第十一章

代謝調(diào)控

通過基因表達，DNA中的遺傳信息即可用以決定細胞的表型和生物形狀。但是，基因的表達隨著組織細胞及個體發(fā)育的階段的不同，隨著內(nèi)外環(huán)境的變化的不同，而表現(xiàn)為不同的基因的表達。第十一章代謝調(diào)控第一節(jié)

代謝途徑之間的聯(lián)系1、代謝網(wǎng)絡細胞代謝的基本原則是將各類物質(zhì)分別納入各自的共同代謝途徑，以少數(shù)關鍵的反應如氧化還原、基團轉移、水解合成、基團脫加及異構反應等，轉化種類繁多的分子。不同代謝途徑可以通過交叉點上關鍵的中間代謝物而相互作用和相互轉化。這些共同的中間代謝物使各代謝途徑得以溝通，形成經(jīng)濟有效、運轉良好的代謝網(wǎng)絡通路。其中三個關鍵的中間代謝物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。

第十一章代謝調(diào)控2、分解代謝與合成代謝的單向性雖然酶促反應是可逆的，但在生物體內(nèi)，代謝過程是單向的。一些關鍵部位的代謝是由不同的酶催化正反應和逆反應的。這樣可使兩種反應都處于熱力學的有利狀態(tài)。一般酮酸脫羧的反應、激酶催化的反應、羧化反應等都是不可逆的。這些反應常受到嚴密調(diào)控，成為關鍵步驟。

第十一章代謝調(diào)控3、能量的代謝

3.1ATP是通用的能量載體

3.2NADPH以還原力的形式攜帶能量3.3ATP、還原力和構造單元用于生物合成

第十一章代謝調(diào)控

第二節(jié)代謝調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)細胞水平的調(diào)節(jié)整體水平的調(diào)節(jié)

第十一章代謝調(diào)控一、酶水平的調(diào)節(jié)（一）、酶活性的調(diào)節(jié)前饋和反饋ATP、ADP和AMP的調(diào)節(jié)酶的連續(xù)激活和共價修飾（二）、酶量的調(diào)節(jié)-基因表達調(diào)控

第十一章代謝調(diào)控#

基因表達調(diào)控基本概念與原理基因表達的概念基因表達（geneexpression）就是指在一定調(diào)節(jié)因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并轉錄生成特定的RNA，或由此引起特異性蛋白質(zhì)合成的過程。

第十一章代謝調(diào)控人類基因組DNA中約含5萬個基因，但在某一特定時期，只有少數(shù)的基因處于轉錄激活狀態(tài)，其余大多數(shù)基因則處于靜息狀態(tài)。一般來說，在大部分情況下，處于轉錄激活狀態(tài)的基因僅占5%。通過基因表達以合成特異性蛋白質(zhì)，從而賦予細胞以特定的生理功能或形態(tài)，以適應內(nèi)外環(huán)境的改變。第十一章代謝調(diào)控#基因表達的時間性及空間性

#時間特異性：基因表達的時間特異性(temporalspecificity)是指特定基因的表達嚴格按照特定的時間順序發(fā)生，以適應細胞或個體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。

第十一章代謝調(diào)控#空間特異性：基因表達的空間特異性（spatialspecificity）是指多細胞生物個體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達在不同的細胞或組織器官不同，從而導致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細胞或組織器官。故又稱為細胞特異性或組織特異性。

第十一章代謝調(diào)控#基因表達的方式

#組成性表達：組成性基因表達（constitutivegeneexpression）是指在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行的基因表達。其基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

第十一章代謝調(diào)控#誘導和阻遏表達：誘導表達（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導基因。阻遏表達（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。

第十一章代謝調(diào)控#基因表達的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖。維持個體發(fā)育與分化。

