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第十四章 细胞代谢和基因表达的调控 细胞代谢包括物质代谢和能量代谢细胞代谢是一个完整统一的网络，并且存在复杂的调节机制，这些调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或RNA）的作用下进行的 重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节第一节 物质代谢途径的相互联系 细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分子不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA 一、 糖代谢与脂代谢的联系 1、 糖转变成脂 图 糖经过酵解，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸磷酸二羟丙酮还原为甘油，丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA，合成脂肪酸 2、 脂转变成糖 图 甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖 在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙酰CoA，后者经乙醛酸循环生成琥珀酸，进入TCA，由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸，生糖 动物体内，无乙醛酸循环，乙酰CoA进入TCA氧化，生成CO2和H2O 脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充TCA中消耗的有机酸（草酰乙酸） 糖利用受阻，依靠脂类物质供能量，脂肪动员，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、β-羟基丁酸）。

二、 糖代谢与氨基酸代谢的关系 1、 糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架 图 糖 → 丙酮酸 → α-酮戊二酸 + 草酰乙酸 这三种酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu和Asp 2、 生糖氨基酸的碳架可以转变成糖 凡是能生成丙酮酸、α—酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a Phe、Tyr、Ilr、Lys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，从而生成酮体 Phe、Tyr等生糖及生酮 三、 氨基酸代谢与脂代谢的关系 氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA，可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成 生糖a.a的碳架可以转变成甘油 Ser可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂 动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA，不能为a.a合成提供净碳架 脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸，经TCA进一步转变为草酰乙酸、α—酮戊二酸，这三者都可以转变成氨基酸四、 核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系 核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源 各种氨基酸，如Gly 、Asp 、Gln是核苷酸的合成前体 有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用： ATP 供能及磷酸基团 UTP 参与单糖转变成多糖（活化单糖） CTP 参与卵磷脂合成。

GTP 为蛋白质合成供能五、 物质代谢的特点 1、 TCA是中心环节 代谢途径交叉形成网络，主要联系物：丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸 2、 分解、合成途径往往是分开的，不是简单的逆反应 在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应和逆反应，往往由两种不同的酶催化，一种酶催化正反应，另一种酶催化逆反应 以糖代谢为例： P421 3、 ATP是通用的能量载体 乙酰CoA进入TCA后，完全氧化生成CO2、H2O，释放的自由能被ADP捕获转运否则，自由能以热能形式散发到周围环境中4、 分解为合成提供还原力和能量 物质代谢的基本要略在于：生成ATP、还原力和结构单元用于体内生物合成 NADPH专一用于还原性生物合成，NADH和FADH2主要功能是通过呼吸链产生ATP ATP来源：（1）底物水平磷酸化、（2）绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、（3）呼吸链的氧化磷酸化 NADPH来源： （1）植物光合电子传递链 （2）磷酸戊糖途径 （3）乙酰CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有NADH的氧化和NADP+的还原，所产生的NADPH可用于脂肪酸合成 P422图22-4 有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段：P423 图22-5 （1）将大分子分解为小分子单元，释放的能量不能被利用。

（2）将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰CoA，产生还原力NADPH和少量ATP （3）乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO2，脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的ATP5、 分解、合成受不同方式调节 单向代谢的反馈调节 顺序反馈控 分枝代谢的反馈调节 对同工酶的反馈抑制 协同反馈抑制,第二节 代谢调节 代谢调节是生物长期进化过程中，为适应环境的变化的而形成的一种适应能力进化程度越高的生物，其代谢调节的机制越复杂、越完善 生物代谢调节在三个水平上进行，即酶水平、细胞水平、多细胞整体水平（神经、激素）酶和细胞水平的调节，是最基本的调节方式，为一切生物所共有神经水平调节 动 物 激素水平调节 植 物 细胞水平调节 酶水平调节 单细胞生物,神经调节：整体的、最高级的调节 激素调节：受神经调节控制第二级调节 酶调节：原始的、基本的调节第三级调节 酶水平的调节：酶活性调节（酶原激活、别构效应、共价修饰）和酶含量（基因表达调控） 一、 酶水平的调节 酶水平的调节，主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节，这三个方面进行1、 酶定位的区域化 酶在细胞内有一定的布局和定位。

催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系多酶体系存在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化 功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节 ⑴多酶体系在细胞中区域化，为酶水平的调节创造了有利条件,使某些调节因素可以专一地影响细胞内某一部分的酶活性，而不致影响其它部位酶的活性 ⑵此外，酶定位的区域化，使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩，利于在细胞局部范围内快速进行各个代谢反应 主要代谢途径酶系在细胞内的分布： 胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成 线粒体：脂肪酸β氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化 细胞核：核酸的合成、修饰 内质网：蛋白质合成，磷脂合成 胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成 溶酶体：多种水解酶,2、 酶活性的调节 调节方式：酶原的激活 pH改变，如溶菌酶pH7，无活性pH5，活性高 同工酶 共价修饰 反馈调节（生物体内最重要） 特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成 （1）、 共价修饰和级联放大 P430图22-14 磷酸化/脱磷酸化 腺苷酰化/脱腺苷酰化 （2）、 前馈和反馈调节 前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活，但也可能是前馈抑制。

