生物化学第十二章

第十二章物质代谢的联系及其调节第一节细胞代谢的调节网络第二节代谢调节思考第三节基因表达调控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、蛋白质代谢的联系糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系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CoA1-磷酸葡萄糖糖代谢与脂类代谢的相互联系糖乙酰CoA，NADPH脂肪酸磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油脂肪有氧氧化酵解从头合成脂肪甘油磷酸二羟丙酮糖代谢脂肪酸乙酰CoA琥珀酸糖(植物)乙醛酸循环-氧化糖异生TCA糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖→→α-酮酸氨基酸蛋白质NH3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）核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（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。ATP携带能量由能源传递给细胞的需能过程ATPADP+Pi太阳能化学能生物合成细胞运动膜运输通过NADPH循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应NADPH+H+NADP+分解代谢还原性有机物还原性生物合成反应氧化物还原性生物合成产物氧化前体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CoAe-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H2O，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NADPH生物系统中的能流（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第二节代谢调节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。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二、酶水平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。S0SnS2S1E0E1En-1或+—或+—反馈前馈反馈调节中酶活性调节的机制代谢物别构中心活性中心6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原合成酶ATPADPUTPUDPG葡萄糖丙酮酸羧化酶乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖草酰乙酸-酮戊二酸拧檬酸天冬氨酸氨基酸蛋白质嘧啶核苷酸核酸氨甲酰天冬氨酸——+++磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制氨基酸合成的反馈调控反硝化作用氧化亚氮氨甲酰磷酸分支酸脱氧庚酮糖酸-7-磷酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸赤藓糖-4-磷酸脱氢奎尼酸莽草酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸+预苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛高丝氨酸氨基苯甲酸细胞能量状态指标能荷=—————————[ATP]+0.5[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP][ATP][ATP][ADP]ATP系统质量作用比=糖酵解与三羧酸循环途径的调节丙酮酸G细胞液柠檬酸乙酰CoA柠檬酸草酰乙酸-酮戊二酸乙酰CoA丙酮酸线粒体G-6-PF-6-PF-1.6-2P磷酸果糖激酶PEPADP+PiATPADP+PiATPNADHO2ATPADP+PiAMP+ATP2ADPPiPiPEP羧激酶+++---++----己糖激酶丙酮酸脱氢酶柠檬酸合成酶-酮戊二酸脱氢酶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（Covalentmoldification）。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ATPADP磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶aP（有活性）磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰共价修饰酶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、ATPcAMPR、cAMP3、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132102104106108葡萄糖ATPADPATPADP456cAMP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。糖原合成酶a(有活性)糖原磷酸化酶b(无活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶b(无活性)糖原磷酸化酶a(有活性)PP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肽类激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图ATPcATP+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cR蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白一、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第三节基因表达的调控基因（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。原核和真核基因组基因(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。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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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。操纵子——原核基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）启动子（premotor,P）酶诱导和阻遏的操纵子模型合成途径操纵子的衰减作用原核生物酶合成调节的遗传机制操纵子学说酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。以原核生物乳糖操纵子(Lacoperon)为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因和操纵基因；其信息区由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。控制区信息区乳糖操纵子的结构基因及其表达产物乳糖操纵子的诱导：乳糖操纵子的阻遏：大肠杆菌乳糖操纵子模型调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLaca调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导乳糖阻遏蛋白（有活性）乳糖操纵子的降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCGP(CAP)OCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子（trpoperon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。色氨酸启动子trptrpRP1OtrpEtrpDP2trpCtrpBtrpAtrpR阻遏蛋白基因；P1P2启动子；O操纵基因；衰减子来自大肠杆菌的色氨酸操纵子。色氨酸操纵子trpRP1OtrpEtrpDP2trpCtrpBtrpA邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油硼酸合成酶色氨酸合成酶链链分支酸邻氨基苯甲酸磷酸核糖基邻氨基苯甲酸CDRP吲哚甘油-磷酸色氨酸阻遏物转录（P1是主要启动子，P2的作用只有3%。）没有色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，能转录合成色氨酸所需要的酶。trpRP1OtrpEtrpDP2trpCtrpBtrpA阻遏物色氨酸结合不转录用于表达载体的trp启动子一般只包含启动基因、操纵基因、和部分trpE基因。P1OtrpE目的基因有色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结合后才能与操纵基因结合，从而阻止色氨酸合成酶类的转录。大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制Trp密码子111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4碱基配对，转录终止。A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质真核基因表达调控的五个水平DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译水平调节翻译后加工的调节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转录因子的相互作用控制转录(1)顺式作用元件：顺式作用元件（cis-actingelement）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。(2)反式作用因子：反式作用因子（trans-actingfactor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。对各种转录因子DNA结合功能域的研究发现一些带共性的结构，主要有：(a)HTH和HLH结构：由两段а-螺旋夹一段β-折迭构成，а-螺旋与β-折迭之间通过β-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。典型的例子是λ噬菌体的Cro蛋白，该蛋白含三段а-螺旋和三段β-折迭，两亚基通过β-折迭而形成二聚体，相当于DNA的一个螺距的长度，而每一亚基的一段а-螺旋则刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中与DNA紧密结合。(b)锌指结构：见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。(3)亮氨酸拉链结构：见于真核生物DNA结合蛋白质的C端，与癌基因表达调控有关。由两段α-螺旋平行排列构成，其α-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA结合。顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。糖酵解和葡萄糖异生的关系（胞液）（线粒体）葡萄糖丙酮酸草酰乙酸天冬氨酸磷酸二羟丙酮3-P-甘油醛-酮戊二酸乳酸谷氨酸丙氨酸TCA循环乙酰CoAPEPG-6-PF-6-PF-1.6-P丙酮酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸3-P-甘油甘油ABC1C2AG-6-P磷酸酯酶BF-1.6-P磷酸酯酶C1丙酮酸羧化酶C2PEP羧激酶