物质代谢的相互联系和基因表达的调节学习教案

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1、物质代谢物质代谢(dixi)的相互联系和基因表达的相互联系和基因表达的调节的调节第一页，共29页。一、物质代谢的相互一、物质代谢的相互(xingh)联系联系 （一）糖代谢（一）糖代谢(dixi)和脂代谢和脂代谢(dixi)的相互关系的相互关系 糖糖 脂肪脂肪 第1页/共29页第二页，共29页。（二）糖代谢（二）糖代谢(dixi)和蛋白质代谢和蛋白质代谢(dixi)的相互关系：的相互关系： 2. 蛋白质蛋白质 分解分解aa 糖糖 转变转变1. 糖糖aa 蛋白质蛋白质 合成合成(hchng)第2页/共29页第三页，共29页。（三）脂代谢（三）脂代谢(dixi)和蛋白质代谢和蛋白质代谢(dixi)之

2、间的关系之间的关系 2. 蛋白质蛋白质 aa 脂肪脂肪(zhfng) 1. 脂肪脂肪aa 蛋白质蛋白质 合成合成转变转变转变转变(zhunbin)分解分解第3页/共29页第四页，共29页。（四）核酸代谢（四）核酸代谢(dixi)与糖、脂及蛋白质代谢与糖、脂及蛋白质代谢(dixi)的相互关系：的相互关系： 代谢途径代谢途径(tjng)的联系：相互转变，相互制约的联系：相互转变，相互制约, 殊途同归殊途同归 。第4页/共29页第五页，共29页。二、代谢的调节二、代谢的调节(tioji)和控制和控制 代谢调节分为三类代谢调节分为三类(sn li): 酶的调节酶的调节 激素的调节激素的调节 神经调节神

3、经调节 其中酶的调节其中酶的调节(tioji)是最基本的调节是最基本的调节(tioji)方式，方式，是一切调节是一切调节(tioji)的基础。的基础。 第5页/共29页第六页，共29页。（一）酶的调节（一）酶的调节(tioji)： 也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制酶的也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制酶的浓度和酶的活性来调节酶促反应浓度和酶的活性来调节酶促反应(fnyng)的速度和方向，的速度和方向，也就是调节代谢的速度和方向。也就是调节代谢的速度和方向。 第6页/共29页第七页，共29页。关键关键(gunjin)酶（酶（Key enzyme）：）： 往往是代谢往往是代谢(d

4、ixi)途径的第一步反应的酶（途径的第一步反应的酶（a）或）或是分支代谢是分支代谢(dixi)途径中分支点上的酶（途径中分支点上的酶（b、c、f）或）或整个代谢整个代谢(dixi)途径中的限速酶或催化不可逆反应的途径中的限速酶或催化不可逆反应的酶（酶（c） ABCDEFGabcdfg第7页/共29页第八页，共29页。 许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价(n ji)修饰酶、修饰酶、同工酶、多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度同工酶、多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活性来调节。和活性来调节。 通过控制酶浓度的调节要牵涉到基因、通过控制酶浓

5、度的调节要牵涉到基因、mRNA、蛋白质的、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。能完成。 另一种通过另一种通过(tnggu)调节酶活性，这是快速调节，在几分钟到调节酶活性，这是快速调节，在几分钟到几十分钟内完成。几十分钟内完成。 第8页/共29页第九页，共29页。1. 酶浓度酶浓度(nngd)的调节：的调节： 酶浓度酶浓度(nngd)的调节的调节 诱导诱导阻遏阻遏终产物的阻遏终产物的阻遏分解代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏第9页/共29页第十页，共29页。诱导诱导(yudo)作用（作用（induction）：）：

6、 指用诱导指用诱导(yudo)物（物（inducer）来促进酶的合成，这）来促进酶的合成，这种作用称诱导种作用称诱导(yudo)作用。作用。 阻遏阻遏(z )作用（作用（repression）：）： 指用阻遏物（指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏作用。作用。 第10页/共29页第十一页，共29页。（1）酶合成的诱导）酶合成的诱导(yudo)作用：作用： 在细菌中普通存在，如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，在细菌中普通存在，如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳糖，但当用乳糖作为唯一碳源时，开始

