第14章 物質代謝調(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是生物在長期進化過程中，為適應外界條件而形成的一種復雜的生理機能。通過調(diào)節(jié)作用細胞內(nèi)的各種物質及能量代謝得到協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，使生物體能更好地利用環(huán)境條件來完成復雜的生命活動。

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

1)Enzymelevel2)Celllevel3)

Hormonelevel4)

Nervelevel單細胞生物植物動物細胞內(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行調(diào)節(jié)操縱子(元)(Operon)是在轉錄水平上控制基因表達的協(xié)調(diào)單位，由啟動子(P)、操縱基因(O)和在功能上相關的幾個結構基因組成

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

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)境不斷進行的物質（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。Anabolicmetabolism：一般是指將簡單的小分子物質轉變成復雜的大分子物質的過程。Catabolism：則是將復雜的大分子物質轉變成小分子物質的過程。Intermediarymetabolism：發(fā)生在細胞內(nèi)的一切化學反應?；A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代謝經(jīng)隨著性別、年齡等不同而有生理變動。男子的基礎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、核酸和蛋白質經(jīng)過一系列分解反應后都進入了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[Metabolicnetwork]代謝的單向性[unidirectivity]和多酶系統(tǒng)[multienzymesysteme]代謝與能量[metabolismand

energy]

物質代謝---聯(lián)系---轉化—

TCAcycle則是Saccharide、Fat、Pro三大物質互相轉化的樞紐一、Metabolicnetwork

糖代謝為蛋白質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。蛋白質分解產(chǎn)生的AA，在體內(nèi)可以轉變?yōu)镾ugar。如：多數(shù)AA在脫氨后轉變?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、糖代謝與蛋白質代謝的關系

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。脂類與蛋白質之間可以相互轉化：

脂類分子中的甘油

丙酮酸

FAOAA

-KGAaPro2、脂類代謝與蛋白質代謝的關系AcCoA

-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

糖與脂類物質也能相互轉變：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能量和磷酸基團的供應單糖的轉變和多糖的合成參與卵磷脂的合成給蛋白質合成提供能量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

及蛋白質代謝的關系

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

糖代謝的例子：

G+ATP6-p-G+ADP（變構抑制）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.細胞中的酶常常為了催化一系列連鎖反應而聯(lián)系成多酶系統(tǒng)，根據(jù)多酶系統(tǒng)結構的復雜程度，可分三種類型：

酶分子呈溶解狀態(tài)（如EMP,PPP,β-氧化）

酶分子結構比較緊密(如FA

synthetasecomplex,PyruvateDHasecomplex,α-KGDHasecomplex)

酶連接在膜上或核蛋白體上

ATPADP+Pi太陽能化學能生物合成細胞運動膜運輸能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP三、

代謝與能量有機體從環(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釋放的化學能不

管哪種形式，細胞都能將它轉化成高能分子ATP。NADPH以還原力形式攜帶能量還原性有機物分解代謝氧化產(chǎn)物還原性生物合成產(chǎn)物還原性生物合成反應氧化前體NADPH+H+NADP+代謝的基本要略在于形成ATP、還原力和構造單元用于生物合成基因表達的調(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)酶是生物反應的催化劑，酶的相對數(shù)量決定代謝反應的進程和方向。通過酶的合成和降解，細胞內(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)，細胞可以開動或完全關閉某種酶的合成，或適當調(diào)整某種酶的合成和降解速度，以適應對這種酶的需要。Section2

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

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

level

Transcriptionlevel

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

不編碼占5%

轉錄和翻譯同時間，同地點進行轉錄水平調(diào)控(主)，兼有翻譯水平調(diào)控根據(jù)基因表達產(chǎn)物可劃分：

組成型蛋白：基因表達不受時期、部位、環(huán)境影響—組成型表達。

調(diào)節(jié)型蛋白/適應型蛋白：基因表達受時期、部位、環(huán)境影響—非組成型表達。一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典,該種生物的每個細胞中都有這本字典。為什么基因只有在它應該發(fā)揮作用的細胞內(nèi)和應該發(fā)揮作用的時間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結論：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)物表達時，速度穩(wěn)定，數(shù)量穩(wěn)定）如：TCA、EMP、HMS等途徑的酶②誘導酶（活化型、適應型）：基因表達受外界營養(yǎng)條件和細胞內(nèi)有關因子的顯著影響。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）

基因可進一步分為不同類型：(1)結構基因：可編碼RNA或蛋白質的一段DNA序列

(2)調(diào)控基因：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結構基因表達的基因

(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：指一個結構基因內(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座因子移動的DNA序列，有人將它作為轉座因子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點，因缺失或突變而不能轉錄或翻譯，是沒有功能的基因1、轉錄水平的調(diào)控

