微生物的代谢调节.pptx

第一节微生物的自我调节第1页/共147页一、微生物代谢调节的环节（1）细胞透性的调节S-P大肠杆菌中乳糖吸收的调节第2页/共147页（2）代谢途径区域化 在真核生物中，与呼吸有关的酶系集中在线粒体上，与蛋白质合成有关的酶集中在核糖体上，与DNA合成有关的酶系集中在细胞核中。第3页/共147页第4页/共147页（3 3）代谢反应方向的控制a).由同一个酶催化的可逆反应在这种情况下可以通过不同的辅基（或辅酶）控制代谢物的流向。谷氨酸脱氢酶以NADP+为辅酶时，主要催化谷氨酸的合成，当以NAD+为辅酶时，则催化谷氨酸的分解。3-磷酸甘油醛脱氢酶，在EMP途径中催化3-磷酸甘油醛氧化成3-磷酸甘油酸，但在Calvin循环中则催化3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛，前者是以NAD+为辅酶，后者以NADP+为辅酶。第5页/共147页b).由两种酶控制的可逆反应a葡萄糖+ATP己糖激酶6-磷酸葡萄糖b6-磷酸葡萄糖+H2O6-磷酸葡萄糖酯酶葡萄糖+Pia6-磷酸果糖+ATP磷酸果糖激酶1，6-二磷酸果糖+ADPb1，6-二磷酸果糖+H2O1，6-二磷酸果糖酯酶6-磷酸果糖+Pi第6页/共147页(4).(4).代谢速度的调控 在不可逆反应中，微生物可以通过调节酶的活性和酶量来控制反应的速度。细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用而实现的。因为，任何代谢途径都是一系列酶促反应构成的，其调节的对象是酶。酶水平的调节是最基本的调节方式。第7页/共147页第二节酶活性的调节 酶活性调节是指通过改变酶分子的构象或结构来调节其催化活性从而改变反应速率的方式。酶活性的调节是通过激活或抑制已有酶的活性而实现的，特点是反应快。第8页/共147页1.1.激活作用 凡能提高酶活性的物质称为激活剂。激活剂大多是金属离子，如Na+、K+、Zn2+、Ca2+、Fe2+、Co2+、Ni2+等，阴离子激活剂则少见。这类由离子控制的激活作用，不能进行自我调节，而主要靠提供外源的离子。一、酶活性调节的方式第9页/共147页属于代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活。1.1.前体激活 例如，粪链球菌的乳酸脱氢酶的活性，可以被前体物质1，6-二磷酸果糖所激活；粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性，可以被柠檬酸激活.2.反馈激活如1，6-二磷酸果糖对果糖激酶的激活作用。这种方式并不多见。ABCDEEdABCDEEa第10页/共147页F-6-P(um)1，6-二磷酸果糖对果糖激酶的反馈激活作用相对活性第11页/共147页2.2.抑制作用由于某种物质的存在，使酶的活性降低或失活，称为抑制。抑制作用可以是不可逆的，也可能是可逆的。在代谢调节过程中所发生的抑制作用主要是可逆的，而且大多是属于反馈抑制。第12页/共147页反馈抑制:反馈抑制是指代谢途径的末端产物对代谢途径中的酶活性的抑制直线型代谢途径中的反馈抑制通常末端代谢产物对催化该途径中的第一步反应的酶具有抑制作用。抑制苏氨酸TD-酮丁酸异亮氨酸反馈抑制第13页/共147页分支代谢途径中的反馈抑制1.酶的顺序反馈抑制分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑制整个途径中的第一个酶，而是末端产物P1、P2分别抑制分支点后的第一步反应，造成C的累积，由C再反馈抑制整个途径中的第一个酶。