細胞代謝與基因表達的調(diào)節(jié)控制

關(guān)于細胞代謝與基因表達的調(diào)節(jié)控制第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三細胞是生物機體的結(jié)構(gòu)和功能單位。細胞代謝是一切生命活動的基礎(chǔ)。細胞代謝包括物質(zhì)代謝、能量代謝和信息代謝三個方面。第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三本章的主要內(nèi)容1.代謝途徑的相互聯(lián)系2.酶活性的調(diào)節(jié)3.細胞結(jié)構(gòu)對代謝的控制4.神經(jīng)與激素的調(diào)節(jié)作用5.原核基因的表達調(diào)控6.真核基因的表達調(diào)控第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)代謝途徑的相互聯(lián)系所有細胞都是由四類生物大分子(多糖、脂類復(fù)合物、蛋白質(zhì)和核酸)、為數(shù)有限的生物小分子、無機鹽和水所組成。多糖、蛋白質(zhì)和核酸都是高聚物，它們由較小的基本結(jié)構(gòu)單位所組成。多糖是由單糖或單糖衍生物聚合而成；蛋白質(zhì)20種氨基酸所組成；RNA由4種核糖核苷酸所組成；DNA由4種脫氧核糖苷酸組成。脂類分子仍屬于生物小分子，然而它們可聚集成超分子結(jié)構(gòu)，因此將脂類復(fù)合物也歸之為生物大分子。生物大分子具有高度特異性，生物之間的差別是由它們的生物大分子決定的。第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三一.代謝途徑交叉開成網(wǎng)絡(luò)細胞代謝的原則和方略是，將各類物質(zhì)分別納入各自的共同代謝途徑，以少數(shù)種類的反應(yīng)，例如氧化還原、基團轉(zhuǎn)移、水解合成、基團脫加、異構(gòu)反應(yīng)等，轉(zhuǎn)化種類繁多的分子。不同的代謝途徑可通過交叉點上關(guān)鍵的中間代謝物而相互作用和相互轉(zhuǎn)化。這些共同的中間代謝物使各代謝途徑得以溝通，形成經(jīng)濟有效、運轉(zhuǎn)良好的代謝網(wǎng)絡(luò)。其中三個最關(guān)鍵的中間代謝物是：6－磷酸葡萄糖、丙酮酸和乙酰輔酶A。第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三1.糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互關(guān)系

糖是生物機體重要的碳源和能源，可用于合成各種氨基酸的碳鏈結(jié)構(gòu)，經(jīng)氨基化或轉(zhuǎn)氨生成相應(yīng)的氨基酸。例如，糖在分解代謝過程中可產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸經(jīng)三羧酸循環(huán)，變成α—酮戊二酸和草酰乙酸。這三種酮酸均可加氨基或經(jīng)氨基移換作用，分別形成丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸。

蛋白質(zhì)可以分解為氨基酸，在體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘恰ＴS多種氨基酸在脫氨后轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，再?jīng)糖異生作用可生成糖，這類氨基酸稱為生糖氨基酸。例如，甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺等。第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三2.脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系

脂類分子中的甘油可先轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，再轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜峒唉粒於?，然后接受氨而轉(zhuǎn)變?yōu)楸彼?、天冬氨酸及谷氨酸。脂肪酸可以通過β—氧化生成乙酰輔酶A，乙酰輔酶與草酰乙酸縮合進入三羧酸循環(huán)，從而跟天冬氨酸及谷氨酸相聯(lián)系。第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三蛋白質(zhì)分解成各種氨基酸；生酮氨基酸有亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等，這些生酮氨基酸在代謝過程中能生成乙酰乙酸。由乙酰乙酸再縮合成脂肪酸。生糖氨基酸通過丙酮酸，可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦视停部梢栽谘趸擊群筠D(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶A，再經(jīng)脂肪酸的從頭合成途徑合成脂肪酸。第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三

糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹惖拇笾虏襟E為：糖先經(jīng)酵解過程，生成磷酸二羥丙酮及丙酮酸。磷酸二羥丙酮可還原為甘油。丙酮酸經(jīng)氧化脫羧后轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶A，然后再縮合生成脂肪酸。脂類分解產(chǎn)生的甘油可以經(jīng)過磷酸化生成α—甘油磷酸，再轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岫u丙酮。后者沿酵解過程逆行即可生成糖。(三)糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三ATP是能量和磷酸基團轉(zhuǎn)移的重要物質(zhì)；UTP參與單糖的轉(zhuǎn)變和多糖的合成。CTP參與卵磷脂的合成；GTP供給合成蛋白質(zhì)肽鏈時所需要的能量。此外，許多重要的輔酶，例如輔酶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，又受到其他物質(zhì)特別是蛋白質(zhì)的作用和控制。例如，甘氨酸飛天冬氨酸、谷氨酰胺參加瞟呤和4.核酸代謝與糖、脂肪及蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)生物體內(nèi)的各種代謝變化都是由酶驅(qū)動的。酶有兩種功能：其一是催化各種生化反應(yīng)，是生物催化劑；其二是調(diào)節(jié)和控制代謝的速度、方向和途徑，是新陳代謝的調(diào)節(jié)元件。酶對細胞代謝的調(diào)節(jié)主要有兩種方式：

1.酶活性的調(diào)節(jié)

2.酶量的調(diào)節(jié)第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三一.酶促反應(yīng)的前饋與反饋

前饋和反饋指代謝底物和代謝產(chǎn)物對代謝過程的作用。前饋或反饋又可分為正作用和負作用兩種。凡反應(yīng)能使代謝過程速加快的，稱為正作用；反之；則稱為負作用。第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三二.產(chǎn)能反應(yīng)與需能反應(yīng)的調(diào)節(jié)ATP是通用的能量載體，ATP、ADP和無機磷酸鹽廣泛參與細胞的各種能量代謝。所以[ATP]/[ADP][Pi]可以作為細胞能量狀態(tài)的一種指標(biāo)，稱作ATP系統(tǒng)的質(zhì)量作用比。在正常狀態(tài)下，該比值是很高的，因而ATP-ADP系統(tǒng)總是充分被磷酸化。當(dāng)需要ATP的細胞活動突然增加時，這使ADP的濃度變得非常低，遠不足以使氧化磷酸化達到最大速度。細胞活動突然增加時，ATP迅速分解成ADP和磷酸鹽，從而降低正[ATP]／[ADP][Pi]比值。ADP濃度的增加即能自動增加電子傳遞和氧化磷酸化的速度，從而加速由ADP合成ATP的反應(yīng)。

第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三Atkinson建議以能荷來表示細胞的能量狀態(tài)。能荷的定義為在總的腺苷酸酸系統(tǒng)中(即ATP、ADP、AMP之和)所負荷的高能磷酸基數(shù)量：當(dāng)所有腺苷酸充分磷酸化為ATP時，能荷值為1.0；如所有腺苷酸產(chǎn)卸空成為AMP時，能荷則等于零。正常情況下細胞的能荷大約為0.9，變動范圍從0.85到0.95。第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三三.酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三四.酶的共價修飾1.共價修飾的概念酶蛋白肽鏈上某些殘基在酶的催化下發(fā)生可逆的共價修飾，從而引起酶活性改變。酶的共價修飾主要有磷酸化與脫磷酸化，乙酰化與脫乙酰，甲基化與去甲基化，腺苷化與脫腺苷及SH與-S-S-互變等，其中磷酸化與脫磷酸化在代謝調(diào)節(jié)中最多。第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三糖原的分解和合成是通過不同途徑實現(xiàn)的，前者由糖原磷酸化酶催化，后者由糖原合成酶所催化。

糖原磷酸化酶同時受到共價和變構(gòu)的調(diào)節(jié)，磷酸化酶激酶使絲氨酸被磷酸化，形成活性形式磷酸化酶a：磷酸化酶磷酸酯酶使酶脫磷酸，形成相對無活性磷酸化酶b；變構(gòu)效應(yīng)物AMP可提高其括性。

