第12章代谢调控2009.ppt

1、第十二章 细胞代谢与基因表达调控,Chapter 12 CELLULAR METABOLISM AND,REGULATION OF GENE EXPRESSION, 了解操纵子学说内容 弄清楚三种类型的操纵子的转录调控 掌握真核生物基因表达的调控,转录因子既可作为转录的激活剂，也可作为阻遏剂 E.coli中乳糖操纵子的转录调控（IPTG引起乳糖操纵子的去阻遏，激活蛋白正向调控乳糖操纵子） 通过细胞中的色氨酸浓度双向调控色氨酸操纵子 了解真核生物基因表达的调控,一 物质代谢是相互关联的统一整体 二 代谢调节 三 基因表达的调节,一 物质代谢是相互关联的统一整体 细胞内物质新陈代谢通常采取的方略和

2、原则: 以少数种类的化学反应转化种类繁多的分子 各类物质具有相对独立的代谢途径 各途径通过交叉点上的关键中间物实现相互作用和相互转化 代谢过程受到严格的、多个层次、多种方式的调节控制，形成有机的统一整体,HMS,1 糖、脂肪、蛋白质和核酸的代谢关系,2 ATP、还原力和构造单元：,细胞代谢的基本要略： 分解形成ATP、还原力和构造单元，用于生物合成 (1) 生物大分子 构造单元（氨基酸、单糖、脂肪酸等） (2) 构造单元共同降解产物(乙酰CoA)，还原力, 部分ATP (3) 乙酰CoA 彻底氧化（CO2）、大量ATP ATP是通用的能量载体 NADPH以还原力形式携带能量,二 代谢调节： 代

3、谢在三种不同水平上进行调节： 分子水平、细胞水平、多细胞整体水平。,1 前馈（feedforword）与反馈（feedback） ： S1 E0 S2 E1 En-1 Sn 前馈：在代谢途径中前面的底物对其后某一催化反应 的调节酶（变构酶）起激活或抑制作用。 正前馈：前期底物6-P-G别构激活糖原合酶； 负前馈：高浓度乙酰CoA底物别构抑制乙酰CoA羧化酶 反馈：代谢产物对代谢过程调节酶（变构酶）活性的 调节作用。 负反馈：CTP对自身合成第一步酶ATCase的抑制 正反馈：乙酰CoA反馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧激酶， 促进TCA的回补反应中PEP生成草酰乙酸的作用。,（一） 分子水平的调节：,2

4、 能量状态与代谢调节：,ATP、ADP及Pi通过质量作用效应调节能量代谢 ATP系统的质量作用比(磷酸化势能)= ATP/ ADP Pi 产能反应与ADP磷酸化相偶联 吸能反应与ATP水解相偶联 ATP、ADP及Pi还是许多调节酶的别构调节物 细胞能荷：在总的腺苷酸系统中(ATP,ADP和AMP 之和)所负荷的高能磷酸基数量（ATP加1/2ADP）。是细胞产能和需能代谢之间变构调节的信号。,3 酶活性的调节：,（1）调节现有酶分子的活性（酶的激活或抑制） 方式： 别构调节：前馈和反馈 共价修饰：例如酶的磷酸化和去磷酸化 酶原的激活 （2）改变酶分子在细胞内的含量（酶合成和降解速度）,胞液（cy

5、tosol）：EMP、HMS、糖异生等；糖、脂肪 酸、氨基酸、核苷酸生物合成 内质网：粗面型：分泌性蛋白、跨膜蛋白合成场所 光滑型：磷脂、糖脂、胆固醇合成； 蛋白质糖基化场所 线粒体：内膜：生物氧化、物质运输有关酶 基质：丙酮酸氧化脱羧、 TCA循环、 脂肪酸-氧化、氨基酸分解 核膜：糖、脂、蛋白代谢； DNA复制、 细胞核： RNA加工与修饰 核仁：rRNA合成与加工,核糖体的装配 高尔基体：细胞合成(吸收)物加工、浓缩、包装和运输 溶酶体：含有水解酶类，参与细胞的吞噬、消化、吸收 、自溶作用等,（二） 细胞水平的调节 1. 细胞结构对代谢途径的分隔控制,细胞结构对代谢途径的分隔控制,复习,

6、2. 利用膜结构控制细胞的物质运输和信号传递,膜的三大基本功能： 物质运输、信号传递、能量转换 物质运输： 膜具有通透性、选择性（物质运输通道和载体； 控制浓度梯度） 细胞信号传递：信使与受体 3. 膜与酶的可逆结合： 某些酶（可溶型）可通过与膜结合（膜结合型） 而改变性质和活性双关酶。例如：己糖激酶,1,2,3,4,（三）多细胞整体水平的调节：,多细胞生物为协调体内各细胞的代谢活动，而发展了细胞之间的信息传递机制： 体液（humor）或神经系统： 神经细胞（元） 信号分子（激素、递质、调节肽等） 细胞膜上信号分子受体（或直接进入细胞） 引起细胞内不同效应：cAMP级联放大、 蛋白酶的激活、磷