第14页/共147页反馈抑制预苯酸脱氢酶对羟基苯丙酮酸酪氨酸苯丙酮酸苯丙氨酸预苯酸脱水酶反馈抑制反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸+4-磷酸赤藓糖7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸分支酸7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸合成酶预苯酸第15页/共147页2.2.同功酶的反馈抑制同功酶是指结构不同而功能相同即催化同一生化反应的酶，可分别被相应的末端产物所抑制。途径中的第一步反应分别由二个不同的酶所催化，而且分别被产物P1和P2所抑制。第16页/共147页天门冬氨酸天门冬氨酰磷酸天门冬氨酸半醛高 丝 氨 酸甲 硫 氨 酸苏氨酸亮异氨酸赖氨酸大肠杆菌中天门冬氨酸激酶的同功酶调节第17页/共147页3.3.协同反馈抑制协同反馈抑制作用是指在分支代谢系统中，几种末端产物同时过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用，末端产物单独过量则不起抑制作用。第18页/共147页天门冬氨酸天门冬氨酰磷酸天门冬氨酸半醛高丝氨酸苏氨酸赖氨酸谷氨酸棒杆菌中末端产物赖氨酸、苏氨酸的协同反馈抑制第19页/共147页4.累积反馈抑制分支代谢途径中各种末端产物单独过量时，它们各自对途径中的第一个反应的酶具有较小的抑制作用，一种末端产物的单独过量并不影响其它产物的形成，只有当几种末端产物同时过量时，才能对途径中的第一个酶产生较大的抑制。40%30%末端产物P1单独过量时，能抑制第一个酶40%的活性，末端产物P2单独过量时，能抑制第一个酶30%的活性，当P1、P2同时过量时，其抑制活性为40%+（140%）30%=58%。第20页/共147页大肠杆菌中谷氨酰胺合成酶（GS）受末端产物的累积反馈抑制第21页/共147页5.5.增效反馈抑制当几种末端产物同时过量时，其抑制作用不是简单的累积，而是具有放大作用。假如末端产物P1单独过量时，能抑制第一个酶40%的活性，末端产物P2单独过量时，能抑制第一个酶30%的活性，当P1、P2同时过量时，其抑制活性可能超过90%。40%30%第22页/共147页二、酶活性调节的分子机理一）别构酶调节理论：内容要点：别构酶除了具有与底物结合的催化中心外，还具有与调节剂（激活剂或抑制剂）结合的调节中心。当酶与调节剂结合后，酶蛋白的构象发生变化，引起催化中心的改变，从而导致酶活性的改变。第23页/共147页第24页/共147页第25页/共147页别构酶的特性1)别构酶是一个寡聚体/多聚体，含有多个亚基（二个或两个以上）。2)别构酶分子中含有催化中心和调节中心，它们在空间上是分开的，可以在不同的亚基上，也可以在同一亚基的不同部位上。3)每个别构酶分子可以结合一个或多个底物或调节物分子。理论上结合底物的最大数目与催化中心的数目相同，结合的调节物分子的数目与调节中心的数目相同。调节物可以是抑制剂，也可以是激活剂。第26页/共147页4)别构酶的反馈抑制和普通酶的抑制方式不同，底物和调节物分子之间在结构上没有相似性，它们结合在酶的不同部位。5)别构酶有协同效应。底物-底物之间，底物和调节物分子之间可发生协同作用（正协同作用或负协同作用）反应速度是底物浓度的二次（或二次以上）函数，即V Sn,n1。第27页/共147页别构酶的动力学特征别构酶的反应动力学不符合米氏方程，别构酶的底物浓度对反应速度的动力学曲线不是双曲线而是S型曲线，V=VmaxSnKm+SnV是酶促反应的速度，Vmav是最大反应速度，S是底物浓度，Km是米氏常数，n是亚基数。Hill方程vVmaxS/（Km+S）Michaelis方程第28页/共147页第29页/共147页Examplepourn=1，2，4第30页/共147页协同作用提供了一个酶反应速度对底物浓度极为敏感的区域，即S形曲线的中间“陡段”。