糖原合成酶也具有磷酸化和脫磷酸兩種形式，但與磷酸化酶相反，活性形式是脫磷酸的糖原合成酶a，當(dāng)它在多種蛋白激酶作用下，兩個絲氨酸羥基被磷酸化，糖原合成酶a即轉(zhuǎn)變成較低活性的糖原合成酶b，其活性有賴于變構(gòu)效應(yīng)物物6—磷酸葡萄糖的存在。以糖原的分解和合成為例：第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三2．酶共價修飾的特點

(1)共價修飾酶都具無活性(或低活性)和有活性(或高活性)兩種形式。它們之間在兩種不同酶的催化下發(fā)生共價修飾，可以互相轉(zhuǎn)變。催化互變反應(yīng)的酶在體內(nèi)受調(diào)節(jié)因素如激素的控制。

(2)和變構(gòu)調(diào)節(jié)不同，共價修飾是由酶催化引起的共價鍵的變化，且因其是酶促反應(yīng)，故有放大效應(yīng)。催化效率常較變構(gòu)調(diào)節(jié)高。

(3)磷酸化與脫磷酸是最常見的酶促化學(xué)修飾反應(yīng)。酶的1分子亞基發(fā)生磷酸化常需消耗1分子ATP，這與合成酶蛋白所消耗的ATP相比顯然要少得多，而且作用迅速，又有放大效應(yīng)，因此，是體內(nèi)調(diào)節(jié)酶活性經(jīng)濟而有效的方式。第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三變構(gòu)調(diào)節(jié)與共價修飾調(diào)節(jié)只是調(diào)節(jié)酶活性的兩種不同方式，而對某一具體酶而言，它可同時受這兩種方式的調(diào)節(jié)。變構(gòu)調(diào)節(jié)是細胞的一種基本調(diào)節(jié)機制，對維持細胞代謝物及能量平衡具有重要作用。然而當(dāng)效應(yīng)劑濃度過低，不足以與酶分子全部調(diào)節(jié)亞基或部位結(jié)合時，就不能使所有酶發(fā)揮作用，故難以應(yīng)急。當(dāng)在應(yīng)激情況下，少量激素的釋放，即可通過一系列級聯(lián)酶促共價修飾反應(yīng)，迅速引起關(guān)鍵酶活性的級聯(lián)放大及生理效應(yīng)，以適應(yīng)應(yīng)激的需要。細胞內(nèi)同一酶可受這兩種調(diào)節(jié)方式雙重調(diào)節(jié)，二者相輔相成，對細胞水平代謝調(diào)節(jié)的順利進行及內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要意義。第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三五.酶連續(xù)激活連鎖代謝反應(yīng)中一個酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其他酶被激活，導(dǎo)致原始信號的放大。這樣的連鎖代謝反應(yīng)系統(tǒng)稱為級聯(lián)系統(tǒng)（cascadesystem)。激素或神經(jīng)遞質(zhì)作用于細胞質(zhì)膜的受體，從而使細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使，這是一級放大作用。第二信使活化一些特異的酶系，又進行二級、三級或數(shù)級的放大。第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三這一信號放大過程：腺苷酸環(huán)化酶作為第一個酶被第一信使激素所激活。被激活的腺苷酸環(huán)化酶存在于細胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)，催化細胞質(zhì)中靠近質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的腺苷三磷酸(ATP)形成第二信使環(huán)腺苷酸(cAMP)。cAMP又使無活性的酶IIb轉(zhuǎn)變成有活性的酶IIa。然后依次激活酶Ⅲ和酶IV。最后，被激活的酶Va催化底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。以腎上腺素或胰高血糖素作用于肝細胞受體導(dǎo)致糖原分解為例：第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三

由cAMP活化的蛋白激酶稱為依賴cAMP的蛋白激酶：即蛋白激酶A，蛋白激酶A由4個亞基組成。兩個相同的調(diào)節(jié)亞基（R）和兩個相同的催化亞基（C）。4聚體全酶（R2C2）無活牲，當(dāng)4分子cAMP結(jié)合到兩個調(diào)節(jié)亞基的結(jié)合部位時，無活性的4聚體解離產(chǎn)生具有酶活性的游離催化亞基以及調(diào)節(jié)亞基與cAMP的復(fù)合物（R2-cAMP4)，反應(yīng)是可逆的。cAMP通過與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合而解除了蛋白激酶活性的抑制。第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三級聯(lián)反應(yīng)的意義：

