大連理工大學生物化學-細胞代謝與基因表達調(diào)控課件

細胞代謝與基因表達調(diào)控糖分解代謝糖酵解：葡萄糖丙酮酸63~84己糖進入糖酵解：果糖

6-磷酸果糖85~89半乳糖1-磷酸半乳糖1-磷酸葡萄糖

甘露糖

6-磷酸甘露糖

6-磷酸果糖丙酮酸氧化脫羧：丙酮酸乙酰COA92~96檸檬酸循環(huán)：乙酰COACO295~112氧化磷酸化：合成ATP114~146磷酸戊糖途徑：6-磷酸葡萄糖核糖-5-磷酸+NADPH147~153糖原分解：糖原1-磷酸葡萄糖血糖176~182糖合成代謝糖異生：糖酵解中間物、產(chǎn)物及TCA中間物葡萄糖154~158葡萄糖-乳酸循環(huán)：葡萄糖丙酮酸乳酸葡萄糖158糖原合成：6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原183~187光合作用：CO2+H2O葡萄糖+O2197~229脂肪的分解代謝脂肪酸β-氧化：脂肪酸乙酰COA234~239酮體氧化：乙酰乙酸、β-羥丁酸乙酰COACO2245脂類合成代謝脂肪酸合成：乙酰COA脂肪酸257~267三脂酰甘油合成：乙酰COA脂肪酸

三脂酰甘油267~268形成酮體：乙酰COA乙酰乙酸、β-羥丁酸244~245膽固醇及膽固醇酯合成：乙酰COA膽固醇

膽固醇酯284磷脂合成：脂肪酸磷脂268~278氨基酸核苷酸代謝氨基酸分解：氨基酸乙酰COA，TCA中間物303~329氨基酸合成尿素循環(huán)：氨尿素340~362葡萄糖-丙氨酸循環(huán)：丙氨酸葡萄糖310核苷酸代謝核苷酸分解：嘌呤尿酸；387~391嘧啶氨、CO2、β-丙氨酸、β-氨基異丁酸核苷酸合成：氨基酸嘌呤、嘧啶391~403DNA復制、修復：406RNA合成及加工：455蛋白質(zhì)合成及修飾：517PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸絲氨酰蘇氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸異亮氨酸甲硫酰氨蘇氨酸纈氨酸琥珀酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質(zhì)淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單酰CoA1-磷酸葡萄糖一、細胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羥丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解從頭合成脂肪甘油磷酸二羥丙酮糖代謝脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖(植物)乙醛酸循環(huán)

-氧化糖異生TCA一、細胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)脂肪代謝和糖代謝的關(guān)系延胡索酸琥珀酸蘋果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)甘油乙酰CoA三酰甘油脂肪酸

氧化

糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羥丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物葡萄糖糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白質(zhì)NH3蛋白質(zhì)氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系脂肪甘油磷酸二羥丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）核酸與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝的聯(lián)系核酸是細胞內(nèi)重要的遺傳物質(zhì)，控制著蛋白質(zhì)的合成，影響細胞的成分和代謝類型；核酸生物合成需要糖和蛋白質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物參加，而且需要酶和多種蛋白因子；各類物質(zhì)代謝都離不開具高能磷酸鍵的各種核苷酸，如ATP是能量的“通貨”，UTP參與多糖的合成，CTP參與磷脂合成，GTP參與蛋白質(zhì)合成與糖異生作用；核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA，NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。分解代謝和合成代謝的單向性糖原（或淀粉）1-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2磷酸烯醇丙酮酸2

丙酮酸葡萄糖己糖激酶果糖激酶二磷酸果糖磷酸酯酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶6-磷酸葡萄糖2草酰乙酸PEP羧激酶ATP和NADPH細胞能量狀態(tài)指標能荷=—————————

[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP][ATP][ATP][ADP]ATP系統(tǒng)質(zhì)量作用比=由ATP攜帶能量傳遞給細胞的需能過程ATPADP+Pi太陽能化學能生物合成細胞運動膜運輸肌肉使用ATP做功肌肉使用ATP做功腦利用ATP產(chǎn)生神經(jīng)沖動通過NADPH循環(huán)將還原力由分解代謝轉(zhuǎn)移給生物合成反應(yīng)NADPH+H+NADP+分解代謝還原性有機物還原性生物合成反應(yīng)氧化物還原性生物合成產(chǎn)物氧化前體二、

