第章代谢调控PPT课件.ppt

第16章代谢的调节控制 1 生物体是一个完整的统一体 糖 脂肪 蛋白质以及核酸等代谢在体内构成新陈代谢的整体网络 各反应密切联系 通过一系列调控机制来协调 2 代谢网络细胞中的各种生物分子最终都与几类基本代谢联系 进入一定的代谢途径 不同的代谢途径又通过共同中间代谢物得以沟通 形成代谢网络 6 磷酸葡萄糖 丙酮酸和乙酰辅酶A是沟通各代谢的最关键中间物 磷酸二羟丙酮 PEP 草酰乙酸 酮戊二酸 磷酸核糖等 在沟通各代谢形成代谢网络中也起着重要作用 3 4 糖 脂肪 蛋白质及核酸在代谢过程中形成网络 并密切相关 相互转化 相互制约 三羧酸循环不仅是各类物质代谢的共同途径 而且也是它们之间相互联系的枢纽 5 调节系统使各种代谢协调地进行 代谢调节可在酶水平 细胞水平 激素水平和神经调节等不同层面上进行 最终都是以酶水平调节为基础 6 酶水平调节包括 酶合成的调节和酶活性的调节 酶合成的调节 酶含量和酶的种类 主要取决于基因调节 基因调节以转录水平为主 原核以操纵子为调控单位 真核则通过DNA上的顺式作用元件和反式作用因子的相互作用而使基因打开 7 第一节代谢调节的类型生物体内复杂的代谢途径是在严密的调节下 才使生命活动正常地运转 代谢失调可导致代谢障碍 出现病态甚至危及生命 某些生物的代谢障碍可能累积对人类有用的中间代谢物 因此 研究代谢调节机制有着十分重要的理论意义和实用价值 8 代谢调节在四个相互联系 彼此协调又各具特色的层面上进行 即神经水平 激素水平 细胞水平和酶水平 9 酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式 为动植物和单细胞生物所共有 激素和神经的调节是生物进化发展而完善起来的调节机制 通过细胞水平和分子水平的变化来体现 细胞水平的调节是由单细胞生物到高等动物都具有的一种原始调节方式 细胞水平的调节涉及基因表达的调控 酶活性的调控和细胞区域化调控三个方面 10 一 细胞区域化调节 细胞有精细的结构真核细胞形成了很多结构复杂的内膜系统和细胞器 各类代谢反应的酶定位于不同的细胞区域中 使各代谢在空间上彼此隔开 互不干扰 按一定方向进行 11 12 细胞内不同区域各种代谢物的浓度并非均匀一致绝大多数代谢物必须由膜上专门的运输系统才能从通过膜 膜运输系统的活性也是可调节的 是代谢调节中一个重要环节 膜上物质通道及膜运输系统的调节 使各代谢在可调控下又能互相沟通 13 二 酶水平调节酶水平调节是生物体内最基本 最普遍的调节方式 是通过改变细胞中酶的含量和酶的活性对代谢途径进行调节 14 一 酶含量的调节 酶的合成和降解速度可调节酶的含量 细胞内不断合成新酶 也不断降解原有的酶 酶的合成主要在基因转录水平进行调节 酶的降解速率也通过十分复杂的机制受到有效的控制 15 二 改变酶的构象或结构而调节酶活性酶活性水平调节的类型包括酶的抑制和激活作用 抑制作用可分为简单抑制和反馈抑制 简单抑制 根据质量作用定律 一种代谢产物在细胞内累积多时 可抑制其本身的形成 抑制不涉及酶结构变化 反馈抑制 系列反应终产物对酶活力的抑制 16 酶活性通过酶原激活 别构效应 共价修饰以及聚合和解聚等机制进行调节 17 1 酶原激活酶原激活调节的意义在于生物体的自身保护 同时当机体需要时 酶可迅速转化为活性形式 及时保证了代谢的需要 18 19 2 酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节别构酶活性变化对调节物浓度的改变很敏感 细胞可以通过酶的别构效应使酶活力升高或降低以调节其代谢速度 别构效应物主要有 专门合成的效应剂 底物 产物或代谢途径的最终产物 与该代谢酶系有关的辅酶和核苷酸类化合物 20 前馈 feedforward 和反馈 feedback 前馈是指代谢底物或代谢途径中早期的中间产物 对代谢途径后面某步反应酶活性的影响 反馈是指一个代谢途径的终产物对关键酶的活性的影响 前馈和反馈又可分为激活和抑制两种作用 凡反应物能使代谢过程速度加快者 称为激活作用 反之 称为抑制作用 21 22 限速步骤与限速酶 标兵酶 在代谢过程的一系列反应中 进行最慢的一个反应是整个过程的限速步骤 催化此限速步骤的酶称为限速酶或 标兵酶 它是一种调节酶 常为别构酶 23 反馈抑制 feedbackinhibition 反馈抑制 在系列反应中终产物对反应序列前头的限速酶发生的抑制作用 从而调节了整个系列反应速度 受反馈抑制的酶均为调节酶 一般为别构酶 24 代谢中反馈抑制普遍存在 大肠杆菌从天冬氨酸和氨甲酰磷酸经过序列反应 最终生成CTP的反应 是最典型的反馈抑制 25 从天冬氨酸和氨甲酰磷酸生成CTP是一个线性序列反应 