7、细菌不能利用乳糖，但23分分钟后就合成钟后就合成(hchng)了与乳糖代谢有关的三种酶了与乳糖代谢有关的三种酶 （1）半乳糖苷酶：水解半乳糖苷酶：水解(shuji)乳糖的酶，使乳糖水解乳糖的酶，使乳糖水解(shuji)成成 半乳糖和葡萄糖半乳糖和葡萄糖 （2）-半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。 （3）-半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙 酰基酶）：这酶的功能不清，可能是将不能酰基酶）：这酶的功能不清，可能是将不能 代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体 外。外。第11页/共29页第十

8、二页，共29页。 这里乳糖是诱导这里乳糖是诱导(yudo)物、诱导物、诱导(yudo)了这三种酶的合成，了这三种酶的合成，这三种酶就是诱导这三种酶就是诱导(yudo)酶。酶。 第12页/共29页第十三页，共29页。乳糖究竟如何诱导乳糖究竟如何诱导(yudo)了这三种酶的合成呢？了这三种酶的合成呢？ 1961年法国年法国Monod和和Jacob提出提出(t ch)了著名的乳糖操纵了著名的乳糖操纵子子(lactose operon）模型，这模型的提出）模型，这模型的提出(t ch)犹如当年犹如当年Watson和和Crick发现发现DNA双螺旋模型一样，受到人们的重视，双螺旋模型一样，受到人们的重视

9、，人们把它看作生物学的第二个里程碑。人们把它看作生物学的第二个里程碑。 第13页/共29页第十四页，共29页。乳糖操纵子模型的基本乳糖操纵子模型的基本(jbn)要点：要点： 调节基因调节基因启动子启动子操纵基因操纵基因结构基因结构基因A操纵子（操纵子（operon）BC一群功能相关一群功能相关(xinggun)的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。 一群功能相关一群功能相关(xinggun)的结构基因（的结构基因（structural gene）和操纵基因（）和操纵基因（operator）、启动子（）、启动子（promo

10、ter）组成了一个操纵子）组成了一个操纵子(operon) 。 为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基 因（因（regulator gene）所调节。）所调节。 第14页/共29页第十五页，共29页。结构基因结构基因(jyn)：决定酶蛋白或蛋白质的基因：决定酶蛋白或蛋白质的基因(jyn)。 操纵基因：转录的开关，可打开或关闭操纵基因：转录的开关，可打开或关闭(gunb)结构基因的转录。结构基因的转录。 启动子：专管转录起始，上面启动子：专管转录起始，上面(shng min)有有RNA聚合酶的结合位点。聚合酶的结合位点。 调节

11、基因：为阻遏蛋白编码。调节基因：为阻遏蛋白编码。 第15页/共29页第十六页，共29页。酶合成酶合成(hchng)的诱导：诱导物：乳糖或乳糖类似物的诱导：诱导物：乳糖或乳糖类似物IPTG（异丙基（异丙基-D-硫代半乳糖苷）硫代半乳糖苷） 第16页/共29页第十七页，共29页。 现在知道乳糖操纵子除需诱导物外，还需现在知道乳糖操纵子除需诱导物外，还需cAMP和和cAMP受体蛋白（受体蛋白（CRP），当），当cAMP与与CRP结合成复合物时，这复结合成复合物时，这复合物能结合到启动子上，促使转录合物能结合到启动子上，促使转录(zhun l)的起始。的起始。 结构基因结构基因操纵基因操纵基因启动子启

12、动子RNA聚合酶聚合酶CRPcAMP复合物复合物CRP cAMP第17页/共29页第十八页，共29页。（2）酶合成）酶合成(hchng)的阻遏作用的阻遏作用 最终最终(zu zhn)产物的阻遏：产物的阻遏： 以以E.Coli Trp操纵子为例，操纵子为例，Trp操纵子含有操纵子含有5个结构个结构(jigu)基因，它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为基因，它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为Trp，Trp是辅助遏物（是辅助遏物（corepressor）。）。 第18页/共29页第十九页，共29页。酶合成酶合成(hchng)的阻遏作用的阻遏作用第19页/共29页第二十页，共29页。 利用利用(lyng)操