当底物浓度过高时可避免该代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成，如高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙二酸单酰CoA大量合成 反馈调节：产物对酶活性的调节，一般是反馈抑制，但也有反馈激活a．反馈抑制 单价反馈抑制 多价反馈抑制 当序列终产物浓度积累过多时，会抑制初始反应的酶活性，使整个体系反应速度降低 b. 顺序反馈抑制 c. 协同反馈抑制 d. 累积反馈抑制 e. 同工酶反馈抑制 f. 反馈激活和前馈激活 （3）、 反馈激活： （4）、 前馈激活： 如在糖酵解中，1.6—二磷酸果糖，可提高后面丙酮酸激酶的活性，加速磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸 如当丙酮酸不能经乙酰CoA进入TCA时，丙酮酸积累，磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸，后者可合成a.a和嘧啶核苷酸合成出的嘧啶核苷酸，反馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，促进草酰乙酸合成，保证TCA对草酰乙酸的需要 3、 酶合成的调节（基因表达的调节） 酶合成调节，是通过酶量的变化来调控代谢速率二、 细胞水平的调节 （1）控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度 （2）控制跨膜物质运输 （3）区隔化：浓缩作用，防止干扰，便于调节 （4）膜与酶可逆结合： 双关酶：能与膜可逆结合，通过膜结合型和可溶型的互变来调节酶的活性。

双关酶大多是代谢途径的关键酶和调节酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛缩酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶，氨基酸代谢的Glu脱氢酶，Tyr氧化酶：参与共价修饰的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等 三、 激素水平的调节,第一节 基因表达的调节 基因表达有几个水平的调节 ⑴转录水平 ⑵翻泽水平 ⑶加工水平 转录后加工、翻译后加工 ⑷蛋白质活性调节 其中最关键的是⑴，基因表达的控制主要发生在转录水平,原核生物尤其如此 时序调节 适应调节 一、 原核生物基因表达的调节 1、 纵子模型 操纵子是基因表达的协调单位，它含有在功能上彼此有关的多个结构基因及控制位，控制部位由启动子和操纵基因组成 一个操纵子的全部基因排列在一起，其中含多个结构基因，转录产物是单个多顺反mRNA，操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节 2、 组成型基因和诱导型基因 组成酶（构成酶），受环境影响小，正常代谢条件下表达如糖酵解的酶 诱导酶（适应型酶），对不同的生存环境有不同的表达如半乳糖苷酶3、 正调控和负调控 在没有调节蛋白质存在时，基因是关闭的，加入调节蛋白后，基因活性被开启，此为正调控 在没有调节蛋白存在时，基因是表达的，加入调节蛋白后基因表达活必被关闭，此为负调控。

在正调控中，调节蛋白称诱导蛋白 在负调控中，调节蛋白称阻遇蛋白 4、 原核生物结构基因表达的4种控制模式 负调控：诱导作用，应使阻遇蛋白解离DNA 阻遇作用，应使阻遇蛋白结合DNA P451图22-25 正调控：诱导作用，应使诱导蛋白结合DNA 阻遇作用，应使诱导蛋白解离DNA 图片9-1 《杨歧生》 P272,5、 大肠杆菌乳糖操纵子 Lac操纵子 结构图: P453 图22-26 LacZ、LacY、LacA为结构基因，上游依次为操纵基因、启动子和调节基因LacI 当细胞内无诱导物（乳糖或IPTG）存在时，阻遏蛋白与操纵基因结合由于操纵基因与启动子有一定程度重叠，妨碍了RNA聚合酶在-10序列上形成开放性启动子复合物 当细胞内有诱导物（乳糖或IPTG）存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白构象，使之迅速从操纵基因上解离下来这样RNA聚合酶就能与启动子结合，并形成开放性启动子复合物，从而开始转录LacZYA结构基因 图片8-3《孙乃恩》P 285 IPTG：异丙基-β-D硫代半乳糖苷（安慰诱导物），能对乳糖操纵子产生极强的诱导效应，是强诱导物6、 色氨酸操纵子（trp）的转录调控 trp操纵子负责Trp的合成，通常是开放的，调节基因的产物使它关闭，这种调控作用称为可阻遏型的负调控。

⑴E.coli trp操纵子有5个结构基因，trpE-D-C-B-A ⑵在trpE的上游有三个区段trpP-O-L， trpL是一段162bp序列，转录到mRNA中成为前导序列，对操纵子的转录起调控作用 ⑶在染色体90分区有trpR基因，编码12.5kd的阻遏蛋白亚基,能以四聚体形式结合到trpO TrpP与一般原核基因启动子一样，具有-10序列和-35序列，-10序列完全位于trpP之内 E.coli trp操纵子的组成及基因产物的功能 图片： E.coli 具有合成各种a.a的能力在多数情况下，只有在培养基不供应外源a.a时，才去合成产生该a.a所必须的酶系 当细胞内Trp浓度较高时，Trp与阻遏蛋白（trpR基因产物）结合，产使它具有活性，从而与trpO基因结合，关闭转录 当细胞内Trp浓度很低时，阻遏遇蛋白上的Trp解离出来，使阻遏蛋白失活，并失去与trpO结合的能力，开启转录 图片：,7、 trp操纵子的前导序列 trp mRNA分子一旦开始合成，在trpE基因开始转录之前，大多数mRNA会停止生长，这是因为前导序列（trpL）对操纵子调控发挥了重要作用 trp mRNA的前导序列及前导肽。

结构基因上游具有：启动子—操纵基因—前导序列—衰减子区 mRNA 5，端有162b，其中139个构成前导序列前导序列由14个a.a的前导肽、4个互补区段和1个衰减子终止点构成 衰减子：位于结构基因上游前导区的终止信号。