細(xì)胞代謝和基因表達(dá)的調(diào)控精

1、第十六章細(xì)胞代謝和基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝。細(xì)胞代謝是一個(gè)完整統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，并且存在 復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制，這些調(diào)節(jié)機(jī)制都是在基因表達(dá)產(chǎn)物（蛋白質(zhì)或RNA ）的作用下進(jìn)行的。重點(diǎn)：物質(zhì)代謝途徑的相互聯(lián)系，酶活性的調(diào)節(jié)。第一節(jié)物質(zhì)代謝途徑的相互聯(lián)系細(xì)胞代謝的基本原則是將各類物質(zhì)分別納入各自的共同代謝途徑，以少數(shù)種類的 反應(yīng)轉(zhuǎn)化種類繁多的分子。不同代謝途徑可以通過交叉點(diǎn)上關(guān)鍵的中間物而相互 轉(zhuǎn)化，其中三個(gè)關(guān)鍵的中間物是 G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。一、糖代謝與脂代謝的聯(lián)系1、糖轉(zhuǎn)變成脂圖糖經(jīng)過酵解，生成磷酸二羥丙酮及丙酮酸。磷酸二羥丙酮還原為甘油，丙酮酸氧 化脫羧轉(zhuǎn)變成乙酰CoA，

2、合成脂肪酸。2、脂轉(zhuǎn)變成糖圖甘油經(jīng)磷酸化為3-磷酸甘油，轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岫u丙酮，異生為糖。在植物、細(xì)菌中，脂肪酸轉(zhuǎn)化成乙酰 CoA，后者經(jīng)乙醛酸循環(huán)生成琥珀酸，進(jìn)入 TCA，由草酰乙酸脫羧生成丙酮酸，生糖。動(dòng)物體內(nèi)，無乙醛酸循環(huán)，乙酰 CoA進(jìn)入TCA氧化，生成C02和H20。 脂肪酸在動(dòng)物體內(nèi)也可以轉(zhuǎn)變成糖，但此時(shí)必需要有其他來源的物質(zhì)補(bǔ)充TCA中消耗的有機(jī)酸（草酰乙酸）。糖利用受阻，依靠脂類物質(zhì)供能量，脂肪動(dòng)員，在肝中產(chǎn)生大量酮體（丙酮、乙 酰乙酸、3羥基丁酸）。二、糖代謝與氨基酸代謝的關(guān)系1、糖的分解代謝為氨基酸合成提供碳架圖糖丙酮酸a酮戊二酸+草酰乙酸這三種酮酸，經(jīng)過轉(zhuǎn)氨作用分別生成 Al

3、a、Glu和Asp。12、生糖氨基酸的碳架可以轉(zhuǎn)變成糖凡是能生成丙酮酸、a酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a,稱為生糖aaPhe Tyr、Ilr、Lys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，從而生成酮體。Phe Tyr等生糖及生酮。三、氨基酸代謝與脂代謝的關(guān)系氨基酸的碳架都可以最終轉(zhuǎn)變成乙酰 CoA，可以用于脂肪酸和膽甾醇的合成。 生糖a.a的碳架可以轉(zhuǎn)變成甘油。Ser可以轉(zhuǎn)變成膽胺和膽堿，合成腦磷脂和卵磷脂。動(dòng)物體內(nèi)脂肪酸的降解產(chǎn)物乙酰 CoA，不能為a.a合成提供凈碳架。脂類分子中的甘油可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，?jīng) TCA進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜?、a酮戊 二酸，這三者都可以轉(zhuǎn)變成氨基酸。四、核苷酸代謝與糖、

4、脂、氨基酸的關(guān)系 核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。各種氨基酸，如Gly、Asp、Gin是核苷酸的合成前體。有些核苷酸在物質(zhì)代謝中也有重要作用：ATP供能及磷酸基團(tuán)。UTP參與單糖轉(zhuǎn)變成多糖(活化單糖)。CTP參與卵磷脂合成。GTP為蛋白質(zhì)合成供能。五、物質(zhì)代謝的特點(diǎn)1、TCA是中心環(huán)節(jié)代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡(luò)，主要聯(lián)系物：丙酮酸、乙酰CoA、檸檬酸、a酮戊二酸、草酰乙酸。2、分解、合成途徑往往是分開的，不是簡單的逆反應(yīng)。在一條代謝途徑中，某些關(guān)鍵部位的正反應(yīng)和逆反應(yīng)，往往由兩種不同的酶催 化，一種酶催化正反應(yīng)，另一種酶催化逆反應(yīng)。以糖代謝為例：P42123、ATP是通用的能量載體乙酰CoA進(jìn)入T