→原核生物基因表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉錄水平→當細胞需要某一特定基因產(chǎn)物時，合成這種mRNA。當不需要這種產(chǎn)物時，mRNA轉錄受到抑制

正調(diào)控：是經(jīng)誘導物誘導轉錄的調(diào)控機制，即誘導物與另一蛋白質結合形成一種激活子復合物，與基因啟動子DNA序列結合，激活基因起始轉錄

負調(diào)控：阻遏物阻止轉錄過程的調(diào)控，即阻遏物與DNA分子結合，阻礙RNA聚合酶轉錄，使基因處于關閉狀態(tài)。只有當阻遏物被除去之后，轉錄才能起動，產(chǎn)生mRNA分子原核生物中基因表達以負調(diào)控為主。轉錄水平的負調(diào)控與正調(diào)控

2、乳糖操縱元(可誘導操縱子)

E.coli的乳糖降解代謝途徑：

負責乳糖代謝的3個酶：1、β-半乳糖苷酶2、半乳糖苷透性酶3、硫代半乳糖轉乙?；福ň唧w功能不詳）

Monod等發(fā)現(xiàn)，當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；當培養(yǎng)基中沒有Lactose時，Lactose代謝基因不表達，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的調(diào)控機制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)：轉錄的協(xié)同單位，由功能中相關的基因與他們的轉錄區(qū)組成。功能上相關的幾個結構基因前后相連，再加上一個共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點即啟動子和操縱子在基因轉錄時協(xié)同作用。對基因表達過程實行原發(fā)調(diào)節(jié)控制也是最有效的一種調(diào)節(jié)控制方法。細菌基因表達調(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構DNA:轉錄mRNA的信息區(qū)控制信息區(qū)能否轉錄的調(diào)控區(qū)；Operor:調(diào)控區(qū)和信息區(qū)（結構基因區(qū),

轉錄mRNA）。調(diào)節(jié)基因↓capsite結構基因區(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的結構基因和控制部位.或指染色體上控制（酶）蛋白質合成的功能單位，包括一個操縱子，一群功能相關的結構基因以及在調(diào)節(jié)基因和操縱基因之間專管轉錄起始的啟動基因（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)結構基因操縱元DNA控制蛋白質合成的功能單位DNA控制蛋白質合成的功能單位調(diào)節(jié)基因操縱子乳糖結構基因阻遏蛋白

誘導劑（乳糖）

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

RNApolymerase結合區(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)的結合部位，起開關作用，控制基因的開放與關閉；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轉錄出阻遏蛋白結合在操縱子上進行調(diào)控，關閉基因。有誘導物存在時，阻遏蛋白與之結合，構象改變，不結合到O上，RNA聚合酶亦結合阻遏蛋白，轉錄起始。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晶結構，以及阻遏蛋白與誘導物及操縱子序列結合的結構

阻遏蛋白

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

與DNA結合的晶體結構大腸桿菌lac阻遏蛋白的晶體結構,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結合域均位于四聚體的同一側,兩個二聚體之間形成一個U型的裂隙,每個單體貢獻一C端螺旋形成一個反平行的四螺旋束,組合一個四聚的結構域..-結構對應結合一個DNA回文序列

阻遏蛋白與LacO(操縱子)的結合并非永久不變，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進行轉錄，即本底水平的永久型合成(Backgroundconstitutivesynthesis)。平均每個細胞周期有一個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，就允許進入細胞成為誘導物。此為最初的誘導物進入細胞的原因。乳糖這種誘導物并不能與阻遏蛋白結合，而是因為Lac進入細胞后由于β-半乳糖苷酶催化變?yōu)閯e乳糖(allolactose)，其為較強誘導物，結合阻遏蛋白，使之構想發(fā)生變化,Lacoperon表達。當Lac和allolactose被代謝完全后，阻遏蛋白又結合于操縱子，操縱元的結構基因關閉。誘導類似物比誘導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，又稱安慰性誘導物(gratuitousinducer)

