细胞代谢与基因表达调控.ppt
重点：重点：代谢途径的相互作用代谢途径的相互作用 酶活性的调节酶活性的调节 真核生物与原核生物基因的表达调控真核生物与原核生物基因的表达调控难点：难点：基因表达调节的水平与差异。基因表达调节的水平与差异。第十五章第十五章 物质代谢的联系及其调节物质代谢的联系及其调节第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络一、代谢途径交叉一、代谢途径交叉形成网络形成网络二、分解代谢和合成代谢的二、分解代谢和合成代谢的单向性单向性三、三、ATPATP是通用的能量载体是通用的能量载体四、四、NADPHNADPH 以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量五、代谢的五、代谢的基本要略基本要略糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系糖糖乙酰乙酰CoA，NADPH脂肪酸脂肪酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘磷酸甘油油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解从头合成从头合成脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA琥珀酸琥珀酸糖糖(植物植物)乙醛酸循环乙醛酸循环-氧化氧化糖异生糖异生TCA糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖糖 -酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸）（生糖氨基酸）脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA 氨基酸碳架氨基酸碳架氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）脂肪代谢和糖代谢的关系脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸3-磷酸甘油磷酸甘油三羧酸三羧酸循环循环乙醛酸乙醛酸循环循环甘油甘油乙酰乙酰 CoA三酰三酰甘油甘油脂肪酸脂肪酸 氧氧化化 糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸丙酮酸合合成成植物或微植物或微生物生物糖糖类类脂脂类类氨氨基基酸酸和和核核苷苷酸酸之之间间的的代代谢谢联联系系PEP丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸-酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸 甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰CoA甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoA脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰CoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉、糖原淀粉、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖糖分解和糖异生途径中糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应相对独立的单向反应 糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸果糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2 磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸2 丙酮酸丙酮酸葡萄糖葡萄糖己糖激酶己糖激酶果糖果糖激酶激酶二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸酯酶磷酸酯酶丙酮酸丙酮酸激酶激酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶磷酸葡萄糖磷酸酯酶6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖2 草酰乙酸草酰乙酸PEP羧激酶羧激酶ATPATP携带能量由能源传递给细胞的需能过程携带能量由能源传递给细胞的需能过程ATPATPADP+PiADP+Pi太阳能太阳能化学能化学能生物合成生物合成细胞运动细胞运动膜运输膜运输通过通过NADPHNADPH循环将还原力由分解代谢循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应转移给生物合成反应NADPH+HNADPH+H+NADPNADP+分解代谢分解代谢还原性有机物还原性有机物还原性生物合成反应还原性生物合成反应氧化物氧化物还原性生物还原性生物合成产物合成产物氧化前体氧化前体66葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸66-66-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸内酯内酯66-66-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸65-65-磷酸磷酸-核酮糖核酮糖NADPHNADPHNADPH NADPH CO CO2 225-25-磷酸磷酸-核糖核糖25-25-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖23-23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛27-27-磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖22果糖果糖-6-6-磷酸磷酸24-24-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖22果糖果糖-6-6-磷酸磷酸23-23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛果糖二磷酸果糖二磷酸果糖果糖-6-6-磷酸磷酸H