代谢调节与基因表达调控课件

代謝調節與基因表達調控一代謝途徑交叉形成網路二分解、合成代謝是單向三代謝基本要略第一節細胞代謝的調節網路第一節細胞代謝的調節網路糖代謝與Pr代謝的關係脂類代謝與Pr代謝的關係糖代謝與脂類代謝的關係核酸代謝與糖、脂類及Pr代謝的關係糖→→α-酮酸氨基酸蛋白質

+NH3蛋白質氨基酸α-酮酸糖（生糖氨基酸）糖可以轉變為非必需氨基酸。蛋白質可以轉變為糖。糖代謝與Pr代謝的關係草醯乙酸

—酮戊二酸氨基酸脂類分子中的甘油

丙酮酸

蛋白質甘油生酮氨基酸生糖氨基酸乙醯乙酸脂肪酸丙酮酸乙醯輔酶A丙二酸單醯輔酶A脂肪脂肪酸乙醯輔酶A

-氧化TCA迴圈草醯乙酸

—酮戊二酸蘋果酸

氨基酸琥珀酸乙醛酸迴圈氨基酸脂代謝與Pr代謝的關係磷酸二羥丙酮丙酮酸甘油乙醯輔酶A脂肪酸脂肪

-甘油磷酸磷酸二羥丙酮糖脂肪酸乙醯輔酶A琥珀酸草醯乙酸丙酮酸

-氧化乙醛酸迴圈TCA迴圈CO2+H2O糖尿病：脂肪酮體

在血液中產生酸中毒或到達肌肉中提供能源在饑餓時也產生與糖尿病類似的情況。脂肪糖乙醯乙酸丙酮

-羥丁酸糖代謝與脂類代謝的關係脂肪不能大量轉變為糖，除了油料作物種子脂肪代謝和糖代謝的關係延胡索酸琥珀酸蘋果酸草醯乙酸3-磷酸甘油三羧酸迴圈乙醛酸迴圈甘油乙醯CoA三醯甘油脂肪酸

氧化

糖原（或澱粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羥丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯繫

核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。

核酸是細胞內重要的遺傳物質，控制著蛋白質的合成，影響細胞的成分和代謝類型。

核酸生物合成需要糖和蛋白質的代謝中間產物參加，而且需要酶和多種蛋白質因數。

各類物質代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，如ATP是能量的“通貨”，此外UTP參與多糖的合成，CTP參與磷脂合成，GTP參與蛋白質合成與糖異生作用。PEP丙酮酸生酮氨基酸

-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸穀氨醯胺丙氨酸甘氨酸絲氨醯蘇氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙醯CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪醯氨色氨酸苯丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙醯乙醯CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬醯氨天冬氨酸苯丙醯氨酪氨酸異亮氨酸甲硫氨酸蘇氨酸纈氨酸琥珀醯CoA蘋果酸草醯乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質澱粉、糖原核酸生糖氨基酸穀氨醯氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單醯CoA1-磷酸葡萄糖糖類脂類氨基酸和核苷酸之間的代謝聯繫分解代謝和合成代謝的單向性

分解代謝和合成代謝各有其自身的途徑。

在一條代謝途徑中，某些關鍵部位正反應和逆反應往往是由兩種不同的酶所催化，一種酶催化正反應另一種酶催化逆反應，因此這些反應是相對獨立的單向反應。

這種分開的機制使生物合成和降解途徑或者正向反應和逆向反應分別處於熱力學的有利狀態，生物合成是吸能反應，降解則是放能反應，這些都遠離平衡點保證反應的單向進行。糖酵解和葡萄糖異生的關係（胞液）（線粒體）葡萄糖丙酮酸草醯乙酸天冬氨酸磷酸二羥丙酮3-P-甘油醛

-酮戊二酸乳酸谷氨酸丙氨酸TCA迴圈乙醯CoAPEPG-6-PF-6-PF-1.6-P丙酮酸草醯乙酸谷氨酸

-酮戊二酸天冬氨酸3-P-甘油甘油a/Ab/BC1C2AG-6-P磷酸酯酶BF-1.6-2P磷酸酯酶C1丙酮酸羧化酶C2PEP羧激酶C1ca己糖激酶b果糖磷酸激酶c

丙酮酸激酶ATP是通用的能量載體D通過NADPH迴圈將還原力由分解代謝轉移給生物合成反應NADPH+H+NADP+分解代謝還原性有機物還原性生物合成反應氧化物還原性生物合成產物氧化前體NADPH以還原力形式攜帶能量代謝的基本要略

細胞代謝包括分解代謝和合成代謝，其基本要略在於形成ATP、還原力和構造單元，以用於生物合成。底物水準磷酸化產生有限的ATP，綠色植物和光合細菌的光合磷酸化以及呼吸鏈的氧化磷酸化是ATP的主要來源。NADPH主要來自HMP。構造單元來自於四大生物分子的分解。

由ATP、NADPH和構造單元可合成各類生物分子，並進而裝配成生物不同層次的結構。生物合成和形態的建成是耗能和增加有序結構的過程，需要物質流、能量流、資訊流來支持。第二節酶活性的調節

