物質代謝的聯(lián)系及其調節(jié)

1、物質代謝的聯(lián)系及其調節(jié),第一節(jié) 細胞代謝的調節(jié)網絡,第二節(jié) 代謝調節(jié),思考?,第三節(jié) 基因表達調控,返回,第一節(jié) 細胞代謝的調節(jié)網絡,,,,,一、代謝途徑交叉形成網絡二、分解代謝和合成代謝的單向性三、ATP是通用的能量載體四、NADPH 以還原力形式攜帶能量五、代謝的基本要略,一、 代謝途徑交叉形成網絡,,,,,1、糖代謝與脂類代謝的相互關系2、糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系3、脂類代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系

2、4、核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系,,糖類脂類氨基酸和核苷酸之間的代謝聯(lián)系,糖代謝與脂類代謝的相互聯(lián)系,糖代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系,糖 →→ α-酮酸 氨基酸 蛋白質,,NH3,,蛋白質 氨基酸 α-酮酸 糖,,,,（生糖氨基酸）,脂類代謝與蛋白質代謝的相互聯(lián)系,脂肪,,甘油,,磷酸二羥丙酮,脂肪酸,,乙酰CoA,,氨基酸碳架,,氨基酸,,蛋白質,

3、,蛋白質,,氨基酸,,酮酸或乙酰CoA,,脂肪酸,,脂肪,（生酮氨基酸）,核酸與糖、脂類、蛋白質代謝的聯(lián)系,?核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。,? 核酸是細胞內重要的遺傳物質，控制著蛋白質的合成，影響細胞的成分和代謝類型,? 核酸生物合成需要糖和蛋白質的代謝中間產物參加，而且需要酶和多種蛋白質因子。,? 各類物質代謝都離不開具備高能磷酸鍵的各種核苷酸，如ATP是能量的“通貨”，此外

4、UTP參與多糖的合成，CTP參與磷脂合成，GTP參與蛋白質合成與糖異生作用。,脂肪代謝和糖代謝的關系,延胡索酸,琥珀酸,蘋果酸,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,糖分解和糖異生途徑中相對獨立的單向反應,ATP攜帶能量由能源傳遞給細胞的需能過程,,ATP,ADP+Pi,,,太陽能,化學能,,生物合成,,細胞運動,膜運輸,,通過NADPH循環(huán)將還原力由分解代謝轉移給生物合成反應,NADPH+

5、H+,NADP+,分解代謝,還原性有機物,還原性生物合成反應,,,,,氧化物,還原性生物合成產物,氧化前體,,,代謝的基本要略,代謝的基本要略在于形成ATP、還原力和構造單元以用于生物合成。 由ATP、還原力和構造單元可合成各類生物分子，并進而裝配成生物不同層次的結構。生物合成和生物形態(tài)建成是一個耗能和增加有序結構的過程，需要由物質流、能量流和信息流來支持。,,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化）,蛋白質,脂肪酸、甘油,

6、多糖,氨基酸,乙酰CoA,,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中間產物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。,大分子降解成基本結構單位,生物氧化的三個階段,,NADPH,生物系統(tǒng)中的能流,（胞液）,（線粒體）,（PEP）,糖的分解代謝和糖異生的關系,一、代謝調節(jié)的概念二、酶水平的調節(jié)三、細胞結構對代謝途徑的分隔控制

7、調節(jié)四、激素調節(jié)和跨膜信號轉導,,第二節(jié) 代 謝 調 節(jié),代謝調節(jié),生命是靠代謝的正常運轉維持的。生命有限的空間內同時有那麼多復雜的代謝途徑在運轉，必須有靈巧而嚴密的調節(jié)機制，才能使代謝適應外界環(huán)境的變化與生物自身生長發(fā)育的需要。調節(jié)失靈便會導致代謝障礙，出現(xiàn)病態(tài)甚至危及生命。在漫長的生物進化歷程中，機體的結構、代謝和生理功能越來越復雜，代謝調節(jié)機制也隨之更為復雜。,1、酶的別構效應 ? 酶活性的前饋和反饋調節(jié)2、產能反應

8、與需能反應的調節(jié)3、酶的共價修飾與級聯(lián)放大機制,,二、酶水平的調節(jié),酶活性的前饋和反饋調節(jié),前饋（feedforward ）和反饋（feedback ）是來自電子工程學的術語，前者的意思是“輸入對輸出的影響”，后者的意思是“輸出對輸入的影響”，這里分別借用來說明底物和代謝產物對代謝過程的調節(jié)作用。這種調節(jié)可能是正調控，也可能是負調控，其調節(jié)機理是通過酶的變構效應來實現(xiàn)的。,反饋調節(jié)中酶活性調節(jié)的機制,,6-磷酸葡萄糖對糖原合成的前饋激

