生物合成调节机理调节

生物合成调节机理调节第1页，课件共62页，创作于2023年2月第五章

酶的生物合成及调节机理第2页，课件共62页，创作于2023年2月组成型酶：在细胞中量比较恒定的酶;适应型酶：酶合成明显受环境因素影响,调节型酶;在转录和翻译的过程中，许多因素都会影响酶的生物合成；为了使代谢有条不紊进行，需对适应型酶的生物合成进行调节；包括：转录水平,转录产物加工,翻译水平,翻译产物加工,酶降解调节等。在所有的生物中，转录水平的调节控制对酶的生物合成至为重要；转录水平的调节控制又称基因的调节控制；第三节酶生物合成的调节第3页，课件共62页，创作于2023年2月原核和真核基因组基因（gene）是指DNA分子中的最小功能单位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。基因组（genome）是指某一特定生物单倍体所含的全体基因。原核细胞的“染色体”DNA分子就包含了一个基因组；而在真核细胞中则是指一套单倍染色体的的全部基因。第4页，课件共62页，创作于2023年2月原核生物基因组的特点1、基因组小，单复制子，DNA分子上大部分是编码蛋白质的基因，因此多数为单拷贝或仅有少量重复；2、功能相同的基因常串联在一起，转录在同一个mRNA中（多顺反子）；3、有基因重叠，以此增加信息容量。第5页，课件共62页，创作于2023年2月真核生物基因组的特点1、基因组大，有多个复制子；mRNA为单顺反子；2、有大量重复序列，根据重复次数可分为：

单拷贝序列，主要编码蛋白质，数量多，但含量少

中度重复序列，可重复几十到几千次，编码tRNA、rRNA和表达量大的蛋白质高度重复序列，可重复几百万次，不编码，有高度变异性，可作指纹图谱分析3、有断裂基因，即基因中有外显子区和内含子区，转录后经剪切去掉内含子后才成为可翻译的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多数不编码序列，在基因表达调控中起重要作用。第6页，课件共62页，创作于2023年2月1960，Jacob和Monod提出的操纵子学说阐明；与生物合成相关的四个基因：调节基因Regulatorgene；启动基因Promotergene；操纵基因Operatorgene；结构基因Structuralgene；一、原核生物中酶合成的调节机制第7页，课件共62页，创作于2023年2月结构基因（S）遗传信息转录遗传密码mRNA翻译多肽链（酶蛋白）；操纵基因（O）与一种变构蛋白（R产生的）特异性结合，操纵酶的合成与速度；启动基因（P）决定酶的合成能否开始；两个结合位点：RNA聚合酶结合位点、环腺苷酸（cAMP）－环腺苷酸接受蛋白（CRP）复合物的结合位点；第8页，课件共62页，创作于2023年2月调节基因（R）产生一种变构蛋白，其通过与低分子作用物（诱导、阻遏）特异结合，改变其结构，改变其与操纵基因（O）的结合力；①当阻抑蛋白结合到操纵基因（O），RNA聚合酶无法通过操纵基因而进入到结构基因位置，酶就无法合成；②当阻抑蛋白改变结构不与操纵基因结合，RNA聚合酶才有可能通过操纵基因而进入到结构基因位置，进行转录，进而翻译成酶蛋白多肽链。第9页，课件共62页，创作于2023年2月操纵子——原核基因表达的协同单位操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）启动子（premotor,P）原核生物酶合成调节的遗传机制

操纵子学说无调节基因（R）第10页，课件共62页，创作于2023年2月酶的诱导和阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因启动基因调节基因结构基因

阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达阻遏蛋白(无活性)酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达代谢产物第11页，课件共62页，创作于2023年2月1、分解代谢物的阻遏作用（link）2、酶生物合成的诱导作用（link）3、酶生物合成的反馈阻遏作用（link）

go结构基因、操纵基因与启动基因合称为操纵子；分诱导型、阻遏型，据此，转录水平有3模式：第12页，课件共62页，创作于2023年2月指易利用的碳源阻遏某些酶生物合成的现象；

