生物化学第十四章物质代谢调节学习PPT教案.pptx

第第 十四十四 章章 物物 质质 代代 谢谢 的的 调调 节节 控控 制制学习目的与要求：学习目的与要求：通过本章的学习使学生掌握通过本章的学习使学生掌握1.1.物质代谢物质代谢的调节类型的调节类型, ,特点特点 2.2.激素激素调节的机制及特点调节的机制及特点3.3.反馈反馈调节类型及机制调节类型及机制4.4.真核基因的调控真核基因的调控5.5.酶的诱导和阻酶的诱导和阻遏的调遏的调 节机制节机制重点：重点：1.1.激素激素调调 节的机制节的机制2.2.反馈的反馈的机制机制3.3.操纵子学说操纵子学说4.4.酶的诱导和阻酶的诱导和阻遏的调遏的调 节机制节机制难点：难点：酶的诱导和阻酶的诱导和阻遏的调节机制遏的调节机制第一节第一节 物质代谢的调节类型特点物质代谢的调节类型特点一一. . 神经系统的调节作用神经系统的调节作用 在中区神经的控制下，通过神经递质对效应器发生在中区神经的控制下，通过神经递质对效应器发生直接影响；或者改变某些激素的分泌，再通过各种激直接影响；或者改变某些激素的分泌，再通过各种激素的相互协调，对整个代谢进行综合调素的相互协调，对整个代谢进行综合调 节。节。特点：特点：短而快短而快具整体性具整体性直接调直接调 节代谢的作用节代谢的作用多数通过激素发挥作用多数通过激素发挥作用二. 激素水平的激素水平的调节调节 通过改变生物体细胞代谢物的浓度通过改变生物体细胞代谢物的浓度, ,也可以改变某些也可以改变某些酶的活性或含量从而影响代谢反应的速度。酶的活性或含量从而影响代谢反应的速度。具组织特异性和效应特异性具组织特异性和效应特异性缓慢而持久缓慢而持久局部性调局部性调 节部分代谢节部分代谢由神经系统控制分泌由神经系统控制分泌特点：特点：三. 细胞水平的细胞水平的调节调节 通过代谢物的浓度的改变通过代谢物的浓度的改变, ,来调来调 节某些酶促反应的速度。又节某些酶促反应的速度。又称酶水平的调节称酶水平的调节特点：特点：酶的活性酶的活性酶的数量酶的数量细胞水平的调节类型：前馈调节前馈调节: : 输入对输出的影响输入对输出的影响阻遏阻遏: : 产物对酶合成的抑制产物对酶合成的抑制酶的活性调节酶的活性调节反馈调节反馈调节: :诱导诱导: : 底物对酶合成的诱导底物对酶合成的诱导酶的酶的数量数量调节调节输出对输入的影响输出对输入的影响第二节第二节 激素调节的机制激素调节的机制激素激素: : 由内分泌腺细胞分泌的化学物质。由内分泌腺细胞分泌的化学物质。有两类有两类: : 氨基酸及多肽激素，类固醇激素氨基酸及多肽激素，类固醇激素一一. . 多肽激素的作用机制多肽激素的作用机制1. 1. 第一阶段第一阶段: :2. 2. 第二阶段第二阶段: :3. 3. 第三阶段第三阶段: :激素与受体结合激素与受体结合激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶ATPATP环化成环化成cAMPcAMPcAMPcAMP激活蛋白激酶激活蛋白激酶 蛋白激酶激活磷酸化酶激酶蛋白激酶激活磷酸化酶激酶 磷酸化酶激酶激活磷酸化酶磷酸化酶激酶激活磷酸化酶糖原磷酸解生成糖原磷酸解生成 1- 1-P-GP-G( (一一).).酶的激活机制酶的激活机制( (放大效应放大效应) )ATP cAMP 蛋白激酶蛋白激酶 蛋白激酶蛋白激酶（无活性）（无活性） （有活性）（有活性） 磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶 磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶（无活性）（无活性） ATP ADP ATP ADP （有活性）有活性）磷酸化酶磷酸化酶b b 磷酸化酶磷酸化酶a a（无活性无活性) ) ATP ADPATP ADP（有活性）有活性）糖原糖原 1- 1-P-GP-GPi肾上腺素肾上腺素膜上受体膜上受体腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶第一阶段第一阶段: :第二阶段第二阶段: :第三阶段第三阶段: :细胞膜细胞膜( (二二).).基因表达机制基因表达机制ATP cAMP组蛋白激酶 组蛋白激酶 无活性 有活性OHO-PmRNA组蛋白激素受体腺苷酸环化酶二二. . 类固醇激素的作用机制类固醇激素的作用机制1.1. 第一阶段第一阶段: : 激素进入细胞，激素进入细胞， 激素与受体结合形成激素激素与受体结合形成激素-受体复合物受体复合物2. 2. 第二阶段第二阶段: : 复合物进入细胞核复合物进入细胞核 与特定部位结合与特定部位结合 3. 3. 第三阶段第三阶段: : 基因表达合成酶基因表达合成酶酶酶mRNAhnRNA激素激素受体受体激素激素-受体复合物受体复合物第三节第三节 反馈调节的机制反馈调节的机制一一. . 反馈抑制的类型反馈抑制的类型( (一一). ). 协调反馈抑制协调反馈抑制 DA B C EE1如: ThrAsp Lys MetAKAK:AK:天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶( (二二). ). 同工酶调节同工酶调节( (三三). ). 累积反馈抑制累积反馈抑制 高丝氨酸高丝氨酸 ThrThrAsp Asp 高丝氨酸高丝氨酸 MetMet Lys Lys AKIAKIAKIIAKIIAKIIIAKIII CA B D Ea%c%b%总抑制总抑制% = % = a% + b% + c%a% + b% + c%( (四四). ). 合作反馈抑制合作反馈抑制( (五五). ). 顺序反馈抑制顺序反馈抑制总抑制总抑制% % a% + b% + c%a% + b% + c% D EA B C F G CA B D Ea%b%c%二二. . 反馈调节的机制反馈调节的机制1.1. 具有反馈调节的酶具有反馈调节的酶: : 变构酶变构酶2.2. 变构酶的组成变构酶的组成: : 变构中心变构中心 ( (调节部位调节部位) ) 活性中心活性中心3. 3. 变构剂变构剂: : 产物产物第四节第四节 基因表达调节控制基因表达调节控制一一. . 原核生物转录的调控原核生物转录的调控-操纵子操纵子I I调节基因调节基因P P启动子启动子O O操作子（操作基因）操作子（操作基因）Z Z、Y Y、A A三种结构基因三种结构基因（一）（一）操纵子操纵子概念概念（二）阻遏蛋白及操纵基因的组成，特点（二）阻遏蛋白及操纵基因的组成，特点如：乳糖操纵子阻遏蛋白如：乳糖操纵子阻遏蛋白: : 同四聚体同四聚体, ,分子量分子量148000148000；每个肽链；每个肽链347347个氨基酸，个氨基酸，分子量为分子量为3700037000。具有活性。有的无活性。具有活性。有的无活性。1. 阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因的产物调节基因的产物（三）操纵子的种类：诱导型与阻遏型（三）操纵子的种类：诱导型与阻遏型TGGAATTGTGAGC G GATAACAATTACCTTAACACTCG C CTATTGTTAA120如如: :乳糖操纵子的操纵基因乳糖操纵子的操纵基因: : 大小由大小由2121bpbp组成组成, , 具二元旋转对称性具二元旋转对称性2.2.操纵基因操纵基因通过开与关调节结构基因的表达通过开与关调节结构基因的表达( (一一).).调控水平调控水平二二. . 真核基因的调控真核基因的调控真核染色质体（DNA） 1.1.转录前调节转录初级产物转录初级产物（ProProRNARNA）hnRNAhnRNA3.3.转录后加工的调节（转录后加工的调节（RNA Processing controlRNA Processing control）mRNA多肽链多肽链5.5.翻译后加工及蛋白质活性控制翻译后加工及蛋白质活性控制（protein activity controlprotein activity control）活性蛋白活性蛋白2.转录调节（transcription control）4.4.翻译调节（翻译调节（translational controltranslational control）包括包括mRNAmRNA降解的调控降解的调控包括运输调节包括运输调节( (二二). ). 真核基因的顺式调控元件真核基因的顺式调控元件: : 是指基因周围能与特异转录因子是指基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的结合而影响转录的DNADNA序列。序列。启动子( (promoter)- promoter)- 正性调控增强子( (enhancer)- enhancer)- 正性调控沉寂子( (silencer)- silencer)- 负性调控是指是指RNARNA聚合酶结合并起动转录的聚合酶结合并起动转录的DNADNA序列。序列。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100100200200bpbp序列，序列，包包含有若干具有独立功能的含有若干具有独立功能的DNADNA序列元件序列元件，每个元件约长，每个元件约长7 73030bpbp。 启动子中的元件可以分为两种：核心启动子元件核心启动子元件( (core promoter element)core promoter element)指指RNARNA聚合酶起聚合酶起始转录所必需的最小的始转录所必需的最小的DNADNA序列，包括转录起始点及其上游序列，包括转录起始点及其上游25/25/3030bpbp处的处的TATATATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。始位点和产生基础水平的转录。上游启动子元件上游启动子元件( (upstream promoter element)upstream promoter element)包括通常位包括通常位于于7070bpbp附近的附近的CAATCAAT盒和盒和GCGC盒、以及距转录起始点更远的上游盒、以及距转录起始点更远的上游元件元件 增强子的作用有以下特点：增强子的作用有以下特点：增强子提高同一条增强子提高同一条DNADNA链上基因转录效率，可以远距离作用链上基因转录效率，可以远距离作用： 通常可距离通常可距离1 14 4kbkb、个别情况下离开所调控的基因个别情况下离开所调控的基因3030kbkb仍能发挥作用，仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。