生物化学课件：第14章-物质代谢调控备课讲稿

1、生物化学课件：第14章-物质代谢调控 1) 酶水平调节酶水平调节 2) 细胞水平调节细胞水平调节 3) 激素水平调节激素水平调节 4) 神经水平调节神经水平调节单单细细胞胞生生物物植植物物动动物物细胞内细胞内酶的调节酶的调节是最基本的调节方式。是最基本的调节方式。酶的调节酶的调节是是从酶的从酶的区域化区域化、酶的数量酶的数量和和酶的活性酶的活性三个方面对代谢三个方面对代谢进行调节的进行调节的操纵子操纵子(Operon)是在转录水平上控制基因表达的协调是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由启动子（单位，由启动子（P）、）、操纵基因（操纵基因（O）和在功能上相和在功能上相关的几个结构基因组成关的

2、几个结构基因组成 转录后的调节转录后的调节包括，真核生物包括，真核生物mRNA转录后的加工，转录后的加工，转录产物的运输和在细胞中的定位等转录产物的运输和在细胞中的定位等 翻译水平上的调节翻译水平上的调节包括，包括，mRNA本身核苷酸组成本身核苷酸组成和排列（如和排列（如SD序列），反义序列），反义RNA的调节，的调节，mRNA的的稳定性等方面稳定性等方面 酶活性的调节酶活性的调节是直接针对酶分子本身的催化活性是直接针对酶分子本身的催化活性所进行的调节，在代谢调节中是最灵敏、最迅速的所进行的调节，在代谢调节中是最灵敏、最迅速的调节方式。主要包括酶原激活、酶的共价修饰、反调节方式。主要包括酶原激

3、活、酶的共价修饰、反馈调节、能荷调节及辅因子调节等馈调节、能荷调节及辅因子调节等 生物代谢生物代谢biological metabolism：指生物活体与：指生物活体与外界环境不断进行的外界环境不断进行的物质物质（包括气体、液体和固（包括气体、液体和固体）、体）、能量能量、信息信息交换过程。交换过程。细胞代谢细胞代谢cellular metabolism：是一切生命活动是一切生命活动的基础。的基础。合成代谢合成代谢anabolic metabolism：一般是指将简单一般是指将简单的的小分子小分子物质转变成复杂的物质转变成复杂的大分子大分子物质的过程。物质的过程。分解代谢分解代谢catabol

4、ism：则是将复杂的则是将复杂的大分子大分子物质物质转变成转变成小分子小分子物质的过程。物质的过程。中间代谢中间代谢intermediary metabolism：发生在细胞内发生在细胞内的一切化学反应。的一切化学反应。基础代谢基础代谢basal metabolism：指人体在清醒而又极端指人体在清醒而又极端安静的状态下安静的状态下,不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等影响时的能量代谢率。基础代谢经随着性别、年龄等不同而影响时的能量代谢率。基础代谢经随着性别、年龄等不同而有生理变动。男子的基础代谢率平均比女子高有生理变动。男子的基础代谢率平均比女子高

5、,幼年比成年高幼年比成年高;年龄越大年龄越大,代谢率越低代谢率越低.基础代谢率基础代谢率basal metabolic rate, BMR：,即在上即在上述条件下述条件下,单位时间内单位时间内,每平方米人体表面所散发的热量的千每平方米人体表面所散发的热量的千卡数。卡数。糖、脂、核酸和蛋白质的代谢糖、脂、核酸和蛋白质的代谢 合成途径各不相同，分解代谢途径则有共同之处，合成途径各不相同，分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂、核酸和蛋白质经过一系列分解反应后都即糖、脂、核酸和蛋白质经过一系列分解反应后都进入了进入了TCA cycle，最后被氧化成，最后被氧化成CO2和和H2O。Section 1 代谢

6、途径的相互联系代谢途径的相互联系 代谢网络代谢网络Metabolic network 代谢的单向性代谢的单向性unidirectivity和多酶和多酶系统系统multienzyme systeme 代谢与能量代谢与能量metabolism and energy物质代谢物质代谢-联系联系-转化转化 TCA cycle则是则是Saccharide、Fat、Pro三大物质互相转化的枢纽三大物质互相转化的枢纽一、代谢网络一、代谢网络 糖代谢为蛋白质的合成提供糖代谢为蛋白质的合成提供碳源和能源：碳源和能源： 如糖分解过程中可产生如糖分解过程中可产生Pyr， Pyr经经TCA cycle生生 KG和和OA

7、A，它们均可经加氨基或氨基移换作用形，它们均可经加氨基或氨基移换作用形成相应的成相应的AA。糖分解过程中产生的能量可供。糖分解过程中产生的能量可供AA和和Pro的合成之用。的合成之用。 蛋白质分解产生的蛋白质分解产生的AA，在体内可以转变为，在体内可以转变为Sugar。如：多数如：多数AA在脱氨后转变为在脱氨后转变为Pyr，经，经糖原异生糖原异生作用可作用可生成生成Sugar，这类氨基酸称为生糖氨基酸。，这类氨基酸称为生糖氨基酸。1 1、糖代谢与蛋白质代谢的关系、糖代谢与蛋白质代谢的关系 脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏能脂类分解过程中产生较多的能量，可作为体内贮藏能量的物质。量的

