第十二章 细胞代谢和基因表达的调控

基因表达及其调控与代谢物分析基因表达是指基因上的信息被转录成RNA分子，最终转化为蛋白质的过程。

在细胞代谢过程中，不同的基因表达量和调控机制对于细胞的功能和特性起着重要的作用。

因此，基因表达及其调控与代谢物分析是当今生物医学研究领域中的热点问题。

基因的表达量由多种环境和遗传因素调节。

通常来说，基因转录起始因子和转录核酸酶是控制基因表达的两个主要因素。

转录起始因子与特定DNA序列的结合激活转录过程，而转录核酸酶则是识别DNA序列并促进mRNA的合成。

此外，基因组上的诸多的表观遗传修饰（包括DNA甲基化、组蛋白修饰等）和非编码RNA （如甲基化miRNA、siRNA等）也可影响基因表达。

在细胞增殖和分化过程中，上述因素的调控极为复杂。

为了更好地研究基因表达及其调控，在取得细胞样品后，可以利用RNA测序技术和qPCR等方法检测不同基因的表达量，识别某些表达模式与不同生物功能之间的关系。

此外，分子标记方法（如北方杂交法、原位杂交法），蛋白质组学方法（如蛋白质质谱法、蛋白质芯片法），和功能基因组学方法（如基因敲除法、RNA干扰技术）等，也是流行的基因表达分析方法。

在基因表达分析的基础上，代谢物分析是对细胞生命过程的加强理解，特别是对于了解某些代谢性疾病。

代谢物是细胞内化学反应的产物，也是描述细胞状态和活动的有力工具。

代谢物组学方法以人体代谢物和代谢物组为研究对象，运用各种分析技术和数据处理手段对大量生物样品进行分析，以确定不同状态的代谢物指纹图谱，寻找新的代谢性疾病标志物，并发现特定代谢物在疾病的发展过程中的机制。

在代谢物分析领域，代谢物组学方法（如质谱代谢物组学和核磁共振代谢物组学）是最常见和流行的，通过分析组织和体液中代谢物的浓度和结构差异，可以确定不同状态的代谢物指纹图谱。

