第6章增加的内容-代谢途径的调控ppt课件.ppt
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1、 通过代谢途径调控的研究可以阐明途径中通过代谢途径调控的研究可以阐明途径中酶的活性被调节的机理乃至在分子水平上被控酶的活性被调节的机理乃至在分子水平上被控制的机理,一旦了解了酶的调节特性,就可以制的机理,一旦了解了酶的调节特性,就可以利用代谢控制分析的方法推断途径通量的总体利用代谢控制分析的方法推断途径通量的总体控制,并根据总体通量控制的特点进行网络的控制,并根据总体通量控制的特点进行网络的优化和菌种的改进。优化和菌种的改进。第六章第六章 代谢途径的调控和代谢控制分析代谢途径的调控和代谢控制分析 Regulation of metabolic pathway & Regulation of m
2、etabolic pathway & MCAMCAEnzyme kineticsEnzyme kineticsRegulation of enzyme activityRegulation of enzyme activityRegulation of enzyme concentrationRegulation of enzyme concentrationGlobal regulation Global regulation Metabolic Control AnalysisMetabolic Control Analysis 细胞内代谢途径的调控主要是通过调节参与生化细胞内代谢途径的调
3、控主要是通过调节参与生化反应的各种物质的浓度来实现的,包括:反应的各种物质的浓度来实现的,包括:v酶的浓度(转录和翻译)酶的浓度(转录和翻译)v底物的浓度(分解代谢物阻遏等)底物的浓度(分解代谢物阻遏等)v产物的浓度(终产物反馈抑制和阻遏)产物的浓度(终产物反馈抑制和阻遏)v调节物分子的浓度(抑制或激活)调节物分子的浓度(抑制或激活)代谢途径的调控代谢途径的调控(,)esprvv cccc代谢途径调控的层次性代谢途径调控的层次性q原核生物原核生物 基因结构简洁有效,无多余序列,必须利用少量的基因结构简洁有效,无多余序列,必须利用少量的DNADNA序列充分存储序列充分存储必要的遗传信息必要的遗传
4、信息 调控层次少,简单而快速:酶活调节调控层次少,简单而快速:酶活调节- -转录和翻译调节转录和翻译调节- -总体调控总体调控 能适应多种不利环境,进行快速调节能适应多种不利环境,进行快速调节 q真核生物真核生物 有充分的遗传物质,能形成各种特殊的基因结构有充分的遗传物质,能形成各种特殊的基因结构 调控层次多而复杂:转录前(调控层次多而复杂:转录前(DNADNA扩增、甲基化)扩增、甲基化) 转录(增强子)转录(增强子) 转录后(转录后(mRNAmRNA拼接)拼接) 翻译(翻译因子的磷酸化、转铁蛋白等)翻译(翻译因子的磷酸化、转铁蛋白等) 翻译后(蛋白质修饰)翻译后(蛋白质修饰) 对遗传信息传递
5、的准确性和稳定性更有利对遗传信息传递的准确性和稳定性更有利q分子水平调控分子水平调控 酶的酶的“质质”和和“量量”的调控的调控q细胞水平调控细胞水平调控 调控代谢子(调控代谢子(modulonmodulon) )或调节子或调节子(regulon(regulon) ) 代谢网络的调控代谢网络的调控( (建立代谢调节网络、分析调节建立代谢调节网络、分析调节网络的特点如拓扑结构、层次性等)网络的特点如拓扑结构、层次性等)代谢途径的调控的层次性代谢途径的调控的层次性主要介绍原核生物的调控主要介绍原核生物的调控酶动力学酶动力学单底物的酶催化反应动力学模型单底物的酶催化反应动力学模型: : 由由V. C
6、.R. Henri V. C .R. Henri 于于19021902年及年及L. Michaelis L. Michaelis 和和M. L. Menten M. L. Menten 于于19131913年建立的。年建立的。简单的酶催化反应动力学通常是指简单的酶催化反应动力学通常是指Michaelis-MentenMichaelis-Menten动力学动力学或饱和动力学。或饱和动力学。 11kk2k E+SESE+P 两个假定:两个假定:1.1.形成形成ESES复合物的反应速度很快复合物的反应速度很快. . 2. 2.第二步的逆反应速率可忽略。此假设仅在反第二步的逆反应速率可忽略。此假设仅在
