第十六章代謝調(diào)控課件

第一節(jié) 代謝途徑之間的聯(lián)系11

、代謝網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞代謝的基本原則是將各類物質(zhì)分別納入各自的共同代謝途徑，以少數(shù)關(guān)鍵的反應(yīng)如氧化還

原、基團(tuán)轉(zhuǎn)移、水解合成、基團(tuán)脫加及異構(gòu)反應(yīng)等，轉(zhuǎn)化種類繁多的分子。不同代謝途徑可以通過交叉

點上關(guān)鍵的中間代謝物而相互作用和相互轉(zhuǎn)化。這

些共同的中間代謝物使各代謝途徑得以溝通，形成

經(jīng)濟(jì)有效、運轉(zhuǎn)良好的代謝網(wǎng)絡(luò)通路。其中三個關(guān)

鍵的中間代謝物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。2

、分解代謝與合成代謝的單向性雖然酶促反應(yīng)是可逆的，但在生物體內(nèi)，代謝過程是單向的。一些關(guān)鍵部位的代

謝是由不同的酶催化正反應(yīng)和逆反應(yīng)的。這樣可使兩種反應(yīng)都處于熱力學(xué)的有利

狀態(tài)。一般酮酸脫羧的反應(yīng)、激酶催化

的反應(yīng)、羧化反應(yīng)等都是不可逆的。這

些反應(yīng)常受到嚴(yán)密調(diào)控，成為關(guān)鍵步驟。23

、能量的代謝ATP是通用的能量載體NADPH以還原力的形式攜帶能量ATP、還原力和構(gòu)造單元用于生物合成3第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié)4酶活性的調(diào)節(jié)

細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)整體水平的調(diào)節(jié)—、酶水平的調(diào)節(jié)（一）、酶活性的調(diào)節(jié)前饋和反饋ATP、ADP和AMP的調(diào)節(jié)酶的連續(xù)激活和共價修飾（二）、酶量的調(diào)節(jié)-基因表達(dá)調(diào)控5#

基因表達(dá)調(diào)控基本概念與原理基因表達(dá)的概念基因表達(dá)（geneexpression）就是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉(zhuǎn)錄生成特定的

RNA，或由此引起特異性蛋白質(zhì)合成的過程。6人類基因組DNA中約含5萬個基因，但在某一特定時期，只有少數(shù)的基因處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)，其余大多數(shù)基因則處于靜息狀態(tài)。一般來說，在大部分情況下，處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的基因僅占5%。通過基因表達(dá)以合成特異性蛋白質(zhì)，從而賦予細(xì)胞以特定的生理功能或形態(tài)，以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的改變。7#基因表達(dá)的時間性及空間性#時間特異性：基因表達(dá)的時間特異性

(temporalspecificity)是指特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時間順序發(fā)生，以適應(yīng)細(xì)胞或個體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。8#空間特異性：sp9基因表達(dá)的空間特異性

（specificity）是指多細(xì)胞生物個體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。#基因表達(dá)的方式#組成性表達(dá)：組成性基因表達(dá)

（

constitutive

geneexpression）是指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeeping

gene）。10#誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)：誘導(dǎo)表達(dá)（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達(dá)（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。11#基因表達(dá)的生物學(xué)意義12適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖。維持個體發(fā)育與分化。#基因表達(dá)調(diào)控的基本原理#基因表達(dá)的多級調(diào)控：基因表達(dá)調(diào)控可見于從基因激活到蛋白

質(zhì)生物合成的各個階段，因此基因表達(dá)

的調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)

錄起始），轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉(zhuǎn)錄水平

的基因表達(dá)調(diào)控最重要。13#基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素：1．順式作用元件：順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。14在原核生物中，大多數(shù)基因表達(dá)通過操縱子模型進(jìn)行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動基因、操縱基因和調(diào)節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）。15基因的組織結(jié)構(gòu)及順式作用元件162．反式作用因子：反式作用因子（trans-acting

factor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子。173．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與

DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價鍵結(jié)合。181、 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模式是操縱子（operon）調(diào)控模式，該模式也見于低等真核生物中。在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子（operon）。191、1 操縱子的結(jié)構(gòu)與功能典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。20以原核生物乳糖操縱子(Lac

operon)為例，其控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因（阻遏基因），啟動基因（其CRP結(jié)合位點位于RNA聚合酶結(jié)合位點上游）和操縱基因；其信息區(qū)由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串聯(lián)在一起構(gòu)成?？刂茀^(qū)信息區(qū)21乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因及其表達(dá)產(chǎn)物221、2 乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制1、2、1

乳糖操縱子的誘導(dǎo)：23241、2、2

乳糖操縱子的阻遏：25261、3 色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子（trp

operon）屬于阻遏型操縱子，主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關(guān)閉。27色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。28色氨酸操縱子的調(diào)控還涉及轉(zhuǎn)錄衰減

(attenuation)機(jī)制。即在色氨酸操縱子第一個結(jié)構(gòu)基因與啟動基因之間存在有一衰減區(qū)域，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時，通過與轉(zhuǎn)錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個衰減子結(jié)構(gòu)，使

RNA聚合酶從DNA上脫落，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。291、4 原核生物轉(zhuǎn)錄的整體調(diào)控模式由成群的操縱子組成的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)稱為調(diào)節(jié)子。通過組成調(diào)節(jié)子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對若干操縱子及若干蛋白質(zhì)的合成進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，從而達(dá)到整體調(diào)控的目的。典型的整體調(diào)控模式是SOS反應(yīng)，這是由一組與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當(dāng)有紫外線照射時，細(xì)菌體內(nèi)的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導(dǎo)致與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的基因表達(dá)。302、 真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)真核生物中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制較原核生物復(fù)雜得多，許多細(xì)節(jié)還未弄清楚。就人類染色體DNA而言，就有30億個堿基對，估計約有5萬個基因。31真核基因組結(jié)構(gòu)特點#轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子：真核基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般是單順反子（mono-cistron），即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，并指導(dǎo)翻譯一條多肽鏈。32#大量重復(fù)序列：真核基因組中含大量的重復(fù)序列，這些重復(fù)序列大部分是沒有特定生物學(xué)功能的DNA片段，可占整個基因組DNA的90%。根據(jù)重復(fù)頻率可將其分為高度重復(fù)序列、中度重復(fù)序列和單拷貝序列。33#斷裂基因：真核生物中的基因具有不連續(xù)性，即一個基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開?；蛑心軌蜣D(zhuǎn)錄并進(jìn)一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉(zhuǎn)錄后會被剪除的部分則稱為內(nèi)含子（intron）。34真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(激素水平和發(fā)育過程)352、1

轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)節(jié)染色質(zhì)丟失擴(kuò)增重排修飾2、2轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)2、2、1RNA聚合酶活性受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控：真核生物中存在

RNA

pol

Ⅰ

、

Ⅱ種不同的RNA聚合酶，分別負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄不同的RNA。這些RNA聚合酶與相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。362、2、2染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變參與基因表達(dá)的調(diào)控：真核生物DNA與組蛋白結(jié)合并形成核小體的結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步形成染色質(zhì)。當(dāng)真核基因被激活時，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變。主要的改變有：單鏈DNA形成：基因被激活后，雙鏈DNA解開成單鏈以利于轉(zhuǎn)錄，從而形成一些對DNAaseⅠ的超敏位點。37DNA拓樸結(jié)構(gòu)改變：天然雙鏈DNA均以負(fù)性超螺旋構(gòu)象存在，當(dāng)基因激活后，則轉(zhuǎn)錄區(qū)前方的DNA拓樸結(jié)構(gòu)變?yōu)檎猿菪?。正性超螺旋可阻礙核小體形成，并促進(jìn)組蛋白解聚。核小體不穩(wěn)定性增加：由于組蛋白修飾狀態(tài)改變，巰基暴露等原因而引起核小體結(jié)構(gòu)改變。38（基因轉(zhuǎn)錄2

、

2

、

3

正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)元件及激活機(jī)制

）：真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。通過利用各種轉(zhuǎn)錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機(jī)制。39順式作用元件主要有啟動子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）。反式作用因子