当细胞内底物浓度在此段范围内，即使没有激活剂，底物浓度本身就能对酶反应速度产生显著影响。而底物浓度处于很低或很高水平时，则处于S形曲线的平段，使反应速度不会有很大的变化，似乎有一定的缓冲作用。这样既可在底物浓度处于极端时，不会过大地影响细胞内的代谢速度，又可以在适当的底物浓度下能灵活地调节细胞代谢的速度。再加上别构激活或别构抑制，使得细胞代谢调节更加灵活，以适应生理活动的需要。第31页/共147页别构酶的实例大肠杆菌中的天门冬氨酸转氨甲酰酶（aspartatetranscarbamylase,ATCase）是变构酶的典型例子它受末端产物CTP的反馈抑制，而ATP是其正调节物。第32页/共147页ATCase两类亚基的性质酶或亚基分子大小酶活力同CTP结合同ATP结合R亚基2.8S_+C亚基5.8S+_R+C11.7S+第33页/共147页ATCase由12个亚基，其中6个C亚基组成两个三聚体，6个R亚基则组成三个二聚体。第34页/共147页第35页/共147页第36页/共147页脱敏作用（不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性）ATP、CTP对天门冬氨酸转氨甲酰酶的影响第37页/共147页丙酮酸激酶Pyruvatekinase(allostericregulationbyATP,acetyl-CoA,D-fructose-1,6-bisphosphate）磷酸果糖激酶Phosphofructokinase(allostericregulationbyfructose-1,6bisphosphate,AMP,ADP,ATP,citrate柠檬酸)第38页/共147页丙酮酸激酶第39页/共147页别构酶的脱敏作用所谓的脱敏作用是指别构酶经特殊处理，丧失了对变构剂的敏感性，但仍具有催化活性。脱敏处理的方法多种：（1）加热处理；（2）05低温处理；（3）化学试剂（如对氯汞苯甲酸盐、尿素等）；（4）透析；（5）X射线照射；（6）酶蛋白的有限水解；（7）pH的改变具体采用哪种方法要根据不同的酶而定。第40页/共147页二）别构酶活性调节的机理1 MWC模 式（Monod-Wyman-Changeuxmodel）齐变模式内容要点：别构酶是一种寡聚体，每个亚基对一种效应物（底物或变构剂）只有一个结合位点。亚基有两种构象状态，称为R型（relaxedstate）和T型(tensed/tautedstate)，R型和T型在三级或四级结构上，在和效应物的亲和力上都不相同。别构酶的所有亚基都处于相同的构象状态（全为R型或全为T型），不存在混合构型。因此，别构酶始终保持分子的对称性。第41页/共147页第42页/共147页在没有效应物的情况下，别构酶的R型和T型保持平衡状态，R0T0，假如平衡常数L=T0/R01,R型和T型对底物的亲和力分别用解离常数KR、KT表示，该模型假定KTKR，即R0对底物S的亲和力大大高于T0对底物S的亲和力。如果S结合在R0上形成R1(s)，R0的相对浓度下降，打破了T0/R0的平衡，导致T0R0以恢复平衡，促使R型的增加，也就意味着，底物结合位点的增加。第43页/共147页因为每个亚基有一个底物的结合位点，而别构酶是多亚基的，因此，每一个别构酶分子有多个底物的结合位点，R构型的少量增加使得底物的结合位点大大增加，反应速度也大大加快，这就很好地解释了协同作用。协同作用的强度依赖于T0/R0的比例以及R和T对底物S的亲和力。如果L很大，KTKR，协同作用将十分显著。第44页/共147页凡能促进酶对后续底物分子（或效应物）的亲和性的称为正协同作用：同质正协同作用起正协同作用的物质分子相同，如同为一种底物（或效应物）；异质正协同调节物起正协同作用的为2种不同的物质，如底物和效应物。