细胞代谢与基因表达调控 (3)精选课件.ppt

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1、关于细胞代谢与基因表达调控(3)第一页，本课件共有32页本章主要介绍生物体细胞代谢本章主要介绍生物体细胞代谢的调节网络；代谢中酶活性的的调节网络；代谢中酶活性的调节；代谢中基因表达的调节。调节；代谢中基因表达的调节。重点掌握重点掌握生物体生物体四大分子四大分子代代谢的相互联系与调节；谢的相互联系与调节；酶酶促促反应的前馈和反馈、共价修饰反应的前馈和反馈、共价修饰与连续激活；与连续激活；原核生物基因表原核生物基因表达达的调节。的调节。第二页，本课件共有32页第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络第二节第二节 酶活性的调节酶活性的调节第三节第三节 基因表达的调节基因表达的调节其它内容（

2、其它内容（自学自学）第三页，本课件共有32页一一 代谢途径交叉形成网络代谢途径交叉形成网络二二 分解、合成代谢是单向分解、合成代谢是单向三三 代谢基本要略代谢基本要略第四页，本课件共有32页第一节第一节 细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络糖代谢与糖代谢与PrPr代谢的关系代谢的关系脂类代谢与脂类代谢与PrPr代谢的关系代谢的关系糖代谢与脂类代谢的关系糖代谢与脂类代谢的关系核酸代谢与糖、脂类及核酸代谢与糖、脂类及PrPr代谢的关系代谢的关系第五页，本课件共有32页糖糖 -酮酸酮酸 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质+NH3蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 -酮酸酮酸 糖糖（生糖氨基酸）（生糖氨基酸）糖可以转

3、变为非必需氨基酸。糖可以转变为非必需氨基酸。蛋白质可以转变为糖。蛋白质可以转变为糖。糖代谢与糖代谢与PrPr代谢的关系代谢的关系第六页，本课件共有32页草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸氨基酸氨基酸脂类分子中的甘油脂类分子中的甘油 丙酮酸丙酮酸 蛋蛋白白质质甘油甘油生酮氨基酸生酮氨基酸生糖氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸乙酰乙酸脂肪酸脂肪酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A丙二酸单酰丙二酸单酰辅酶辅酶A A脂肪脂肪脂肪酸脂肪酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A-氧化氧化TCATCA循环循环草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸 苹果酸苹果酸 氨基酸氨基酸琥珀酸琥珀酸乙醛酸循环乙醛酸循环氨基酸氨基酸脂代谢与脂代谢与Pr

4、Pr代谢的关系代谢的关系第七页，本课件共有32页磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸丙酮酸甘油甘油乙酰辅酶乙酰辅酶A A脂肪酸脂肪酸脂脂肪肪-甘油磷酸甘油磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖糖脂肪酸脂肪酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A琥珀酸琥珀酸草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸-氧化氧化乙醛酸乙醛酸循环循环TCATCA循环循环COCO2 2+H+H2 2O O糖尿病糖尿病 ：脂肪脂肪酮体酮体 在血液中产生在血液中产生酸中毒或到达肌酸中毒或到达肌肉中提供能源肉中提供能源在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。脂肪脂肪糖糖乙酰乙酸乙酰乙酸丙丙 酮酮-羟丁酸羟丁酸糖代谢与脂类代谢的关系糖代谢与脂

5、类代谢的关系脂肪不能大量转变脂肪不能大量转变为糖，除了油料作为糖，除了油料作物种子物种子第八页，本课件共有32页脂肪代谢和糖代谢的关系脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸3-磷酸甘油磷酸甘油三羧酸三羧酸循环循环乙醛酸乙醛酸循环循环甘油甘油乙酰乙酰 CoA三酰三酰甘油甘油脂肪酸脂肪酸 氧氧化化 糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸丙酮酸合合成成植物或微植物或微生物生物第九页，本课件共有32页核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 核核苷苷酸酸的的一一些

6、些衍衍生生物物具具重重要要生生理理功功能能（如如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。）。核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型。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。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是能是能量的量的“通货通货”，此外，此外UTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTP参与磷脂合

7、成，参与磷脂合成，GTP参参与蛋白质合成与糖异生作用。与蛋白质合成与糖异生作用。第十页，本课件共有32页PEP丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸-酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸 甘氨酸天甘氨酸天冬氨酸谷氨冬氨酸谷氨酰胺酰胺丙氨酸丙氨酸 甘氨酸丝甘氨酸丝氨酰苏氨氨酰苏氨酸酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰CoA甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoA脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙

8、酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰CoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉、糖原淀粉、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖糖糖类类脂脂类类氨氨基基酸酸和和核核苷苷酸酸之之间间的的代代谢谢联联系系第十一页，本课件共有32页分解代谢和合成代谢的单向性分解代谢和合成代谢的单向性 分解代谢和合成代谢各有其自身的途径。分解代谢和合成代谢各有其自身的途径。在一条代谢途

9、径中，某些关键部位正反应和逆反应往往是由两在一条代谢途径中，某些关键部位正反应和逆反应往往是由两种不同的酶所催化，一种酶催化正反应另一种酶催化逆反应，种不同的酶所催化，一种酶催化正反应另一种酶催化逆反应，因此这些反应是因此这些反应是相对独立的单向反应相对独立的单向反应。这种分开的机制使生物合成和降解途径或者正向反应和逆向这种分开的机制使生物合成和降解途径或者正向反应和逆向反应分别处于反应分别处于热力学的有利状态热力学的有利状态，生物合成是吸能反应，降解，生物合成是吸能反应，降解则是放能反应，这些都远离平衡点保证反应的单向进行。则是放能反应，这些都远离平衡点保证反应的单向进行。第十二页，本课件共

10、有32页糖糖酵酵解解和和葡葡萄萄糖糖异异生生的的关关系系（胞液）（胞液）（线粒体）（线粒体）葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-P-甘油醛甘油醛-酮戊二酸酮戊二酸乳酸乳酸谷氨酸谷氨酸丙氨酸丙氨酸TCA循环循环乙酰乙酰CoAPEPG-6-PF-6-PF-1.6-P丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸3-P-甘油甘油甘油甘油a/Ab/BC1C2A G-6-P磷酸酯酶磷酸酯酶B F-1.6-2P磷酸酯酶磷酸酯酶C1 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶C2 PEP羧激酶羧激酶C1ca 己糖激酶己糖激酶b 果糖磷酸激酶果糖磷酸

11、激酶c 丙酮酸激酶丙酮酸激酶第十三页，本课件共有32页ATPATP是通用的能量载体是通用的能量载体D第十四页，本课件共有32页通过通过NADPHNADPH循环将还原力由分解代谢循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应转移给生物合成反应NADPH+HNADPH+H+NADPNADP+分解代谢分解代谢还原性有机物还原性有机物还原性生物合成反应还原性生物合成反应氧化物氧化物还原性生物还原性生物合成产物合成产物氧化前体氧化前体NADPHNADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量第十五页，本课件共有32页代谢的基本要略代谢的基本要略 细胞代谢包括分解代谢和合成代谢，其基本要略在于形成细胞代谢包括

12、分解代谢和合成代谢，其基本要略在于形成ATPATP、还原力还原力和和构造单元构造单元，以用于生物合成。底物水平磷酸化产生，以用于生物合成。底物水平磷酸化产生有限的有限的ATPATP，绿色植物和光合细菌的光合磷酸化以及呼吸链的氧绿色植物和光合细菌的光合磷酸化以及呼吸链的氧化磷酸化是化磷酸化是ATPATP的主要来源的主要来源。NADPHNADPH主要来自主要来自HMPHMP。构造单元来自构造单元来自于四大生物分子的分解于四大生物分子的分解。由由ATP、NADPH和和构造单元构造单元可合成各类生物分子，并进而可合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。装配成生物不同层次的结构。生物合成和形态

13、的建成是耗能生物合成和形态的建成是耗能和增加有序结构的过程和增加有序结构的过程，需要物质流、能量流、信息流来支，需要物质流、能量流、信息流来支持。持。第十六页，本课件共有32页第二节第二节 酶活性的调节酶活性的调节 酶的功能酶的功能 酶促反应的前馈和反馈酶促反应的前馈和反馈 酶的共价修饰酶的共价修饰第十七页，本课件共有32页酶除了具有催化功能外，还具有调节和酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类生物化学反应速度、方向和途控制各类生物化学反应速度、方向和途径的功能。径的功能。酶水平的调节作用主要有两种方式：一酶水平的调节作用主要有两种方式：一是是通过激活或抑制酶的活性通过激活或抑制酶的活性；

