細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控

1、.膁蒈蝕羄芃芁薆羃羂蒆蒂薀肅艿莈蕿?zāi)i蒄蚇蚈袇芇薃蚇罿蒃葿蚆膁芅蒅蚅芄膈螃蚄羃莄蠆蚄肆膇薅蚃膈莂蒁螂袈膅莇螁羀莀蚆螀肂膃螞蝿芅荿薈螈羄芁蒄螈肆蕆莀螇腿芀蚈螆袈蒅薄裊羈羋蒀襖肅蒃莆袃膅芆螅袂羅聿蟻袂肇蒞薇袁膀膇蒃袀衿莃荿衿羂膆蚈羈肄莁薄羇膆膄葿羆袆荿蒞羆肈膂螄羅膁蒈蝕羄芃芁薆羃羂蒆蒂薀肅艿莈蕿?zāi)i蒄蚇蚈袇芇薃蚇罿蒃葿蚆膁芅蒅蚅芄膈螃蚄羃莄蠆蚄肆膇薅蚃膈莂蒁螂袈膅莇螁羀莀蚆螀肂膃螞蝿芅荿薈螈羄芁蒄螈肆蕆莀螇腿芀蚈螆袈蒅薄裊羈羋蒀襖肅蒃莆袃膅芆螅袂羅聿蟻袂肇蒞薇袁膀膇蒃袀衿莃荿衿羂膆蚈羈肄莁薄羇膆膄葿羆袆荿蒞羆肈膂螄羅膁蒈蝕羄芃芁薆羃羂蒆蒂薀肅艿莈蕿?zāi)i蒄蚇蚈袇芇薃蚇罿蒃葿蚆膁芅蒅蚅芄膈螃蚄羃莄蠆蚄肆膇薅

2、蚃膈莂蒁螂袈膅莇螁羀莀蚆螀肂膃螞蝿芅荿薈螈羄芁蒄螈肆蕆莀螇腿芀蚈螆袈蒅薄裊羈羋蒀襖肅蒃莆袃膅芆螅袂羅聿蟻袂肇蒞薇袁膀膇蒃袀衿莃荿衿羂膆蚈羈肄莁薄羇膆膄葿羆袆荿蒞羆肈膂螄羅膁蒈蝕羄芃芁薆羃羂蒆蒂薀肅艿莈蕿?zāi)i蒄蚇蚈袇芇薃蚇罿蒃葿蚆膁芅蒅蚅芄膈螃 第39章 細(xì)胞代謝與基因表達(dá)調(diào)控39.1 本章主要內(nèi)容1）物質(zhì)代謝的特點(diǎn)、相互關(guān)系；熟悉組織器官的代謝特點(diǎn)及聯(lián)系。2）基因表達(dá)調(diào)控的基本概念、時(shí)間性特異及空間特異性的意義、基因表達(dá)的方式、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理。3）原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)及乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制。 39.2 教學(xué)目的和要求：通過(guò)本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握掌握物質(zhì)代謝的特點(diǎn)、相

3、互關(guān)系；基因表達(dá)的方式、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理；了解組織器官的代謝特點(diǎn)及聯(lián)系。39.3 重點(diǎn)難點(diǎn)1. 原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)及乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制 2. 真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)機(jī)制 39.4 教學(xué)方法與手段 講授與交流互動(dòng)相結(jié)合，采用多媒體教學(xué)。39.5 授課內(nèi)容 細(xì)胞是生物機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能單位，細(xì)胞代謝是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)；細(xì)胞代謝包括物質(zhì)代謝、能量代謝、信息代謝。生物體內(nèi)的代謝調(diào)節(jié)在三種不同的水平上進(jìn)行：分子水平調(diào)節(jié)；細(xì)胞水平調(diào)節(jié)；多細(xì)胞整體水平調(diào)節(jié)。所有這些調(diào)節(jié)機(jī)制都是在基因產(chǎn)物的作用下進(jìn)行的，也就是說(shuō)與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。 一、細(xì)胞代謝的調(diào)

