生物化学PPT课件：第十二章 细胞代谢和基因表达的调控

• 合成高分子与生物大分子之间的相互作用； • 有机小分子与生物大分子之间的相互作用，如辅酶
与酶之间的相互作用；
• 有机分子与酶或蛋白质受体之间的相互作用； • 底物与酶分子之间的识别以及相互作用； • 无机金属离子与生物大分子之间的相互作用，如金
属离子与酶或蛋白质之间的络合及与生物小分子 （辅酶、ATP等）之间的络合作用。
激素可改变酶的催化活性或含量，也可改变 细胞内代谢物的浓度，从而影响代谢反应的速 度--激素水平的调节。高等动物不仅有完整的 内分泌系统，还有功能复杂的神经系统。在中 枢神经的控制下，或者通过神经递质对效应器 直接发生影响，或通过改变某些激素的分泌来 调节某些细胞的功能状态，并通过各种激素的 互相协调对整体代谢进行综合调节--整体水平 的调节。
A.
B.
疫
蛋泛 白素
泛 素
内 源
酶化 蛋 性
体的 白 抗
降内 解源 成性 肽抗
酶 体 降 解
原 在 胞
段原 途 内
被径的 28 降
S
免解
酶原的激活
• 有些酶在生物体内合成出来的是它的无活性前 体--酶原。一定的条件下，这些酶原水解去除 一部分肽链，使酶的构象发生变化，形成有活 性的酶分子—酶原激活。酶原从无活性状态转 变成有活性状态的过程是不可逆的。属于这种 类型的酶有消化系统的酶（如胰蛋白酶、胰凝 乳蛋白酶和胃蛋白酶等）以及凝血酶等。
（1）被修饰的酶可以有两种互变形式，一种为 活性形式（具有催化活性），另一种为非活性 形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均 发生共价修饰反应，且都将引起酶活性的变化。
（2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活 现象，具有信号放大效应。例如肾上腺素引起 糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其 结果将激素的信号逐级放大了约300万倍。

生物化学绪论
生物化学
一、生物化学的定义 生物化学(biochemistry) 是研究生物体内的化 学分子和化学反应的基础生命科学,从分子水平探讨 生命现象的本质，即生命的化学。 二、生物化学与分子生物学发展简史
二、生物化学与分子生物学发展简史
叙述生物化学阶段：18世纪中叶—19世纪末
动态生物化学阶段：20世纪初开始
1994年 生理学或医学奖 lfred G．Gilman（美国）Martin ROdbell（美国），发现 G蛋白及其在细 胞内信号转导中的作用 1993年 生理学或医学奖 Richard J．ROberts（美国）PhilliP A．SharP（美国），发现断裂基因化 学奖 Kary n．Mullis（美国），发明 PCR方法 Michael Smith（加拿大），建立 DNA合成用于定点诱变研究 1992年 生理学或医学奖 Edmond H．Fischer（美国）Edwin G．Krebs（美国），发现可逆蛋白质 磷酸化是一种生物调节机制 1989年 生理学或医学奖 Harold E．Varmus（美国）J．Michael Bishop（美国），发现反转录病毒 癌基因的细胞起源 化学奖 Sidney Altman（美国）Thorn R．Cech（美国），发现 RNA的催化性质 1988年 生理学或医学奖 James W．Black（英国）ertrude B．Elion（美国）Gong H．Hitchings（ 美国），发现“代谢”有关药物处理的重要原则
1964年 生理学或医学奖 Konard Bloch（美国）Feoder Lgnen（德国），发现胆固醇和脂肪酸代 谢的机制和调节 化学奖 Derothy Crowfoot Hodgkin（英国），用 X射线技术测定重要生化物质 的结构 1962年 生理学或医学奖 Francis H．C． Crick（英国）James D．Watson（美国）Maurice H． F． Wilkins（英国），发现核酸的分子结构（DNA双螺旋）及其对于活 性物质中信息转移的重要性 化学奖 Max F．Perutz（英国）JOhn C．Kendrew（英国），关于球状蛋白质 （血红蛋白、肌红蛋白）结构的研究 1959年 生理学或医学奖 Severo Ochoa（美国）Arthur KOrnbefg（美国），发现 RNA和 DNA生 物合成机制