如果一分子效应物同酶结合后，降低了后续效应物同酶的结合，则成为负协同作用。同样负协同作用也分为同质负协同作用和异质负协同作用。第45页/共147页2.KNF模式(序变模型)要点如下：（1）别构酶是一种寡聚体，每个亚基对一种配体（底物或变构剂）只有一个结合位点。（2）当底物或别构剂不存在时，酶只有一种分子构型。（3）当底物或别构剂和一个亚基结合时，可引起此亚基的构象变化，这一变化通过酶分子四级结构的变化而影响邻近亚基，使邻近亚基发生构象变化，从而使其对底物分子的亲和力增大或减小。第46页/共147页如果结合底物的亚单位发生变构，可能引起相邻的亚单位发生变构结合底物的亚单位如果配体的亲和力如下，则为正协同作用如果配体的亲和力如下，则为负协同作用别构酶的KNF模式（序变模式）第47页/共147页三）酶的共价修饰共价修饰是酶蛋白在修饰酶催化下，与某些物质发生共价键的结合或解离，从而导致调节酶的活化或抑制。共价修饰又称为化学修饰，这是另一种快速、灵敏、高效的细调方式。第48页/共147页酶类低活性状态高活性状态来源糖原合成酶丙酮酸脱氢酶糖原磷酸化酶磷酸化酶b酶谷氨酰氨合成酶黄嘌呤氧化酶（脱磷酸化）酶（脱磷酸化）酶（磷酸化）酶（磷酸化）酶（腺苷酰化）酶（-SH化）酶（磷酸化）酶（磷酸化）酶（脱磷酸化）酶（脱磷酸化）酶（脱腺苷酰化）酶（-S-S-化）酶真核细胞真核细胞真核细胞哺乳动物真核细胞哺乳动物第49页/共147页糖原磷酸化酶的共价修饰调节磷酸化酶b激酶磷酸酯酶糖原磷酸化酶b糖原磷酸化酶a低活性高活性真核细胞中糖原磷酸化酶通常以两种形式存在：低活性的糖原磷酸化酶b(由分子量为100000和95000两个亚基组成的二聚体)和高活性的糖原磷酸化酶a.当ATP存在时，由糖原磷酸化酶b激酶催化肽链上丝氨酸残基的磷酸化，由此转变成高活性的糖原磷酸化酶a。有活性的糖原磷酸化酶a由特异的磷酸酯酶催化脱磷酸又转变为无活性的糖原磷酸化酶b。第50页/共147页谷氨酰氨合成酶(GS)的共价修饰URase脱尿苷酰化UTase尿苷酰化PIIPII（UMP）1-3ATase(脱腺苷酰化)GS(AMP)1-12无活性状态PiADPGS活性状态ATase(腺苷酰化)GS活性状态GS(AMP)1-12无活性状态ATPPPi（1）腺苷酰转移酶（ATase）；（2）调节蛋白（PII）；(3)尿苷酰转移酶（UTase）；（4）尿苷酰去除酶（URase）。第51页/共147页第52页/共147页第53页/共147页共价修饰对酶活性调节的特点l共价修饰酶都具有两种形式，即无活性（或低活性）和有活性（或高活性）两种。l共价修饰对酶活性调节的本质是酶分子的共价键发生了改变，即酶的一级结构发生了改变，而在别构调节中只发生了非共价键的改变。l共价修饰作用对调节信号具有放大效应，其效率比别构酶调节要高。第54页/共147页别构酶调节和共价修饰调节的异同之处：相同之处：两者都不涉及到基因表达的改变，而且所发生的变化都是在别构部位而不是在催化部位。不同之处：在于别构调节酶在别构部位发生的非共价键的改变为单纯的构像变化，而酶的共价修饰是酶分子的共价键发生了改变，不是单纯的构像变化。第55页/共147页别构调节和共价修饰的联合作用糖原磷酸化酶的活性调节实际上既有共价修饰（磷酸化/脱磷酸化），又有别构调节。糖原磷酸化酶受到ATP的抑制和AMP激活。ATP和AMP结合在相同的部位，因此糖原磷酸化酶的活性受到细胞内ATP/AMP相对浓度的控制。第56页/共147页磷酸化酶bR态（无活性）磷酸化酶aR态（活性）磷酸化酶激酶磷酸化蛋白磷酸酯酶酶I磷酸化酶bR态（活性）磷酸化酶aT态（无活性）葡萄糖咖啡因葡萄糖6-磷酸葡萄糖咖啡因糖原磷酸化酶的调节第57页/共147页第三节酶的合成调节从本质上来说，酶合成的调节是在基因表达水平起作用的。