5、CA后，完全氧化生成C02、H20，釋放的自由能被ADP捕獲轉(zhuǎn) 運(yùn)。否則，自由能以熱能形式散發(fā)到周圍環(huán)境中。4、分解為合成提供還原力和能量物質(zhì)代謝的基本要略在于：生成 ATP、還原力和結(jié)構(gòu)單元用于體內(nèi)生物合成。 NADPH專一用于還原性生物合成，NADH和FADH2主要功能是通過呼吸鏈產(chǎn) 生 ATP。ATP來源：(1)底物水平磷酸化、(2)綠色植物和光合細(xì)菌的光合磷酸化、(3)呼吸鏈的氧化磷酸化。 NADPH來源：(1) 植物光合電子傳遞鏈(2) 磷酸戊糖途徑（3）乙酰CoA由線粒體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)時(shí)伴隨有 NADH的氧化和NADP+的還 原，所產(chǎn)生的NADPH可用于脂肪酸合成P422圖22-4

6、有機(jī)物分解產(chǎn)生構(gòu)造草料和能量大致可以分三個(gè)階段：P423圖22-5（1）將大分子分解為小分子單元，釋放的能量不能被利用。（2） 將各種小分子單元分解為共同的降解產(chǎn)物乙酰CoA，產(chǎn)生還原力NADPH 和少量ATP。（3）乙酰CoA通過TCA被完全氧化成CO2,脫下的電子經(jīng)氧化磷酸化產(chǎn)生大 量的ATP。5、分解、合成受不同方式調(diào)節(jié)單向代謝的反饋調(diào)節(jié)順序反饋控分枝代謝的反饋調(diào)節(jié)對(duì)同工酶的反饋抑制協(xié)同反饋抑制第二節(jié)代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)是生物長期進(jìn)化過程中，為適應(yīng)環(huán)境的變化的而形成的一種適應(yīng)能力。 進(jìn)化程度越高的生物，其代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制越復(fù)雜、越完善。生物代謝調(diào)節(jié)在三個(gè)水平上進(jìn)行，即酶水平、細(xì)胞水平、多細(xì)胞整

7、體水平（神 經(jīng)、激素）。酶和細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)，是最基本的調(diào)節(jié)方式，為一切生物所共有。3 神經(jīng)調(diào)節(jié)：整體的、最高級(jí)的調(diào)節(jié)。 激素調(diào)節(jié)：受神經(jīng)調(diào)節(jié)控制。第二級(jí)調(diào)節(jié)。 酶調(diào)節(jié)：原始的、基本的調(diào)節(jié)。第三級(jí)調(diào)節(jié)。酶水平的調(diào)節(jié)：酶活性調(diào)節(jié)（酶原激活、別構(gòu)效應(yīng)、共價(jià)修飾）和酶含量（基因 表達(dá)調(diào)控）一、酶水平的調(diào)節(jié)酶水平的調(diào)節(jié)，主要通過酶定位的區(qū)域化、酶活性的調(diào)節(jié)、酶含量的調(diào)節(jié)，這三 個(gè)方面進(jìn)行。1、酶定位的區(qū)域化酶在細(xì)胞內(nèi)有一定的布局和定位。催化不同代謝途徑的酶類，往往分別組成各種 多酶體系。多酶體系存在于一定的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)域中，或存在于胞質(zhì)中，這種現(xiàn) 象稱為酶的區(qū)域化。功能：濃縮效應(yīng)，防止干擾，便于調(diào)節(jié)。多

8、酶體系在細(xì)胞中區(qū)域化，為酶水平的調(diào)節(jié)創(chuàng)造了有利條件，使某些調(diào)節(jié)因素可以專一地影響細(xì)胞內(nèi)某一部分的酶活性，而不致影響其它部位酶的活性。此外，酶定位的區(qū)域化，使它與底物和輔助在細(xì)胞器內(nèi)一起相對(duì)濃縮，利于在 細(xì)胞局部范圍內(nèi)快速進(jìn)行各個(gè)代謝反應(yīng)。主要代謝途徑酶系在細(xì)胞內(nèi)的分布：胞質(zhì)：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途徑，脂肪酸合成，部分蛋白質(zhì)合成 線粒體：脂肪酸B氧化，三羧酸循環(huán)，呼吸鏈，氧化磷酸化。細(xì)胞核：核酸的合成、修飾。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：蛋白質(zhì)合成，磷脂合成。胞質(zhì)和線粒體：糖異生，膽固醇合成溶酶體：多種水解酶2、酶活性的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式：酶原的激活pH改變，如溶菌酶。pH7，無活性。pH5，活性高。4神經(jīng)水平調(diào)V激

