第39章细胞代谢及基因表达调控

1、第第3939章细胞代谢及基因表达章细胞代谢及基因表达调控调控 细胞是生物机体的结构和功能单位，细胞代谢是一切生命活动的基础；细胞代谢包括物质代谢、能量代谢、信息代谢。生物体内的代谢调节在三种不同的水平上进行：分子水平调节；细胞水平调节；多细胞整体水平调节。所有这些调节机制都是在基因产物的作用下进行的，也就是说与基因表达的调控有关。 一、细胞代谢的调节网络 （一）代谢途径交叉形成网络 细胞内有数百种小分子在代谢中起着关键的作用，由它们构成了成千上万种生物大分子，其代谢有着密切的联系。细胞代谢的原则和方略：将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应（氧化还原、基团转移、水解合成、基团脱

2、加、异构反应），转化种类繁多的分子。不同的代谢途径可通过交叉点上关键的中间代谢物而相互作用、相互转化。这些共同的中间代谢物使各代谢途径得以沟通，形成经济有效、运作良好的代谢网络。其中最关键的中间代谢物是：葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸和乙酰辅酶A。 1.糖代谢与蛋白质代谢的相互关系 糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：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。蛋白质分解产生的氨基酸，在体

3、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。2.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）3.糖代谢与脂类代谢的相互联系糖糖乙酰乙酰CoA，NADPH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丙酮酸氧化脱羧丙酮酸氧化脱羧酵解酵解从头合成从头合成脂肪脂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CoA琥珀

4、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TCA4.核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的相互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。核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。 糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系 （二）分解代谢和合成代谢的单向性 分解代谢与相应的合

5、成代谢途径通常是不重合的，存在重要差别。差别方式有两种： 1. 部分代谢途径相同，个别或少数过程不相同，并由不同的酶催化； 2. 合成和分解途径完全不相同，由不同酶催化。 （三） ATP 是能量的通用载体 分解代谢过程如葡萄糖和其它燃料分子降解，所释放的能量通过 ADP - ATP 过程被贮存，然后再经过 ATP 的水解释放可作功的自由能，做四种功： 1. 驱动合成反应； 2. 细胞运动或肌肉收缩； 3. 跨膜逆浓度梯度主动运输营养物质； 4. DNA 、 RNA 、 Protein 生物合成过程中参与遗传信息传递。 （四）NADPH以还原力形式携带能量 NADPH 系携带分解代谢释放能量的另

6、一种形式， NADP + 是一些分解代谢中脱氢酶辅酶，结合释放的高能原子转化为 NADPH 再通过其氧化，将能量转移到需能的合成反应，提供还原力。生物合成过程系一还原反应过程，需要氢原子或电子形式的还原力，通过 NADPH 将分解代谢释放部分能量供给生物合成需要，从而实现能量的传递，在此过程中 NADP + +H + +e NADPH 实现自身循环。 （五）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 代谢途径是由一系列的酶促反应驱动；代谢的总轮廓特征为：分解代谢汇聚到少数几个终产物，各成代谢分叉产生许多产物；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

7、成。分解代谢产生能量和构造材料，再由 ATP 、 NADPH 和构造单元合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。 脂肪脂肪葡萄糖、其葡萄糖、其它单糖它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传电子传递（氧递（氧化）化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化小分子化合小分子化合物分解成共物分解成共同的中间产同的中间产物（如丙酮物（如丙酮酸、乙酰酸、乙酰CoA等）等）共同中间物共同中间物进入三羧酸进入三羧酸循环循环,氧化脱氧化脱下的氢由电下的氢由电子传递链传子传递链传递生成递生成H2O，释放出大，释放出大量能量，其量能量，其中一部分通中一部分通过磷酸化

8、储过磷酸化储存在存在ATP中中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位NADPH二、酶活性的调节酶对细胞代谢调节的两种方式：1. 通过激活或抑制以改变细胞内已有酶分子的催化活性，酶活性的调节包括酶的变构效应和共价修饰； 2. 通过影响酶分子的合成或降解来改变酶分子的含量。 （一）酶促反应的前馈和反馈 乙酰辅酶A对丙二酸单酰辅酶A合成的负前馈作用前馈作用前馈作用反馈作用反馈作用（二）产能反应与需能反应的调节ATP与ADP和Pi的浓度比值ATP/ADPPi（质量作用比）是细胞能量代谢的一种指标； 正常情况下质量作用比是很高的，当某些需要ATP的细胞活动突然增加时，ATP迅速分解成ADP和