碳源过量代谢途径降解

放出能量部分存在ATP

AMP浓度降低

cAMP，cAMP－CRP浓度降低

启动基因（P）上没有cAMP－CRP

RNA聚合酶也无法结合到P

结构基因（S）上的信息无法转录

酶无法合成。（一）分解代谢物的阻遏作用第13页，课件共62页，创作于2023年2月实质：cAMP通过启动基因对酶生物合成的调节；解决方法：控制好易用碳源；加一定量的cAMP.Back第14页，课件共62页，创作于2023年2月（二）、酶生物合成的诱导作用定义：加入某些物质，使酶的生物合成加速的现象；诱导物：酶催化底物或类似物；乳糖操纵子中酶生物合成诱导过程如图5-10;第15页，课件共62页，创作于2023年2月大肠杆菌乳

糖

操

纵

子

模型调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacamRNA

阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLaca调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa

阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构

B、乳糖酶的诱导

乳糖

阻遏蛋白（有活性）第16页，课件共62页，创作于2023年2月图5-10酶生物合成的诱导作用（A）无诱导物时（B）添加诱导物Back第17页，课件共62页，创作于2023年2月（三）、酶生物合成的反馈阻遏作用定义：酶催化产物或代谢途径末端产物使该酶生物合成受阻遏之现象，又称产物阻遏作用；共阻遏物：引起反馈阻遏的物质（corepressor)乳糖操纵子例(link)；色氨酸操纵子例1，基因调节(link)；2，衰减子调节(link)。Back第18页，课件共62页，创作于2023年2月乳糖操纵子的降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCGP(CAP)OCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）

CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）降低cAMP浓度使CAP呈失活状态back第19页，课件共62页，创作于2023年2月图5-12酶生物合成的反馈阻遏作用back第20页，课件共62页，创作于2023年2月大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制Trp密码子111232233444核糖体核糖体转录继续转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位，3与4碱基配对，转录终止。A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。B.低浓度色氨酸使核糖体停留在1部位，转录得以完成。back第21页，课件共62页，创作于2023年2月二、真核生物酶合成的调节大多从DNA结构与功能进行研究；无统一的理论与模型；第22页，课件共62页，创作于2023年2月真核生物基因表达调控DNA转录初产物RNAmRNA蛋白质前体mRNA降解物活性蛋白质DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译调节mRNA降解调节翻译后加工的调节核细胞质

