第十四章细胞代谢与基因表达调控.ppt
第十四章 细胞代谢与基因表达调控,一、细胞代谢的调节网络二、酶水平调节三、细胞结构对代谢途径的分隔控制四、细胞信号传递系统（激素与神经）五、基因表达的调节本章小结,一、细胞代谢的调节网络,（一）代谢途径交叉形成网络(4类物质相互转换关系）1.糖代谢与脂肪代谢的相互关系2.糖代谢与蛋白质代谢的关系3.脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系4.核酸与其他物质代谢的相互关系（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（专一用于还原性生物合成）（五）代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元用于生物合成。,代谢的调节,生物界代谢的调节，可分为4个水平：酶水平调节细胞水平调节（酶在细胞内的集中存在与隔离分布）激素对代谢的调节神经系统对代谢的调节,二、酶水平调节,酶有两种功能：催化各种生物化学反应；调节和控制代谢的速度、方向和途径，是新陈代谢的调节元件。,酶对细胞代谢调节的两种方式：通过对酶的激活或抑制改变酶活性；通过影响酶分子的合成或降解改变酶的含量。,(一）酶活性调节,1.酶促反应的前馈和反馈（代谢物和产物、正反馈和负反馈）2.产能反应与需能反应的调节（ATP、ADP和磷酸盐）ATP/ADPPi ATP系统的质量作用比，变构调节信号3.酶活性的特异激活剂和抑制剂4.蛋白酶解（酶原激活；激素前体的激活）5.别构调节作用(通过别构酶的别构效应来实现）6.酶的共价修饰与连续激活磷酸化/脱磷酸化；乙酰化/脱乙酰化；腺苷酰化/脱腺苷酰化；尿苷酰化/脱尿苷酰化；ADP-核糖基化；甲基化/脱甲基化；S-S/SH相互转变。,酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。,（二）基因表达的调节,五、基因表达的调节,三、细胞结构对代谢途径的分隔控制552页,四、细胞信号传递系统（激素与神经）,五、基因表达的调节,基因：指一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。（某些病毒基因为RNA）基因表达：即是遗传信息转录和翻译的过程。（时序调节和适应调节）基因表达的调节：转录水平调节和翻译水平调节。基因表达的特性：时间特异性（时序性）和空间特异性基因表达调节的生物学意义：适应环境，维持生长和增殖。维持个体发育与分化基因表达的多级调节：原核生物基因调节主要在转录水平；真核生物则在不同水平进行。,组成型表达（constitutive gene expression）基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。这些基因常称管家基因（housekeeping gene）。管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。在基因表达研究中，常作为对照基因，如-actin基因调节型表达诱导表达和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被激活，基因表达增强。这种基因称为可诱导基因。这个过程称为诱导（induction）。在特定环境信号刺激下，基因被抑制，基因表达降低。这种基因称为可阻遏基因。这个过程称为阻遏（repression）。,（一）原核生物基因表达的调节操纵子（operon）机制,原核生物基因组特点DNA分子只有一个，大部分是结构基因，每个基因只出现一次或几次。功能相关的基因串在一起，一个mRNA分子中含有多个结构基因，为多顺反子。有基因重叠现象,转录和翻译可同时进行,原核生物基因表达过程,1.操纵子模型,操纵子：基因表达的协调单位，包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位（启动子和操纵基因）所组成。,例：大肠杆菌乳糖操纵子模型（1960年1961年提出）Lac Operonmodle第一个被发现的操纵子,在转录水平上,乳糖操纵子调节机制,异乳糖,（Catabolite gene Activation Protein）,Jacques Monod,1965,Franois Jacob,1965,1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说，开创了基因表达调节研究的新领域。,酶的诱导：一些分解代谢的酶类,诱导物,诱导物-阻遏蛋白复合物,mRNA,mRNA,阻遏蛋白,-半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶-半乳糖苷酶转乙酰酶。,实验室中常用诱导物：IPTG（异丙基硫代D半乳糖）,酶的阻遏：一些合成代谢的酶类,mRNA,注：（1）酶的诱导和阻遏是通过阻遏蛋白（负调控因子）来实现的。（2）阻遏蛋白亚基与DNA结合的结构域含有螺旋转角螺旋基序。（3）操纵基因为一段含有28bp旋转对称的回文结构。（氨基酸与碱基之间形成特异的氢键）（4）也有些调节基因产物对操纵子起着正调节作用。,C,B,A,o,p,i,2.降解物阻遏,细菌的葡萄糖效应：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，先 利 用葡萄糖，而不利用乳糖.,a,y,z,o,p,i,注：（1）cAMP-CRP是正调控因子。（2）葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶活性，降低了cAMP的浓度。（3）调节子：一种调节蛋白控制的几个操纵子构成的调节系统。如：cAMP-CRP,3.合成途径操纵子的衰减作用（1）E.coli 色氨酸操纵子模型,前导序列,色氨酸浓度高时，与阻遏蛋白结合使之有活性，与操纵基因结合阻遏基因表达mRNA的5末端含有162个核苷酸的前导序列，结构如下。