第14章 物質(zhì)代謝調(diào)控-121212

Chap.14Metabolismregulation

代謝途徑的相互聯(lián)系酶量的調(diào)節(jié)酶分子活性的調(diào)節(jié)代謝途徑的區(qū)域化Regulationofmetabolism是生物在長期進(jìn)化過程中，為適應(yīng)外界條件而形成的一種復(fù)雜的生理機(jī)能。通過調(diào)節(jié)作用細(xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)及能量代謝得到協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，使生物體能更好地利用環(huán)境條件來完成復(fù)雜的生命活動。

代謝調(diào)節(jié)作用可在不同水平上進(jìn)行：低等的單細(xì)胞生物是通過細(xì)胞內(nèi)酶的調(diào)節(jié)而起作用的；多細(xì)胞生物則還有更復(fù)雜的激素調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)。

1)Enzymelevel2)Celllevel3)

Hormonelevel4)

Nervelevel單細(xì)胞生物植物動物細(xì)胞內(nèi)酶的調(diào)節(jié)是最基本的調(diào)節(jié)方式

酶的調(diào)節(jié)是從酶的區(qū)域化、酶的數(shù)量和酶的活性三個方面對代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)操縱子(元)(Operon)是在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動子(P)、操縱基因(O)和在功能上相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因組成

轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)包括，真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后的加工，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的運(yùn)輸和在細(xì)胞中的定位等

翻譯水平上的調(diào)節(jié)包括，mRNA本身核苷酸組成和排列（如SD

Sequence），反義RNA的調(diào)節(jié)，mRNA的穩(wěn)定性等方面

酶活性的調(diào)節(jié)是直接針對酶分子本身的催化活性所進(jìn)行的調(diào)節(jié)，在代謝調(diào)節(jié)中是最靈敏、最迅速的調(diào)節(jié)方式。主要包括酶原激活、別構(gòu)酶調(diào)節(jié)、同工酶調(diào)節(jié)、酶的共價修飾、反饋調(diào)節(jié)、能荷調(diào)節(jié)及輔因子調(diào)節(jié)等Biologicalmetabolism：指生物活體與外界環(huán)境不斷進(jìn)行的物質(zhì)（包括氣體、液體和固體）、能量、信息交換過程。Cellularmetabolism：是一切生命活動的基礎(chǔ)。Anabolicmetabolism：一般是指將簡單的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的大分子物質(zhì)的過程。Catabolism：則是將復(fù)雜的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成小分子物質(zhì)的過程。Intermediarymetabolism：發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的一切化學(xué)反應(yīng)?；A(chǔ)代謝Basalmetabolism：指人體在清醒而又極端安靜的狀態(tài)下,不受肌肉活動、環(huán)境溫度、食物及精神緊張等影響時的能量代謝率?；A(chǔ)代謝經(jīng)隨著性別、年齡等不同而有生理變動。男子的基礎(chǔ)代謝率平均比女子高,幼年比成年高;年齡越大,代謝率越低...基礎(chǔ)代謝率Basalmetabolicrate,BMR：,即在上述條件下,單位時間內(nèi),每平方米人體表面所散發(fā)的熱量的千卡數(shù)。糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)的代謝

合成途徑各不相同，分解代謝途徑則有共同之處，即糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)經(jīng)過一系列分解反應(yīng)后都進(jìn)入了TCAcycle，最后被氧化成CO2和H2O。Section1

代謝途徑的相互聯(lián)系代謝網(wǎng)絡(luò)[Metabolicnetwork]代謝的單向性[unidirectivity]和多酶系統(tǒng)[multienzymesysteme]代謝與能量[metabolismand

energy]

物質(zhì)代謝---聯(lián)系---轉(zhuǎn)化—

TCAcycle則是Saccharide、Fat、Pro三大物質(zhì)互相轉(zhuǎn)化的樞紐一、Metabolicnetwork

糖代謝為蛋白質(zhì)的合成提供碳源和能源：如糖分解過程中可產(chǎn)生Pyr，Pyr經(jīng)TCA

cycle生

－KG和OAA，它們均可經(jīng)加氨基或氨基移換作用形成相應(yīng)的AA。糖分解過程中產(chǎn)生的能量可供AA和Pro的合成之用。蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的AA，在體內(nèi)可以轉(zhuǎn)變?yōu)镾ugar。如：多數(shù)AA在脫氨后轉(zhuǎn)變?yōu)镻yr，經(jīng)糖原異生作用可生成Sugar，這類氨基酸稱為生糖氨基酸。1、糖代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系

