酶工程學(xué)第二三周生物合成理論

酶工程學(xué)第二三周生物合成理論緒論(第一章)酶的生產(chǎn)酶的改性酶的應(yīng)用酶生物合成的基本理論(第二章)酶的生物合成法(第三章)酶的提取與分離純化(第四章)酶改性的基本理論(第五章)酶分子修飾(第六章)酶固定化(第七章)酶的非水相催化(第八章)酶應(yīng)用的基本理論(第九章)酶反應(yīng)器的應(yīng)用(第十章)酶的應(yīng)用領(lǐng)域(第十一章)第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二章酶生物合成的基本理論酶的生物合成——通過細(xì)胞的生命活動而合成各種酶的過程。酶有蛋白類酶（P酶）和核酸類酶（R酶）兩大類別，酶的生物合成主要是指細(xì)胞內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的合成過程。第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)RNA的生物合成——轉(zhuǎn)錄第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、中心法則1958年Crick：第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、中心法則1958年Crick：？發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄病毒（1970）朊粒第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天羊瘙癢癥水貂腦軟化病馬鹿和鹿的慢性消瘦病貓的海綿狀腦瘋牛病克雅氏綜合癥1976年，美國，Gajdusek，諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎1997年，美國，Prusiner，諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎WM＝分子量在2.7萬～3萬

朊病毒：又稱蛋白質(zhì)侵染因子（又稱毒阮）。朊病毒是一類能侵染動物并在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的小分子無免疫性疏水蛋白質(zhì)。第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天復(fù)制機(jī)理：合成朊病毒所需的信息，有可能是存在于寄主細(xì)胞之中的，而朊病毒的作用，僅在于激活在寄主細(xì)胞中為朊病毒的編碼的基因，使得朊病毒得以復(fù)制繁殖。朊病毒的蛋白質(zhì)能為自己編碼遺傳信息。逆轉(zhuǎn)譯蛋白質(zhì)本身可作為遺傳信息3.1982年P(guān)rusiner提出了朊病毒致病的“蛋白質(zhì)構(gòu)象致病假說”第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.以“DNA”為“中心”的中心法則解讀2.以“RNA”為“中心”的中心法則解讀（1）不具有逆轉(zhuǎn)錄行為的RNA病毒的中心法則之解讀（2）具有逆轉(zhuǎn)錄行為的RNA病毒的中心法則之解讀第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

二、RNA的生物合成——轉(zhuǎn)錄RNA的種類dsRNA:某些病毒遺傳信息載體催化活性RNA：催化作用tRNA：氨基酸載體rRNA：與蛋白質(zhì)共同組成核糖體mRNA：蛋白質(zhì)合成模板sRNA：分子修飾、代謝調(diào)節(jié)作用（一）RNA的種類和主要功能第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天以DNA為模板，以核苷三磷酸為底物，在依賴DNA的RNA聚合酶作用下，生成RNA的過程。（二）轉(zhuǎn)錄RNA+4nPPinATPnGTPnCTPnUTPDNA模板，Mg2+/Mn2+RNA聚合酶第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌RNA聚合酶：MW=5x105（三）RNA聚合酶全酶：由β

β’

α

ω

σ組成，識別轉(zhuǎn)錄起始位點，與DNA上的啟動基因結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄開始。核心酶：由β

β’

