大连理工大学生物化学细胞代谢与基因表达调控

细胞代谢与基因表达调控 糖分解代谢糖酵解 葡萄糖 丙酮酸63 84己糖进入糖酵解 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脱羧 丙酮酸 乙酰COA92 96柠檬酸循环 乙酰COA CO295 112氧化磷酸化 合成ATP114 146磷酸戊糖途径 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 糖合成代谢糖异生 糖酵解中间物 产物及TCA中间物 葡萄糖154 158葡萄糖 乳酸循环 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 脂肪的分解代谢脂肪酸 氧化 脂肪酸 乙酰COA234 239酮体氧化 乙酰乙酸 羟丁酸 乙酰COA CO2245脂类合成代谢脂肪酸合成 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形成酮体 乙酰COA 乙酰乙酸 羟丁酸244 245胆固醇及胆固醇酯合成 乙酰COA 胆固醇 胆固醇酯284磷脂合成 脂肪酸 磷脂268 278 氨基酸核苷酸代谢氨基酸分解 氨基酸 乙酰COA TCA中间物303 329氨基酸合成尿素循环 氨 尿素340 362葡萄糖 丙氨酸循环 丙氨酸 葡萄糖310核苷酸代谢核苷酸分解 嘌呤 尿酸 387 391嘧啶 氨 CO2 丙氨酸 氨基异丁酸核苷酸合成 氨基酸 嘌呤 嘧啶391 403DNA复制 修复 406RNA合成及加工 455蛋白质合成及修饰 517 一 细胞代谢的调节网络 糖代谢与脂类代谢的相互联系 一 细胞代谢的调节网络 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 糖原 或淀粉 1 6 二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮 磷酸烯醇丙酮酸 丙酮酸 植物或微生物 葡萄糖 糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖 酮酸氨基酸蛋白质 NH3 蛋白质氨基酸 酮酸糖 生糖氨基酸 脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系 脂肪 甘油 磷酸二羟丙酮 脂肪酸 乙酰CoA 氨基酸碳架 氨基酸 蛋白质 蛋白质 氨基酸 酮酸或乙酰CoA 脂肪酸 脂肪 生酮氨基酸 核酸与糖 脂类 蛋白质代谢的联系 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因子 各类物质代谢都离不开具高能磷酸键的各种核苷酸 如ATP是能量的 通货 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 核苷酸的一些衍生物具重要生理功能 如CoA NAD NADP cAMP cGMP 分解代谢和合成代谢的单向性 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 磷酸二羟丙酮 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 细胞能量状态指标 由ATP携带能量传递给细胞的需能过程 ATP ADP Pi 太阳能 化学能 生物合成 细胞运动 膜运输 肌肉使用ATP做功 肌肉使用ATP做功 脑利用ATP产生神经冲动 通过NADPH循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应 NADPH H NADP 分解代谢 还原性有机物 还原性生物合成反应 氧化物 还原性生物合成产物 氧化前体 二 代谢的基本要略 代谢的基本要略在于形成ATP 还原力和构造单元以用于生物合成各类生物分子 进而装配成生物不同层次的结构 生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程 需要由物质流 能量流和信息流来支持 代谢调节 生命有限的空间内 同时有复杂的代谢途径在运转 因此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 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变为复杂 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 反馈调节中酶活性调节的机制 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 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 PEP羧化反应的调节控制 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 PEP 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 氨基酸合成的反馈调控 糖酵解与TCA循环途径的调节 丙酮酸 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 PiATP ADP PiATP NADH O2 ATPADP Pi AMP ATP2ADP Pi Pi PEP羧激酶 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 Covalentmoldification 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 例 糖原磷酸化酶的共价修饰 酶的共价修饰 磷酸化酶的共价修饰 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 无活性 糖原磷酸化酶b 有活性 OH OH ATP ADP H2O Pi 糖原合成酶b 无活性 糖原磷酸化酶a 有活性 常见的共价修饰机制 酶的共价修饰 酶的共价修饰与级联放大 