生物合成調節(jié)機理調節(jié)

生物合成調節(jié)機理調節(jié)第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日第五章

酶的生物合成及調節(jié)機理第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日組成型酶：在細胞中量比較恒定的酶;適應型酶：酶合成明顯受環(huán)境因素影響,調節(jié)型酶;在轉錄和翻譯的過程中，許多因素都會影響酶的生物合成；為了使代謝有條不紊進行，需對適應型酶的生物合成進行調節(jié)；包括：轉錄水平,轉錄產物加工,翻譯水平,翻譯產物加工,酶降解調節(jié)等。在所有的生物中，轉錄水平的調節(jié)控制對酶的生物合成至為重要；轉錄水平的調節(jié)控制又稱基因的調節(jié)控制；第三節(jié)酶生物合成的調節(jié)第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日原核和真核基因組基因（gene）是指DNA分子中的最小功能單位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋白質編碼的結構基因及無轉錄產物的調節(jié)基因?；蚪M（genome）是指某一特定生物單倍體所含的全體基因。原核細胞的“染色體”DNA分子就包含了一個基因組；而在真核細胞中則是指一套單倍染色體的的全部基因。第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日原核生物基因組的特點1、基因組小，單復制子，DNA分子上大部分是編碼蛋白質的基因，因此多數(shù)為單拷貝或僅有少量重復；2、功能相同的基因常串聯(lián)在一起，轉錄在同一個mRNA中（多順反子）；3、有基因重疊，以此增加信息容量。第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日真核生物基因組的特點1、基因組大，有多個復制子；mRNA為單順反子；2、有大量重復序列，根據重復次數(shù)可分為：

單拷貝序列，主要編碼蛋白質，數(shù)量多，但含量少

中度重復序列，可重復幾十到幾千次，編碼tRNA、rRNA和表達量大的蛋白質高度重復序列，可重復幾百萬次，不編碼，有高度變異性，可作指紋圖譜分析3、有斷裂基因，即基因中有外顯子區(qū)和內含子區(qū)，轉錄后經剪切去掉內含子后才成為可翻譯的mRNA模板或功能rRNA。4、DNA上有多數(shù)不編碼序列，在基因表達調控中起重要作用。第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1960，Jacob和Monod提出的操縱子學說闡明；與生物合成相關的四個基因：調節(jié)基因Regulatorgene；啟動基因Promotergene；操縱基因Operatorgene；結構基因Structuralgene；一、原核生物中酶合成的調節(jié)機制第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日結構基因（S）遺傳信息轉錄遺傳密碼mRNA翻譯多肽鏈（酶蛋白）；操縱基因（O）與一種變構蛋白（R產生的）特異性結合，操縱酶的合成與速度；啟動基因（P）決定酶的合成能否開始；兩個結合位點：RNA聚合酶結合位點、環(huán)腺苷酸（cAMP）－環(huán)腺苷酸接受蛋白（CRP）復合物的結合位點；第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日調節(jié)基因（R）產生一種變構蛋白，其通過與低分子作用物（誘導、阻遏）特異結合，改變其結構，改變其與操縱基因（O）的結合力；①當阻抑蛋白結合到操縱基因（O），RNA聚合酶無法通過操縱基因而進入到結構基因位置，酶就無法合成；②當阻抑蛋白改變結構不與操縱基因結合，RNA聚合酶才有可能通過操縱基因而進入到結構基因位置，進行轉錄，進而翻譯成酶蛋白多肽鏈。第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日操縱子——原核基因表達的協(xié)同單位操縱子結構基因（編碼蛋白質，S）控制部位操縱基因（operator,O）啟動子（premotor,P）原核生物酶合成調節(jié)的遺傳機制

操縱子學說無調節(jié)基因（R）第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日酶的誘導和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調節(jié)基因結構基因

阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結構基因不表達誘導物誘導物與阻遏蛋白結合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結構基因可以表達酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結合,結構基因可以表達阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產物與阻遏蛋白結合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結構基因不表達代謝產物第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、分解代謝物的阻遏作用（link）2、酶生物合成的誘導作用（link）3、酶生物合成的反饋阻遏作用（link）

go結構基因、操縱基因與啟動基因合稱為操縱子；分誘導型、阻遏型，據此，轉錄水平有3模式：第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日指易利用的碳源阻遏某些酶生物合成的現(xiàn)象；

碳源過量代謝途徑降解

放出能量部分存在ATP

AMP濃度降低

cAMP，cAMP－CRP濃度降低

啟動基因（P）上沒有cAMP－CRP

RNA聚合酶也無法結合到P

結構基因（S）上的信息無法轉錄

酶無法合成。（一）分解代謝物的阻遏作用第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日實質：cAMP通過啟動基因對酶生物合成的調節(jié)；解決方法：控制好易用碳源；加一定量的cAMP.Back第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（二）、酶生物合成的誘導作用定義：加入某些物質，使酶的生物合成加速的現(xiàn)象；誘導物：酶催化底物或類似物；乳糖操縱子中酶生物合成誘導過程如圖5-10;第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日大腸桿菌乳

糖

操

縱

子

模型調節(jié)基因操縱基因乳糖結構基因PLacZLacYLacamRNA

阻遏蛋白（有活性）基因關閉啟動子ORPLacZLacYLaca調節(jié)基因操縱基因乳糖結構基因啟動子ORmRNAZmRNAYmRNAa

阻遏蛋白（無活性）基因表達mRNAA、乳糖操縱子的結構

B、乳糖酶的誘導

乳糖

阻遏蛋白（有活性）第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日圖5-10酶生物合成的誘導作用（A）無誘導物時（B）添加誘導物Back第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（三）、酶生物合成的反饋阻遏作用定義：酶催化產物或代謝途徑末端產物使該酶生物合成受阻遏之現(xiàn)象，又稱產物阻遏作用；共阻遏物：引起反饋阻遏的物質（corepressor)乳糖操縱子例(link)；色氨酸操縱子例1，基因調節(jié)(link)；2，衰減子調節(jié)(link)。Back第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日乳糖操縱子的降解物阻遏RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表達CAP基因結構基因TCGP(CAP)OCAP結合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產物腺苷酸環(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cAMPCGP：降解物基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）

CAP：環(huán)腺苷酸受體蛋白（cycilicAMPreceptorprotein）降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)back第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日圖5-12酶生物合成的反饋阻遏作用back第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用的可能機制Trp密碼子111232233444核糖體核糖體轉錄繼續(xù)轉錄終止C.高濃度色氨酸使核糖體到達2部位，3與4堿基配對，轉錄終止。A.游離mRNA中1與2以及3與4堿基配對。B.低濃度色氨酸使核糖體停留在1部位，轉錄得以完成。back第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日二、真核生物酶合成的調節(jié)大多從DNA結構與功能進行研究；無統(tǒng)一的理論與模型；第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日真核生物基因表達調控DNA轉錄初產物RNAmRNA蛋白質前體mRNA降解物活性蛋白質DNA水平調節(jié)轉錄水平調節(jié)轉錄后加工的調節(jié)翻譯調節(jié)mRNA降解調節(jié)翻譯后加工的調節(jié)核細胞質

