第十四章-细胞代谢与基因表达调节

第三篇遗传信息第十一章DNA的复制和修复第十三章蛋白质的生物合成第十二章RNA的生物合成和加工第十四章细胞代谢与基因表达调控第十四章细胞代谢与基因表达调控第一节细胞代谢的调节网络第二节酶活性的调节第三节基因表达的调节第一节细胞代谢的调节网络一、糖代谢与脂肪代谢的相互关系脂肪甘油磷酸二羟丙酮糖代谢脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖(植物)乙醛酸循环-氧化糖异生TCA糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸琥珀酸苹果酸草酰乙酸3-磷酸甘油三羧酸循环乙醛酸循环甘油乙酰CoA三酰甘油脂肪酸氧化糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸合成植物或微生物小结：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葡萄糖乙酰CoA合成脂肪（脂肪组织）合成糖原储存（肝、肌肉）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肝、肾、肠磷酸-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高酮血症草酰乙酸相对不足糖不足脂肪大量动员酮体生成增加氧化受阻二、糖代谢与蛋白质代谢的相互关系1、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α-酮戊二酸丙氨酸天冬氨酸谷氨酸2、大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的α-酮酸，可转变为糖。丙氨酸丙酮酸脱氨基糖异生葡萄糖三、脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系脂肪甘油磷酸二羟丙酮脂肪酸乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸蛋白质蛋白质氨基酸酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪（生酮氨基酸）——但不能说，脂类可转变为氨基酸。氨基酸可作为合成磷脂的原料丝氨酸磷脂酰丝氨酸胆胺脑磷脂胆碱卵磷脂四、核酸和其他物质代谢的相互关系（一）氨基酸是体内合成核酸的重要原料甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺一碳单位合成嘌呤合成嘧啶（二）磷酸核糖和NADPH由磷酸戊糖途径提供核酸甘氨酸天冬氨酸谷氨酰胺核苷酸ATPGTPCTPUTP双糖或多糖葡萄糖磷酸戊糖途径磷酸核糖ADPGGDPGUDPG能量供体蛋白质合成磷脂代谢辅助因子信号分子糖与核酸的互变糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系五、细胞内酶的隔离分布多酶体系在细胞内的分布•酶的隔离分布的意义——避免了各种代谢途径互相干扰。第二节酶活性的调节一、酶的变构调节1、变构调节的概念某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性以及代谢反应的速度。•被调节的酶称为变构酶或别构酶(allostericenzyme)•使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂(allostericeffector)•变构激活剂allostericeffector——引起酶活性增加的变构效应剂。•变构抑制剂allostericeffector——引起酶活性降低的变构效应剂。别构激活剂别构抑制剂2、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别构激活剂别构抑制剂变构效应剂+酶的调节亚基酶的构象改变酶的活性改变（激活或抑制）疏松亚基聚合紧密亚基解聚酶分子多聚化别构中心活性中心代谢物3、变构调节的生理意义①代谢终产物反馈抑制(feedbackinhibition)反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。乙酰CoA乙酰CoA羧化酶丙二酰CoA长链脂酰CoA②变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。G-6-P–+糖原磷酸化酶抑制糖的氧化糖原合酶促进糖的储存③变构调节使不同的代谢途径相互协调。柠檬酸–+6-磷酸果糖激酶-1抑制糖的氧化乙酰辅酶A羧化酶促进脂酸的合成二、酶的共价修饰调节1、共价修饰的概念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，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的共价修饰。2、共价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-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白3、共价修饰的特点①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。②具有放大效应，效率较变构调节高。③磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。•同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。三、能荷的调节能荷==[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]•能荷值为0～1。•能荷值高，抑制分解代谢。第十四章细胞代谢与基因表达调控第一节细胞代谢的调节网络第二节酶活性的调节第三节基因表达的调节第三节基因表达的调节DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制geneexpression一、基因表达(geneexpression)1、概念：在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。2、产物类型：大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制geneexpression二、基因表达调控•围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控.