9、磷酸盐，从而降低ATP/ADPPi比值。ADP浓度的增加即能自动增加电子传递和氧化磷酸化的速度，从而加速ADP合成ATP的反应。该过程一直持续到ATP/ADPPi比值返回到正常的高水平，于是氧化磷酸化的速度再次降低。ADP、ADP和磷酸盐是许多调节酶的变构效应物。 例如，在糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化途径中，ATP是抑制效应物，ADP和磷酸盐是激活效应物。 （三）酶活性的特异激活剂和抑制剂凝血和抗凝血 （四）蛋白酶解对酶活性的影响蛋白酶解是不可逆的过程，并且不需要提供能量。酶原的激活；蛋白质激素的激活； （五）酶的共价修饰与连续激活 共价修饰的类型：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰

10、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)。磷酸化：蛋白激酶催化，由磷酸化：蛋白激酶催化，由ATPATP供给磷酸基和能量，磷酸供给磷酸基和能量，磷酸 基转移到靶蛋白特异的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上；基转移到靶蛋白特异的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上；脱磷酸：蛋白磷酸酯酶催化，水解将磷脱下。脱磷酸：蛋白磷酸酯酶催化，水解将磷脱下。三、细胞结构对代谢途径的分隔控制 （一）细胞结构和酶的空间分布细胞膜：是细胞与外界环境的屏障，控制着细胞与环境之间物质、能量和信息交换。功能有：离子和中性化合物的选择性运输；不同形式能量的转换；通过膜受体将信号由胞外传导至胞内

11、。核膜：双层核膜将原生质分成细胞核和细胞质两大结构和功能区域。细胞核是遗传信息的贮存场所，并在这里进行基因复制和转录，从而控制细胞的代谢活动。胞液：糖酵解、糖原异生、磷酸葡萄糖途径，以及糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸的生物合成都在胞液中进行。此外，胞液中还含有多种细胞骨架蛋白，也是蛋白质合成的主要场所。内质网：分为粗面内质网和颗粒内质网。 内质网还能形成运输泡，将泡内的可溶性蛋白运输特定靶部位。 高尔基体：主要由光滑膜形成的一些排列整齐的扁囊和周围膨大的小泡组成。具有对细胞何处无或吸收物加工、浓缩、包装和运输功能，参与细胞的分泌和吸收的过程。高尔基体还与细胞的胞饮和吞噬作用有关。溶酶体：溶酶体的膜

12、形成囊泡状结构，其内含有水解酶类。不同溶酶体所含水解酶的比例及数量不同。主要功能为消化、吸收、防御积极吞噬作用和细胞自溶作用。线粒体：线粒体的膜分为内膜和外膜，内膜折皱形成嵴，其上含有大量与呼吸链有关的细胞色素和氧化还原酶、ATP合成酶以及调节代谢物进出的运输蛋白。基质中还含有许多物质代谢过程相关的酶类。表面附有大量核糖体，是分泌型蛋白质和跨膜表面附有大量核糖体，是分泌型蛋白质和跨膜蛋白合成的重要场所。蛋白合成的重要场所。不附核糖体，除少数线粒体磷脂外，细胞的磷不附核糖体，除少数线粒体磷脂外，细胞的磷脂、糖脂和胆固醇几乎都是由内质网膜上的酶类催化。脂、糖脂和胆固醇几乎都是由内质网膜上的酶类催化

13、。（二）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； 如，植物、真菌和细菌中Na+离子流驱动氨基酸和糖的运输；线粒体内膜利用质子梯度合成ATP等。控制细胞和细胞器的物质运输； 如，胰岛素促进肌肉及脂肪细胞对葡萄糖的主动运输能促进糖原合成和转变为脂肪，以及肌肉和脂肪细胞对糖的利用。内膜系统对代谢途径的分隔作用； 如，脂肪酸的分解代谢与合成代谢，过氧化物酶体。膜与酶的可逆结合。 一些可与膜可逆结合的双关酶，可通过改变其与膜结合后构象的变化来调节代谢活动，如，己糖激酶。（三）蛋白质的定位控制 分泌蛋白和膜蛋白合成后的运送牵涉到“信号肽”的引导作用。五、基因表达的调节 1. 组成型

