第十四章-細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)節(jié)

第三篇遺傳信息第十一章DNA的復(fù)制和修復(fù)第十三章蛋白質(zhì)的生物合成第十二章RNA的生物合成和加工第十四章細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控第十四章細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)第二節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)第三節(jié)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)第一節(jié)細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)一、糖代謝與脂肪代謝的相互關(guān)系脂肪甘油磷酸二羥丙酮糖代謝脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖

(植物)乙醛酸循環(huán)

-氧化糖異生TCA糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解從頭合成脂肪代謝和糖代謝的關(guān)系延胡索酸琥珀酸蘋(píng)果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)甘油乙酰CoA三酰甘油脂肪酸

氧化

糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羥丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物小結(jié)：糖代謝與脂代謝的相互聯(lián)系1、攝入的糖量超過(guò)能量消耗時(shí)葡萄糖乙酰CoA合成脂肪（脂肪組織）合成糖原儲(chǔ)存（肝、肌肉）2、脂肪的甘油部分能在體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘侵舅嵋阴oA葡萄糖脂肪甘油甘油激酶肝、腎、腸磷酸-甘油葡萄糖3、脂肪的分解代謝受糖代謝的影響?zhàn)囸I、糖供應(yīng)不足或糖代謝障礙時(shí)高酮血癥草酰乙酸相對(duì)不足糖不足脂肪大量動(dòng)員酮體生成增加氧化受阻二、糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互關(guān)系1、糖代謝的中間產(chǎn)物可氨基化生成某些非必需氨基酸糖丙酮酸草酰乙酸乙酰CoA檸檬酸α-酮戊二酸丙氨酸天冬氨酸谷氨酸2、大部分氨基酸脫氨基后，生成相應(yīng)的α-酮酸，可轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。丙氨酸丙酮酸脫氨基糖異生葡萄糖三、脂肪代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互關(guān)系脂肪甘油磷酸二羥丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）——但不能說(shuō)，脂類可轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?。氨基酸可作為合成磷脂的原料絲氨酸磷脂酰絲氨酸膽胺腦磷脂膽堿卵磷脂四、核酸和其他物質(zhì)代謝的相互關(guān)系（一）氨基酸是體內(nèi)合成核酸的重要原料甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺一碳單位合成嘌呤合成嘧啶（二）磷酸核糖和NADPH由磷酸戊糖途徑提供核酸甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺核苷酸ATPGTPCTPUTP雙糖或多糖葡萄糖磷酸戊糖途徑磷酸核糖ADPGGDPGUDPG能量供體蛋白質(zhì)合成磷脂代謝輔助因子信號(hào)分子糖與核酸的互變糖、脂、蛋白質(zhì)、核酸代謝之間的聯(lián)系五、細(xì)胞內(nèi)酶的隔離分布多酶體系在細(xì)胞內(nèi)的分布

酶的隔離分布的意義

——避免了各種代謝途徑互相干擾。第二節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)一、酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)1、變構(gòu)調(diào)節(jié)的概念某些代謝物能與變構(gòu)酶分子上的變構(gòu)部位特異性結(jié)合，使酶的分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變酶的催化活性以及代謝反應(yīng)的速度。被調(diào)節(jié)的酶稱為變構(gòu)酶或別構(gòu)酶(allostericenzyme)使酶發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)，稱為變構(gòu)效應(yīng)劑(allosteric

effector)

?變構(gòu)激活劑

allostericeffector

——引起酶活性增加的變構(gòu)效應(yīng)劑。?變構(gòu)抑制劑

allostericeffector

——引起酶活性降低的變構(gòu)效應(yīng)劑。別構(gòu)激活劑別構(gòu)抑制劑2、變構(gòu)調(diào)節(jié)的機(jī)制變構(gòu)酶催化亞基調(diào)節(jié)亞基變構(gòu)效應(yīng)劑：底物、終產(chǎn)物其他小分子代謝物別構(gòu)激活劑別構(gòu)抑制劑變構(gòu)效應(yīng)劑+酶的調(diào)節(jié)亞基酶的構(gòu)象改變酶的活性改變（激活或抑制）疏松亞基聚合緊密亞基解聚酶分子多聚化別構(gòu)中心活性中心代謝物3、變構(gòu)調(diào)節(jié)的生理意義①

