代谢调节PPT演示课件

物质代谢与调控,.,1,主要内容,第一节 物质代谢间的联系第二节 代谢调节的多样性第三节 酶活性调节第四节 基因表达水平调节第五节 激素和神经水平调节,.,2,第一节 物质代谢间的联系,糖代谢与脂类代谢的相互关系糖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核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系,.,3,糖代谢与脂类代谢的相互关系,脂肪,-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,糖,脂肪酸,琥珀酸,草酰乙酸,丙酮酸,-氧化,乙醛酸循环,乙酰辅酶A,TCA,从头合成,有氧氧化,酵解,糖异生,.,4,脂肪代谢和糖代谢的关系,延胡索酸,琥珀酸,苹果酸,草酰乙酸,3-磷酸甘油,甘油,乙酰 CoA,三酰甘油,脂肪酸,植物或微生物,.,5,二 糖代谢与蛋白质代谢的相互联系,糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：如糖分解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经TCA循环产生酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。另外，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。,蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。,糖 -酮酸 氨基酸 蛋白质,NH3,蛋白质 氨基酸 -酮酸 糖,（生糖氨基酸）,.,6,三 脂类代谢与蛋白质代谢的关系,脂类与蛋白质之间可以相互转化：,蛋白质,脂肪酸,.,7,四 核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系, 核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP + ，cAMP，cGMP）。, 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型。, 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。, 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。,.,8,第二节 代谢调节的多样性,一、代谢途径交叉形成网络二、代谢的单向性和限速反应三、ATP是通用的能量载体四、细胞结构对代谢途径的分隔调节五、代谢的调节层次(细胞, 激素, 神经),.,9,糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系,.,10,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,NADPH,.,11,（胞液）,（线粒体）,（PEP）,糖的分解代谢和糖异生的关系,.,12,糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应,.,13,ATP是通用的能量载体,指细胞内ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度。生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙酰辅酶A等物质的调节，但调节控制中起决定作用的是ATP、AMP这些反应能荷物质。,.,14,各种代谢途径的酶都集中并分布于具有一定结构的亚细胞或存在于胞浆的可溶部分。避免各种代谢途径的酶互相干扰，而且有利于它们协调地发挥作用。 酶在细胞内隔离和集中分布是代谢调节的一种重要方式。,酶在细胞内的区域化分布,.,15,酶定位的区域化,线粒体:丙酮酸氧化;三羧酸循环;-氧化;呼吸链电子传递;氧化磷酸化,细胞质:酵解;磷戊糖途径;糖原合成;脂肪酸合成;,细胞核:核酸合成,内质网:蛋白质合成;磷脂合成,.,16,代谢途径（酶或酶系） 细胞内分布 代谢途径（酶或酶系） 细胞内分布糖酵解 胞液 氧化磷酸化(呼吸链) 线粒体三羧酸循环 线粒体 尿素合成 胞液、线粒体磷酸戊糖途径 胞液 蛋白质合成 内质网、胞液糖异生 胞液 DNA合成 细胞核糖原合成与分解 胞液 mRNA合成 细胞核脂肪酸氧化 线粒体 tRNA合成 核质脂肪酸合成 胞液 rRNA合成 核仁呼吸链 线粒体 血红素合成 胞液、线粒体多种水解酶 溶酶体 胆红素生成 微粒体、胞液磷脂合成 内质网 胆固醇合成 内质网、胞液,真核细胞主要代谢途径与酶的区域分布,.,17,细胞水平的调节作用激素水平的调控作用神经水平的调控作用,代谢调控的层次,.,18,细胞-酶水平调控作用,酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类生物化学反应速度、方向和途径的功能。细胞-酶水平调控是通过调节细胞内的酶的种类、数量、分布及活性来控制各种代谢过程或生理过程。酶水平的调节作用主要有两种方式：一是通过激活或抑制酶的活性；二是通过影响酶的合成或降解速度，即改变细胞内酶的含量。这种酶水平的调节作用是生物调控最重要的形式。,.,19,.,20,第三节 酶活性调节,一 酶的别构效应二 酶活性的前馈和反馈调节三 产能反应与需能反应的调节四 酶的共价修饰与级联放大机制,.,21,有些酶分子除了具有活性中心（结合部位和催化部位）外，还存在一个特殊的调控部位，即变构中心。变构中心虽然不是酶活性中心的组成部分，但它可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用。这类酶通常称为变构酶，由于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变的现象则称为变构调节作用。,一 酶的别构效应,.,22,酶的别构效应,.,23,目前已知的变构酶均为寡聚酶，含两个或两个以上的亚基，一般分子量较大，而且具有复杂的空间结构。实验发现，在变构酶中起催化作用，称为催化亚基；与变构剂结合的对反应起调节作用，称为调节亚基。大多数由变构酶催化的反应不遵守米氏方程，由变构剂所引起的抑制作用也不服从典型的竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系。,变构酶的特点,.,24,变构剂可以分为两类,激活变构剂：变构剂与酶分子结合后，酶的构象发生了变化，这种新的构象有利于底物分子与酶的结合，使酶促反应速度提高。抑制变构剂：变构剂与酶分子结合所引起的酶的构象变化不利于与底物的结合，表现出一定程度的抑制作用。