7、酸化效应等 （或直接与细胞内受体结合） 调节代谢：改变酶活性、膜通透性、调节基因表达等 多细胞整体水平调节也是以调节酶的活力为目的,物质代谢的激素调节,三 基因表达的调节：,1 基因表达的概念： 基因（gene）：编码蛋白或功能RNA的DNA片段， 是遗传信息的基本单位。 基因组（genome）：一个细胞或病毒所携带的 全部遗传信息（或整套基因）。 基因表达：基因转录，甚至进一步翻译产生蛋白的过程 基因表达具有时间和空间特异性： 时间特异性：时序调节（temperal regulation)， 基因表达严格按照时间顺序发生。 空间特异性：基因表达产物在不同组织、器官中不同， 也称组织特异性或细

8、胞特异性。,噬菌体Q RNA,2 基因表达的方式：,1）组成性表达与管家基因(housekeeping gene): 某些基因产物对生命全过程都是必须的，这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，称为管家基因。只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制的调节。 例如：编码催化TCA循环中的各种酶的基因。 其表达被视为基本的或组成性基因表达。 2）可调型表达与可调基因(regulated gene) : 有些基因表达的水平随着外界环境的变化而升高或降低，甚至关闭，属于可调基因。分诱导(induction)与阻遏(repression) )(参与DNA修复的酶),3 原核生物基因

9、表达的调节：,原核生物的转录和翻译同时进行，因此调控主要在转录水平，尤其是转录的起始。 （1） 亚基控制转录的起始: 不同的因子识别不同的启动子，决定了特定基因的转录活性，在起始阶段控制基因的表达。 70：识别大肠杆菌一般基因启动子 32：识别热休克蛋白基因 54 ：识别固氮酶基因和相关基因,（2）操纵子模型: 原核基因表达调控的代表机制,1961年法国Monod和Jacob提出了著名的 乳糖操纵子(lactose operon）模型。模型要点：,一群功能相关的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。,操纵子(operon): 原核基因表达的协调单位，包括： 启动子(promot

10、er,P),操纵基因(operator,O)和结构基因 操纵子受调节基因（regulator gene）所调节。,操纵子(operon)的结构与功能,Inhibitor gene,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,Promoter,Operator gene,Structure gene,调控区,结构基因,操纵子,表达阻遏蛋白,结合RNA 聚合酶 起始转录,结合阻遏蛋白 是转录的开关，可打开或关闭结构基因的转录,表达功能蛋白,?,I,阻遏物基因,诱导物：乳糖或乳糖类似物IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷）,A. 酶合成的诱导(induction):诱导型 E.

11、coli 的乳糖操纵子:,阻遏蛋白的负调节,阻遏蛋白,诱导物,E. coli 的乳糖操纵子,乳糖操纵子除需诱导物外，还需cAMP和cAMP受体蛋白（CRP）结合成复合物，这复合物能结合到启动子上，促使转录的起始。,B. 酶合成的阻遏(repression)：阻遏型,Trp,Trp合成有关的酶基因,最终产物的阻遏：,Trp阻遏蛋白,例如：E.coli Trp操纵子，含有5个结构基因，编码的酶蛋白催化分支酸转变为Trp，Trp是辅阻遏物（corepressor）。,阻遏物介导的负调控（主要）,辅阻遏物（corepressor）,E.coli Trp操纵子,分解代谢产物的阻遏：,E.coli以乳糖为

12、唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖分解相关的三种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则优先利用Glc，等Glc耗尽后才能利用乳糖，即在大量Glc时，乳糖操纵子是关闭，Glc阻遏了乳糖代谢有关的三种酶的合成，这种现象称为葡萄糖效应（glucose effect）。 这是由于Glc分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物阻遏（catabolite repression）。,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,LacA,mRNA,CRP基因,结构基因,T,CRP(CAP),O,CRP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CRP,P,CAP：降解物基因活化蛋白（catabolit

13、e gene activation protein） CRP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CRP呈失活状态,cAMP-CAP的正调节,分解代谢产物阻遏，即葡萄糖效应的机制,C.合成途径操纵子的衰减作用 (attenuation):含衰减子,衰减作用：将翻译和转录联系起来的调节基因表达方式，用于终止或减弱转录，属于转录水平上调节基因表达的方式。 衰减子（attenuator）：衰减作用的调节部位，是一种位于结构基因上游前导区的不依赖于的终止子。,衰减子介导的负调控,衰减子结构,UGG,阻遏和衰减机制都是在转录水平上进行调节 阻遏作用是控制转录的