真核基因表达调控的五个水平

DNA水平调节转录水平调节转录后加工的调节翻译水平调节翻译后加工的调节真核基因调控主要是正调控顺式作用元件和反式作用因子转录因子的相互作用控制转录第23页，课件共62页，创作于2023年2月真核细胞中酶生物合成阐述内容：1、细胞分化改变酶的生物合成；2、基因扩增加速酶的合成;3、增强子促进酶的合成;4、抗原诱导酶的合成。第24页，课件共62页，创作于2023年2月（一）细胞分化改变酶的生物合成细胞基因表达的时空性；随细胞分化，酶的生物合成受不同调节控制发生变化；典型例子：细胞衰老，癌症；相关酶：端粒酶；第25页，课件共62页，创作于2023年2月端粒酶端粒：真核生物染色体末端结构由富含GT的DNA重复序列重复而成端粒作用:保护真核生物染色体免遭破坏。一、细胞中有核酸酶等破坏因素;二、真核生物DNA复制中的”末端复制问题”端粒酶作用：以本身的RNA组分为模板把端粒重复序列加到染色体DNA末端,催化端粒合成与延长。人体正常细胞内检测不到端粒酶的活性，分化程度低的癌细胞则有。第26页，课件共62页，创作于2023年2月（二）基因扩增加速酶的合成Geneamplification,通过增加基因数量调节基因表达的一种方式;发生在个体发育某阶段或细胞分化某一过程;或可由选择压力引起，作为应急手段;第27页，课件共62页，创作于2023年2月（三）增强子促进酶的合成增强子modulator又称调变子，是一段高效增强或促进基因转录的DNA序列；重要性：促进同源或异源启动基因的转录活性增强效果可达1000倍；发现：猴子病毒SV40中发现;作用:1,控制某些基因表达；2,高效增强某些基因表达；特性:具有细胞或组织特异性。第28页，课件共62页，创作于2023年2月（四）抗体酶生物合成的诱导抗体酶：abzyme,催化性抗体(catalyticantibody),一类具生物催化功能的抗体分子;抗体：由抗原诱导产生并与抗原具特异性结合功能的免疫球蛋白;1948，Pauling酶过渡态理论：酶与底物结合在过渡态时最强;1975，Kohler,Milstein,单克隆抗体技术；1986年，Lerner,Schultz,催化性抗体；方法：修饰法、诱导法；第29页，课件共62页，创作于2023年2月1、半抗原诱导法以预先设计的过渡态类似物作为半抗原；过程：还可采用普遍原则根据酶催化特点与催化机制设计；如酯类水解反应的过渡态化合物；aa免疫单克隆化bb反应过渡态第30页，课件共62页，创作于2023年2月2、酶蛋白诱导法以某种蛋白酶作为抗原诱导抗体酶产生；过程：酶第一次免疫第二次免疫抗体酶第31页，课件共62页，创作于2023年2月第四节酶活性的调节必要性：使新陈代谢按照一定规律进行；方式：1，对单独一种酶：激活剂与抑制制调节,共价修饰,变构调节;2，代谢途径中的酶：反馈调节；第32页，课件共62页，创作于2023年2月方式有1，激素的调节；2，酶浓度调节；3，抑制剂与激活剂；4，酶原激活（不可逆共价）；5，（可逆）共价修饰调节；6，别构酶的反馈调节；7，金属离子和其它小分子化合物。第33页，课件共62页，创作于2023年2月一、激活剂与抑制剂对酶活性的调节激活作用:某些酶在某些物质作用下才表现出酶催化活性或使之增强的作用;主要激活剂有:各种无机离子、小分子化合物和某些蛋白酶生物大分子;如2.6-二磷酸果糖是磷酸果糖激酶激活剂，cAMP对蛋白酶的激活。第34页，课件共62页，创作于2023年2月抑制作用:某些酶在某些物质作用下酶催化活性降低甚至丧失的作用;主要抑制剂有:各种无机离子、小分子有机物、蛋白质等；真核生物中有许多蛋白酶活性经酶原活化作用实现，同时也有酶抑制剂保证需要时才进行酶原活化，如抑制肽对胰蛋白的抑制；第35页，课件共62页，创作于2023年2月二不可逆共价调节（酶原激活）胰脏腺泡细胞合成几种水解蛋白质的酶，，先以酶原形式存在，再在激素（肠促胰酶肽）调节下释放到十二指肠，共协调进行蛋白质消化反应，而协调是由一个共同因素来达到，即这些酶原全由胰蛋白酶作用而活化。