能否合成某种酶取决于微生物有无合成该酶的基因，但基因的表达还要根据环境条件。另外，由于酶的合成需要时间，它调节的效果响应地来得慢，不象酶活性调节那样迅速。微生物酶合成的调节方式有二种类型：酶合成的诱导和酶合成的阻遏第58页/共147页一、酶合成的诱导 (Inductionofenzymesynthesis)组成酶(constitutiveenzyme)诱导酶（inducibleenzyme)能够诱导某种酶合成的化合物称为该酶的诱导剂。诱导剂可以是该酶的底物或底物的结构类似物。诱导剂也可以不是该酶的底物，如异丙基-D-硫代半乳糖苷（IPTG)是-半乳糖苷酶合成的诱导剂，但不是该酶的底物。第59页/共147页-半乳糖苷酶的诱导剂与诱导能力诱导物诱导能力10-9mol/(minmg)*10-3mol/L10-4mol/L10-5mol/L半乳糖-甲基半乳糖苷乳糖-D-甲基半乳糖苷蜜二糖420280025001402400844208402019600140210818*酶活力以分解邻硝基苯-半乳糖苷的能力来表示第60页/共147页几种诱导酶的正常与高效诱导物几种诱导酶的正常与高效诱导物酶酶正常底物正常底物类似底物的高效诱导物类似底物的高效诱导物-半乳糖苷酶半乳糖苷酶青霉素酶青霉素酶甘露糖链霉素酶甘露糖链霉素酶乳糖乳糖苄基青霉素苄基青霉素甘露糖甘露糖异丙基异丙基-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷2，6一二甲氧基苄基青霉素一二甲氧基苄基青霉素甲基甘露糖苷甲基甘露糖苷第61页/共147页时间酶合成的诱导任意单位细胞数总蛋白加入乳糖-半乳糖苷酶第62页/共147页一般来说，真核细胞的基本酶水平和充分诱导后酶水平之间的差异小于原核生物的这种差异。如大肠杆菌的精氨酸酶的诱导水平比诱导前的酶水平高10培，而在啤酒酵母中这种差异最多只能达到10培，这表明真核细胞的诱导效应不如原核生物。第63页/共147页协同诱导（coordinatedinduction）一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象叫做协同诱导。例如，半乳糖可同时诱导产生半乳糖激酶、UDP-半乳糖转移酶、UDP-半乳糖表异构酶；乳糖可同时诱导产生-半乳糖苷酶、渗透酶、半乳糖苷转乙酰基酶。Gal+ATP半乳糖激酶Gal-1-PUDP-GUDP半乳糖转移酶UDP-GalADPG-1-PUDP-半乳糖表异构酶UDP-G半乳糖半乳糖对半乳糖激酶、UDP-半乳糖转移酶、UDP-半乳糖表异构酶的协同诱导第64页/共147页协同诱导的机理：在于几种基因在同一个操纵子控制之下。原核生物中十分普遍。第65页/共147页顺序诱导(sequentialinduction)一种诱导剂可以有顺序地连续诱导产生一系列酶的现象称为顺序诱导。例如，荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）降解芳香族化合物的酶系，就是顺序诱导出来的。顺序诱导作用模式ABCDEaEbEc第66页/共147页荧光假单胞菌降解儿茶酚的酶系的顺序诱导-酮己二酸乙酸琥珀酸顺-己二烯二酸儿茶酚顺-己二烯二酸的诱导作用-酮己二酸的诱导作用第67页/共147页二、酶合成的阻遏（Repressionofenzymesynthesis）阻止酶合成的现象称为酶合成的阻遏，阻遏酶合成的物质称为阻遏物。在在微微生生物物的的代代谢谢过过程程中中，当当某某途途径径的的末末端端产产物物过过量量时时，可可通通过过阻阻碍碍该该代代谢谢途途径径中中包包括括关关键键酶酶在在内内的的一一系系列列酶酶的的生生物物合合成成，彻彻底底控控制制代代谢谢和和末末端端产产物物合合成成。