终产物CTP单独抑制限速酶ATCase 因而称为单价反馈抑制 在分支代谢途径中 限速酶的活性可受到两种或多种终产物的抑制 称为二价或多价反馈抑制 26 多价反馈抑制的几种抑制机理 顺序反馈抑制 sequentialfeedbackinhibition 27 细菌中的芳香族氨基酸的合成 就是通过顺序反馈抑制方式调节的 28 协同反馈抑制 concertedfeedbackinhibition 29 荚膜红假单孢菌中的苏氨酸和赖氨酸对天冬氨酸激酶是协同反馈抑制 30 积累反馈抑制 cumulativefeedbackinhibition 31 大肠杆菌谷酰胺合成酶的抑制是积累反馈抑制 谷氨酰胺是合成AMP CTP Gly His Ala Try 磷酸氨基葡萄糖 氨甲酰磷酸等8种物质的前体 谷氨酰胺合成酶是上述物质合成途径的第一个酶 当8种终产物单独积累时都只能部分地抑制该酶活力 当8种产物分别与该酶的相应专一结合中心结合时 其酶活性几乎完全丧失 32 同工酶反馈抑制 isoenzymefeedbackinhibition 33 天冬氨酸合成赖氨酸 甲硫氨酸 苏氨酸 异亮氨酸的调节是同工酶反馈抑制 34 前馈激活 feedforwardactivation 前馈激活 在一反应序列中 前面的代谢物可对后面的酶起激活作用 促使反应向前进行 35 合成代谢中通过反馈抑制可避免过多的终产物累积 也避免其他中间代谢物的堆积 前馈激活在降解代谢中起调节作用 36 3 酶分子的解离和聚合酶分子的解离与聚合引起的构象改变对酶活力也有调节作用 碱性磷酸酶的两个亚基聚合时表现催化活力 在有柠檬酸盐存在时乙酰CoA羧化酶20个单体聚集 表现出催化活力 而除去柠檬酸盐或加人丙二酰CoA和软脂酰CoA时则引起酶的解聚 使活力下降 cAMP与蛋白激酶的调节亚基结合 使构象改变而解离出的催化亚基表现催化活力 37 4共价修饰与级联放大机制酶分子中的某些基团在其他酶的催化下 可共价结合或脱去 引起酶分子构象改变而调节其活性 此类酶称为共价修饰调节酶 酶的共价修饰方式包括 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 38 39 40 共价修饰调节机制不同于别构调节 共价修饰调节涉及酶分子共价键的变化 是酶促反应 对调节物有信号放大效应 共价修饰调节酶通常同时存在无活性 或低活性 与有活性 或高活性 两种形态 通过可逆的酶促共价修饰相互转变 只需消耗很少的能量 ATP 便可对其活性进行有效的调控 41 对酶进行共价修饰的酶 蛋白激酶 蛋白磷酸酶 自己也是受调节的 它们的活性受激素等调节因素的控制 生物体内极少量的调节物质可通过酶促共价修饰逐级增大调节效应 产生级联放大作用 42 肾上腺素促进肝糖原降解的级联放大机制 只要体内有极微量的肾上腺素到达靶细胞 就会使细胞内cAMP含量升高 然后通过级联放大 最终使无活性的磷酸化酶b转变为有活性的磷酸化酶a 43 44 在这些连锁的酶促反应过程中 前一反应的产物是后一反应的催化剂 每进行一次共价修饰反应 就产生一次放大作用 如果每一级反应放大102倍 即假定一个酶分子可引起100个底物分子发生反应 那么 经过四级放大后 从激素促进cAMP生成到磷酸化酶a生成反应为止 调节效率放大了108倍 就可生成1亿多的磷酸化酶a 其催化糖原生成G 1 P的效率极大地提高 45 5辅因子对已有酶活性的调节生物体内的许多代谢都与辅因子有关 因此 辅因子的供应会影响酶促反应的进行 因而也起调节作用 能荷对代谢的调节能荷反映了细胞内ATP ADP AMP的浓度关系 ATP的产生和水解与产能的分解代谢和耗能的合成代谢紧密偶联 同时这三种腺苷酸还是许多别构酶的效应剂 因而在代谢调节中有重要作用 46 NADH NAD 比对代谢的调节NADH和NAD 在细胞内参与能量代谢和氧化还原反应 一定比例的 NADH 和 NAD 对正常的细胞代谢是必要的 NADH主要由EMP和TCA生成 细胞内的NADH对磷酸果糖激酶 要求NAD 的异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶均有抑制作用 这样 NADH对其本身的生成也起调节作用 47 细胞内很多小分子的代谢也受 NAD 或 NADH 的影响 例如 动物肝脏细胞对乙醇的代谢过程需要NAD 参与 48 金属离子浓度的调节许多酶可被金属离子活化 金属离子的含量水平对酶活性也起着调节作用 在光合作用中固定CO2的Rubisco受Mg2 活化 当叶绿体照光时 Mg2 从类囊体内向外转移 进入基质 在其中引起Rubisco活化 从而促进CO2的固定 Mg2 是磷酸果糖激酶和己糖激酶等许多激酶的激活剂 