细胞代谢和基因表达调节控制PPT课件.ppt
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1、关于细胞代谢与基因表达的调节控制第一张,PPT共四十九页,创作于2022年6月细胞是生物机体的结构和功能单位。细胞代谢是一切生命活动的基础。细胞代谢包括物质代谢、能量代谢和信息代谢三个方面。第二张,PPT共四十九页,创作于2022年6月本章的主要内容1.代谢途径的相互联系2.酶活性的调节3.细胞结构对代谢的控制4.神经与激素的调节作用5.原核基因的表达调控6.真核基因的表达调控第三张,PPT共四十九页,创作于2022年6月第一节代谢途径的相互联系第一节代谢途径的相互联系所有细胞都是由四类生物大分子(多糖、脂类复合物、蛋白质和核酸)、为数有限的生物小分子、无机盐和水所组成。多糖、蛋白质和核酸都是
2、高聚物,它们由较小的基本结构单位所组成。多糖是由单糖或单糖衍生物聚合而成;蛋白质20种氨基酸所组成;RNA由4种核糖核苷酸所组成;DNA由4种脱氧核糖苷酸组成。脂类分子仍属于生物小分子,然而它们可聚集成超分子结构,因此将脂类复合物也归之为生物大分子。生物大分子具有高度特异性,生物之间的差别是由它们的生物大分子决定的。第四张,PPT共四十九页,创作于2022年6月一一.代谢途径交叉开成网络代谢途径交叉开成网络细胞代谢的原则和方略是,将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径,以少数种类的反应,例如氧化还原、基团转移、水解合成、基团脱加、异构反应等,转化种类繁多的分子。不同的代谢途径可通过交叉点上关键的
3、中间代谢物而相互作用和相互转化。这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通,形成经济有效、运转良好的代谢网络。其中三个最关键的中间代谢物是:6磷酸葡萄糖、丙酮酸和乙酰辅酶A。第五张,PPT共四十九页,创作于2022年6月1.糖代谢与蛋白质代谢的相互关系糖代谢与蛋白质代谢的相互关系 糖是生物机体重要的碳源和能源,可用于合成各种氨基酸的碳链结构,经氨基化或转氨生成相应的氨基酸。例如,糖在分解代谢过程中可产生丙酮酸,丙酮酸经三羧酸循环,变成酮戊二酸和草酰乙酸。这三种酮酸均可加氨基或经氨基移换作用,分别形成丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸。蛋白质可以分解为氨基酸,在体内转变为糖。许多种氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸
4、,再经糖异生作用可生成糖,这类氨基酸称为生糖氨基酸。例如,甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺等。第六张,PPT共四十九页,创作于2022年6月2.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 脂类分子中的甘油可先转变为丙酮酸,再转变为草酰乙酸及酮戊二酸,然后接受氨而转变为丙氨酸、天冬氨酸及谷氨酸。脂肪酸可以通过氧化生成乙酰辅酶A,乙酰辅酶与草酰乙酸缩合进入三羧酸循环,从而跟天冬氨酸及谷氨酸相联系。第七张,PPT共四十九页,创作于2022年6月蛋白质分解成各种氨基酸;生酮氨基酸有亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等,这些生酮氨基酸在代谢过程中能生成乙酰乙酸。由乙酰乙
5、酸再缩合成脂肪酸。生糖氨基酸通过丙酮酸,可以转变为甘油,也可以在氧化脱羧后转变为乙酰辅酶A,再经脂肪酸的从头合成途径合成脂肪酸。第八张,PPT共四十九页,创作于2022年6月 糖转变为脂类的大致步骤为:糖先经酵解过程,生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮可还原为甘油。丙酮酸经氧化脱羧后转变为乙酰辅酶A,然后再缩合生成脂肪酸。脂类分解产生的甘油可以经过磷酸化生成甘油磷酸,再转变为磷酸二羟丙酮。后者沿酵解过程逆行即可生成糖。(三)糖代谢与脂类代谢的相互联系第九张,PPT共四十九页,创作于2022年6月ATP是能量和磷酸基团转移的重要物质;UTP参与单糖的转变和多糖的合成。CTP参与卵磷脂的合成;
6、GTP供给合成蛋白质肽链时所需要的能量。此外,许多重要的辅酶,例如辅酶A、NADH、NADPH等,都是腺瞟呤核苷酸的衍生物。另一方面,核酸本身的合成,又受到其他物质特别是蛋白质的作用和控制。例如,甘氨酸飞天冬氨酸、谷氨酰胺参加瞟呤和4.核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的相互联系第十张,PPT共四十九页,创作于2022年6月第十一张,PPT共四十九页,创作于2022年6月第二节酶活性的调节第二节酶活性的调节v生物体内的各种代谢变化都是由酶驱动的。生物体内的各种代谢变化都是由酶驱动的。v酶有两种功能:其一是催化各种生化反应,是生物催化剂;酶有两种功能:其一是催化各种生化反应,是生物催化剂;其二是调节