胰蛋白酶酶胰蛋白酶肠肽酶胰凝乳蛋白酶原活化弹性蛋白酶原活化羧肽酶活化第36页，课件共62页，创作于2023年2月要点：1，为阻止胰蛋白酶原活过早活化，有另一附加机制，即胰分泌物中的抑制蛋白与酶原颗粒中存在的可能有活性的酶紧紧的结合，确保胰蛋白酶原在合理时间与地点才活化！故胰蛋白酶原只有遇到肠肽酶时才活化！2，上图也显示了信号放大作用。少量肠肽酶可迅速产生大量胰蛋白酶，而胰蛋白酶随即将产生更大量的活性酶！第37页，课件共62页，创作于2023年2月三、可逆共价修饰*****可逆共价修饰酶是指通过可逆的共价修饰作用,使酶的活性发生相互转变的酶;因为有些酶是以两种形式存在生物体内，活性受到其它酶调节，在其它酶作用下该酶结构发生共价修饰改造，从而在有活性与无活性间转换。磷酸化酶就是典型代表。最常见的方式有:1、磷酸化-脱/去磷酸化反应循环；2、腺苷酰化与脱腺苷酰化；作用：在一定条件下，通过两种形式酶的相互转变快速地转变胞内酶的活性，对代谢环境改变快速应答的功能！己发现有几十种酶存在此功能。第38页，课件共62页，创作于2023年2月1、磷酸化与脱/脱磷酸化反应循环例1：磷酸化酶（phosphorylas)，存在a型（不需AMP即有活性）与b型（需AMP）酶，共价结构唯一区别：b型的Ser14羟基是游离的，此段肽链是柔性易变的，a型的则已磷酸化，肽链段是刚性，是磷酸化的Ser14侧链与带正电的第69位精氨酸(Arg69)残基的侧链作用结果。磷酸化酶b磷酸化酶a(E-CH2OH)(E-CH2-O-PO32-)4ATP4ADPMg2+4H3PO44H2O无活性有活性磷酸化激酶磷酸酶第39页，课件共62页，创作于2023年2月具体例子，如糖元磷酸化酶，它催化糖单位的磷酸化：糖元（Gn)+H3PO4G-1-P+糖元（Gn-1)糖元磷酸化酶该酶就是以两种形式存在，磷酸化酶b与磷酸化酶a；现在的问题是两种酶的形式是如何转变的？磷酸化酶b转变为磷酸化酶a需磷酸化酶激酶等组成的级联反应体系催化之，磷酸化酶a通过磷酸化酶的磷酸酯酶催化逆转为酶b;第40页，课件共62页，创作于2023年2月（磷酸化酶激酶的激酶）（磷酸化酶激酶的激酶）磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶磷酸化酶b磷酸化酶aATPcAMPADPATP**酶：表示活性酶肾上腺素与细胞表面受体结合蛋白激酶腺苷酸环化酶R（调节亚基）+2C（催化亚基，有活性）ATPADP蛋白激酶家族介绍（见后！）第41页，课件共62页，创作于2023年2月由此可见，磷酸化酶需由磷酸化酶激酶激活；而磷酸化酶激酶本身也要磷酸化后才有活性！催化这一反应的的为另一种激酶（蛋白激酶）！！蛋白激酶（proteinkinase)(包括磷酸化酶激酶）的功能是催化蛋白酶磷酸化，与之相应的是磷酸蛋白磷酸酯酶；蛋白质的可逆磷酸化与脱磷酸化认为是生物活性的一种基本调节机制，通过这种机制细胞就能对内外信号因子作出响应，调节生化与生理过程，控制基因的表达，细胞的生长与分化甚至细胞的癌变与逆转化等！第42页，课件共62页，创作于2023年2月蛋白激酶家族介绍***蛋白激酶是一个大家族，基因组中大约有1%的基因编码蛋白激酶；有的和第二信使cAMP、Ca2+-CaM(钙调蛋白)与cGMP等偶联起激素信号的转化放大作用；有的接受第二信使二酰基甘油的信息控制细胞增殖生长分化；这类激酶催化的是SerThr残基的磷酸化，称为SerThr激酶；与此相对的是酪氨酸残基磷酸化，是一些跨膜蛋白;在这类蛋白激酶中，有的是胰岛素和生长激素的受体，有的是致癌因子的受体第43页，课件共62页，创作于2023年2月蛋白激酶的分类*蛋白激酶是一类别构酶分子中包含催化亚基与调节亚基；根据其对信号分子的要求可分为以下几类：1依赖于cAMP的蛋白激酶；2依赖于Ca2+-钙调蛋白的蛋白激酶；3依赖于cGMP的蛋白激酶；4依赖于二酰基甘油的蛋白激酶；5酪氨酸蛋白激酶。