9、索水¥調(diào)節(jié)動(dòng) 物細(xì)胞水平調(diào)巧酶水半調(diào)卄單細(xì)胞牛.物植物同工酶共價(jià)修飾反饋調(diào)節(jié)(生物體內(nèi)最重要)特點(diǎn)：調(diào)節(jié)快速、靈敏，數(shù)秒至數(shù)分鐘可完成。(1) 、共價(jià)修飾和級(jí)聯(lián)放大P430圖22-14磷酸化/脫磷酸化腺苷酰化/脫腺苷?；?2) 、前饋和反饋調(diào)節(jié)前饋調(diào)節(jié)：底物對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)，一般是前饋激活，但也可能是前饋抑制。當(dāng)?shù)?物濃度過高時(shí)可避免該代謝途徑的過分擁擠和產(chǎn)物的大量合成，如高濃度的乙酰 CoA是乙酰CoA羧化酶的別構(gòu)抑制劑，可避免丙二酸單酰 CoA大量合成。 反饋調(diào)節(jié)：產(chǎn)物對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)，一般是反饋抑制，但也有反饋激活。a反饋抑制單價(jià)反饋抑制多價(jià)反饋抑制當(dāng)序列終產(chǎn)物濃度積累過多時(shí)，會(huì)抑

10、制初始反應(yīng)的酶活性，使整個(gè)體系反應(yīng)速度 降低。b. 順序反饋抑制c. 協(xié)同反饋抑制d. 累積反饋抑制e. 同工酶反饋抑制f. 反饋激活和前饋激活（3）、反饋激活：（4）、前饋激活：如在糖酵解中，1.6二磷酸果糖，可提高后面丙酮酸激酶的活性，加速磷酸烯醇 式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷?如當(dāng)丙酮酸不能經(jīng)乙酰CoA進(jìn)入TCA時(shí)，丙酮酸積 累，磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化成草酰乙酸，后者可合成a.a和嘧啶核苷酸。合成出的嘧啶核苷酸，反饋激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，促進(jìn)草酰乙酸合成，保證TCA對(duì)草酰乙酸的需要。3、酶合成的調(diào)節(jié)（基因表達(dá)的調(diào)節(jié)）酶合成調(diào)節(jié)，是通過酶量的變化來調(diào)控代謝速率。二、細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)（1）控制跨膜

11、離子濃度剃度和電位梯度（2）控制跨膜物質(zhì)運(yùn)輸（3）區(qū)隔化：濃縮作用，防止干擾，便于調(diào)節(jié)（4）膜與酶可逆結(jié)合：5雙關(guān)酶：能與膜可逆結(jié)合，通過膜結(jié)合型和可溶型的互變來調(diào)節(jié)酶的活性。雙關(guān) 酶大多是代謝途徑的關(guān)鍵酶和調(diào)節(jié)酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶， 醛縮酶，3-磷酸甘油醛脫氫酶，氨基酸代謝的 Glu脫氫酶，Tyr氧化酶：參與共 價(jià)修飾的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。三、激素水平的調(diào)節(jié)第三節(jié)基因表達(dá)有幾個(gè)水平的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平翻澤水平加工水平轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯后加工蛋白質(zhì)活性調(diào)節(jié)其中最關(guān)鍵的是，基因表達(dá)的控制主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，原核生物尤其如此。時(shí)序調(diào)節(jié)適應(yīng)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)一、原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

12、1、縱子模型操縱子是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，它含有在功能上彼此有關(guān)的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因及控制 位，控制部位由啟動(dòng)子和操縱基因組成。一個(gè)操縱子的全部基因排列在一起，其中含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是單個(gè)多順 反mRNA，操縱子的控制部位可受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。2、組成型基因和誘導(dǎo)型基因組成酶（構(gòu)成酶），受環(huán)境影響小，正常代謝條件下表達(dá)。如糖酵解的酶。 誘導(dǎo)酶（適應(yīng)型酶），對(duì)不同的生存環(huán)境有不同的表達(dá)。如半乳糖苷酶。3、正調(diào)控和負(fù)調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)，基因是關(guān)閉的，加入調(diào)節(jié)蛋白后，基因活性被開啟， 此為正調(diào)控。在沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)，基因是表達(dá)的，加入調(diào)節(jié)蛋白后基因表達(dá)活必被關(guān)閉， 此為負(fù)調(diào)控。在正調(diào)控中，