酶的功能酶促反應的前饋和回饋酶的共價修飾酶除了具有催化功能外，還具有調節和控制各類生物化學反應速度、方向和途徑的功能。酶水準的調節作用主要有兩種方式：一是通過啟動或抑制酶的活性；二是通過影響酶的合成或降解速度，以改變細胞內酶分子的含量。這種酶水準的調節作用是代謝最關鍵的調節。酶活性的前饋和回饋調節：前饋（feedforward

）和回饋（feedback）是來自電子工程學的術語，前者的意思是“輸入對輸出的影響”，後者的意思是“輸出對輸入的影響”，這裏分別借用來說明底物和代謝產物對代謝過程的調節作用。這種調節可能是正調控，也可能是負調控，其調節機理是通過酶的變構效應來實現的。（酶化學中的別構酶）

S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—回饋前饋正/負前饋、正/負回饋、一價/單價回饋抑制、二價/多價回饋抑制p544-545共價修飾調控某些酶分子上的基團可以在另一種酶催化下發生共價修飾作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），從而引起酶活性的啟動或抑制。這種作用稱為共價修飾作用。（共價調節酶）有如下兩個特點：被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無催化活性)。正反兩個方向的互變均發生共價修飾反應，並且都將引起酶活性的變化。共價修飾調控共價修飾調節作用可以產生酶的連續啟動現象，引起級聯反應具有信號放大效應。例如腎上腺素引起糖原分解過程中的一系列磷酸化啟動步驟，其結果將激素的信號被逐級放大了約300萬倍。共價修飾導致的級聯啟動與蛋白酶解級聯啟動不同：p549常見的共價修飾有磷酸化、腺苷醯化、尿苷醯化第三節基因表達的調節

原核生物基因表達的調節

乳糖操縱子（乳糖誘導和G降解物阻遏）

色氨酸操縱子（阻遏和衰減子）真核生物基因表達的調節操縱子——基因表達的協同單位乳糖操縱子結構基因（編碼蛋白質，S）控制部位CAP蛋白結合位點（CRP）啟動子（premotor,P）原核生物酶合成的誘導調節的遺傳機制——操縱子學說調節基因（調節/阻遏蛋白，I）操縱基因（operator,O）某些代謝物可以誘導某些酶的合成，是通過促進為該酶編碼的基因的表達而進行的，這種現象叫做酶合成的誘導。能誘導酶合成的物質叫誘導物。被誘導合成的酶叫誘導酶。乳

糖

操

縱

子

的

誘

導

即

負

調

控調節基因操縱基因乳糖結構基因PLacZLacYLacamRNA

阻遏/調節蛋白（有活性）基因關閉啟動子OIPLacZLacYLaca調節基因操縱基因乳糖結構基因啟動子OImRNAZmRNAYmRNAa

阻遏/調節蛋白+乳糖（無活性）

基因表達mRNAA、乳糖操縱子的結構

B、乳糖酶的誘導

乳糖

阻遏/調節蛋白（有活性）CAP結合部位

RNA聚合酶乳糖操縱子的正調控即降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表達CAP基因結構基因TCAPOCAP結合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產物腺苷酸環化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制啟動葡萄糖降解物與cAMP的關係cAMPCAP：降解物基因活化蛋白CRP：環腺苷酸受體蛋白降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態實驗：大腸桿菌生長在無機鹽和葡萄糖的培養基上時,細胞內有色氨酸合成酶的存在；在上述培養基中加入Trp，發現細胞內色氨酸合成酶的活性降低直至消失。表明Trp的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，體現了細菌生長的經濟原則：不需要就不合成。酶合成的阻遏：某些代謝物可以阻止某些酶的合成，是通過阻止為該酶編碼的基因的表達而進行的，這種現象叫做酶合成的阻遏。能阻遏酶合成的物質叫輔阻遏物。被輔阻遏物作用而停止合成的酶叫阻遏酶。

酶合成阻遏的現象（色氨酸操縱子）色氨酸操縱子（酶的阻遏）調節基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操縱基因結合，結構基因表達調節基因操縱基因結構基因輔阻遏物Trp代謝產物與阻遏蛋白結合，使之構象發生變化與操縱基因結合，結構基因不能表達ABCDEopLatrpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpAE.coli

色氨酸操縱子模型

Trp合成途徑還存在色氨酸操縱子中衰減子所引起的衰減調節。衰減子：在轉錄水準上調節基因表達的衰減作用，用於終止和減弱轉錄，這種調節的作用部位叫衰減子——是一種位於結構基因上游前導區的終止子。Trp真核生物基因表達調控DNA轉錄初產物RNAmRNA蛋白質前體mRNA降解物活性蛋白質DNA水準調節轉錄水準調節轉錄後加工的調節翻譯調節mRNA降解調節翻譯後加工的調節核細胞質

真核基因表達調控的五個水準

DNA水準調節轉錄水準調節轉錄後加工的調節翻譯水準調節翻譯後加工的調節

真核基因調