此外，也有人使用代谢物芯片、代谢物关注方法和有针对性地定向扫描特定代谢物的方法等。

总的来说，基因表达及其调控和代谢物分析是两个相辅相成的研究领域。

细胞内环境和微环境的调控机制细胞内环境和微环境是指那些影响细胞生长和发育的因素，包括细胞外的物理和化学环境，以及细胞内的代谢和信号转导网络。

细胞要在一个适宜的环境下才能生存和繁殖，而这个环境是通过细胞内外的调控机制来实现的。

一、细胞内环境的调控机制细胞内环境包括细胞质基质、细胞器、细胞核等部分，它们之间的相互作用是维持细胞正常功能的前提。

细胞内环境的调控主要由细胞内代谢、蛋白质合成和降解、基因表达等方面实现。

1、细胞代谢调控细胞的代谢活动对于维持细胞生命活力和正常功能至关重要。

细胞代谢主要包括三个方面：能量代谢、有机物代谢和无机物代谢。

其中，能量代谢是最为重要的，细胞通过氧化反应将葡萄糖转化为ATP分子，从而为细胞提供能量。

代谢可以由细胞内各种酶、激素、信号分子等调控。

例如，ATP和乳酸作为信号分子可以影响片段化蛋白的水解水解。

2、蛋白质调控蛋白质是细胞内所有生命活动的基础，包括结构蛋白、酶、激素、抗体等多种类型。

它们不仅为细胞提供结构支撑，还具有各种功能。

蛋白质的合成和降解分别通过翻译和蛋白酶的作用实现。

细胞会通过检测不同时期和环境下的蛋白质含量，调节它们的合成和分解速率，从而维持细胞内部稳态。

3、基因表达调控基因编码了细胞所需的各种功能蛋白质，细胞通过调控基因的表达水平来适应内部和外部环境的变化。

基因表达调控由DNA上多个启动子和转录因子共同作用实现。

不同启动子和转录因子的相互作用会导致特定基因的转录活化或抑制。

二、微环境调控机制细胞外的微环境对于细胞生长和发育也至关重要。

微环境由细胞周围的基质组成，它们表现出多样化的生理和化学特性，包括生物降解程度、组织刚度、细胞外基质纤维、溶质浓度等。

微环境调控的方式有很多种，比较重要的有四种：细胞外基质调控、细胞信号调控、自噬调控和凋亡调控。

1、细胞外基质调控细胞外基质包括胶原、纤维连接蛋白、肌球蛋白等多种类型，它们对于细胞的生长和发育有着重要的作用。

生物体内的代谢调控机制生物体内的代谢调控机制是一个复杂而精密的系统，它负责维持生命活动的正常进行。

代谢调控涉及到多个层面和多个方面，包括基因表达调控、信号传导调控以及能量平衡调控等。

这些调控机制相互作用，共同维持着生物体内的代谢平衡。

在生物体内，基因表达调控是代谢调控的重要环节。

基因是生物体内遗传信息的载体，它决定了细胞内蛋白质的合成。

基因表达调控通过调控转录和翻译过程，控制蛋白质的合成量和合成速度。

这种调控可以通过多种方式实现，包括转录因子的结合、DNA甲基化和组蛋白修饰等。

例如，转录因子可以结合到基因的启动子区域，促进或抑制基因的转录。

同时，DNA甲基化和组蛋白修饰也可以改变染色质结构，从而影响基因的表达水平。

除了基因表达调控，信号传导调控也在生物体内起着重要的作用。

细胞内外的信号分子可以通过细胞膜上的受体传递到细胞内，触发一系列的信号传导反应。

这些反应可以通过激活或抑制特定的酶、蛋白质或基因，从而调节细胞内的代谢活动。

例如，胰岛素是一种重要的代谢调控激素，它通过与细胞膜上的胰岛素受体结合，激活细胞内的信号传导通路，促进葡萄糖的摄取和利用。

另外，一些细胞因子和激素也可以通过信号传导调控脂肪酸的合成和分解、蛋白质的降解和合成等代谢过程。

能量平衡调控是维持生物体内代谢平衡的关键机制之一。

生物体内的能量平衡主要由能量的摄取和能量的消耗两个方面决定。

能量摄取主要通过食物的摄入，而能量消耗则包括基础代谢率、运动消耗和非运动消耗等。

能量平衡调控通过多个途径实现，包括神经调控、激素调控和细胞内信号传导等。

例如，下丘脑和垂体是能量平衡调控的重要中枢，它们通过神经和激素的作用，调节食欲和能量消耗。

另外，一些激素如甲状腺激素和肾上腺素也可以调节基础代谢率和脂肪酸的氧化。

除了上述的代谢调控机制，生物体内还存在一些其他的调控机制。

例如，一些微生物和植物可以通过共生关系来调控宿主的代谢。

共生微生物可以合成一些对宿主有益的物质，如维生素和氨基酸，从而提供额外的能量和营养。