14、起始 衰减机制是控制转录起始后是否继续下去，是更精细的调节。,4 真核生物基因表达调控, 真核基因表达调控的五个水平 转录前水平调节 转录水平调节 转录后加工的调节 翻译水平调节 翻译后加工的调节 真核基因调控主要是正调控 顺式作用元件和反式作用因子 转录因子的相互作用控制转录,4 转运调节,1）转录前水平调节： 通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达. (1) 染色质丢失与DNA序列的删除 (2) 基因扩增: 通过改变基因数量而调节基因表达产物的水平.短期内大量产生出某一基因拷贝 (3) 基因重排：沙门氏菌鞭毛相变 (4) DNA的修饰和异染色质化 甲基化能关闭某些基因的活性 异染色

15、质: 凝缩状态的染色质.非活性转录区,真核生物基因表达调控,2）转录水平的调节：主要的调节形式。 (1) 染色质的活化 (2) 顺式作用元件 (3) 反式作用因子,真核生物基因表达调控,(1) 染色质的活化： 染色质改建(chromatin remodeling): 染色质中与转录相关的结构变化： 组蛋白被乙酰化,促进转录 管家基因富含 CpG岛,不甲基化 基因活化:众多的转录因子和辅助因子帮助转录起始 原核细胞, RNA聚合酶, 负调节为主 真核细胞, 转录因子, 正调节为主,2）转录水平的调节,(2) 顺式作用元件(cis-acting element)：能与特异性转录因子结合，以决定转录

16、的起始位点、转录效率及转录的时空特异性的DNA序列。 启动子（promotor）： TATA 框， CAAT框，多个GC框,增强子(enhancer):能够增加转录起始频率的DNA序列 特点： 长几十个bp（如SV40增强子为72bp）； 主要存在于真核细胞； 对启动子的来源无选择性:自身或重组连接的启动子 与启动子的相对位置无关：可间隔几千个bp以上； 无方向性：可在基因的上游也可在下游； 具有组织特异性:优先或只能在某些细胞中表现功能,绝缘子(insulator)：是通常位于启动子同正调控元件(增强子)或负调控因子(为异染色质)之间的一种调控序列。绝缘子本身对基因的表达既没有正效应，也没有

17、负效应，其作用只是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活效应发生作用。长约几百个核苷酸对。有方向性。,2）转录水平的调节,沉默子（silencer）：某些基因中的负调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,(3) 反式作用因子(trans-acting factor):能直接或间接识别和结合在顺式作用元件上，调控靶基因表达的蛋白质因子。少数为RNA。 基本转录因子 + 上游因子 + 可诱导因子,结合TATA框和转录起点，与RNA聚合酶形成转录起始复合物,结合在增强子和启动子的上游控制位点,结合应答元件（一些信号分子的作用位点，对细胞内外环境因素变动作出反应的DNA序列。）,2）

18、转录活性的调节,真核生物RNA聚合酶转录的基因结构与功能,其他调 控元件,增强子 或 沉默子,CAAT盒 GC盒,TATA 盒,结构基因,+1,调节基因表达水平,决定基因表达的 时空特异性等。 激素，金属离子， 小分子化合物等 反应元件。,决定基因 表达的基 础水平,与RNA poly II 结合，决定转录 起始点的精确定位,使转录 增强或 减弱,维持基本的表达水平,上游启动子,可诱导因子,基本转录因子,上游因子,基因表达调控主要是通过顺式作用元件与反式作用因子相互作用进行的，二者缺一不可。实质上是核酸与蛋白的相互作用。,反式作用因子必需具备两个条件：,1. 与特异顺式作用元件结合的DNA结合

19、区：,如：螺旋-转角-螺旋；锌指结构； 亮氨酸拉链，螺旋-环-螺旋。,一个或多个与其他调控因子结合的区域： 转录活化结构域：酸性活化结构域， 富含Gln结构域， 富含Pro结构域,反式作用因子上结合DNA的基序(motif)：基序(motif)：一般指构成任何一种特征序列的基本结构作为结构域中的亚单元，其功能是体现结构域的多种生物学作用,如：螺旋-转角-螺旋； 锌指结构； 亮氨酸拉链； 螺旋-环-螺旋。,多数结合在DNA大沟内,螺旋-转角-螺旋,1. 螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）,一个螺旋结合在DNA上，调控基因的转录。,常见于各种阻遏蛋白，常结合CAAT盒。,

20、识别螺旋,2. Zinc finger ( 锌指）:,一个锌指单位：由30aa组成，形成一个反平行-折叠（N端）和一个 -螺旋（C端），中间有一个Zn原子与Cys2/His2或 Cys2/ Cys2组成四面体配位结构. -螺旋结合DNA大沟。常结合GC盒,N端,C端,Cys2 / Cys2锌指,Cys2 / His2锌指,见于甾体激素受体,见于SP1，TF A等,反平行-折叠,-螺旋,X：任一其他 氨基酸,C：半胱氨酸 H：组氨酸,锌指,N,C,氢键,含锌指结构的调节蛋白通常有2-10个锌指。 锌指基序是最普遍的DNA结合结构。,3. ZIP ( leucine zipper):,亮氨酸拉链： 每两圈螺旋（7个氨基酸）出现一个Leu，位于螺旋的同一侧，利用Leu侧链的疏水性，使蛋白二聚