細胞代謝與基因表達調(diào)控課件

重點：①代謝途徑的相互作用②酶活性的調(diào)節(jié)③真核生物與原核生物基因的表達調(diào)控難點：基因表達調(diào)節(jié)的水平與差異。第十五章物質(zhì)代謝的聯(lián)系及其調(diào)節(jié)第一節(jié)細胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)一、代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡(luò)二、分解代謝和合成代謝的單向性三、ATP是通用的能量載體四、NADPH以還原力形式攜帶能量五、代謝的基本要略糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系糖乙酰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糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白質(zhì)

NH3蛋白質(zhì)氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)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）脂肪代謝和糖代謝的關(guān)系延胡索酸琥珀酸蘋果酸草酰乙酸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ATP攜帶能量由能源傳遞給細胞的需能過程ATPADP+Pi太陽能化學能生物合成細胞運動膜運輸通過NADPH循環(huán)將還原力由分解代謝轉(zhuǎn)移給生物合成反應(yīng)NADPH+H+NADP+分解代謝還原性有機物還原性生物合成反應(yīng)氧化物還原性生物合成產(chǎn)物氧化前體6×葡萄糖-6-磷酸6×6-磷酸-葡萄糖酸δ內(nèi)酯6×6-磷酸-葡萄糖酸6×5-磷酸-核酮糖NADPHNADPHCO22×5-磷酸-核糖2×5-磷酸-木酮糖2×3-磷酸甘油醛2×7-磷酸景天庚酮糖2×果糖-6-磷酸2×4-磷酸赤蘚糖2×果糖-6-磷酸2×3-磷酸甘油醛果糖-1.6-二磷酸果糖-6-磷酸H2OPiH2O2×5-磷酸-木酮糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰COA丙酮酸草酰乙酸＋檸檬酸檸檬酸乙酰COA草酰乙酸蘋果酸丙酮酸檸檬酸合酶丙酮酸羧化酶NADPNADPH+CO2蘋果酸酶NADNADHCO2ATPATP檸檬酸裂解酶ADP+PiATP+HSCOA胞液線粒體乙酰CoA的轉(zhuǎn)運（檸檬酸－丙酮酸循環(huán)）

代謝的基本要略

代謝的基本要略在于形成ATP、還原力和構(gòu)造單元以用于生物合成。由ATP、還原力和構(gòu)造單元可合成各類生物分子，并進而裝配成生物不同層次的結(jié)構(gòu)。生物合成和生物形態(tài)建成是一個耗能和增加有序結(jié)構(gòu)的過程，需要由物質(zhì)流、能量流和信息流來支持。脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi共同降解物代謝終產(chǎn)物構(gòu)造單元NADPH一、酶活性的調(diào)節(jié)二、細胞對代謝途徑的分隔與控制第二節(jié)代謝調(diào)節(jié)一、酶活性的調(diào)節(jié)最基本的代謝調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)酶含量調(diào)節(jié)變構(gòu)效應(yīng)（別構(gòu)）共價修飾基因表達調(diào)控酶的激活與抑制酶的誘導與阻遏酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié)底物和代謝產(chǎn)物對代謝過程的調(diào)節(jié)作用。其調(diào)節(jié)機理是通過酶的變構(gòu)效應(yīng)來實現(xiàn)的。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反饋前饋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(yīng)的調(diào)節(jié)控制產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)的調(diào)節(jié)能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP][ATP][Pi][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

丙酮酸激酶+++---++----

己糖激酶

丙酮酸脫氫酶

檸檬酸合成酶-酮戊二酸

脫氫酶

酶分子中的某些基團，在其它酶的催化下，可以共價結(jié)合或脫去，引起酶分子構(gòu)象的改變，使其活性得到調(diào)節(jié)，這種方式稱為酶的共價修飾（Covalentmoldification）。共價修飾激酶ATPADP磷酸化酶b（無活性）磷酸化酶aP（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共價修飾目前已知有六種修飾方式：磷酸化/去磷酸化，乙?；?去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷?；蜍挣；?去尿苷?；谆?去甲基化，氧化（S-S）/還原(2SH)。酶級聯(lián)系統(tǒng)調(diào)控示意圖腎上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸環(huán)化酶（無活性）腺苷酸環(huán)化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（無活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（無活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（無活性）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ATPADPATPADP456酶定位的區(qū)域化線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);

-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化細胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;細胞核:核酸合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成細胞膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(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

膜與酶的可逆結(jié)合動物細胞結(jié)構(gòu)和代謝途徑一、原核生物基因表達的調(diào)節(jié)二、真核生物基因表達的調(diào)控第三節(jié)基因表達的調(diào)控1、基因表達的時間性及空間性（1）時間特異性某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生（2）空間特異性在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)2、基因表達的方式按對刺激的反應(yīng)可分為：（1）組成性表達管家基因（housekeepinggene）--在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。此類基因只受啟動子序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其他機制的調(diào)節(jié)（2）誘導和阻遏表達誘導（induction）--可誘導基因在特定環(huán)境信號刺激下表達增強的過程。DNA損傷→修復酶基因激活乳糖→利用乳糖的三種酶表達阻遏（repression）--可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程色氨酸—色氨酸合成酶系

操縱子——原核基因表達的協(xié)同單位操縱子結(jié)構(gòu)基因（編碼蛋白質(zhì)，S）控制部位操縱基因（operator,O）啟動子（premotor,P）原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制

操縱子學說PS1S2S3啟動子OPromoter調(diào)控序列結(jié)構(gòu)基因操縱子（operon）

結(jié)合RNA聚合酶表達功能蛋白?操縱子（operon）:原核生物的轉(zhuǎn)錄單位操縱基因Operator酶的誘導和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調(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)基因不表達誘導物誘導物與阻遏蛋白結(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)基因可以表達阻遏蛋白(無活性)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)基因不表達代謝產(chǎn)物衰減（attenuation）：主要涉及與氨基酸合成有關(guān)的操縱基因。色氨酸操縱基因啟動子下游有一段引導順序（50-60bp有2個色氨酸密碼子），終止信號位于100-140bp之間，可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，但取決于聚合酶與核糖體之間的相對位置。真核生物基因表達調(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)核細胞質(zhì)

真核基因表達調(diào)控的五個水平

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)錄轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控最重要順式作用元件反式作用因子轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控（1）順式作用元件影響自身基因表達活性的DNA序列非編碼序列分啟動子、增強子、沉默子啟動子TATA盒，-25bp上游啟動子元件(upstreampromotorelements,UPE)，CAAT盒，-75bp；GC序列等增強子：遠離轉(zhuǎn)錄起始點（1~30kb），增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性DNA序列，與方向、距離無關(guān)沉默子：負性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用順式作用元件增強子