细胞代谢与基因调控

1、本章主要内容本章主要内容一、物质代谢间的联系二、酶的活性调节三、基因表达的调控 一一 糖、脂、氨基酸、核苷酸代谢间的联系糖、脂、氨基酸、核苷酸代谢间的联系（一）糖代谢与蛋白质代谢间的联系（一）糖代谢与蛋白质代谢间的联系 糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：如糖分如糖分解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经解过程中可产生丙酮酸，丙酮酸经TCATCA循环产生循环产生酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换酮戊二酸和草酰乙酸，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的氨基酸。作用形成相应的氨基酸。另外，糖分解过程中产生的另外，糖分解过程中产生的能量可供氨基酸和蛋白质的

2、合成之用。能量可供氨基酸和蛋白质的合成之用。 蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。蛋白质分解产生的氨基酸，在体内可以转变为糖。如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生如：多数氨基酸在脱氨后转变为丙酮酸，经糖原异生作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。作用可生成糖，这类氨基酸称为生糖氨基酸。（二）糖代谢与脂代谢间的联系（二）糖代谢与脂代谢间的联系 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸丙酮酸甘油甘油乙酰辅酶乙酰辅酶A A脂肪酸脂肪酸脂脂肪肪 - -甘油磷酸甘油磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖糖脂肪酸脂肪酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A琥珀酸琥珀酸草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸 - -氧化氧化乙醛酸乙

3、醛酸循环循环TCATCA循环循环COCO2 2+H+H2 2O O糖尿病糖尿病 ：脂肪脂肪酮体酮体 在血液中产生在血液中产生酸中毒或到达肌酸中毒或到达肌肉中提供能源肉中提供能源在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况。脂肪脂肪糖糖乙酰乙酸乙酰乙酸丙丙 酮酮 - -羟丁酸羟丁酸草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸氨基酸氨基酸（三）脂类代谢与蛋白质代谢的关系（三）脂类代谢与蛋白质代谢的关系脂类分子中的甘油脂类分子中的甘油 丙酮酸丙酮酸 脂类与蛋白质之间可以相互转化：脂类与蛋白质之间可以相互转化：蛋蛋白白质质甘油甘油生酮氨基酸生酮氨基酸生糖氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸乙酰乙酸脂肪

4、酸脂肪酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A丙二酸单酰丙二酸单酰辅酶辅酶A A脂肪脂肪 脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏能量的物质。能量的物质。脂肪酸脂肪酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A - -氧化氧化TCATCA循环循环草酰乙酸草酰乙酸 酮戊二酸酮戊二酸 苹果酸苹果酸 氨基酸氨基酸琥珀酸琥珀酸乙醛酸循环乙醛酸循环（四）核苷酸及其衍生物与物质代谢间的联系（四）核苷酸及其衍生物与物质代谢间的联系（五）、代谢途径的区域化（五）、代谢途径的区域化（六）新陈代谢的组织分工（六）新陈代谢的组织分工1 1、肝脏中的糖代谢、肝脏中的糖代谢2 2、肝脏中的氨基酸代

5、谢、肝脏中的氨基酸代谢3 3、肝脏中的脂肪代谢、肝脏中的脂肪代谢4 4、脂肪的储存与动员、脂肪的储存与动员5 5、肌肉使用、肌肉使用ATPATP做功（做功（1 1）肌肉使用肌肉使用ATPATP做功（做功（2 2）6 6、脑利用、脑利用ATPATP产生神经冲动产生神经冲动（七）物质代谢的激素调节（七）物质代谢的激素调节（1 1）物质代谢的激素调节（物质代谢的激素调节（2 2）物质代谢的激素调节（物质代谢的激素调节（3 3）（八）血糖的调节（八）血糖的调节（九）饥饿状态的能量代谢（九）饥饿状态的能量代谢饥饿状态的能量代谢饥饿状态的能量代谢饥饿状态的能量代谢饥饿状态的能量代谢（十）代谢调节的信息分子

6、（十）代谢调节的信息分子二、酶的活性调节：种类二、酶的活性调节：种类（一）酶的别构调节（一）酶的别构调节别构调节：前馈和反馈别构调节：前馈和反馈别构调节：前馈与反馈别构调节：前馈与反馈别构酶的动力学特征别构酶的动力学特征（二）、酶的共价修饰调节（二）、酶的共价修饰调节磷酸化酶的共价修饰磷酸化酶的共价修饰共价修饰与级联放大共价修饰与级联放大（三）酶原与酶原激活（三）酶原与酶原激活胃蛋白酶原的激活胃蛋白酶原的激活（四）酶的区域化分布（四）酶的区域化分布三三 细胞结构对代谢的调节作用细胞结构对代谢的调节作用（六）蛋白质的定位和寿命控制v 泛肽，又称泛素(ubiquitin)是一种存在于大多数真核细胞

