生物化学第十二章细胞代谢和基因表达调节

1、 一、代谢途径交叉形成网络一、代谢途径交叉形成网络 第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络 细胞代谢调节的总原则和方略 糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系 P624 糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系 脂脂 肪肪 甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢 脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoACoA琥珀酸琥珀酸 糖糖 (植物植物) 乙醛酸循环乙醛酸循环 -氧化氧化糖异生糖异生 TCA 糖糖 乙酰乙酰CoACoA，NADPHNADPH脂肪酸脂肪酸 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸甘油 脂肪脂肪 有有氧氧化氧氧化 酵解酵解 从头合成从头

2、合成 糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖糖 -酮酸酮酸 非必需氨基酸非必需氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3 蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖 （生糖氨基酸）（生糖氨基酸） 节首 氨基化氨基化 脂类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 脂肪脂肪 甘油甘油 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 脂肪酸脂肪酸 乙酰乙酰CoA 氨基酸碳架氨基酸碳架 非必需非必需 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸 酮酸或乙酰酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪酸 脂肪脂肪 （生酮氨基酸）（生酮氨基酸） 节首 TCA 核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白

3、质代谢的联系 3.3.核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoACoA、NAD+NAD+， NADP+NADP+，cAMPcAMP，cGMPcGMP）。）。 1.1.核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成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，影响细胞的成分和代谢类型 2.2.各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸， 如如ATPATP是能量的是能量的“通货通货”，此外，此外UTPUTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTPCTP 参与磷脂合成，参与磷脂合成，G

4、TPGTP参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用。 节首 4.4.核苷酸的生物合成需要糖代谢提供磷酸核糖，蛋白质核苷酸的生物合成需要糖代谢提供磷酸核糖，蛋白质 代谢提供氨基酸。代谢提供氨基酸。 5.5.核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，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。而且需要酶和多种蛋白质因子。 二、分解和合成代谢的单向性二、分解和合成代谢的单向性 三、三、ATP是通用的能量载体是通用的能量载体 四、四、NADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量 用于还原性生物合成用于还原性生物合成 五、代谢的要略五、代谢的要略

5、形成形成ATP、NADPH和结构单元用于生物合成和结构单元用于生物合成 节首 下一页 一、细胞水平的代谢调节一、细胞水平的代谢调节 二、激素水平的代谢调节二、激素水平的代谢调节 三、神经水平的代谢调节三、神经水平的代谢调节 第二节第二节 代谢调节代谢调节 代谢调节可在多个水平进行，如底物水平、酶水平等。代谢调节可在多个水平进行，如底物水平、酶水平等。 一、细胞水平的代谢调节一、细胞水平的代谢调节 （一）代谢途径的区域化（一）代谢途径的区域化分隔与控制分隔与控制 细胞具有精细结构，真核细胞具有膜包围的细胞器。细胞具有精细结构，真核细胞具有膜包围的细胞器。 因此代谢途径的有关酶类，常常组成酶系，分

6、布于细因此代谢途径的有关酶类，常常组成酶系，分布于细 胞的某一区域或亚细胞结构胞的某一区域或亚细胞结构。 1.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； 2.控制物质运输控制物质运输 3.膜与酶可逆结合膜与酶可逆结合双关酶（双关酶（HK，PFK等）等） P630 酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域 糖酵解酶系糖酵解酶系 TCA酶系酶系 磷酸戊糖途径酶系磷酸戊糖途径酶系 脂肪酸脂肪酸氧化酶系氧化酶系 脂肪酸合成酶系脂肪酸合成酶系 尿素合成酶系尿素合成酶系 胞浆胞浆 线粒体线粒体 胞浆胞浆 线粒体线粒体 胞浆胞浆 线粒体和胞浆线粒体和胞浆 蛋白质

7、合成酶系蛋白质合成酶系 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 水解酶类水解酶类 粗面内质网粗面内质网 细胞核细胞核 细胞核细胞核 溶酶体溶酶体 真核细胞内某些酶的区域化分布真核细胞内某些酶的区域化分布 节首 P631 （二）酶活性的调节（二）酶活性的调节 1.1. 别构调节别构调节抑制或激活抑制或激活 2. 2. 酶原激活酶原激活 3. 3. 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节 节首 （三）酶量的调节（三）酶量的调节 1 1、酶生物合成的诱导和阻遏、酶生物合成的诱导和阻遏 （原核生物目前研究较深入）（原核生物目前研究较深入） 操纵子学说操纵子学说 2 2、酶的降解、酶的降解 P626 二、激素

8、水平的代谢调节二、激素水平的代谢调节 激素的分类激素的分类 1 1、氨基酸及其衍生物类激素：酪氨酸的代谢产物、氨基酸及其衍生物类激素：酪氨酸的代谢产物 ，如甲状腺素、肾上腺素，如甲状腺素、肾上腺素 2 2、肽及蛋白质激素：胰岛素、降钙素等、肽及蛋白质激素：胰岛素、降钙素等 3 3、固醇类激素：肾上腺皮质激素、性激素、固醇类激素：肾上腺皮质激素、性激素 4 4、脂肪酸衍生物类激素：前列腺素、脂肪酸衍生物类激素：前列腺素 三、神经水平的调节（高等动物）三、神经水平的调节（高等动物） 中枢神经中枢神经 下丘脑下丘脑 垂体垂体 腺体腺体 靶细胞靶细胞 P632 P638 一、基因表达一、基因表达 1.