脂類分解過程中產(chǎn)生較多的能量，可作為體內(nèi)貯藏能量的物質(zhì)。脂類與蛋白質(zhì)之間可以相互轉(zhuǎn)化：

脂類分子中的甘油

丙酮酸

FAOAA

-KGAaPro2、脂類代謝與蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系A(chǔ)cCoA

-OxidationTCACycleOAA—KG

MalateAa琥珀酸乙醛酸循環(huán)甘油生酮氨基酸生糖氨基酸乙酰乙酸FA丙酮酸AcCoA丙二酸單酰輔酶A脂肪

糖與脂類物質(zhì)也能相互轉(zhuǎn)變：糖磷酸二羥丙酮丙酮酸甘油乙酰輔酶A脂肪酸脂類甘油

-甘油磷酸磷酸二羥丙酮糖脂肪酸AcCoA琥珀酸OAA丙酮酸

-氧化乙醛酸循環(huán)TCACO2+H2O3、糖代謝與脂類代謝的關(guān)系糖尿病：脂肪

ketonebody,acetonebody

（乙酰乙酸、丙酮、-羥丁酸）在血液中產(chǎn)生酸中毒或到達(dá)肌肉中提供能源在饑餓時也產(chǎn)生與糖尿病類似的情況NANtATPUTPCTPGTP能量和磷酸基團(tuán)的供應(yīng)單糖的轉(zhuǎn)變和多糖的合成參與卵磷脂的合成給蛋白質(zhì)合成提供能量AMP輔酶、組氨酸等Gly、Asp、GlnPu、PyrProteinase參加SynthesisofNt

and

nucleicacid(DNA,RNA)蛋白因子核苷酸、核酸的合成4、核酸代謝與糖、脂肪

及蛋白質(zhì)代謝的關(guān)系

1.相對立的單向反應(yīng)（opposingunidirectionalreaction）：

糖代謝的例子：

G+ATP6-p-G+ADP（變構(gòu)抑制）6-p-G+H2OG+Pi

脂代謝的例子：乙酸＋ATP＋CoA乙酰

CoA＋AMP＋PPi

乙酰

CoA+H2O乙酸+CoA

硫激酶硫酯酶二、代謝的單向性和多酶系統(tǒng)HK６-p葡萄糖酶

2.細(xì)胞中的酶常常為了催化一系列連鎖反應(yīng)而聯(lián)系成多酶系統(tǒng)，根據(jù)多酶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，可分三種類型：

酶分子呈溶解狀態(tài)（如EMP,PPP,β-氧化）

酶分子結(jié)構(gòu)比較緊密(如FA

synthetasecomplex,PyruvateDHasecomplex,α-KGDHasecomplex)

酶連接在膜上或核蛋白體上

ATPADP+Pi太陽能化學(xué)能生物合成細(xì)胞運(yùn)動膜運(yùn)輸能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP三、

代謝與能量有機(jī)體從環(huán)境中獲得能量的方式各有不同，有的利用

太陽的輻射能，有利用氧化還原反應(yīng)釋放的化學(xué)能不

管哪種形式，細(xì)胞都能將它轉(zhuǎn)化成高能分子ATP。NADPH以還原力形式攜帶能量還原性有機(jī)物分解代謝氧化產(chǎn)物還原性生物合成產(chǎn)物還原性生物合成反應(yīng)氧化前體NADPH+H+NADP+代謝的基本要略在于形成ATP、還原力和構(gòu)造單元用于生物合成基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

（酶含量的調(diào)節(jié)）ABEX底物水平的調(diào)節(jié)酶水平的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)酶的定位調(diào)節(jié)輔助因子的調(diào)節(jié)產(chǎn)物調(diào)節(jié)酶是生物反應(yīng)的催化劑，酶的相對數(shù)量決定代謝反應(yīng)的進(jìn)程和方向。通過酶的合成和降解，細(xì)胞內(nèi)的酶含量和組分便發(fā)生變化，因而對代謝過程起調(diào)節(jié)作用。生物細(xì)胞的這種通過改變酶的合成和降解而調(diào)節(jié)酶的數(shù)量，被稱為“粗調(diào)”。

通過粗調(diào)，細(xì)胞可以開動或完全關(guān)閉某種酶的合成，或適當(dāng)調(diào)整某種酶的合成和降解速度，以適應(yīng)對這種酶的需要。Section2

基因表達(dá)的調(diào)節(jié)生物體的每個活細(xì)胞都含有相同的一整套基因?；虮磉_(dá)具有高度的時空專一化：如肌紅蛋白基因（肌細(xì)胞）基因表達(dá)的調(diào)控：生物有機(jī)體對其基因表達(dá)的時空程序、表達(dá)速率等所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和控制。本底水平表達(dá)：調(diào)控處于關(guān)閉狀態(tài)，只翻譯極少量的蛋白質(zhì)

off狀態(tài)亦有底物水平的基因表達(dá)，每個世代細(xì)胞中只合成1～2mRNA分子，合成少量蛋白質(zhì)，為方便起見，稱為off，關(guān)的意思及表達(dá)量很低，甚至無法檢測。Eukaryotegeneexpressionisregulatedatsixlevels:TranscriptionRNAprocessingmRNAtransportmRNAtranslationmRNAdegradationProteindegradationFig.17.1DNA

level

Transcriptionlevel

Translationlevel基因調(diào)控主要在3個水平上進(jìn)行:一、原核生物基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控原核生物的DNA：單個裸露的DNA