H2 2O OPiPiH H2 2O O25-25-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰COACOA丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰COACOA草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸柠檬酸合酶柠檬酸合酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶NADPNADPNADPHNADPH+CO+CO2 2苹果酸酶苹果酸酶NADNADNADHNADHCOCO2 2ATPATPATPATP柠檬酸裂解酶柠檬酸裂解酶ADP+PiATP+HSCOA胞胞 液液线粒体线粒体乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoA的转运（柠檬酸丙酮酸循环）的转运（柠檬酸丙酮酸循环）的转运（柠檬酸丙酮酸循环）的转运（柠檬酸丙酮酸循环）代谢的基本要略代谢的基本要略 代谢的基本要略在于代谢的基本要略在于形成形成ATP、还原力、还原力和和构造单构造单元元以用于生物合成。以用于生物合成。由由ATP、还原力和构造单元可、还原力和构造单元可合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由有序结构的过程，需要由物质流物质流、能量流能量流和和信息流信息流来支持。来支持。脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi共同降解物共同降解物 代谢终产物代谢终产物构造单元构造单元NADPH一、一、酶活性的调节酶活性的调节二、二、细胞对代谢途径的分隔与控制细胞对代谢途径的分隔与控制第二节第二节 代代 谢谢 调调 节节一、酶活性的调节、酶活性的调节最基本的最基本的代谢调节代谢调节酶活性调节酶活性调节酶含量调节酶含量调节变构效应（别构）变构效应（别构）共价修饰共价修饰基因表达调控基因表达调控酶的激活与抑制酶的激活与抑制酶的诱导与阻遏酶的诱导与阻遏酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。其调节机理是通过酶的其调节机理是通过酶的变构效应变构效应来实现的。来实现的。S0SnS2S1E0E1En-1或或+或或+反馈反馈前馈前馈葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸羧羧化化酶酶乙酰乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸拧檬酸拧檬酸天冬氨酸天冬氨酸氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸核酸核酸 氨甲酰氨甲酰天冬氨酸天冬氨酸+磷酸烯醇式丙酮酸羧磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制化反应的调节控制产能反应和需能反应的调节产能反应和需能反应的调节能荷能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMPATPPi ADPATP系统质量作用比系统质量作用比=糖酵解与三羧酸循环途径的调节糖酵解与三羧酸循环途径的调节丙酮酸丙酮酸 G细胞液细胞液柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰CoA柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸乙酰乙酰CoA丙酮酸丙酮酸 线粒体线粒体 G-6-P F-6-P 磷酸果磷酸果糖激酶糖激酶 PEPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP NADH O2ATPATP ADP+PiADP+PiAMP+ATP 2ADPAMP+ATP 2ADP PiPiPiPi 丙酮酸丙酮酸激酶激酶+-+-己糖激酶己糖激酶 丙酮酸丙酮酸脱氢酶脱氢酶 柠檬酸柠檬酸合成酶合成酶-酮戊二酮戊二酸酸 脱氢酶脱氢酶 酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修共价修饰饰（Covalent moldificationCovalent moldification）。）。共价修饰共价修饰激酶激酶ATPADP磷酸化酶磷酸化酶 b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶a P（有活性）（有活性）磷酸酯酶磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰例：糖原磷酸化酶的共价修饰目前已知有六种修饰方式：目前已知有六种修饰方式：磷酸化磷酸化/去磷酸化，去磷酸化，乙酰化乙酰化/去乙酰化，去乙酰化，腺苷酰化腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，去尿苷酰化，甲基化甲基化/去甲基化，氧化去甲基化，氧化（S-S）/还原还原(2SH)。酶酶级级联联系系统统调调控控示示意意图图肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素1、腺苷酸环化酶、腺苷酸环化酶（无活性）（无活性）腺苷酸环化酶（活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶、蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶（活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶、磷酸化酶激酶（无活性）（无活性）磷酸化酶激酶（活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶、磷酸化酶 b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶 a（活性）（活性）6、糖原、糖原6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖血液血液肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素132 