代謝的基本要略代謝的基本要略在于形成ATP、還原力和構(gòu)造單元以用于生物合成各類生物分子，進而裝配成生物不同層次的結(jié)構(gòu)。生物合成和生物形態(tài)建成是一個耗能和增加有序結(jié)構(gòu)的過程，需要由物質(zhì)流、能量流和信息流來支持。代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)的四級水平：酶水平調(diào)節(jié)細胞水平調(diào)節(jié)激素水平調(diào)節(jié)神經(jīng)水平調(diào)節(jié)多細胞整體水平調(diào)節(jié)

生命有限的空間內(nèi)，同時有復雜的代謝途徑在運轉(zhuǎn)，因此必須有靈巧而嚴密的調(diào)節(jié)機制，才能使代謝適應(yīng)外界環(huán)境的變化與生物自身生長發(fā)育的需要。

漫長的生物進化歷程中，機體的結(jié)構(gòu)、代謝和生理功能越來越復雜，代謝調(diào)節(jié)機制也隨之變?yōu)閺碗s。酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié)

前饋（feedforward）和反饋（feedback）是來自電子工程學的術(shù)語，前者的意思是“輸入對輸出的影響”，后者的意思是“輸出對輸入的影響”，這里分別借用來說明底物和代謝產(chǎn)物對代謝過程的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)可能是正調(diào)控，也可能是負調(diào)控，其調(diào)節(jié)機理是通過酶的變構(gòu)效應(yīng)來實現(xiàn)。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反饋前饋反饋調(diào)節(jié)中酶活性調(diào)節(jié)的機制代謝物別構(gòu)中心活性中心6-磷酸葡萄糖對糖原合成的前饋激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原合成酶ATPADP

UTPUDPG

葡萄糖丙酮酸羧化酶乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖草酰乙酸

-酮戊二酸擰檬酸天冬氨酸氨基酸蛋白質(zhì)嘧啶核苷酸核酸氨甲酰天冬氨酸——++PEP羧化反應(yīng)的調(diào)節(jié)控制反硝化作用氧化亞氮氨甲酰磷酸分支酸脫氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤蘚糖-4-磷酸脫氫奎尼酸莽草酸谷氨酸PEP+預苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高絲氨酸氨基苯甲酸氨基酸合成的反饋調(diào)控糖酵解與TCA循環(huán)途徑的調(diào)節(jié)丙酮酸細胞液檸檬酸乙酰CoA檸檬酸草酰乙酸-酮戊二酸乙酰CoA丙酮酸線粒體

G-6-P

F-6-P

F-1.6-2P

磷酸果糖激酶

PEPADP+PiATPADP+PiATP

NADH

O2ATP

ADP+PiAMP+ATP2ADP

PiPi

PEP羧激酶+++---++----

丙酮酸脫氫酶

檸檬酸合成酶-酮戊二酸

脫氫酶酶分子中的某些基團，在其它酶的催化下，可以共價結(jié)合或脫去，引起酶分子構(gòu)象的改變，使其活性得到調(diào)節(jié)，這種方式稱為酶的共價修飾（Covalentmoldification）。

目前已知有六種修飾方式：磷酸化/去磷酸化，乙?；?去乙?；佘挣；?去腺苷?；?，尿苷?；?去尿苷酰化，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/還原(2SH)。激酶ATPADP磷酸化酶b（無活性）磷酸化酶aP（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共價修飾酶的共價修飾磷酸化酶的共價修飾糖原合成酶和糖原磷酸化酶的調(diào)控糖原的分解和合成都是根據(jù)肌體的需要由一系列的調(diào)控機制進行調(diào)控，其限速酶分別為糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它們的活性是受磷酸化或去磷酸化的共價修飾的調(diào)節(jié)及變構(gòu)效應(yīng)的調(diào)節(jié)。二種酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。糖原合成酶a(無活性)糖原磷酸化酶b(有活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶b(無活性)糖原磷酸化酶a(有活性)PP常見的共價修飾機制酶的共價修飾酶的共價修飾與級聯(lián)放大級聯(lián)系統(tǒng)調(diào)控示意圖意義：由于酶的共價修飾反應(yīng)是酶促反應(yīng)，只要有少量信號分子（如激素）存在，即可通過加速這種酶促反應(yīng)，而使大量的另一種酶發(fā)生化學修飾，從而獲得放大效應(yīng)。這種調(diào)節(jié)方式快速、效率極高。腎上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸環(huán)化酶（無活性）腺苷酸環(huán)化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（無活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（無活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（無活性）磷酸化酶a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液腎上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATPADPATPADP456酶原與酶原激活酶的功能：催化劑；調(diào)控代謝速度、方向和途徑調(diào)控方式：調(diào)節(jié)酶活性；酶含量酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);