真核基因表達調控的五個水平

DNA水平調節(jié)轉錄水平調節(jié)轉錄后加工的調節(jié)翻譯水平調節(jié)翻譯后加工的調節(jié)真核基因調控主要是正調控順式作用元件和反式作用因子轉錄因子的相互作用控制轉錄第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日真核細胞中酶生物合成闡述內容：1、細胞分化改變酶的生物合成；2、基因擴增加速酶的合成;3、增強子促進酶的合成;4、抗原誘導酶的合成。第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（一）細胞分化改變酶的生物合成細胞基因表達的時空性；隨細胞分化，酶的生物合成受不同調節(jié)控制發(fā)生變化；典型例子：細胞衰老，癌癥；相關酶：端粒酶；第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日端粒酶端粒：真核生物染色體末端結構由富含GT的DNA重復序列重復而成端粒作用:保護真核生物染色體免遭破壞。一、細胞中有核酸酶等破壞因素;二、真核生物DNA復制中的”末端復制問題”端粒酶作用：以本身的RNA組分為模板把端粒重復序列加到染色體DNA末端,催化端粒合成與延長。人體正常細胞內檢測不到端粒酶的活性，分化程度低的癌細胞則有。第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（二）基因擴增加速酶的合成Geneamplification,通過增加基因數(shù)量調節(jié)基因表達的一種方式;發(fā)生在個體發(fā)育某階段或細胞分化某一過程;或可由選擇壓力引起，作為應急手段;第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（三）增強子促進酶的合成增強子modulator又稱調變子，是一段高效增強或促進基因轉錄的DNA序列；重要性：促進同源或異源啟動基因的轉錄活性增強效果可達1000倍；發(fā)現(xiàn)：猴子病毒SV40中發(fā)現(xiàn);作用:1,控制某些基因表達；2,高效增強某些基因表達；特性:具有細胞或組織特異性。第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（四）抗體酶生物合成的誘導抗體酶：abzyme,催化性抗體(catalyticantibody),一類具生物催化功能的抗體分子;抗體：由抗原誘導產生并與抗原具特異性結合功能的免疫球蛋白;1948，Pauling酶過渡態(tài)理論：酶與底物結合在過渡態(tài)時最強;1975，Kohler,Milstein,單克隆抗體技術；1986年，Lerner,Schultz,催化性抗體；方法：修飾法、誘導法；第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、半抗原誘導法以預先設計的過渡態(tài)類似物作為半抗原；過程：還可采用普遍原則根據酶催化特點與催化機制設計；如酯類水解反應的過渡態(tài)化合物；aa免疫單克隆化bb反應過渡態(tài)第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2、酶蛋白誘導法以某種蛋白酶作為抗原誘導抗體酶產生；過程：酶第一次免疫第二次免疫抗體酶第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)酶活性的調節(jié)必要性：使新陳代謝按照一定規(guī)律進行；方式：1，對單獨一種酶：激活劑與抑制制調節(jié),共價修飾,變構調節(jié);2，代謝途徑中的酶：反饋調節(jié)；第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日方式有1，激素的調節(jié)；2，酶濃度調節(jié)；3，抑制劑與激活劑；4，酶原激活（不可逆共價）；5，（可逆）共價修飾調節(jié)；6，別構酶的反饋調節(jié)；7，金屬離子和其它小分子化合物。第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日一、激活劑與抑制劑對酶活性的調節(jié)激活作用:某些酶在某些物質作用下才表現(xiàn)出酶催化活性或使之增強的作用;主要激活劑有:各種無機離子、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劑，cAMP對蛋白酶的激活。