第十一章代謝調(diào)控#基因表達調(diào)控的基本原理

#基因表達的多級調(diào)控：基因表達調(diào)控可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個階段，因此基因表達的調(diào)控可分為轉錄水平（基因激活及轉錄起始），轉錄后水平（加工及轉運），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉錄水平的基因表達調(diào)控最重要。

第十一章代謝調(diào)控#基因轉錄激活調(diào)節(jié)基本要素：1．順式作用元件：順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉錄調(diào)控有關的特殊順序。

第十一章代謝調(diào)控在原核生物中，大多數(shù)基因表達通過操縱子模型進行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動基因、操縱基因和調(diào)節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達調(diào)控有關的順式作用元件主要有啟動子（promoter）、增強子（enhancer）和沉默子（silencer）。

第十一章代謝調(diào)控基因的組織結構及順式作用元件第十一章代謝調(diào)控2．反式作用因子：反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調(diào)控有關的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達到對特定基因進行調(diào)控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉錄因子。

第十一章代謝調(diào)控3．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結合之前，需先通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結合。這種結合通常是非共價鍵結合。

第十一章代謝調(diào)控1、

原核基因轉錄調(diào)節(jié)

存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模式是操縱子（operon）調(diào)控模式，該模式也見于低等真核生物中。在原核生物中，若干結構基因可串聯(lián)在一起，其表達受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子（operon）

。

第十一章代謝調(diào)控1、1操縱子的結構與功能

典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結構基因串聯(lián)在一起構成。

第十一章代謝調(diào)控以原核生物乳糖操縱子(Lacoperon)為例，其控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因（阻遏基因），啟動基因（其CRP結合位點位于RNA聚合酶結合位點上游）和操縱基因；其信息區(qū)由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串聯(lián)在一起構成。

控制區(qū)信息區(qū)第十一章代謝調(diào)控乳糖操縱子的結構基因及其表達產(chǎn)物第十一章代謝調(diào)控1、2乳糖操縱子的調(diào)控機制

1、2、1乳糖操縱子的誘導：第十一章代謝調(diào)控第十一章代謝調(diào)控1、2、2乳糖操縱子的阻遏：第十一章代謝調(diào)控第十一章代謝調(diào)控1、3色氨酸操縱子的調(diào)控機制

色氨酸操縱子（trpoperon）屬于阻遏型操縱子，主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。當細胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當細胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。

第十一章代謝調(diào)控色氨酸操縱子的調(diào)控機制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結合而阻遏轉錄。而當色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結合而使基因轉錄關閉。

第十一章代謝調(diào)控色氨酸操縱子的調(diào)控還涉及轉錄衰減(attenuation)機制。即在色氨酸操縱子第一個結構基因與啟動基因之間存在有一衰減區(qū)域，當細胞內(nèi)色氨酸酸濃度很高時，通過與轉錄相偶聯(lián)的翻譯過程，形成一個衰減子結構，使RNA聚合酶從DNA上脫落，導致轉錄終止。

第十一章代謝調(diào)控1、4原核生物轉錄的整體調(diào)控模式

由成群的操縱子組成的基因轉錄調(diào)控網(wǎng)絡稱為調(diào)節(jié)子。通過組成調(diào)節(jié)子調(diào)控網(wǎng)絡，對若干操縱子及若干蛋白質(zhì)的合成進行協(xié)同調(diào)控，從而達到整體調(diào)控的目的。典型的整體調(diào)控模式是SOS反應，這是由一組與DNA損傷修復有關的酶和蛋白質(zhì)基因組成。在正常情況下，這些基因均被LexA阻遏蛋白封閉。當有紫外線照射時，細菌體內(nèi)的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，從而導致與DNA損傷修復有關的基因表達。

第十一章代謝調(diào)控2、

真核基因轉錄調(diào)節(jié)

真核生物中基因表達的調(diào)控機制較原核生物復雜得多，許多細節(jié)還未弄清楚。就人類染色體DNA而言，就有30億個堿基對，估計約有5萬個基因。

第十一章代謝調(diào)控真核基因組結構特點

#轉錄產(chǎn)物為單順反子：真核基因的轉錄產(chǎn)物一般是單順反子（mono-cistron），即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，并指導翻譯一條多肽鏈。

