第十六章细胞代谢和基因表达的调控

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1、第十六章 细胞代谢和基因表达的调控细胞代谢包括物质代谢和能量代谢。细胞代谢是一个完整统一的网络，并且存在复杂的调节机制，这些 调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或A）的作用下进行的。重点：物质代谢途径的相互联，系酶活性的调节。第一节 物质代谢途径的相互联系细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分 子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是丙酮酸、 乙酰CoA。一、糖代谢与脂代谢的联系1、糖转变成脂图糖经过酵解,生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。酸二羟丙酮还原为甘油丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰0A, 合成脂肪酸。2、脂转变

2、成糖图甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖。在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙BCoA,后者经乙醛酸循环生成琥珀酸进入TCA，由草酰乙酸脱羧 生成丙酮酸，生糖。动物体内，无乙醛酸循环，乙酰A进入TCA氧化，生成202和H。脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充沖消耗的有机酸（草酰 乙酸）。糖利用受阻，依靠脂类物质供能量脂肪动员，在肝中产生大量酮体丙酮、乙酰乙酸、B-羟基丁酸）二、糖代谢与氨基酸代谢的关系1、糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架图糖一丙酮酸一a-酮戊二酸+草酰乙酸这三种酮酸，经过转氨作用分别生成a、Glu和Asp。2、生糖氨基酸的碳架可以转变

3、成糖凡是能生成丙酮酸、a酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的称为生糖i.aoPhe、Tyr. Ilr、Lys Trp等可生成乙酰乙酰oA,从而生成酮体。Phe、Tyr等生糖及生酮。三、氨基酸代谢与脂代谢的关系氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰A,可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成。生糖a.a的碳架可以转变成甘油。Ser可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。动物体内脂肪酸的降解产物乙酰A,不能为a.a合成提供净碳架。脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸，T经A进一步转变为草酰乙酸、a酮戊二酸，这三者都可以 转变成氨基酸。四、核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。各种氨基酸，女Gly、

4、Asp、Gln是核苷酸的合成前体。有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用：ATP 供能及磷酸基团。UTP 参与单糖转变成多糖（活化单糖。）CTP 参与卵磷脂合成。GTP 为蛋白质合成供能。五、物质代谢的特点1、TCA是中心环节代谢途径交叉形成网络，主要联系物：丙酮酸、C酰、柠檬酸、Q酮戊二酸、草酰乙酸。2、分解、合成途径往往是分开的，不是简单的逆反应。在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应和逆反应，往往由两种不同的酶催化，一种酶催化正反应， 另一种酶催化逆反应。以糖代谢为例：P4213、ATP是通用的能量载体乙酰CoA进入TCA后，完全氧化生成CO2、H2O,释放的自由能被ADP捕获转运。否则，自

5、由能以热 能形式散发到周围环境中。4、分解为合成提供还原力和能量物质代谢的基本要略在于：生ATP、还原力和结构单元用于体内生物合成。NADP H专一用于还原性生物合成NADH和FADH,主要功能是通过呼吸链产生TP。ATP来源：(1)底物水平磷酸化、(2)绿色植物和光合细菌的光合磷酸化3)呼吸链的氧化磷酸化。NADP H来源：、 1)植物光合电子传递链、 2)磷酸戊糖途径(3)乙酰CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有VDH的氧化和NADR的还原，所产生白NADP H可 用于脂肪酸合成P422图22-4有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段23图22-5(1) 将大分子分解为小分子单元，释

6、放的能量不能被利用。(2) 将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰，产生还原力NADPH和少量ATP。(3) 乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO2,脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的P。5、分解、合成受不同方式调节单向代谢的反馈调节顺序反馈控分枝代谢的反馈调节v对同工酶的反馈抑制协同反馈抑制第二节 代谢调节代谢调节是生物长期进化过程中，为适应环境的变化的而形成的一种适应能力。进化程度越高的生物， 其代谢调节的机制越复杂、越完善。生物代谢调节在三个水平上进行即，酶水平、细胞水平、多细胞整体水平(神经、激素)。酶和细胞水平 的调节，是最基本的调节方式，为一切生物所共有。神经水平调节激素水平调节细

7、胞水平调节单细胞生物酶水平调节神经调节：整体的、最高级的调节。激素调节：受神经调节控制。第二级调节。 酶调节：原始的、基本的调节。第三级调节。酶水平的调节：酶活性调节（酶原激活、别构效应、共价修饰）和酶含量（基因表达调控）一、酶水平的调节酶水平的调节，主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节，这三个方面进行。1、酶定位的区域化酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存 在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化。功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节。多酶体系在细胞中区域化为酶水平的调节创造了有利条使某些调节因素可以

8、专一地影响细胞内某 一部分的酶活性，而不致影响其它部位酶的活性。此外，酶定位的区域化，使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓鋼，于在细胞局 部范围内快速进行各个代谢反应。主要代谢途径酶系在细胞内的分布： 胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成。线粒体：脂肪酸B氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。 细胞核：核酸的合成、修饰。内质网：蛋白质合成，磷脂合成。胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成 溶酶体：多种水解酶2、酶活性的调节调节方式：酶原的激活pH改变，如溶菌酶。H7，无活性pH5,活性高。同工酶 共价修饰 反馈调节(生物体内最重要)特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成