细胞质基因的表达与调控细胞质基因是指除了细胞核以外，在细胞质中存在的DNA。

细胞质基因的表达与调控是细胞核和细胞质之间协调运作的重要一环。

细胞质基因的表达由于在细胞质中存在的基因数量少，而细胞核中的基因则数量庞大，因此细胞质遗传信息所占比例较小。

在细胞质中存在的基因有两种类型：线粒体基因和质粒基因。

线粒体基因是指存在于线粒体DNA中的基因。

线粒体是细胞内的一种细胞器，具有自主增殖和遗传功能。

线粒体基因主要与细胞呼吸有关，为细胞内产生能量提供必要的物质基础。

线粒体基因有着相对自治的表达特点，线粒体内的基因表达不受细胞核的转录作用所控制。

质粒基因是指存在于质粒DNA中的基因。

质粒是一种环状的DNA分子，广泛存在于细菌和其他原核生物中。

质粒基因主要与细菌的代谢、感染和环境适应等方面的生理生化过程有关。

细胞质基因的表达与调控主要涉及的是线粒体基因的表达和调控。

线粒体基因的表达与调控线粒体基因的表达特点是受到自身基因的大量调节因素的影响。

线粒体自身通过多种途径调节内部基因的表达。

研究表明，线粒体自身具有调控细胞凋亡和自噬、细胞代谢等多种重要生理生化过程的作用。

但是，线粒体的生产和修复都需要靠细胞核的合作。

因此线粒体和细胞核之间的相互调控是线粒体基因表达和调控的必要条件。

线粒体基因表达的调控主要涉及到核内基因转录调节因子和分子信号传递两方面。

核内基因转录调节因子主要是指那些参与线粒体DNA的转录调节工作的因子。

例如，研究表明，线粒体基因表达的调节需要活性氧、钙、ATP、FFA、糖及氧气等因素的协同作用。

这些调控因子通过直接或间接的途径影响线粒体内基因的表达。

分子信号传递是调控线粒体基因表达的重要途径。

分子信号传递的过程主要是指胞内大分子如酶、激素、受体等与胞内小分子或离子之间相互作用而产生的信号传递过程。

例如，线粒体自身通过调节自身的代谢途径和内部环境，反过来调节细胞核内基因的表达，形成一种细胞内部基因表达的调节网络。

第十二章细胞增殖及其调控一、细胞增殖的意义细胞增殖cell proliferation,是细胞生命活动中的一个重要部分，对于多细胞生物体的生长发育以及生物种群的延续都具有十分重要的意义。

例如一个成年人约由1014个细胞构成，而如此多的细胞均来源于同一个受精卵，是通过大量的、连续不断地细胞分裂增殖以及细胞分化才形成人体的。

此外，每个人体平均每秒钟还要增补产生几十万个新细胞，来补偿体内各种衰亡细胞的损失，维持机体细胞数量的相对平衡。

二、细胞周期 cell cycle（一）细胞周期的概念细胞增殖包括：细胞生长、DNA复制和细胞分裂三个主要事件，构成细胞周期。

可分为四个期：G1期、S期、G2期和M期。

其中的S期是DNA合成期，M期是分裂期，而G1和G2期分别是合成前期和合成后期。

因为分裂期染色体出现了明显形态特征，∴通常从一次分裂中期到下一次分裂中期的历程称为一个周期。

M期中又可分为前期、中期、后期和末期四个阶段。

从细胞增殖行为来看，细胞在晚G1期开始分歧为三类：①周期性细胞，即持续在周期中运转的细胞；②G O期细胞（休眠细胞），即暂时脱离周期不增殖，但在适当刺激下仍可恢复进入周期的细胞；③终端分化细胞（特化细胞），即不可逆地脱离周期，丧失分裂能力，但仍然保持正常生理机能的细胞。

（二）细胞周期的速率细胞周期时间（TC）是随细胞类型不同而异的，周期内四个期的时间亦各不相同。

一般规律是：①S期长,M期短；②G1期时间（TG1）易变，但TG2、TS和TM都变动不大；③ TG1长短是细胞周期速率变化的基础。

（三）细胞周期各时相的时间测定●仅M期可依据染色体形态变化来判断，而其它的三个期皆无形态判断依据。

●3H—TdR脉冲标记和放射自显影观测▲标记物仅在S期能渗入细胞▲最先在M期显现标记的是被标记时的S期最晚期细胞▲细胞周期中各期时间的推算：TG2 = 换液洗脱→被标记M细胞出现TM = 被标记M细胞出现→占M细胞总数最大值TS= 被标记M细胞达总数的50%→降回50%TC= 被标记M细胞始出现→再次又开始出现TG1 = TC-TG2-TM-TS●流式细胞仪测定法能快速测定和分析流体中的细胞或颗粒物的各种参数，如DNA、RNA和蛋白质等含量变化，目前被广为应用于细胞周期研究。