1.它能使信號放大；

2.它提供了更多的調(diào)控位點，使代謝過程能對細胞內(nèi)外多種因素的變動作出調(diào)整；

3.它使關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶能夠更靈敏和更靈活地控制代謝反應(yīng)。即在不同情況下對各種代謝物和終產(chǎn)物有不同的應(yīng)答反應(yīng)第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制細胞是組成組織及器官的最基本的功能單位。代謝途徑有關(guān)酶類常常組成酶體系，分布于細胞的某一區(qū)域或亞細胞結(jié)構(gòu)中。第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三一.膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(diào)節(jié)控制膜的三種最基本功能：

物質(zhì)運輸能量轉(zhuǎn)換信息傳遞（一）控制跨膜離子濃度和電位梯度第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三（二）控制細胞與細胞器的物質(zhì)運輸

細胞器同樣需要吸收代謝底物，轉(zhuǎn)移出代謝產(chǎn)物。細胞膜和細胞器膜中的運輸系統(tǒng)擔(dān)負著與周圍環(huán)境的物質(zhì)交換。通過運輸系統(tǒng)可以控制底物進入細胞或細胞器，從而調(diào)節(jié)細胞內(nèi)該物質(zhì)的代謝。實驗證明，葡萄糖進入肌肉和脂肪細胞的運輸是它們利用葡萄糖的限速過程。胰島素可以促進肌肉及脂肪細胞對葡萄糖的主動運輸，這也是它能降低血糖，促進肌肉和脂肪細胞中糖的利用、糖原合成和糖轉(zhuǎn)變?yōu)橹镜闹匾蛩?。某些載體在代謝底物運入細胞器中起著關(guān)鍵作用。第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三（三）.內(nèi)膜系統(tǒng)對代謝途徑的分隔作用內(nèi)膜系統(tǒng)將細胞分成許多功能特異的分隔區(qū)，各自以封閉的選擇透性膜為界。這些分隔區(qū)成為分開的亞細胞反應(yīng)器，其內(nèi)包含有一套濃集的酶類和輔助因子，因而有利于酶促反應(yīng)的進行。而且，細胞內(nèi)的分隔可防止互不相容或競爭性的酶促反應(yīng)彼此間的干擾。例如：一般的蛋白質(zhì)是在胞液和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面的核糖體上合成，然而不需要的蛋白質(zhì)是在溶酶體中水解。脂肪酸的合成是以乙酰輔酶A為原料在胞漿內(nèi)進行，而脂肪酸的β-氧化生成乙酰輔酶A是在線粒體內(nèi)進行。第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三（四）膜與酶的可逆結(jié)合

有些酶能可逆地與膜結(jié)合，并以其膜結(jié)合型和可溶型的互變來影響酶的性質(zhì)和調(diào)節(jié)酶活性，這類酶稱為雙關(guān)酶，以區(qū)別于膜上固有的組成酶。雙關(guān)酶對代謝狀態(tài)變動的應(yīng)答迅速，調(diào)節(jié)靈敏，是細胞代謝調(diào)節(jié)的一種重要方式。雙關(guān)酶大多是代謝途徑中關(guān)鍵的酶或調(diào)節(jié)酶。例如，糖酵解途徑中的己糖激酶、磷酸果糖激酶、醛縮酶、3－磷酸甘油醛脫氫酶；氨基酸代謝的谷氨酸脫氫酶、酪氨酸氧化酶；以及一些參與共價修飾的蛋白激酶等。第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三二.蛋白質(zhì)的定位控制蛋白質(zhì)是如何穿過疏水的脂雙層膜?蛋白質(zhì)又是依靠什么信息來進行識別，從而“各就各位”發(fā)揮其正常功能的?第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三（一）信號肽假說1.信號肽的發(fā)現(xiàn)