第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日抑制作用:某些酶在某些物質作用下酶催化活性降低甚至喪失的作用;主要抑制劑有:各種無機離子、小分子有機物、蛋白質等；真核生物中有許多蛋白酶活性經酶原活化作用實現(xiàn)，同時也有酶抑制劑保證需要時才進行酶原活化，如抑制肽對胰蛋白的抑制；第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日二不可逆共價調節(jié)（酶原激活）胰臟腺泡細胞合成幾種水解蛋白質的酶，，先以酶原形式存在，再在激素（腸促胰酶肽）調節(jié)下釋放到十二指腸，共協(xié)調進行蛋白質消化反應，而協(xié)調是由一個共同因素來達到，即這些酶原全由胰蛋白酶作用而活化。胰蛋白酶酶胰蛋白酶腸肽酶胰凝乳蛋白酶原活化彈性蛋白酶原活化羧肽酶活化第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日要點：1，為阻止胰蛋白酶原活過早活化，有另一附加機制，即胰分泌物中的抑制蛋白與酶原顆粒中存在的可能有活性的酶緊緊的結合，確保胰蛋白酶原在合理時間與地點才活化！故胰蛋白酶原只有遇到腸肽酶時才活化！2，上圖也顯示了信號放大作用。少量腸肽酶可迅速產生大量胰蛋白酶，而胰蛋白酶隨即將產生更大量的活性酶！第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日三、可逆共價修飾*****可逆共價修飾酶是指通過可逆的共價修飾作用,使酶的活性發(fā)生相互轉變的酶;因為有些酶是以兩種形式存在生物體內，活性受到其它酶調節(jié)，在其它酶作用下該酶結構發(fā)生共價修飾改造，從而在有活性與無活性間轉換。磷酸化酶就是典型代表。最常見的方式有:1、磷酸化-脫/去磷酸化反應循環(huán)；2、腺苷?；c脫腺苷?；蛔饔茫涸谝欢l件下，通過兩種形式酶的相互轉變快速地轉變胞內酶的活性，對代謝環(huán)境改變快速應答的功能！己發(fā)現(xiàn)有幾十種酶存在此功能。第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1、磷酸化與脫/脫磷酸化反應循環(huán)例1：磷酸化酶（phosphorylas)，存在a型（不需AMP即有活性）與b型（需AMP）酶，共價結構唯一區(qū)別：b型的Ser14羥基是游離的，此段肽鏈是柔性易變的，a型的則已磷酸化，肽鏈段是剛性，是磷酸化的Ser14側鏈與帶正電的第69位精氨酸(Arg69)殘基的側鏈作用結果。磷酸化酶b磷酸化酶a(E-CH2OH)(E-CH2-O-PO32-)4ATP4ADPMg2+4H3PO44H2O無活性有活性磷酸化激酶磷酸酶第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日具體例子，如糖元磷酸化酶，它催化糖單位的磷酸化：糖元（Gn)+H3PO4G-1-P+糖元（Gn-1)糖元磷酸化酶該酶就是以兩種形式存在，磷酸化酶b與磷酸化酶a；現(xiàn)在的問題是兩種酶的形式是如何轉變的？磷酸化酶b轉變?yōu)榱姿峄竌需磷酸化酶激酶等組成的級聯(lián)反應體系催化之，磷酸化酶a通過磷酸化酶的磷酸酯酶催化逆轉為酶b;第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（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：表示活性酶腎上腺素與細胞表面受體結合蛋白激酶腺苷酸環(huán)化酶R（調節(jié)亞基）+2C（催化亞基，有活性）ATPADP蛋白激酶家族介紹（見后?。┑谒氖豁?，共六十二頁，編輯于2023年，星期日由此可見，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！催化這一反應的的為另一種激酶（蛋白激酶）?。〉鞍准っ福╬roteinkinase)(包括磷酸化酶激酶）的功能是催化蛋白酶磷酸化，與之相應的是磷酸蛋白磷酸酯酶；蛋白質的可逆磷酸化與脫磷酸化認為是生物活性的一種基本調節(jié)機制，通過這種機制細胞就能對內外信號因子作出響應，調節(jié)生化與生理過程，控制基因的表達，細胞的生長與分化甚至細胞的癌變與逆轉化等！第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日蛋白激酶家族介紹***蛋白激酶是一個大家族，基因組中大約有1%的基因編碼蛋白激酶；有的和第二信使cAMP、Ca2+-CaM(鈣調蛋白)與cGMP等偶聯(lián)起激素信號的轉化放大作用；有的接受第二信使二?；视偷男畔⒖刂萍毎鲋成L分化；這類激酶催化的是SerThr殘基的磷酸化，稱為SerThr激酶；與此相對的是酪氨酸殘基磷酸化，是一些跨膜蛋白;在這類蛋白激酶中，有的是胰島素和生長激素的受體，有的是致癌因子的受體第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日蛋白激酶的分類*蛋白激酶是一類別構酶分子中包含催化亞基與調節(jié)亞基；根據其對信號分子的要求可分為以下幾類：1依賴于cAMP的蛋白激酶；2依賴于Ca2+-鈣調蛋白的蛋白激酶；3依賴于cGMP的蛋白激酶；4依賴于二?