生物化学-第39章-细胞代谢与基因表达调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰,CoA,e,-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如,丙酮酸、乙酰,CoA,等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成,H,2,O,，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在,ATP,中。,大分子降解成基本结构单位,生物氧化的三个阶段,细胞代谢的调节网络,PEP,丙酮酸,生酮氨基酸,-,酮戊二酸,核糖,-5-,磷酸,甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨,丙氨酸 甘氨酸丝氨酰苏氨酸,半胱氨酸,氨基酸,6-,磷酸葡萄糖,磷酸二羟丙酮,乙酰,CoA,甘油,脂肪酸,胆固醇,亮氨酸赖氨酸酪酰氨色氨酸,笨丙氨酸,异亮氨酸,亮氨酸色氨酸,乙酰乙酰,CoA,脂肪,核苷酸,天冬氨酸天冬酰氨,天冬氨酸苯丙酰氨,酪氨酸,异亮氨酸甲硫酰氨,苏氨酸缬氨酸,琥珀酰,CoA,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,乙醛酸,蛋白质,淀粉、糖原,核酸,生糖氨基酸,谷氨酰氨,组氨酸脯氨酸精氨酸,谷氨酸,延胡索酸,琥珀酸,丙二单酰,CoA,1-,磷酸葡萄糖,细胞代谢的调节网络,（胞液）,（线粒体）,（,PEP,）,丙氨酸,天冬氨酸,谷氨酸,（转氨基作用）,糖的分解代谢和糖异生的关系,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,脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系,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）,代谢调节,生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那么多复杂的代谢途径在运转，必须有,灵巧而严密,的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。,调节失灵便会导致代谢障碍,，出现病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。,代谢调节的四级水平：,酶水平调节,细胞水平调节,激素水平调节,神经水平调节,多细胞整体水平调节,一、酶水平的调节,酶活性的调节,酶合成的调节（,基因表达的调控,）,(,一,),、酶活性的调节,1,、酶原激活,2,、酶的别构效应,酶活性的前馈和反馈调节,3,、酶的共价修饰与级联放大机制,4,、辅因子对已有酶活性的调节,酶活性的前馈和反馈调节,前馈,（,feedforward,）和,反馈,（,feedback,）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节作用是通过酶的,变构效应,来实现的。,前馈和反馈激活,反馈抑制,反馈激活和前馈激活示意图,A,B,C,D,F,A,B,G,C,D,E,E,+,+,+,例,1:,糖代谢途径中丙酮酸积累激活丙酮酸羧化酶，例,2,：,乙酰,CoA,的积累激活,PEP,羧化酶,酶的反馈激活,葡萄糖,草酰乙酸,丙酮酸,羧化酶,乙酰,CoA,活化,磷酸烯醇式丙酮酸,拧檬酸,-,酮戊二酸,1,，,6-,二磷酸果糖,由代谢终产物作为变构剂来抑制在此产物合成过程中某一酶（通常为限速酶）活性的作用，称为反馈抑制。这是一种负反馈机制，多数情况下控制合成代谢。,类型：,顺序反馈抑制,协同反馈抑制,累积反馈抑制,同工酶反馈抑制,反馈抑制,顺序反馈抑制示意图,A,B,G,F,J,D,C,H,-,-,-,E,1,E,3,E,2,芳香族氨基酸合成的顺序反馈调节,协同调节示意图,A,B,G,F,J,D,C,H,-,E,1,E,3,E,2,-,-,-,赖氨酸和苏氨酸的协同反馈调节,同工酶反馈抑制示意图,A,B,G,F,J,D,C,H,-,-,-,-,E,1,E,2,E,3,E,4,几种氨基酸的同工酶反馈调节,反馈调节中酶活性调节的机制,代谢物,别构中心,活性中心,酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（,Covalent moldification,）。目前已知有六种修饰方式：,磷酸化,/,去磷酸化，乙酰化,/,去乙酰化，腺苷酰化,/,去腺苷酰化，尿苷酰化,/,去尿苷酰化，甲基化,/,去甲基化，氧化,（,S-S,）,/,还原,(2SH),。,激酶,ATP,ADP,磷酸化酶,（无活性）,磷酸化酶,P,（有活性）,磷酸酯酶,-,OH,H,2,O,P,例：糖原磷酸化酶的共价修饰,共价修饰,级联系统调控示意图,意义,：,由于,酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。,肾上腺素或胰高血糖素,1,、腺苷酸环化酶（无活性）,腺苷酸环化酶（活性）,2,、,ATP,cAMP,R,、,cAMP,3,、蛋白激酶（无活性）,蛋白激酶（活性）,4,、磷酸化酶激酶（无活性）,磷酸化酶激酶（活性）,5,、磷酸化酶,b,（无活性）,磷酸化酶,a,（活性）,6,、糖原,6-,磷酸葡萄糖,1-,磷酸葡萄糖,葡萄糖,血液,肾上腺素或胰高血糖素,1,3,2,10,2,10,4,10,6,10,8,葡萄糖,ATP ADP,ATP ADP,4,5,6,辅因子对已有酶活性的调节,能荷对代谢的调节,NADH/NAD,+,对代谢的调节,金属离子浓度,对代谢的调节,（二）、基因表达的调控,基因表达,(gene expression),-,基因转录及翻译的过程。,rRNA,、,tRNA,的合成属于基因表达,中心法则,(the central dogma),：,1,、基因表达的,时间性及适应性,(,temporal and spatial specificity),（,1,）、时间特异性,(temporal specificity),某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生,Hb(hemoglobin),珠蛋白基因簇：,（胚胎型）、,珠蛋白基因簇：,（胚胎型）、,（胎儿型）、,、,2,2,2,2,2,2,（,2,）、适应性：,适应环境、维持生长和增殖,维持个体发育与分化,基因表达调控的环节：,基因活化、,转录,、转录后加工、,翻译、翻译后加工,2,、基因表达的方式,（,1,）、管家基因与奢侈基因,管家基因（,housekeeping gene,）,-,在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。