8、物质。脂类与蛋白质之间可以相互转化：脂类与蛋白质之间可以相互转化： 脂类分子中的甘油脂类分子中的甘油 丙酮酸丙酮酸 FAOAA - -KGAAPro2、脂类代谢与蛋白质代谢的关系、脂类代谢与蛋白质代谢的关系AcCoA -OxidationTCA CycleOAA KG Malate AA琥珀酸琥珀酸乙醛酸循环乙醛酸循环甘油甘油生酮氨基酸生酮氨基酸生糖氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸乙酰乙酸FA丙酮酸丙酮酸AcCoA丙二酸丙二酸单酰辅酶单酰辅酶A A脂肪脂肪 糖与脂类物质也能相互转变：糖与脂类物质也能相互转变：糖糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙酮酸丙酮酸甘油甘油乙酰辅酶乙酰辅酶A脂肪酸脂肪酸脂类脂类甘油甘油

9、 - -甘油甘油磷酸磷酸磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮糖糖脂肪酸脂肪酸AcCoA琥珀酸琥珀酸OAA丙酮酸丙酮酸 - -氧化氧化乙醛酸循环乙醛酸循环TCACO2+H2O3、糖代谢与脂类代谢的关系、糖代谢与脂类代谢的关系糖尿病：糖尿病：脂肪脂肪 ketone body, acetone body （乙酰乙酸、（乙酰乙酸、丙酮、丙酮、 -羟丁酸）羟丁酸）在血液中产生酸在血液中产生酸中毒或到达肌肉中毒或到达肌肉中提供能源中提供能源在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况在饥饿时也产生与糖尿病类似的情况核酸核酸核苷酸核苷酸ATPUTPCTPGTP能量和磷酸基团的供应能量和磷酸基团的供应单糖的转变和多糖的合成单糖的转变

10、和多糖的合成参与卵磷脂的合成参与卵磷脂的合成给蛋白质合成提供能量给蛋白质合成提供能量AMP辅酶、组氨酸等辅酶、组氨酸等Gly、Asp、Gln嘌呤、嘧啶嘌呤、嘧啶蛋白酶蛋白酶核苷酸、核酸的合成核苷酸、核酸的合成蛋白因子蛋白因子核苷酸、核酸的合成核苷酸、核酸的合成4、核酸代谢与糖、脂肪、核酸代谢与糖、脂肪及蛋白质代谢的关系及蛋白质代谢的关系 1. 相对立的单向反应（相对立的单向反应（opposing unidirectional reaction）：）： 糖代谢的例子：糖代谢的例子： G + ATP 6-p-G + ADP（变构抑制）变构抑制） 6-p-G +H2O G + Pi 脂代谢的例子：脂

11、代谢的例子：乙乙酸酸ATPCoA 乙酰乙酰 CoA AMPPPi 乙酰乙酰 CoA + H2O 乙酸乙酸 +oA 硫激酶硫激酶硫酯酶硫酯酶二、代谢的单向性二、代谢的单向性 和多酶系统和多酶系统HK-p葡萄糖酶葡萄糖酶 2. 细胞中的酶常常为了催化一系列连锁反应细胞中的酶常常为了催化一系列连锁反应而联系成多酶系统，根据多酶系统结构的复而联系成多酶系统，根据多酶系统结构的复杂程度，可分三种类型：杂程度，可分三种类型： 酶分子呈溶解状态（如酶分子呈溶解状态（如EMP,PPP,-氧化氧化） 酶分子结构比较紧密酶分子结构比较紧密( (如如FA synthetase complex , Pyruvate

12、DHase complex,-KG DHase complex) 酶连接在膜上或核蛋白体上酶连接在膜上或核蛋白体上 ATPADP+Pi太阳能太阳能化学能化学能生物合成生物合成细胞运动细胞运动膜运输膜运输能荷能荷= =ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP三、三、 代谢与能量代谢与能量有机体从环境中获得能量的方式各有不同，有的利用有机体从环境中获得能量的方式各有不同，有的利用太阳的辐射能，有利用氧化还原反应释放的化学能不太阳的辐射能，有利用氧化还原反应释放的化学能不管哪种形式，细胞都能将它转化成高能分子管哪种形式，细胞都能将它转化成高能分子ATP。NADPH以还原力形式携带能量以还原力形式携

13、带能量还原性有机物还原性有机物 分解代谢分解代谢 氧化产物氧化产物还原性生物合成产物还原性生物合成产物 还原性生物合成反应还原性生物合成反应 氧化前体氧化前体NADPH+H+NADP+代谢的基本要略在于形成代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造单元用还原力和构造单元用于生物合成于生物合成基因表达的调节基因表达的调节（酶含量的调节）（酶含量的调节）A BEX 底物水底物水 平的调节平的调节酶水平酶水平的调节的调节酶活性的调节酶活性的调节酶含量的调节酶含量的调节酶的定位调节酶的定位调节辅助因子辅助因子的调节的调节产物调节产物调节酶酶是生物反应的催化剂，酶的相对数量决定代是生物反应的催化剂，酶的