不編碼占5%

轉(zhuǎn)錄和翻譯同時間，同地點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控(主)，兼有翻譯水平調(diào)控根據(jù)基因表達(dá)產(chǎn)物可劃分：

組成型蛋白：基因表達(dá)不受時期、部位、環(huán)境影響—組成型表達(dá)。

調(diào)節(jié)型蛋白/適應(yīng)型蛋白：基因表達(dá)受時期、部位、環(huán)境影響—非組成型表達(dá)。一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典,該種生物的每個細(xì)胞中都有這本字典。為什么基因只有在它應(yīng)該發(fā)揮作用的細(xì)胞內(nèi)和應(yīng)該發(fā)揮作用的時間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結(jié)論：必然有一個基因調(diào)控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。酶的兩種類型:①組成酶(靜止型):合成不受營養(yǎng)條件的限制(基因產(chǎn)物表達(dá)時，速度穩(wěn)定，數(shù)量穩(wěn)定）如：TCA、EMP、HMS等途徑的酶②誘導(dǎo)酶（活化型、適應(yīng)型）：基因表達(dá)受外界營養(yǎng)條件和細(xì)胞內(nèi)有關(guān)因子的顯著影響。如乳糖Lac分解酶系，色氨酸酶系。

突變子：突變的最小單位基因

重組子：交換的最小單位

順反子（作用子）：功能單位（基因）

基因可進(jìn)一步分為不同類型：(1)結(jié)構(gòu)基因：可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列

(2)調(diào)控基因：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因

(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架(ORF)的不同或終止早晚的不同，同時編碼兩個或兩個以上多肽鏈的現(xiàn)象

(4)隔裂基因：指一個結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部為一個或更多的不翻譯的編碼順序，如內(nèi)含子所隔裂的現(xiàn)象(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉(zhuǎn)座因子移動的DNA序列，有人將它作為轉(zhuǎn)座因子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點(diǎn)，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是沒有功能的基因1、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

→原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平→當(dāng)細(xì)胞需要某一特定基因產(chǎn)物時，合成這種mRNA。當(dāng)不需要這種產(chǎn)物時，mRNA轉(zhuǎn)錄受到抑制

正調(diào)控：是經(jīng)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制，即誘導(dǎo)物與另一蛋白質(zhì)結(jié)合形成一種激活子復(fù)合物，與基因啟動子DNA序列結(jié)合，激活基因起始轉(zhuǎn)錄

負(fù)調(diào)控：阻遏物阻止轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控，即阻遏物與DNA分子結(jié)合，阻礙RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄，使基因處于關(guān)閉狀態(tài)。只有當(dāng)阻遏物被除去之后，轉(zhuǎn)錄才能起動，產(chǎn)生mRNA分子原核生物中基因表達(dá)以負(fù)調(diào)控為主。轉(zhuǎn)錄水平的負(fù)調(diào)控與正調(diào)控

2、乳糖操縱元(可誘導(dǎo)操縱子)

E.coli的乳糖降解代謝途徑：

負(fù)責(zé)乳糖代謝的3個酶：1、β-半乳糖苷酶2、半乳糖苷透性酶3、硫代半乳糖轉(zhuǎn)乙?；福ň唧w功能不詳）

Monod等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)E.coli生長在含有乳糖的培養(yǎng)基上時，Lactose代謝酶濃度急劇增加；當(dāng)培養(yǎng)基中沒有Lactose時，Lactose代謝基因不表達(dá)，乳糖代謝酶合成停止。

Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操縱元模型，用來闡述乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制Operonmodel大腸桿菌乳糖操縱子是第一個被發(fā)現(xiàn)的操縱元）1950s:JacquesMonodandFran?oisJacobstudiedE.colilactose-utilizationmutantsCameupwiththeOperonTheory

操縱元(Operon)：轉(zhuǎn)錄的協(xié)同單位，由功能中相關(guān)的基因與他們的轉(zhuǎn)錄區(qū)組成。功能上相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因前后相連，再加上一個共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點(diǎn)即啟動子和操縱子在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同作用。對基因表達(dá)過程實(shí)行原發(fā)調(diào)節(jié)控制也是最有效的一種調(diào)節(jié)控制方法。細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的這樣一個完整的單元，稱為操縱元

OperonisasectionofDNAinwhichtwoormorerelatedgeneslieadjacentonetoanotherandaretranscribedfromasinglepromotorintopolycistronicmRNA.Commonlyinbacteria,rareorunknownineukaryotes.