7、中的小蛋白。它的主要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解。当附有泛素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋白质水解。泛素也可以标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞膜上除去。 泛素76个氨基酸组成，分子量大约8500道尔顿。它在真核生物中具有高度保留性，人类和酵母的泛素有96%的相似性。 四四 细胞信号传递系统细胞信号传递系统五五 基因表达的调节基因表达的调节1 1 原核生物基因的表达调节原核生物基因的表达调节2 2 真核生物基因的表达调节真核生物基因的表达调节三、原核生物基因表达的调控三、原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控操纵子操纵子模型：负性调控操

8、纵子模型：负性调控操纵子模型：正性调控原核生物基因表达的调控乳糖操纵子与碳源供应乳糖操纵子与碳源供应翻译水平的调节和反义RNA 天然反义天然反义RNA是一类分子质量较小的多聚寡核苷是一类分子质量较小的多聚寡核苷酸，它们与生物体双链酸，它们与生物体双链DNA的正义链或的正义链或mRNA的一的一段序列互补。最早是由段序列互补。最早是由E.Coli体内质粒复制的调控体内质粒复制的调控而发现的。原核生物中反义而发现的。原核生物中反义RNA抑制基因表达的方抑制基因表达的方式有三种：式有三种：(1)DNA复制水平复制水平: 反义反义RNA与引物前体与引物前体结合，阻止正常引物的产生，使结合，阻止正常引物的

9、产生，使DNA复制不能进行。复制不能进行。(2)转录水平：反义转录水平：反义RNA与与mRNA 5端结合，形成类端结合，形成类似于转录终止信号的似于转录终止信号的级结构；级结构；(3)翻译水平：又分翻译水平：又分为两种方式，即反义为两种方式，即反义RNA与与mRNA SD序列和序列和/或编或编码起始区结合，直接抑制翻译或与码起始区结合，直接抑制翻译或与mRNA非编码区非编码区结合，使结合，使mRNA分子构象发生改变而不能与核糖体分子构象发生改变而不能与核糖体结合，间接抑制翻译。结合，间接抑制翻译。 v真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类： 第一类是

10、瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。浓度的调节。 第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。发育的全部进程。 v转录水平调控；转录水平调控； 转录后水平调控；转录后水平调控； 翻译水平调控；翻译水平调控； 蛋白质加工水平的调控

11、等。蛋白质加工水平的调控等。真核基因表达调控的特点:v真核基因表达调控的环节更多真核基因表达调控的环节更多 ,真核基因转录真核基因转录发生在细胞核发生在细胞核(线粒体基因的转录在线粒体线粒体基因的转录在线粒体内内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有了更多的分量。录后的调控占有了更多的分量。转录前水平调控vDNA水平的调控v染色质结构影响基因转录DNA水平的调控v基因丢失：不可逆 在细胞分化过程中，消除某个基因活性的方法之一就是从细胞中除去那个基因。某些原生动物，昆虫及甲

12、壳纲动物细胞分化过程中就发现有部分染色体丢失现象。但在高等生物中目前没有发现有基因丢失现象，当然也不能肯定v基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝数 非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体 药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加v基因重排(gene rearrangement)一个基因可以从远离其启动子的地方移到距它很近的为点而被启动转录，这种方式称为基因重排 如免疫球蛋白基因重排染色质结构影响基因转录：v. 松散的常染色质中的基因可以转录。紧凑折叠结构的异染色质从未见有基因转录表达，可见紧密的染色质结构阻止基因表

13、达。 v.组蛋白的作用：组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。v转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加：高敏感点常出现在转录基因的5侧区、3末端或在基因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域核小体的结构发生变化，可能有利于调控蛋白结合而促进转录。 vDNA拓扑结构变化：天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋。当基因活跃转录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前移动转录；而负性超螺旋则有利于核小体的再形成。vDN

14、A碱基修饰变化：DNA甲基化主要是胞嘧啶的甲基化，可改变与DNA结合蛋白的特异性识别作用，甲基化在大多数脊椎动物中使基因处于失活状态。与基因调节有关的大多数甲基化发生在短序列CpG(称CpG双联体)的胞嘧啶上，而且其通常成族于基因5区构成CpG岛岛(CpG island)，虽然高等动物中DNA只有约34甲基化，但80100的CpG双联体可能含甲基化胞嘧啶。胞嘧啶甲基化由（胞嘧啶5）甲基转移酶催化形成。 DNA甲基化与X染色体失活v雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活vX染色体失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic):Xist基因(

