19 第十四章 细胞代谢与基因调节.ppt

第1页：第十四章细胞代谢与基因表达调控

• 细胞代谢的调节网络
• 酶水平调节
• 细胞结构对代谢途径的分隔控制
• 细胞信号传递系统(激素与神经)
• 基因表达的调节本章小结

第2页：一、细胞代谢的调节网络

• 细胞代谢的调节网络(一)代谢途径交叉形成网络(4类物质相互转换关系)
• 糖代谢与脂肪代谢的相互关系
• 糖代谢与蛋白质代谢的关系
• 脂肪代谢与蛋白质代谢的相互关系
• 核酸与其他物质代谢的相互关系(二)分解代谢和合成代谢的单向性(三)ATP是通用的能量载体(四)NADPH以还原力形式携带能量(专一用于还原性生物合成)(五)代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元用于生物合成

第3页：代谢的调节生物界

• 代谢的调节生物界代谢的调节,可分为4个水平:酶水平调节细胞水平调节(酶在细胞内的集中存在与隔离分布)激素对代谢的调节神经系统对代谢的调节

第4页：二、酶水平调节酶有两种功能

• 酶水平调节酶有两种功能
• 催化各种生物化学反应;
• 调节和控制代谢的速度、方向和途径,是新陈代谢的调节元件。酶对细胞代谢调节的两种方式
• 通过对酶的激活或抑制改变酶活性;
• 通过影响酶分子的合成或降解改变酶的含量

第5页：酶活性调节

• (一)酶活性调节
• 酶促反应的前馈和反馈(代谢物和产物、正反馈和负反馈)
• 产能反应与需能反应的调节(ATP、ADP和磷酸盐)[ATP]/[ADP][Pi] --ATP系统的质量作用比,变构调节信号
• 酶活性的特异激活剂和抑制剂
• 蛋白酶解(酶原激活;激素前体的激活)
• 别构调节作用(通过别构酶的别构效应来实现)
• 酶的共价修饰与连续激活①磷酸化/ 脱磷酸化;②乙酰化/ 脱乙酰化;③腺苷酰化/ 脱腺苷酰化;④尿苷酰化/ 脱尿苷酰化;⑤ADP-核糖基化;⑥甲基化/ 脱甲基化;⑦S-S / SH相互转变

第6页：酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节

• 基因表达的调节
• 细胞结构对代谢途径的分隔控制552页
• 细胞信号传递系统(激素与神经)

第7页：五、基因表达的调节基因

• 基因表达的调节基因:指一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。(某些病毒基因为RNA)基因表达:即是遗传信息转录和翻译的过程。(时序调节和适应调节)基因表达的调节:转录水平调节和翻译水平调节。基因表达的特性:时间特异性(时序性)和空间特异性基因表达调节的生物学意义:适应环境,维持生长和增殖。维持个体发育与分化基因表达的多级调节:原核生物基因调节主要在转录水平;真核生物则在不同水平进行

第8页：组成型表达

• 组成型表达(constitutive gene expression)基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。这些基因常称管家基因(housekeepinggene)。管家基因无论表达水平高低,较少受到环境因素的影响。在基因表达研究中,常作为对照基因,如β-actin基因调节型表达—诱导表达和阻遏表达在特定环境信号刺激下,基因被激活,基因表达增强。这种基因称为可诱导基因。这个过程称为诱导(induction)。在特定环境信号刺激下,基因被抑制,基因表达降低。这种基因称为可阻遏基因。这个过程称为阻遏(repression)

第9页：原核生物基因表达的调节——操纵子

• (一)原核生物基因表达的调节——操纵子(operon)机制原核生物基因组特点
• DNA分子只有一个,大部分是结构基因,每个基因只出现一次或几次
• 功能相关的基因串在一起,一个mRNA分子中含有多个结构基因,为多顺反子
• 有基因重叠现象ABC转录和翻译可同时进行

第10页：原核生物基因表达过程

• 原核生物基因表达过程

第11页：操纵子模型

• 操纵子模型操纵子:基因表达的协调单位,包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位(启动子和操纵基因)所组成。例:大肠杆菌乳糖操纵子模型(1960年~1961年提出)Lac Operonmodle第一个被发现的操纵子3个结构基因控制位点ayopiz启动子操纵基因在转录水平上