,组成性基因表达,(constitutive gene expression),奢侈基因（,luxury gene,）,只在特定的细胞类型中表达的基因,（,2,）、诱导和阻遏表达,诱导,（,induction,）,-,可诱导基因,在特定环境信号刺激下表达增强的过程。,DNA,损伤 修复酶基因激活,乳糖 利用乳糖的三种酶表达,阻遏,（,repression,）,-,可阻遏基因表达产物水平降低的过程,色氨酸,色氨酸合成酶系,3,、原核基因表达的调控,（,1,）、操纵子,（,1,）操纵子,(,operon),的提出,大肠杆菌可以利用,葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖,等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有,葡萄糖和乳糖,时，细菌,优先,利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的,适应,，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。,乳糖对,半乳糖苷酶的合成有诱导作用。,葡萄糖对,半乳糖苷酶的合成有抑制作用。,这种典型的,诱导现象,，是研究基因表达调控极好的,模型,。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的,Jocob,和,Monod,等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于,1961,年提出,乳糖操纵子（,lac,operon,）学说,。,（,2,）操纵子的基本组成,下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子的,最基本的组成元件,（,elements,）。,P,S1,S2,S3,启动子,O,Promoter,调控序列,结构基因,操纵子（,operon,）,结合,RNA,聚合酶,表达功能蛋白,?,11/50,操纵子（,operon,）,:,原核生物的转录单位,操纵基因,Operator,A,、结构基因群,操纵子中被调控的,编码蛋白质的基因可称为结构基因,(structural gene,SG),。一个操纵子中含有,2,个以上的结构基因,，多的可达十几个。,乳糖操纵子含有,Z,、,Y,和,A,等,3,个结构基因,l,ac,Z,编码,-,半乳糖苷酶,l,ac,Y,编码,-,半乳糖苷透性酶,l,ac,A,编码,-,半乳糖苷转乙酰酶,B,、启动子,启动子,(promoter,P,),是指,能被,RNA,聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段,DNA,序列,。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因,5,侧上游,，控制整个结构基因群的转录。,C,、操纵区,操纵区（,operator,）是指能被,调控蛋白特异性结合的一段,DNA,序列,，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。,以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区（,o,）序列位于启动子（,p,）与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。,D,、调控基因,调控基因,(regulatory gene),是,编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因,。调控蛋白有：,阻遏蛋白,(repressive protein),：与操纵区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介导的调控方式为,负调控,激活蛋白,(activating protein),：与操纵区结合后能,增强或起动,其调控的基因转录，所介导的调控方式为,正调控,例如在乳糖操纵子中，调控基因,lac,I,位于,P,lac,邻近，编码产生调控蛋白,R,。,在环境没有乳糖存在的情况下，,R,能特异性与操纵区,紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以,R,是乳糖操纵子的阻遏蛋白,；,当环境中有足够的乳糖时，乳糖与,R,结合，失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因有转录的可能。,在这过程中乳糖就是诱导剂，与,R,结合起到去阻遏作用，诱导了利用乳糖的酶类基因转录开放。,许多调控蛋白都是,变构蛋白,（,allosteric protein,），通过与上述类似的方式与效应物结合改变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用。,E,、终止子,终止子（,terminator,，,T,）是,给予,RNA,聚合酶转录终止信号的,DNA,序列,。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。,以上,5,种元件,是每一个操纵子,必定含有的,。其中启动子、操纵区位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后。,（,2,）,乳糖操纵子的表达调控,阻遏蛋白的负调控,当大肠杆菌在,没有乳糖,的环境中生存时，,lac,操纵子处于,阻遏状态,。调节基因在其自身的启动子,Pi,控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白,R,，,R,与操纵子,结合，阻碍了,RNA,聚合酶与启动子,P,lac,的结合，阻止了基因的转录起动。