15、Xi-specific transcript)XistX染色体其他位点甲基化，不转录活性去甲基化，活性去甲基化，转录失活甲基化，失活转录水平的调控v最重要v顺式作用元件(cis-acting element)v反式作用因子(trans-acting factor)v转录起始的调控顺式作用元件(cis-acting element)v影响自身基因表达活性的DNA序列v非编码序列v分启动子、增强子、沉默子v启动子：核心启动子元件：指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游25/30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。 上游启

16、动子元件：包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。 增强子(enhancer)：远离转录起始点（130kb），增强启动子转录活性DNA序列，与方向、距离无关增强子及其对转录的影响是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在多种真核生物，甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占100200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本

17、核心组件常为812bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。 沉默子v沉默子(silencer)：负性调节元件，起阻遏作用最早在酵母中发现，以后在T淋巴细胞的T抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有的例子看到：沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。 反式作用因子(trans-acting factor)v概念概念：为：为DNA结合蛋白，结合蛋白，核内蛋白核内蛋白，可使邻近，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）基因开放（正调控）或关闭（负调控）v通用或基本转录因子通用或

18、基本转录因子(general transcription factors)RNA聚合酶结合启动子所必需的一聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子。组蛋白因子。TFA、 TFB、 TFD、 TFE等等v 特异转录因子特异转录因子( special transcription factors)个别基因转录所必需的转录因子个别基因转录所必需的转录因子.OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。基因的启动子和增强子。反式作用因子特点v三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-binding domain)；转录活性域(transcriptional

19、activation domain)；结合其他蛋白的结合域v能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)v正调控与负调控功能结构域反式作用因子结构域的模式vDNA结合域(DNA- banding domain)锌指结构(zinc finger motif)同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构 (leucine zipper)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性螺旋(alkaline -helix锌指结构(zinc finger motif) 每个重复的“指”状结构约含23个氨基

20、酸残基，锌以4个配价键与4个半胱氨酸、或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合。整个蛋白质分子可有2?个这样的锌指重复单位。每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸。 螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helixv（1）螺旋转角螺旋(HTH)及螺旋-环-螺旋(HLH)这类结构至少有两个螺旋，其间由短肽段形成的转角或环连接，两个这样的motif结构以二聚体形式相连，距离正好相当于DNA一个螺距(3.4nm)，两个螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟亮氨酸拉链(leucine zipper)v该结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，结果就导致这些亮氨酸残基都在螺旋

21、的同一个方向出现。两个相同结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体，该二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基，借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)v碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)： bHLH类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的DNA结合能力。该调控区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。 螺旋-环-螺旋反式作用因子结构域的模式v转录活化结构域(transcription

22、al activation domain)酸性-螺旋结构域(acidic helix domain)富含谷氨酰胺结构域(glutamine-rich domain)富含脯氨酸结构域(proline-rich domain)v反式作用因子的活性调节合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化配体结合：如激素与受体的结合蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体v反式作用因子的作用方式成环、扭曲、滑动、Oozing等v反式作用因子的组合式调控作用(conbinatorial gene regulation)使有限的反式作用因子可以调控不同基因的表达成环转录后水平的调控v5端加帽(c

23、ap)和3端多聚腺苷酸化(polyA)的调控意义使mRNA稳定，在转录过程中不被降解vmRNA的选择剪接(alternative splicing)对基因表达的调控外显子选择(optional exon)、内含子选择(optional intron)、互斥外显子、内部剪接位点vmRNA 运输的控制 v RNA发现过程发现过程:1995年，康乃尔大学的年，康乃尔大学的Su Guo博博士在试图阻断秀丽新小杆线虫士在试图阻断秀丽新小杆线虫(C.elegans)的的par-1基因基因时，发现了一个意想不到的现象。她们本想利用反义时，发现了一个意想不到的现象。她们本想利用反义RNA技术特异性地阻断上述基

24、因的表达，而同时在对技术特异性地阻断上述基因的表达，而同时在对照实验中给线虫注射正义照实验中给线虫注射正义RNA以期观察到基因表达的以期观察到基因表达的增强，但得到的结果是二者都同样地切断了增强，但得到的结果是二者都同样地切断了par-1基基因的表达途径。这是与传统上对反义因的表达途径。这是与传统上对反义RNA技术的解释技术的解释正好相反。该研究小组一直未能给这个意外以合理解正好相反。该研究小组一直未能给这个意外以合理解释。释。1998年，华盛顿卡耐基研究院的年，华盛顿卡耐基研究院的Fire和麻省大学和麻省大学医学院的医学院的Mello首次在秀丽新小杆线虫中证明上述现首次在秀丽新小杆线虫中证明