14、表达组成型表达指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。 2. 可调型表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。指一段编码蛋白质多肽链和功能指一段编码蛋白质多肽链和功能

15、RNA的的DNA（某些（某些病毒基因为病毒基因为RNA）。基因表达即是遗传信息的转录和翻译）。基因表达即是遗传信息的转录和翻译过程过程。 （一）原核生物基因表达的调节1.操纵子模型 操纵子：即基因表达的协调单位，它们有共同的控制区和调节系统。操纵子操纵子结构基因：转录成多顺反子结构基因：转录成多顺反子mRNA控制部位：由启动子（控制部位：由启动子（promoter，P）、操纵基因）、操纵基因（operator，O）组成。可受调节基因产物调节。）组成。可受调节基因产物调节。操纵子模型说明，酶的诱导和阻遏是在调节基因产物阻遏蛋白操纵子模型说明，酶的诱导和阻遏是在调节基因产物阻遏蛋白的作用下，通过操

16、纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的。的。操纵子的负调控酶的诱导表达乳糖操纵子上依次排列着启动子、操纵基因和三个结构基因。这三个结构乳糖操纵子上依次排列着启动子、操纵基因和三个结构基因。这三个结构基因分别是：基因分别是：lacZ，编码分解乳糖的，编码分解乳糖的-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；lacY，编码吸收乳糖的，编码吸收乳糖的-半乳糖苷透性酶；半乳糖苷透性酶；lacA，编码，编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。当无诱导物当无诱导物（信号分子）存在时（信号分子）存在时当有信号分子（诱导物）当有信号分子（诱导物）时阻遏蛋白从时阻

17、遏蛋白从DNA上脱离上脱离乳糖操纵子：乳糖操纵子：乳糖可作为诱导物分解利用乳乳糖可作为诱导物分解利用乳糖的酶的基因转录糖的酶的基因转录信号分子（诱导物）信号分子（诱导物）阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白结合于操纵基因抑制结构基因转录阻遏蛋白结合于操纵基因抑制结构基因转录操纵子的负调控酶的阻遏表达当合成产物积累时，阻遏蛋白被当合成产物积累时，阻遏蛋白被合成产物激活而与操纵基因结合合成产物激活而与操纵基因结合辅阻遏物（合成产物）辅阻遏物（合成产物）阻遏蛋白阻遏蛋白当合成产物减少时，合成产物当合成产物减少时，合成产物脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失活。转录酶使结构基因转录，活。转录酶使结

18、构基因转录，蛋白质酶合成使合成代谢开始蛋白质酶合成使合成代谢开始色氨酸操纵子：色氨酸操纵子：色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸合成产物辅阻遏物色氨酸合成产物辅阻遏物转录因子结合于启动子上游转录因子结合于启动子上游促进转录酶结合于启动子上促进转录酶结合于启动子上从而促进结构基因的转录从而促进结构基因的转录辅阻遏物使转录因子失活辅阻遏物使转录因子失活而从而从DNA上脱离也使上脱离也使RNA聚合酶不能结合于聚合酶不能结合于DNA上上活性转录因子活性转录因子 抑制信号抑制信号(辅阻遏物辅阻遏物)无活性转录因子无活性转录因子操纵

19、子的正调控诱导物的诱导作用诱导物存在时无活性转录因诱导物存在时无活性转录因子被激活而结合于子被激活而结合于DNA上，上，促进促进RNA聚合酶结合于聚合酶结合于DNA促进结构基因转录促进结构基因转录无诱导物存在：无诱导物存在：转录因子无活性而从转录因子无活性而从DNA脱离脱离RNA聚合酶不能结合于聚合酶不能结合于DNA结构基因不能转录结构基因不能转录2.降解物阻遏 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP(cAM