（

trans-acting

factor

）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。402、2、3、1順式作用元件1．啟動子：存在于結(jié)構(gòu)基因上游，與基因轉(zhuǎn)錄啟動有關(guān)的一段特殊DNA順序稱為啟動子（promoter)。與原核生物類似，也含有一段富含TATA的順序，稱為TATA盒。除此之外，還可見CAAT盒和GC盒。41422．增強(qiáng)子：位于結(jié)構(gòu)基因附近，能夠增強(qiáng)該基因轉(zhuǎn)錄活性的一段DNA順序稱為增強(qiáng)子

(enhancer)。增強(qiáng)子是另一類順式作用的DNA片段，可使基因轉(zhuǎn)錄的速率大大提高。其突出特點是：①在轉(zhuǎn)錄起始點5’或3’側(cè)均能起作用；②相對于啟動子的任一指向均能起作用；③發(fā)揮作用與受控基因的遠(yuǎn)近距離相對無關(guān)；④對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；⑤通常具有一些短的重復(fù)順序。43增強(qiáng)子是通過一類稱之為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)而發(fā)揮其促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的作用。其作用機(jī)制目前公認(rèn)的是環(huán)出模型。在λ噬菌體Cro蛋白結(jié)合位點和RNA起始點之間插入數(shù)百堿基對的無關(guān)DNA，Cro蛋白結(jié)合仍然對聚合酶有激活作用。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Cro蛋白與Cro位點結(jié)合后，通過DAN鏈的彎曲成環(huán)與起始點附近的轉(zhuǎn)錄蛋白靠近并結(jié)合。這一機(jī)制同樣適合于SV40以及其它真核基因的啟動子。443．沉默子：能夠?qū)蜣D(zhuǎn)錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負(fù)性調(diào)控元件。45反式作用因子（分子間作用2

、

2

、

3

、

2因子）：真核生物反式作用因子通常屬于轉(zhuǎn)錄因子（transcription

factor，TF）。461．轉(zhuǎn)錄因子的種類：(1)非特異性轉(zhuǎn)錄因子（基本轉(zhuǎn)錄因子）：非選擇性調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的蛋白質(zhì)因子稱為非特異性轉(zhuǎn)錄因子。真核生物中存在的三種

RNA聚合酶分別有相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中以TFⅡ研究較清楚，TFⅡ一共有六種亞類，分別是TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。TFⅡD是唯一能識別啟動子TATA盒并與之結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，而TFⅡB則可促進(jìn)聚合酶Ⅱ與啟動子的結(jié)合。47(2)特異性轉(zhuǎn)錄因子：能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的蛋白質(zhì)因子稱為特異性轉(zhuǎn)錄因子。目前較清楚的是調(diào)控免疫球蛋白基因表達(dá)的核內(nèi)蛋白質(zhì)因子（NF），已發(fā)現(xiàn)存在NFA，NF2A，NFB，NFB4，NFⅢ等亞類。482．轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)：目前已知，反式作用因子至少含有三個功能域，即DNA結(jié)合功能域，轉(zhuǎn)錄活性功能域和其它轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合功能域。49對各種轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合功能域的研究發(fā)現(xiàn)一些帶共性的結(jié)構(gòu)，主要有：(1)HTH和HLH結(jié)構(gòu)：由兩段а-螺旋夾一段β-折迭構(gòu)成，а-螺旋與β-折迭之間通過β-轉(zhuǎn)角或成環(huán)連接，即螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)和螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)。典型的例子是λ噬菌體的Cro蛋白，該蛋白含三段а-螺旋和三段β-折迭，兩亞基通過β-折迭而形成二聚體，相當(dāng)于DNA的一

個螺距的長度，而每一亞基的一段а-螺旋則剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中與DNA緊密結(jié)合。50(2)鋅指結(jié)構(gòu)：見于TFⅢA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構(gòu)成。每四個半光氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結(jié)合。每個蛋白質(zhì)分子中可含2-9個鋅指結(jié)構(gòu)。51(3)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)：見于真核生物