Operon

isacompleteunitofbacterialgeneexpressionandregulation,includingstructuralgene,regulatorgeneandcontrolelementsinDNArecognizedbyregulatorgeneproducts.operonPromoter

gene1

gene2

gene3

gene4RNAPolymerase原核生物操縱元的結(jié)構(gòu)DNA:轉(zhuǎn)錄mRNA的信息區(qū)控制信息區(qū)能否轉(zhuǎn)錄的調(diào)控區(qū)；Operor:調(diào)控區(qū)和信息區(qū)（結(jié)構(gòu)基因區(qū),

轉(zhuǎn)錄mRNA）。調(diào)節(jié)基因↓capsite結(jié)構(gòu)基因區(qū)

PO

操縱元模型操縱子及調(diào)節(jié)基因示意圖操縱元Operon:

基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位,它們有共同的控制區(qū)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。包括在功能上彼此有關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制部位.或指染色體上控制（酶）蛋白質(zhì)合成的功能單位，包括一個操縱子，一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因以及在調(diào)節(jié)基因和操縱基因之間專管轉(zhuǎn)錄起始的啟動基因（啟動子）。

調(diào)控區(qū)信息區(qū)

調(diào)節(jié)基因(i)啟動子(p)操縱子(o)結(jié)構(gòu)基因操縱元DNA控制蛋白質(zhì)合成的功能單位DNA控制蛋白質(zhì)合成的功能單位調(diào)節(jié)基因操縱子乳糖結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白

誘導(dǎo)劑（乳糖）

β-半乳糖苷酶半乳糖苷通透酶硫半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；竼幼樱ɑ颍┎倏v子—基因合成的開關(guān)，結(jié)合阻遏蛋白關(guān)—阻遏蛋白阻擋操縱子，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)開—誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮調(diào)控區(qū)：1．啟動子(promoter)

RNApolymerase結(jié)合區(qū)(在區(qū)中PI部位)2．CAPsite(CRPsite)降解物基因活化蛋白(catabolitegeneactivatorprotein)，亦稱為cAMP受體蛋白（cAMPreceptorprotein）；3．操縱子(operator)阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合部位，起開關(guān)作用，控制基因的開放與關(guān)閉；4．衰減子（attenuator）：有的調(diào)控區(qū)有。如色氨酸操縱元的調(diào)控區(qū)，在調(diào)控區(qū)的下游可視為終止子；5．調(diào)節(jié)基因：I轉(zhuǎn)錄出阻遏蛋白結(jié)合在操縱子上進(jìn)行調(diào)控，關(guān)閉基因。有誘導(dǎo)物存在時，阻遏蛋白與之結(jié)合，構(gòu)象改變，不結(jié)合到O上，RNA聚合酶亦結(jié)合阻遏蛋白，轉(zhuǎn)錄起始。通過遺傳分析證明Lac操縱元的存在；分離出阻遏蛋白，測定了阻遏蛋白的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以及阻遏蛋白與誘導(dǎo)物及操縱子序列結(jié)合的結(jié)構(gòu)

阻遏蛋白

LacⅠ基因表達(dá)效率低，其啟動子與RNA聚合酶親和性低，故轉(zhuǎn)錄水平低，為弱啟動子。一個細(xì)胞周期中只合成1～2個LacⅠmRNA，LacⅠ基因的轉(zhuǎn)錄是組成型的，不受任何阻遏蛋白控制，只受自身啟動子強(qiáng)度控制。當(dāng)Ⅰ基因啟動子成為強(qiáng)啟動子后，細(xì)胞內(nèi)不可能有足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)。LacⅠ基因在此突變體中為不可誘導(dǎo)。(a)(b)(c)LacI阻遏蛋白是一個DNA結(jié)合蛋白LacRepressor

與DNA結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)大腸桿菌lac阻遏蛋白的晶體結(jié)構(gòu),分辨率為2.6A,由兩個平行的二價對稱的二聚體組成.Lac阻遏蛋白的DNA結(jié)合域均位于四聚體的同一側(cè),兩個二聚體之間形成一個U型的裂隙,每個單體貢獻(xiàn)一C端螺旋形成一個反平行的四螺旋束,組合一個四聚的結(jié)構(gòu)域..-結(jié)構(gòu)對應(yīng)結(jié)合一個DNA回文序列

阻遏蛋白與LacO(操縱子)的結(jié)合并非永久不變，半衰期為10～20分鐘，LacO可短時游離，RNA聚合酶可抓住這一時機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，即本底水平的永久型合成(Backgroundconstitutivesynthesis)。平均每個細(xì)胞周期有一個LacⅠmRNA依此方式產(chǎn)生，從而翻譯出幾分子的β-半乳糖苷透過酶和β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。這樣，有幾個β-半乳糖苷透過酶在游離，一旦發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中有了β-半乳糖苷類物質(zhì)，就允許進(jìn)入細(xì)胞成為誘導(dǎo)物。此為最初的誘導(dǎo)物進(jìn)入細(xì)胞的原因。乳糖這種誘導(dǎo)物并不能與阻遏蛋白結(jié)合，而是因?yàn)長ac進(jìn)入細(xì)胞后由于β-半乳糖苷酶催化變?yōu)閯e乳糖(allolactose)，其為較強(qiáng)誘導(dǎo)物，結(jié)合阻遏蛋白，使之構(gòu)想發(fā)生變化,Lacoperon表達(dá)。當(dāng)Lac和allolactose被代謝完全后，阻遏蛋白又結(jié)合于操縱子，操縱元的結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。誘導(dǎo)類似物比誘導(dǎo)物更有效的另一個原因：它不是半乳糖苷酶的底物，不被降解，又稱安慰性誘導(dǎo)物(gratuitousinducer)

轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)5/

負(fù)（模）

3/

上游（—）下游（+）3/-1+1正（編）5/

mRNA

互補(bǔ)于負(fù)鏈

轉(zhuǎn)錄單位的起點(diǎn)核苷酸為+1，起點(diǎn)右邊為下游（轉(zhuǎn)錄區(qū)），轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)左側(cè)為上游，用負(fù)數(shù)表示：-1，-2，-3。

操縱元的雙重控制：1．在正常情況下，阻遏蛋白結(jié)合在O上，關(guān)閉基因。由于P與O有一定的重疊（7bp），妨礙了RNA聚合酶在-10序列形成開放性穩(wěn)定性啟動子。當(dāng)有高濃度誘導(dǎo)物（Lac等）時，可使阻遏蛋白鈍化，接觸阻遏作用，基因表達(dá)。2．要使P區(qū)中的PI部位結(jié)合RNA聚合酶，Capsite必須活化。Capsite不單獨(dú)結(jié)合Cap，只與Cap-cAMP復(fù)合物結(jié)合，結(jié)合后此位點(diǎn)被占領(lǐng)，從而活化，為RNA聚合酶構(gòu)成一個入口位點(diǎn)，使聚合酶結(jié)合在PI部位，移向下游起始密碼子處，轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物。Cap位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因LacⅠ產(chǎn)生的阻遏蛋白通過操縱子以及誘導(dǎo)物（Lac）相互作用而實(shí)現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，這是負(fù)調(diào)控。相應(yīng)的還存在著正調(diào)控機(jī)制。如大腸桿菌在含Lac、Glucose的培養(yǎng)基生長時，只利用葡萄糖。缺少葡萄糖時，腺苷酸環(huán)化酶將ATP轉(zhuǎn)變?yōu)閏AMP，cAMP與其受體蛋白Cap結(jié)合為復(fù)合物，此復(fù)合物再與Cap位點(diǎn)結(jié)合。如此啟動子上的入口處分解，與RNA聚合酶結(jié)合。有葡萄糖時，cAMP不能形成，Cap不能與啟動子上的Cap位點(diǎn)結(jié)合，啟動子上的RNA聚合酶入口處不能結(jié)合RNA聚合酶。這樣正負(fù)調(diào)控雙重控制，即有不同調(diào)控蛋白進(jìn)行（而ara則由同一個調(diào)控蛋白進(jìn)行正負(fù)調(diào)控）。兩道開關(guān)同時打開，基因才能轉(zhuǎn)錄。乳糖操縱元的正調(diào)控

除了阻遏蛋白能抑制lac操縱元轉(zhuǎn)錄外，其它因子也能有效地抑制lacmRNA轉(zhuǎn)錄，這個因子的活性與Glc有關(guān)：

Glc抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性→腺苷酸環(huán)化酶催化ATP→cAMP→cAMP+代謝激活蛋白(CAP)→cAMP-CAP復(fù)合物，作為操縱元的正調(diào)控因子→當(dāng)cAMP-CAP復(fù)合物的二聚體插入到lac啟動子區(qū)域特異核苷酸序列時，使啟動子DNA彎曲形成新的構(gòu)象，RNA聚合酶與這種DNA新構(gòu)象的結(jié)合更加牢固，因而轉(zhuǎn)錄效率更高?！谟蠫lc存在時，不能形成cAMP，也就沒有操縱元的正調(diào)控因子cAMP-CAP復(fù)合物，因此基因不表達(dá)。乳糖操縱元的正調(diào)控RLacZLacYLacAmRNAmRNAZmRNAYmRNAA基因表達(dá)CAP基因結(jié)構(gòu)基因TCAPOCAP結(jié)合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)乳糖操縱元的正調(diào)控Glc當(dāng)缺乏Glc的環(huán)境中當(dāng)有Glc存在的環(huán)境中CAPcAMPCAP-cAMP