α

ω組成，進(jìn)行核苷酸鏈的延伸。1960年，Harowitz和Weiss第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天真核生物RNA聚合酶：三種聚合酶種類RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III別名rRNARNA聚合酶不均一RNA聚合酶小分子RNA聚合酶存在位置核仁核仁核質(zhì)相對分子質(zhì)量/103550600600催化反應(yīng)產(chǎn)物rRNAmRNAtRNA5SrRNA第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天RNA生物合成的起始位點在DNA的啟動基因（啟動子)上（四）轉(zhuǎn)錄的起始起始階段的重要問題是RNA聚合酶與DNA的啟動基因的相互作用，起始階段包括：全酶的形成酶與模板結(jié)合酶與啟動基因結(jié)合模板DNA局部變性轉(zhuǎn)錄開始第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天酶的移動方向（五）轉(zhuǎn)錄的延伸重旋解旋轉(zhuǎn)錄泡，17bp第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（六）轉(zhuǎn)錄的終止大腸桿菌中的兩類終止子：不依賴于ρ因子的終止子依賴于ρ(rho)因子的終止子模板DNA分子上每個基因或每個操縱子都含有一個終止信號——終止子。當(dāng)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄到達(dá)這個信號時，合成的RNA分子以及聚合酶與模板DNA分離，RNA鏈的合成便被終止。第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.不依賴于ρ因子的終止子第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.依賴于ρ因子的終止子第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.剪切反應(yīng)2.剪接反應(yīng)3.末端連接反應(yīng)：（七）RNA前體的加工tRNA3’-末端加上CCA-OH尾巴在mRNA的5’-末端加上“帽子”結(jié)構(gòu)5’-m7GpppNmpNp在mRNA的3’-末端連接polyA尾巴tRNA5’-末端加上甲基鳥苷酸4.核苷修飾反應(yīng)第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天tRNA3’-末端加上CCA-OH尾巴CCA-OH尾巴的功能：CCA是連接氨基酸所不可缺少的第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天在mRNA的5’-末端加上“帽子”結(jié)構(gòu)5’-m7GpppNmpNpmRNA（核苷-2’）甲基轉(zhuǎn)移酶RNA三磷酸酶mRNA鳥苷酰轉(zhuǎn)移酶mRNA（鳥嘌呤-7）甲基轉(zhuǎn)移酶5’帽子的功能：翻譯起始所必要的，為核糖體識別mRNA提供了信號，并協(xié)助核糖體與mRNA結(jié)合使翻譯從AUG開始。帽子結(jié)構(gòu)可增加mRNA的穩(wěn)定性，保護(hù)mRNA免遭5’→3’核酸外切酶的攻擊。第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天在mRNA的3’-末端連接polyA尾巴Poly（A）尾巴的功能：防止核酸外切酶對mRNA信息序列的降解，起緩沖作用?？赡芘cmRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)送到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)。但是相當(dāng)數(shù)量的沒有polyA尾巴的mRNA如組蛋白mRNA，也能通過核膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成——翻譯第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的生物合成——翻譯以mRNA為模板，以各種氨基酸為底物，在核糖體上通過各種tRNA、酶和輔助因子的作用，合成多肽鏈的過程，稱為翻譯。第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天遺傳密碼的簡并性：密碼子5’-XYZ-3’反密碼子3’-X’Y’Z’-5’61種密碼——20種氨基酸遺傳密碼的通用性密碼子與反密碼子的相互作用：mRNAtRNACrick根據(jù)立體化學(xué)原理，于1966年提出了擺動假說：密碼子與反密碼子的配對中，前兩對嚴(yán)格按照堿基配對原則，而第三對堿基則可以有一定自由度地擺動，所以，某些tRNA的反密碼子可以識別一個以上的密碼子。第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.氨基酸活化生成氨酰-tRNAaa＋tRNA+ATPaa-tRNA+AMP+PPi氨酰-tRAN合成酶分兩步進(jìn)行：aa+ATP+E→E-aa-AMP+PPiE-aa-AMP+PPi→aa-tRNA+E+AMP第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌，肽鏈合成的第一個氨基酸都是甲酰甲硫氨酸：Met＋tRNAF+ATP→Met-tRNAF+AMP+PPi甲酰轉(zhuǎn)移酶fMet-tRNA第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.肽鏈的合成起始第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3.肽鏈的延伸GDP+Pi第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天4.肽鏈的終止終止密碼子：UAA,UAG,UGA釋放因子（ReleaseFactor）:RF-1：UAA,UAGRF-2：UAA,UGA5.翻譯后加工去除甲酰基去除N-末端的氨基酸肽鏈折疊第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)酶生物合成的調(diào)節(jié)第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工調(diào)節(jié)翻譯水平的調(diào)節(jié)翻譯產(chǎn)物的加工調(diào)節(jié)酶降解調(diào)節(jié)組成酶：細(xì)胞內(nèi)含量恒定，環(huán)境因素對這些酶的合成效率影響不大。DNA聚合酶、RNA聚合酶、糖酵解途徑的酶。調(diào)節(jié)酶：在細(xì)胞內(nèi)含量變化很大，合成速率明顯受環(huán)境因素影響。誘導(dǎo)酶：在誘導(dǎo)物作用下開始或加速合成。b－半乳糖苷酶酶的類型酶合成的調(diào)節(jié)控制第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、原核生物中酶生物合成的調(diào)節(jié)第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1960年Jacob和Monod提出的操縱子學(xué)說（一）操縱子學(xué)說第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)基因：產(chǎn)生阻遏蛋白啟動基因操縱基因：與阻遏蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)基因：蛋白多肽鏈產(chǎn)物操縱子1.RNA聚合酶結(jié)合位點2.cAMP及其受體蛋白復(fù)合物（cAMP-CRP）結(jié)合位點操縱子學(xué)說主要內(nèi)容操縱子學(xué)說：操縱子（operon）是指啟動基因、操縱基因和一系列緊密連鎖的結(jié)構(gòu)基因的總稱，是轉(zhuǎn)錄的功能單位。很多功能上相關(guān)的基因前后相連成串，由一個共同的控制區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的控制，包括結(jié)構(gòu)基因以及調(diào)節(jié)基因的整個DNA序列。第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天…RPOS1S2…