102 104 106 108葡萄糖葡萄糖ATP ADPATP ADP456酶酶定定位位的的区区域域化化线粒体线粒体:丙酮酸氧化丙酮酸氧化;三羧酸循环三羧酸循环;-氧化氧化;呼吸链电子传递呼吸链电子传递;氧化磷酸化氧化磷酸化细胞质细胞质:酵解酵解;磷戊糖途径磷戊糖途径;糖原合成糖原合成;脂肪酸合成脂肪酸合成;细胞核细胞核:核酸合成核酸合成内质网内质网:蛋白质合成蛋白质合成;磷脂合成磷脂合成细胞膜结构对代谢的调节和控制作用细胞膜结构对代谢的调节和控制作用 控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度 控制细胞和细胞器的物质运输控制细胞和细胞器的物质运输控制细胞和细胞器的物质运输控制细胞和细胞器的物质运输 内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统对代谢途径的分隔作用 膜与酶的可逆结合膜与酶的可逆结合膜与酶的可逆结合膜与酶的可逆结合动动物物细细胞胞结结构构和和代代谢谢途途径径一、一、原核生物基因表达的调节原核生物基因表达的调节二、二、真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控第三节第三节 基因表达的调控基因表达的调控1、基因表达的时间性及空间性、基因表达的时间性及空间性（1）时间特异性）时间特异性 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生（2）空间特异性）空间特异性 在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现按不同组织空间顺序出现2、基因表达的方式、基因表达的方式按对刺激的反应可分为：按对刺激的反应可分为：（1）组成性表达）组成性表达管家基因（管家基因（housekeeping gene）-在一个生在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。此类基因只受启动子序列或启动子与此类基因只受启动子序列或启动子与RNA聚聚合酶相互作用的影响，合酶相互作用的影响，不受其他机制的调节不受其他机制的调节（2）诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达诱导诱导（induction）-可诱导基因可诱导基因在特定环境信号刺激下表达在特定环境信号刺激下表达增强的过程。增强的过程。DNA损伤损伤 修复酶基因激活修复酶基因激活乳糖乳糖 利用乳糖的三种酶表达利用乳糖的三种酶表达阻遏阻遏（repression）-可阻遏基因可阻遏基因表达产物水平降低的过程表达产物水平降低的过程色氨酸色氨酸 色氨酸合成酶系色氨酸合成酶系 操纵子操纵子原核基因表达的协同单位原核基因表达的协同单位操纵子操纵子结构基因（编码蛋白质，结构基因（编码蛋白质，S）控制部位控制部位操纵基因（操纵基因（operator,O）启动子（启动子（premotor,P）原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说PS1S2S3启动子启动子OPromoter调控序列调控序列结构基因结构基因 操纵子（操纵子（operon）结合结合RNARNA聚合酶聚合酶表达功能蛋白表达功能蛋白?操纵子（操纵子（operon）:原核生物的转录单位原核生物的转录单位操纵基因操纵基因Operator酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表结构基因不表达达代谢产物代谢产物衰减衰减（attenuation）：主要涉及与氨基酸合成：主要涉及与氨基酸合成有关的操纵基因。有关的操纵基因。色氨酸操纵基因启动子下游有一段色氨酸操纵基因启动子下游有一段引导顺序引导顺序（50-60bp有有2个色氨酸密码子），个色氨酸密码子），终止信号终止信号位位于于100-140bp之间，可形成发夹结构，但取决于之间，可形成发夹结构，但取决于聚合酶与核糖体之间的相对位置。聚合酶与核糖体之间的相对位置。真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控DNA转录初产物转录初产物RNAmRNA蛋白质前体蛋白质前体mRNA降解物降解物活性蛋白质活性蛋白质DNA水平调节水平调节转录水平调节转录水平调节转录后加工转录后加工的调节的调节翻译调节翻译调节mRNA降解降解调节调节翻译后加工翻译后加工的调节的调节核核细胞质细胞质 真核基因表达调控的五个水平真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节水平调节 转录水平调节转录水平调节 转录后加工的调节转录后加工的调节 翻译水平调节翻译水平调节 翻译后加工的调节翻译后加工的调节 真核基因调控主要是正调控真核基因调控主要是正调控 顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子 转录因子的相互作用控制转录转录因子的相互作用控制转录转录水平的调控最重要最重要顺式作用元件顺式作用元件反式作用因子反式作用因子转录起始的调控转录起始的调控（1）顺式作用元件影响自身基因表达活性的DNA序列非编码序列分启动子、增强子、沉默子启动子TATA盒，-25bp上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE)，CAAT 盒，-75bp；GC序列等增强子：远离转录起始点（130kb），增强启动子转录活性DNA序列，与方向、距离无关沉默子：负性调节元件，起阻遏作用顺式作用元件增强子（2 2）反式作用因子）反式作用因子(trans-acting factor)(trans-acting factor)概念：为概念：为DNA结合蛋白，核内蛋白，可结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）调控）通用转录因子通用转录因子结合在结合在TATA盒上的蛋白盒上的蛋白质因子。质因子。TFA、TFB、TFD、TFE等等转录调控因子转录调控因子结合在结合在UPE上的蛋白质上的蛋白质因子因子反式作用因子特点三个功能结构域：三个功能结构域：DNA识别结合域；转录识别结合域；转录活性域；结合其他蛋白的结合域活性域；结合其他蛋白的结合域能识别并结合顺式作用元件能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)正调控与负调控正调控与负调控