第十一章代謝調(diào)控#大量重復序列：真核基因組中含大量的重復序列，這些重復序列大部分是沒有特定生物學功能的DNA片段，可占整個基因組DNA的90%。根據(jù)重復頻率可將其分為高度重復序列、中度重復序列和單拷貝序列。

第十一章代謝調(diào)控#斷裂基因：真核生物中的基因具有不連續(xù)性，即一個基因的編碼序列往往被一些非編碼序列分隔開?；蛑心軌蜣D錄并進一步編碼多肽鏈合成的部分稱為外顯子（exon），而在轉錄后會被剪除的部分則稱為內(nèi)含子（intron）。

第十一章代謝調(diào)控真核基因表達調(diào)控的特點

(激素水平和發(fā)育過程)2、1轉錄前水平的調(diào)節(jié)染色質(zhì)丟失擴增重排修飾第十一章代謝調(diào)控2、2轉錄水平的調(diào)節(jié)2、2、1RNA聚合酶活性受轉錄因子調(diào)控：真核生物中存在RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ三種不同的RNA聚合酶，分別負責轉錄不同的RNA。這些RNA聚合酶與相應的轉錄因子形成復合體，從而激活或抑制該酶的催化活性。第十一章代謝調(diào)控2、2、2染色質(zhì)結構改變參與基因表達的調(diào)控：真核生物DNA與組蛋白結合并形成核小體的結構，再進一步形成染色質(zhì)。當真核基因被激活時，染色質(zhì)的結構也隨之發(fā)生改變。主要的改變有：單鏈DNA形成：基因被激活后，雙鏈DNA解開成單鏈以利于轉錄，從而形成一些對DNAaseⅠ的超敏位點。第十一章代謝調(diào)控DNA拓樸結構改變：天然雙鏈DNA均以負性超螺旋構象存在，當基因激活后，則轉錄區(qū)前方的DNA拓樸結構變?yōu)檎猿菪Ｕ猿菪勺璧K核小體形成，并促進組蛋白解聚。核小體不穩(wěn)定性增加：由于組蛋白修飾狀態(tài)改變，巰基暴露等原因而引起核小體結構改變。

第十一章代謝調(diào)控2、2、3正性調(diào)節(jié)占主導（基因轉錄調(diào)控元件及激活機制）：真核基因一般都處于阻遏狀態(tài)，RNA聚合酶對啟動子的親和力很低。通過利用各種轉錄因子正性激活RNA聚合酶是真核基因調(diào)控的主要機制。

第十一章代謝調(diào)控順式作用元件主要有啟動子（promoter）、增強子（enhancer）和沉默子（silencer）。反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調(diào)控有關的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達到對特定基因進行調(diào)控的目的。第十一章代謝調(diào)控2、2、3、1順式作用元件

1．啟動子：存在于結構基因上游，與基因轉錄啟動有關的一段特殊DNA順序稱為啟動子（promoter)。與原核生物類似，也含有一段富含TATA的順序，稱為TATA盒。除此之外，還可見CAAT盒和GC盒。

第十一章代謝調(diào)控第十一章代謝調(diào)控2．增強子：位于結構基因附近，能夠增強該基因轉錄活性的一段DNA順序稱為增強子(enhancer)。增強子是另一類順式作用的DNA片段，可使基因轉錄的速率大大提高。其突出特點是：①在轉錄起始點5’或3’側均能起作用；②相對于啟動子的任一指向均能起作用；③發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關；④對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；⑤通常具有一些短的重復順序。