25、上述现象属于转录后水平的基因沉默。他们发现象属于转录后水平的基因沉默。他们发现Su Guo博士博士遇到的正义遇到的正义RNA抑制基因表达的现象，以及过去的反抑制基因表达的现象，以及过去的反义义RNA技术对基因表达的阻断，都是由于体外转录所技术对基因表达的阻断，都是由于体外转录所得得RNA中污染了微量双链中污染了微量双链RNA而引起。而引起。 当他们将体外转录得到的单链当他们将体外转录得到的单链RNA纯化后注射纯化后注射线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯化的双链纯化的双链RNA却正好相反，能够高效特异性阻断却正好相反，能够高效特异性阻断相应

26、基因的表达，其抑制基因表达的效率比纯化后相应基因的表达，其抑制基因表达的效率比纯化后的反义的反义RNA至少高至少高2个数量级。该小组将这一现象个数量级。该小组将这一现象称为称为RNA干扰。在干扰。在1999年短短的一年间年短短的一年间,发现发现RNA干扰现象广泛存在于从植物、真菌、线虫、昆虫、干扰现象广泛存在于从植物、真菌、线虫、昆虫、蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类的几乎所蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类的几乎所有的真核生物中细胞。有的真核生物中细胞。2000年，又先后发现小鼠早年，又先后发现小鼠早期胚胎中和大肠杆菌中也存在干扰现象。期胚胎中和大肠杆菌中也存在干扰现象。2002年，年

27、，科学科学和其发行者美国科学促进会将和其发行者美国科学促进会将“小小RNA”的分子控制基因发现评为的分子控制基因发现评为2002年十大进年十大进展榜首。展榜首。 基因沉默（基因沉默（gene silencing）是生物体内特）是生物体内特定基因由于种种原因不表达的遗传现象。一定基因由于种种原因不表达的遗传现象。一方面，基因沉默是生物遗传操作创造新的遗方面，基因沉默是生物遗传操作创造新的遗传修饰生物（传修饰生物（genetically modified organisms）的障碍，另一方面，它又是植物抵抗外来核的障碍，另一方面，它又是植物抵抗外来核酸入侵（如病毒）的一种反应，为植物抗病酸入侵（如

28、病毒）的一种反应，为植物抗病毒的遗传育种提供了具有实用价值的策略：毒的遗传育种提供了具有实用价值的策略： RNA 介导的病毒抗性（介导的病毒抗性（RNA mediated virus resistance, RMVR）。）。近年来，在不同的研究领域和生物中发现了许多新的近年来，在不同的研究领域和生物中发现了许多新的使基因关闭或沉默的类型，并赋予其不同的名称：在使基因关闭或沉默的类型，并赋予其不同的名称：在植物中称为植物中称为RNA 共抑制共抑制(co-suppression)，在真菌中叫，在真菌中叫RNA 压制压制(quelling)，动物中则叫，动物中则叫RNA干涉干涉(interferen

29、ce)。RNA干涉干涉(RNA interference，RNAi)是是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象，它是指正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象，它是指当细胞中导入与内源性当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的编码区同源的dsRNA时，时，该该mRNA发生降解而导致基因表达沉默的现象，这种发生降解而导致基因表达沉默的现象，这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默(post-transcriptional gene silencing，PTGS)。外源。外源dsRNA 进入细胞后产生的小分子干扰进入细胞后产生的小分子干扰RNA（sma

30、ll interfering RNA, siRNA）的反义链和多种核酸酶形成了沉默复合）的反义链和多种核酸酶形成了沉默复合物物(RNA-induced silencing complex，RISC)，RISC具具有结合和切割有结合和切割mRNA的作用而介导的作用而介导RNA干扰的过程。干扰的过程。vMicroRNAs（miRNAs）是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小长约2025个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合

31、体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。 miRNA与与siRNA的联系与区别：的联系与区别：共同之处：共同之处： a. 长度都是约长度都是约22nt左右左右; b. 二者同是二者同是Dicer产物产物,因此具有因此具有Dicer产物的特点产物的特点; c. 二者的生成都需要二者的生成都需要Argonaute家族蛋白的存在家族蛋白的存在; d. 都是都是RISC的组分的组分,因此因此siRNA和和miRNA介导的沉默机制介导的沉默机制有重叠有重叠.v不同之处不同之处:va. siRNA是在是在RNAi过程中形成的中间体过程中形成的中间体,也即也即siRNA是是在病毒感染或人工插入在病毒感染或人工插入dsRNA后诱导而成的后诱导而成的,而而miRNA 则是细胞内则是细胞内RNA的固有组分之一的固有组分之一;vb. 二者的来源不同二者的来源不同,siRNA 来源于转基因或病毒来源于转基因或病毒