物質(zhì)代謝的聯(lián)系及其調(diào)節(jié)

1、物質(zhì)代謝的聯(lián)系及其調(diào)節(jié),第一節(jié) 細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),第二節(jié) 代謝調(diào)節(jié),思考?,第三節(jié) 基因表達調(diào)控,返回,第一節(jié) 細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),,,,,一、代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò),,,,,1、糖代謝與脂類代謝的相互關(guān)系2、糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系3、脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的相互聯(lián)系

2、4、核酸與糖、脂類、蛋白質(zhì)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(zhì)代謝的相互聯(lián)系,糖 →→ α-酮酸 氨基酸 蛋白質(zhì),,NH3,,蛋白質(zhì) 氨基酸 α-酮酸 糖,,,,（生糖氨基酸）,脂類代謝與蛋白質(zhì)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(zhì),

3、,蛋白質(zhì),,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(zhì)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(xì)胞內(nèi)重要的遺傳物質(zhì)，控制著蛋白質(zhì)的合成，影響細(xì)胞的成分和代謝類型,? 核酸生物合成需要糖和蛋白質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物參加，而且需要酶和多種蛋白質(zhì)因子。,? 各類物質(zhì)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(zhì)合成與糖異生作用。,脂肪代謝和糖代謝的關(guān)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(yīng),ATP攜帶能量由能源傳遞給細(xì)胞的需能過程,,ATP,ADP+Pi,,,太陽能,化學(xué)能,,生物合成,,細(xì)胞運動,膜運輸,,通過NADPH循環(huán)將還原力由分解代謝轉(zhuǎn)移給生物合成反應(yīng),NADPH+

5、H+,NADP+,分解代謝,還原性有機物,還原性生物合成反應(yīng),,,,,氧化物,還原性生物合成產(chǎn)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(gòu)造單元以用于生物合成。 由ATP、還原力和構(gòu)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(jié)構(gòu)。生物合成和生物形態(tài)建成是一個耗能和增加有序結(jié)構(gòu)的過程，需要由物質(zhì)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(zhì),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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(guān)系,一、代謝調(diào)節(jié)的概念二、酶水平的調(diào)節(jié)三、細(xì)胞結(jié)構(gòu)對代謝途徑的分隔控制

7、調(diào)節(jié)四、激素調(diào)節(jié)和跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo),,第二節(jié) 代 謝 調(diào) 節(jié),代謝調(diào)節(jié),生命是靠代謝的正常運轉(zhuǎn)維持的。生命有限的空間內(nèi)同時有那麼多復(fù)雜的代謝途徑在運轉(zhuǎn)，必須有靈巧而嚴(yán)密的調(diào)節(jié)機制，才能使代謝適應(yīng)外界環(huán)境的變化與生物自身生長發(fā)育的需要。調(diào)節(jié)失靈便會導(dǎo)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(jié)構(gòu)、代謝和生理功能越來越復(fù)雜，代謝調(diào)節(jié)機制也隨之更為復(fù)雜。,1、酶的別構(gòu)效應(yīng) ? 酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié)2、產(chǎn)能反應(yīng)

8、與需能反應(yīng)的調(diào)節(jié)3、酶的共價修飾與級聯(lián)放大機制,,二、酶水平的調(diào)節(jié),酶活性的前饋和反饋調(diào)節(jié),前饋（feedforward ）和反饋（feedback ）是來自電子工程學(xué)的術(shù)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(chǎn)物對代謝過程的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)可能是正調(diào)控，也可能是負(fù)調(diào)控，其調(diào)節(jié)機理是通過酶的變構(gòu)效應(yīng)來實現(xiàn)的。,反饋調(diào)節(jié)中酶活性調(diào)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(zhì),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(yīng)的調(diào)節(jié)控制,氨基酸合成的反饋調(diào)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(yù)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(xì)胞能量狀態(tài)指標(biāo),,糖酵解與三羧酸循環(huán)途徑的調(diào)節(jié),丙酮酸,G,細(xì)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(jié)合或脫去，引起酶分子構(gòu)象的改變，使其活性得到調(diào)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?；蜍挣；?去尿苷酰化，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(diào)控示意圖,意義：由于酶的共價修飾反應(yīng)是酶促反應(yīng)，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(yīng)，而使大量的另一種酶發(fā)生化學(xué)修飾，從而獲得放大效應(yīng)。這種調(diào)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(diào)控,,糖原的分解和合

