能和需能代謝之間變構(gòu)調(diào)節(jié)的信號。

3酶活性的調(diào)節(jié)：（1）調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的活性（酶的激活或抑制）方式：別構(gòu)調(diào)節(jié)：前饋和反饋共價修飾：例如酶的磷酸化和去磷酸化

酶原的激活（2）改變酶分子在細(xì)胞內(nèi)的含量（酶合成和降解速度）基因調(diào)控

胞液（cytosol）：EMP、HMS、糖異生等；糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸生物合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：粗面型：分泌性蛋白、跨膜蛋白合成場所光滑型：磷脂、糖脂、膽固醇合成；蛋白質(zhì)糖基化場所線粒體：內(nèi)膜：生物氧化、物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)酶基質(zhì)：丙酮酸氧化脫羧、TCA循環(huán)、脂肪酸-氧化、氨基酸分解核膜：糖、脂、蛋白代謝；DNA復(fù)制、細(xì)胞核：RNA加工與修飾核仁：rRNA合成與加工,核糖體的裝配高爾基體：細(xì)胞合成(吸收)物加工、濃縮、包裝和運(yùn)輸溶酶體：含有水解酶類，參與細(xì)胞的吞噬、消化、吸收、自溶作用等（二）細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)1.細(xì)胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制

細(xì)胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制

復(fù)習(xí)

2.利用膜結(jié)構(gòu)控制細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸和信號傳遞膜的三大基本功能：物質(zhì)運(yùn)輸、信號傳遞、能量轉(zhuǎn)換物質(zhì)運(yùn)輸：膜具有通透性、選擇性（物質(zhì)運(yùn)輸通道和載體；控制濃度梯度）細(xì)胞信號傳遞：信使與受體3.膜與酶的可逆結(jié)合：某些酶（可溶型）可通過與膜結(jié)合（膜結(jié)合型）而改變性質(zhì)和活性——雙關(guān)酶。例如：己糖激酶

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（三）多細(xì)胞整體水平的調(diào)節(jié)：多細(xì)胞生物為協(xié)調(diào)體內(nèi)各細(xì)胞的代謝活動，而發(fā)展了細(xì)胞之間的信息傳遞機(jī)制：體液（humor）或神經(jīng)系統(tǒng)：神經(jīng)細(xì)胞（元）信號分子（激素、遞質(zhì)、調(diào)節(jié)肽等）細(xì)胞膜上信號分子受體（或直接進(jìn)入細(xì)胞）引起細(xì)胞內(nèi)不同效應(yīng)：cAMP級聯(lián)放大、蛋白酶的激活、磷酸化效應(yīng)等（或直接與細(xì)胞內(nèi)受體結(jié)合）調(diào)節(jié)代謝：改變酶活性、膜通透性、調(diào)節(jié)基因表達(dá)等多細(xì)胞整體水平調(diào)節(jié)也是以調(diào)節(jié)酶的活力為目的

物質(zhì)代謝的激素調(diào)節(jié)三基因表達(dá)的調(diào)節(jié)：1基因表達(dá)的概念：基因（gene）：編碼蛋白或功能RNA的DNA片段，是遺傳信息的基本單位?；蚪M（genome）：一個細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息（或整套基因）。基因表達(dá)：基因轉(zhuǎn)錄，甚至進(jìn)一步翻譯產(chǎn)生蛋白的過程基因表達(dá)具有時間和空間特異性：時間特異性：時序調(diào)節(jié)（temperalregulation)，基因表達(dá)嚴(yán)格按照時間順序發(fā)生。空間特異性：基因表達(dá)產(chǎn)物在不同組織、器官中不同，也稱組織特異性或細(xì)胞特異性。噬菌體QRNA