14、相对数量决定代谢反应的进程和方向。通过酶的合成和降解，谢反应的进程和方向。通过酶的合成和降解，细胞内的酶含量和组分便发生变化，因而对代细胞内的酶含量和组分便发生变化，因而对代谢过程起调节作用。谢过程起调节作用。生物细胞的这种通过改变生物细胞的这种通过改变酶的合成和降解而调节酶的数量，被称为酶的合成和降解而调节酶的数量，被称为“粗粗调调”。通过粗调，细胞可以开动或完全关闭某。通过粗调，细胞可以开动或完全关闭某种酶的合成，或适当调整某种酶的合成和降解种酶的合成，或适当调整某种酶的合成和降解速度，以适应对这种酶的需要。速度，以适应对这种酶的需要。 Section 2 基因表达的调节基因表达的调节生物

15、体的每个活细胞都含有相同的一整套基生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。因。基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞）白基因（肌细胞）基因表达的调控基因表达的调控：生物有机体对其基因表达：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。制。本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质极少量的蛋白质一、原核生物基因的转录和翻译调控一、原核生物基因的转录和翻译调控原核生物的原核生物的DNA： 单个裸露的单个裸露的DNA 不编码占不编码占5% 转录

16、和翻译同一时间，地点进行转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控转录水平调控(主主) ，兼有翻译水平调控，兼有翻译水平调控n根据基因表达产物可划分：根据基因表达产物可划分： 组成型蛋白组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、：基因表达不受时期、部位、 环境影响环境影响组成型表达。组成型表达。 调节型蛋白调节型蛋白/适应型蛋白适应型蛋白：基因表达受时：基因表达受时 期、期、部位、环境影响部位、环境影响非组成型表达。非组成型表达。n一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在

17、它应该发挥作用的细胞内为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态?n结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。 DNA level Transcription level Translation level基因调控主要在三个水平上进行基因调控主要在三个水平上进行: : 突变子：突变的最小单位突变子：突变的最小单位 基因基因 重组子：交换的最小单位重组子：交换的最小单位 顺反子（作用子）：功能单位（基因）顺反子（作用子）：功能单位（基因） 基因可进一步分为不同类型：基因可进一步分为不同类型：

18、 (1)结构基因结构基因：可编码可编码RNA或蛋白质的一段或蛋白质的一段DNA 序列序列 (2)调控基因调控基因：其产物参与调控其他结构基因表其产物参与调控其他结构基因表 达的基因达的基因 (3)重叠基因重叠基因：指同一段指同一段DNA的编码顺序，由于的编码顺序，由于阅读框架阅读框架(ORF)的不同或终止早晚的不同，同时编的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象码两个或两个以上多肽链的现象 (4)隔裂基因隔裂基因：指一个结构基因内部为一个或更指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序，如内含子所隔裂的现象多的不翻译的编码顺序，如内含子所隔裂的现象 (5)跳跃基因跳跃基因

19、：可作为插入因子和转座因子移动可作为插入因子和转座因子移动的的DNA序列，有人将它作为转座因子的同义词序列，有人将它作为转座因子的同义词 (6)假基因假基因：同已知的基因相似，但位于不同位同已知的基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因能的基因 1、转录水平的调控、转录水平的调控 原核生物基因表达的调控主要发生在转原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平录水平当需要某一特定基因产物时，合成这种当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。当不需要这种。当不需要这种 产物时，产物时，mRNA转录受到抑制转录受到抑制 正调控：

20、正调控：是经是经诱导物诱导物诱导转录的调控机制，即诱导转录的调控机制，即诱导物与另一蛋白质结合形成一种诱导物与另一蛋白质结合形成一种激活子复合激活子复合物物，与基因启动子，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起序列结合，激活基因起始转录始转录 负调控：负调控：阻遏物阻止阻遏物阻止转录过程的调控，即转录过程的调控，即阻遏阻遏物物与与DNA分子结合，阻碍分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才能起动，产生，转录才能起动，产生mRNA分子分子 原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物原核生物中基因表达以负

21、调控为主。真核生物中则主要是正调控机制。中则主要是正调控机制。转录水平的负调控与正调控转录水平的负调控与正调控 2、乳糖操纵元、乳糖操纵元(可诱导操纵子可诱导操纵子) E.coli的乳糖降解代谢途径：的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当等发现，当E.coli生长在含有乳糖的培养基生长在含有乳糖的培养基上时，上时，Lactose代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没有有Lactose时，时，Lactose代谢基因不表达，乳糖代谢酶代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。合成停止。 Jacob和和Monod（1961）提出了）提出了乳糖操纵元乳糖操纵元模型模型，用来阐述

22、乳糖代谢中基因表达的调控机，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制制 负责乳糖代谢的负责乳糖代谢的3个酶：个酶：1、-半乳糖苷酶半乳糖苷酶2、半乳糖苷透性酶、半乳糖苷透性酶3、硫代半乳糖转乙酰、硫代半乳糖转乙酰基酶（具体功能不详）基酶（具体功能不详）操纵子模型操纵子模型（operon model) 操纵子模型操纵子模型是原核生物基因表达的调节机制。是原核生物基因表达的调节机制。大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被发现的操纵子大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被发现的操纵子（Monod和和Jacob，1961）操纵子及调节基因示意图操纵子及调节基因示意图操纵子操纵子Operon : 基因表达的协调单位基因表达的协