；视偷牡鞍准っ?；5酪氨酸蛋白激酶。第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1依賴于cAMP的蛋白激酶CyclicAMPdependentproteinkinase也稱A激酶，要求cAMP激活；A激酶的靶蛋白是磷酸化酶激酶，另一個是糖元合成酶；不同類型細胞有不同蛋白，故對cAMP的效應不同；cAMP的效應是短暫的;第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2依賴于Ca2+-鈣調蛋白的蛋白激酶CaM-激酶，受Ca2+-鈣調蛋白絡合物調節(jié)；如最早知道的是肌球蛋白輕鏈激酶；A激酶與CaM激酶均調節(jié)糖元分解與合成；第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日3依賴于cGMP的蛋白激酶G激酶，需cGMP激活；天然底物目前不清楚；4依賴于二酰基甘油的蛋白激酶C激酶，PKC，被二?；视虳AG激活；第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日5酪氨酸蛋白激酶Proteintyrosinekinase,PTK;催化ATP末端磷酸基團轉至受體蛋白酪氨酸羥基使受體蛋白活化；第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日細胞傳導兩條基本途徑1、七個跨膜段組成的細胞膜受體，與信號分子結合后作用G蛋白再作用蛋白引起第二信使的生成與改變導致蛋白激酶活化；2、跨膜tyrosine激酶，受體與胞外側信號分子結合激活內側的催化結構域導致細胞的生長與分化；第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日總結：磷酸化/脫磷酸化可逆共價調節(jié)的特點①由不同酶催化的一種酶活性形式的可逆平衡調節(jié)；②通過級聯(lián)體系進行；③一個信號可能同時通過兩個或多個磷酸化/脫磷酸化調節(jié)體系協(xié)同作用；第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2、腺苷?；c脫腺苷?；竽c桿菌谷氨酰胺合成酶由ATP供能催化谷氨酸與氨反應生成谷氨酰胺，因此參與了氨基酸的脫氨作用，而動物中的氨基氮可用于谷氨酸、色氨酸、組氨酸嘌呤、嘧啶核苷酸及氨基糖的合成。腦細胞中存在大量谷氨酰胺與谷氨酸，會降低酮戊二酸量從而干擾了TCA循環(huán)與能量代謝。故谷氨酰胺合成酶活性需調控！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第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日該酶兩種形式，一是亞基中的酪氨酸殘基的羥基被AMP修飾而腺苷酸化，是低活性的，另一種則是游離羥基，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第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日E.coli的谷氨酰胺合成酶活性由兩種不同但連鎖的機制調節(jié)：反饋抑制的變構調節(jié)與共價修飾調節(jié)。共價修飾包括一系列復雜的級聯(lián)調控步驟：谷氨酸谷氨酰胺(Gln)GS（活性）GS（無活性）AMPATPNH3ADPPi酮戊二酸PIIPIIUTUTPPPiATH2OUMPPIIATPIIATATPPPi腺苷?；疨iADP脫腺苷?；疷MPUMPGS：谷氨酰胺合成酶AT：腺苷酸轉移酶UT：尿苷酰轉移酶尿苷?；撃蜍挣；谖迨摚擦?，編輯于2023年，星期日總結：可逆共價修飾意義1，由于酶從一種形式轉為另一種形式是酶催化的，故活性酶數(shù)量可迅速變化，反應信號也迅速放大！2，酶活性與非活性連續(xù)互變，較之不可逆共價修飾更能做出調節(jié)。第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日三、別構酶的活性調節(jié)allostericenzyme指某化合物與酶活性中心以個位點結合后引起酶分子構象改變導致酶與底物親和力改變的一類酶；而相應的別構效應劑多是激活劑和抑制劑；配體包括作用底物和別構效應劑；正協(xié)同作用與負協(xié)同作用；第五十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（一）別構酶調節(jié)模式1，MWC；2，KNF；3，EIG；是Eigen在上兩個模式上的綜