7、反应初期产物的累积量很少时才能成立。应初期产物的累积量很少时才能成立。 米氏方程的推导米氏方程的推导快速平衡假设快速平衡假设拟稳态假设拟稳态假设2k E+SESE+P 11kk 2PESdvkdt 020PEE SSESmmmdVvkdtKK 11E SESmkKk 112ESE SESESdkkkdt 0E = E- ES 121E SESmkkKk 11E SESkkES0ddt 02PESSSSmmmdVvkdtKKESES的解离常数的解离常数012345600.10.20.30.40.5srslope = k/Km rmax = k 最适底物的判断:(最适底物的判断:(P204 P20
8、4 的推导)的推导) SSmmVvKSKm时 , SSmmVvVS = Km时 ,12mvV SSmmVvK 111SmmmKvVV1212kkkkESESEP1201212()k skpesekkk skp121222001212()()k k sk kprk eskp eesekkk skpES0ddt 0E = E- ES121FmkkKk122RmkkKkmax20max10FRVk EVk Emaxmax / /1 / /FFRRmmFRmmVSKVPKrSKPKmaxmax1 111 miKIvvKSv12-1E+SESE+P+IEIkkkiK E IEIiK ,appiI1mmm
9、KKKKI=0I0竞争性抑制的最终作用结果竞争性抑制的最终作用结果是使是使 ,因此,因此降低了反应速度。最大反应降低了反应速度。最大反应速度不变。竞争性抑制可通速度不变。竞争性抑制可通过提高底物浓度来克服。过提高底物浓度来克服。 ,appmmKKCompetitive inhibition enzyme kineticsmax,maxappvv iSI1SmmVvKKNon-competitive inhibition enzyme kineticsmaxmax111 1 miKIvvSvK非竞争性抑制剂不是底物类似物。抑制剂非竞争性抑制剂不是底物类似物。抑制剂与酶结合的位点不是酶的活性位点,
10、这种与酶结合的位点不是酶的活性位点,这种结合降低了酶的有效浓度。高底物浓度不结合降低了酶的有效浓度。高底物浓度不能克服非竞争性抑制。必须加入其它试剂能克服非竞争性抑制。必须加入其它试剂去阻止抑制剂与酶的结合。去阻止抑制剂与酶的结合。 2 E+SESE+PIIEI+SESImmkKKiK ,appmmKKmax,maxmax1 1appivvvIK EIES I=EIESIiK I=0I0 iSI1(S )mmVvKKUncompetitive inhibition enzyme kinetics反竞争性抑制剂只与反竞争性抑制剂只与ESES复合物结合,而复合物结合,而且它与酶无亲和作用。且它与酶
11、无亲和作用。 VmVm值的降低要比值的降低要比KmKm值的降低更具显著作用,其最终结果值的降低更具显著作用,其最终结果是使反应速率降低。是使反应速率降低。 max,maxmax1 1appivvvIK ES I=ESIiKI=0I02E+SESE+PIESImKkiK m axm ax1 1111 miiKIIv vK S vK ,appi1I1mmmKKKK iSI1SmmVvKKSubstrate inhibition enzyme kinetics212E+SESE+PSESmKkSK 如果底物自身有抑制作用:一种反竞如果底物自身有抑制作用:一种反竞争抑制,争抑制,1/v1/v是是1/s
12、1/s的双曲函数,该双的双曲函数,该双曲函数具有一垂直和一倾斜渐近线曲函数具有一垂直和一倾斜渐近线 12S ESESSK 12SSSSmmVvKK在低底物浓度时,在低底物浓度时,SS2 2/K/KSISI11,观察不到抑制作用。反应速率为,观察不到抑制作用。反应速率为 1SmmVvK 在高底物浓度时,在高底物浓度时,KKm m/S1/S1n1。Hill Hill 经验方程经验方程分支代谢途径中的反馈抑制或激活模式分支代谢途径中的反馈抑制或激活模式v同工酶反馈抑制同工酶反馈抑制v累积反馈抑制累积反馈抑制v顺序反馈抑制顺序反馈抑制v协同反馈抑制协同反馈抑制v增效反馈抑制增效反馈抑制v抑制加激活抑制
13、加激活线性代谢途径中的线性代谢途径中的终产物反馈抑制终产物反馈抑制v前体物激活前体物激活v终产物反馈抑制终产物反馈抑制 同工酶反馈抑制同工酶反馈抑制酶I酶II 累积反馈抑制0.5V(1-20%)=0.4V顺序反馈抑制顺序反馈抑制 协同反馈抑制协同反馈抑制 增效反馈抑制增效反馈抑制(1-0.85)*0.2=32%激活和抑制的联合作用激活和抑制的联合作用分支代谢途径反馈调节实例分支代谢途径反馈调节实例v黄色短杆菌中黄色短杆菌中TyrTyr和和PhePhe协同反馈抑制协同反馈抑制DAHPDAHP合成酶,并存在两种合成酶,并存在两种优先合成和激活调节。优先合成和激活调节。v枯草芽孢杆菌中枯草芽孢杆菌中
