細胞代謝與基因表達調控

關于細胞代謝與基因表達調控第一節(jié)細胞代謝的調節(jié)網(wǎng)絡

1、糖代謝與脂類代謝的相互關系2、糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系3、脂類代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系4、核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系一、代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天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第3頁,共40頁，2024年2月25日，星期天脂肪代謝和糖代謝的關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第4頁,共40頁，2024年2月25日，星期天糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白質

NH3蛋白質氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天脂類代謝與蛋白質代謝的相互聯(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蛋白質氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）第6頁,共40頁，2024年2月25日，星期天核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系

核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。

核酸是細胞內(nèi)重要的遺傳物質，控制著蛋白質的合成，影響細胞的成分和代謝類型

核酸生物合成需要糖和蛋白質的代謝中間產(chǎn)物參加，而且需要酶和多種蛋白質因子。

各類物質代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，如ATP是能量的“通貨”，此外UTP參與多糖的合成，CTP參與磷脂合成，GTP參與蛋白質合成與糖異生作用。第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天糖類脂類氨基酸和核苷酸之間的代謝聯(lián)系PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸絲氨酰蘇氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸異亮氨酸甲硫酰氨蘇氨酸纈氨酸琥珀酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單酰CoA1-磷酸葡萄糖第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1、細胞的能量狀態(tài)決定代謝的方向二、分解代謝和合成代謝的單向性

2、關鍵的調控步驟決定代謝的方向第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天一、代謝調節(jié)的概念第二節(jié)酶活性調節(jié)二、酶水平的調節(jié)第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天代謝調節(jié)

生命是靠代謝的正常運轉維持的。生命有限的空間內(nèi)同時有那麼多復雜的代謝途徑在運轉，必須有靈巧而嚴密的調節(jié)機制，才能使代謝適應外界環(huán)境的變化與生物自身生長發(fā)育的需要。調節(jié)失靈便會導致代謝障礙，出現(xiàn)病態(tài)甚至危及生命。在漫長的生物進化歷程中，機體的結構、代謝和生理功能越來越復雜，代謝調節(jié)機制也隨之更為復雜。代謝調節(jié)的四級水平：酶水平調節(jié)細胞水平調節(jié)激素水平調節(jié)神經(jīng)水平調節(jié)多細胞整體水平調節(jié)第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天（一）、酶活性的調節(jié)

（二）、酶含量的調節(jié)二、酶水平的調節(jié)第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1、酶促反應的前饋和反饋（1）、反饋活化（2）、反饋抑制

一種運動效果對于這種運動的影響年就是反饋（feedback）。在酶促反應中的產(chǎn)物或最終產(chǎn)物都能影響變構酶的活性，以此來調節(jié)代謝的進行，若促進活化的為正反饋，反之為負反饋。酶促反應的前饋和反饋，以下重點介紹反饋第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

由代謝產(chǎn)物作為變構劑來活化在此產(chǎn)物合成過程中某一酶（通常為限速酶）活性的作用，稱為反饋活化。反饋活化第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

由代謝產(chǎn)物作為變構劑來抑制在此產(chǎn)物合成過程中某一酶（通常為限速酶）活性的作用，稱為反饋抑制。這是一種反饋機制，多數(shù)情況下控制合成代謝。反饋抑制第15頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2、、變構調節(jié)（別構調節(jié)）（1）變構酶和變構調節(jié)作用有些酶分子除了具有活性中心（結合部位和催化部位）外，還存在一個特殊的調控部位，即變構中心。變構中心雖然不是酶活性中心的組成部分，但它可以與某些化合物（稱為變構劑）發(fā)生非共價結合，引起酶分子構象的改變，對酶起到激活或抑制的作用。這類酶通常稱為變構酶，由于變構劑與變構中心的結合而引起酶活性改變的現(xiàn)象則稱為變構調節(jié)作用。第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天目前已知的變構酶均為寡聚酶，含兩個或兩個以上的亞基，一般分子量較大，而且具有復雜的空間結構。大多數(shù)由變構酶催化的反應不遵守米氏方程，由變構劑所引起的抑制作用也不服從典型的競爭性或非競爭性抑制作用的數(shù)量關系。第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天代謝物別構中心活性中心第19頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

酶分子中的某些基團，在其它酶的催化下，可以共價結合或脫去，引起酶分子構象的改變，使其活性得到調節(jié)，這種方式稱為酶的共價修飾（Covalentmoldification

）。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?；?去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷?；?，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/還原(2SH)。3、共價修飾