9、活作用,G,UDPG,6-P-G,,1-P-G,,,糖原,糖原 合成酶,,,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,,,天冬氨酸,氨基酸,蛋白質,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應的調節(jié)控制,氨基酸合成的反饋調控,反硝化作用,氧化亞氮,氨甲酰磷酸,分支酸,脫氧庚酮糖酸-7-磷酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,赤蘚糖-4-磷酸,脫氫奎尼酸,

10、莽草酸,谷氨酸,磷酸烯醇式丙酮酸,+,預苯酸,Try,Phe,Trp,Ile,Trp,His,CTP,AMP,Gln,Lys,Met,Thr,酮丁酸,Gly,Ala,谷氨酰胺合酶,天冬氨酰半醛,高絲氨酸,氨基苯甲酸,細胞能量狀態(tài)指標,,糖酵解與三羧酸循環(huán)途徑的調節(jié),丙酮酸,G,細胞液,檸檬酸,乙酰CoA,,檸檬酸,草酰乙酸,?-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,線粒體,,,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,,,PEP,

11、,,ADP+Pi ATP,,,,,,,ADP+Pi ATP,,NADH,,O2,ATP ADP+Pi,AMP + ATP 2ADP,Pi,,,,Pi,PEP 羧激酶,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,己糖激酶,,丙酮酸脫氫酶,,檸檬酸合成酶,?-酮戊二酸 脫氫酶,酶分子中的某些基團，在其它酶的催化下，可以共價結合或脫去，引起酶分子構象的改變，使其活性得到調節(jié)，這種方式稱為酶的共價修飾（Covalent

12、moldification ）。目前已知有六種修飾方式：磷酸化/去磷酸化，乙?；?去乙?；?，腺苷?；?去腺苷?；?，尿苷酰化/去尿苷?；?，甲基化/去甲基化，氧化（S-S）/還原(2SH)。,例：糖原磷酸化酶的共價修飾,共價修飾,酶級聯(lián)系統(tǒng)調控示意圖,意義：由于酶的共價修飾反應是酶促反應，只要有少量信號分子（如激素）存在，即可通過加速這種酶促反應，而使大量的另一種酶發(fā)生化學修飾，從而獲得放大效應。這種調節(jié)方式快速、效率極高。,腎上腺素或胰高

13、血糖素,1、腺苷酸環(huán)化酶（無活性）,腺苷酸環(huán)化酶（活性）,2、ATP,cAMP,R、cAMP,3、蛋白激酶（無活性）,蛋白激酶（活性）,4、磷酸化酶激酶（無活性）,磷酸化酶激酶（活性）,5、磷酸化酶 b（無活性）,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,腎上腺素或胰高血糖素,,,,,,,,1,,,,,4,5,6,,,,,cAMP激活蛋白激酶的作用機理,糖原合成酶和糖原磷酸化酶的調控,,糖原的分解和合

14、成都是根據肌體的需要由一系列的調控機制進行調控，其限速酶分別為糖原磷酸化酶和糖原合成酶。它們的活性是受磷酸化或去磷酸化的共價修飾的調節(jié)及變構效應的調節(jié)。二種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 ( 無活性),,OH,,OH,,,,,,,ATP,ADP,H2O,Pi,糖原合成酶 b ( 無活性),糖原磷酸化酶 a ( 有活性),,,,,酶定位的區(qū)域化,

15、線粒體:丙酮酸氧化;三羧酸循環(huán);?-氧化;呼吸鏈電子傳遞;氧化磷酸化,細胞質:酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;,細胞核:核酸合成,內質網:蛋白質合成;磷脂合成,動物細胞結構和代謝途徑,細胞膜結構對代謝的調節(jié)和控制作用,? 控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度? 控制細胞和細胞器的物質運輸? 內膜系統(tǒng)對代謝途徑的分隔作用? 膜與酶的可逆結合,激 素 調 節(jié) 的 機 制,1、含氮激素作用模式2、甾醇類激素作用模式,甾醇

16、類激素作用原理示意圖,肽類激素通過cAMP-蛋白激酶調節(jié)代謝示意圖,,,,,內在蛋白質的磷酸化作用,改變細胞的生理過程,細胞膜,細胞膜,,,一、原核和真核基因組二、原核生物酶合成調節(jié)的遺傳機制三、真核生物基因表達的調控,第三節(jié) 基因表達的調控,基因（gene）是指DNA分子中的最小功能單位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白質編碼的結構基因及無轉錄產物的調節(jié)基因。 基因組（genome）是指某一特定生物單倍體所含的全體

17、基因。原核細胞的“染色體”DNA分子就包含了一個基因組；而在真核細胞中則是指一套單倍染色體的的全部基因。,原核和真核基因組,基因(gene)概念的發(fā)展,1866年 Mender建立遺傳兩大定律，提出遺傳因子的概念1903年 Sutton & Boveri 提出遺傳因子位于染色體上1909年 Johansen 提出基因概念，取代遺傳因子1910年 Morgen 建立基因假說，確認基因是確定性狀的功能單位1941年