色氨酸操纵子的结构及其关闭机制
A.前导序列的结构特征；B.在Trp低浓度时，核糖体停滞在序列1上，2/3发卡结构形成，转录继续进行； C.在Trp高浓度时，3/4发卡结构和多聚U序列使得转录提前终止
3.转录衰减的机制 ①色氨酸的浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子 部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行； ②色氨酸的浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构 在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减。
3.真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表 达调控的层次。
4.原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调 控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子 （monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及多个基因的 协调表达。
1.原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的
2.操纵子（operon）：由结构基因、调控序列和调节基因组成 ①结构基因：包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区。这些结 构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mRNA长 链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息，被称 为多顺反子（polycistron）mRNA。
5种E.coli 启动子的共有序列
b. 操纵元件：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。 ③调节基因（regulatory gene）：编码能够与操纵序列结合的阻遏蛋白

信号转导途径
信号转导途径的组成
信号转导途径通常由受体、信号转导分子和效应分子三个部分组 成。
常见的信号转导途径
包括MAPK途径、PI3K/Akt途径、JAK/STAT途径等。
信号转导途径的特点
各种信号转导途径具有不同的特点，如选择性、级联反应、可调节 性等。
信号转导与疾病
1 2
信号转导与肿瘤
许多肿瘤的发生和发展与信号转导异常有关，如 EGFR、K-Ras等基因突变引起的信号转导异常。
细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受外界信号 刺激，进而将信息传递至细胞内，引起细胞功能改变的过 程。
信号转导的分类
根据信号分子的性质，信号转导可分为亲缘性信号转导和 远缘性信号转导。
信号转导的生物学意义
信号转导是细胞Leabharlann 应环境变化，维持正常生理功能的重要 方式，对细胞的生长、发育、代谢和分化等过程具有重要 调控作用。
细胞衰老是指细胞在生 理和生化方面发生一系 列改变，导致其功能逐 渐衰退的过程。
细胞衰老的特征
细胞衰老时，细胞周期 停滞，细胞体积减小， 细胞器减少，细胞内色 素沉积，细胞膜通透性 改变等。
细胞衰老的机制
细胞衰老涉及多种机制 ，包括基因组不稳定、 端粒缩短、表观遗传改 变、线粒体功能障碍等 。
细胞凋亡
细胞器的相互关系
各种细胞器在结构上相互连接，功能 上相互配合，共同完成细胞的各项生 理功能。同时，它们之间也存在动态 的联系和互动，如物质的合成、加工 、运输和降解等过程都需要各种细胞 器的协同作用。
03
基因与蛋白质
基因结构与功能
01
02
03
基因组成
基因由DNA组成，具有编 码遗传信息的特性。