23、调单位, ,它们有共同的它们有共同的控制区和调节系控制区和调节系统统。包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位。包括在功能上彼此有关的结构基因和控制部位. . 或指染色体上控制（酶）蛋白质合成的功能单位，包或指染色体上控制（酶）蛋白质合成的功能单位，包括一个括一个操纵基因操纵基因，一群功能相关的，一群功能相关的结构基因结构基因以及在调节基以及在调节基因和操纵基因之间专管转录起始的因和操纵基因之间专管转录起始的启动基因启动基因（启动子）。（启动子）。 调控区调控区 信息区信息区 调节基因调节基因(i) 启动子启动子(p) 操纵基因操纵基因(o) 结构基因结构基因 操纵子操纵子 DNA控制蛋白质合

24、成的功能单位控制蛋白质合成的功能单位DNA控制蛋白质合成的功能单位控制蛋白质合成的功能单位乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因乳糖结构基因乳糖结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白 诱导剂诱导剂（乳糖（乳糖） -半乳糖半乳糖 苷酶苷酶半乳糖苷半乳糖苷通透酶通透酶硫半乳糖苷硫半乳糖苷转乙酰基酶转乙酰基酶启动子（基因）启动子（基因）操纵基因操纵基因基因合成的开关基因合成的开关关关阻遏蛋白阻遏蛋白阻挡阻挡操纵基因操纵基因，结构基因不表达，结构基因不表达开开诱导物诱导物阻止阻止阻遏蛋白阻遏蛋白功能发挥。功能发挥。 转录起点转录起点5/ 负（模）负（模） 3/ 上游（上游（） 下游（下游（+）

25、3/ -1 +1 正（编）正（编） 5/ mRNA 互补于负链互补于负链 转录单位的起点核苷酸为转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边，起点右边为为下游下游（转录区转录区），转录起点左侧为），转录起点左侧为上上游游，用负数表示：，用负数表示：-1，-2，-3。乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，其它操纵元转录外，其它因子也能有效地抑制因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子转录，这个因子的活性与的活性与Glc有关：有关：Glc抑制腺苷酸环化酶的活性抑制腺苷酸环化酶的活性腺苷酸环化酶催化腺苷酸环化酶催化ATPcAMPcAMP+代谢激

26、活蛋白代谢激活蛋白(CAP) cAMP-CAP复合物，作为复合物，作为操纵元的正调控因子操纵元的正调控因子 当当cAMP-CAP复合物的二聚体插入到复合物的二聚体插入到lac启启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯弯曲形成新的构型，曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种聚合酶与这种 DNA 新新构型的结合更加牢固，因而转录效率更高。构型的结合更加牢固，因而转录效率更高。在有葡萄糖存在时，不能形成在有葡萄糖存在时，不能形成cAMP，也就，也就没有操纵元的正调控因子没有操纵元的正调控因子cAMP-CAP复合物，复合物，因此基因不表达。因此基因不表达。 乳糖操纵子

27、的正调控乳糖操纵子的正调控RLacZLacYLacAmRNAmRNAZ mRNAY mRNAA基基 因因 表表达达CAP基因基因结构基因结构基因TCAPOCAP结结合部位合部位 RNA聚合酶聚合酶TcAMP - CAPP葡萄糖葡萄糖分解代分解代谢产物谢产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸二磷酸二酯酶酯酶ATPcAMP5-AMP抑抑制制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）降低降低cAMP浓度浓度使使CAP呈失活呈失活状态状态乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调

28、控ACAP-cAMPRZ Y AcAMPabmRNAEnzymes+CAPPBGCAPRabPXZ Y A 通过遗传分析证明Lac操纵元的存在；分离出阻遏蛋白，测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构 阻遏蛋白阻遏蛋白abO2O3O1la c Ip ro m o te rla c Ola c Z -8 2 -5 0 + 1 1 + 3 5+ 4 1 2R乳糖操纵元的不同调控位点乳糖操纵元的不同调控位点a：CAP结合位点；结合位点；b：RNA聚合酶结合位点；聚合酶结合位点； R：形成抑制环的区域形成抑制环的区域 3、色氨酸操纵元（、色氨酸操纵元（可阻遏操纵子可阻遏操纵

29、子） E.coli Trp操纵元是合成代谢途径中基因调控操纵元是合成代谢途径中基因调控的典型例子：的典型例子： Trp操纵元包括色氨酸合成中操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结构基因种酶的结构基因。 当培养基中有当培养基中有Trp时，时，Trp操纵元操纵元5种酶的转录种酶的转录同时受到抑制；同时受到抑制； 在在Trp供应不足时，发生转录供应不足时，发生转录 Trp直接作为直接作为共阻遏物或辅阻遏物共阻遏物或辅阻遏物(corepre-ssor) 而不是诱导物参与调控而不是诱导物参与调控Trp mRNA的转录。的转录。因此因此Trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元操纵元是一个典型的可阻遏操纵元 阻遏蛋白