9、1.基因组基因组(genome)(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信 息或整套基因。息或整套基因。 2. 2. 基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)：遗传信息的展现，即：遗传信息的展现，即 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。质分子的过程。 可按一定时间程序发生改变可按一定时间程序发生改变时序调节时序调节 可随内外环境条件变化而调整可随内外环境条件变化而调整适应调节适应调节 第三节第三节 基因表达的调节基因表达的调节 （一）

10、基因表达的概念（一）基因表达的概念 P639 （二）基因表达的特点（二）基因表达的特点 1.时间特异性时间特异性 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性 (stage specificity)(stage specificity)。 2.空间特异性空间特异性 基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上 是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组细胞或组 织特异性织特异性(cell or tissue specificity)(ce

11、ll or tissue specificity)。 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空 间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial (spatial specificity)specificity)。 3.受内外环境条件的影响而变化受内外环境条件的影响而变化 （三）基因表达的方式（三）基因表达的方式 按照对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按照对刺激的反应性，基因表达的方式分为： 1. 组成型表达（持家基因）组成型表达（持家基因） 某些基因在个体的几乎某些基因在个体的几乎所有细胞所

12、有细胞中中持续恒定表达持续恒定表达，通常，通常 被称为管家基因或持家基因被称为管家基因或持家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。 管家基因较少受环境因素影响，在个体各个生长阶段管家基因较少受环境因素影响，在个体各个生长阶段 的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小，这类的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小，这类 基因表达被视为组成型表达基因表达被视为组成型表达(constitutive gene (constitutive gene expression)expression)。 2. 2. 可诱导和可阻遏表达（可调基因）可诱导和可阻遏

13、表达（可调基因） （1 1）可诱导）可诱导 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产 物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中 表达增强的过程，称为诱导表达增强的过程，称为诱导(induction)(induction)。如分解乳糖的基因。如分解乳糖的基因。 （2 2）可阻遏）可阻遏 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏 基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为

14、阻遏 (repression)(repression)。如合成。如合成TrpTrp的基因。的基因。 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其 为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达 (coordinate expression)(coordinate expression)，这种调节称为协调调节。，这种调节称为协调调节。 二、基因表达的多级调控二、基因表达的多级调控 1.DNA水平水平 2.转录水平：转录水平： 转录起始转录起始 、转录终止、转录后加工、转录终止、转录后加工 蛋

15、白质降解等蛋白质降解等 3.翻译水平翻译水平 反义反义RNARNA、mRNAmRNA的二级结构与稳定性、翻译后的二级结构与稳定性、翻译后 加工修饰加工修饰 第一个被阐明的操纵子第一个被阐明的操纵子大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子 基于乳糖对乳糖代谢酶的诱导现象：基于乳糖对乳糖代谢酶的诱导现象： 大肠杆菌培养基中没有乳糖，则细胞内参与乳糖分解代大肠杆菌培养基中没有乳糖，则细胞内参与乳糖分解代 谢的谢的3 3种酶很少（种酶很少（ -半乳糖苷酶半乳糖苷酶0.5-50.5-5个个/cell/cell）；一旦）；一旦 加入乳糖或其类似物，则几分钟内酶分子数骤增（加入乳糖或其类似物，则几分钟内酶分子数

16、骤增（ -半半 乳糖苷酶乳糖苷酶50005000个个/cell/cell，其它两种酶也大量增加）。，其它两种酶也大量增加）。 三、原核生物基因表达三、原核生物基因表达转录起始水平转录起始水平的调控的调控 为什么加入底物，相应的分解代谢的酶才会合成？为什么加入底物，相应的分解代谢的酶才会合成？ 经济原则经济原则 P S1S2S3 启动子启动子 O Promoter 调控序列调控序列结构基因结构基因 操纵子（操纵子（operon） 结合结合RNARNA 聚合酶聚合酶 表达功能蛋白表达功能蛋白 ? 操纵子（操纵子（operonoperon）: :原核生物基因表达调控的基本单位，原核生物基因表达调控的

