生物化學第十二章細胞代謝和基因表達調節(jié)

生物化學第十二章細胞代謝和基因表達調節(jié)第1頁/共31頁一、代謝途徑交叉形成網絡第一節(jié)細胞代謝的調節(jié)網絡細胞代謝調節(jié)的總原則和方略第2頁/共31頁糖、脂、蛋白質、核酸代謝之間的聯(lián)系P624第3頁/共31頁糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)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第4頁/共31頁糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系糖→→α-酮酸非必需氨基酸蛋白質

NH3蛋白質氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）節(jié)首氨基化第5頁/共31頁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氨基酸碳架非必需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）節(jié)首TCA第6頁/共31頁核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系3.核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。1.核酸是細胞內重要的遺傳物質，控制著蛋白質的合成，影響細胞的成分和代謝類型2.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。節(jié)首4.核苷酸的生物合成需要糖代謝提供磷酸核糖，蛋白質代謝提供氨基酸。5.核酸生物合成需要糖和蛋白質的代謝中間產物參加，而且需要酶和多種蛋白質因子。第7頁/共31頁二、分解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

用于還原性生物合成

五、代謝的要略

形成ATP、NADPH和結構單元用于生物合成

節(jié)首第8頁/共31頁下一頁一、細胞水平的代謝調節(jié)二、激素水平的代謝調節(jié)三、神經水平的代謝調節(jié)第二節(jié)代謝調節(jié)代謝調節(jié)可在多個水平進行，如底物水平、酶水平等。第9頁/共31頁一、細胞水平的代謝調節(jié)（一）代謝途徑的區(qū)域化——分隔與控制細胞具有精細結構，真核細胞具有膜包圍的細胞器。因此代謝途徑的有關酶類，常常組成酶系，分布于細胞的某一區(qū)域或亞細胞結構。

1.控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度；

2.控制物質運輸3.膜與酶可逆結合——雙關酶（HK，PFK等）P630第10頁/共31頁酶或酶系所在區(qū)域酶或酶系所在區(qū)域糖酵解酶系TCA酶系磷酸戊糖途徑酶系脂肪酸β氧化酶系脂肪酸合成酶系尿素合成酶系胞漿線粒體胞漿線粒體胞漿線粒體和胞漿蛋白質合成酶系DNA聚合酶RNA聚合酶水解酶類粗面內質網細胞核細胞核溶酶體真核細胞內某些酶的區(qū)域化分布節(jié)首P631第11頁/共31頁（二）酶活性的調節(jié)1.別構調節(jié)——抑制或激活2.酶原激活3.酶的共價修飾調節(jié)節(jié)首（三）酶量的調節(jié)1、酶生物合成的誘導和阻遏（原核生物目前研究較深入）操縱子學說2、酶的降解P626第12頁/共31頁二、激素水平的代謝調節(jié)激素的分類1、氨基酸及其衍生物類激素：酪氨酸的代謝產物，如甲狀腺素、腎上腺素2、肽及蛋白質激素：胰島素、降鈣素等3、固醇類激素：腎上腺皮質激素、性激素4、脂肪酸衍生物類激素：前列腺素三、神經水平的調節(jié)（高等動物）中樞神經下丘腦垂體腺體靶細胞P632P638第13頁/共31頁一、基因表達1.基因組(genome)：一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。2.基因表達(geneexpression)：遺傳信息的展現(xiàn)，即基因經過轉錄、翻譯，產生具有特異生物學功能的蛋白質分子的過程?？砂匆欢〞r間程序發(fā)生改變——時序調節(jié)可隨內外環(huán)境條件變化而調整——適應調節(jié)第三節(jié)基因表達的調節(jié)（一）基因表達的概念P639第14頁/共31頁（二）基因表達的特點1.時間特異性多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。2.空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)。3.受內外環(huán)境條件的影響而變化第15頁/共31頁（三）基因表達的方式按照對刺激的反應性，基因表達的方式分為：1.組成型表達（持家基因）某些基因在個體的幾乎所有細胞中持續(xù)恒定表達，通常被稱為管家基因或持家基因(housekeepinggene)。管家基因較少受環(huán)境因素影響，在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小，這類基因表達被視為組成型表達(constitutivegeneexpression)。第16頁/共31頁2.可誘導和可阻遏表達（可調基因）（1）可誘導在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因?？烧T導基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(induction)。如分解乳糖的基因。

（2）可阻遏如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因表達產物水平降低的過程稱為阻遏(repression)。如合成Trp的基因。在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinateexpression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)。第17頁/共31頁二、基因表達的多級調控1.DNA水平2.轉錄水平：轉錄起始、轉錄終止、轉錄后加工蛋白質降解等3.翻譯水平反義RNA、mRNA的二級結構與穩(wěn)定性、翻譯后加工修飾第18頁/共31頁第一個被闡明的操縱子——大腸桿菌乳糖操縱子基于乳糖對乳糖代謝酶的誘導現(xiàn)象：大腸桿菌培養(yǎng)基中沒有乳糖，則細胞內參與乳糖分解代謝的3種酶很少（β-半乳糖苷酶0.5-5個/cell）；一旦加入乳糖或其類似物，則幾分鐘內酶分子數(shù)驟增（β-半乳糖苷酶5000個/cell，其它兩種酶也大量增加）。三、原核生物基因表達轉錄起始水平的調控為什么加入底物，相應的分解代謝的酶才會合成？經濟原則第19頁/共31頁PS1S2S3啟動子OPromoter調控序列結構基因操縱子（operon）

結合RNA聚合酶表達功能蛋白?操縱子（operon）:原核生物基因表達調控的基本單位，由一個或多個相關的結構基因、調控它們轉錄的操縱基因、調節(jié)基因和啟動子序列組成。操縱基因OperatorI調節(jié)基因Regulator表達調節(jié)蛋白第20頁/共31頁（一）大腸桿菌乳糖操縱子(lacoperon)的結構調控區(qū)CAP結合位點啟動子操縱基因結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：β-半乳糖苷酶透過酶A：乙?；D移酶ZYAOPDNAZYAOPDNAI調節(jié)基因P640第21頁/共31頁第22頁/共31頁mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時（二）乳糖操縱子阻遏蛋白的負調節(jié)調節(jié)基因結構基因不能轉錄第23頁/共31頁mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶誘導物構象改變第24頁/共31頁（三）乳糖操縱子CAP的正調節(jié)（P641）葡萄糖效應：細菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長時，優(yōu)先利用G，只有在G耗盡后,經過一段停滯期才利用乳糖。分解G的酶是組成型表達，G的降解物影響了分解其它糖的酶表達,稱之為降解物阻遏。調節(jié)基因的產物為環(huán)腺苷酸受體（CRP），也稱為降解物基因活化蛋白（CAP），與cAMP結合后被活化，與操縱子上某部位結合使DNA鏈彎曲，促進RNA聚合酶與啟動子的結合，從而cAMP-CRP能增強轉錄。第25頁/共31頁G分解代謝的降解物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并活化磷酸二酯酶，導致cAMP濃度降低，因而不能與CAP結合促進轉錄。

ATPcAMP腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶第26頁/共31頁++++轉錄無葡萄糖時，cAMP濃度高有葡萄糖時，cAMP濃度低ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP（catoboliteactivatorprotein）——降解物基因活化蛋白cAMPpol第27頁/共31頁（四）正、負調控的協(xié)調調節(jié)單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。第28頁/共31頁mRNA低乳糖時高乳糖時葡萄糖低cAMP濃度高