30、阻遏蛋白操纵基因操纵基因结构基因结构基因调节基因调节基因mRNA酶蛋白酶蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。酶代谢产物一旦大量积累酶代谢产物一旦大量积累 Trp阻遏物阻遏物该阻遏物是该阻遏物是Dimer，2个单体（灰色和浅蓝色）以螺旋转角螺旋个单体（灰色和浅蓝色）以螺旋转角螺旋结构域与结构域与DNA结合。结合的结合。结合的Trp为分子为红色。为分子为红色。色氨酸操纵元的组成色氨酸操纵元的组成 负调控负调控正调控正调控操纵子的调控模型操纵子的调控模型诱导物诱导物诱导物诱导物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物 4、阿拉伯糖操纵元、阿拉伯糖操

31、纵元 阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系统阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系统，它具有一些与，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但与操纵元相似的特点，但与前述两种操纵元系统的显著区别是前述两种操纵元系统的显著区别是它的同一种它的同一种调控蛋白调控蛋白-Ara C调控蛋白调控蛋白既可起正调控既可起正调控,也可也可起负调控作用起负调控作用 ara CO2CAPara Bara Aara DAO IO1Rara CO2CAPara Bara Aara DO1BImRNACBADCCAPO1IO2DXAraCCAP-cAMPA、阿拉伯糖操纵、阿拉伯糖操纵元的组成。元的组成。R：调：调控基因控

32、基因araC编码编码AraC蛋白；蛋白；O：操：操纵子位点；纵子位点；I：诱导：诱导位点，具有位点，具有CAP结结合位点。合位点。B、有、有ara时，时，AraC与与I位点结合，位点结合，CAP-cAmp与与CAP位位点结合，诱导表达结构基因，为正调控点结合，诱导表达结构基因，为正调控C、无、无ara时，没有时，没有CAP-cAmp复合体与复合体与CAP位点结合位点结合，AraC二聚体二聚体(D)与与I及及O2同时结合，形成抑制环，抑同时结合，形成抑制环，抑制转录，表现为负调控。制转录，表现为负调控。 5、翻译水平的调控、翻译水平的调控 反馈调控机制：反馈调控机制：大肠杆菌有大肠杆菌有7个操纵

33、元与核糖个操纵元与核糖体蛋白质合成有关。从这些操纵元转录的每体蛋白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种一种mRNA，能够被同一操纵元编码的核糖，能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。体蛋白质识别与结合。如果其中有一种核糖如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与其自身的体蛋白质过量积累，都将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常这种结合位点通常包括包括mRNA 5端非翻译区，也包括启动子区端非翻译区，也包括启动子区域的域的 Shine-Dalgarno 序列序列。 反义反义RNA调控：调控：反义反义RNA可与目的基因的可与目的基因的5互互补配对，

34、配对的区域通常也包括启动子的补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使序列，使mRNA不能与核糖体不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。有效结合，从而阻止蛋白质的合成。反义反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。 作业题 原核生物中共阻遏物和诱导物如何原核生物中共阻遏物和诱导物如何对基因表达起调控作用。对基因表达起调控作用。 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基因组高等真

35、核生物的基因组远比细菌的基因组大得多大得多 2）很多重复序列与调控作用有关很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控，也存在同一染色体上不同基因间的调控，也存在不同染色体之间的基因调控存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修水平，转录水平，转录后修饰，翻译水平和翻译后修饰等多种层次。饰，翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数多数基因表达调控发生在转录水平基因表达调控发生在转录水平二、真核生物的基因调控二、真核生物的基因调控一、一、DNA的改变的改变（1）基因剂量与基

36、因扩增）基因剂量与基因扩增 组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型例子。组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型例子。为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞含有数百个组蛋白基因拷贝胞含有数百个组蛋白基因拷贝 基因剂量可经基因扩增临时增加。人类癌细胞基因剂量可经基因扩增临时增加。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。有些致癌基因扩增的速度导致细胞生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。 （2）DNA重排重排 真核生物基因组中的

37、真核生物基因组中的DNA序列可发生序列可发生重排，这种重排是由特定基因组的遗传信重排，这种重排是由特定基因组的遗传信息所决定的，是有些基因调控的重要机制息所决定的，是有些基因调控的重要机制。 抗体分子的基本结构抗体分子的基本结构NNCCVVCHL动物抗体基因重排动物抗体基因重排一个抗体分子一个抗体分子包括两条重链包括两条重链( H )和两条轻和两条轻 ( L )。氨基端氨基端( N )是变是变异区异区( V )，羧基，羧基端端( C )是恒定区是恒定区( C ) （3）DNA甲基化甲基化真核生物中，少数胞嘧啶第真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个甲碳上的氢被一个甲基取代，甲基化。甲基化基取

38、代，甲基化。甲基化C在在DNA复制中可整合复制中可整合到正常到正常DNA序列中。序列中。C甲基化在甲基化在CG双核苷酸序列双核苷酸序列中发生频率最高。许多真核中发生频率最高。许多真核生物基因生物基因5端端未翻译区富含未翻译区富含CG序列，易甲序列，易甲基化。甲基化基化。甲基化可降低转录效率。可降低转录效率。二、转录水平的调控二、转录水平的调控 (1)启动子与转录因子启动子与转录因子同原核生物一样，同原核生物一样，真核生物基因启动子真核生物基因启动子包括所包括所有顺式调控元件及有顺式调控元件及RNA聚合酶识别位点，可以起聚合酶识别位点，可以起始转录形成始转录形成RNA。 顺式调控元件（顺式调控元