-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化細胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;細胞核:核酸合成內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成細胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分割控制酶的區(qū)域化分布膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(diào)節(jié)新陳代謝的組織分工肝臟中的糖代謝脂肪的貯存與動員肝臟中的脂肪酸代謝肝臟中的氨基酸代謝氧、代謝物、激素血液中的運輸血糖濃度的調(diào)節(jié)饑餓狀態(tài)時的能量調(diào)節(jié)饑餓狀態(tài)時的能量調(diào)節(jié)饑餓狀態(tài)時的能量調(diào)節(jié)激素調(diào)節(jié)的機制甾醇類激素作用原理示意圖肽類激素通過cAMP-蛋白激酶調(diào)節(jié)代謝示意圖

ATP

cAMP+PPi內(nèi)在蛋白質(zhì)的磷酸化作用改變細胞的生理過程細胞膜細胞膜cR蛋白激酶（無活性）c+RcAMP蛋白激酶（有活性）受體環(huán)化酶激素G蛋白物質(zhì)代謝的激素調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的激素調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)代謝的信息分子信號受體的種類物質(zhì)代謝的激素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的定位和壽命1、原核和真核基因組2、原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制3、真核生物基因表達的調(diào)控三、基因表達的調(diào)控基因(gene)概念的發(fā)展1866年Mender建立遺傳兩大定律，提出遺傳因子的概念1903年Sutton&Boveri提出遺傳因子位于染色體上1909年Johansen提出基因概念，取代遺傳因子1910年Morgen建立基因假說，確認基因是確定性狀的功能單位1941年Beadle提出一個基因一個酶學說1944年Avery首次用實驗證實DNA是遺傳信息的載體1953年Watson&Crick確定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，進一步確定了基因的本質(zhì)1957年Benzer提出順反子(cistron)學說，認為基因是分子的一段序列，負責遺傳信息的傳遞70年代發(fā)現(xiàn)基因包括有遺傳效應(yīng)的外顯子(intron)和無效應(yīng)的內(nèi)含子(extron)原核生物基因組的特點1、基因組小，單復制子，DNA分子上大部分是編碼蛋白質(zhì)的基因，因此多數(shù)為單拷貝或僅有少量重復；2、功能相同的基因常串聯(lián)在一起，轉(zhuǎn)錄在同一個mRNA中（多順反子）；3、有基因重疊，以此增加信息容量。真核生物基因組的特點1、基因組大，有多個復制子；mRNA為單順反子；2、有大量重復序列，根據(jù)重復次數(shù)可分為：

單拷貝序列，主要編碼蛋白質(zhì)，數(shù)量多，但含量少

中度重復序列，可重復幾十到幾千次，編碼tRNA、rRNA和表達量大的蛋白質(zhì)

高度重復序列，可重復幾百萬次，不編碼，有高度變異性，可作指紋圖譜分析3、有斷裂基因，即基因中有外顯子區(qū)和內(nèi)含子區(qū)，轉(zhuǎn)錄后經(jīng)剪切去掉內(nèi)含子后才成為可翻譯的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多數(shù)不編碼序列，在基因表達調(diào)控中起重要作用。原核生物的基因表達調(diào)控

操縱子——原核基因表達的協(xié)同單位操縱子結(jié)構(gòu)基因（編碼蛋白質(zhì)，S）控制部位操縱基因（operator,O）啟動子（premotor,P）

酶誘導和阻遏的操縱子模型合成途徑操縱子的衰減作用原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制

操縱子學說1961年，法國科學家莫諾（J·L·Monod，1910-1976）與雅可布（F·Jacob）發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機制”一文，提出操縱子學說，開創(chuàng)了基因調(diào)控的研究。1965年，莫諾與雅可布榮獲諾貝爾生理學與醫(yī)學獎。60年代中期，在操縱子中還發(fā)現(xiàn)了另一個開關(guān)基因，稱為啟動基因（promoter）。