轉錄起點5/

負（模）

3/

上游（—）下游（+）3/-1+1正（編）5/

mRNA

互補于負鏈

轉錄單位的起點核苷酸為+1，起點右邊為下游（轉錄區(qū)），轉錄起點左側為上游，用負數(shù)表示：-1，-2，-3。

操縱元的雙重控制：1．在正常情況下，阻遏蛋白結合在O上，關閉基因。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。當有高濃度誘導物（Lac等）時，可使阻遏蛋白鈍化，接觸阻遏作用，基因表達。2．要使P區(qū)中的PI部位結合RNA聚合酶，Capsite必須活化。Capsite不單獨結合Cap，只與Cap-cAMP復合物結合，結合后此位點被占領，從而活化，為RNA聚合酶構成一個入口位點，使聚合酶結合在PI部位，移向下游起始密碼子處，轉錄出相應的結構基因產(chǎn)物。Cap位點調(diào)節(jié)基因LacⅠ產(chǎn)生的阻遏蛋白通過操縱子以及誘導物（Lac）相互作用而實現(xiàn)對基因轉錄的調(diào)控，這是負調(diào)控。相應的還存在著正調(diào)控機制。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轉變?yōu)閏AMP，cAMP與其受體蛋白Cap結合為復合物，此復合物再與Cap位點結合。如此啟動子上的入口處分解，與RNA聚合酶結合。有葡萄糖時，cAMP不能形成，Cap不能與啟動子上的Cap位點結合，啟動子上的RNA聚合酶入口處不能結合RNA聚合酶。這樣正負調(diào)控雙重控制，即有不同調(diào)控蛋白進行（而ara則由同一個調(diào)控蛋白進行正負調(diào)控）。兩道開關同時打開，基因才能轉錄。乳糖操縱元的正調(diào)控

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

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復合物，作為操縱元的正調(diào)控因子→當cAMP-CAP復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彎曲形成新的構象，RNA聚合酶與這種DNA新構象的結合更加牢固，因而轉錄效率更高。→在有Glc存在時，不能形成cAMP，也就沒有操縱元的正調(diào)控因子cAMP-CAP復合物，因此基因不表達。乳糖操縱元的正調(diào)控RLacZLacYLacAmRNAmRNAZmRNAYmRNAA基因表達CAP基因結構基因TCAPOCAP結合部位

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當缺乏Glc的環(huán)境中當有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—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轉變成5′AMP，從而使[cAMP]降低，CAP不能結合cAMP，不能形成cAMP-CAP復合物，即不能結合至DNA上的Capsite，DNA雙螺旋不能解開啊，不轉錄利用Lac的酶。當葡萄糖被耗盡時，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，其他糖為應急之用，也是自然選擇的結果。

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

Lacoperon及其調(diào)節(jié)基因，A、結構基因區(qū)（順反子區(qū)）：三個結構基因：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-半乳糖苷轉乙酰基酶B、操縱子（操縱位點）區(qū)：operator與Z有重疊，結合阻遏蛋白。結合阻遏蛋白的區(qū)域稱為阻遏蛋白保護區(qū)，長為26bp（-5～+21），此位點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合（多為氫鍵），易結合也亦解離。Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacIgenehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthetranscriptionunit.ThelonglacZgenestartsatbase39,andisfollowedbythelacYandlacAgenesandaterminator.5′↓對稱中心

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

阻遏蛋白結合位點是以第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聚合酶結合區(qū)PI區(qū)，與O有重疊；調(diào)節(jié)蛋白結合區(qū)，Capsite。在operon中，調(diào)節(jié)基因以下，mRNA開始轉錄位點以上（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結合位點區(qū)（Ⅰ，Ⅱ）40bp；下游為RNA聚合酶進入位點結合區(qū)，包括識別點和結合點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種酶的結構基因。

當培養(yǎng)基中有Trp時，Trp操縱元5種酶的轉錄同時受到抑制；在Trp供應不足時，發(fā)生轉錄

Trp直接作為共阻遏物或輔阻遏物(corepressor)

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

Trp阻遏物該阻遏物是Dimer，2個單體（灰色和淺藍色）以螺旋－轉角－螺旋結構域與DNA結合。結合的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，是受翻譯控制的轉錄終止結構衰減作用；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)督而起始轉錄，但這些RNA聚合酶在衰減子處被迫停留（當然也有部分逃離），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，轉錄迅速減弱停止，只生成140個核苷酸的前導RNA，即前導肽。TrpleadermRNA-OperoniscontrolledbytheinternalconcentrationoftRNATrp

RibosomestranslatesmRNArapidlywhentryptophanisabundant,…Region1和Region3形成莖結構環(huán).,阻止RNA多聚酶通過,終止轉錄Attenuation負調(diào)控正調(diào)控操縱子的調(diào)控模型誘導物誘導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編碼膜結合蛋白，與ara的轉運結合有關。araBAD，其編碼三種酶：L-核酮糖激酶（B）、L-阿拉伯糖異構酶（A）、L-核酮糖-5-磷酸-4-表異構酶。