39、件（Cis-acting element）:指基因转录指基因转录起点上游与基因表达调节有关的特异序列。起点上游与基因表达调节有关的特异序列。顺式调控元件顺式调控元件启动子识别启动子识别RNA聚合酶与之结合聚合酶与之结合增强子促进转录增强子促进转录沉默子是负调节蛋白作用的位点沉默子是负调节蛋白作用的位点等等转录因子或反式作用因子（转录因子或反式作用因子（Trans-acting factor）指识别、结合顺式调控元件的特异蛋白质，激指识别、结合顺式调控元件的特异蛋白质，激活真核生物基因转录。活真核生物基因转录。 真核生物基因转录与原核生物的一个重要区别真核生物基因转录与原核生物的一个重要区别是是

40、：真核生物基因的启动子必须与一系列转录因：真核生物基因的启动子必须与一系列转录因子结合，才能在子结合，才能在RNA聚合酶的作用下起始转录聚合酶的作用下起始转录 转录因子转录因子基本转录因子基本转录因子结合在结合在TATA box 和转录起点，和转录起点，与与RNA聚合酶共同形成起始复合物。聚合酶共同形成起始复合物。上游因子上游因子结合在启动子和增强子的上游控制位结合在启动子和增强子的上游控制位点。点。可诱导因子可诱导因子与应答元件相互作用与应答元件相互作用转录方向用箭头表示，转录起始点用转录方向用箭头表示，转录起始点用+1表示表示AG G G C G GG G C C A A T CT A T

41、 A A AG C B o xC A A T B o xT A T A B o x+ 1- 1 1 0- 7 0- 3 0BT T G A C AT A T A A T- 3 5- 1 5- 3 5 B o xT A T A B o x真核生物基因真核生物基因(A) 在在5 端启动子的顺式调控元件端启动子的顺式调控元件原核生物基因原核生物基因(B)在在5 端启动子的顺式调控元件端启动子的顺式调控元件(2)强化子（增强子）强化子（增强子） 转录强化子是真核生物基因转录中的另一种顺转录强化子是真核生物基因转录中的另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游式调控元件，通常位于启动子上游700-1000b

42、p处，离转录起始点较远处，离转录起始点较远 与转录激活子结合，改变染色质的构型与转录激活子结合，改变染色质的构型 使使DNA弯曲形成环状结构，使强化子与弯曲形成环状结构，使强化子与启动子直接接触，以便通用转录因子、转录启动子直接接触，以便通用转录因子、转录激活子、激活子、RNA聚合酶一起形成转录复合体聚合酶一起形成转录复合体，从而提高，从而提高mRNA合成效率合成效率 强化子主要有两个功能强化子主要有两个功能: :DNA环化与转录活性环化与转录活性 强化子竞争控制基因表达强化子竞争控制基因表达 (3)激活子激活子 激活子激活子是一种与强化子结合的蛋白质，也属是一种与强化子结合的蛋白质，也属 于

43、一种转录因子于一种转录因子 正激活子正激活子 真激活子真激活子 （促进转录）（促进转录） 抗阻遏物激活子抗阻遏物激活子激活子激活子 负激活子：抑制转录负激活子：抑制转录转录因子转录因子反式作用因子（转录因子）反式作用因子（转录因子）识别结合识别结合DNA的主要几种基序结构的主要几种基序结构 Zinc finger Leucine ziper 常见的常见的DNA结合域：结合域： 锌指（锌指（zinc finger）由由Cys-His与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型(a)模式图模式图 (b)与与DNA结合，一个手指与结合，一个手指与DNA大沟结合大沟结合 亮

44、氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper） 二聚体形成的拉链二聚体形成的拉链(a)模式图模式图 (b)与与DNA结合时的剪刀状构型结合时的剪刀状构型 螺旋环螺旋（螺旋环螺旋（helix-loop-helix）衰减子衰减子: : 是是DNA分子中的调控序列，首先发现在分子中的调控序列，首先发现在细菌细菌Trp操纵子中，此类序列具有使操纵子中，此类序列具有使转录终止转录终止的作的作用，即一种位于结构基因上游前导区的终止子。用，即一种位于结构基因上游前导区的终止子。增强子：增强子：是是DNA分子中的调控序列，发现真核生分子中的调控序列，发现真核生物和病毒中，远距离作用于同一条物和病毒中，远

45、距离作用于同一条DNA的启动子，的启动子，对转录起对转录起增强作用增强作用。衰减作用衰减作用(attenuation)衰减子作用衰减子作用1、真核细胞基因转录起点上游与基因表达调控有关、真核细胞基因转录起点上游与基因表达调控有关的主要顺式作用（调控）元件有哪些？他们的主要功的主要顺式作用（调控）元件有哪些？他们的主要功能是什么？能是什么？ 2、简述原核细胞简述原核细胞DNA复制与复制与RNA的生物合成有何不的生物合成有何不同。同。 3简述原核细胞蛋白质合成的过程。简述原核细胞蛋白质合成的过程。 4、真核细胞、真核细胞RNA聚合酶的细胞定位和合成聚合酶的细胞定位和合成RNA的类的类型如何。型如何