7、和控制代谢的速度、方向和途径,是新陈代谢其二是调节和控制代谢的速度、方向和途径,是新陈代谢的调节元件。的调节元件。v酶对细胞代谢的调节主要有两种方式:酶对细胞代谢的调节主要有两种方式:1.1.酶活性的调节酶活性的调节2.2.酶量的调节酶量的调节第十二张,PPT共四十九页,创作于2022年6月一一.酶促反应的前馈与反馈酶促反应的前馈与反馈 前馈和反馈指代谢底物和代谢产物对代谢过 程的作用。前馈或反馈又可分为正作用和负作用两种。凡反应能使代谢过程速加快的,称为正作用;反之;则称为负作用。第十三张,PPT共四十九页,创作于2022年6月二二.产能反应与需能反应的调节产能反应与需能反应的调节ATP是通
8、用的能量载体,ATP、ADP和无机磷酸盐广泛参与细胞的各种能量代谢。所以ATP/ADPPi可以作为细胞能量状态的一种指标,称作ATP系统的质量作用比。在正常状态下,该比值是很高的,因而ATP-ADP系统总是充分被磷酸化。当需要ATP的细胞活动突然增加时,这使ADP的浓度变得非常低,远不足以使氧化磷酸化达到最大速度。细胞活动突然增加时,ATP迅速分解成ADP和磷酸盐,从而降低正ATPADPPi 比值。ADP浓度的增加即能自动增加电子传递和氧化磷酸化的速度,从而加速由ADP合成ATP的反应。第十四张,PPT共四十九页,创作于2022年6月Atkinson建议以能荷来表示细胞的能量状态。能荷的定义为
9、在总的腺苷酸酸系统中(即ATP、ADP、AMP之和)所负荷的高能磷酸基数量:当所有腺苷酸充分磷酸化为ATP时,能荷值为1.0;如所有腺苷酸产卸空成为AMP时,能荷则等于零。正常情况下细胞的能荷大约为0.9,变动范围从0.85到0.95。第十五张,PPT共四十九页,创作于2022年6月三三.酶的别构调节酶的别构调节第十六张,PPT共四十九页,创作于2022年6月四四.酶的共价修饰酶的共价修饰1.共价修饰的概念酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰,从而引起酶活性改变。酶的共价修饰主要有磷酸化与脱磷酸化,乙酰化与脱乙酰,甲基化与去甲基化,腺苷化与脱腺苷及SH与-S-S-互变等,其中磷酸
10、化与脱磷酸化在代谢调节中最多。第十七张,PPT共四十九页,创作于2022年6月第十八张,PPT共四十九页,创作于2022年6月糖原的分解和合成是通过不同途径实现的,前者由糖原磷酸化酶催化,后者由糖原合成酶所催化。糖原磷酸化酶同时受到共价和变构的调节,磷酸化酶激酶使丝氨酸被磷酸化,形成活性形式磷酸化酶a:磷酸化酶磷酸酯酶使酶脱磷酸,形成相对无活性磷酸化酶b;变构效应物AMP可提高其括性。糖原合成酶也具有磷酸化和脱磷酸两种形式,但与磷酸化酶相反,活性形式是脱磷酸的糖原合成酶a,当它在多种蛋白激酶作用下,两个丝氨酸羟基被磷酸化,糖原合成酶a即转变成较低活性的糖原合成酶b,其活性有赖于变构效应物物6磷
11、酸葡萄糖的存在。以糖原的分解和合成为例:第十九张,PPT共四十九页,创作于2022年6月第二十张,PPT共四十九页,创作于2022年6月2酶共价修饰的特点(1)共价修饰酶都具无活性(或低活性)和有活性(或高活性)两种形式。它们之间在两种不同酶的催化下发生共价修饰,可以互相转变。催化互变反应的酶在体内受调节因素如激素的控制。(2)和变构调节不同,共价修饰是由酶催化引起的共价键的变化,且因其是酶促反应,故有放大效应。催化效率常较变构调节高。(3)磷酸化与脱磷酸是最常见的酶促化学修饰反应。酶的1分子亚基发生磷酸化常需消耗1分子ATP,这与合成酶蛋白所消耗的ATP相比显然要少得多,而且作用迅速,又有放
12、大效应,因此,是体内调节酶活性经济而有效的方式。第二十一张,PPT共四十九页,创作于2022年6月变构调节与共价修饰调节只是调节酶活性的两种不同方式,而对某一具体酶而言,它可同时受这两种方式的调节。变构调节是细胞的一种基本调节机制,对维持细胞代谢物及能量平衡具有重要作用。然而当效应剂浓度过低,不足以与酶分子全部调节亚基或部位结合时,就不能使所有酶发挥作用,故难以应急。当在应激情况下,少量激素的释放,即可通过一系列级联酶促共价修饰反应,迅速引起关键酶活性的级联放大及生理效应,以适应应激的需要。细胞内同一酶可受这两种调节方式双重调节,二者相辅相成,对细胞水平代谢调节的顺利进行及内环境的稳定具有重要
13、意义。第二十二张,PPT共四十九页,创作于2022年6月五五.酶连续激活酶连续激活连锁代谢反应中一个酶被激活后,连续地发生其他酶被激活,导致原始信号的放大。这样的连锁代谢反应系统称为级联系统(cascade system)。激素或神经递质作用于细胞质膜的受体,从而使细胞内产生第二信使,这是一级放大作用。第二信使活化一些特异的酶系,又进行二级、三级或数级的放大。第二十三张,PPT共四十九页,创作于2022年6月第二十四张,PPT共四十九页,创作于2022年6月这一信号放大过程:腺苷酸环化酶作为第一个酶被第一信使激素所激活。被激活的腺苷酸环化酶存在于细胞质膜的内侧,催化细胞质中靠近质膜内侧的腺苷三
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