,R,的阻遏作用,不是绝对,的，,R,与,偶尔解离，使细胞中还有极低水平的,半乳糖苷酶及透过酶的生成。,当有乳糖存在时，乳糖受,半乳糖苷酶,的催化转变为别乳糖，与,R,结合，使,R,构象变化，失去与,的亲和力，与,解离，基因转录开放，使,半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加,1000,倍。这就是乳糖对,lac,操纵子的诱导作用。,CAP,的正调控,葡萄糖存在时，半乳糖,-,糖苷酶等的合成也受抑制。,CAP,：,能与,cAMP,特异结合的,cAMP,受体,在,lac,操纵子的启动子,P,lac,上游端有一段序列与,P,lac,部分重叠的序列，能与,CAP,特异结合，称为,CAP,结合位点（,CAP binding site,）。,CAP,与这段序列结合时，可增强,RNA,聚合酶的转录活性，使转录提高,50,倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，,cAMP,浓度降低，,CRP,不能被活化，,lac,操纵子的结构基因表达下降。,由于,P,lac,是,弱启动子,，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使,lac,操纵子转录开放，还不能使细菌,很好利用乳糖,，必需同时有,CAP,来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖,。,lac,操纵子的强诱导,既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用,。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去,充分利用乳糖,。,乳糖操纵子的诱导,（,3,）,色氨酸操纵子,色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子（,trp,operon,）的调控,。,色氨酸操纵子的结构,阻遏蛋白的负调控,合成色氨酸所需要酶类的,结构基因群,，受其上游的启动子,P,trp,和操纵子,的调控,，调控基因,trpR,的位置,远离,P-,-,结构基因群,，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达其,调控蛋白,R,，,R,并没有与,结合的,活性,，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，,R,与色氨酸,结合后构象变化而活化,，就能够与,特异性亲和结合,，,阻遏结构基因的转录,。,因此色氨酸操纵子属于一种,负性调控的、可阻遏的操纵子,（,repressible operon,），即这操纵子通常是,开放转录,的，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖,最经济最节省,的状态。,4,、真核生物基因表达的调控,（,1,）真核基因组结构特点,真核基因组结构庞大,310,9,bp,单顺反子,含有大量重复序列,基因不连续性,内含子 外显子,非编码区较多,多于编码序列,(9:1),多层次调控,失活,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,（,2,）转录水平的调控,最重要,顺式作用元件,反式作用因子,转录起始的调控,顺式作用元件,影响,自身基因,表达活性的,DNA,序列,非编码序列,分启动子、增强子、沉默子,启动子,TATA,盒，,-25bp,上游启动子元件,(upstream promotor elements,UPE),，,CAAT,盒，,-75bp,；,GC,序列等,顺式作用元件,增强子：远离转录起始点（,130kb,），增强启动子转录活性,DNA,序列，与方向、距离无关,沉默子：负性调节元件，起阻遏作用,顺式作用元件,增强子,反式作用因子,(,trans-acting factor,),概念：为,DNA,结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）,通用转录因子,结合在,TATA,盒上的蛋白质因子。,TFA,、,TFB,、,TFD,、,TFE,等,转录调控因子,结合在,UPE,上的蛋白质因子,反式作用因子特点,三个功能结构域：,DNA,识别结合域；转录活性域；结合其他蛋白的结合域,能识别并结合顺式作用元件,(cis-acting element),正调控与负调控,功能结构域,反式作用因子结构域的模式,DNA,结合域,(DNA-banding domain),锌指结构,(zinc finger motif),同源结构域,(homodomain,HD),：,螺旋,-,回折,-,螺旋,(helix-turn-helix),亮氨酸拉链,结构,(leucine zipper),螺旋,-,环,-,螺旋,(helix-loop-helix,HLH),碱性,螺旋,(alkaline-helix),A,、螺旋,-,转角,-,螺旋,Lac repressor,B,、锌指结构,保守,AA,的基团锌离子形成相对独立的结构域,有两种：,Cys2/His2,（典型的锌指蛋白，串联重复）,Cys2/Cys2,（类固醇受体中）,结合,DNA,及二聚化,Cys2/His2,锌指结构,12AA,特异结合位点,（类固醇与类固醇受体）,糖皮质激素效应元件,C,、借疏水作用形成的,亮氨酸拉链,bZIP,D,、,HLH,（螺旋,-,环,-,螺旋）,两个两亲性,螺旋 以疏水侧形成二聚体 碱性区结合,DNA,（,bHLH,）,酶定位的区域化,线粒体,:,丙酮酸氧化,;,三羧酸循环,;,-,氧化,;,呼吸链电子传递,;,氧化磷酸化,细胞质,:,酵解,;,磷戊糖途径,;,糖原合成,;,脂肪酸合成,;,细胞核,:,核酸合成,内质网,:,蛋白质合成,;,磷脂合成,二、细胞水平的调节,三、激素水平的调节,甾醇类激素的作用,含氮激素的作用,甾醇类激素作用原理示意图,肽类激素通过,cAMP-,蛋白激酶调节代谢示意图,ATP,c,AMP+,PPi,内在蛋白质的磷酸化作用,改变细胞的生理过程,细胞膜,细胞膜,c,R,蛋白激酶（无活性）,c,+,R,c,ATP,蛋白激酶（有活性）,受体,环化酶,激素,G,蛋白,四、神经水平的调节,生物界最高水平的代谢调节,