第十三章物质代谢的相互联系和调节控制.ppt

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1、第十一章 代谢调控,通过基因表达，DNA中的遗传信息即可用以决定细胞的表型和生物形状。但是，基因的表达随着组织细胞及个体发育的阶段的不同，随着内外环境的变化的不同，而表现为不同的基因的表达。,第一节 代谢途径之间的联系,1 、代谢网络 细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数关键的反应如氧化还原、基团转移、水解合成、基团脱加及异构反应等，转化种类繁多的分子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的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通路。其中三个关键的中间代谢物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。,2 、分解

2、代谢与合成代谢的单向性,虽然酶促反应是可逆的，但在生物体内，代谢过程是单向的。一些关键部位的代谢是由不同的酶催化正反应和逆反应的。这样可使两种反应都处于热力学的有利状态。一般酮酸脱羧的反应、激酶催化的反应、羧化反应等都是不可逆的。这些反应常受到严密调控，成为关键步骤。,3 、能量的代谢,3.1 ATP是通用的能量载体 3.2 NADPH以还原力的形式携带能量 3.3 ATP、还原力和构造单元用于生物合成,第二节 代谢调节 酶活性的调节 细胞水平的调节 整体水平的调节,一 、酶水平的调节,（一）、酶活性的调节 前馈和反馈 ATP、ADP和AMP的调节 酶的连续激活和共价修饰 （二）、酶量的调节-

3、基因表达调控,# 基因表达调控基本概念与原理,基因表达的概念 基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。,人类基因组DNA中约含5万个基因，但在某一特定时期，只有少数的基因处于转录激活状态，其余大多数基因则处于静息状态。一般来说，在大部分情况下，处于转录激活状态的基因仅占5%。 通过基因表达以合成特异性蛋白质，从而赋予细胞以特定的生理功能或形态，以适应内外环境的改变。,#基因表达的时间性及空间性,#时间特异性： 基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指

4、特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。,#空间特异性： 基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。,#基因表达的方式,#组成性表达： 组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类

5、基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。,#诱导和阻遏表达： 诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。 阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。,#基因表达的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖。 维持个体发育与分化。,#基因表达调控的基本原理,#基因表达的多级调控： 基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻

6、译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。,#基因转录激活调节基本要素： 1顺式作用元件： 顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。,在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。 在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。,基因的组织结构及顺式作用元件,2反式作用因子： 反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些

7、与基因表达调控有关的蛋白质因子。 反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。 原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。,3顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用： 大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。,1、 原核基因转录调节,存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。 在原核生物中，若干结构基因可串联在一起

8、，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子（operon） 。,1、1 操纵子的结构与功能,典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。,以原核生物乳糖操纵子(Lac operon)为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。,控制区,信息区,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,1、2 乳糖操纵子的调控机制,1、2、1 乳糖操纵子的诱导：,1、2、2

9、 乳糖操纵子的阻遏：,1、3 色氨酸操纵子的调控机制,色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。,色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。 而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。,色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域

10、，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。,1、4 原核生物转录的整体调控模式,由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。 典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。,2、 真核基因转录调节,真核生物中基因表

11、达的调控机制较原核生物复杂得多，许多细节还未弄清楚。就人类染色体DNA而言，就有30亿个碱基对，估计约有5万个基因。,真核基因组结构特点,#转录产物为单顺反子： 真核基因的转录产物一般是单顺反子（mono-cistron），即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。,#大量重复序列： 真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。,#断裂基因： 真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码

12、多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。,真核基因表达调控的特点 (激素水平和发育过程),2、1 转录前水平的调节 染色质丢失 扩增 重排 修饰,2、2 转录水平的调节 2、2、1 RNA聚合酶活性受转录因子调控： 真核生物中存在RNA pol、三种不同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的RNA。这些RNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。,2、2、2 染色质结构改变参与基因表达的调控： 真核生物DNA与组蛋白结合并形成核小体的结构，再进一步形成染色质。当真核基因被激活时，染色质的结构也随之发生改变。主要的改变有

13、： 单链DNA形成：基因被激活后，双链DNA解开成单链以利于转录，从而形成一些对DNAase的超敏位点。,DNA拓朴结构改变：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在，当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促进组蛋白解聚。 核小体不稳定性增加：由于组蛋白修饰状态改变，巯基暴露等原因而引起核小体结构改变。,2、2、3 正性调节占主导（基因转录调控元件及激活机制 ）： 真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。,顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（e