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 ATP cAMP R cAMP 3 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 1 4 5 6 酶原与酶原激活 酶的功能 催化剂 调控代谢速度 方向和途径调控方式 调节酶活性 酶含量 酶活性的调节 酶活性的别构调节 别构调节 别构调节 别构调节 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 细胞结构对代谢途径的分割控制 酶的区域化分布 膜结构对代谢的调节 新陈代谢的组织分工 肝脏中的糖代谢 脂肪的贮存与动员 肝脏中的脂肪酸代谢 肝脏中的氨基酸代谢 氧 代谢物 激素血液中的运输 血糖浓度的调节 饥饿状态时的能量调节 饥饿状态时的能量调节 饥饿状态时的能量调节 激素调节的机制 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 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 物质代谢的激素调节 物质代谢的激素调节 调节代谢的信息分子 信号受体的种类 物质代谢的激素调节 蛋白质的定位和寿命 1 原核和真核基因组2 原核生物酶合成调节的遗传机制3 真核生物基因表达的调控 三 基因表达的调控 基因 gene 概念的发展 1866年Mender建立遗传两大定律 提出遗传因子的概念1903年Sutton Boveri提出遗传因子位于染色体上1909年Johansen提出基因概念 取代遗传因子1910年Morgen建立基因假说 确认基因是确定性状的功能单位1941年Beadle提出一个基因一个酶学说1944年Avery首次用实验证实DNA是遗传信息的载体1953年Watson Crick确定DNA双螺旋结构 进一步确定了基因的本质1957年Benzer提出顺反子 cistron 学说 认为基因是分子的一段序列 负责遗传信息的传递70年代发现基因包括有遗传效应的外显子 intron 和无效应的内含子 extron 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 真核生物基因组的特点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 原核生物的基因表达调控 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操纵子学说 1961年 法国科学家莫诺 J L Monod 1910 1976 与雅可布 F Jacob 发表 蛋白质合成中的遗传调节机制 一文 提出操纵子学说 开创了基因调控的研究 1965年 莫诺与雅可布荣获诺贝尔生理学与医学奖 60年代中期 在操纵子中还发现了另一个开关基因 称为启动基因 promoter 启动基因位于操纵基因之前 二者紧密相邻 启动基因由环腺苷酸 cAMP 启动 而cAMP能被葡萄糖所抑制 这样 葡萄糖便通过抑制cAMP而间接抑制启动基因 使结构基因失活 停止合成半乳糖苷酶 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 操纵子的三个结构基因为 半乳糖苷酶 半乳糖苷通透酶和 半乳糖苷乙酰转移酶 在无乳糖时 阻遏蛋白与O区结合 阻止RNA聚合酶的转录在有乳糖时 乳糖与阻遏蛋白结合后 改变了阻遏蛋白的结构 使其不能与O区结合 乳糖操纵子 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 色氨酸操纵子 色氨酸操纵子有5个结构基因D E基因 共产生邻氨基苯甲酸合成酶C基因 产物是吲哚甘油磷酸合成酶B A基因 共同产物是色氨酸合成酶这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸的合成 色氨酸合成仅限细菌 大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制 C 高浓度Trp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Trp使核糖体停留在1部位 转录得以完成 乳糖和色氨酸操纵子的共同点 以负调控方式为主 蛋白质分子 阻遏物 对受调控的区域起抑制作用 由低分子物质 底物或产物 影响蛋白质对DNA的结合 结果 既满足细胞生长需求 又不无谓浪费 乳糖和色氨酸操纵子的不同点 乳糖操纵子色氨酸操纵子 基因开放基因关闭 cAMP对转录的调控 在乳糖和葡萄糖都存在时 哪种糖被优先利用 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子正调控方式CAP catabolitegeneactivatorprotein 分解代谢基因活化蛋白 受cAMP激活cAMP CAP复合物 结合于DNA上游的CAP位点 促进分解代谢基因表达CAP位点 位于PO上游 属正调控位点 cAMP对转录的调控 培养基中有葡萄糖时 葡萄糖代谢引起细胞内cAMP水平下降 乳糖操纵子基因关闭 培养基中葡萄糖不足时 cAMP水平升高 cAMP CAP复合物生成 cAMP使CAP变构 而与CAP位点结合 促进乳糖操纵子基因的转录 以便细胞利用乳糖 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 catabolicgeneactivationprotein CAP 环腺苷酸受体蛋白 cycilicAMPreceptorprotein CRP 使CAP呈失活状态 真核生物的基因转录调控 真核生物的基因转录调控更为复杂 总量大 30亿bp 10万基因分散在各染色体上 23对染色体 定位大量的内含子 比结构基因多十数倍大量的重复序列 重复次数可达几千 百万次更多的蛋白质参与基因的多态性 不同的地域 人种 个体 基因转录调控元件 TATAbox 30区CAATbox启动子GCbox上游活化序列 USA upstreamactivatorsequence应答元件与可诱导因子