RNApol

mRNA

與乳糖代謝的3個酶CAP

RNApolZYAZYA葡萄糖效應(yīng)—分解代謝阻遏作用在大腸桿菌培養(yǎng)基中，加入葡萄糖和其他糖存在時，優(yōu)先利用葡萄糖的現(xiàn)象。原因：降低cAMP環(huán)化酶使磷酸二酯酶升高，cAMP轉(zhuǎn)變成5′AMP，從而使[cAMP]降低，CAP不能結(jié)合cAMP，不能形成cAMP-CAP復(fù)合物，即不能結(jié)合至DNA上的Capsite，DNA雙螺旋不能解開啊，不轉(zhuǎn)錄利用Lac的酶。當(dāng)葡萄糖被耗盡時，其他糖才利用。這也符合自然界的規(guī)律，葡萄糖為最普遍、最常用的能量來源，其他糖為應(yīng)急之用，也是自然選擇的結(jié)果。

乳糖操縱元的不同調(diào)控位點(diǎn)a：CAP結(jié)合位點(diǎn)；b：RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)；R：形成抑制環(huán)的區(qū)域

Lacoperon及其調(diào)節(jié)基因，A、結(jié)構(gòu)基因區(qū)（順反子區(qū)）：三個結(jié)構(gòu)基因：LacZ、LacY、LacA分別合成三個酶。Z：β-半乳糖苷酶、Y：β-半乳糖苷透過酶，A：β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；窧、操縱子（操縱位點(diǎn)）區(qū)：operator與Z有重疊，結(jié)合阻遏蛋白。結(jié)合阻遏蛋白的區(qū)域稱為阻遏蛋白保護(hù)區(qū)，長為26bp（-5～+21），此位點(diǎn)為一個雙重對稱的回文序列。如圖所示，其中16bp以次級鍵與阻遏蛋白結(jié)合（多為氫鍵），易結(jié)合也亦解離。Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacIgenehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthetranscriptionunit.ThelonglacZgenestartsatbase39,andisfollowedbythelacYandlacAgenesandaterminator.5′↓對稱中心

3′TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACA+1+10ACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT-10↑mRNA開始轉(zhuǎn)錄的第一個堿基（轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)）

阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)是以第11對堿基為對稱軸，兩邊為兩段各六個bp的對稱序列（TGTGTG和AATTGT），即回文序列（palindrome）

C．啟動子區(qū)（P）分為RNA聚合酶結(jié)合區(qū)PI區(qū)，與O有重疊；調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合區(qū)，Capsite。在operon中，調(diào)節(jié)基因以下，mRNA開始轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)以上（與O有部分重疊），均為啟動子序列，長度20～200bp。Lac的promoter為85bp，分為兩部分：上游為兩個Cap-cAMP結(jié)合位點(diǎn)區(qū)（Ⅰ，Ⅱ）40bp；下游為RNA聚合酶進(jìn)入位點(diǎn)結(jié)合區(qū)，包括識別點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn)RepressorandRNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthetranscriptionstartpointofthelacoperon3、色氨酸操縱元（可阻遏操縱元）

E.coliTrp操縱元是合成代謝途徑中基因調(diào)控的典型例子：

Trp操縱元包括色氨酸合成中5種酶的結(jié)構(gòu)基因。

當(dāng)培養(yǎng)基中有Trp時，Trp操縱元5種酶的轉(zhuǎn)錄同時受到抑制；在Trp供應(yīng)不足時，發(fā)生轉(zhuǎn)錄

Trp直接作為共阻遏物或輔阻遏物(corepressor)

而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控TrpmRNA的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白操縱基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，所以結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。酶代謝產(chǎn)物一旦大量積累阻遏蛋白被產(chǎn)物激活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。

Trp阻遏物該阻遏物是Dimer，2個單體（灰色和淺藍(lán)色）以螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合。結(jié)合的Trp為分子為紅色。+tryptophan=repression-tryptophan=expression阻遏物以同型二聚體發(fā)揮作用色氨酸操縱元的組成

L：140核苷酸，即Leadersequence，先導(dǎo)序列，為mRNA起始密碼子AUG之前的序列；a：衰減子（attenuator），可視為終止子及轉(zhuǎn)錄調(diào)控信號，為發(fā)揮衰減作用的DNA序列，是受翻譯控制的轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)衰減作用；attenuation：transcriptionalregulationactingtoaboutRNAsynthesisafterinititionbutbeforereadthroughofprotein-encodingsequences。衰減子控制與阻遏蛋白控制方向相同，色氨酸存在時，兩種系統(tǒng)均使轉(zhuǎn)錄處于低水平；無或低色氨酸時，RNA聚合酶可通過衰減子，有色氨酸存在時，部分RNA聚合酶可逃離阻遏蛋白的監(jiān)督而起始轉(zhuǎn)錄，但這些RNA聚合酶在衰減子處被迫停留（當(dāng)然也有部分逃離），通過這種雙重控制，使色氨酸的濃度保持恒定。高色氨酸時，由于a的作用，轉(zhuǎn)錄迅速減弱停止，只生成140個核苷酸的前導(dǎo)RNA，即前導(dǎo)肽。TrpleadermRNA-OperoniscontrolledbytheinternalconcentrationoftRNATrp