…DNA調(diào)節(jié)基因啟動基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因與阻遏蛋白結(jié)合1.RNA聚合酶結(jié)合位點2.cAMP及其受體蛋白復(fù)合物（cAMP-CRP）結(jié)合位點產(chǎn)生阻遏蛋白mRNA操縱子第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天原核生物中操縱子的類型1.誘導(dǎo)型操縱子：在無誘導(dǎo)物的情況下，基因的表達(dá)水平很低或不表達(dá)，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物時,才能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，進(jìn)而合成酶。例如乳糖操縱子。2.阻遏型操縱子：在無阻遏物情況下，基因表達(dá)正常，當(dāng)有阻遏物存在時，轉(zhuǎn)錄受到阻遏。例如色氨酸操縱子。第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（二）原核生物中酶生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制1.分解代謝物阻遏作用2.酶生物合成的誘導(dǎo)作用3.酶生物合成的反饋阻遏作用第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.分解代謝物阻遏作用是指容易利用的碳源阻遏某些酶（主要是誘導(dǎo)酶）生物合成的現(xiàn)象。cAMP↓+H2OAMP↓磷酸二酯酶葡萄糖過量降解ATPADP,AMPcAMP-CRP↓啟動基因上沒有cAMP-CRP結(jié)合酶合成↓例：葡萄糖阻遏β-半乳糖苷酶的生物合成第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.酶生物合成的誘導(dǎo)作用加進(jìn)某種物質(zhì)，使酶的生物合成開始或加速進(jìn)行的過程。簡稱為誘導(dǎo)作用，起誘導(dǎo)作用的物質(zhì)，稱為誘導(dǎo)劑。催化作用的底物底物的類似物第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天舉例：乳糖誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶的合成第45頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3.酶生物合成的反饋阻遏作用（產(chǎn)物阻遏作用）是指酶催化作用的產(chǎn)物或代謝途徑的末端產(chǎn)物使該酶的生物合成受阻的過程。引起反饋阻遏的物質(zhì)，稱為共阻遏物。催化作用的產(chǎn)物代謝途徑末端產(chǎn)物第46頁,共51頁，2024年2月25