细胞代谢与基因表达调控(精)

一、 代谢途径交叉形成网络
1、糖代谢与脂类代谢的相互关系 2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 3、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系 4、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
蛋白质 核酸
淀粉、糖原
脂肪
糖
类
氨基酸
核苷酸
1-磷酸葡萄糖
脂
6-磷酸葡萄糖
类 生糖氨基酸
核糖-5-磷酸
脂肪酸
氨
甘氨酸 天冬氨酸
基
谷氨酰氨
乙酰CoA 丙酮酸
-
-
共价修饰
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)。
还原性有机物
NADP+
分解代谢
氧化物
NADPH+H+
还原性生物 合成产物
还原性生物合成反应
氧化前体
通过NADPH循环将还原力由分解代谢 转移给生物合成反应
代谢的基本要略
代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元以用 于生物合成。 由ATP、还原力和构造单元可合成各类生物分 子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形 态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流、 能量流和信息流来支持。
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
NADPH
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 （氧化）
+Pi
e-
三羧酸 循环
生物氧化的三个阶段
大分子降解 成基本结构 单位
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H2O，释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在ATP 中。
肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图
激素 受体
G蛋白 环化酶
ATP
cATP+PPi
细胞膜
R
c
蛋白激酶（无活性）
c+ R
蛋白激酶（有活性）
cATP
内在蛋白质的磷酸化作用
改变细胞的生理过程
细胞膜
第三节 基因表达的调控
一、原核和真核基因组 二、原核生物酶合成调节的遗传机制 三、真核生物基因表达的调控
磷酸二羟丙酮 PEP
甘油
酸
丙氨酸 甘氨酸
生酮氨基酸
和
丝氨酰 苏氨酸
亮氨酸 赖氨酸
核 苷
半胱氨酸 天冬氨酸
酪酰氨 色氨酸
笨丙氨酸
丙酮酸 乙酰乙酰CoA
丙二单酰CoA
乙酰CoA
胆固醇
酸
天冬酰氨
异亮氨酸
之
酪氨酸 天冬氨酸
亮氨酸 色氨酸
间
苯丙酰氨
的
异亮氨酸 甲硫酰氨
代 谢
苏氨酸 缬氨酸
谷氨酸
联
谷氨酰氨
系
组氨酸 脯氨酸
例：糖原磷酸化酶的共价修饰
磷酸化酶 b
（无活性）
ATP
ADP
激酶
磷酸酯酶
P -OH
H2O
磷酸化酶a P
（有活性）
酶级联系统 调控示意图
意义：由于
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）
肾上腺素或 胰高血糖素
1
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
因的本质 1957年 Benzer 提出顺反子(cistron)学说，认为基因是分子的一段
序列，负责遗传信息的传递 70年代 发现基因包括有遗传效应的外显子(intron)和无效应的内
含子(extron)
原核生物基因组的特点
1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为 单拷贝或仅有少量重复； 2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA 中（多顺反子）； 3、有基因重叠，以此增加信息容量。
6
108
6、糖原
节方式快速、
1-磷酸葡萄糖
效率极高。
血液
葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
葡萄糖
cAMP激活蛋白 激酶的作用机理
糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控
糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其
限速酶分别为糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化 的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似， 但其效果相反。
第39章 细胞代谢与基因表达调控
注意考试安排： ★1月6号下午13：30 ★地点：
生工1、2班 新教804 生工3班+其他 新教803
★带好证件
第39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 代谢调节 第三节 基因表达调控
思考
第一节 细胞代谢的调节网络
一、代谢途径交叉形成网络 二、分解代谢和合成代谢的单向性 三、ATP是通用的能量载体 四、NADPH 以还原力形式携带能量 五、代谢的基本要略
糖原（或淀粉）
1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖
己糖激酶 葡萄糖
6-磷酸果糖 6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶
果糖 激酶
1，6-二磷酸果糖
3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮
2磷酸烯醇丙酮酸
丙酮酸 激酶
PEP羧激酶 2草酰乙酸
2丙酮酸
丙酮酸羧化酶
太阳能 化学能
ATP ADP+Pi
生物合成 细胞运动 膜运输
ATP携带能量由能源传递给细胞的 需能过程
Thr
酮丁酸
Ile
谷氨酸
谷氨酰胺合酶
Gly Ala
反硝化作用 氧化亚氮
Gln
Trp
氨甲酰磷酸
His
CTP AMP
细胞能量状态指标
能荷=
[ATP]+0.5[ADP] —————————
[ATP]+[ADP]+[AMP]
ATP系统质量作用比= [ATP] [ATP] [ADP]
糖酵解与三羧酸循环途径的调节
糖 →→ α-酮酸 NH3 氨基酸
蛋白质
蛋白质 氨基酸 α-酮酸 糖
（生糖氨基酸）
脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系
甘油 脂肪
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 （生酮氨基酸）
脂肪酸 脂肪
核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
• 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细
糖原合成酶 a ( 有活性)
OH
Pi
糖原磷酸化酶 b OH
( 无活性)
ATP
H2O
糖原合成酶 b ( 无活性)
P
糖原磷酸化酶 a ( 有活性)
P
ADP
细胞质:酵解;磷 戊糖途径;糖原 合成;脂肪酸合 成;
酶 定 位 的 区 域 化
细胞核:核酸合成