14、nhancer）和沉默子（silencer）。 反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。 反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。,2、2、3、1 顺式作用元件 1启动子： 存在于结构基因上游，与基因转录启动有关的一段特殊DNA顺序称为启动子（promoter)。与原核生物类似，也含有一段富含TATA的顺序，称为TATA盒。除此之外，还可见CAAT盒和GC盒。,2增强子： 位于结构基因附近，能够增强该基因转录活性的一段DNA顺序称为增强子(enhancer)。 增强子是另一类顺式作用

15、的DNA片段，可使基因转录的速率大大提高。其突出特点是：在转录起始点5或3侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。,增强子是通过一类称之为转录因子的蛋白质而发挥其促进转录的作用。其作用机制目前公认的是环出模型。 在噬菌体Cro蛋白结合位点和RNA起始点之间插入数百碱基对的无关DNA，Cro蛋白结合仍然对聚合酶有激活作用。电镜观察发现，Cro蛋白与Cro位点结合后，通过DAN链的弯曲成环与起始点附近的转录蛋白靠近并结合。这一机制同样适合于SV40以及其它真核基因的启动子。,3沉默子： 能够对基因转

16、录起阻遏作用的DNA片段，属于负性调控元件。,2、2、3、2 反式作用因子（分子间作用因子）： 真核生物反式作用因子通常属于转录因子（transcription factor，TF）。,1转录因子的种类： (1)非特异性转录因子（基本转录因子）： 非选择性调控基因转录表达的蛋白质因子称为非特异性转录因子。真核生物中存在的三种RNA聚合酶分别有相应的转录因子，即TF，TF，TF。其中以TF研究较清楚，TF一共有六种亚类，分别是TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TF-I。 TFD是唯一能识别启动子TATA盒并与之结合的转录因子，而TFB则可促进聚合酶与启动子的结合。,(2)特异性转录因子：

17、能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子。 目前较清楚的是调控免疫球蛋白基因表达的核内蛋白质因子（NF），已发现存在NFA，NF2A，NFB，NFB4，NF等亚类。,2转录因子的结构： 目前已知，反式作用因子至少含有三个功能域，即DNA结合功能域，转录活性功能域和其它转录因子结合功能域。,对各种转录因子DNA结合功能域的研究发现一些带共性的结构，主要有： (1)HTH和HLH结构： 由两段-螺旋夹一段-折迭构成，-螺旋与-折迭之间通过-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。典型的例子是噬菌体的Cro蛋白，该蛋白含三段-螺旋和三段-折迭，两亚基通过

18、-折迭而形成二聚体，相当于DNA的一个螺距的长度，而每一亚基的一段-螺旋则刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中与DNA紧密结合。,(2)锌指结构： 见于TFA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。,(3)亮氨酸拉链结构： 见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与癌基因表达调控有关。由两段-螺旋平行排列构成，其-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA结合。,3转录因

19、子的作用特点： 同一DNA顺式作用元件可被不同的转录因子所识别； 同一转录因子也可识别不同的DNA顺式作用元件； TF与TF之间存在相互作用； 当TF与TF，TF与DNA结合时，可导致构象改变； TF在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。,2、2、3、3 转录激活及其调控： 真核RNA聚合酶的激活需要依赖多种转录因子，并与之形成复合体。其过程首先是由TFD识别启动子序列并与之结合；继而在TFAF的参与下，RNA聚合酶与TFD、B聚合形成一个功能性的前起始复合体PIC；最后，结合了增强子的转录因子与前起始复合体结合，从而形成稳定的转录起始复合体。,聚合酶转录起始复合体的组装,聚合酶转录起始复合体

20、的组装,聚合酶转录起始复合体的组装,2、3 转录后水平的调节 加工的多样性 2、4 翻译水平的调节 合成起始的调节“扫描摸式” 帽子的识别 mRNA稳定性 激素的影响 2、5翻译后水平的调节,二、 细胞水平的调节,（一）、 酶在细胞中的分布 1. 细胞核 核膜上有大量酶类，这些酶参与糖、脂类、蛋白质代谢及核酸运输，DNA复制、RNA合成、加工和修饰。它们镶嵌在核膜上，或结合在膜表面，有利于各种反应的定向进行。,2. 胞液 指细胞质的连续液相部分。大部分中间代谢在此进行，如糖酵解、异生、磷酸戊糖途径、糖、脂类、氨基酸以及核苷酸的生物合成等。其重量的20是蛋白质，所以是高度组织的胶状物质，而不是溶