9、。(1) 、共价修饰和级联放大P430图22-14磷酸化/脱磷酸化 腺苷酰化/脱腺苷酰化(2) 、前馈和反馈调节前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活，但也可能是前馈抑制。当底物浓度过高时可避免该代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成，如高浓度的乙0酰是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙 二酸单酰CoA大量合成。反馈调节：产物对酶活性的调节，一般是反馈抑制，但也有反馈激活。a反馈抑制J单价反馈抑制多价反馈抑制当序列终产物浓度积累过多时，会抑制初始反应的酶活性，使整个体系反应速度降低。b. 顺序反馈抑制c. 协同反馈抑制d. 累积反馈抑制e. 同工酶反馈抑制f. 反馈激活和前馈激活(3)

10、、反馈激活：(4) 、前馈激活：如在糖酵解中，1.6二磷酸果糖，可提高后面丙酮酸激酶的活性加，速磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。如当丙酮酸不能经乙酰oA进入TCA时，丙酮酸积累，磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸，后者可合 成a.a和嘧啶核苷酸合成出的嘧啶核苷酸反馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶促进草酰乙酸合成保证TCA 对草酰乙酸的需要。3、酶合成的调节(基因表达的调节)酶合成调节，是通过酶量的变化来调控代谢速率。二、细胞水平的调节(1) 控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度(2) 控制跨膜物质运输(3) 区隔化：浓缩作用，防止干扰，便于调节(4) 膜与酶可逆结合：双关酶：能与膜可逆结合，通过膜结合型和可溶型

11、的互变来调节酶的活性。双关酶大多是代谢途径的关 键酶和调节酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛缩一磷酸甘油醛脱氢酶，氨基酸代谢的lu 脱氢酶，Tyr氧化酶：参与共价修饰的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。三、激素水平的调节第三节 基因表达的调节基因表达有几个水平的调节转录水平翻泽水平加工水平 转录后加工、翻译后加工蛋白质活性调节其中最关键的是，基因表达的控制主要发生在转录水核生物尤其如此。 时序调节 适应调节一、原核生物基因表达的调节1、 纵子模型操纵子是基因表达的协调单位，它含有在功能上彼此有关的多个结构基因及控制位，控制部位由启动子 和操纵基因组成。一个操纵子的全部基因排列在一起其中含多个结

12、构基因转录产物是单个多顺JmRNA操纵子的控 制部位可受调节基因产物的调节。2、组成型基因和诱导型基因组成酶（构成酶）受环境影响小，正常代谢条件下表达。如糖酵解的酶。 诱导酶（适应型酶）对不同的生存环境有不同的表达。如半乳糖苷酶。3、正调控和负调控在没有调节蛋白质存在时，基因是关闭的，加入调节蛋白后，基因活性被开启，此为正调控。 在没有调节蛋白存在时，基因是表达的，加入调节蛋白后基因表达活必被关闭，此为负调控。 在正调控中，调节蛋白称诱导蛋白。在负调控中，调节蛋白称阻遇蛋白。4、原核生物结构基因表达的4 种控制模式。负调控：诱导作用，应使阻遇蛋白解）NA。阻遇作用，应使阻遇蛋白结合NA。P45

13、1 图 22-25正调控：诱导作用，应使诱导蛋白结合NA。阻遇作用，应使诱导蛋白解离NA。图片9-1杨歧生P2725、大肠杆菌乳糖操纵子Lac操纵子结构图P453图22-26Lac乙LacY、LacA为结构基因，上游依次为操纵基因、启动子和调节基因 当细胞内无诱导物（乳糖或TG）存在时，阻遏蛋白与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有 一定程度重叠，妨碍了NA聚合酶在10序列上形成开放性启动子复合物。当细胞内有诱导物乳糖或IPTG）存在时，诱导物与阻遏蛋白结合改变阻遏蛋白构象使之迅速从操 纵基因上解离下来这样RNA聚合酶就能与启动子结合并形成开放性启动子复合物从而开始转录LacZY 结构基因。图

14、片8-3孙乃恩P 285IPTG异丙基B-D硫代半乳糖苷（安慰诱导物）能对乳糖操纵子产生极强的诱导效应，是强诱导物。6、色氨酸操纵子trp）的转录调控trp操纵子负责Trp的合成，通常是开放的，调节基因的产物使它关闭这种调控作用称为可阻遏型的负 调控。（l）E.coli trj操纵子有5个结构基因,trpE-D-C-B-A在trpE的上游有三个区段pP-O-L trpL是一段162bp序列，转录到nRNA中成为前导序列，对操 纵子的转录起调控作用。在染色体）0分区有trpR基因，编码L2.5kd的阻遏蛋白亚3能以四聚体形式结合到pO。TrpP与一般原核基因启动子一样，具有序列和35序列，-10

15、序列完全位于trpP之内。 E.coli trf操纵子的组成及基因产物的功能。图片：E.coli具有合成各种a.a的能力。在多数情况下，只有在培养基不供应外源寸，才去合成产生该.a 所必须的酶系。当细胞内Trp浓度较高时,Trp与阻遏蛋白trpR基因产物）结合，产使它具有活性，从而pO基因 结合，关闭转录。当细胞内Trp浓度很低时，阻遏遇蛋白上的Trp解离出来，使阻遏蛋白失活并失去与trp O结合的能力， 开启转录。图片：7、trp操纵子的前导序列trp mRNA分子一旦开始合成在trpE基因开始转录之前大多数mRNA会停止生长，这是因为前导序列（trpL）对操纵子调控发挥了重要作用。trp mRNA的前导序列及前导肽。 结构基因上游具有：启动子操纵基因前导序列衰减子区。mRNA 5端有162b其中139个构成前导序列前导序列由14个a.a的前导肽、4个互补区段和1个衰 减子终止点构成。衰减子：位于结构基因上游