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1、第十四章第十四章 细胞代谢与基因表达调控细胞代谢与基因表达调控一、一、细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络二、二、酶水平调节酶水平调节三、细胞结构对代谢途径的分隔控制三、细胞结构对代谢途径的分隔控制四、细胞信号传递系统（激素与神经）四、细胞信号传递系统（激素与神经）五、五、基因表达的调节基因表达的调节本章小结本章小结一、细胞代谢的调节网络一、细胞代谢的调节网络（一）代谢途径交叉形成网络（一）代谢途径交叉形成网络(4类物质相互转换关系）类物质相互转换关系）1.糖代谢与脂肪代谢的相互关系糖代谢与脂肪代谢的相互关系2.糖代谢与蛋白质代谢的关系糖代谢与蛋白质代谢的关系3.脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系
2、脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系4.核酸与其他物质代谢的相互关系核酸与其他物质代谢的相互关系（二）分解代谢和合成代谢的单向性（二）分解代谢和合成代谢的单向性（三）（三）ATP是通用的能量载体是通用的能量载体（四）（四）NADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量（专一用于还原性生物合成）（专一用于还原性生物合成）（五）代谢的基本要略在于形成（五）代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单、还原力和构造单元用于生物合成。元用于生物合成。代谢的调节代谢的调节生物界代谢的调节，可分为生物界代谢的调节，可分为4个水平个水平：酶水平调节酶水平调节细胞水平调节（酶在细胞内的集中存在与隔离分布）细胞水
3、平调节（酶在细胞内的集中存在与隔离分布）激素对代谢的调节激素对代谢的调节神经系统对代谢的调节神经系统对代谢的调节二、二、 酶水平调节酶水平调节酶有两种功能：酶有两种功能：催化各种生物化学反应；催化各种生物化学反应； 调节和控制代谢的速度、方向和途径，是新陈代谢的调节和控制代谢的速度、方向和途径，是新陈代谢的调节元件。调节元件。酶对细胞代谢调节的两种方式：酶对细胞代谢调节的两种方式：通过对酶的激活或抑制改变酶活性；通过对酶的激活或抑制改变酶活性； 通过影响酶分子的合成或降解改变酶的含量。通过影响酶分子的合成或降解改变酶的含量。(一）酶活性调节一）酶活性调节1.酶促反应的前馈和反馈（代谢物和产物、
4、正反馈和负反馈）酶促反应的前馈和反馈（代谢物和产物、正反馈和负反馈）2.产能反应与需能反应的调节（产能反应与需能反应的调节（ATP、ADP和磷酸盐）和磷酸盐）ATP/ADPPi ATP系统的质量作用比，变构调节信号系统的质量作用比，变构调节信号3.酶活性的特异激活剂和抑制剂酶活性的特异激活剂和抑制剂4.蛋白酶解（酶原激活；激素前体的激活）蛋白酶解（酶原激活；激素前体的激活）5.别构调节作用别构调节作用(通过别构酶的别构效应来实现）通过别构酶的别构效应来实现）6.酶的共价修饰与连续激活酶的共价修饰与连续激活磷酸化磷酸化 / 脱磷酸化；脱磷酸化； 乙酰化乙酰化 / 脱乙酰化；脱乙酰化；腺苷酰化腺苷
5、酰化 / 脱腺苷酰化；脱腺苷酰化； 尿苷酰化尿苷酰化 / 脱尿苷酰化；脱尿苷酰化； ADP-核糖基化；核糖基化； 甲基化甲基化 / 脱甲基化；脱甲基化； S-S / SH相互转变。相互转变。酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。（二）（二） 基因表达的调节基因表达的调节五、基因表达的调节五、基因表达的调节三、细胞结构对代谢途径的分隔控制三、细胞结构对代谢途径的分隔控制552页页四、细胞信号传递系统（激素与神经）四、细胞信号传递系统（激素与神经）五、基因表达的调节五、基因表达的调节基因：指一段编码蛋白质多肽链和功能基因：指一段编码蛋白质多肽链和功能RNA