2基因表達(dá)的方式：1）組成性表達(dá)與管家基因(housekeepinggene):某些基因產(chǎn)物對生命全過程都是必須的，這類基因在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，稱為管家基因。只受啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)。例如：編碼催化TCA循環(huán)中的各種酶的基因。其表達(dá)被視為基本的或組成性基因表達(dá)。2）可調(diào)型表達(dá)與可調(diào)基因(regulatedgene):有些基因表達(dá)的水平隨著外界環(huán)境的變化而升高或降低，甚至關(guān)閉，屬于可調(diào)基因。分誘導(dǎo)(induction)與阻遏(repression))(參與DNA修復(fù)的酶)

3原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)：原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進(jìn)行，因此調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄的起始。（1）亞基控制轉(zhuǎn)錄的起始:不同的因子識別不同的啟動子，決定了特定基因的轉(zhuǎn)錄活性，在起始階段控制基因的表達(dá)。

70：識別大腸桿菌一般基因啟動子

32：識別熱休克蛋白基因

54：識別固氮酶基因和相關(guān)基因

（2）操縱子模型:原核基因表達(dá)調(diào)控的代表機(jī)制1961年法國Monod和Jacob提出了著名的乳糖操縱子(lactoseoperon）模型。模型要點：調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因A操縱子（operon）BC一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因相鄰，并且共同受同一個操縱基因和啟動子所控制。

操縱子(operon):原核基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，包括：啟動子(promoter,P),操縱基因(operator,O)和結(jié)構(gòu)基因操縱子受調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）所調(diào)節(jié)。

操縱子(operon)的結(jié)構(gòu)與功能InhibitorgenePS1S2S3啟動子結(jié)構(gòu)基因1，2，3...O操縱基因PromoterOperatorgeneStructuregene調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因操縱子表達(dá)阻遏蛋白

結(jié)合RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄結(jié)合阻遏蛋白是轉(zhuǎn)錄的開關(guān)，可打開或關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)功能蛋白?I阻遏物基因

誘導(dǎo)物：乳糖或乳糖類似物IPTG（異丙基β-D-硫代半乳糖苷）

A.酶合成的誘導(dǎo)(induction):誘導(dǎo)型

E.coli的乳糖操縱子:阻遏蛋白的負(fù)調(diào)節(jié)

阻遏蛋白誘導(dǎo)物E.coli的乳糖操縱子★乳糖操縱子除需誘導(dǎo)物外，還需cAMP和cAMP受體蛋白（CRP）結(jié)合成復(fù)合物，這復(fù)合物能結(jié)合到啟動子上，促使轉(zhuǎn)錄的起始。

結(jié)構(gòu)基因操縱基因啟動子RNA聚合酶CRPcAMP復(fù)合物CRP＋cAMPB.酶合成的阻遏(repression)：阻遏型TrpTrp合成有關(guān)的酶基因①最終產(chǎn)物的阻遏：

Trp阻遏蛋白

例如：E.coliTrp操縱子，含有5個結(jié)構(gòu)基因，編碼的酶蛋白催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)門rp，Trp是輔阻遏物（corepressor）。

阻遏物介導(dǎo)的負(fù)調(diào)控（主要）輔阻遏物（corepressor）

E.coliTrp操縱子②分解代謝產(chǎn)物的阻遏：

E.coli以乳糖為唯一碳源時，乳糖可誘導(dǎo)與乳糖分解相關(guān)的三種酶的合成，但如果培養(yǎng)基中既含葡萄糖，又含乳糖時，則優(yōu)先利用Glc，等Glc耗盡后才能利用乳糖，即在大量Glc時，乳糖操縱子是關(guān)閉，Glc阻遏了乳糖代謝有關(guān)的三種酶的合成，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)（glucoseeffect）。這是由于Glc分解代謝產(chǎn)物引起的，因此又稱為分解代謝產(chǎn)物阻遏（cataboliterepression）。

乳糖操縱子的降解物阻遏RLacZLacYLacAmRNAmRNAZmRNAYmRNAA基因表達(dá)CRP基因結(jié)構(gòu)基因TCRP(CAP)OCRP結(jié)合部位RNA聚合酶TcAMP-CRPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolitegeneactivationprotein）CRP：環(huán)腺苷酸受體蛋白（cyci