尿囊素酶
＋ H2 O
尿囊素
尿囊酸酶
＋ H2 O
尿囊酸 4NH3
2CO2
尿酶
＋2H2O
尿素
乙醛酸
二、嘧啶核苷酸的代谢1
1，尿嘧啶与胸腺嘧啶在哺乳动物体内分解时，先
还原成对应的二氢衍生物。
2，破开环状结构分别产生β-丙氨酸及β-氨基异
丁酸。
3，最后成为CO2和NH3
胞嘧啶具有氨基，所以要先在胞嘧啶脱氨酶的作
通过用同位素标记的化合物实验来 确定，即用标有同位素的各种营养物喂 鸽子，然后将其排出的尿酸进行分析。
（一）嘌呤环的元素来源2（图示）
天冬氨酸
N1
6C
CO2
甲酰FH4
C2
5C
N7
甘氨酸
C8 甲酰FH4 N3
谷氨酰胺
4C
N9
谷氨酰胺
（二）合成过程（总）
从头合成嘌呤的途径已于50年代被
Greenberg等基本搞清,此途径是在核糖－ 5－磷酸的第一碳原子上逐步增加原子生 成次黄苷酸（肌苷酸） ，然后再由次黄 苷酸转变为腺苷酸和鸟苷酸。 反应分为两个阶段： 1，次黄苷酸的合成（11步反应） 2，腺苷、鸟苷的生成 （南大P480，图12－2）
途径称为补救途径。通过补救途径可以重新 利用核酸分解产生的嘌呤和嘧啶或它们的衍 生物。
从胸腺嘧啶或胸苷转变成胸苷酸的补救途径，
除真菌外，对所有细胞都是一样的，故常利 用放射性同位素标记胸腺嘧啶或胸苷参入DNA 的实验作为检查DNA合成的手段。
三、核苷酸合成的补救途径2
核苷 核糖-1-磷酸
激酶
核糖-5-磷酸
1．鸟嘌呤的分解
动物组织中广泛含有鸟嘌呤酶，可以催化 鸟嘌呤水解脱氨产生黄嘌呤，然后黄嘌呤在黄 嘌呤氧化酶的作用下氧化成尿酸。

生物氧化是指生物体内有机物氧化分解的过程，释放出能量供生命活动需要。能量转换是指生物体内能量的形式 转换，包括光合作用、呼吸作用等过程。
03
分子生物学基础
DNA、RNA和蛋白质的结构与功能
01
DNA双螺旋结构
DNA是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴盘绕而成的双螺
旋结构，碱基位于内侧，通过氢键相互配对，磷酸和脱氧糖在外侧构成
基本骨架。
02
RNA种类与结构
RNA是单链结构，根据功能不同分为mRNA、tRNA和rRNA。mRNA
是蛋白质合成的直接模板；tRNA具有携带氨基酸进入核糖体的功能；
rRNA是核糖体的主要成分，参与蛋白质合成。
03
蛋白质结构与功能
蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子，具有复杂的空间构
象和多样的生物学功能。
生物催化剂与代谢途径
总结词
介绍生物催化剂和代谢途径的基本概 念和作用。
详细描述
生物催化剂是指酶，具有高效性和专 一性，能够加速生物体内的代谢反应 。代谢途径是指一系列相互关联的生 化反应序列，是生物体内物质转化和 能量转化的基础。
生物氧化与能量转换
总结词
介绍生物氧化和能量转换的过程和作用。
详细描述
对人类社会的影响与意义
医领域
生物化学与分子生物学的发展将有助于疾病的早期诊断、 预防和治疗，提高人类的健康水平和生活质量。
工业领域
利用生物化学与分子生物学的原理和技术，开发新的工业 生产技术和工艺，降低能耗和环境污染，促进可持续发展 。
农业领域
通过分子生物学和基因工程技术的应用，培育出抗逆、抗 病、优质、高产的农作物新品种，提高农业生产效率和粮 食安全水平。

转录过程
包括起始、延长和终止三个阶段， 涉及多种转录因子和RNA聚合酶的 参与。
影响因素
包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非 编码RNA等，它们通过影响转录因 子的结合或RNA聚合酶的活性来调 控转录过程。
翻译过程及蛋白质合成机制
翻译基本概念
以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸排列顺序的蛋白质的过 程。
定量检测细胞因子水平 ，揭示细胞间免疫调节 作用。
再生医学技术在组织修复和器官移植中应用
干细胞治疗技术
利用干细胞分化潜能修复受损组织或器官。
生物材料支架技术
构建仿生组织支架，支持细胞生长和分化。
器官移植技术
异体或异种器官移植实现器官功能替代，挽救患者生命。
THANKS
感谢观看