第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天共價調節(jié)酶有如下兩個特點：（1）被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無催化活性）。正反兩個方向的互變均發(fā)生共價修飾反應，并且都將引起酶活性的變化。激酶ATPADP磷酸化酶（無活性）磷酸化酶P（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共價修飾第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天（2）共價修飾調節(jié)作用可以產(chǎn)生酶的連續(xù)激活現(xiàn)象，所以具有信號放大效應。例如腎上腺素引起糖原分解過程中的一系列磷酸化激活步驟，其結果將激素的信號被逐級放大了約300萬倍。第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天酶級聯(lián)系統(tǒng)調控示意圖意義：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第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1、酶蛋白生物合成的誘導和阻遏2、色氨酸衰減作用第24頁,共40頁，2024年2月25日，星期天（1）、酶的誘導生成作用——某種物質（誘導物）能促進細胞內(nèi)酶的生成。如大腸桿菌中β—半乳糖苷酶的合成。（2）酶的阻遏生成作用——某種物質（阻遏物）能阻止細胞內(nèi)酶的生成。如大腸桿菌中色氨酸酶的合成。第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌培養(yǎng)過程中如果缺少乳糖，細胞中就不含任何可以代謝乳糖的酶。但是在培養(yǎng)基中加入乳糖后，大腸桿菌就能在幾分鐘內(nèi)合成出與乳糖水解有關的酶，使之能利用這種營養(yǎng)物質。在此過程中，乳糖起著誘導物作用。由乳糖誘導產(chǎn)生的與乳糖水解相關的三種酶：

-半乳糖苷酶，

-半乳糖苷透性酶和

-半乳糖苷轉乙酰酶，被稱為誘導酶。這三個酶蛋白是大腸桿菌DNA上的三個結構基因經(jīng)過轉錄和翻譯而合成的。第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天a、操縱子——基因表達的協(xié)同單位操縱子結構基因（編碼蛋白質，S）控制部位操縱基因（operator,O）啟動子（premotor,P）b、大腸桿菌中β—半乳糖苷酶合成的機制原核生物酶合成調節(jié)的遺傳機制

操縱子學說

第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

大

腸

桿

菌

中

β

半

乳

苷

酶

的

形

成

調節(jié)基因操縱基因乳糖結構基因PLacZLacYLacamRNA

阻遏蛋白（有活性）基因關閉啟動子ORPLacZLacYLaca調節(jié)基因操縱基因乳糖結構基因啟動子ORmRNAZmRNAYmRNAa

阻遏蛋白（無活性）基因表達mRNAA.有活性阻遏蛋白

B.有活性阻遏蛋白加誘導劑

乳糖

阻遏蛋白（有活性）第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天色氨酸操縱子（trpoperon）屬于阻遏型操縱子，主要參與調控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。當細胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當細胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。

第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天色氨酸操縱子的調控機制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結合而阻遏轉錄。而當色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結合而使基因轉錄關閉。第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天酶的阻遏合成機制A.無活性阻遏蛋白B.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑阻遏蛋白不能跟操縱基因結合,結構基因可以表達阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結構基因不表達代謝產(chǎn)物第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

色氨酸操縱子的調控還涉及轉錄衰減(attenuation)機制。即在色氨酸操縱子第一個結構基因與啟動基因之間存在有一衰減區(qū)域，當細胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時，通過與轉錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個衰減子結構，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導致轉錄終止。第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)細胞結構對代謝途徑的分隔控制

細胞膜控制細胞與環(huán)境之間的物質、能量和信息交換；核膜將細胞分為細胞核和細胞質兩部分，細胞核貯存遺傳信息，進行基因復制、轉錄和轉錄后的加工；胞液是細胞質的連續(xù)水相部分，糖酵解、糖原異生、磷酸葡萄糖途徑，及糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸的生物合成主要在胞液中進行，胞液中懸浮著細胞器和細胞骨架；粗面內(nèi)質網(wǎng)合成分泌性蛋白質，光面內(nèi)質網(wǎng)合成磷脂、糖脂、膽固醇，蛋白質的糖基化在內(nèi)質網(wǎng)膜的內(nèi)側進行，通過運輸泡與靶細胞器的膜融合后轉向膜的外側；高爾基體參與細胞合成物和吸收物的加工、濃縮、包裝、運輸；溶酶體分解細胞的吞噬物和老化的細胞內(nèi)容物；線粒體中進行檸檬酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、氧化磷酸化等產(chǎn)能反應。第34頁,共40頁，2024年2月25日，星期天酶定位的區(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: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)質網(wǎng):蛋白質合成;磷脂合成第35頁