Ca2 Mn2 C1 等也作为很多酶的激活剂 49 三 激素对代谢的调节激素是由动 植物 的特殊细胞合成 并经体液输送到作用部位调节控制各种物质代谢和显示特殊生理活性的多种微量化学物质 动物有合成各种激素的专一组织和腺体 激素对代谢的调节是通过对酶活性的控制和对酶及其他生化物质合成的诱导作用来实现的 50 1激素的种类及生理功能激素对代谢的调节强度较大 体内的一种代谢过程常受多种激素作用 一种激素也常可影响多种代谢过程 51 52 53 2激素对代谢的调节蛋白质和肽类激素与类固醇激素的作用机制不同 蛋白质和肽类激素激素从内分泌腺分泌后 经体液循环运送到靶细胞 与膜上受体结合 激活膜上的腺苷酸环化酶 生成cAMP cAMP继而激活蛋白激酶 催化细胞内蛋白质和酶的磷酸化 通过共价修饰及级联放大在代谢调节中起作用 肾上腺素 胰高血糖素 甲状旁腺素等都通过这一机制起作用 54 激素被称为 第一信使 cAMP称为 第二信使 55 类固醇激素类固醇激素作用于DNA 最终通过影响蛋白质合成而影响酶活 因此 作用慢 类固醇激素分泌后 经血液循环运送到靶细胞 与靶细胞内的 受体蛋白 结合 形成激素受体蛋白复合物 此复合物在一定条件下进入细胞核 通过影响转录和蛋白质合成过程影响某种酶蛋白的活性 以此对代谢进行调节 激素仍然是 第一信使 而细胞内的激素 受体蛋白复合物相当于 第二信使 56 57 四 神经系统对代谢的调节神经系统对代谢的调节分为直接作用和通过调控激素的分泌对代谢进行调控两方面 高等动物有复杂和完善的神经系统 动物可根据内外环境变化 通过神经系统对体内各器官的代谢与生理功能进行快捷有效的控制和协调 因而神经调节是最高水平的调节 58 第二节基因表达调控生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平 最根本的还是基因的表达调控 基因表达可以看作遗传信息的转录和翻译过程 这个过程在细胞内是在严密的自我调节控制下进行的 无论是转录或翻译过程都有一定的调节机制 但主要在转录水平上进行调节 59 一 原核和真核生物基因组1基因和基因组基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列 是遗传物质的最小功能单位 60 基因包括 编码蛋白质的基因 它具有转录和翻译功能 包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因 只有转录功能而没有翻译功能的基因 有tRNA基因和rRNA基因 不转录的基因 它对基因表达起调节控制作用 包括启动基因和操纵基因 61 基因组 genome 是指含有一个生物体生存 发育 活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸 62 2原核生物基因组的特点 原核染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成 基因组小 不编码的DNA部份所占比例很小 结构基因一般是单拷贝 但是编码rRNA的基因往往是多拷贝的 63 功能相关的基因构成操纵子 并常转录成为多顺反子的mRNA 一个结构基因称为一个顺反子 有重叠基因 重叠操纵子现象 64 3真核生物基因组的特点 基因组远大于原核生物的基因组 具有多个复制起点 而每个复制子的长度较小 如人的单倍体基因组有3 109bp 大约含有3万个基因 而E coli基因组约4 106bp 约有4000个基因 65 真核生物基因组DNA与组蛋白等构成染色质 被包裹在核膜内 核外还存在遗传成分 如线粒体DNA等 体细胞一般是二倍体 即有两份同源的基因组 以及多倍体 真核生物一个结构基因转录生成一条mRNA 即单顺反子 基本上没有操纵子的结构 66 DNA的非编码区存在大量重复序列 重复序列或集中成簇 或散在分布于基因间 基因组中不编码的区域多于编码区域 并且 编码蛋白质的基因一般是不连续的 断裂基因 即有外显子和内含子 在转录后经剪接成成熟mRNA后 才能翻译成蛋白质 哺乳类基因组的中可能仅有2 的序列是编码蛋白质 67 二 原核生物基因表达调控1基因表达的概念基因表达 geneexpression 是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程 68 基因表达包括 基因经转录 翻译产生有生物活性的蛋白质的过程 rRNA或tRNA的基因经转录和加工产生成熟的rRNA或tRNA的过程 69 基因表达是受到严格调控的 通常各组织细胞只合成其自身结构和功能所需的蛋白质 不同组织细胞中基因表达的数量 强度和种类各不相同 这就是基因表达的组织特异性 