18、 Beadle 提出一個基因一個酶學說1944年 Avery 首次用實驗證實DNA是遺傳信息的載體1953年 Watson & Crick 確定DNA雙螺旋結構，進一步確定了基 因的本質1957年 Benzer 提出順反子(cistron)學說，認為基因是分子的一段 序列，負責遺傳信息的傳遞70年代 發(fā)現(xiàn)基因包括有遺傳效應的外顯子(intron)和無效應的內

19、 含子(extron),原核生物基因組的特點,1、基因組小，單復制子，DNA分子上大部分是編碼蛋白質的基因，因此多數(shù)為單拷貝或僅有少量重復；2、功能相同的基因常串聯(lián)在一起，轉錄在同一個mRNA 中（多順反子）；3、有基因重疊，以此增加信息容量。,真核生物基因組的特點1、基因組大，有多個復制子；mRNA 為單順反子；2、有大量重復序列，根據重復次數(shù)可分為： ?單拷貝序列，主要編碼蛋白質，數(shù)量多，但含量

20、少 ?中度重復序列，可重復幾十到幾千次，編碼tRNA、rRNA和表達量大的蛋白質 ?高度重復序列，可重復幾百萬次，不編碼，有高度變異性，可作指紋圖譜分析3、有斷裂基因，即基因中有外顯子區(qū)和內含子區(qū)，轉錄后經剪切去掉內含子后 才成為可翻譯的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多數(shù)不編碼序列，在基因表達調控中起重要作用。,? 酶誘導和阻遏的操縱子模型? 合成途徑操縱子的衰減作用,原核生物酶合成調節(jié)的遺傳機制操縱子學說,

21、酶的誘導和阻遏操縱子模型,B.有活性阻遏蛋白加誘導劑,A.有活性阻遏蛋白,C.無活性阻遏蛋白,D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑,大腸桿菌乳糖操縱子模型,調節(jié)基因,操縱基因,乳糖結構基因,P,LacZ,LacY,Laca,,,,,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 關 閉,啟動子,O,R,,A、乳糖操縱子的結構,B、乳糖酶的誘導,,阻遏蛋白（有活性）,乳糖操縱子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,,,

22、mRNA,CAP基因,結構基因,T,,CGP(CAP),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,O,CAP結合部位,RNA聚合酶,T,,,cAMP -CAP,P,,CGP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：環(huán)腺苷酸受體蛋白（cycilic AMP receptor protein）,,使CAP呈失活狀態(tài),色氨酸操縱子（酶的阻遏）——阻遏

23、物和操縱基因的調節(jié),,,,,,,,,,,,調節(jié)基因,操縱基因,結構基因,,,,,,,,mRNA,,,,,酶蛋白,阻遏蛋白不能與操縱基因結合，結構基因表達,,,,,,,,,,調節(jié)基因,操縱基因,結構基因,,,,,,,,,輔阻遏物trp,,,,,,代謝產物與阻遏蛋白結合，使之構象發(fā)生變化與操縱基因結合，結構基因不能表達,,,,大腸桿菌色氨酸操縱子的調節(jié)機制-衰減子模型： 衰減子：在轉錄水平上調節(jié)基因表達的衰減作用，用于終止和減

24、弱轉錄，這種調節(jié)的作用部位叫衰減子——是一種位于結構基因上游前導區(qū)的終止子。,大腸桿菌色氨酸操縱子的調節(jié)機制-衰減子模型,大腸桿菌色氨酸操縱子衰減的可能機制,低濃度色氨酸,高濃度色氨酸,大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用的可能機制,Trp密碼子,C.高濃度色氨酸使核糖體到達2部位， 3與4 堿基配對，轉錄終止。,A.游離mRNA中1與2以及3與4堿基配對。,B.低濃度色氨酸使核糖體停留在1部位，轉錄得以完成。,衰減子模型能夠較好地說明某些

25、氨基酸的生物合成的調節(jié)機制,阻遏和衰減機制雖然都是在轉錄水平上進行調節(jié)，但是它們的作用機制完全不同。阻遏控制轉錄的起始，而衰減控制轉錄起始后是否能繼續(xù)下去。,真核生物基因表達調控,? 真核基因表達調控的五個水平 DNA水平調節(jié) 轉錄水平調節(jié) 轉錄后加工的調節(jié) 翻譯水平調節(jié) 翻譯后加工的調節(jié)? 真核基因調控主要是正調控? 順式作用元件和反式作用因子? 轉錄因子的相互作用控制轉錄,

26、問答題,1、為什么說三羧酸循環(huán)是糖、脂、蛋白質三大物質代謝的共同通路？2、舉例說明核苷酸類化合物在代謝中起的作用。3、試比較變構調節(jié)與化學修飾調節(jié)作用的異同？4、試以大腸桿菌乳糖操縱子說明酶合成的誘導和阻遏。5、寫出天冬氨酸在體內氧化生成CO2和H2O的主要歷程，注明其中脫氫反應的酶，并計算所產生的ATP數(shù)目。6、簡述能荷調節(jié)對代謝的影響及其生物系意義。