第十一章代謝調(diào)控增強子是通過一類稱之為轉錄因子的蛋白質(zhì)而發(fā)揮其促進轉錄的作用。其作用機制目前公認的是環(huán)出模型。在λ噬菌體Cro蛋白結合位點和RNA起始點之間插入數(shù)百堿基對的無關DNA，Cro蛋白結合仍然對聚合酶有激活作用。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Cro蛋白與Cro位點結合后，通過DAN鏈的彎曲成環(huán)與起始點附近的轉錄蛋白靠近并結合。這一機制同樣適合于SV40以及其它真核基因的啟動子。

第十一章代謝調(diào)控3．沉默子：能夠對基因轉錄起阻遏作用的DNA片段，屬于負性調(diào)控元件。

第十一章代謝調(diào)控2、2、3、2反式作用因子（分子間作用因子）：真核生物反式作用因子通常屬于轉錄因子（transcriptionfactor，TF）。

第十一章代謝調(diào)控1．轉錄因子的種類：(1)非特異性轉錄因子（基本轉錄因子）：非選擇性調(diào)控基因轉錄表達的蛋白質(zhì)因子稱為非特異性轉錄因子。真核生物中存在的三種RNA聚合酶分別有相應的轉錄因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中以TFⅡ研究較清楚，TFⅡ一共有六種亞類，分別是TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。TFⅡD是唯一能識別啟動子TATA盒并與之結合的轉錄因子，而TFⅡB則可促進聚合酶Ⅱ與啟動子的結合。

第十一章代謝調(diào)控(2)特異性轉錄因子：能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因轉錄表達的蛋白質(zhì)因子稱為特異性轉錄因子。目前較清楚的是調(diào)控免疫球蛋白基因表達的核內(nèi)蛋白質(zhì)因子（NF），已發(fā)現(xiàn)存在NFA，NF2A，NFB，NFB4，NFⅢ等亞類。

第十一章代謝調(diào)控2．轉錄因子的結構：目前已知，反式作用因子至少含有三個功能域，即DNA結合功能域，轉錄活性功能域和其它轉錄因子結合功能域。

第十一章代謝調(diào)控對各種轉錄因子DNA結合功能域的研究發(fā)現(xiàn)一些帶共性的結構，主要有：

(1)HTH和HLH結構：

由兩段а-螺旋夾一段β-折迭構成，а-螺旋與β-折迭之間通過β-轉角或成環(huán)連接，即螺旋-轉角-螺旋結構和螺旋-環(huán)-螺旋結構。典型的例子是λ噬菌體的Cro蛋白，該蛋白含三段а-螺旋和三段β-折迭，兩亞基通過β-折迭而形成二聚體，相當于DNA的一個螺距的長度，而每一亞基的一段а-螺旋則剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中與DNA緊密結合。

第十一章代謝調(diào)控(2)鋅指結構：見于TFⅢA和類固醇激素受體中，由一段富含半胱氨酸的多肽鏈構成。每四個半光氨酸殘基或His殘基螯合一分子Zn2+，其余約12-13個殘基則呈指樣突出，剛好能嵌入DNA雙螺旋的大溝中而與之相結合。每個蛋白質(zhì)分子中可含2-9個鋅指結構。

第十一章代謝調(diào)控(3)亮氨酸拉鏈結構：

見于真核生物DNA結合蛋白質(zhì)的C端，與癌基因表達調(diào)控有關。由兩段α-螺旋平行排列構成，其α-螺旋中存在每隔7個殘基規(guī)律性排列的Leu殘基，Leu側鏈交替排列而呈拉鏈狀。兩條肽鏈呈鉗狀與DNA結合。

第十一章代謝調(diào)控

3．轉錄因子的作用特點：⑴同一DNA順式作用元件可被不同的轉錄因子所識別；⑵同一轉錄因子也可識別不同的DNA順式作用元件；⑶TF與TF之間存在相互作用；⑷當TF與TF，TF與DNA結合時，可導致構象改變；