代謝終產(chǎn)物反饋抑制(feedbackinhibition)反應(yīng)途徑中的酶，使代謝物不致生成過(guò)多。乙酰CoA

乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA長(zhǎng)鏈脂酰CoA

②變構(gòu)調(diào)節(jié)使能量得以有效利用，不致浪費(fèi)。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促進(jìn)糖的儲(chǔ)存③變構(gòu)調(diào)節(jié)使不同的代謝途徑相互協(xié)調(diào)。檸檬酸–+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化乙酰輔酶A羧化酶促進(jìn)脂酸的合成二、酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)1、共價(jià)修飾的概念酶蛋白肽鏈上某些殘基在酶的催化下發(fā)生可逆的共價(jià)修飾，從而引起酶活性改變，這種調(diào)節(jié)稱為酶的共價(jià)修飾。2、共價(jià)修飾的主要方式磷酸化---去磷酸乙?；?--脫乙酰甲基化---去甲基腺苷化---脫腺苷SH與–S—S–互變酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白3、共價(jià)修飾的特點(diǎn)①酶蛋白的共價(jià)修飾是可逆的酶促反應(yīng)，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性狀態(tài)可互相轉(zhuǎn)變。②具有放大效應(yīng)，效率較變構(gòu)調(diào)節(jié)高。③磷酸化與脫磷酸是最常見(jiàn)的方式。

同一個(gè)酶可以同時(shí)受變構(gòu)調(diào)節(jié)和化學(xué)修飾調(diào)節(jié)。三、能荷的調(diào)節(jié)能荷==[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]能荷值為0～1。能荷值高，抑制分解代謝。第十四章細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)第二節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)第三節(jié)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)第三節(jié)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)geneexpression一、基因表達(dá)(geneexpression)1、概念：在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物，如tRNA、rRNA等的過(guò)程。2、產(chǎn)物類型：大多數(shù)基因的表達(dá)產(chǎn)物是蛋白質(zhì),部分基因如tRNA和rRNA基因表達(dá)產(chǎn)物是RNA。geneexpression二、基因表達(dá)調(diào)控圍繞基因表達(dá)過(guò)程中發(fā)生的各種各樣的調(diào)節(jié)方式都通稱為基因表達(dá)調(diào)控.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控三、基因表達(dá)的方式組成型基因表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)（誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)）1、組成型基因表達(dá)（constitutiveexpression）1）持家基因(house-keepinggene)某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為持家基因。2）組成型表達(dá)

管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，這種表達(dá)方式為組成型表達(dá)。2、適應(yīng)性表達(dá)

指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。適應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；1）誘導(dǎo)和可誘導(dǎo)基因隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

2）阻遏和可阻遏基因四、原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)1、操縱子（operon）的概念概念：基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。2、操縱子的研究背景JacobandMonod發(fā)現(xiàn)過(guò)程：β-半乳糖苷酶Noβ–galactosidasewasproducedβ–galactosidasewasproducedE.coliGlucoseE.colilactose3、乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制（1）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)1961年，Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)FrancisJacob

JacquesMonod

ThelactoseOperon(乳糖操縱子)lacZ半乳糖苷酶（β-galactosidase

）lacY半乳糖苷透過(guò)酶（lactosepermease

）lacA硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶（thiogalactosidetransacetylase

）O1O2O33個(gè)操縱基因（operator）：O1-主操縱基因O2-假操縱基因O3-假操縱基因ZI（2）乳糖對(duì)乳糖操縱子的表達(dá)的影響1）沒(méi)有乳糖存在時(shí)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因①?zèng)]有乳糖存在時(shí)，lac操縱子不表達(dá)2）有乳糖存在時(shí)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖②有乳糖存在時(shí)，lac操縱子基因表達(dá)失活？ipozyaVerylowleveloflacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozyab-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactoseInactive小結(jié)：（3）葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響（降解物阻遏效應(yīng)）---指當(dāng)G和其它糖類一起作為細(xì)菌的碳源時(shí)G總是優(yōu)先被利用，G的存在阻止了其它糖類的利用的現(xiàn)象。①CRP或CAP對(duì)乳糖操縱子的正性調(diào)節(jié)CRP—cAMPreceptorprotein（cAMP受體蛋白）CAP—Catabolitegeneactivatorproteins(分解產(chǎn)物代謝基因激活蛋白)

課后思考題：×②阻遏蛋白與CAP蛋白的協(xié)同調(diào)節(jié)即需要乳糖存在以滅活阻遏蛋白，又需要G不存在或僅有低濃度，以增加cAMP濃度促進(jìn)與CAP的結(jié)合，此為協(xié)同調(diào)節(jié)。