4、節(jié)網(wǎng)絡(luò) （一）代謝途徑交叉形成網(wǎng)絡(luò) 細(xì)胞代謝的原則和方略：將各類(lèi)物質(zhì)分別納入各自的共同代謝途徑，以少數(shù)種類(lèi)的反應(yīng)（氧化還原、基團(tuán)轉(zhuǎn)移、水解合成、基團(tuán)脫加、異構(gòu)反應(yīng)），轉(zhuǎn)化種類(lèi)繁多的分子。不同的代謝途徑可通過(guò)交叉點(diǎn)上關(guān)鍵的中間代謝物而相互作用、相互轉(zhuǎn)化。這些共同的中間代謝物使各代謝途徑得以溝通，形成經(jīng)濟(jì)有效、運(yùn)作良好的代謝網(wǎng)絡(luò)。 （二）分解代謝和合成代謝的單向性 分解代謝與相應(yīng)的合成代謝途徑通常是不重合的，存在重要差別。差別方式有兩種： 1. 部分代謝途徑相同，個(gè)別或少數(shù)過(guò)程不相同，并由不同的酶催化； 2. 合成和分解途徑完全不相同，由不同酶催化。 （三） ATP 是能量的通用載體 分解代謝過(guò)程

5、如葡萄糖和其它燃料分子降解，所釋放的能量通過(guò) ADP -> ATP 過(guò)程被貯存，然后再經(jīng)過(guò) ATP 的水解釋放可作功的自由能，做四種功： 1. 驅(qū)動(dòng)合成反應(yīng)； 2. 細(xì)胞運(yùn)動(dòng)或肌肉收縮； 3. 跨膜逆濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)； 4. DNA、RNA、Protein 生物合成過(guò)程中參與遺傳信息傳遞。 （四） NADPH 以還原力攜帶能量 NADPH系攜帶分解代謝釋放能量的另一種形式， NADP + 是一些分解代謝中脫氫酶輔酶，結(jié)合釋放的高能原子轉(zhuǎn)化為 NADPH 再通過(guò)其氧化，將能量轉(zhuǎn)移到需能的合成反應(yīng)，提供還原力。生物合成過(guò)程系一還原反應(yīng)過(guò)程，需要?dú)湓踊螂娮有问降倪€原力，通過(guò)NADPH

6、 將分解代謝釋放部分能量供給生物合成需要，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，在此過(guò)程中 NADP + +H + +e NADPH 實(shí)現(xiàn)自身循環(huán)。 （五）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 代謝途徑是由一系列的酶促反應(yīng)驅(qū)動(dòng)；代謝的總輪廓特征為：分解代謝匯聚到少數(shù)幾個(gè)終產(chǎn)物，各成代謝分叉產(chǎn)生許多產(chǎn)物；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。分解代謝產(chǎn)生能量和構(gòu)造材料，再由 ATP 、 NADPH 和構(gòu)造單元合成各類(lèi)生物分子，并進(jìn)而裝配成生物不同層次的結(jié)構(gòu)。 二、酶活性的調(diào)節(jié) 生物體內(nèi)的各種代變化都是由酶驅(qū)動(dòng)的，酶作為生物催化劑，可調(diào)節(jié)和控制代謝的速度、方

7、向和途徑。酶對(duì)細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)包括兩種方式： 1. 通過(guò)激活或抑制以改變細(xì)胞內(nèi)已有酶分子的催化活性，酶活性的調(diào)節(jié)包括酶的變構(gòu)效應(yīng)和共價(jià)修飾； 2. 通過(guò)影響酶分子的合成或降解來(lái)改變酶分子的含量。 三、細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)代謝的分隔作用 各種代謝途徑定位于細(xì)胞不同區(qū)域，使酶催化的代謝反應(yīng)得以有條不紊、各不干擾地進(jìn)行，而且相互協(xié)調(diào)和制約，受到精細(xì)調(diào)解。 （一）細(xì)胞結(jié)構(gòu)和酶的空間分布 （二）細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)對(duì)代謝的調(diào)節(jié)和控制作用 1. 控制跨膜離子濃度梯度和電位梯度 2. 控制細(xì)胞和細(xì)胞器的物質(zhì)運(yùn)輸 3. 內(nèi)膜系統(tǒng)對(duì)代謝途徑的分割作用 4. 膜與酶的可逆結(jié)合 （三）蛋白質(zhì)的定位控制 四、細(xì)胞信號(hào)傳遞系統(tǒng)（一）門(mén)控離子

8、通道和神經(jīng)信號(hào)的傳導(dǎo) （二）激素和遞質(zhì)受體的信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng) （三）細(xì)胞增值的調(diào)節(jié) 五、基因表達(dá)的調(diào)節(jié)基因是指一段編碼蛋白質(zhì)多肽鏈和功能 RNA 的 DNA ，基因表達(dá)即是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程。生物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，遺傳信息的展現(xiàn)可按一定時(shí)間程序發(fā)生改變（時(shí)序調(diào)節(jié)），而且隨環(huán)境條件的變化而加以調(diào)整（適應(yīng)調(diào)節(jié)）?；虮磉_(dá)的調(diào)節(jié)可以在不同水平上進(jìn)行，在轉(zhuǎn)錄水平（包括轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后），或在翻譯的水平（包括翻譯和翻譯后）。 （一）基因表達(dá)調(diào)控的概念 1. 基因表達(dá)調(diào)控是生命的必需 （ 1 ）基因表達(dá)、基因組的概念 （ 2 ）基因表達(dá)的特異性：組織、階段特異性 2. 基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化 （ 1