第12页：乳糖操纵子调节机制

• 乳糖操纵子调节机制

第13页：

第14页：异乳糖

• 异乳糖

第15页：降解物阻遏

• (Catabolite gene Activation Protein)

第16页：Jacob与Monod的操纵子学说

• Jacques Monod, 1965François Jacob, 19651961年,Jacob和Monod提出了操纵子学说,开创了基因表达调节研究的新领域

第17页：酶的诱导

• 酶的诱导:一些分解代谢的酶类ayzopio3个结构基因调节基因启动子操纵基因诱导物诱导物-阻遏蛋白复合物mRNAmRNA阻遏蛋白β-半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶β-半乳糖苷酶转乙酰酶。实验室中常用诱导物:IPTG(异丙基硫代-β-D-半乳糖)

第18页：酶的阻遏

• 酶的阻遏:一些合成代谢的酶类mRNA阻遏蛋白mRNA合成产物代谢产物-阻遏蛋白复合物注
• 酶的诱导和阻遏是通过阻遏蛋白(负调控因子)来实现的
• 阻遏蛋白亚基与DNA结合的结构域含有螺旋-转角-螺旋基序
• 操纵基因为一段含有28bp旋转对称的回文结构。(氨基酸与碱基之间形成特异的氢键)
• 也有些调节基因产物对操纵子起着正调节作用。CBAopio

第19页：

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第21页：降解物阻遏细菌的葡萄糖效应

• 降解物阻遏细菌的葡萄糖效应:细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时,先利用葡萄糖,而不利用乳糖……..ayzopi注
• cAMP-CRP是正调控因子
• 葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性并活化磷酸二酯酶活性,降低了cAMP的浓度
• 调节子:一种调节蛋白控制的几个操纵子构成的调节系统。如:cAMP-CRPmRNA环腺苷酸受体蛋白CRPcAMPmRNA三种与乳糖利用有关的酶

第22页：合成途径操纵子的衰减作用

• E. coli色氨酸操纵子模型前导序列
• 色氨酸浓度高时,与阻遏蛋白结合使之有活性,与操纵基因结合阻遏基因表达
• mRNA的5‘末端含有162个核苷酸的前导序列,结构如下。可合成前导14肽。衰减子:一个受到翻译控制的终止子结构

第23页：缺乏色氨酸

• 缺乏色氨酸:转录到终止信号处停止。低浓度色氨酸:转录到终止信号处停止。高浓度色氨酸:转录停止

第24页：色氨酸操纵子导肽序列

• 色氨酸操纵子导肽序列

第25页：色氨酸操纵子衰减机制

• 色氨酸操纵子衰减机制

第26页：阻遏和衰减机制

• 嘧啶核苷酸的生物合成有关的6种酶:其转录也受衰减作用的调节。4.生长速度的调节严紧控制:细菌处于贫的生长环境…..大肠杆菌的严紧反应可引起(p)ppGpp迅速积累,这两种核苷酸作为信号,通过调节抑制稳定RNA(rRNA和tRNA)的合成,从而影响蛋白质的合成和细菌的生长。5.基因表达的时序控制λ噬菌体的溶原和裂解:取决于CI蛋白和Cro蛋白在最初20分钟两种阻遏蛋白的合成速度。CI蛋白占优势进入溶原状态,Cro蛋白占优势CI蛋白不能合成,噬菌体进入营养繁殖周期

第27页：操纵序列是阻遏蛋白的结合位点

• 操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋白结合到操纵序列上时,会阻碍RNA聚合酶与启动子的结合,或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动,阻碍转录。这种调节称为负调节。如激活蛋白(activator)可结合启动子邻近的DNA序列,促进RNA聚合酶与启动子的结合,增强RNA聚合酶的活性。这种调节称为正调节

第28页：翻译水平的调节

• 不同mRNA翻译能力的差异SD序列、常用密码子和稀有密码子、操纵子协同表达。2.翻译阻遏作用按其自身需要的速度合成。如核糖体蛋白质,能和自身的mRNA起始控制部位相结合而影响翻译。3.反义RNA的作用可以通过互补序列与特定的mRNA相结合(SD序列和起始密码子)从而抑制mRNA的翻译。(具有理论意义和实践意义)