而且在基因的上游或下游都能起作用。增强子作用与其序列的正反方向无关增强子作用与其序列的正反方向无关： 将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。强子与启动子是很不相同的。增强子要有启动子才能发挥作用增强子要有启动子才能发挥作用： 没有启动子存在，增强子不能表现活性。没有启动子存在，增强子不能表现活性。一种能够提高转录效率的顺式调控元件。一种能够提高转录效率的顺式调控元件。通常占通常占100100200200bpbp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为件常为8 81212bpbp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。CAATboxCAATbox（70708080） GC BOX GC BOX（8080110110） 最早在酵母中发现，以后在最早在酵母中发现，以后在T T淋巴细胞的淋巴细胞的T T抗原受体基因的抗原受体基因的转录和重排中证实沉寂子的作用的存在。转录和重排中证实沉寂子的作用的存在。负调控顺式元件负调控顺式元件可不受序列方向的影响可不受序列方向的影响距离发挥作用距离发挥作用并可对异源基因的表达起作用并可对异源基因的表达起作用作用特点：作用特点：( (三三). ). 以反式作用影响转录的蛋白以反式作用影响转录的蛋白因子可统称为转录因子因子可统称为转录因子( (transcription factors, TF)transcription factors, TF)。如：如：RNARNA聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。转录因子转录因子2.2.TBP(TATAbox binding protein) TBP(TATAbox binding protein) 是唯一能识别是唯一能识别TATATATA盒并与其结合的转录因子，是三种盒并与其结合的转录因子，是三种RNARNA聚合酶聚合酶转录时都需要的；转录时都需要的； 不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合，不同基因由不同的上游启动子元件组成，能与不同的转录因子结合，这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。现在已这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。现在已经发现有许多不同的转录因子，看到的现象是：同一经发现有许多不同的转录因子，看到的现象是：同一DNADNA序列可被不同序列可被不同的蛋白因子所识别；能直接结合的蛋白因子所识别；能直接结合DNADNA序列的蛋白因子是少数，但不同的序列的蛋白因子是少数，但不同的蛋白因子间可以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白质蛋白质间蛋白因子间可以相互作用，因而多数转录因子是通过蛋白质蛋白质间作用与作用与DNADNA序列联系并影响转录效率的序列联系并影响转录效率的 第五节第五节细胞水平的诱导与阻遏调节机制细胞水平的诱导与阻遏调节机制一、构成酶与适应酶一、构成酶与适应酶 根据酶的合成对环境影响的反应不同根据酶的合成对环境影响的反应不同: :1.构成酶构成酶/ /组成酶组成酶2.2.适应酶适应酶 诱导酶诱导酶阻遏酶阻遏酶二、酶合成的诱导机制二、酶合成的诱导机制-乳糖操纵子乳糖操纵子Z: -半乳糖苷酶Y: -半乳糖苷透过酶A: -半乳糖苷乙酰基转移酶调节基因调节基因启动子启动子操纵操纵基因基因lacZlacYlacAmRNAmRNA蛋白质蛋白质阻遏蛋白阻遏蛋白( (有活性有活性) )1. 1. 关闭关闭( (无乳糖无乳糖) )( (一）阻遏蛋白的负调控一）阻遏蛋白的负调控2. 开放(有乳糖)调节基因启动子操纵基因lacZlacYlacAmRNAmRNAmRNAmRNA蛋白质阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白(无活性)乳糖分解乳糖( (二）二）CAPCAP的正调控的正调控调节基因启动子操纵基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMPCAP-cAMP复合物mRNAmRNA+ 当没有葡萄糖及当没有葡萄糖及cAMPcAMP浓度较高时，浓度较高时，cAMPcAMP与与CAPCAP结合，这时结合，这时CAPCAP结合在结合在laclac启动序列附近的启动序列附近的CAPCAP位点，可刺激位点，可刺激RNARNA转录活性。