6、的的DNA。（某些病毒基因为（某些病毒基因为RNA）基因表达：即是遗传信息转录和翻译的过程。基因表达：即是遗传信息转录和翻译的过程。（时序调节和适应调节）（时序调节和适应调节）基因表达的调节：基因表达的调节：转录水平转录水平调节和翻译水平调节。调节和翻译水平调节。基因表达的特性：时间特异性（时序性）和空间特异性基因表达的特性：时间特异性（时序性）和空间特异性基因表达调节的生物学意义：基因表达调节的生物学意义： 适应环境，维持生长和增殖。适应环境，维持生长和增殖。维持个体发育与分化维持个体发育与分化基因表达的多级调节：原核生物基因调节主要在转录水平；基因表达的多级调节：原核生物基因调节主要在转录
7、水平；真核生物则在不同水平进行。真核生物则在不同水平进行。组成型表达组成型表达（constitutive gene expression） 基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达。这这些些基基因常称管家基因（因常称管家基因（housekeeping gene）。）。 管管家家基基因因无无论论表表达达水水平平高高低低，较较少少受受到到环环境境因因素素的的影影响响。在基因表达研究中，常作为对照基因，如在基因表达研究中，常作为对照基因，如- -actinactin基因基因调节型表达调节型表达诱导表达和阻遏表达诱导表达和阻遏表达 在在特特定定环环境境信信号号刺刺激
8、激下下，基基因因被被激激活活，基基因因表表达达增增强强。这这 种种 基基 因因 称称 为为 可可 诱诱 导导 基基 因因 。 这这 个个 过过 程程 称称 为为 诱诱 导导（induction）。）。 在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，基基因因被被抑抑制制，基基因因表表达达降降低低。这这 种种 基基 因因 称称 为为 可可 阻阻 遏遏 基基 因因 。 这这 个个 过过 程程 称称 为为 阻阻 遏遏（repression）。）。（一）原核生物基因表达的调节（一）原核生物基因表达的调节操纵子（操纵子（operon）机制）机制原核生物基因组特点原核生物基因组特点vDNA分子只有一个，大部分是
9、结构基因，每个基因只出分子只有一个，大部分是结构基因，每个基因只出现一次或几次。现一次或几次。v功能相关的基因串在一起，一个功能相关的基因串在一起，一个mRNA分子中含有多个分子中含有多个结构基因，为多顺反子。结构基因，为多顺反子。v有基因重叠现象有基因重叠现象ABC转录和翻译可同时进行转录和翻译可同时进行原核生物基因表达过程原核生物基因表达过程1.操纵子模型操纵子模型操纵子：操纵子：基因表达的协调单位，包括在功能上彼此有关的结基因表达的协调单位，包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位（启动子和操纵基因）所组成。构基因和控制部位（启动子和操纵基因）所组成。例：大肠杆菌乳糖操纵子模型例：大肠杆
10、菌乳糖操纵子模型（1960年年1961年提出）年提出） Lac Lac OperonOperonmodlemodle第一个被发现的操纵子第一个被发现的操纵子3个结构基因个结构基因控制位点控制位点ayopiz启启动动子子操纵操纵基因基因在转录水平上在转录水平上乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制异乳糖异乳糖（Catabolite gene Activation Protein）Jacques Monod, 1965 Franois Jacob, 1965 1961年，年，Jacob和和Monod提出了操纵子学说，开创提出了操纵子学说，开创了基因表达调节研究的新领域。了基因表达调节研究的新领域。酶
11、的诱导：酶的诱导：一些分解代谢的酶类一些分解代谢的酶类ayzopio3个结构基因个结构基因调节基因调节基因启动子启动子操纵操纵基因基因诱导物诱导物诱导物诱导物-阻遏阻遏蛋白复合物蛋白复合物mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶 -半乳糖苷酶转乙酰酶。半乳糖苷酶转乙酰酶。实验室中常用诱导物：实验室中常用诱导物：IPTG（异丙基硫代（异丙基硫代D半乳糖）半乳糖）酶的阻遏：酶的阻遏：一些合成代谢的酶类一些合成代谢的酶类mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白mRNA合成产物合成产物代谢产物代谢产物-阻遏阻遏蛋白复合物蛋白复合物注：注：（1）酶的诱导和阻遏是通过阻遏蛋白（负