46、。 5蛋白质合成体系需要哪些生物大分子参加？其功蛋白质合成体系需要哪些生物大分子参加？其功能分别是什么？能分别是什么？作业题：作业题： 复习思考题：复习思考题： 1. 1. 概念：概念：（1 1）操纵子）操纵子（2 2）增强子）增强子（3 3）顺式作用元件）顺式作用元件 （4 4）反式作用因子）反式作用因子（5 5）基因组）基因组（6 6）基因表达）基因表达 2. 2. 简述操纵子的结构与功能。简述操纵子的结构与功能。 3. 3. 简述乳糖操纵子的调控原理。简述乳糖操纵子的调控原理。 4. 4. 简述基因表达调控的主要要素。简述基因表达调控的主要要素。三、转录后的调节三、转录后的调节 转录后的

47、调节：转录后的调节：对对mRNA转录后的加工转录后的加工（也称为成熟）、输出核外、胞浆内定位和（也称为成熟）、输出核外、胞浆内定位和降解等过程的调控降解等过程的调控.包括：包括： 1、真核生物、真核生物mRNA转录后的加工转录后的加工 2、转录产物由细胞核向胞质运输、转录产物由细胞核向胞质运输 3、mRNA在胞质中的定位在胞质中的定位四、翻译水平的调节四、翻译水平的调节 翻译水平的调节的类型：翻译水平的调节的类型： 不同不同mRNA翻译能力的差翻译能力的差异、翻译阻遏作用、反义异、翻译阻遏作用、反义RNA的作用的作用 1. 翻译阻遏翻译阻遏（translational repression）

48、当有过量核糖体蛋白质存在时，可引起它自身以及有当有过量核糖体蛋白质存在时，可引起它自身以及有关蛋白质合成的阻遏。这种在翻译水平上的阻遏作用叫关蛋白质合成的阻遏。这种在翻译水平上的阻遏作用叫翻译阻遏。翻译阻遏。 2.反义反义RNA 反义反义RNA指具有互补序列的指具有互补序列的RNA。亦称为干扰亦称为干扰 mRNA的互补的互补RNA。（。（调节基因表达；抑制有害基调节基因表达；抑制有害基因的表达）因的表达） 原核生物和真核生物的调节方式是有所不同原核生物和真核生物的调节方式是有所不同 原核生物原核生物mRNA翻译水平的调节：翻译水平的调节：受控于受控于5末端与核末端与核糖体的结合部位，该部位通常

49、位于起始密码子糖体的结合部位，该部位通常位于起始密码子AUG上上游约游约10个核苷酸的地方，往往由一段富含嘌呤的序列个核苷酸的地方，往往由一段富含嘌呤的序列组成，称为组成，称为SD序列序列（Shine-Dilgavno)。凡有明显凡有明显SD序序列特征性部位，翻译起始频率就高，反之则低。列特征性部位，翻译起始频率就高，反之则低。 真核生物在翻译水平上的调节：真核生物在翻译水平上的调节：主要是控制主要是控制mRNA的的稳定性和有选择的进行翻译。稳定性和有选择的进行翻译。 mRNA的加帽和加尾修的加帽和加尾修饰有利于饰有利于mRNA的稳定的稳定五、酶降解的调节五、酶降解的调节酶合成的诱导和阻遏作用

50、可以调节酶的数量，相酶合成的诱导和阻遏作用可以调节酶的数量，相反反,酶的降解速度也能调节细胞内酶的含量。酶的降解速度也能调节细胞内酶的含量。酶的降解是由特异的蛋白质水解酶催化的。在细酶的降解是由特异的蛋白质水解酶催化的。在细胞内常含有各种水解酶，其水解蛋白质的种类和胞内常含有各种水解酶，其水解蛋白质的种类和速度随细胞的生长状态和环境条件而不断变化。速度随细胞的生长状态和环境条件而不断变化。如大肠杆菌在指数生长期，蛋白酶的总活性较低，如大肠杆菌在指数生长期，蛋白酶的总活性较低，但当大肠杆菌由于营养缺乏而处于静止期时，便但当大肠杆菌由于营养缺乏而处于静止期时，便诱导合成蛋白水解酶，分解细胞内不需要

51、的蛋白诱导合成蛋白水解酶，分解细胞内不需要的蛋白质质植物种子在萌发时蛋白酶的合成速度也明显增植物种子在萌发时蛋白酶的合成速度也明显增加，用于分解种子中的贮藏蛋白质供幼苗生长之加，用于分解种子中的贮藏蛋白质供幼苗生长之用。用。 细胞内酶的数量决定于其合成速度与降解速度细胞内酶的数量决定于其合成速度与降解速度的比值，是多种因素综合作用的结果。的比值，是多种因素综合作用的结果。Section 3 酶活性的调节酶活性的调节酶原激活酶原激活Activation of proenzyme(prozyme,enzymogen) 酶的变构调节酶的变构调节 Allosteric regulation 酶的共价修