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
cAMP，cGMP）。
脂肪代谢和糖代谢的关系
三酰甘油
3-磷酸甘油
脂肪酸
甘油
氧
合
化
成
丙酮 酸
乙酰 CoA
植物或微 生物
三羧酸 循环
乙醛酸 循环
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
草酰乙酸 苹果酸 延胡索酸 琥珀酸
糖分解和糖异生途径中 相对独立的单向反应
二磷酸果糖 磷酸酯酶
2、ATP
cAMP
2
102
3、蛋白激酶
R、cAMP 3
（无活性） 蛋白激酶（活性）
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
ATP ADP
4、磷酸化酶激酶
4
（无活性） 磷酸化酶激酶（活性）
104
ATP ADP
5
106
5、磷酸化酶 b
（无活性） 磷酸化酶 a（活性）
• 合成途径操纵子的衰减作用
-
己糖激酶
G G-6-P
+
+
Pi
磷酸果
F-6-P糖激酶F-1.6-2P
+-
ADP+Pi ATP
+-
AMP + ATP
2ADP
Pi
ATP
ADP+Pi
+ -酮戊二酸
-酮戊二酸
O2
NADH
脱氢酶
草酰乙酸
ADP+Pi ATP
PEP
丙酮酸 PEP
-
羧激酶
-
柠檬酸 乙酰
丙酮酸 脱氢酶
基因(gene)概念的发展
1866年 Mender建立遗传两大定律，提出遗传因子的概念 1903年 Sutton & Boveri 提出遗传因子位于染色体上 1909年 Johansen 提出基因概念，取代遗传因子 1910年 Morgen 建立基因假说，确认基因是确定性状的功能单位 1941年 Beadle 提出一个基因一个酶学说 1944年 Avery 首次用实验证实DNA是遗传信息的载体 1953年 Watson & Crick 确定DNA双螺旋结构，进一步确定了基
真核生物基因组的特点
1、基因组大，有多个复制子；mRNA 为单顺反子； 2、有大量重复序列，根据重复次数可分为：
•单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少 •中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA和表达量大的蛋白质 •高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析 3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后
+ 或—
前馈 S0 E0 S1 E1 S2
En-1 Sn
+ 或—
反馈
反馈调节中酶活性调节的机制
代谢物
别
构
活性
中
中心
心
6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用
ATP
G
ADP
6-P-G
UTP
1-P-G
+
UDPG
UDPG
糖原 合成酶
糖原
核酸 嘧啶核苷酸
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸羧 化反应的调节控制
1，6-二磷酸果糖
生物系统中的能流
糖的分解代谢和 糖异生的关系
天冬氨酸
（PEP） 丙氨酸
（胞液） （线粒体）
（转氨基作用） 谷氨酸
第二节 代 谢 调 节
一、代谢调节的概念 二、酶水平的调节 三、细胞结构对代谢途径的分隔控制调节 四、激素调节和跨膜信号转导
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 时有那麽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。
内质网:蛋白质合成 ;磷脂合成
动 物 细 胞 结 构 和 代 谢 途 径
细胞膜结构对代谢的调节和控制作用
• 控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度 • 控制细胞和细胞器的物质运输 • 内膜系统对代谢途径的分隔作用 • 膜与酶的可逆结合
激素调节的机制
1、含氮激素作用模式 2、甾醇类激素作用模式
甾 醇 类 激 素 作 用 原 理 示 意 图
草酰乙酸 苹果酸
延胡索酸 琥珀酸
琥珀酰CoA -酮戊二酸
乙醛酸
柠檬酸 异柠檬酸
精氨酸
糖代谢与脂类代谢的相互联系
有氧氧化 乙酰CoA，NADPH 从头合成 脂肪酸
糖
脂肪
酵解 磷酸二羟丙酮
α-磷酸甘油
甘油
磷酸二羟丙酮
糖代谢
脂肪
脂肪酸 -氧化 乙酰CoA乙(植醛酸物循环) 琥珀酸 糖异生 糖
TCA
糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
原核和真核基因组
基因（gene）是指DNA分子中的最小功 能单位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白质 编码的结构基因及无转录产物的调节基因。
基因组（genome）是指某一特定生物单 倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色 体”DNA分子就包含了一个基因组；而在真 核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部 基因。
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 多细胞整体水平调节 神经水平调节
二、酶水平的调节
1、酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节
2、产能反应与需能反应的调节 3、酶的共价修饰与级联放大机制
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 种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是 通过酶的变构效应来实现的。
才成为可翻译的mRNA模板或功能rRNA。 4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。
原核生物酶合成调节的遗传机制
操纵子学说
• 操纵子——原核基因表达的协同单位
结构基因（编码蛋白质，S）
操纵子
操纵基因（operator, O）
控制部位
启动子（premotor, P）
• 酶诱导和阻遏的操纵子模型
氨甲酰 天冬氨酸 —
天冬氨酸
氨基酸
磷酸烯醇式丙酮酸
+羧
+化 +
—
酶
丙酮酸 乙酰CoA
草酰乙酸
拧檬酸
蛋白质
-酮戊二酸
氨基酸合成的反馈调控
赤藓糖-4-磷酸
+
磷酸烯醇式丙酮酸
天冬氨酸
脱氧庚酮糖酸-7-磷酸 脱氢奎尼酸 莽草酸
天冬氨酰磷酸 天冬氨酰半醛
Lys 高丝氨酸
Met
分支酸 预苯酸 氨基苯甲酸
Try Phe Trp
胞的成分和代谢类型
• 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要
酶和多种蛋白质因子。
• 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP
是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合 成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。
•核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，