14、成都是根據(jù)肌體的需要由一系列的調(diào)控機制進行調(diào)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(diào)節(jié)及變構(gòu)效應(yīng)的調(diào)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(xì)胞質(zhì):酵解;磷戊糖途徑;糖原合成;脂肪酸合成;,細(xì)胞核:核酸合成,內(nèi)質(zhì)網(wǎng):蛋白質(zhì)合成;磷脂合成,動物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝途徑,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)對代謝的調(diào)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(xì)胞和細(xì)胞器的物質(zhì)運輸? 內(nèi)膜系統(tǒng)對代謝途徑的分隔作用? 膜與酶的可逆結(jié)合,激 素 調(diào) 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(diào)節(jié)代謝示意圖,,,,,內(nèi)在蛋白質(zhì)的磷酸化作用,改變細(xì)胞的生理過程,細(xì)胞膜,細(xì)胞膜,,,一、原核和真核基因組二、原核生物酶合成調(diào)節(jié)的遺傳機制三、真核生物基因表達的調(diào)控,第三節(jié) 基因表達的調(diào)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(zhì)編碼的結(jié)構(gòu)基因及無轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的調(diào)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(xì)胞的“染色體”DNA分子就包含了一個基因組；而在真核細(xì)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(rèn)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(xué)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(jié)構(gòu)，進一步確定了基 因的本質(zhì)1957年 Benzer 提出順反子(cistron)學(xué)說，認(rèn)為基因是分子的一段 序列，負(fù)責(zé)遺傳信息的傳遞70年代 發(fā)現(xiàn)基因包括有遺傳效應(yīng)的外顯子(intron)和無效應(yīng)的內(nèi)

19、 含子(extron),原核生物基因組的特點,1、基因組小，單復(fù)制子，DNA分子上大部分是編碼蛋白質(zhì)的基因，因此多數(shù)為單拷貝或僅有少量重復(fù)；2、功能相同的基因常串聯(lián)在一起，轉(zhuǎn)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(fù)制子；mRNA 為單順反子；2、有大量重復(fù)序列，根據(jù)重復(fù)次數(shù)可分為： ?單拷貝序列，主要編碼蛋白質(zhì)，數(shù)量多，但含量

20、少 ?中度重復(fù)序列，可重復(fù)幾十到幾千次，編碼tRNA、rRNA和表達量大的蛋白質(zhì) ?高度重復(fù)序列，可重復(fù)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(nèi)含子區(qū)，轉(zhuǎn)錄后經(jīng)剪切去掉內(nèi)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(diào)控中起重要作用。,? 酶誘導(dǎo)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(diào)節(jié)的遺傳機制操縱子學(xué)說,

21、酶的誘導(dǎo)和阻遏操縱子模型,B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)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(diào)節(jié)基因,操縱基因,乳糖結(jié)構(gòu)基因,P,LacZ,LacY,Laca,,,,,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 關(guān) 閉,啟動子,O,R,,A、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),B、乳糖酶的誘導(dǎo),,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(jié)構(gòu)基因,T,,CGP(CAP),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,O,CAP結(jié)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(diào)節(jié),,,,,,,,,,,,調(diào)節(jié)基因,操縱基因,結(jié)構(gòu)基因,,,,,,,,mRNA,,,,,酶蛋白,阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因表達,,,,,,,,,,調(diào)節(jié)基因,操縱基因,結(jié)構(gòu)基因,,,,,,,,,輔阻遏物trp,,,,,,代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合，使之構(gòu)象發(fā)生變化與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不能表達,,,,大腸桿菌色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機制-衰減子模型： 衰減子：在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)基因表達的衰減作用，用于終止和減

24、弱轉(zhuǎn)錄，這種調(diào)節(jié)的作用部位叫衰減子——是一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止子。,大腸桿菌色氨酸操縱子的調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)機制,阻遏和衰減機制雖然都是在轉(zhuǎn)錄水平上進行調(diào)節(jié)，但是它們的作用機制完全不同。阻遏控制轉(zhuǎn)錄的起始，而衰減控制轉(zhuǎn)錄起始后是否能繼續(xù)下去。,真核生物基因表達調(diào)控,? 真核基因表達調(diào)控的五個水平 DNA水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié) 翻譯水平調(diào)節(jié) 翻譯后加工的調(diào)節(jié)? 真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控? 順式作用元件和反式作用因子? 轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄,

26、問答題,1、為什么說三羧酸循環(huán)是糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)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(gòu)調(diào)節(jié)與化學(xué)修飾調(diào)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(dǎo)和阻遏。5、寫出天冬氨酸在體內(nèi)氧化生成CO2和H2O的主要歷程，注明其中脫氫反應(yīng)的酶，并計算所產(chǎn)生的ATP數(shù)目。6、簡述能荷調(diào)節(jié)對代謝的影響及其生物系意義。