tissuespecificity 细胞特定的基因表达状态 就决定了这个组织细胞特有的形态和功能 70 细胞分化发育的不同时期 基因表达也不相同 这是基因表达的阶段特异性 stagespecificity 一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息 在个体发育分化的各个阶段 各种基因极为有序地表达 71 2操纵子学说细菌能随环境的变化 迅速改变某些基因表达的状态 大肠杆菌可利用葡萄糖 乳糖和麦芽糖等作为碳源 通常细菌优先使用葡萄糖 当葡萄糖耗尽 经过短时间的适应 细菌就能利用乳糖呈指数式繁殖增长 72 大肠杆菌二阶段生长现象 73 Jacob和Monod等人对大肠杆菌利用乳糖的适应现象进行了一系列研究 1961年提出乳糖操纵子 lacoperon 学说 在原核细胞DNA分子中基因表达的一个协调单位称为一个操纵子 包括启动基因 操纵基因 调节基因和一系列紧密连锁的结构基因 74 lacoperon模型 z y和a是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因 p是转录z y a所需要的启动子 调节基因i编码合成的调控蛋白R可与o结合而阻碍从p开始的转录 o就是调节基因开放的操纵基因 R 75 操纵子是调控原核生物基因表达的功能单位 它包括结构基因 调节基因和由调节基因产物所识别的调控序列 原核生物的多数基因以操纵子的形式组成基因表达调控的单元 共同开启或关闭 转录出多顺反子 polycistron 的mRNA 76 操纵子的基本的组成元件 elements 结构基因群一个操纵子中一般含有2个以上的结构基因 各结构基因头尾衔接 串连排列 组成结构基因群 77 启动子 promoter P 启动子是指能被RNA聚合酶识别 结合并启动基因转录的一段DNA序列 操纵子至少有一个启动子 控制整个结构基因群的转录 78 79 操纵基因操纵基因 operator O 是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列 操纵基因常与启动子邻近或重叠 当调控蛋白结合在操纵基因上 会影响其下游基因转录的强弱 80 乳糖操纵元的P O区及O区序列 81 调节基因调节基因 regulatorygene 是编码能与操纵基因结合的调控蛋白的基因 与操纵基因结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白 其介导的调控方式称为负调控 negativeregulation 82 与操纵基因结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白 activatingprotein 所介导的调控方式称为正调控 positiveregulation 83 某些特定的物质能与调控蛋白结合 使调控蛋白的空间构像发生变化 从而改变其对基因转录的影响 能诱导转录的称为诱导剂 inducer 能阻遏转录的称为阻遏剂 repressor 84 终止子终止子 terminatorT 是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列 操纵子中在构基因群最后一个基因的末端存在一个终止子 85 3 乳糖操纵子 lactoseoperon 的表达调控 乳糖操纵子的结构大肠杆菌乳糖操纵子包括 调节基因 启动子 操纵基因和3个结构基因 z y和a 等 86 z基因编码 半乳糖苷酶 催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖 y基因编码半乳糖透过酶 促使环境中的乳糖进入细菌 a基因编码转乙酰基酶 催化半乳糖的乙酰化 87 调节蛋白 CAP 降解物基因活化蛋白 P451 88 转录时 RNA聚合酶按Z Y A方向进行转录 每次转录出的一条mRNA上都带有这3个基因 89 阻遏蛋白的负调控无乳糖时 1ac操纵元处于阻遏状态 i基因低水平表达产生蛋白R R以四聚体的活性形式特异性地与操纵基因结合 阻碍了RNA聚合酶与启动子的结合 阻止了基因的转录起动 90 91 因此 R是乳糖操纵元的阻遏蛋白 92 有乳糖时 乳糖与R结合使R构象变化 R四聚体解聚 失去与操纵基因的亲和力而与操纵基因解离 93 94 CAP的正调控当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时 lac启动子表达受阻 没有 半乳糖苷酶活性 95 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关 