细胞代谢和基因表达的调控.ppt

1、第13章 细胞代谢和 基因表达的调控,主要内容,一 物质代谢调控 细胞水平调控 体液水平调控 整体水平调控 二 基因表达调控,高等生物在进化过程中，出现了专司调节功能的内分泌细胞及内分泌器官，其分泌的激素可对其他细胞发挥代谢调节作用。,在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及神经递质对靶细胞直接发生影响，或通过某些激素的分泌来调节某些细胞的代谢及功能，并通过各种激素的互相协调而对机体代谢进行综合调节。,外源性,次级代谢物,物质代谢遵循的总原则,物质代谢交叉形成网络 分解代谢与合成代谢的单向性 ATP是通用的能量载体 NADPH是合成代谢所需的还原当量,三个最关键的中间代谢物是： 葡萄糖-6-磷

2、酸、丙酮酸和乙酰辅酶A,生物的重要特征,补充物质代谢的相互联系,一、在能量代谢上的相互联系,三大营养素,共同中间产物,共同最终代谢通路,三大营养素可在体内氧化供能，三大营养素之间可以互相代替，并互相制约 一般供能以糖、脂为主，并尽量节约蛋白质的消耗,任一供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他物质的降解。,例如：,（一）糖代谢与脂代谢的相互联系,1. 摄入的糖量超过能量消耗时,二、糖、脂和蛋白质之间的相互联系,2. 脂肪的甘油部分能在体内转变为糖,脂肪酸,乙酰CoA,葡萄糖,脂 肪,甘油,甘油激酶,磷酸甘油,葡萄糖,3. 脂肪的分解代谢受糖代谢的影响,饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时,（二）糖与

3、氨基酸代谢的相互联系,例如：,丙氨酸,丙酮酸,脱氨基,糖异生,葡萄糖,大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的 -酮酸，可转变为糖。,2. 糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸,糖,丙酮酸,草酰乙酸,乙酰CoA,柠檬酸,-酮戊二酸,1. 蛋白质可以转变为脂肪,2. 氨基酸可作为合成磷脂的原料,（三）脂类与氨基酸代谢的相互联系, 但不能说，脂类可转变为氨基酸。,3. 脂肪的甘油部分可转变为非必需氨基酸,（四）核酸与糖、蛋白质代谢的相互联系,1. 氨基酸是体内合成核酸的重要原料,2. 磷酸核糖由磷酸戊糖途径提供,葡萄糖、糖原,丙酮酸,乙酰CoA,脂肪,草酰乙酸,- 酮戊二酸,琥珀酸,延胡索酸,细

4、胞水平调控,一、 酶活性的调节（活性主要） 酶原的激活 酶的聚合与解聚 酶的化学修饰 酶的变构调节 二、酶量的调节（含量） 酶蛋白合成的诱导与阻遏 酶蛋白降解 三、酶的区域化分布（分布）, 催化的反应速率最慢，从而决定整个代谢途径的总速率，故又称为限速酶； 催化单向反应或非平衡反应，从而其活性决定代谢途径的方向； 这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节； 一般位于代谢途径的第一个酶以及分支代谢中分支后的第一个酶。,关键酶催化的反应具有以下特点：,细胞内的酶种类繁多，只是对少数起关键作用的酶进行调控，这种可被调控并对代谢途径产生重要影响的酶称为关键酶（key enzyme）。,酶

5、原的激活（zymogen activation）,许多水解酶是以无活性的酶原形式从细胞中分泌出来，经过切断部分肽段后变成有活性的酶。如胰蛋白酶原经肠激酶或胰蛋白酶的自身催化，切下N-末端一个6肽后即变成活性的胰蛋白酶 。,酶的聚合与解聚（polymerization and depolymerization）,有一些寡聚酶的调节中心通过与一些小分子调节因子非共价结合，引起酶的聚合与解聚，从而使酶发生活性态与非活性态的互变。 有的酶聚合态时有活性，有的酶解聚为单体后有活性。,酶的化学修饰（chemical modification）,酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶

6、活性改变。 化学修饰的特点： 酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。 具有级联放大效应，提供更多调控位点，效率较高。 磷酸化与脱磷酸化最为普遍、重要，哺乳动物酶的化学修饰是最常见的方式。,化学修饰的主要方式,磷酸化 - - - 去磷酸,乙酰化 - - - 脱乙酰,甲基化 - - - 去甲基,腺苷化 - - - 脱腺苷,SH 与 - S - S -互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶的变构调节（allosteric regulation）,小分子化合物与酶分子活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶蛋白分子构象变化

7、，从而改变酶的活性，这种调节称为酶的变构调节或别构调节 被调节的酶称为变构酶或别构酶 使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂,变构激活剂allosteric effector 引起酶活性增加的变构效应剂。 变构抑制剂allosteric effector 引起酶活性降低的变构效应剂。,变构调节的机制：,变构酶,催化亚基,调节亚基,变构效应剂：,底物、终产物 其他小分子代谢物,变构效应剂 + 酶的调节亚基,变构调节的生理意义, 代谢终产物反馈抑制 (feedback inhibition) 反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。,变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。,变构调节使不同的代谢途径相

8、互协调。,快速代谢 (前),迟缓代谢(后),代谢调节主要是通过对关键酶活性的调节而实现的。,酶蛋白合成的诱导与阻遏（induction & repressor ）,加速酶合成的化合物称为诱导剂(inducer) 减少酶合成的化合物称为阻遏剂(repressor) 常见的诱导或阻遏方式：, 底物对酶合成的诱导和阻遏 产物对酶合成的阻遏 激素对酶合成的诱导 药物对酶合成的诱导,酶蛋白降解,通过改变酶蛋白分子的降解速度调节酶的含量。,酶在细胞内的分隔分布,意 义： 避免各种代谢途径之间相互干扰； 有利于不同调节因素对不同代谢途径的特异调节； 区域分布使代谢物浓度对代谢速度产生重要影响。,定 义： 细

9、胞内的不同部位分布着不同的酶，称为酶的区域化分布（compartmentation），即细胞内的不同部位（细胞器）进行着不同的代谢 。,催化不同代谢的酶分隔分布在不同的亚细胞结构中，但各代谢途径又相互联系。,内、外环境改变,激素作用机制,激素水平的代谢调节,激素分类, 膜受体激素 胞内受体激素,按激素受体在细胞的部位不同，分为：,1. 膜受体激素的作用方式,激素作用方式,2. 胞内受体激素的作用方式,跨膜信号转导的一般步骤,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,化学性质： 蛋白质和肽类（

10、如生长因子、细胞因子、胰岛素等） 氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素等） 类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等） 脂酸衍生物（如前列腺素） 气体（如一氧化氮、一氧化碳）等,细胞间信息物质(extracellular signal molecules） 是由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质统称，又称作第一信使。,化学性质：,细胞内信息物质(intracellular signal molecules) 第一信号物质经转导刺激细胞内产生的传递细胞调控信号的化学物质。,G 蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors) 信息传递可归纳为：,膜受体介导的信息传递,cAMP

11、- 蛋白激酶途径, Ca2+- 依赖性蛋白激酶途径,cGMP- 蛋白激酶途径,酪氨酸蛋白激酶途径,核因子 途径,TGF-途径,胞内受体介导的信息传递,胞内受体 核内受体 胞浆内受体 配体 类固醇激素 甲状腺激素,第三信使(third messenger),负责细胞核内外信息传递的物质，又称为DNA结合蛋白，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，能调节基因的转录。如立早基因(immediate-early gene)的编码蛋白质 。,在细胞内传递信息的小分子物质。 如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等。,第二信使(secondary messenge

12、r),能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称 配体(ligand)。,受体的定义,是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分，它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。,（一）饥饿,糖原消耗,血糖趋于降低,胰岛素分泌减少 胰高血糖素分泌增加,引起一系列的代谢变化,1. 短期饥饿（13天）,三、整体水平的代谢调节,（1）蛋白质代谢变化,分解加强，氨基酸异生成糖,（2）糖代谢变化,糖异生加强， 组织对葡萄糖利用降低,（3）脂代谢变化,脂肪动员加强，酮体生成增多,2. 长期饥饿,（1）蛋白质代谢变化,蛋白质分解减少,（2）糖代谢变化,肝肾糖异生增强 肝糖异生的主要原料为乳酸、丙酮酸,（3）脂代谢变化,脂肪动员