12、调控因子）来实现的。）酶的诱导和阻遏是通过阻遏蛋白（负调控因子）来实现的。（2）阻遏蛋白亚基与）阻遏蛋白亚基与DNA结合的结构域含有螺旋转角螺旋基序。结合的结构域含有螺旋转角螺旋基序。（3）操纵基因为一段含有）操纵基因为一段含有28bp旋转对称的回文结构。（氨基酸与碱基之间形成旋转对称的回文结构。（氨基酸与碱基之间形成特异的氢键）特异的氢键）（4）也有些调节基因产物对操纵子起着正调节作用。）也有些调节基因产物对操纵子起着正调节作用。CBAopio2.降解物阻遏降解物阻遏细菌的葡萄糖效应：细菌的葡萄糖效应：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，先细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，先 利利
13、 用葡萄糖，而不利用乳糖用葡萄糖，而不利用乳糖.ayz opi注：注：（1）cAMP-CRP是正调控因子。是正调控因子。（2）葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环）葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶活性，降低了化酶活性并活化磷酸二酯酶活性，降低了cAMP的浓度。的浓度。（3）调节子）调节子 ：一种调节蛋白控制的几个操纵子：一种调节蛋白控制的几个操纵子构成的调节系统。如：构成的调节系统。如：cAMP-CRPmRNA环腺苷酸环腺苷酸受体蛋白受体蛋白CRPcAMPmRNA三种与乳糖利用有关的酶三种与乳糖利用有关的酶 3. 合成途径操纵子的衰减作用合成途径操纵子的衰减作用（1
14、）E. coli 色氨酸操纵子模型色氨酸操纵子模型前导序列前导序列v色氨酸浓度高时，与阻遏蛋白结合使之有活性，与操纵基因结合阻遏基因表达色氨酸浓度高时，与阻遏蛋白结合使之有活性，与操纵基因结合阻遏基因表达vmRNA的的5末端含有末端含有162个核苷酸的前导序列，结构如下。个核苷酸的前导序列，结构如下。可合成前导可合成前导14肽。肽。衰减子：衰减子：一个受到翻译控一个受到翻译控制的终止子结构制的终止子结构缺乏色氨酸：转录到缺乏色氨酸：转录到终止信号处停止。终止信号处停止。低浓度色氨酸：转录低浓度色氨酸：转录到终止信号处停止。到终止信号处停止。高浓度色氨酸：转录停止。高浓度色氨酸：转录停止。色氨酸
15、操纵子导肽序列色氨酸操纵子导肽序列色色氨氨酸酸操操纵纵子子衰衰减减机机制制阻遏和衰减机制：作用机制完全不同。阻遏和衰减机制：作用机制完全不同。（2）嘧啶核苷酸的生物合成有关的）嘧啶核苷酸的生物合成有关的6种酶：种酶：其转录也受衰减作用的调节。其转录也受衰减作用的调节。4.生长速度的调节生长速度的调节严紧控制：严紧控制：细菌处于贫细菌处于贫 的生长环境的生长环境.大肠杆菌的严紧反应可引起大肠杆菌的严紧反应可引起(p)ppGpp迅速积累，这两种核苷迅速积累，这两种核苷酸作为信号，通过调节抑制稳定酸作为信号，通过调节抑制稳定RNA（ rRNA和和tRNA）的合）的合成，从而影响蛋白质的合成和细菌的生
16、长。成，从而影响蛋白质的合成和细菌的生长。5.基因表达的时序控制基因表达的时序控制噬菌体的溶原和裂解：噬菌体的溶原和裂解：取决于取决于CI蛋白和蛋白和Cro蛋白在最初蛋白在最初20分钟分钟两种阻遏蛋白的合成速度。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。操操纵纵序序列列是是阻阻遏遏蛋蛋白白的的结结合合位位点点。当当阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合到到操操纵纵序序列列上上时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶酶
17、不不能能沿沿DNA向向前前移移动动，阻阻碍转录。这种调节称为碍转录。这种调节称为负调节负调节。如如激激活活蛋蛋白白（activator）可可结结合合启启动动子子邻邻近近的的DNA序序列列，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子的的结结合合，增增强强RNA聚合酶的活性。这种调节称为聚合酶的活性。这种调节称为正调节正调节。翻译水平的调节翻译水平的调节1.不同不同mRNA翻译能力的差异翻译能力的差异SD序列、常用密码子和稀有密码子、操纵子协同表达。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，能和自身的按其自身需要的速度合成。
18、如核糖体蛋白质，能和自身的mRNA起始起始控制部位相结合而影响翻译。控制部位相结合而影响翻译。3.反义反义RNA的作用的作用可以通过互补序列与特定的可以通过互补序列与特定的mRNA相结合（相结合（SD序列和起始密码子）从序列和起始密码子）从而抑制而抑制mRNA的翻译。（具有理论意义和实践意义）的翻译。（具有理论意义和实践意义）（二）真核生物基因表达的调节（二）真核生物基因表达的调节真核生物基因组特点真核生物基因组特点vDNA分子有多个，以染色质（或染色体）形式存在。分子有多个，以染色质（或染色体）形式存在。v有重复序列有重复序列单拷贝：一次或少数几次，结构基因。单拷贝：一次或少数几次，结构基因
19、。中度重复：几十次中度重复：几十次几千次，几千次，rRNA和和tRNA基因。基因。高度重复：几百万次（少于高度重复：几百万次（少于10bp）与调控（调控基因）、）与调控（调控基因）、染色体结构形成有关。染色体结构形成有关。v有断裂基因：被内含子隔开。有断裂基因：被内含子隔开。真核生物基因表达在不同水平上进行调节真核生物基因表达在不同水平上进行调节一般不组成操纵子；不形成多顺反子；一般不组成操纵子；不形成多顺反子；转录前水平调节转录前水平调节1.高等生物的细胞具有全能性高等生物的细胞具有全能性 细胞质中存在决定分化状态的某些控制因子细胞质中存在决定分化状态的某些控制因子。2.通过改变通过改变DN
20、A序列和染色质结构从而影响基因表达序列和染色质结构从而影响基因表达染色质丢失染色质丢失基因扩增（如基因扩增（如rDNA 、癌基因）、癌基因）基因重排（失去、转移）基因重排（失去、转移）染色体染色体DNA的修饰和异染色质化的修饰和异染色质化甲基化后能关闭某些基因的活性甲基化后能关闭某些基因的活性异染色质与常染色质：异染色质为凝缩状态的染色质，为非活性转异染色质与常染色质：异染色质为凝缩状态的染色质，为非活性转录区。录区。转录活性（或水平）调节转录活性（或水平）调节1.染色质的活化染色质的活化调节分子：调节分子：识别基因的特殊部位并改变染色质的结构使其疏松化，其他调识别基因的特殊部位并改变染色质的
21、结构使其疏松化，其他调节物进一步影响基因活性节物进一步影响基因活性。超敏感位点：超敏感位点：转录活性区很少甲基化转录活性区很少甲基化染色质改建：组蛋白乙酰基转移酶（染色质改建：组蛋白乙酰基转移酶（A型和型和B型）使组蛋白型）使组蛋白Lys残基乙酰化。残基乙酰化。2.启动子和增强子启动子和增强子（促进转录的序列）、（促进转录的序列）、沉默子、绝缘子沉默子、绝缘子启动子：启动子：DNA分子上结合分子上结合RNA聚合酶并形成转录起始复合物的区域，在许聚合酶并形成转录起始复合物的区域，在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白质结合位点。多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白质结合位点。TATA框、框、C
22、AAT框、框、GC框均属上游控制元件。框均属上游控制元件。增强子：增强子：远距离调节启动子以增强转录速率的远距离调节启动子以增强转录速率的DNA序列。（特点和作用机制）序列。（特点和作用机制）沉默子：沉默子：远距离调节启动子以降低转录速率的远距离调节启动子以降低转录速率的DNA序列。序列。绝缘子：绝缘子：可阻止增强子对区域外启动子的影响。可阻止增强子对区域外启动子的影响。3.顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件：顺式作用元件：指对基因表达有调节活性的指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与序列，其活性只影响与其自身同处一个其自身同处一个DNA分子上的基因，