9、 ）組成性表達(dá) （ 2 ）適應(yīng)性表達(dá) （二）原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié) 1. 操縱子模型 操縱子包括在功能上彼此有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制部位，后者由其啟動(dòng)子（ P ）和操縱基因（ O ）所組成。一個(gè)操縱子的全部基因都排列在一起，操縱子的控制部位可接受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。 Jacob 和 Monod 提出的操縱子模型說(shuō)明，酶的誘導(dǎo)和阻遏是在調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物阻遏蛋白的作用下，通過(guò)調(diào)節(jié)基因控制結(jié)構(gòu)基因或基因組的轉(zhuǎn)錄而發(fā)生的。 酶的誘導(dǎo)和阻遏是在調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物阻遏蛋白的作用下，通過(guò)操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因或基因組的轉(zhuǎn)錄而發(fā)生的。細(xì)菌通常并不合成那些在代謝上無(wú)用的酶，因此一些分解代謝的酶類(lèi)只在有關(guān)的底物或底物類(lèi)似物存在時(shí)

10、才被誘導(dǎo)合成；而一些合成代謝的酶類(lèi)在產(chǎn)物或產(chǎn)物類(lèi)似物足夠量存在時(shí)，其合成被阻遏。在酶誘導(dǎo)時(shí)，阻遏蛋白與誘導(dǎo)物相結(jié)合，因而失去封閉操縱基因的能力。在酶阻遏時(shí)，原來(lái)無(wú)活性的阻遏蛋白與輔阻遏物，即各種生物合成途徑的終產(chǎn)物（或產(chǎn)物類(lèi)似物）相結(jié)合而被活化，從而封閉了操縱基因。 大腸桿菌乳糖操縱子包括依次排列著的啟動(dòng)子、操縱基因和三個(gè)結(jié)構(gòu)基因。結(jié)構(gòu)基因 lac Z 編碼分解乳糖的 b - 半乳糖苷酶， lac Y 編碼吸收乳糖的 b - 半乳糖苷透性酶， lac A 編碼 b - 半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。乳糖操縱子的操縱基因 lac O 不編碼任何蛋白質(zhì)，它是另一位點(diǎn)上調(diào)節(jié)基因 lac I 所編碼的阻遏蛋白

11、的結(jié)合部位。阻遏蛋白是一種變構(gòu)蛋白，當(dāng)細(xì)胞中有乳糖或其他誘導(dǎo)物時(shí)，阻遏蛋白便和他們結(jié)合，從而使阻遏蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變而不能結(jié)合到 lac O 上，于是轉(zhuǎn)錄便得以進(jìn)行，從而使吸收和分解乳糖的酶被誘導(dǎo)產(chǎn)生。如果細(xì)胞中沒(méi)有乳糖或其他誘導(dǎo)物則阻遏蛋白就結(jié)合在 lac O 上，阻止了結(jié)合在啟動(dòng)子 P 上的 RNA 聚合酶向前移動(dòng)，使轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行。 2. 降解物阻遏 對(duì)代謝降解物敏感的操縱子受到降解物的阻遏，有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋白起正調(diào)節(jié)作用。當(dāng)細(xì)菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，通常優(yōu)先利用葡萄糖，只有葡萄糖耗盡后，細(xì)菌經(jīng)過(guò)一段停滯期，在乳糖誘導(dǎo)下才能利用乳糖，這種現(xiàn)象稱(chēng)為葡萄糖效應(yīng)或降解物阻遏。 3. 合

12、成途徑操縱子的衰減作用 （ 1 ） 衰減子的概念 在色氨酸操縱子中存在一種轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)基因表達(dá)的衰減作用，用以終止和減弱轉(zhuǎn)錄。這種調(diào)節(jié)作用稱(chēng)為衰減子（ attenuator ），是一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止子。 （ 2 ）色氨酸操縱子的衰減作用 色氨酸 mRNA 的 5 端有 162 個(gè)核苷酸的前導(dǎo)序列，當(dāng) RNA 的合成啟動(dòng)后除非缺乏色氨酸，否則大部分 mRNA 僅合成 140 個(gè)核苷酸即終止。前導(dǎo)序列能編碼一小段 14 肽，其終止區(qū)具有潛在的莖環(huán)構(gòu)象和成串的 U ，表現(xiàn)出一段終止位點(diǎn)的特征。前導(dǎo) RNA 鏈有 4 個(gè)區(qū)域彼此互補(bǔ)，可形成奇特的二級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)，前導(dǎo)肽翻譯至色