⑸

TF在合成過程中，有較大的可變性和可塑性。

第十一章代謝調(diào)控2、2、3、3轉錄激活及其調(diào)控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依賴多種轉錄因子，并與之形成復合體。其過程首先是由TFⅡD識別啟動子序列并與之結合；繼而在TFⅡA~F的參與下，RNA聚合酶Ⅱ與TFⅡD、B聚合形成一個功能性的前起始復合體——PIC；最后，結合了增強子的轉錄因子與前起始復合體結合，從而形成穩(wěn)定的轉錄起始復合體。

第十一章代謝調(diào)控聚合酶Ⅱ轉錄起始復合體的組裝第十一章代謝調(diào)控聚合酶Ⅰ轉錄起始復合體的組裝第十一章代謝調(diào)控聚合酶Ⅲ轉錄起始復合體的組裝第十一章代謝調(diào)控2、3轉錄后水平的調(diào)節(jié)加工的多樣性2、4翻譯水平的調(diào)節(jié)合成起始的調(diào)節(jié)“掃描摸式”帽子的識別

mRNA穩(wěn)定性激素的影響2、5翻譯后水平的調(diào)節(jié)第十一章代謝調(diào)控二、

細胞水平的調(diào)節(jié)

（一）、

酶在細胞中的分布1.細胞核核膜上有大量酶類，這些酶參與糖、脂類、蛋白質(zhì)代謝及核酸運輸，DNA復制、RNA合成、加工和修飾。它們鑲嵌在核膜上，或結合在膜表面，有利于各種反應的定向進行。第十一章代謝調(diào)控2.胞液指細胞質(zhì)的連續(xù)液相部分。大部分中間代謝在此進行，如糖酵解、異生、磷酸戊糖途徑、糖、脂類、氨基酸以及核苷酸的生物合成等。其重量的20％是蛋白質(zhì)，所以是高度組織的膠狀物質(zhì)，而不是溶液。與糖原代謝有關的酶結合在糖原顆粒表面。3.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與蛋白質(zhì)的加工有關，光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與糖類和脂類的合成有關，細胞的磷脂、糖脂和膽固醇幾乎都是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的酶合成的。

第十一章代謝調(diào)控4.高爾基體可對細胞合成或吸收的物質(zhì)進行加工、濃縮、包裝和運輸，參與細胞的分泌和吸收過程。其膜的內(nèi)表面有加工寡聚糖的酶類。5.溶酶體

含水解酶類，主要功能為消化、吸收、防御、吞噬和細胞自溶。6.線粒體

內(nèi)膜形成嵴，其上有與呼吸鏈有關的細胞色素和氧化還原酶、ATP合成酶以及調(diào)節(jié)代謝物進出的運輸?shù)鞍?。?nèi)膜中的基質(zhì)含有三羧酸循環(huán)、b氧化、氨基酸分解等酶類。第十一章代謝調(diào)控（二）、膜結構對代謝的調(diào)控

1.控制濃度梯度膜的三種最基本功能即物質(zhì)運輸、能量轉換和信息傳遞都與離子和電位梯度的產(chǎn)生和控制有關，如質(zhì)子梯度可合成ATP，鈉離子梯度可運輸氨基酸和糖，鈣可作為細胞內(nèi)信使。2.控制細胞和細胞器的物質(zhì)運輸通過底物和產(chǎn)物的運輸可調(diào)節(jié)代謝，如葡萄糖進入肌肉和脂肪細胞的運輸是其代謝的限速步驟，胰島素可促進其主動運輸，從而降低血糖。

第十一章代謝調(diào)控3.內(nèi)膜系統(tǒng)對代謝的分隔內(nèi)膜形成分隔區(qū)，其中含有濃集的酶和輔因子，有利于反應。而且分隔可防止反應之間的互相干擾，有利于對不同區(qū)域代謝的調(diào)控。4.膜與酶的可逆結合某些酶可與膜可逆結合而改變性質(zhì)，稱為雙關酶。離子、代謝物、激素等都可改變其狀態(tài)