细胞质与细胞核
细胞质组成
01
基质、细胞器、包含物等
细胞核结构
02
核膜、核仁、染色质等
细胞核功能
03
遗传信息储存与复制、细胞代谢调控等
线粒体与叶绿体等细胞器
线粒体结构与功能
双层膜结构、氧化磷酸化 场所，ATP生成等
叶绿体结构与功能
光合作用场所，光能转换 为化学能等
其他细胞器
内质网、高尔基体、溶酶 体等，各自承担不同的生 理功能
。
05 细胞代谢与能量 转换
糖代谢途径和能量产生过程
糖酵解途径
葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量 ATP。
三羧酸循环
丙酮酸进一步氧化分解，释放大 量能量。
氧化磷酸化
NADH和FADH2通过电子传递链 产生ATP。
脂类代谢途径和生理功能
脂肪酸的β-氧化
脂肪酸分解为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环。

激光共聚焦显微镜
结合激光扫描和共聚焦技术，实现三 维重建和动态观察，用于研究细胞内 分子定位和相互作用。
电子显微镜
利用电子束代替光束，通过电磁透镜 成像，可观察细胞的超微结构，如透 射电子显微镜和扫描电子显微镜。
分子生物学技术在细胞生物学中应用
DNA重组技术
通过体外操作DNA片段，实现基因克隆、表达和调控研究，用于 解析基因功能和调控网络。
细胞周期调控异常可能导致细胞增殖失控和肿瘤发生。因此，深入研究 细胞周期调控因子和机制对于理解细胞增殖、分化和癌变等生物学过程 具有重要意义。
06
细胞分化、衰老与凋亡
细胞分化类型和影响因素
细胞分化类型 多能干细胞分化
专能干细胞分化
细胞分化类型和影响因素
01
终末分化细胞
02
影响因素
基因表达调控
03
系。
蛋白质组学技术
利用质谱技术、蛋白质芯片等方 法，研究细胞内蛋白质组成、相 互作用和修饰等，揭示蛋白质在
细胞生命活动中的作用。
生物信息学分析
运用生物信息学方法对基因组学 和蛋白质组学数据进行挖掘和分 析，发现新的基因、蛋白质和调 控网络及其与细胞生物学过程的
关系。
THANKS
胞内外环境的稳定。
物质跨膜运输方式及机制
被动运输
01
包括简单扩散和易化扩散两种方式，不需要消耗能量，物质顺
浓度梯度进行运输。
主动运输
02
包括原发性主动转运和继发性主动转运两种方式，需要消耗能
量，物质逆浓度梯度进行运输。
膜泡运输
03
包括出胞和入胞两种方式，通过膜泡的形成和移动来实现物质
的跨膜运输。
膜蛋白功能及其调控

• mRNA加工成熟水平调控 • 翻译水平调控
• 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
– 原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起 着举足轻重的影响。
– 在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和 发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和 环境因素的影响力下降。
2020/5/1
原核生物的基因表达调控
2020/5/1
乳糖操纵子模型
1. 酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基 中 加 入 乳 糖 1 ～ 2 分 钟 后 ， 编 码 β- 半 乳 糖 苷 酶 和 透 过 酶 的 lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。
2020/5/1
2020/5/1
乳糖操纵子模型
2.2. 大肠杆菌对乳糖的反应 • 在以甘油为碳源的培养基中 • 加乳糖以前，lac操纵子本底水平表
达 • 加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大
量表达 • 乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大于异
构乳糖，阻遏状态重新形成， mRNA水平下降。 • β-半乳糖苷酶半衰期长，其活性下 降滞后。
• 两个矛盾：
– 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需 要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。
– 人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正诱导物是异构乳糖 ，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。
• 解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和β-半乳糖苷 酶仍有本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密 ，偶尔会掉下，使得转录可以进行。表达量足以使诱 导过程得以启动。
2020/5/1
原核生物的基因表达调控
4. 降解物对基因活性的调节 • 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