当细菌利用葡萄糖时 cAMP含量低 当环境中无葡萄糖时 cAMP含量升高 磷酸二酯酶 腺苷酸环化酶 96 cAMP可与细菌受体蛋白CAP 降解物基因活化蛋白 Catabolitegeneactivatorprotein 特异结合 使CAP构象变化而活化 cAMP CAP能与1ac操纵子的启动子上游CAP位点特异结合 有利于形成转录起始复合物 并增强了RNA聚合酶的活性 97 有葡萄糖时 cAMP浓度降低 CAP不能被活化 1ac操纵子的结构基因表达下降 98 由于P1ac是弱启动子 只因乳糖的存在而发生去阻遏 使1ac操纵子开放表达水平很低 有CAP来加强转录活性 细菌才能合成足够的酶来利用乳糖 1ac操纵子的强诱导既要有乳糖存在 又要无葡萄糖利用 通过这种机制 细菌优先利用环境中的葡萄糖 只有无葡萄糖而有乳糖时 细菌才去充分利用乳糖 99 100 三 真核基因表达调控原核生物的调控系统是在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件 或使细胞在受到损伤时尽快得到修复 所以 原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的 真核基因表达调控能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因 从而实现 预定 的 有序的 不可逆转的分化 发育过程 并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能 101 1真核生物基因表达调控的不同层次 DNA和染色体水平的调控基因扩增 基因丢失 基因重排 基因沉默等 转录水平的调控转录的起始 延伸的弱化 终止 102 转录后RNA前体加工及转运的调控真核基因在细胞核中转录 在胞浆中翻译 转录后的加工包括剪切 拼接 编辑 修饰和转运等 翻译水平的调控 翻译后水平的调控 转录水平的调控是最基本 最经济的 103 真核生物基因表达调控的可能环节 104 2真核基因转录水平的调控真核生物基因组中无操纵子结构 基因转录的调节区相对较大 转录调控是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用实现的 105 顺式作用元件 cis actingelements 只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用 这种作用称为顺式作用 cisaction 顺式作用元件是真核细胞DNA上转录起点上游与基因表达调控有关的DNA序列 和特定的功能基因连锁在一起 可与许多起始转录有关的蛋白因子结合而调控转录 顺式作用元件包括启动子 promoter 增强子 enhancer 以及起负调控作用的沉默子 silencer 106 启动子对转录的影响启动子是转录起始位点附近启动转录所必需的一段DNA序列 107 每种RNA聚合酶都有自己的启动子 真核不同启动子间没有明显一致的序列 RNA聚合酶不能单独识别启动子而起动转录 需要多种蛋白质因子的相互协调作用 真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100 200bp序列 包含多个具有独立功能的DNA序列元件 每个元件约长7 30bp 108 增强子对转录的影响增强子是一段能提高转录效率的DNA序列 增强子被特异蛋白因子结合后可实现其作用 沉默子沉默子是与增强子作用相反 对转录起阻遏作用的顺式元件 109 反式作用因子 trans actingfactors 与顺式作用元件结合而影响转录的蛋白称为反式作用因子 真核生物的转录调控是通过顺式作用元件与反式作用因子的相互作用实现的 反式作用因子又称为转录因子 TF 是识别 结合顺式作用原件的特异蛋白质 110 真核生物基因结构复杂 基因激活过程涉及多种蛋白的作用 这些蛋白均为反式作用因子 真核RNA聚合酶是不能识别DNA上的结合位点 识别这些序列的是转录因子 TF 转录因子分为普通转录因子和特殊转录因子 普通转录因子是RNA聚合酶转录所有结构基因表达所需要的 是普遍存在的 特殊转录因子为个别基因转录所必需 决定某些基因在时间 空间上的特异性表达 111 转录因子的结合和作用方式真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低 需要依赖多种转录因子的协同作用才能起始转录 通过蛋白与DNA之间以及蛋白与蛋白之间的相互作用 形成复杂的起始转录复合物开始转录 所以转录因子上有与DNA的结合域和与其他蛋白质的结合域 112 DNA结合域 DNAbinding