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，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；I：誘導位點，具有CAP結合位點。B、有ara時，AraC與I位點結合，CAP-cAmp與CAP位點結合，誘導表達結構基因，為正調(diào)控C、無ara時，沒有CAP-cAmp復合體與CAP位點結合，AraC二聚體(D)與I及O2同時結合，形成抑制環(huán)，抑制轉錄，表現(xiàn)為負調(diào)控?？烧T導

可阻遏

誘導物

底物

產(chǎn)物

結果

基因開放

基因關閉阻遏蛋白

活化

鈍化功能

誘導物（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可誘導機制與可阻遏機制的比較5、翻譯水平的調(diào)控反饋調(diào)控機制：大腸桿菌有7個操縱元與核糖體蛋白質合成有關。從這些操縱元轉錄的每一種mRNA，能夠被同一操縱元編碼的核糖體蛋白質識別與結合。如果其中有一種核糖體蛋白質過量積累，都將與其自身的mRNA結合，阻止進一步翻譯。這種結合位點通常包括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合，從而阻止蛋白質的合成。

反義RNA基因已被導入真核細胞，控制真核生物基因表達。例如，將乙烯形成酶基因的反義RNA導入蕃茄，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物如何對基因表達起調(diào)控作用。

1）高等真核生物的基因組遠比細菌的基因組大得多2）很多重復序列與調(diào)控作用有關3）染色質結構的變化可以調(diào)控基因表達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，轉錄水平，轉錄后修飾，翻譯水平和翻譯后修飾等多種層次。多數(shù)基因表達調(diào)控發(fā)生在轉錄水平二、真核生物的基因調(diào)控一、DNA的改變（1）基因劑量與基因擴增

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

基因劑量可經(jīng)基因擴增臨時增加。人類癌細胞中的許多致癌基因，經(jīng)大量擴增后高效表達，導致細胞生長失控。有些致癌基因擴增的速度與病癥的發(fā)展及癌細胞擴散程度高度相關。（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。甲基化可降低轉錄效率。二、轉錄水平的調(diào)控(1)順式調(diào)控元件（Cis-actingelement）指基因轉錄起點上游與基因表達調(diào)節(jié)有關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

轉錄方向用箭頭表示，轉錄起始點用+1表示

TATA盒

CAAT盒

GC盒

增強子

順式作用元件結構基因-GCGC---CAAT---TATA轉錄起始真核生物啟動子保守序列

強化子（增強子）

轉錄強化子是真核生物基因轉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，離轉錄起始點較遠

①與轉錄激活子結合，改變?nèi)旧|的構型②使DNA彎曲形成環(huán)狀結構，使強化子與啟動子直接接觸，以便通用轉錄因子、轉錄激活子、RNA聚合酶一起形成轉錄復合體，從而提高mRNA合成效率

強化子主要有兩個功能:DNA環(huán)化與轉錄活性

強化子競爭控制基因表達

激活子

激活子是一種與強化子結合的蛋白質，也屬于一種轉錄因子

正激活子真激活子（促進轉錄）抗阻遏物激活子激活子負激活子：抑制轉錄

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

→真核生物基因轉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錄因子結合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉錄

轉錄因子基本轉錄因子－結合在TATA盒和轉錄起點，與RNA聚合酶共同形成起始復合物。上游因子－結合在啟動子和增強子的上游控制位點?？烧T導因子－與應答元件相互作用反式作用因子（轉錄因子）

識別結合DNA的主要幾種基序結構

ZincfingerLeucineziper

常見的DNA結合域：

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

②亮氨酸拉鏈（leucinezipper）

二聚體形成的拉鏈(a)模式圖(b)與DNA結合時的剪刀狀構型

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)在細菌Trp操縱子中，此類序列具有使轉錄終止的作用，即一種位于結構基因上游前導區(qū)的終止子。增強子：是DNA分子中的調(diào)控序列，發(fā)現(xiàn)真核生物和病毒中，遠距離作用于同一條DNA的啟動子，對轉錄起增強作用。衰減作用(attenuation)

衰減子作用

1、真核細胞基因轉錄起點上游與基因表達調(diào)控有關的主要順式作用（調(diào)控）元件有哪些？他們的主要功能是什么？

2、簡述原核細胞DNA復制與RNA的生物合成有何不同。

3．簡述原核細胞蛋白質合成的過程。

4、真核細胞RNA聚合酶的細胞定位和合成RNA的類型如何。

5．蛋白質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：

復習思考題：

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

2.簡述操縱子的結構與功能。

3.簡述乳糖操縱子的調(diào)控原