啟動基因位于操縱基因之前，二者緊密相鄰。啟動基因由環(huán)腺苷酸（cAMP）啟動，而cAMP能被葡萄糖所抑制。這樣，葡萄糖便通過抑制cAMP而間接抑制啟動基因，使結(jié)構(gòu)基因失活，停止合成半乳糖苷酶。酶的誘導和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結(jié)構(gòu)基因不表達誘導物誘導物與阻遏蛋白結(jié)合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結(jié)構(gòu)基因可以表達酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結(jié)合,結(jié)構(gòu)基因可以表達阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結(jié)構(gòu)基因不表達代謝產(chǎn)物操縱子的三個結(jié)構(gòu)基因為-半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶。在無乳糖時，阻遏蛋白與O區(qū)結(jié)合，阻止RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄在有乳糖時，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合后，改變了阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)，使其不能與O區(qū)結(jié)合。乳糖操縱子大腸桿菌乳

糖

操

縱

子

模型調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因PLacZLacYLacamRNA阻遏蛋白（有活性）基因關(guān)閉啟動子ORPLacZLacYLaca調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因啟動子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏蛋白（無活性）mRNAA、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)B、乳糖酶的誘導乳糖阻遏蛋白（有活性）色氨酸操縱子色氨酸操縱子有5個結(jié)構(gòu)基因D、E基因：共產(chǎn)生鄰氨基苯甲酸合成酶C基因：產(chǎn)物是吲哚甘油磷酸合成酶B、A基因：共同產(chǎn)物是色氨酸合成酶這些基因一起轉(zhuǎn)錄翻譯后可進行色氨酸的合成。色氨酸合成僅限細菌。大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用的可能機制111232233444核糖體核糖體轉(zhuǎn)錄繼續(xù)轉(zhuǎn)錄終止C.高濃度Trp使核糖體到達2部位，3與4堿基配對，轉(zhuǎn)錄終止。A.游離mRNA中1與2以及3與4堿基配對。B.低濃度Trp使核糖體停留在1部位，轉(zhuǎn)錄得以完成。乳糖和色氨酸操縱子的共同點以負調(diào)控方式為主：蛋白質(zhì)分子（阻遏物）對受調(diào)控的區(qū)域起抑制作用。由低分子物質(zhì)（底物或產(chǎn)物）影響蛋白質(zhì)對DNA的結(jié)合。結(jié)果：既滿足細胞生長需求，又不無謂浪費。乳糖和色氨酸操縱子的不同點

乳糖操縱子色氨酸操縱子

阻遏物阻遏物R基因R基因阻遏物阻遏物代謝物基因開放基因關(guān)閉cAMP對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控在乳糖和葡萄糖都存在時，哪種糖被優(yōu)先利用？乳糖操縱子的啟動子屬于弱啟動子正調(diào)控方式CAP：catabolitegeneactivatorprotein(分解代謝基因活化蛋白)受cAMP激活cAMP-CAP復合物：結(jié)合于DNA上游的CAP位點，促進分解代謝基因表達CAP位點：位于PO上游，屬正調(diào)控位點cAMP對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控培養(yǎng)基中有葡萄糖時：葡萄糖代謝引起細胞內(nèi)cAMP水平下降，乳糖操縱子基因關(guān)閉。培養(yǎng)基中葡萄糖不足時：cAMP水平升高，cAMP-CAP復合物生成，cAMP使CAP變構(gòu)，而與CAP位點結(jié)合，促進乳糖操縱子基因的轉(zhuǎn)錄，以便細胞利用乳糖。乳糖操縱子的降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表達CAP基因結(jié)構(gòu)基因TCGP(CAP)OCAP結(jié)合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系cAMPCGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）CAP：環(huán)腺苷酸受體蛋白（cycilicAMPreceptorprotein,CRP）降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)真核生物的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控真核生物的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控更為復雜：總量大：30億bp，10萬基因分散在各染色體上，23對染色體：定位大量的內(nèi)含子：比結(jié)構(gòu)基因多十數(shù)倍大量的重復序列：重復次數(shù)可達幾千~百萬次更多的蛋白質(zhì)參與基因的多態(tài)性：不同的地域、人種、個體基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控元