,可合成前导14肽。,衰减子：一个受到翻译控制的终止子结构,低浓度色氨酸：转录到终止信号处停止。,高浓度色氨酸：转录停止。,色氨酸操纵子导肽序列,色氨酸操纵子衰减机制,阻遏和衰减机制：作用机制完全不同。,（2）嘧啶核苷酸的生物合成有关的6种酶：其转录也受衰减作用的调节。4.生长速度的调节严紧控制：细菌处于贫 的生长环境.大肠杆菌的严紧反应可引起(p)ppGpp迅速积累，这两种核苷酸作为信号，通过调节抑制稳定RNA（rRNA和tRNA）的合成，从而影响蛋白质的合成和细菌的生长。5.基因表达的时序控制噬菌体的溶原和裂解：取决于CI蛋白和Cro蛋白在最初20分钟两种阻遏蛋白的合成速度。CI蛋白占优势进入溶原状态，Cro蛋白占优势CI蛋白不能合成，噬菌体进入营养繁殖周期。,操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋白结合到操纵序列上时，会阻碍RNA聚合酶与启动子的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。这种调节称为负调节。如激活蛋白（activator）可结合启动子邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动子的结合，增强RNA聚合酶的活性。这种调节称为正调节。,翻译水平的调节,1.不同mRNA翻译能力的差异SD序列、常用密码子和稀有密码子、操纵子协同表达。2.翻译阻遏作用 按其自身需要的速度合成。如核糖体蛋白质，能和自身的mRNA起始控制部位相结合而影响翻译。3.反义RNA的作用可以通过互补序列与特定的mRNA相结合（SD序列和起始密码子）从而抑制mRNA的翻译。（具有理论意义和实践意义）,（二）真核生物基因表达的调节,真核生物基因组特点DNA分子有多个，以染色质（或染色体）形式存在。有重复序列单拷贝：一次或少数几次，结构基因。中度重复：几十次几千次，rRNA和tRNA基因。高度重复：几百万次（少于10bp）与调控（调控基因）、染色体结构形成有关。有断裂基因：被内含子隔开。,真核生物基因表达在不同水平上进行调节一般不组成操纵子；不形成多顺反子；,转录前水平调节,1.高等生物的细胞具有全能性 细胞质中存在决定分化状态的某些控制因子。2.通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达染色质丢失基因扩增（如rDNA、癌基因）基因重排（失去、转移）染色体DNA的修饰和异染色质化甲基化后能关闭某些基因的活性异染色质与常染色质：异染色质为凝缩状态的染色质，为非活性转录区。,转录活性（或水平）调节,1.染色质的活化调节分子：识别基因的特殊部位并改变染色质的结构使其疏松化，其他调节物进一步影响基因活性。超敏感位点：转录活性区很少甲基化染色质改建：组蛋白乙酰基转移酶（A型和B型）使组蛋白Lys残基乙酰化。2.启动子和增强子（促进转录的序列）、沉默子、绝缘子启动子：DNA分子上结合RNA聚合酶并形成转录起始复合物的区域，在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白质结合位点。TATA框、CAAT框、GC框均属上游控制元件。增强子：远距离调节启动子以增强转录速率的DNA序列。（特点和作用机制）沉默子：远距离调节启动子以降低转录速率的DNA序列。绝缘子：可阻止增强子对区域外启动子的影响。,3.顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件：指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处一个DNA分子上的基因，通常不编码蛋白质，多位于基因傍侧或内含子中。反式作用因子：是指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件812bp核心序列上，参与调控靶基因转录效率的一组DNA结合蛋白。（基本转录因子、上游因子、可诱导因子）反式作用因子结合DNA的结构域有螺旋转角螺旋基序锌指基序亮氨酸拉链基序螺旋突环螺旋基序反式作用因子还有一个或多个结构域与转录活化或与其他调节蛋白相互作用。4.顺式作用与反式作用真核细胞与原核细胞基因转录的调节不同点？572页,转录后水平调节：各种RNA的转录后加工翻译水平的调节：与原核生物相似翻译后水平的调节：,真核基因表达调节特点（一）三种RNA聚合酶（二）基因激活引起染色体结构和性质变化 核酸酶敏感、DNA拓扑结构变化、DNA碱基修饰变化、组蛋白变化等（三）正调节占主导（四）转录与翻译分隔进行（五）转录后修饰、翻译后加工,.真核基因转录激活调节的因素（一）顺式作用元件（二）反式作用因子,（一）顺式作用元件 cis-acting element,指的是可影响自身基因表达活性的DNA序列。通常为非编码序列。包括启动子、增强子、沉默子等。,其作用与方向、距离无关。,（二）反式作用因子 trans-acting factor 指的是可与顺式作用元件相互作用的蛋白质因子。如果某一基因表达的蛋白质因子，与另一基因的顺式作用元件相互作用，调节其表达，这种作用称为反式作用。如果某一基因表达的蛋白质因子，与自身基因的顺式作用元件相互作用，调节自身基因的表达，这种作用称为顺式作用。,蛋白质C,大多数转录调节因子以反式作用调节基因的转录。,2.螺旋转角螺旋（helix-turn-helix）,由约20AA组成两个螺旋，中间以转角隔开。常结合CAAT box。,亮氨酸拉链,3.亮氨酸拉链（leucine zipper）,4.碱性螺旋环螺旋（basic helix-loop-helix）,本章小结,各物质代谢的联系，重要的中间物酶活性的调节原核生物基因组与真核生物基因组特点原核生物基因表达与真核生物基因表达特点概念：操纵子、断裂基因、增强子、顺式作用元件与反式作用因子。思考题：第579页2,12,14,13,16,19,