17、基本单位，由一个或由一个或 多个相关的结构基因、调控它们转录的操纵基因、调节基因和启多个相关的结构基因、调控它们转录的操纵基因、调节基因和启 动子序列组成。动子序列组成。 操纵基因操纵基因 Operator I 调节基因调节基因 Regulator 表达调节蛋白表达调节蛋白 （一）大肠杆菌乳糖操纵子（一）大肠杆菌乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区 CAP结合位点结合位点 启动子启动子 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因 Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y： -半乳糖苷酶透过酶半乳糖苷酶透过酶 A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 ZYAOP DNA ZYAOP DNAI 调节

18、基因调节基因 P640 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 I DNA ZYAOP pol 没有乳糖存在时没有乳糖存在时 （二）乳糖操纵子阻遏蛋白的负调节（二）乳糖操纵子阻遏蛋白的负调节 调节基因调节基因 结构基因不能转录结构基因不能转录 mRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白 有乳糖存在时有乳糖存在时 I DNA ZYAOPpol 启动转录启动转录 mRNA 乳糖乳糖半乳糖半乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 诱导物诱导物 构象构象 改变改变 （三）乳糖操纵子（三）乳糖操纵子CAP的正调节（的正调节（P641） 葡萄糖效应葡萄糖效应：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长 时，优先

19、利用时，优先利用G G，只有在，只有在G G耗尽后耗尽后, ,经过一段停滞期才利用经过一段停滞期才利用 乳糖。乳糖。 分解分解G G的酶是组成型表达，的酶是组成型表达，G G的降解物影响了分解其它糖的降解物影响了分解其它糖 的酶表达的酶表达, ,称之为称之为降解物阻遏降解物阻遏。 调节基因的产物为环腺苷酸受体（调节基因的产物为环腺苷酸受体（CRPCRP），也称为降解），也称为降解 物基因活化蛋白（物基因活化蛋白（CAPCAP），与），与cAMPcAMP结合后被活化，与操结合后被活化，与操 纵子上某部位结合使纵子上某部位结合使DNADNA链弯曲，促进链弯曲，促进RNARNA聚合酶与启动聚合酶与启

20、动 子的结合，从而子的结合，从而cAMP-CRPcAMP-CRP能增强转录。能增强转录。 G G分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二 酯酶，导致酯酶，导致cAMPcAMP浓度降低，因而不能与浓度降低，因而不能与CAPCAP结合促进转录。结合促进转录。 ATP cAMP 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 磷酸二酯酶磷酸二酯酶 + + + + 转录转录 无葡萄糖时，无葡萄糖时，cAMP浓度高浓度高 有葡萄糖时，有葡萄糖时，cAMP浓度低浓度低 ZYAOP DNA CAP CAP CAPCAP CAP CAP CAP（catobolite ac

21、tivator protein）降解物基因活化蛋白降解物基因活化蛋白 cAMP pol （四）正、负调控的协调调节（四）正、负调控的协调调节 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共同存在时，细菌首先利用葡乳糖共同存在时，细菌首先利用葡 萄糖。萄糖。 mRNA 低乳糖时低乳糖时 高乳糖时高乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高 cAMP浓度低浓度低 RNA-pol OO OO 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用； 如无如无C

22、APCAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍 无转录活性。无转录活性。 名词解释名词解释 操纵子操纵子 基因表达基因表达 简答题简答题 1.简述代谢间的联系。简述代谢间的联系。 2.简述代谢调节的多级水平。简述代谢调节的多级水平。 3.乳糖操纵子的负调控如何实现的？（思考乳糖操纵子的负调控如何实现的？（思考 ） 糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖糖 -酮酸酮酸 非必需氨基酸非必需氨基酸 蛋白质蛋白质 NH3 蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖 （生糖氨基酸）（生糖氨基酸） 节首 氨基化氨基化 酶或酶系

23、酶或酶系所在区域所在区域酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域 糖酵解酶系糖酵解酶系 TCA酶系酶系 磷酸戊糖途径酶系磷酸戊糖途径酶系 脂肪酸脂肪酸氧化酶系氧化酶系 脂肪酸合成酶系脂肪酸合成酶系 尿素合成酶系尿素合成酶系 胞浆胞浆 线粒体线粒体 胞浆胞浆 线粒体线粒体 胞浆胞浆 线粒体和胞浆线粒体和胞浆 蛋白质合成酶系蛋白质合成酶系 DNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 水解酶类水解酶类 粗面内质网粗面内质网 细胞核细胞核 细胞核细胞核 溶酶体溶酶体 真核细胞内某些酶的区域化分布真核细胞内某些酶的区域化分布 节首 P631 2. 2. 可诱导和可阻遏表达（可调基因）可诱导和可阻遏表达（可调基因）

24、（1 1）可诱导）可诱导 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产 物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中 表达增强的过程，称为诱导表达增强的过程，称为诱导(induction)(induction)。如分解乳糖的基因。如分解乳糖的基因。 （2 2）可阻遏）可阻遏 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏 基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression)(repression)。如合成。如合成TrpTrp的基因。的基因。 在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其 为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达 (coordinate expression)(coordi