13、調(diào)節(jié)蛋白稱誘導(dǎo)蛋白。在負(fù)調(diào)控中，調(diào)節(jié)蛋白稱阻遇蛋白。4、原核生物結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的4種控制模式。 負(fù)調(diào)控：誘導(dǎo)作用，應(yīng)使阻遇蛋白解離 DNA。6阻遇作用，應(yīng)使阻遇蛋白結(jié)合 DNA。P451 圖 22-25正調(diào)控：誘導(dǎo)作用，應(yīng)使誘導(dǎo)蛋白結(jié)合 DNA。阻遇作用，應(yīng)使誘導(dǎo)蛋白解離 DNA。圖片9-1楊歧生P2725、大腸桿菌乳糖操縱子Lac操縱子結(jié)構(gòu)圖：P453圖22-26LacZ、LacY、LacA為結(jié)構(gòu)基因，上游依次為操縱基因、啟動(dòng)子和調(diào)節(jié)基因Lacl。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)無誘導(dǎo)物（乳糖或IPTG）存在時(shí)，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合。由于操 縱基因與啟動(dòng)子有一定程度重疊，妨礙了RNA聚合酶在-10序列上形成開放性啟

14、動(dòng)子復(fù)合物。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)有誘導(dǎo)物（乳糖或IPTG）存在時(shí)，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，改變阻遏 蛋白構(gòu)象，使之迅速從操縱基因上解離下來。這樣RNA聚合酶就能與啟動(dòng)子結(jié)合，并形成開放性啟動(dòng)子復(fù)合物，從而開始轉(zhuǎn)錄LacZYA結(jié)構(gòu)基因。圖片8-3孫乃恩P 285IPTG :異丙基-0D硫代半乳糖苷（安慰誘導(dǎo)物），能對(duì)乳糖操縱子產(chǎn)生極強(qiáng)的誘 導(dǎo)效應(yīng)，是強(qiáng)誘導(dǎo)物。6、色氨酸操縱子（trp）的轉(zhuǎn)錄調(diào)控trp操縱子負(fù)責(zé)Trp的合成，通常是開放的，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物使它關(guān)閉，這種調(diào)控 作用稱為可阻遏型的負(fù)調(diào)控。E.coli trp操縱子有5個(gè)結(jié)構(gòu)基因，trpE-D-C-B-A。在trpE的上游有三個(gè)區(qū)段trpP-O-L，t

15、rpL是一段162bp序列，轉(zhuǎn)錄到 mRNA 中成為前導(dǎo)序列，對(duì)操縱子的轉(zhuǎn)錄起調(diào)控作用。在染色體90分區(qū)有trpR基因，編碼12.5kd的阻遏蛋白亞基，能以四聚體形式結(jié) 合到trpO。TrpP與一般原核基因啟動(dòng)子一樣，具有-10序列和-35序列，-10序列完全位于 trpP之內(nèi)。E.coli trp操縱子的組成及基因產(chǎn)物的功能。圖片：E.coli具有合成各種a.a的能力。在多數(shù)情況下，只有在培養(yǎng)基不供應(yīng)外源a.a時(shí)，才去合成產(chǎn)生該a.a所必須的酶系。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Trp濃度較高時(shí)，Trp與阻遏蛋白（trpR基因產(chǎn)物）結(jié)合，產(chǎn)使它具有 活性，從而與trpO基因結(jié)合，關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Trp濃度很低時(shí)，

16、阻遏遇蛋白上的 Trp解離出來，使阻遏蛋白失活，并 失去與trpO結(jié)合的能力，開啟轉(zhuǎn)錄。圖片：77、trp操縱子的前導(dǎo)序列trp mRNA分子一旦開始合成，在trpE基因開始轉(zhuǎn)錄之前，大多數(shù) mRNA會(huì)停止 生長，這是因?yàn)榍皩?dǎo)序列（trpL）對(duì)操縱子調(diào)控發(fā)揮了重要作用。trp mRNA的前導(dǎo)序列及前導(dǎo)肽。結(jié)構(gòu)基因上游具有：啟動(dòng)子一操縱基因一前導(dǎo)序列一衰減子區(qū)。mRNA 5，端有162b,其中139個(gè)構(gòu)成前導(dǎo)序列。前導(dǎo)序列由14個(gè)a.a的前導(dǎo) 肽、4個(gè)互補(bǔ)區(qū)段和1個(gè)衰減子終止點(diǎn)構(gòu)成。衰減子：位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止信號(hào)。前導(dǎo)序列的特點(diǎn)：前導(dǎo)序列的某些區(qū)段富含 GC。尾部有一個(gè)含8個(gè)U的區(qū)段，易極成不依賴于 P的終止信號(hào)。（3區(qū)與4區(qū)構(gòu)成終止信號(hào)的發(fā)夾結(jié)構(gòu)）31區(qū)和2區(qū)構(gòu)成第二個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其中1區(qū)處于14個(gè)a.a的前導(dǎo)肽序列中