第44页，课件共62页，创作于2023年2月1依赖于cAMP的蛋白激酶CyclicAMPdependentproteinkinase也称A激酶，要求cAMP激活；A激酶的靶蛋白是磷酸化酶激酶，另一个是糖元合成酶；不同类型细胞有不同蛋白，故对cAMP的效应不同；cAMP的效应是短暂的;第45页，课件共62页，创作于2023年2月2依赖于Ca2+-钙调蛋白的蛋白激酶CaM-激酶，受Ca2+-钙调蛋白络合物调节；如最早知道的是肌球蛋白轻链激酶；A激酶与CaM激酶均调节糖元分解与合成；第46页，课件共62页，创作于2023年2月3依赖于cGMP的蛋白激酶G激酶，需cGMP激活；天然底物目前不清楚；4依赖于二酰基甘油的蛋白激酶C激酶，PKC，被二酰基甘油DAG激活；第47页，课件共62页，创作于2023年2月5酪氨酸蛋白激酶Proteintyrosinekinase,PTK;催化ATP末端磷酸基团转至受体蛋白酪氨酸羟基使受体蛋白活化；第48页，课件共62页，创作于2023年2月细胞传导两条基本途径1、七个跨膜段组成的细胞膜受体，与信号分子结合后作用G蛋白再作用蛋白引起第二信使的生成与改变导致蛋白激酶活化；2、跨膜tyrosine激酶，受体与胞外侧信号分子结合激活内侧的催化结构域导致细胞的生长与分化；第49页，课件共62页，创作于2023年2月总结：磷酸化/脱磷酸化可逆共价调节的特点①由不同酶催化的一种酶活性形式的可逆平衡调节；②通过级联体系进行；③一个信号可能同时通过两个或多个磷酸化/脱磷酸化调节体系协同作用；第50页，课件共62页，创作于2023年2月2、腺苷酰化与脱腺苷酰化大肠杆菌谷氨酰胺合成酶由ATP供能催化谷氨酸与氨反应生成谷氨酰胺，因此参与了氨基酸的脱氨作用，而动物中的氨基氮可用于谷氨酸、色氨酸、组氨酸嘌呤、嘧啶核苷酸及氨基糖的合成。脑细胞中存在大量谷氨酰胺与谷氨酸，会降低酮戊二酸量从而干扰了TCA循环与能量代谢。故谷氨酰胺合成酶活性需调控！酮戊二酸+谷氨酰胺+NADPH+H+2谷氨酸+NADP+谷氨酸+NH3+ATP谷氨酰胺+ADP+Pi第51页，课件共62页，创作于2023年2月该酶两种形式，一是亚基中的酪氨酸残基的羟基被AMP修饰而腺苷酸化，是低活性的，另一种则是游离羟基，高活性的。高活性谷氨酰胺合成酶（E-OH）12ATP12PPi低活性谷氨酰胺合成酶（E-O-AMP）Mg2+12AMP12H2O第52页，课件共62页，创作于2023年2月E.coli的谷氨酰胺合成酶活性由两种不同但连锁的机制调节：反馈抑制的变构调节与共价修饰调节。共价修饰包括一系列复杂的级联调控步骤：谷氨酸谷氨酰胺(Gln)GS（活性）GS（无活性）AMPATPNH3ADPPi酮戊二酸PIIPIIUTUTPPPiATH2OUMPPIIATPIIATATPPPi腺苷酰化PiADP脱腺苷酰化UMPUMPGS：谷氨酰胺合成酶AT：腺苷酸转移酶UT：尿苷酰转移酶尿苷酰化脱尿苷酰化第53页，课件共62页，创作于2023年2月总结：可逆共价修饰意义1，由于酶从一种形式转为另一种形式是酶催化的，故活性酶数量可迅速变化，反应信号也迅速放大！2，酶活性与非活性连续互变，较之不可逆共价修饰更能做出调节。第54页，课件共62页，创作于2023年2月三、别构酶的活性调节allostericenzyme指某化合物与酶活性中心以个位点结合后引起酶分子构象改变导致酶与底物亲和力改变的一类酶；而相应的别构效应剂多是激活剂和抑制剂；配体包括作用底物和别构效应剂；正协同作用与负协同作用；第55页，课件共62页，创作于2023年2月（一）别构酶调节模式1，MWC；2，KNF；3，EIG；是Eigen在上两个模式