一般代谢产物变构抑制剂,而代谢底物往往是变构激活剂.,.,25,糖和脂肪代谢酶系中某些变构酶及其变构效应剂代谢途径 变构酶 变构激活剂 变构抑制剂糖酵解 己糖激酶 AMP、ADP、FDP、Pi G-6-P 磷酸果糖激酶-1 FDP 柠檬酸 丙酮酸激酶 FDP ATP、乙酸CoA三羧酸循环 柠檬酸合酶 AMP ATP、长链脂酰CoA 异柠檬酸脱氢酶 AMP、 ADP ATP糖异生 丙酮酸羧化酶 乙酰CoA、ATP AMP 果糖1,6二磷酸酶 5-AMP AMP糖原分解 磷酸化酶b AMP、G-1-P、Pi ATP、G-6-P糖原合成 糖原合酶 G-6-P脂肪酸合成 乙酰CoA羧化酶 柠檬酸、异柠檬酸 长链脂酰CoA胆固醇合成 HMGCoA还原酶 胆固醇氨基酸代谢 谷氨酸脱氢酶 ADP、亮氨酸、甲硫氨酸 ATP、GTP、NADH嘌呤合成 PRPP酰胺转移酶 PRPP AMP、ADP、GMP、 GDP嘧啶合成 天冬氨酸氨基甲酰转 CTP 移酶血红素合成 ALA合成酶 血红素,.,26,二 酶活性的前馈和反馈调节,前馈（feedforward ）和反馈（feedback ），前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现的。,.,27,反馈调节中酶活性调节的机制,.,28,6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用,G,UDPG,6-P-G,1-P-G,糖原,糖原 合成酶,.,29,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,天冬氨酸,氨基酸,蛋白质,嘧啶核苷酸,核酸,氨甲酰天冬氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制,.,30,氨基酸合成的反馈调控,反硝化作用,氧化亚氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脱氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤藓糖-4-磷酸,脱氢奎尼酸,莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸,+,预苯酸,Try,Phe,Trp,Ile,Trp,His,CTP,AMP,Gln,Lys,Met,Thr,酮丁酸,Gly,Ala,谷氨酰胺合酶,天冬氨酰半醛,高丝氨酸,氨基苯甲酸,.,31,能荷状态与反馈调节,能荷指细胞内ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度。生物体内糖代谢和脂类代谢虽然受到柠檬酸、乙酰辅酶A等物质的调节，但调节控制中起决定作用的是ATP、AMP这些反应的能荷 物质。,.,32,糖酵解与三羧酸循环途径的调节,丙酮酸,G,细胞液,柠檬酸,乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,线粒体,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,PEP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,NADH,O2,ATP ADP+Pi,AMP + ATP 2ADP,Pi,Pi,PEP 羧激酶,己糖激酶,丙酮酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸 脱氢酶,.,33,四 酶的共价修饰与级联放大机制,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，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（Covalent moldification ）。这类酶则称为共价调节酶。修饰方式：磷酸化/去磷酸化， 乙酰化/去乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化， 尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基化/去甲基化， 氧化（S-S）/还原(2SH)。,.,34,共价修饰,例：糖原磷酸化酶的共价修饰,糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。,.,35,磷酸化酶的共价修饰,.,36,.,37,被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性)。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以 具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。,共价调节酶两个特点,.,38,共价修饰与级联放大,.,39,cAMP激活蛋白激酶的作用机理,.,40,某些酶的酶促化学修饰调节 酶 类 反应类型 效 应磷酸果糖激酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活丙酮酸脱氢酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活丙酮酸脱羧酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活糖原磷酸化酶 磷酸化脱磷酸 激活/抑制磷酸化酶b激酶 磷酸化脱磷酸 激活/抑制磷酸化酶磷酸酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活糖元合成酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活甘油三酯脂肪酶（脂肪细胞） 磷酸化脱磷酸 激活/抑制HMG-CoA还原酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活HMG-CoA还原酶激酶 磷酸化脱磷酸 激活/抑制乙酰CoA羧化酶 磷酸化脱磷酸 抑制/激活谷氨酰胺合成酶（大肠杆菌） 腺苷化脱腺苷 抑制/激活黄嘌呤氧化(脱氢)酶 SH/-S-S- 脱氢/氧化,.,41,一、原核和真核基因组二、原核生物基因表达的调控三、真核生物基因表达的调控,第四节 基因表达的调控,.,42,基因（gene）是指DNA分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。基因组（genome）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色体”DNA分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。,一 原核和真核基因组,.,43,原核生物基因组的特点,1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA 中（多顺反子）；3、有基因重叠，以此增加信息容量。