14、TyrTyr、PhePhe和和TrpTrp只抑制其分只抑制其分支途径中的第一个酶,支途径中的第一个酶,造成分支酸和预苯酸造成分支酸和预苯酸积累,由这两种中间积累,由这两种中间产物抑制产物抑制DAHPDAHP合成酶,合成酶,属于顺序反馈抑制。属于顺序反馈抑制。分支代谢途径反馈调节实例分支代谢途径反馈调节实例谷氨酸棒杆菌中Lys和Thr对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制:如果高丝氨酸脱氢酶缺陷,在补加生长所需的少量Ileu和Thr后,可以解除协同反馈抑制而造成Lys积累分支代谢途径反馈调节实例分支代谢途径反馈调节实例大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸合成的调节大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸合成的调节三种天冬氨酸激酶
15、,其中两种分别只受赖氨酸和三种天冬氨酸激酶,其中两种分别只受赖氨酸和苏氨酸的反馈抑制,而且苏氨酸的反馈抑制,而且LysLys和和ThrThr还分别抑制其还分别抑制其分支途径的第一个酶属于同工酶反馈抑制。分支途径的第一个酶属于同工酶反馈抑制。酶浓度的调节酶浓度的调节转录的控制转录的控制 正调控正调控 负调控(底物诱导和终产物阻遏)负调控(底物诱导和终产物阻遏) 弱化机制弱化机制翻译的控制翻译的控制 反义反义mRNAmRNA mRNA mRNA稳定性稳定性 翻译起始概率翻译起始概率 翻译速率翻译速率 等等酶浓度的调节酶浓度的调节 转录的控制转录的控制顺式作用元件:顺式作用元件:对基因表达有调节活性
16、的对基因表达有调节活性的DNADNA序列序列,其活性只影响与,其活性只影响与其同处于一个其同处于一个DNADNA分子上的基因,这种序列不编码蛋白质,多位于基因旁分子上的基因,这种序列不编码蛋白质,多位于基因旁侧或内含子中,如:操纵基因、启动子和终止子。侧或内含子中,如:操纵基因、启动子和终止子。反式作用因子:反式作用因子:游离基因产物扩散至目标场所的过程称为反式作用,游离基因产物扩散至目标场所的过程称为反式作用,反式作用因子的编码基因与其识别或结合位点的靶反式作用因子的编码基因与其识别或结合位点的靶DNADNA序列可不在同一个序列可不在同一个DNADNA分子上,如阻遏物、分子上,如阻遏物、RN
17、ARNA聚合酶等都属于反式作用因子。聚合酶等都属于反式作用因子。正调控:正调控:若调控蛋白有活性(能和顺式作用元件结合),则受调控基若调控蛋白有活性(能和顺式作用元件结合),则受调控基因才能表达。因才能表达。负调控:负调控:若调控蛋白失活(不能和顺式作用元件结合),则受调控基若调控蛋白失活(不能和顺式作用元件结合),则受调控基因开始表达。因开始表达。Cell numbersTimeGlucoseLactose二次生长:正调控与负调控的联合作用二次生长:正调控与负调控的联合作用v葡萄糖比乳糖更迅速地葡萄糖比乳糖更迅速地被利用,因此细胞以葡萄被利用,因此细胞以葡萄糖为碳源时生长比以乳糖糖为碳源时生
18、长比以乳糖为碳源时要快为碳源时要快. .v以葡萄糖和乳糖同时作以葡萄糖和乳糖同时作为碳源时,细胞出现二次为碳源时,细胞出现二次生长现象生长现象v葡萄糖被优先利用,被葡萄糖被优先利用,被基本耗尽时,细胞开始合基本耗尽时,细胞开始合成有关利用乳糖的酶(生成有关利用乳糖的酶(生长停滞期),将乳糖运入长停滞期),将乳糖运入胞内后继续生长。胞内后继续生长。GlucoseLactoseCell numberssugar concentrationCatabolite Repression (also called glucose repression)负调控负调控 底物诱导底物诱导Lac Operonv诱
19、导物乳糖(诱导物乳糖(或异乳糖)缺乏或异乳糖)缺乏时,时,lacIlacI编码的编码的阻遏物具有活性阻遏物具有活性,和操纵基因结,和操纵基因结合后关闭转录,合后关闭转录,起负调控作用。起负调控作用。负调控负调控 底物诱导底物诱导Lac Operonv存在诱导物存在诱导物乳糖(或异乳乳糖(或异乳糖)时,诱导糖)时,诱导物充当辅阻遏物充当辅阻遏物,和阻遏蛋物,和阻遏蛋白结合使其失白结合使其失活,在活,在cAMPcAMP- -CRPCRP结合在结合在DNADNA的前提下,转的前提下,转录起始。录起始。vCatabolic Activator Protein (CAP) or Catabolic Ac
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