1、第十四章 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RNA）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G-6-P、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。磷酸二羟丙酮还原为甘油，丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰
2、CoA，合成脂肪酸。 2、 脂转变成糖图 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，脂肪酸转化成乙酰CoA，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CoA进入TCA氧化，生成CO2和H2O。 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TCA中消耗的有机酸（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、-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 丙酮酸 -酮戊二酸 + 草酰乙酸 这三种
3、酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu和Asp。 2、 生糖氨基酸的碳架可以转变成糖凡是能生成丙酮酸、酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a。Phe、Tyr、Ilr、Lys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，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CoA，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CoA，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，经TCA进一步转变为草酰乙酸、酮戊二酸，这三者都可
4、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，如Gly 、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、乙酰CoA、柠檬酸、-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
5、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：生成ATP、还原力和结构单元用于体内生物合成。 NADPH专一用于还原性生物合成，NADH和FADH2主要功能是通过呼吸链产生ATP。 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。 NADPH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NADH
6、的氧化和NADP+的还原，所产生的NADPH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：P423 图22-5 （1）将大分子分解为小分子单元，释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CoA，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ATP。,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 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
7、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。,神经水平调节动 物 激素水平调节植 物 细胞水平调节酶水平调节 单细胞生物,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
8、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件,使某些调节因素可以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缩，利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：脂肪酸氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。 细胞核：核酸的合成、修
9、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。pH7，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。 （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，如高浓度的乙酰CoA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。
10、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 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）、 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CoA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
11、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，醛缩酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶，氨基酸代谢的Glu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,第一节 基因表达的调节 基因表达有几个水平的调节
12、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平,原核生物尤其如此。 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，其中含多个结构基因，转录产物是单个多顺反mRNA，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。
13、,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，应使阻遇蛋白解离DNA。 阻遇作用，应使阻遇蛋白结合DNA。 P451图22-25正调控：诱导作用，应使诱导蛋白结合DNA。 阻遇作用，应使诱导蛋白解离DNA。 图片9-1 杨歧生 P272,5、 大肠杆菌乳糖操纵子 Lac操纵子 结构图: P453 图22-26LacZ、La
14、cY、LacA为结构基因，上游依次为操纵基因、启动子和调节基因LacI。当细胞内无诱导物（乳糖或IPTG）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RNA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LacZYA结构基因。图片8-3孙乃恩P 285IPTG：异丙基-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
15、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。 E.coli trp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trpP-O-L， trpL是一段162bp序列，转录到mRNA中成为前导序列，对操纵子的转录起调控作用。 在染色体90分区有trpR基因，编码12.5kd的阻遏蛋白亚基,能以四聚体形式结合到trpO。 TrpP与一般原核基因启动子一样，具有-10序列和-35序列，-10序列完全位于trpP之内。 E.coli trp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
16、多数情况下，只有在培养基不供应外源a.a时，才去合成产生该a.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，从而与trpO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trpO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，
17、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：位于结构基因上游前导区的终止信号。,前导序列的特点： 前导序列的某些区段富含GC。尾部有一个含8个U的区段，易极成不依赖于的终止信号。(3区与4区构成终止信号的发夹结构) 1区和2区构成第二个发夹结构，其中1区处于14个a.a的前导肽序列中。 3区与2区也能形成另一个发夹结构，从而可阻止3区与4区形成终止发夹结构。 前导序列RNA编码一段14a.a的前导肽，并有一终止密码子UGA,前导序列中，并列二个Trp密码子. 在mRNA合成过程中，1区与2区若先配对，则3区与4区配对,终
18、止转录. 图片: 阻遏和衰减机制，虽然都是在转录水平上进行调节，但是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始，后者控制转录起始后是否继续下去。 氨基酸合成操纵子前导肽序列 P454表22-2生长速度调节: 严紧控制 基因表达时序调节： 翻译水平调节：,二、 真核基因表达的调节,基因表达调控,基因表达调控是生命现象的基本需要,生物体的不同发育阶段，需要启动不同的基因表达。 细胞的生长、增殖、分化、衰老及死亡等不同阶段需要不同的蛋白质参与。 细胞发挥不同的生理功能, 以及为了适应复杂多变的内部与外部环境的变化，需要不同的蛋白质参与。,基因表达定义：贮存着生物体遗传信息的基因经转录和翻译成蛋白质的
19、过程。,一、细菌代谢酶的诱导,组成型表达（Constitutive expression): 这类基因又称看家基因(housekeeping genes)，该基因的表达是持续性的，不受调控的。如：组成机体的结构蛋白；三羧酸循环中的代谢酶等。诱导型表达(Inducible expression)： 基因的表达水平受调节物的诱导而增加。 如：参与DNA修复的酶类；某些代谢酶等。,二、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
20、构基因,操纵子,表达阻遏蛋白,结合RNA 聚合酶,结合 阻遏蛋白,表达功能蛋白,?,I,阻遏物基因,三、基因表达调控的方式: 负调控,启动子,结构基因1，2，3.,操纵基因,调控区,结构基因,操纵子,诱导型,阻遏型,变构,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白变构激活,辅阻遏 物,阻遏物基因,两种方式,诱 导 物,乳糖操纵子为代表,色氨酸操纵子为代表,四、乳糖操纵子的工作原理： 1.负调控方式,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,阻遏蛋白,乳 糖,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白,乳糖操纵子（Lac Operon）,I,阻遏物基因,阻遏蛋白,阻遏状态,Z
21、:-半乳糖苷酶,Y:乳糖穿透酶,A:转乙酰基酶,诱导状态,四、乳糖操纵子的工作原理:2. 正调控,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,CAP,变构,CAP变构激活,cAMP,CAP,乳糖操纵子,CAP位点,(Catabolite Activator Protein site),CAP,CAP: 代谢物激活蛋白,四、乳糖操纵子的工作原理： 2. 正调控,细菌优先利用葡萄糖作为能源,有葡萄糖：,cAMP,CAP无活性,不促进转录,无葡萄糖：,cAMP,CAP有活性,促进转录,乳糖操纵子调控方式的比较,负调控,正调控,调节蛋白 阻遏蛋白 CAP,变构物 别乳糖，乳糖 cAMP,与变构物结合 无活性 有活性,基因位点 O基因 CAP位点,结合于基因位点 基因关闭 基因开放,未结合于基因位点 基因开放 基因关闭,不与变构物结合 有活性 无活性,