解释基因表达的调控机制。

> 原题：解释基因表达的调控机制基因表达调控是指在细胞中控制基因转录和翻译的过程。

通过调控基因表达，细胞可以根据内外环境的需求来合成所需的蛋白质。

基因表达调控涉及多个环节和分子机制。

一、转录调控1. 转录因子：转录因子是一类可以与DNA结合的蛋白质，它们能够促进或抑制特定基因的转录。

转录因子的结合位点通常位于基因的启动子区域，它们可以通过调控转录复合物的形成来影响RNA聚合酶的结合和启动转录的过程。

2. 染色质修饰：染色质修饰是指对DNA及其相关的蛋白质进行化学修饰，从而改变染色质结构和可访问性。

例如，DNA甲基化可以抑制某些基因的转录，而组蛋白乙酰化则可以促进基因的转录。

二、转录后调控1. RNA剪接：RNA剪接是一种将RNA前体分子中的内含子去除，将外显子连结起来的过程。

通过不同的剪接方式，可以产生不同的mRNA亚型，从而影响蛋白质的翻译。

2. mRNA降解：mRNA降解是指将mRNA分解为较小的碎片，从而停止蛋白质的合成。

通过调控mRNA的稳定性，可以控制基因的表达水平。

三、翻译调控1. 转运调控：通过调控mRNA的转运过程，可以控制mRNA的定位和稳定性。

这种调控方式可以影响基因的表达水平。

2. 蛋白质修饰：蛋白质修饰是指在翻译后对蛋白质进行化学修饰的过程。

蛋白质修饰可以影响蛋白质的功能、稳定性和亚细胞定位。

综上所述，基因表达调控涉及转录调控、转录后调控和翻译调控等多个层面和分子机制。

这些调控机制相互作用，共同影响基因的表达水平和细胞的功能。

对这些调控机制的深入研究，有助于我们更好地理解生物体的发育、生长和适应环境的能力。

细菌中的代谢调控与基因表达细菌是一类微小单细胞生物，可以在各种环境下生存繁衍，是自然界中最生物量最大的生命体。

这些微生物具有强大的代谢适应性，可以通过对代谢通路的调节，利用各种有机或无机物质作为碳源和能源生长繁殖。

细菌的代谢调控和基因表达是维持细胞稳态、响应环境压力和适应代谢需求的重要机制。

1. 细胞代谢通路的调控细胞代谢通路是一系列酶催化反应的有序组合，把营养物质转化为生命必须的物质及能量来支持细胞的正常生理活动。

不同的代谢通路之间直接或间接地相互关联，构成一个复杂的代谢网络。

细菌需要根据环境的变化对代谢网络进行合理的重装，调节代谢物的产生和消耗，以适应外部环境条件的变化。

(1)底物和产物的负反馈调控负反馈调控是细胞代谢通路中最简单、最普遍的一种调控方式。

当代谢通路的最终产物积累到一定浓度时，就会抑制前面的酶活性，减少底物转化为产物的速率，从而达到控制代谢通路的目的。

例如，大肠杆菌的亮氨酸合成途径中，苏氨酸的高浓度可以抑制左旋异亮氨酸合酶的活性，从而减少光气恶酮酸转化为乙酰丙酸，降低亮氨酸的合成速度。

(2)酶的协同调控细胞代谢通路中的许多酶只有在组成酶复合物后才能发挥催化作用。

例如，乳酸菌的乳酸生成途径中，磷酸乳酸脱氢酶和乳酸脱氢酶可以形成酶复合物，使得反应的速率得到了提高。

另外，细胞内还存在着一些调节蛋白可以与酶复合物互作，增强或降低酶活性，从而调节代谢通路的速率。

(3)磷酸化反应的调控磷酸化是一种常见的酶活性调控机制。

细胞内的蛋白激酶和磷酸酶可以调节细胞内蛋白磷酸化水平，从而改变酶的空间构象和催化活性。

细菌中还存在差异性磷酸化机制，一些接受器蛋白在细胞外刺激的作用下，被细胞内的磷酸化酶磷酸化，在细胞内引发一系列的反应，从而实现代谢通路的调节。

2. 基因表达调控细菌的基因表达调控与代谢适应密切相关。

通过调整下游靶基因的表达水平，细菌可以适应环境的变化，改变自身代谢特性。

下面分别介绍一些细菌基因表达调控的机制。