第十四章细胞代谢与基因表达调节ppt课件.ppt

第三篇 遗传信息,第十一章 DNA的复制和修复,第十三章 蛋白质的生物合成,第十二章 RNA的生物合成和加工,第十四章 细胞代谢与基因表达调控,第十四章 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 酶活性的调节第三节 基因表达的调节,第一节 细胞代谢的调节网络,一、糖代谢与脂肪代谢的相互关系,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,甘油,乙酰 CoA,三酰甘油,脂肪酸,植物或微生物,小结：糖代谢与脂代谢的相互联系,1、摄入的糖量超过能量消耗时,2、脂肪的甘油部分能在体内转变为糖,3、脂肪的分解代谢受糖代谢的影响,饥饿、糖供应不足或糖代谢障碍时,二、糖代谢与蛋白质代谢的相互关系,1、糖代谢的中间产物可氨基化生成某些 非必需氨基酸,糖,丙酮酸,草酰乙酸,乙酰CoA,柠檬酸,-酮戊二酸,2、大部分氨基酸脱氨基后，生成相应的-酮酸，可转变为糖。,丙氨酸,丙酮酸,脱氨基,糖异生,葡萄糖,三、脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系,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）,但不能说，脂类可转变为氨基酸。,氨基酸可作为合成磷脂的原料,四、核酸和其他物质代谢的相互关系,（一）氨基酸是体内合成核酸的重要原料,（二）磷酸核糖和NADPH由磷酸戊糖途径提供,核酸,甘氨酸 天冬氨酸 谷氨酰胺,糖与核酸的互变,糖、脂、蛋白质、核酸代谢之间的联系,五、细胞内酶的隔离分布,多酶体系在细胞内的分布,酶的隔离分布的意义 避免了各种代谢途径互相干扰。,第二节 酶活性的调节,一、酶的变构调节,1、变构调节的概念,某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性以及代谢反应的速度。,被调节的酶称为变构酶或别构酶(allosteric enzyme)使酶发生变构效应的物质，称为变构效应剂(allosteric effector),变构激活剂allosteric effector引起酶活性增加的变构效应剂。变构抑制剂allosteric effector 引起酶活性降低的变构效应剂。,2、变构调节的机制,变构酶,催化亚基,调节亚基,变构效应剂：,底物、终产物其他小分子代谢物,变构效应剂+酶的调节亚基,3、变构调节的生理意义,代谢终产物反馈抑制(feedback inhibition)反应途径中的酶，使代谢物不致生成过多。,变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。,变构调节使不同的代谢途径相互协调。,二、酶的共价修饰调节,1、共价修饰的概念,酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的共价修饰。,2、共价修饰的主要方式,磷酸化-去磷酸,乙酰化-脱乙酰,甲基化-去甲基,腺苷化-脱腺苷,SH 与 S S 互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,3、共价修饰的特点,酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。具有放大效应，效率较变构调节高。磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。,同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节。,三、能荷的调节,能荷=,ATP+0.5ADP,ATP+ADP+AMP,能荷值为01。能荷值高，抑制分解代谢。,第十四章 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 酶活性的调节第三节 基因表达的调节,第三节 基因表达的调节,gene expression,一、基因表达(gene expression),1、概念：在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。2、产物类型：大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。,gene expression,二、基因表达调控,围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控.转录水平的调控转录后的调控翻译水平的调控,三、基因表达的方式,组成型基因表达适应性表达（诱导和阻遏表达）,1、组成型基因表达（constitutive expression）,1）持家基因(house-keeping gene)某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为持家基因。2）组成型表达 管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，这种表达方式为组成型表达。,2、适应性表达,指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。,适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；,1）诱导和可诱导基因,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,2）阻遏和可阻遏基因,四、原核生物基因表达的调节,1、操纵子（operon）的概念,概念：基因表达的协调单位，由调节基因、启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,2、操纵子的研究背景,Jacob and Monod,发现过程：,-半乳糖苷酶,No galactosidase was produced,galactosidase was produced,E.coli,Glucose,E.coli,lactose,3、乳糖操纵子的调控机制,（1）乳糖操纵子的结构,1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖,The lactose Operon(乳糖操纵子),lacZ,半乳糖苷酶（-galactosidase）,lacY,半乳糖苷透过酶（lactose permease）,lacA,硫代半乳糖苷转乙酰酶（thiogalactoside transacetylase）,O1,O2,O3,3个操纵基因（operator）：O1-主操纵基因O2-假操纵基因O3-假操纵基因,Z,I,（2）乳糖对乳糖操纵子的表达的影响,1）没有乳糖存在时,没有乳糖存在时，lac操纵子不表达,2）有乳糖存在时,有乳糖存在时，lac操纵子基因表达,失活,？,i,p,o,z,y,a,b-Galactosidase,Permease,Transacetylase,Presence of lactose,Inactive,小结：,（3）葡萄糖对lac操纵子的影响（降解物阻遏效应）,-指当G和其它糖类一起作为细菌的碳源时G总是优先被利用，G的存在阻止了其它糖类的利用的现象。,CRP或CAP对乳糖操纵子的正性调节,CRPcAMP receptor protein（cAMP 受体蛋白）CAP Catabolite gene activator proteins(分解产物代谢基因激活蛋白),课后思考题：,阻遏蛋白与CAP蛋白的协同调节,即需要乳糖存在以灭活阻遏蛋白，又需要G不存在或仅有低浓度，以增加cAMP浓度促进与CAP的结合，此为协同调节。