DNA

結(jié)合蛋白質(zhì)的C端，與癌基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。由兩段α-螺旋平行排列構(gòu)成，其α-螺旋中存在每隔7個殘基規(guī)律性排列的Leu殘基，Leu側(cè)鏈交替排列而呈拉鏈狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA結(jié)合。523．轉(zhuǎn)錄因子的作用特點：⑴同一DNA

順式作用元件可被不同的轉(zhuǎn)錄因子所識別；⑵同一轉(zhuǎn)錄因子也可識別不同的DNA

順式作用元件；⑶TF與TF之間存在相互作用；⑷當(dāng)TF

與TF

，TF

與DNA

結(jié)合時，可導(dǎo)致構(gòu)象改變；⑸TF在合成過程中，有較大的可變性和可塑性。532、2、3、3

轉(zhuǎn)錄激活及其調(diào)控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依賴多種轉(zhuǎn)錄因子，并與之形成復(fù)合體。其過程首先是由TFⅡD識別啟動子序列并與之結(jié)合；繼而在TFⅡA~F的參與下，RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、B聚合形成一個功能性的前起始復(fù)合體——PIC；最后，結(jié)合了增強(qiáng)子的轉(zhuǎn)錄因子與前起始復(fù)合體結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體。54Ⅱ聚合酶轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝55Ⅰ56聚合酶轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝Ⅲ57聚合酶轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體的組裝2、3

轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)加工的多樣性2、4翻譯水平的調(diào)節(jié)合成起始的調(diào)節(jié)“掃描摸式”帽子的識別mRNA穩(wěn)定性激素的影響2、5翻譯后水平的調(diào)節(jié)58二、細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)（一）、酶在細(xì)胞中的分布1.細(xì)胞核核膜上有大量酶類，這些酶參與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝及核酸運輸，DNA復(fù)制、RNA合成、加工和修飾。它們鑲嵌在核膜上，

或結(jié)合在膜表面，有利于各種反應(yīng)的定向

進(jìn)行。59胞液指細(xì)胞質(zhì)的連續(xù)液相部分。大部分中間代

謝在此進(jìn)行，如糖酵解、異生、磷酸戊糖途徑、糖、脂類、氨基酸以及核苷酸的生物合成等。

其重量的20％是蛋白質(zhì)，所以是高度組織的膠狀物質(zhì)，而不是溶液。與糖原代謝有關(guān)的酶結(jié)

合在糖原顆粒表面。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與蛋白質(zhì)的加工有關(guān)，光滑

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與糖類和脂類的合成有關(guān)，細(xì)胞的磷脂、糖脂和膽固醇幾乎都是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的酶合成的。60高爾基體可對細(xì)胞合成或吸收的物質(zhì)進(jìn)行加工、濃縮、包裝和運輸，參與細(xì)胞的分泌和吸收過程。其膜的內(nèi)表面有加工寡聚糖的酶類。溶酶體含水解酶類，主要功能為消化、吸收、防御、吞噬和細(xì)胞自溶。線粒體內(nèi)膜形成嵴，其上有與呼吸鏈有關(guān)的細(xì)胞色素和氧化還原酶、ATP合成酶以及調(diào)節(jié)代謝物進(jìn)出的運輸?shù)鞍?。?nèi)膜中的基質(zhì)含有三羧酸循環(huán)、b氧化、氨基酸分解等酶類。61（二）、膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(diào)控控制濃度梯度膜的三種最基本功能即物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞都與離子和電位梯度的產(chǎn)生和控制有關(guān)，如質(zhì)子梯度可合成ATP，鈉離子梯度可運輸氨基酸和糖，鈣可作為細(xì)胞內(nèi)信使?？刂萍?xì)胞和細(xì)胞器的物質(zhì)運輸通過底物和產(chǎn)物的運輸可調(diào)節(jié)代謝，如葡萄糖進(jìn)入肌肉和脂肪細(xì)胞的運輸是其代謝的限速步驟，胰島素可促進(jìn)其主動運輸，從而降低血糖。62內(nèi)膜系統(tǒng)對代謝的分隔內(nèi)膜形成分隔區(qū)，其中含有濃集的酶和輔因子，有利于反應(yīng)。而且分隔可防止反應(yīng)之間的互相干擾，有利于對不同區(qū)域代謝