第13章代谢调节与基因表达调控

第十三章第十三章 代谢调节与代谢调节与基因表达的调控基因表达的调控一、 代谢调节的概念二、 代谢调节1、 酶水平的调节2、 细胞结构对代谢途径的分隔控制调节3、 激素调节和跨膜信号转导第一节第一节 代谢调节代谢调节一、代谢调节生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。代谢调节的四级水平：酶水平调节细胞水平调节激素水平调节神经水平调节 多细胞整体水平调节1、 酶的别构效应酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节2、 产能反应与需能反应的调节产能反应与需能反应的调节3、 酶的共价修饰与级联放大机制酶的共价修饰与级联放大机制二、酶水平的调节二、酶水平的调节酶活性的前馈和反馈调节前馈（ feedforward ） 和反馈（ feedback ） 是来自电子工程学的术语，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。S0 SnS2S1E0 E1 En-1或+ 或+ 反馈前馈反馈调节中酶活性调节的机制代谢物别构中心活性中心6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用G UDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原 合成酶ATP ADP UTP UDPG 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-酮戊二酸拧 檬酸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TryPhe Trp IleTrpHisCTP AMPGlnLysMet Thr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高丝氨酸氨基苯甲酸细胞能量状态指标能荷 = ATP+0.5ADPATP+ADP+AMPATPATP ADPATP系统质量作用比 =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PEPADP+Pi ATPADP+Pi ATPNADH O2ATP ADP+PiAMP + ATP 2ADP PiPiPEP 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 ）。 目前已知有六种修饰方式： 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)。激酶ATP ADP磷酸化酶 b（无活性）磷酸化酶 a P（有活性）磷酸酯酶-OH H2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰共价修饰酶 级 联系统调控示意图意义 ： 由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。肾上腺素或胰高血糖素1、 腺苷酸环化酶（无活性） 腺苷酸环化酶（活性）2、 ATPcAMPR、 cAMP3、 蛋白激酶（无活性） 蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶 b（ 无活性） 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肾上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖ATP ADPATP ADP456cAMP激活蛋白激酶的作用机理糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控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。糖原合成酶 a ( 有活性 )糖原磷酸化酶 b ( 无活性 )OHOH ATPADPH2OPi糖原合成酶 b ( 无活性 )糖原磷酸化酶 a ( 有活性 )PP三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;磷脂合成细胞膜结构对代谢的调节和控制作用细胞膜结构对代谢的调节和控制作用 控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度 控制细胞和细胞器的物质运输控制细胞和细胞器的物质运输 内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统对代谢途径的分隔作用 膜与酶的可逆结合膜与酶的可逆结合四、激四、激 素素 调调 节节 的的 机机 制制1、 含氮激素 作用模式2、 甾醇类激素作用模式甾醇类激素作用原理示意图肽类激素通过 cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图ATP cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c + R cAMP蛋白激酶（有活性）受体 环化酶激素G蛋白一、 原核和真核基因组二、 原核生物酶合成调节的遗传机制三、 真核生物基因表达的调控第二节第二节 基因表达的调控基因表达的调控基因 （ 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序列及无转录产物的调控序列。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。原核和真核基因组基因 (gene)概念的发展1866年年 Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念1903年年 Sutton & Boveri 提出遗传因子位于染色体上提出遗传因子位于染色体上1909年年 Johansen 提出基因概念，取代遗传因子提出基因概念，取代遗传因子1910年年 Morgen 建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位1941年年 Beadle 提出一个基因一个酶学说提出一个基因一个酶学说1944年年 Avery 首次用实验证实首次用实验证实 DNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体1953年年 Watson & Crick 确定确定 DNA双螺旋结构，进一步确定了基双螺旋结构，进一步确定了基因的本质因的本质1957年年 Benzer 提出顺反子提出顺反子 (cistron)学说，认为基因是学说，认为基因是 DNA分子的一分子的一段序列，负责遗传信息的传递段序列，负责遗传信息的传递70年代年代 发现基因包括有遗传效应的外显子发现基因包括有遗传效应的外显子 (intron)和无效应的内和无效应的内含子含子 (extron)原核生物基因组的特点1、基因组小，单复制子，、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；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、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）；中（多顺反子）；3、有基因重叠，以此增加信息容量。、有基因重叠，以此增加信息容量。真核生物基因组的特点1、基因组大，有多个复制子；、基因组大，有多个复制子； mRNA 为单顺反子；为单顺反子；2、有大量重复序列，根据重复次数可分为：、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，编码中度重复序列，可重复几十到几千次，编码 tRNA、 rRNA和和 表达量大的蛋白质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、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才成为可翻译的 mRNA模板或功能模板或功能 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。上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。 操纵子 原核基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质， S）控制部位操纵部位（ operator, O）启动子（ premotor, P） 酶诱导和阻遏的操纵子模型 合成途径操纵子的衰减作用原核生物酶合成调节的遗传机制原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说操纵子学说调节基因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操纵部位启动子调节基因 结构基因阻遏蛋白(有活性 )阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合 ,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用 ,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合 , 结构基因可以表达阻遏蛋白 (无活性 ) 酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合 ,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因 ,结构基因不表达代谢产物大肠杆菌乳糖操纵子模型调节基因操纵部位乳糖结构基因P LacZ LacY LacamRNA阻遏蛋白（有活性）基 因 关 闭启动子ORP LacZ LacY Laca调节基因操纵部位乳糖结构基因启动子ORmRNAZ mRNAY mRNAa阻遏蛋白（无活性） 基 因 表达mRNAA、 乳糖操纵子的结构B、 乳糖酶的诱导乳糖阻遏蛋白（有活性）乳糖操纵子的降解物阻遏R LacZ LacY LacamRNA mRNAZ mRNAY mRNAa 基 因 表达CAP基因 结构基因TCGP(CAP)OCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP -CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5-AMP抑制激活葡萄糖降解物与 cAMP的关系cAMPCGP： 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）降低 cAMP浓度使 CAP呈失活状态大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制Trp密码子1112322 334 44核糖体核糖体转录继续 转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达 2部位， 3与 4 碱基配对