Milstein等首先發(fā)現(xiàn)分泌型免疫球蛋白(IgG)輕鏈在合成時是以前體形式存在，它的N—末端比成熟的輕鏈多出一段肽，約由20個氨基酸組成。他們猜測，這段肽具有信號作用，使IgG輕鏈得以通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)并繼而分泌到細胞之外。

Blobel進而證明，信號肽插入膜并隨后被切除是與翻譯過程同時發(fā)生的，即以共翻譯插入的方式進行。第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三2.信號肽假說編碼分泌蛋白的mRNA在翻譯時首先合成的是N—末端帶有疏水氨基酸殘基的信號肽（signalpeptide)，它被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體識別并與之相結(jié)合。信號肽經(jīng)由膜中蛋白質(zhì)形孔道到達內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔，隨即被位于腔表面的信號肽酶水解，但是由于它的引導(dǎo)，新生的多肽鏈能夠通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進入腔內(nèi)，最終被分泌到胞外。翻譯結(jié)束后，核糖體亞基解聚，孔道消失，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜又恢復(fù)原先的脂雙層結(jié)構(gòu)。該假說不僅能解釋分泌蛋白，如何通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，適用于膜蛋白嵌入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜以及原核細胞蛋白質(zhì)的跨膜運送。第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三3.信號肽的特點：1.信號肽存在于肽段的N—末端，但也有極小數(shù)存在于肽鏈的中間；2.長度為15－36個氨基酸殘基的小肽；3.它們一般都含有一個疏水氨基酸構(gòu)成的中心區(qū)域(長約十多個氨基酸殘基)第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三4.與蛋白質(zhì)跨膜運送有關(guān)的重要成份信號識別體（signalrecognitionparticle，SRP）?？康鞍祝╠ockingprotein）核糖體受體（ribosomereceptor）第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三信號識別體（SRP）能專一地識別帶有信號肽段的核糖體，它與這類核糖體的信號肽結(jié)合后，多肽合成暫時中止。由于信號肽都一個疏水核，推測SRP的疏水區(qū)很可能即是與信號肽的這一疏水部分相結(jié)合。隨后，將帶有信號肽的核糖體引向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面以與分布其上的?？康鞍?又稱信號識別體受體）相結(jié)合。?？康鞍淄ㄟ^與SRP作用使被暫時抑制的翻譯過程恢復(fù)進行，它還可引起內(nèi)質(zhì)上核糖體受體蛋白的聚集，這種受體具有形成孔道的功能，可以使翻譯出來的肽鏈直接進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)。進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)在信號肽切除之后即進行折疊、糖基化及二硫鍵形成等過程。第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三（二）.線粒體蛋白質(zhì)的跨膜運送線粒體中大量的蛋白質(zhì)是由核基因組編碼，由胞質(zhì)溶膠中的游離核糖體合成，釋放到胞溶膠中，最后運送到細胞器。這個過程稱為翻譯后插入(post

translationalinsertion)。翻譯后插入過程中導(dǎo)肽或前導(dǎo)序列、前序列(1eadersequence)起著導(dǎo)向的作用。第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三導(dǎo)肽位于新合成蛋白質(zhì)前體的N端序列，能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)導(dǎo)向到線粒體基質(zhì)中。導(dǎo)肽一般長度在20—80個氨基酸殘基，富含絲氨酸、蘇氨酸的堿性氨基酸和帶正電的氨基酸，不含酸性氨基酸，羥基氨基酸含量較高，有形成兩性(既有親水性又有疏水性)的a—螺旋結(jié)構(gòu)傾向。線粒體蛋白質(zhì)可在導(dǎo)肽引導(dǎo)下運送至線粒體的四種部位：外膜、膜間間隙、內(nèi)膜、基質(zhì)。導(dǎo)肽中不同肽段含有不同的導(dǎo)向信息。凡牽引蛋白質(zhì)跨膜運送至線粒體內(nèi)基質(zhì)的導(dǎo)肽，一般均含有導(dǎo)向基質(zhì)肽段和水解部位。1.導(dǎo)肽的結(jié)構(gòu)第四十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期三蛋白質(zhì)由胞質(zhì)溶膠中的核糖體合成以后，被釋放到胞質(zhì)溶膠中，但由于在合成中，一種稱為侶伴