,.,44,1、基因组大，有多个复制子；mRNA 为单顺反子.2、有大量重复序列，根据重复次数可分为： 单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少 中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA 和表达量大的蛋白质. 高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性， 可作指纹图谱分析.3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经 剪切去掉内含子后才成为可翻译的mRNA模板或功能rRNA.4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用.,真核生物基因组的特点,.,45, 酶诱导和阻遏的操纵子模型 合成途径操纵子的衰减作用,二 原核生物酶合成调节的遗传机制(操纵子学说),.,46,酶的诱导和阻遏操纵子模型,B.有活性阻遏蛋白加诱导剂,A.有活性阻遏蛋白,C.无活性阻遏蛋白,D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂,.,47,阻遏蛋白的负性调节,当无诱导物乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白（repressor protein）处于活性状态，阻止RNA聚合酶与启动基因的结合，则无法启动转录。 当有乳糖存在时，lac操纵子（元）即可被诱导。乳糖进入细胞，经半乳糖苷酶催化，转变为半乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、转录发生。 异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作用极强的诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定，因此被实验室广泛应用,.,48,大肠杆菌乳糖操纵子模型,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 关 闭,启动子,O,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（有活性）,.,49,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CGP(CAP),O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CGP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CAP呈失活状态,.,50,当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在lac启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性。葡萄糖的分解代谢产物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶，从而降低了cAMP的浓度，CAP不能被活化形成CAPcAMP复合物，则不能转录。lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作：当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但是如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,CAP（代谢产物活化蛋白）的正性调节,.,51,大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制,Trp密码子,C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱基配对，转录终止。,A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。,B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。,.,52,三 真核生物基因表达调控, 真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节 转录水平调节 转录后加工的调节 翻译水平调节 翻译后加工的调节 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 转录因子的相互作用控制转录,.,53,真核基因的调控,.,54,顺式作用元件(cis-acting elements) 真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)；近年又发现起负性调控作用的元件沉寂子(silencer)。,.,55,启动子（Promoter）是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100200bp序列，包含有若干具有独立功能的DNA序列元件，每个元件约长730bp。 启动子中的元件可以分为两种：核心启动子元件(core promoter element)指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游25/30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。上游启动子元件(upstream promoter element)包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件,.,56,增强子（Ehancer）一种能够提高转录效率的顺式调控元件，通常占100200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为812bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点：增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离14kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。,.,57,反式作用因子(trans-acting factors)以反式作用影响转录的蛋白可统称为转录因子(transcription factors, TF)。RNA聚合酶是一种反式作用转录因子。转录因子3个功能域（DNA结合域、转录激活区和其它结构域）， DNA结合域有螺旋-转角-螺旋和螺旋-环-螺旋结构、锌指结构、亮氨酸拉链结构等。,.,58,锌指结构，由一个富含Cys的多肽链构成，每4个Cys残基或His残基螯合1分子Zn2+，其余