RibosomestranslatesmRNArapidlywhentryptophanisabundant,…Region1和Region3形成莖結(jié)構(gòu)環(huán).,阻止RNA多聚酶通過,終止轉(zhuǎn)錄Attenuation負(fù)調(diào)控正調(diào)控操縱子的調(diào)控模型誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物輔阻遏物輔阻遏物

4、阿拉伯糖操縱元(araoperon)阿拉伯糖為5碳糖，參與其代謝的酶基因分為三個操縱元：araBAD、araE、araFG，由一個共同的arac基因（即調(diào)控基因）產(chǎn)物進(jìn)行調(diào)控。這是由一個調(diào)節(jié)基因控制幾個操縱元的系統(tǒng)，稱為調(diào)控元(regulon)。araE、araFg編碼膜結(jié)合蛋白，與ara的轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)合有關(guān)。araBAD，其編碼三種酶：L-核酮糖激酶（B）、L-阿拉伯糖異構(gòu)酶（A）、L-核酮糖-5-磷酸-4-表異構(gòu)酶。

4、阿拉伯糖操縱元阿拉伯糖操縱元也是解釋代謝途徑的調(diào)控系統(tǒng)，它具有一些與lac操縱元相似的特點(diǎn)，但與前述兩種操縱元系統(tǒng)的顯著區(qū)別是它的同一種調(diào)控蛋白--AraC調(diào)控蛋白既可起正調(diào)控,也可起負(fù)調(diào)控作用

A、阿拉伯糖操縱元的組成。R：調(diào)控基因araC編碼AraC蛋白；O：操縱子位點(diǎn)；I：誘導(dǎo)位點(diǎn)，具有CAP結(jié)合位點(diǎn)。B、有ara時，AraC與I位點(diǎn)結(jié)合，CAP-cAmp與CAP位點(diǎn)結(jié)合，誘導(dǎo)表達(dá)結(jié)構(gòu)基因，為正調(diào)控C、無ara時，沒有CAP-cAmp復(fù)合體與CAP位點(diǎn)結(jié)合，AraC二聚體(D)與I及O2同時結(jié)合，形成抑制環(huán)，抑制轉(zhuǎn)錄，表現(xiàn)為負(fù)調(diào)控?？烧T導(dǎo)

可阻遏

誘導(dǎo)物

底物

產(chǎn)物

結(jié)果

基因開放

基因關(guān)閉阻遏蛋白

活化

鈍化功能

誘導(dǎo)物（作為底物）

輔阻遏物（作為產(chǎn)物）

途徑

分解代謝合成代謝

例子

LacArabTrp可誘導(dǎo)機(jī)制與可阻遏機(jī)制的比較5、翻譯水平的調(diào)控反饋調(diào)控機(jī)制：大腸桿菌有7個操縱元與核糖體蛋白質(zhì)合成有關(guān)。從這些操縱元轉(zhuǎn)錄的每一種mRNA，能夠被同一操縱元編碼的核糖體蛋白質(zhì)識別與結(jié)合。如果其中有一種核糖體蛋白質(zhì)過量積累，都將與其自身的mRNA結(jié)合，阻止進(jìn)一步翻譯。這種結(jié)合位點(diǎn)通常包括mRNA5'端非翻譯區(qū)，也包括啟動子區(qū)域的Shine-Dalgarno序列。

反義RNA調(diào)控：反義RNA可與目的基因的5'互補(bǔ)配對，配對的區(qū)域通常也包括啟動子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能與核糖體有效結(jié)合，從而阻止蛋白質(zhì)的合成。

反義RNA基因已被導(dǎo)入真核細(xì)胞，控制真核生物基因表達(dá)。例如，將乙烯形成酶基因的反義RNA導(dǎo)入蕃茄，大大延長了蕃茄常溫貯藏期。

作業(yè)題

原核生物中共阻遏物和誘導(dǎo)物如何對基因表達(dá)起調(diào)控作用。

1）高等真核生物的基因組遠(yuǎn)比細(xì)菌的基因組大得多2）很多重復(fù)序列與調(diào)控作用有關(guān)3）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化可以調(diào)控基因表達(dá)4）存在同一染色體上不同基因間的調(diào)控，也存在不同染色體之間的基因調(diào)控調(diào)控發(fā)生在DNA水平，轉(zhuǎn)錄水平，轉(zhuǎn)錄后修飾，翻譯水平和翻譯后修飾等多種層次。多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平二、真核生物的基因調(diào)控一、DNA的改變（1）基因劑量與基因擴(kuò)增

組蛋白基因是基因劑量效應(yīng)的一個典型例子。為了合成大量組蛋白用于形成染色質(zhì)，多數(shù)細(xì)胞含有數(shù)百個組蛋白基因拷貝

基因劑量可經(jīng)基因擴(kuò)增臨時增加。人類癌細(xì)胞中的許多致癌基因，經(jīng)大量擴(kuò)增后高效表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞生長失控。有些致癌基因擴(kuò)增的速度與病癥的發(fā)展及癌細(xì)胞擴(kuò)散程度高度相關(guān)。（2）DNA重排