•转录水平的调控•转录后的调控•翻译水平的调控三、基因表达的方式•组成型基因表达•适应性表达（诱导和阻遏表达）1、组成型基因表达（constitutiveexpression）1）持家基因(house-keepinggene)某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为持家基因。2）组成型表达管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，这种表达方式为组成型表达。2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；1）诱导和可诱导基因随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。2）阻遏和可阻遏基因四、原核生物基因表达的调节1、操纵子（operon）的概念概念：基因表达的协调单位，由调节基因、启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。2、操纵子的研究背景JacobandMonod发现过程：β-半乳糖苷酶Noβ–galactosidasewasproducedβ–galactosidasewasproducedE.coliGlucoseE.colilactose3、乳糖操纵子的调控机制（1）乳糖操纵子的结构1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖FrancisJacobJacquesMonodThelactoseOperon(乳糖操纵子)lacZ半乳糖苷酶（β-galactosidase）lacY半乳糖苷透过酶（lactosepermease）lacA硫代半乳糖苷转乙酰酶（thiogalactosidetransacetylase）O1O2O33个操纵基因（operator）：O1-主操纵基因O2-假操纵基因O3-假操纵基因ZI（2）乳糖对乳糖操纵子的表达的影响1）没有乳糖存在时mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因①没有乳糖存在时，lac操纵子不表达2）有乳糖存在时mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖②有乳糖存在时，lac操纵子基因表达失活ipozyaVerylowleveloflacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozya-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactoseInactive小结：（3）葡萄糖对lac操纵子的影响（降解物阻遏效应）---指当G和其它糖类一起作为细菌的碳源时G总是优先被利用，G的存在阻止了其它糖类的利用的现象。①CRP或CAP对乳糖操纵子的正性调节CRP—cAMPreceptorprotein（cAMP受体蛋白）CAP—Catabolitegeneactivatorproteins(分解产物代谢基因激活蛋白)无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNApolCAPAYZOPICAPRNApol课后思考题：×②阻遏蛋白与CAP蛋白的协同调节即需要乳糖存在以灭活阻遏蛋白，又需要G不存在或仅有低浓度，以增加cAMP浓度促进与CAP的结合，此为协同调节。AYZOPI乳糖异乳糖RNApol1、分解代谢基因激活蛋白（CAP）对乳糖操纵子表达的影响是（）。A.正性调控B.负性调控C.正/负性调控D.无调控作用E.可有可无课堂练习题：2、阻遏蛋白识别操纵子中的（）。A．启动基因B．结构基因C．操纵基因D．内含于E．外显子3、乳糖操纵子激活的直接诱导剂是（）A．β-半乳糖苷酶B．通透酶C．葡萄糖D．乳糖E．别乳糖4、lac阻遏蛋白由（）？A．Z基因编码B．Y基因编码C．A基因编码D．I基因编码E．以上都不是5、cAMP与CAP结合，CAP介导正性调节发生在A．有葡萄糖及cAMP较高时B．有葡萄糖及cAMP较低时C．没有葡萄糖及cAMP较高时D．没有葡萄糖及cAMP较低时E．没有葡萄糖及没有乳糖时课后作业题简要回答大肠杆菌乳糖操纵子基因表达的调控机理？•结构特点•阻遏蛋白的负性调控•CAP的正性调控•协同调节4、色氨酸操纵子的调控机制实验：1.大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时，检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在；2.在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌生长的经济原则：不需要就不合成。4.酶合成的阻遏现象。经典实验（1）Trp操纵子的结构trpRtrpPtrpO结构基因前导序列调控序列衰减子atrpL（2）Trp操纵子的调控机制•色氨酸的阻遏调控•衰减调控①色氨酸的阻遏调控当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。trp的阻遏调控机制：TrpTrp浓度高时Trp浓度低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子－阻遏调节②Trp操纵子的衰减调控机制•在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.弱化子或衰减子的概念：调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子调节机制（精细调节）UUUU……前导mRNA1234核糖体trp密码子•起调节作用的是色氨酰-tRNA的浓度色氨酸浓度高时色氨酸浓度低时前导mRNA色氨酸浓度低时色氨酸浓度高时没有蛋白质合成时衰减子具有什么生物学意义？可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子特殊代谢物调节基因活性的类型小结：课堂练习题：1、Trp是一种调节分子，被认为是trp操纵子中，活化无活性的。trp操纵子受系统和系统的调控。2、操纵子一般由、、基因和基因组成。五、真核生物基因表达的调节DNA水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质（一）真核生物在DNA水平的调控1、具有转录活性的染色质有独特结构按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质。活性染色质－具有转录活性的染色质；非活性染色质－没有转录活性的染色质。活性染色质的结构特点：在结构上：•活性染色质上具有DNaseI超敏感位点.•活性染色质趋向于去甲基化.2、染色质的乙酰化和核小体置换染色体中组蛋白的乙酰