20、P receptor protein,CRP)，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP(CRPcAMP activated protein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。3.合成途径操纵子的衰减作用 除了阻遏物除了阻遏物-操纵基因的调节外，还存在另外一种在转操纵基因的调节外，还存在另外一种在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录。录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录。这种调节作用部位称为衰减子，是一种位于结构基因上游这种调节作用部位称为衰减子，是一种位于结构基因上游前导区

21、的终止子。前导区编码前导区的终止子。前导区编码mRNA的前导序列，该序列的前导序列，该序列可合成一段小肽，它在发你也能水平上控制前导区转录的可合成一段小肽，它在发你也能水平上控制前导区转录的终止。终止。 阻遏和衰减机制虽然都是在转录水平上进行调节，但阻遏和衰减机制虽然都是在转录水平上进行调节，但是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始，后者是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始，后者控制转录后是否继续下去。控制转录后是否继续下去。4.生长速度的调节 细菌在不同的生长培养基中表现出不同的生长速度。当细菌处于贫瘠的生长环境，缺乏氨基酸供给蛋白质合成，它们即关闭大部分的代谢活性，这种现象称

22、为严紧控制（ stringent control ），即细菌为节省其贮存物将代谢活性降至最低，借以渡过艰难时期，等待培养条件的改善。 例如，（p）ppGpp对rRNA合成的调节。5.基因表达的时序控制噬菌体的调节基因和转录产物 噬菌体的溶原和裂解：取决于噬菌体的溶原和裂解：取决于CI蛋白和蛋白和Cro蛋白在最初蛋白在最初20分钟两种阻遏蛋白的合成速度。分钟两种阻遏蛋白的合成速度。 CI蛋白占优势进入溶原状态，蛋白占优势进入溶原状态， Cro蛋白占优势蛋白占优势CI蛋白不能合成，噬菌体进入营养繁殖周期。蛋白不能合成，噬菌体进入营养繁殖周期。 6.翻译水平的调节和反义RNA翻译水平的调节 1.不同

23、mRNA翻译能力的差异 SD序列、常用密码子和稀有密码子、操纵子协同表达。 2.翻译阻遏作用 按其自身需要的速度合成。如核糖体蛋白质，能和自身的mRNA起始控制部位相结合而影响翻译。 3.反义RNA的作用 可以通过互补序列与特定的mRNA相结合（SD序列和起始密码子）从而抑制mRNA的翻译。 （二）真核生物基因表达的调节1.转录前水平的调节（1）染色质丢失 某些低等真核生物，在发育早期卵裂阶段，所有分裂细胞除一个之外，均将异染色质部分删除掉，从而使染色质减少一半。而保持完整基因组的细胞则称为下一代生殖细胞（2）基因扩增 真核细胞中还会发生基因扩增(gene amplification)，即基因

24、组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。最早发现的是蛙的成熟卵细胞在受精后的发育过程中其rRNA基因(可称为rDNA)可扩增2000倍，以后发现其他动物的卵细胞也有同样的情况，这很显然适合了受精后迅速发育分裂要合成大量蛋白质，需要有大量核糖体。（3）基因重排 基因重排即基因组序列发生改变，较常见的是失去一段特殊序列，或是一段序列从一个位点转移到另一个位点。重排可使基因发生切换，由表达一种基因转为表达另一种基因。（4）染色体DNA的修饰和异染色质化 凝缩状态的染色质称为异染色质，为非活性转录区。真核生物可以通过异染色质化而关闭某些基因的表达。如，雌性哺乳动物两个X染色体中的一个异染色质化永

25、久失去活性。而这种异染色质化通常与非活性区的的甲基化有关。2.转录活性调节（1）染色质的活化 染色质改型：染色质中与转录相关的结构变化称为染色质改型。 染色质改型包括核小体组蛋白核心的酶促乙酰化和脱乙酰化，该反应由组蛋白乙酰基转移酶催化下发生。另外，还要求一些蛋白质复合物，通过水解ATP提供的能量来促使核小体移动或取代。 真核细胞的转录还需要活化基因，需要众多的转录因子和辅转录因子，形成复杂的转录装置，并以正调节为主。（2）启动子和增强子的顺式作用元件启动子中的元件可以分为两种：1）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

26、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。2）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。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。如，增强子，它是一段能够促进转录的序列。它具有两个最显著的特点：一是它与启动子的相对位置无关。二是它无方向性。 增强子 增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占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