21、液。与糖原代谢有关的酶结合在糖原颗粒表面。 3. 内质网 粗糙型内质网与蛋白质的加工有关，光滑内质网与糖类和脂类的合成有关，细胞的磷脂、糖脂和胆固醇几乎都是内质网上的酶合成的。,4. 高尔基体 可对细胞合成或吸收的物质进行加工、浓缩、包装和运输，参与细胞的分泌和吸收过程。其膜的内表面有加工寡聚糖的酶类。 5. 溶酶体 含水解酶类，主要功能为消化、吸收、防御、吞噬和细胞自溶。 6. 线粒体 内膜形成嵴，其上有与呼吸链有关的细胞色素和氧化还原酶、ATP合成酶以及调节代谢物进出的运输蛋白。内膜中的基质含有三羧酸循环、b氧化、氨基酸分解等酶类。,（二）、膜结构对代谢的调控,1.控制浓度梯度 膜的三种最

22、基本功能即物质运输、能量转换和信息传递都与离子和电位梯度的产生和控制有关，如质子梯度可合成ATP，钠离子梯度可运输氨基酸和糖，钙可作为细胞内信使。 2.控制细胞和细胞器的物质运输 通过底物和产物的运输可调节代谢，如葡萄糖进入肌肉和脂肪细胞的运输是其代谢的限速步骤，胰岛素可促进其主动运输，从而降低血糖。,3.内膜系统对代谢的分隔 内膜形成分隔区，其中含有浓集的酶和辅因子，有利于反应。而且分隔可防止反应之间的互相干扰，有利于对不同区域代谢的调控。 4.膜与酶的可逆结合 某些酶可与膜可逆结合而改变性质，称为双关酶。离子、代谢物、激素等都可改变其状态，发挥迅速、灵敏的调节作用。,（三）、蛋白质的定位控

23、制,1.信号肽 分泌蛋白、膜蛋白和溶酶体蛋白必须先进入内质网。分泌蛋白完全通过内质网膜，膜蛋白的羧基端则固定在膜中。,2.导肽 线粒体、叶绿体等的蛋白是翻译后跨膜运输的，需要导肽。导肽通常位于氨基端，富含碱性氨基酸和羟基氨基酸，易形成两性-螺旋，可通过内外膜的接触点穿越膜。是需能过程，跨膜电位为运输提供能量，蛋白解折叠需ATP。不同的导肽含不同信息，可将蛋白送入线粒体的不同部位。 3.蛋白质寿命的控制 可随细胞内外环境而改变。有选择性降解系统，需要ATP提供能量，活化泛肽。泛肽分布广泛，结构保守，可标记需要降解的蛋白质，使水解酶能识别并攻击这种蛋白。,四、整体水平的调控,（一）、 主要器官的代

24、谢 1 、脑 以葡萄糖为燃料，没有燃料储备，每天消耗120g葡萄糖。只有在长期饥饿时用酮体。脂肪酸与蛋白结合，不能通过血脑屏障。,2 、肌肉 主要燃料是葡萄糖、脂肪酸和酮体。 3 、脂肪组织 脂解受环腺苷酸促进，产生的甘油运往肝脏。脂肪酸酯化需由葡萄糖提供磷酸二羟丙酮，缺乏葡萄糖时释放入血。 4 、肝脏 调节血液中代谢物的浓度，如糖和脂肪。,（二）、激素的调节 1、 胰岛素 是饱时信号，促进燃料储存和蛋白质合成。促进肌肉和肝脏糖原合成，抑制糖的异生，加快肝脏的糖酵解和脂肪酸合成，促进葡萄糖进入肌肉和脂肪细胞，引起脂肪合成。 2、 胰高血糖素 作用于肝脏，通过环腺苷酸促进糖原降解，抑制合成；降低乙酰辅酶A羧化酶活力，从而抑制脂肪酸合成，增加糖异生；促进脂肪细胞的脂解。 3、 肾上腺素和去甲肾上腺素 促进肌肉糖原分解，抑制肌肉对葡萄糖的摄取，使其用脂肪酸为燃料。总效应是增加肝脏释放葡萄糖，减少肌肉的利用，提高血糖水平。,