13、纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意操纵操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞，操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。子仅仅存在于原核细胞，操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。真核细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往真核细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上，它们并不组成一个操纵子。分布在不同染色体上，它们并不组成一个操纵子。 第20页/共29页第二十一页，共29页。 分解代谢产物分解代谢产物(chnw)的阻遏：的阻遏： E.Coli以乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖有关的三以乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与

14、乳糖有关的三种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则优先利用优先利用Glc，等，等Glc耗尽后才能利用乳糖，也就是说在大量耗尽后才能利用乳糖，也就是说在大量Glc时，乳糖操纵子还是关闭，时，乳糖操纵子还是关闭，Glc阻遏了乳糖代谢有关的三阻遏了乳糖代谢有关的三种酶的合成，这种现象过去称为葡萄糖效应种酶的合成，这种现象过去称为葡萄糖效应(xioyng)（glucose effect）。）。 后来知道这是由于后来知道这是由于Glc分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物阻遏（分解代谢产物阻遏（catab

15、olite repression）。）。 第21页/共29页第二十二页，共29页。GCATPcAMP5-AMP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶CRPcAMPCRP复合物复合物结构结构(jigu)基因基因分分解解代代谢谢产产物物启动子启动子操纵基因操纵基因分解代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏(z )，即葡萄糖效应的机制：即葡萄糖效应的机制：第22页/共29页第二十三页，共29页。2酶活性的调节酶活性的调节(tioji)： v 反馈反馈(fnku)抑制抑制v 共价修饰共价修饰 第23页/共29页第二十四页，共29页。（1）反馈）反馈(fnku)抑制（抑制（feedback inhibiti

16、on）：）： 也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身(zshn)合成途径中的酶活力起抑制作用，大多合成途径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的活力起抑制作用。是对第一个酶的活力起抑制作用。 第24页/共29页第二十五页，共29页。 反馈抑制在代谢中见了很多，特别是在氨基酸和核苷酸反馈抑制在代谢中见了很多，特别是在氨基酸和核苷酸的生物的生物(shngw)合成中，这类例子更多。合成中，这类例子更多。 第25页/共29页第二十六页，共29页。（）共价（）共价(n ji)修饰（修饰（cov

17、alent modification）：）： 亦称化学修饰，就是在调节酶分子上以共价键连上亦称化学修饰，就是在调节酶分子上以共价键连上与或脱下某种特殊的化学基团，从而引起酶活性的改变，与或脱下某种特殊的化学基团，从而引起酶活性的改变，这类酶称共价修饰酶。这类酶称共价修饰酶。 自从自从1955年年Krebs和和Sutherland等有关等有关(yugun)糖糖原磷酸化酶的研究以来，到目前已经知道的有原磷酸化酶的研究以来，到目前已经知道的有100多种多种酶在它被翻译后进行共价修饰。酶在它被翻译后进行共价修饰。 第26页/共29页第二十七页，共29页。目前已知有目前已知有6种类型种类型(lixng)的共价修饰酶的共价修饰酶 磷酸化磷酸化/脱磷酸化脱磷酸化 腺苷酰化腺苷酰化/脱腺苷酰化脱腺苷酰化 乙酰化乙酰化/脱乙酰化脱乙酰化 尿苷酰化尿苷酰化/脱尿苷酰化脱尿苷酰化 甲基化甲基化/脱甲基化脱甲基化 S-S/SH相互相互(xingh)转变转变 第27页/共29页第二十八页，共29页。磷酸化磷酸化/脱磷酸化与酶活性的调节脱磷酸化与酶活性的调节(tioji)： 磷酸化的共价修饰磷酸化的共价修饰(xish)可用一个通式来表示可用一个通式来表示:第28页/共29页第二十九页，共29页。