14、二是；二是通过通过影响酶的合成或降解速度影响酶的合成或降解速度，以改变细胞，以改变细胞内酶分子的内酶分子的含量含量。这种酶水平的调节作用。这种酶水平的调节作用是代谢最关键的调节。是代谢最关键的调节。第十八页，本课件共有32页酶活性的前馈和反馈调节：酶活性的前馈和反馈调节：前馈（前馈（feedforward feedforward）和反馈）和反馈（feedback feedback）是来自电子工程学的术语，前者的意思是是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响输入对输出的影响”，后者的意思是，后者的意思是“输出对输入的输出对输入的影响影响”，这里分别借用来说明，这里分别借用来说明底物

15、和代谢产物底物和代谢产物对代谢过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，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其调节机理是通过酶的变构效应变构效应来实现的。来实现的。（酶化学（酶化学中的别构酶）中的别构酶）S0SnS2S1E0E1En-1或或+或或+反馈反馈前馈前馈正正/负前馈、正负前馈、正/负反馈、一价负反馈、一价/单价反馈单价反馈抑制、二价抑制、二价/多价反馈抑制多价反馈抑制p544-545第十九页，本课件共有32页共价修饰调控共价修饰调控某某些些酶酶分分子子上上的的基基团团可可以以在在另另一一种种酶酶催催化化下下发发生生共共价价修修饰

16、饰作作用用（例例如如磷磷酸酸化化或或去去磷磷酸酸化化作作用用），从从而而引引起起酶酶活活性性的的激激活活或或抑抑制制。这这种种作作用用称称为为共共价价修修饰饰作作用用。（共价调节酶）有如下两个特点：（共价调节酶）有如下两个特点：被被修修饰饰的的酶酶可可以以有有两两种种互互变变形形式式，即即一一种种为为活活性性形形式式（具具有有催催化化活活性性），另另一一种种为为非非活活性性形形式式（无无催催化化活活性性)。正正反反两两个个方方向向的的互互变变均均发发生生共共价价修修饰饰反反应应，并且都将引起酶活性的变化。并且都将引起酶活性的变化。第二十页，本课件共有32页共价修饰调控共价修饰调控共共价价修修饰

17、饰调调节节作作用用可可以以产产生生酶酶的的连连续续激激活活现现象象，引引起起级级联联反反应应具具有有信信号号放放大大效效应应。例例如如肾肾上上腺腺素素引引起起糖糖原原分分解解过过程程中中的的一一系系列列磷磷酸酸化化激激活活步步骤骤，其其结结果果将将激激素的信号被逐级放大了约素的信号被逐级放大了约300300万倍。万倍。共共价价修修饰饰导导致致的的级级联联激激活活与与蛋蛋白白酶酶解解级级联联激激活活不不同同：p549p549常见的共价修饰有磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化常见的共价修饰有磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化第二十一页，本课件共有32页第三节第三节 基因表达的调节基因表达的调节 原核生物基因表达的

18、调节原核生物基因表达的调节 乳糖操纵子（乳糖诱导和乳糖操纵子（乳糖诱导和G降解物阻遏）降解物阻遏）色氨酸操纵子（阻遏和衰减子）色氨酸操纵子（阻遏和衰减子）真核生物基因表达的调节真核生物基因表达的调节第二十二页，本课件共有32页操纵子操纵子基因表达的协同单位基因表达的协同单位乳乳 糖糖操纵子操纵子结构基因结构基因（编码蛋白质，（编码蛋白质，S S）控制部位控制部位CAPCAP蛋白结合位点（蛋白结合位点（CRPCRP）启动子（启动子（premotor,Ppremotor,P）原核生物酶合成的诱导调节的遗传原核生物酶合成的诱导调节的遗传机制机制操纵子学说操纵子学说调节基因调节基因（调节（调节/阻遏蛋

19、白，阻遏蛋白，I I）操纵基因（操纵基因（operator,Ooperator,O）某些代谢物可以诱导某些酶的合成，是通过促进为该酶编某些代谢物可以诱导某些酶的合成，是通过促进为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的诱导酶合成的诱导。能诱导酶合成的物质叫能诱导酶合成的物质叫诱导物诱导物。被诱导合成的酶叫。被诱导合成的酶叫诱导酶诱导酶。第二十三页，本课件共有32页第二十四页，本课件共有32页乳乳糖糖操操纵纵子子的的诱诱导导即即负负调调控控调节调节基因基因操纵基操纵基因因乳糖结构基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA 阻遏阻遏/调节蛋白调

20、节蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启启动动子子OIPLacZLacYLaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子OImRNAZmRNAYmRNAa 阻遏阻遏/调节蛋白调节蛋白+乳乳糖（无活性）糖（无活性）基基 因因 表表达达mRNAA、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 乳糖乳糖 阻遏阻遏/调节蛋白调节蛋白（有活性）（有活性）CAPCAP结合部位结合部位 R RN NA A聚聚合合酶酶第二十五页，本课件共有32页乳糖操纵子的正调控即降解物阻遏乳糖操纵子的正调控即降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmR

21、NAYmRNAa基基 因因 表表达达CAPCAP基因基因结构基因结构基因TCAPOCAPCAP结合部位结合部位 RNARNA聚聚合酶合酶TcAMP-CAPP葡萄葡萄糖糖分解分解代谢代谢产物产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸磷酸二酯二酯酶酶ATPcAMP5-AMP抑制抑制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMPcAMP的关系的关系cAMPCAPCAP：降解物基因活化蛋白：降解物基因活化蛋白CRPCRP：环腺苷酸受体蛋白：环腺苷酸受体蛋白降低降低cAMPcAMP浓度浓度使使CAPCAP呈失活呈失活状态状态第二十六页，本课件共有32页 实验：实验：大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上大肠杆菌生长

22、在无机盐和葡萄糖的培养基上时时,细胞内有细胞内有色氨酸合成酶色氨酸合成酶的存在；在上述培养基中的存在；在上述培养基中加入加入Trp，发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低直至，发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低直至消失。消失。表明表明Trp的存在阻止了色氨酸合成酶的合成的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了细菌生长的经济原则：体现了细菌生长的经济原则：不需要就不合成。不需要就不合成。酶合成的阻遏：酶合成的阻遏：某些代谢物可以阻止某些酶的合某些代谢物可以阻止某些酶的合成，是通过阻止为该酶编码的基因的表达而进行成，是通过阻止为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做的，这种现象叫做酶合成的阻遏酶合成的阻

23、遏。能阻遏酶合成的。能阻遏酶合成的物质叫物质叫辅阻遏物辅阻遏物。被辅阻遏物作用而停止合成的酶被辅阻遏物作用而停止合成的酶叫叫阻遏酶阻遏酶。酶合成阻遏的现象（酶合成阻遏的现象（色氨酸操纵子色氨酸操纵子）第二十七页，本课件共有32页色氨酸操纵子色氨酸操纵子（酶的阻遏）（酶的阻遏）调节基因操纵基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因表达结合，结构基因表达调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物TrpTrp代谢产物与阻遏蛋白结合，使代谢产物与阻遏蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因结之构象发生变化与操纵基因结合，结构基因不能表达合，结构基因不能表达第

24、二十八页，本课件共有32页ABCDEopLatrpRtrpPtrpO trpE trpD trpC trpB trpAE.coliE.coli 色氨酸操纵子模型色氨酸操纵子模型 TrpTrp合成途径还存在色氨酸操纵子中合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子衰减子所引起的衰减调节。所引起的衰减调节。衰减子：衰减子：在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和在转录水平上调节基因表达的衰减作用，用于终止和减弱转录，这种调节的作用部位叫减弱转录，这种调节的作用部位叫衰减子衰减子是一种位于结构是一种位于结构基因上游前导区的终止子。基因上游前导区的终止子。Trp第二十九页，本课件共有32页真核生物基因表达

25、调控真核生物基因表达调控DNA转录初产物转录初产物RNAmRNA蛋白质前体蛋白质前体mRNA降解物降解物活性蛋白质活性蛋白质DNA水平调节水平调节转录水平调节转录水平调节转录后加工转录后加工的调节的调节翻译调节翻译调节mRNA降解降解调节调节翻译后加工翻译后加工的调节的调节核核细胞质细胞质 真核基因表达调控的五个水平真核基因表达调控的五个水平 DNA水平调节水平调节 转录水平调节转录水平调节 转录后加工的调节转录后加工的调节 翻译水平调节翻译水平调节 翻译后加工的调节翻译后加工的调节 真核基因调控主要是正调控真核基因调控主要是正调控 顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子 转录因子的相互作用控制转录转录因子的相互作用控制转录第三十页，本课件共有32页细胞代谢的调节网络细胞代谢的调节网络酶活性的调节（前馈、反馈）酶活性的调节（前馈、反馈）原核生物基因表达的调节：乳原核生物基因表达的调节：乳糖操纵子的诱导合成（正负调糖操纵子的诱导合成（正负调控）、色氨酸操纵子的阻遏合控）、色氨酸操纵子的阻遏合成（代谢物阻遏和衰减子）成（代谢物阻遏和衰减子）真核生物基因表达的调节真核生物基因表达的调节第三十一页，本课件共有32页感感谢谢大大家家观观看看第三十二页，本课件共有32页