葡萄糖的分解代谢转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，从而降低了产物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，从而降低了cAMPcAMP的浓的浓度，度，CAPCAP不能被活化形成不能被活化形成CAPCAPcAMPcAMP复合物，则不能转录。复合物，则不能转录。 laclac阻遏蛋白负性调节与阻遏蛋白负性调节与CAPCAP正性调节两种机制协调合作：正性调节两种机制协调合作： 当当LacLac阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；但是如果没有但是如果没有CAPCAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。纵序列上解聚仍几无转录活性。 lac lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。 三、酶合成的阻遏机制三、酶合成的阻遏机制-色氨酸操纵子色氨酸操纵子调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物trpEABCD阻遏蛋白（无活性）阻遏蛋白- trp（有活性）（一）阻遏蛋白的负调控1.关闭(有trp)A,B,C,D,E-A,B,C,D,E-合成色氨酸有关的酶合成色氨酸有关的酶mRNAmRNA蛋白调节基因操纵基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白阻遏蛋白(无活性)trp蛋白2.2.开放开放( (无无trp)trp)( (二二) ) 衰减子的衰减作用衰减子的衰减作用( (负调控负调控) ) 衰减子：在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和减弱衰减子：在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和减弱转录，这种调节的作用部位叫衰减子转录，这种调节的作用部位叫衰减子是一种位于结构基因上游前导是一种位于结构基因上游前导区的终止子。区的终止子。第二节第二节 激素调节的机制激素调节的机制激素激素: : 由内分泌腺细胞分泌的化学物质。由内分泌腺细胞分泌的化学物质。有两类有两类: : 氨基酸及多肽激素，类固醇激素氨基酸及多肽激素，类固醇激素一一. . 多肽激素的作用机制多肽激素的作用机制1. 1. 第一阶段第一阶段: :2. 2. 第二阶段第二阶段: :3. 3. 第三阶段第三阶段: :激素与受体结合激素与受体结合激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶ATPATP环化成环化成cAMPcAMPcAMPcAMP激活蛋白激酶激活蛋白激酶 蛋白激酶激活磷酸化酶激酶蛋白激酶激活磷酸化酶激酶 磷酸化酶激酶激活磷酸化酶磷酸化酶激酶激活磷酸化酶糖原磷酸解生成糖原磷酸解生成 1- 1-P-GP-G( (一一).).酶的激活机制酶的激活机制( (放大效应放大效应) )二二. . 类固醇激素的作用机制类固醇激素的作用机制1.1. 第一阶段第一阶段: : 激素进入细胞，激素进入细胞， 激素与受体结合形成激素激素与受体结合形成激素-受体复合物受体复合物2. 2. 第二阶段第二阶段: : 复合物进入细胞核复合物进入细胞核 与特定部位结合与特定部位结合 3. 3. 第三阶段第三阶段: : 基因表达合成酶基因表达合成酶酶酶mRNAhnRNA激素激素受体受体激素激素-受体复合物受体复合物第三节第三节 反馈调节的机制反馈调节的机制一一. . 反馈抑制的类型反馈抑制的类型( (一一). ). 协调反馈抑制协调反馈抑制 DA B C EE1如: ThrAsp Lys MetAKAK:AK:天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二二. . 反馈调节的机制反馈调节的机制1.1. 具有反馈调节的酶具有反馈调节的酶: : 变构酶变构酶2.2. 变构酶的组成变构酶的组成: : 变构中心变构中心 ( (调节部位调节部位) ) 活性中心活性中心3. 3. 变构剂变构剂: : 产物产物CAATboxCAATbox（70708080） GC BOX GC BOX（8080110110） 最早在酵母中发现，以后在最早在酵母中发现，以后在T T淋巴细胞的淋巴细胞的T T抗原受体基因的抗原受体基因的转录和重排中证实沉寂子的作用的存在。转录和重排中证实沉寂子的作用的存在。负调控顺式元件负调控顺式元件可不受序列方向的影响可不受序列方向的影响距离发挥作用距离发挥作用并可对异源基因的表达起作用并可对异源基因的表达起作用作用特点：作用特点：( (二）二）CAPCAP的正调控的正调控调节基因启动子操纵基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMPCAP-cAMP复合物mRNAmRNA+