52、饰和级联系统酶的共价修饰和级联系统 Covalent modification and cascade amplification of enzyme 前馈和反馈作用前馈和反馈作用 Feedforward and feedback 1.酶原：酶原：酶的无活性前体。酶的无活性前体。 2.酶原激活酶原激活（不可逆的共价修饰）：（不可逆的共价修饰）：某些酶先某些酶先以无活性的酶原形式合成或分泌，然后在到达以无活性的酶原形式合成或分泌，然后在到达作用部位时由其它酶作用，使其作用部位时由其它酶作用，使其失去部分肽段失去部分肽段从而形成或暴露活性中心、形成有活性酶分子从而形成或暴露活性中心、形成有活性酶分

53、子的过程的过程。 一、酶原激活一、酶原激活Activation of chymotrypsinogenchymotrypsinogen trypsin（245AA残基）残基）A chain + B chain （1-15）（16-245）C chain + D chain + E chain （1-13） （ 16-146 ） （ 149-245） chymotrypsin -胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶Ser14-Arg15Thr147-Asn148水解芳香族水解芳香族AA羧基形成的肽键羧基形成的肽键Chymotrypsinogen 5 5对二硫键对二硫键Chymotrypsin 5 5对二硫键

54、对二硫键 Trypsinogen六肽六肽肠激酶肠激酶TrypsinChymotrypsinogenChymotrypsinProelastaseElastaseProcarboxypeptidaseCarboxypeptidase水解水解Arg Lys羧基形成的肽键羧基形成的肽键Activation and function of trypsinogenTrypsinogenTrypsin 电荷接力系统电荷接力系统（电荷中继网）（电荷中继网）二、酶的共价修饰和级联系统酶的共价修饰和级联系统 1. 共价修饰共价修饰（Covalent modification）：）： 指在专一性酶的催化下，某些小

55、分子基指在专一性酶的催化下，某些小分子基团共价地结合到被修饰的酶分子上，使被团共价地结合到被修饰的酶分子上，使被修饰酶的活性发生改变，从而调节酶活修饰酶的活性发生改变，从而调节酶活性。性。 （1）共价修饰调节酶：）共价修饰调节酶：即通过共价修饰调节活性即通过共价修饰调节活性的酶叫共价修饰调节酶。的酶叫共价修饰调节酶。（2）共价修饰的类型：）共价修饰的类型： 磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化（主要存在于动、植细胞中）（主要存在于动、植细胞中） 腺苷酰化腺苷酰化/去腺苷酰化；去腺苷酰化；（主要存在细菌中）（主要存在细菌中） 乙酰化乙酰化/去乙酰化；尿苷酰化去乙酰化；尿苷酰化/去尿苷酰化；去尿苷酰化；

56、 甲基化甲基化/去甲基化；去甲基化；S-S/SH蛋白质的化学修饰：蛋白质的化学修饰：是指在较温和的条件下，以可控制的方是指在较温和的条件下，以可控制的方式使蛋白质与某种试剂（称化学修饰剂）式使蛋白质与某种试剂（称化学修饰剂）起特异反应，以引起蛋白质中个别氨基起特异反应，以引起蛋白质中个别氨基酸侧链或功能团发生共价化学改变。酸侧链或功能团发生共价化学改变。糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的调节糖原磷酸化酶和糖原合成酶活性的调节 糖原的合成糖原的合成 糖原合成酶糖原合成酶a (脱磷酸化，有活性脱磷酸化，有活性) 糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶b (脱磷酸化，无活性脱磷酸化，无活性)ATP ADPPi H2O

57、糖原合成酶糖原合成酶b（磷酸化，无活性（磷酸化，无活性) )糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶a（磷酸化，有活性）（磷酸化，有活性）ATP ADPPi H2O糖原的分解糖原的分解 2. 级联系统（级联系统（cascade system）：）： 连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其它酶被激活，导致原始信号的放大。这样的连锁代它酶被激活，导致原始信号的放大。这样的连锁代谢反应系统叫谢反应系统叫级联系统级联系统。 实例：实例：肾上腺素肾上腺素作用于膜受体，引起效应器活作用于膜受体，引起效应器活化，进而引发一系列的胞内连锁反应。化，进而引发一系列的胞内连锁反应。依

58、赖于依赖于cAMP的蛋白激酶叫蛋白激酶的蛋白激酶叫蛋白激酶A protein kinase A（PKA）肾上腺素的级联放大作用肾上腺素的级联放大作用（1） 使信号使信号（激素信号）（激素信号）放大放大:（肾上腺素浓度（肾上腺素浓度 10-810-10 mol/L，可引起强烈的胞内效应可引起强烈的胞内效应产生产生葡萄糖葡萄糖5.0mmol/L）（2）提供了更多的调控位点，使代谢过程能对细胞内提供了更多的调控位点，使代谢过程能对细胞内外多种因素的变动作出调整外多种因素的变动作出调整（3）使关键的调节酶能够更灵敏和更灵活地控制代谢）使关键的调节酶能够更灵敏和更灵活地控制代谢反应，在不同情况下对各种代谢物和终产物有不同反应，在不同情况下对各种代谢物和终产物有不同的应答反应。的应答反应。肾上腺素肾上腺素-cAMP的信号转导途径的信号转导途径受体受体G蛋白（一类蛋白（一类GTP结合蛋白）结合蛋白） 肾上腺素主要是调节糖代谢肾上腺素主要是调节糖代谢, 它能够促进它能够促进 肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中 的