,1、分解代谢基因激活蛋白（CAP）对乳糖操纵子表达的影响是（）。正性调控 负性调控 正/负性调控 D.无调控作用 E.可有可无,课堂练习题：,2、阻遏蛋白识别操纵子中的（）。A启动基因 B结构基因 C操纵基因D内含于 E外显子,3、乳糖操纵子激活的直接诱导剂是（）A-半乳糖苷酶 B通透酶 C葡萄糖 D乳糖 E别乳糖,4、lac阻遏蛋白由（）？AZ基因编码 BY基因编码 CA基因编码DI基因编码 E以上都不是,5、cAMP与CAP结合，CAP介导正性调节发生在A有葡萄糖及cAMP较高时B有葡萄糖及cAMP较低时C没有葡萄糖及cAMP较高时D没有葡萄糖及cAMP较低时E没有葡萄糖及没有乳糖时,课后作业题,简要回答大肠杆菌乳糖操纵子基因表达的调控机理？,结构特点阻遏蛋白的负性调控CAP的正性调控协同调节,4、色氨酸操纵子的调控机制,实验：1.大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时，检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在；2.在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低，直至消失。3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌生长的经济原则：不需要就不合成。4.酶合成的阻遏现象。,（1）Trp操纵子的结构,trpR,trpP,trpO,结构基因,前导序列,调控序列,衰减子 a,trpL,（2）Trp操纵子的调控机制,色氨酸的阻遏调控衰减调控,色氨酸的阻遏调控,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。,trp的阻遏调控机制：,Trp 浓度高时,Trp浓度低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子阻遏调节,?,Trp操纵子的衰减调控机制,在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,弱化子或衰减子的概念：,前导序列,衰减子调节机制（精细调节）,起调节作用的是色氨酰-tRNA的浓度,色氨酸浓度高时,色氨酸浓度低时,前导mRNA,色氨酸浓度低时,色氨酸浓度高时,没有蛋白质合成时,衰减子具有什么生物学意义？,？,可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节,可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子,特殊代谢物调节基因活性的类型,小结：,课堂练习题：,1、Trp是一种调节分子，被认为是trp操纵子中，活化无活性的。trp操纵子受 系统和 系统的调控。,2、操纵子一般由、基因和 基因组成。,五、真核生物基因表达的调节,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,（一）真核生物在DNA水平的调控,1、具有转录活性的染色质有独特结构,按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质。活性染色质 具有转录活性的染色质；非活性染色质 没有转录活性的染色质。,活性染色质的结构特点：,在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点.活性染色质趋向于去甲基化.,2、染色质的乙酰化和核小体置换,染色体中组蛋白的乙酰化与去乙酰化控制着染色体的活性,（组蛋白乙酰化酶）,染色质重构,染色体中组蛋白的乙酰化与去乙酰化控制着染色体的活性,乙酰化,去乙酰化,溴区结构域蛋白,（二）真核生物在转录水平的调控,1、许多真核启动子是正调节的,原核生物的调节方式为负性调节,真核生物的调节方式以正性调节为主,真核生物的调节方式以正性调节为主,真核生物的调节方式以正性调节为主,2、反激活蛋白和辅激活蛋白促进普通转录因子的组装,1）RNA Pol的启动子结构,Yeast,2）RNA Pol的辅助蛋白,第一类：基本转录因子第二类：结合DNA的反激活蛋白第三类：辅激活子,（1）第一类：基本转录因子,TF DTF ATF BTF FTF ETF H,（2）第二类：结合DNA的反激活蛋白,（3）第三类：辅激活子,3、其他的RNA Pol的转录调控,1）RNA Pol I 的转录调控,转录产物：5.8srRNA、18srRNA、28srRNA转录因子：UBF和SL,UBF+UPE UBF+Part of core promoter Two UBF interaction causing DNA to form a loop,Allows RNApol binding complex to initiate,2）RNA Pol III 的转录调控,RNApol III;Located in nucleoplasm(核基质)For 5s pre-rRNA,4s pre-tRNA U6snRNA(small nuclear RNA)Cytosolic RNA,-cis-factor including two highly conserved regions lie downstream from+1,Tans-factor TFIIIC binding to A,B box,TFIIIB Binding 50bp upstream from A box Its binding site no sequence specialty where determinated by position of TFIIIC binding Including 3 subunits:,TFIIIB allows RNApol III to bindand initiate transcription,tRNA,+1,conclusion,TFIIIB allows RNApol III to bindand initiate transcription,tRNA,+1,-cis-factor including C box;located 81-99bp downstream from+1 A box;+50 to+65 bp,-Trans-factor TFIII A;specific C box binding protein&allows TFIIIC to interact with the promoter TFIII C TFIII B,RNApol III for 5s pre-rRNA,rRNA,5s pre-rRNA transcription,（三）真核生物转录后水平的调控,1、mRNA前体的剪接2、转录产物的选择性剪接3、RNA的编辑,mRNA前体的剪接,mRNA的加工修饰,RNA的选择性剪接,RNA的选择性剪接,RNA的编辑,RNA的编辑,（三）真核生物翻译水平的调控,1、mRNA翻译有效性的控制2、mRNA翻译起始的调控3、可溶性蛋白因子的修饰翻译过程的调控,（四）真核生物翻译后水平的调控,1、多肽的切割加工；2、多肽的有限水解；3、多肽的化学修饰；4、多肽的剪接；,小结：,真核生物与原核生物基因表达调控的主要区别：,1、核小体及其修饰影响染色质的活性2、真核生物转录机器更复杂3、真核生物基因有更多的结合位点4、mRNA前体的剪接是真核生物基因表达调控的重要环节,第十四章 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 酶活性的调节第三节 基因表达的调节,