23、通常不编码蛋白质，分子上的基因，通常不编码蛋白质，多位于基因傍侧或内含子中。多位于基因傍侧或内含子中。反式作用因子：反式作用因子：是指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件是指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件812bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组DNA结合蛋白。结合蛋白。（基本转录因子、上游因子、可诱导因子）（基本转录因子、上游因子、可诱导因子）反式作用因子结合反式作用因子结合DNA的结构域有的结构域有螺旋转角螺旋基序螺旋转角螺旋基序锌指基序锌指基序亮氨酸拉链基序亮氨酸拉链基序螺旋突环螺旋基序螺旋突环螺旋基序反式作用因子还有一个或多
24、个结构域与转录活化或与其他调节蛋白相反式作用因子还有一个或多个结构域与转录活化或与其他调节蛋白相互作用。互作用。4.顺式作用与反式作用顺式作用与反式作用真核细胞与原核细胞基因转录的调节不同点？真核细胞与原核细胞基因转录的调节不同点？572页页转录后水平调节：转录后水平调节：各种各种RNA的转录后加工的转录后加工翻译水平的调节：翻译水平的调节：与原核生物相似与原核生物相似翻译后水平的调节：翻译后水平的调节： 真核基因表达调节特点真核基因表达调节特点（一）三种（一）三种RNA聚合酶聚合酶（二）基因激活引起染色体结构和性质变化（二）基因激活引起染色体结构和性质变化 核核酸酸酶酶敏敏感感、DNA拓拓扑
25、扑结结构构变变化化、 DNA碱基修饰变化、组蛋白变化等碱基修饰变化、组蛋白变化等（三）正调节占主导（三）正调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、翻译后加工（五）转录后修饰、翻译后加工. 真核基因转录激活调节的因素真核基因转录激活调节的因素（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件（二）反式作用因子（二）反式作用因子（一）顺式作用元件（一）顺式作用元件 cis-acting element 指的是可影响自身基因表达活性的指的是可影响自身基因表达活性的DNA序列。通常为序列。通常为非编码序列。包括启动子、增强子、沉默子等。非编码序列。包括启动子、增强子、沉默子等。其
26、作用与方向、距离无关。其作用与方向、距离无关。（二）反式作用因子（二）反式作用因子 trans-acting factor 指的是可与顺式作用元件相互作用的蛋白指的是可与顺式作用元件相互作用的蛋白质因子。质因子。 如果某一基因表达的蛋白质因子，与另一如果某一基因表达的蛋白质因子，与另一基因的顺式作用元件相互作用，调节其表达，基因的顺式作用元件相互作用，调节其表达，这种作用称为这种作用称为反式作用反式作用。 如果某一基因表达的蛋白质因子，与自身如果某一基因表达的蛋白质因子，与自身基因的顺式作用元件相互作用，调节自身基基因的顺式作用元件相互作用，调节自身基因的表达，这种作用称为因的表达，这种作用称
27、为顺式作用顺式作用。蛋白质蛋白质C大多数转录调节因子以反式作用调节基大多数转录调节因子以反式作用调节基因的转录。因的转录。2. 螺旋转角螺旋（螺旋转角螺旋（helix-turn-helix） 由约由约20AA组成两个组成两个螺旋，螺旋，中间以中间以转角隔开。转角隔开。常结合常结合CAAT box。亮氨酸拉链亮氨酸拉链 3. 亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper）4. 碱性螺旋环螺旋碱性螺旋环螺旋 （basic helix-loop-helix）本章小结各物质代谢的联系，重要的中间物各物质代谢的联系，重要的中间物酶活性的调节酶活性的调节原核生物基因组与真核生物基因组特点原核生物基因组与真核生物基因组特点原核生物基因表达与真核生物基因表达特点原核生物基因表达与真核生物基因表达特点概念：操纵子、断裂基因、增强子、顺式作用元件与概念：操纵子、断裂基因、增强子、顺式作用元件与反式作用因子。反式作用因子。思考题：第思考题：第579页页2,12,14,13,16,19