真核生物基因組中的DNA序列可發(fā)生重排，這種重排是由特定基因組的遺傳信息所決定的，是有些基因調(diào)控的重要機(jī)制。

動物抗體基因重排一個抗體分子包括兩條重鏈(H)和兩條輕(L)氨基端(N)是變異區(qū)(V)，羧基端(C)是恒定區(qū)(C)（3）DNA甲基化

真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第5碳上的氫被一個甲基取代（甲基化）。甲基化C在DNA復(fù)制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG雙核苷酸序列中發(fā)生頻率最高。許多真核生物基因5'端未翻譯區(qū)富含CG序列，易甲基化。甲基化可降低轉(zhuǎn)錄效率。二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(1)順式調(diào)控元件（Cis-actingelement）指基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游與基因表達(dá)調(diào)節(jié)有關(guān)的特異序列真核生物基因(A)在5

端啟動子的順式調(diào)控元件原核生物基因(B)在5

端啟動子的順式調(diào)控元件

轉(zhuǎn)錄方向用箭頭表示，轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)用+1表示

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增強(qiáng)子

順式作用元件結(jié)構(gòu)基因-GCGC---CAAT---TATA轉(zhuǎn)錄起始真核生物啟動子保守序列

強(qiáng)化子（增強(qiáng)子）

轉(zhuǎn)錄強(qiáng)化子是真核生物基因轉(zhuǎn)錄中的另一種順式調(diào)控元件，通常位于啟動子上游700-1000bp處，離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)較遠(yuǎn)

①與轉(zhuǎn)錄激活子結(jié)合，改變?nèi)旧|(zhì)的構(gòu)型②使DNA彎曲形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)化子與啟動子直接接觸，以便通用轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄激活子、RNA聚合酶一起形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，從而提高mRNA合成效率

強(qiáng)化子主要有兩個功能:DNA環(huán)化與轉(zhuǎn)錄活性

強(qiáng)化子競爭控制基因表達(dá)

激活子

激活子是一種與強(qiáng)化子結(jié)合的蛋白質(zhì)，也屬于一種轉(zhuǎn)錄因子

正激活子真激活子（促進(jìn)轉(zhuǎn)錄）抗阻遏物激活子激活子負(fù)激活子：抑制轉(zhuǎn)錄

(2)轉(zhuǎn)錄因子或反式作用因子（Trans-actingfactor）指識別、結(jié)合順式調(diào)控元件的特異蛋白質(zhì)，激活真核生物基因轉(zhuǎn)錄。

→真核生物基因轉(zhuǎn)錄與原核生物的一個重要區(qū)別是：真核生物基因的啟動子必須與一系列轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子－結(jié)合在TATA盒和轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，與RNA聚合酶共同形成起始復(fù)合物。上游因子－結(jié)合在啟動子和增強(qiáng)子的上游控制位點(diǎn)。可誘導(dǎo)因子－與應(yīng)答元件相互作用反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）

識別結(jié)合DNA的主要幾種基序結(jié)構(gòu)

ZincfingerLeucineziper

常見的DNA結(jié)合域：

①鋅指（zincfinger）由Cys-His與鋅離子形成的具有三個手指的鋅指構(gòu)型(a)模式圖(b)與DNA結(jié)合，一個手指與DNA大溝結(jié)合

②亮氨酸拉鏈（leucinezipper）

二聚體形成的拉鏈(a)模式圖(b)與DNA結(jié)合時的剪刀狀構(gòu)型

③螺旋－環(huán)－螺旋（helix-loop-helix）衰減子:

是DNA分子中的調(diào)控序列，首先發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌Trp操縱子中，此類序列具有使轉(zhuǎn)錄終止的作用，即一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止子。增強(qiáng)子：是DNA分子中的調(diào)控序列，發(fā)現(xiàn)真核生物和病毒中，遠(yuǎn)距離作用于同一條DNA的啟動子，對轉(zhuǎn)錄起增強(qiáng)作用。衰減作用(attenuation)

衰減子作用

1、真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的主要順式作用（調(diào)控）元件有哪些？他們的主要功能是什么？

2、簡述原核細(xì)胞DNA復(fù)制與RNA的生物合成有何不同。

3．簡述原核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成的過程。

4、真核細(xì)胞RNA聚合酶的細(xì)胞定位和合成RNA的類型如何。

5．蛋白質(zhì)合成體系需要哪些生物大分子參加？其功能分別是什么？

作業(yè)題：

復(fù)習(xí)思考題：

1.概念： （1）操縱子 （2）增強(qiáng)子 （3）順式作用元件 （4）反式作用因子 （5）基因組 （6）基因表達(dá)

2.簡述操縱子的結(jié)構(gòu)與功能。

3.簡述乳糖操縱子的調(diào)控原