乳糖異乳糖1、分解代謝基因激活蛋白（CAP）對(duì)乳糖操縱子表達(dá)的影響是（）。正性調(diào)控負(fù)性調(diào)控正/負(fù)性調(diào)控

D.無(wú)調(diào)控作用

E.可有可無(wú)課堂練習(xí)題：2、阻遏蛋白識(shí)別操縱子中的（）。A．啟動(dòng)基因B．結(jié)構(gòu)基因C．操縱基因D．內(nèi)含于E．外顯子3、乳糖操縱子激活的直接誘導(dǎo)劑是（）A．β-半乳糖苷酶B．通透酶C．葡萄糖D．乳糖E．別乳糖4、lac阻遏蛋白由（）？A．Z基因編碼B．Y基因編碼C．A基因編碼D．I基因編碼E．以上都不是5、cAMP與CAP結(jié)合，CAP介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)發(fā)生在A．有葡萄糖及cAMP較高時(shí)B．有葡萄糖及cAMP較低時(shí)C．沒(méi)有葡萄糖及cAMP較高時(shí)D．沒(méi)有葡萄糖及cAMP較低時(shí)E．沒(méi)有葡萄糖及沒(méi)有乳糖時(shí)課后作業(yè)題簡(jiǎn)要回答大腸桿菌乳糖操縱子基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)理？結(jié)構(gòu)特點(diǎn)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控CAP的正性調(diào)控協(xié)同調(diào)節(jié)4、色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制實(shí)驗(yàn)：1.大腸桿菌生長(zhǎng)在無(wú)機(jī)鹽和葡萄糖的培養(yǎng)基上時(shí)，檢測(cè)到細(xì)胞內(nèi)有色氨酸合成酶的存在；2.在上述培養(yǎng)基中加入色氨酸，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，體現(xiàn)了菌生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)原則：不需要就不合成。4.酶合成的阻遏現(xiàn)象。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（1）Trp操縱子的結(jié)構(gòu)trpRtrpPtrpO結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)序列調(diào)控序列衰減子atrpL（2）Trp操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸的阻遏調(diào)控衰減調(diào)控①色氨酸的阻遏調(diào)控當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏色氨酸時(shí)，此操縱子開(kāi)放，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的色氨酸過(guò)多時(shí)，此操縱子被關(guān)閉。trp的阻遏調(diào)控機(jī)制：TrpTrp濃度高時(shí)Trp濃度低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子－阻遏調(diào)節(jié)?②Trp操縱子的衰減調(diào)控機(jī)制在操縱區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以終止轉(zhuǎn)錄作用的核苷酸序列，當(dāng)操縱子被阻遏時(shí)，RNA合成被終止，這段核苷酸起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用.弱化子或衰減子的概念：調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列

衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子調(diào)節(jié)機(jī)制（精細(xì)調(diào)節(jié)）UUUU……前導(dǎo)mRNA1234核糖體

trp密碼子

起調(diào)節(jié)作用的是色氨酰-tRNA的濃度色氨酸濃度高時(shí)色氨酸濃度低時(shí)前導(dǎo)mRNA色氨酸濃度低時(shí)色氨酸濃度高時(shí)沒(méi)有蛋白質(zhì)合成時(shí)衰減子具有什么生物學(xué)意義？？可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)分解代謝的操縱子，同時(shí)受cAMP-CAP的活性調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)合成代謝的操縱子特殊代謝物調(diào)節(jié)基因活性的類型小結(jié)：課堂練習(xí)題：1、Trp是一種調(diào)節(jié)分子，被認(rèn)為是trp操縱子中

，活化無(wú)活性的

。trp操縱子受

系統(tǒng)和

系統(tǒng)的調(diào)控。2、操縱子一般由

、

、

基因和

基因組成。五、真核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(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)（一）真核生物在DNA水平的調(diào)控1、具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)有獨(dú)特結(jié)構(gòu)按功能狀態(tài)的不同可將染色質(zhì)分為活性染色質(zhì)和非活性染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)－具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)；非活性染色質(zhì)－沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)?；钚匀旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上：活性染色質(zhì)上具有DNaseI超敏感位點(diǎn).活性染色質(zhì)趨向于去甲基化.2、染色質(zhì)的乙?；秃诵◇w置換染色體中組蛋白的