13、氨酸密碼子（ UGG ）處停止，核糖體占據(jù)區(qū)域 1 的位置，區(qū)域 2 與 3 配對(duì)，終止信號(hào)不能形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)環(huán)境中有足夠的色氨酸存在或生成過(guò)量時(shí)，前導(dǎo) 14 肽被正常合成，這是核糖體占據(jù) 1 和 2 的位置，終止信號(hào)形成，故轉(zhuǎn)錄也終止。 4. 生長(zhǎng)速度的調(diào)節(jié) 細(xì)菌在不同的生長(zhǎng)培養(yǎng)基中表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)速度。當(dāng)細(xì)菌處于貧瘠的生長(zhǎng)環(huán)境，缺乏氨基酸供給蛋白質(zhì)合成，它們即關(guān)閉大部分的代謝活性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為嚴(yán)緊控制（ stringent control ），即細(xì)菌為節(jié)省其貯存物將代謝活性降至最低，借以渡過(guò)艱難時(shí)期，等待培養(yǎng)條件的改善。 5. 基因表達(dá)的時(shí)序控制 生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，如細(xì)胞分裂、

14、分化、芽孢形成、噬菌體的成熟等，基因表達(dá)按一定時(shí)間程序而展現(xiàn)，即為時(shí)序控制。 6. 翻譯水平的調(diào)節(jié)和反義 RNA 原核生物的基因表達(dá)出了轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)節(jié)外，還存在翻譯水平的調(diào)節(jié)，具體表現(xiàn)在：不同 mRNA 翻譯能力的差異，翻譯阻遏作用，反義 RNA 的作用。反義 RNA 是指具有互補(bǔ)序列的 RNA ，它可通過(guò)互補(bǔ)序列于特定的 mRNA 相結(jié)合，結(jié)合位置包括 mRNA 結(jié)合核糖體的序列（ SD 序列）和起始密碼子 AUG ，從而抑制 mRNA 的翻譯。 （二）真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 1. 轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)節(jié) （ 1 ）染色體丟失 （ 2 ）基因擴(kuò)增 （ 3 ）基因重排 （ 4 ）染色體 DNA 的

15、修飾和異染色質(zhì)化 2. 轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié) （ 1 ）染色質(zhì)的活化 （ 2 ）啟動(dòng)子和增強(qiáng)子的順式作用元件 （ 3 ）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的反式作用因子 3. 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié) （ 1 ）戴帽 （ 2 ）加尾 （ 3 ）甲基化修飾 （ 4 ）拼接 4. 翻譯水平的調(diào)節(jié) （1）對(duì)可溶性蛋白質(zhì)因子的修飾 （2）對(duì) mRNA 穩(wěn)定性的調(diào)節(jié) （3）反義 RNA 對(duì)翻譯水平的調(diào)控 5. 翻譯后水平的調(diào)節(jié) （1） 切割 （2） 化學(xué)修飾 （3） 連接 39.6 教學(xué)建議 復(fù)習(xí)前面關(guān)于復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的知識(shí)，使得學(xué)生能將知識(shí)系統(tǒng)的聯(lián)系起來(lái)。39.7 作業(yè)1物質(zhì)代謝的特點(diǎn)是什么？物質(zhì)代謝之間有何聯(lián)系？2. 什么是基因表達(dá)調(diào)控？基因表達(dá)的方式和生物學(xué)意義是什么？ 3基因表達(dá)調(diào)控的基本原理是什么？4試述原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)及乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制。 肇莆螆肂肆蒈蕿羈肅薁螅襖膄芀薇螀膄莃螃肈膃薅薆肄膂蚇袁羀膁莇蚄袆膀葿袀螂腿薁螞肁腿芁袈羇羋莃蟻袃芇蒆袆蝿芆蚈蠆膈芅莈蒂肄芄蒀螇羀芃薂薀袆芃節(jié)螆螂節(jié)莄薈肀莁蕆螄羆莀蕿薇袂荿艿螂袈莈蒁蚅膇莇薃袀肅莇蚅蚃罿莆蒞衿裊羂蕆螞螁肁薀袇聿肀艿蝕羅肀莂裊羈聿薄螈袇肈蚆薁膆肇莆螆肂肆蒈蕿羈肅薁螅襖膄芀薇螀膄莃螃肈膃薅薆肄膂蚇袁羀膁莇蚄袆膀葿袀螂腿薁螞肁腿芁袈