第29页：真核生物基因表达的调节

• (二)真核生物基因表达的调节真核生物基因组特点
• DNA分子有多个,以染色质(或染色体)形式存在
• 有重复序列单拷贝:一次或少数几次,结构基因。中度重复:几十次~几千次,rRNA和tRNA基因。高度重复:几百万次(少于10bp)与调控(调控基因)、染色体结构形成有关
• 有断裂基因:被内含子隔开。真核生物基因表达在不同水平上进行调节一般不组成操纵子;不形成多顺反子;

第30页：转录前水平调节

• 高等生物的细胞具有全能性细胞质中存在决定分化状态的某些控制因子。2.通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达染色质丢失基因扩增(如rDNA 、癌基因)基因重排(失去、转移)染色体DNA的修饰和异染色质化甲基化后能关闭某些基因的活性异染色质与常染色质:异染色质为凝缩状态的染色质,为非活性转录区

第31页：转录活性

• 染色质的活化调节分子:识别基因的特殊部位并改变染色质的结构使其疏松化,其他调节物进一步影响基因活性。超敏感位点:转录活性区很少甲基化染色质改建:组蛋白乙酰基转移酶(A型和B型)使组蛋白Lys残基乙酰化。2.启动子和增强子(促进转录的序列)、沉默子、绝缘子启动子:DNA分子上结合RNA聚合酶并形成转录起始复合物的区域,在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白质结合位点。TATA框、CAAT框、GC框均属上游控制元件。增强子:远距离调节启动子以增强转录速率的DNA序列。(特点和作用机制)沉默子:远距离调节启动子以降低转录速率的DNA序列。绝缘子:可阻止增强子对区域外启动子的影响

第32页：顺式作用元件和反式作用因子

• 顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件:指对基因表达有调节活性的DNA序列,其活性只影响与其自身同处一个DNA分子上的基因,通常不编码蛋白质,多位于基因傍侧或内含子中。反式作用因子:是指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8~12bp核心序列上,参与调控靶基因转录效率的一组DNA结合蛋白。(基本转录因子、上游因子、可诱导因子)反式作用因子结合DNA的结构域有螺旋-转角-螺旋基序锌指基序亮氨酸拉链基序螺旋-突环-螺旋基序反式作用因子还有一个或多个结构域与转录活化或与其他调节蛋白相互作用。4.顺式作用与反式作用真核细胞与原核细胞基因转录的调节不同点?572页

第33页：转录后水平调节

• 转录后水平调节:各种RNA的转录后加工翻译水平的调节:与原核生物相似翻译后水平的调节

第34页：真核基因表达调节特点

• 真核基因表达调节特点(一)三种RNA聚合酶(二)基因激活引起染色体结构和性质变化核酸酶敏感、DNA拓扑结构变化、DNA碱基修饰变化、组蛋白变化等(三)正调节占主导(四)转录与翻译分隔进行(五)转录后修饰、翻译后加工

第35页：. 真核基因转录激活调节的因素

• . 真核基因转录激活调节的因素(一)顺式作用元件(二)反式作用因子

第36页：顺式作用元件

• (一)顺式作用元件cis-acting element指的是可影响自身基因表达活性的DNA序列。通常为非编码序列。包括启动子、增强子、沉默子等

第37页：

第38页：其作用与方向、距离无关

• 其作用与方向、距离无关

第39页：反式作用因子

• (二)反式作用因子trans-acting factor指的是可与顺式作用元件相互作用的蛋白质因子。如果某一基因表达的蛋白质因子,与另一基因的顺式作用元件相互作用,调节其表达,这种作用称为反式作用。如果某一基因表达的蛋白质因子,与自身基因的顺式作用元件相互作用,调节自身基因的表达,这种作用称为顺式作用

第40页：蛋白质C

• 蛋白质C

第41页：大多数转录调节因子以反式作用调节基因的转

• 大多数转录调节因子以反式作用调节基因的转录

第42页：

第43页：

第44页：

第45页：

第46页：螺旋-转角-螺旋

• 螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)由约20AA组成两个α螺旋,中间以β转角隔开。常结合CAAT box

第47页：亮氨酸拉链

• 亮氨酸拉链(leucine zipper)

第48页：碱性螺旋-环-螺旋

• 碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix)

第49页：本章小结

• 各物质代谢的联系,重要的中间物
• 酶活性的调节
• 原核生物基因组与真核生物基因组特点
• 原核生物基因表达与真核生物基因表达特点
• 概念:操纵子、断裂基因、增强子、顺式作用元件与反式作用因子。思考题:第579页2,12,14,13,16,19