阻阻遏遏作作用用有有利利于于微微生生物物从从合合成成源源头头节节省有限的养料与能量省有限的养料与能量第68页/共147页酶合成的阻遏时间任意单位细胞数总蛋白加入精氨酸精氨酸合成酶系第69页/共147页阻遏类型：如果阻遏物是被阻遏的酶（或酶系）所催化生成的终点产物，则这种阻遏现象称为终点产物反馈阻遏（feedbackrepression）。如果阻遏物是分解代谢的产物，则称为分解代谢物阻遏（catabolicrepression）。第70页/共147页1.1.终点产物反馈阻遏这种阻遏主要发生在合成代谢途径上。（1）直线代谢途径：第71页/共147页微生物在正常的条件下，不会合成过量的细胞物质。天门冬氨酸高丝氨酸胱硫醚高半胱氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸合成途径中的终点产物反馈阻遏第72页/共147页（2）分支代谢途径：）分支代谢途径：分支代谢途径的阻遏较为复杂。每种末端产分支代谢途径的阻遏较为复杂。每种末端产物仅专一地阻遏各自对应的分支途径中酶的物仅专一地阻遏各自对应的分支途径中酶的合成。代谢途径分支点以前的合成。代谢途径分支点以前的“公共酶公共酶”受受所有分支途径末端产物的共同阻遏，此即所有分支途径末端产物的共同阻遏，此即多多价阻遏作用价阻遏作用。任何单独一种末端产物的累积，都不能阻遏任何单独一种末端产物的累积，都不能阻遏“公共酶公共酶”的合成；只有所有末端产物同时的合成；只有所有末端产物同时累积，才能阻遏累积，才能阻遏“公共酶公共酶”合成。合成。第73页/共147页2.2.分解代谢物的阻遏分解代谢物的阻遏是在研究微生物对混合碳源利用时所表现出的二次生长现象的过程中发现的。第74页/共147页第75页/共147页二次生长现象是一种十分普遍的现象当环境中同时存在两种底物当环境中同时存在两种底物(碳源或氮源碳源或氮源)时，时，易利用的底物会阻遏难利用底物分解酶系的易利用的底物会阻遏难利用底物分解酶系的合成，只有当易利用的底物完全被用完后，合成，只有当易利用的底物完全被用完后，才会合成难利用的底物分解酶系。才会合成难利用的底物分解酶系。其实质并非易利用的底物直接导致，而是易其实质并非易利用的底物直接导致，而是易利用底物分解过程中产生的中间代谢物或末利用底物分解过程中产生的中间代谢物或末端代谢物的过量累积，阻遏了代谢途径中一端代谢物的过量累积，阻遏了代谢途径中一些酶的合成些酶的合成。第76页/共147页二次生长现象的机理是由于利用葡萄糖的酶系是固有的，而利用乳糖、（或阿拉伯糖、半乳糖等）的酶系是诱导形成的。在有葡萄糖的情况下，乳糖根本不能被吸收到细胞内,而且阻遏了利用乳糖的酶系的合成。只有当葡萄糖被完全利用完后，乳糖才能被吸收进入细胞，然后乳糖诱导相关的分解乳糖的酶系。由于合成新的酶系需要一定的时间，所以在二次生长之间出现了一段停滞期。进一步的研究表明不是葡萄糖本身阻遏了乳糖分解的酶系的合成，而是细胞内cAMPcAMP的浓度在起作用。当有葡萄糖时，细胞内cAMPcAMP水平低；当葡萄糖被利用后，cAMPcAMP的浓度上升。并推测是由于葡萄糖的分解产物抑制了cAMPcAMP的生成或促进了cAMPcAMP的分解。第77页/共147页酶合成调节的遗传机制：操纵子学说操操纵纵元元被被认认为为是是基基因因表表达达的的基基本本单单元元，它它由由两两类类基基因因组组成成：编编码码酶酶蛋蛋白白的的结结构构基基因因和和控控制制结结构构基基因因表表达达的的调调控控元元件件（regulatoryelements）。两两类类基基因因可可通通过过突突变变来来区区分分。某某一一结结构构基基因因的的突突变变只只影影响响到到某某特特定定酶酶的的活活性性，而而调调控控元元件件的的突突变变则则影影响响到到受受它它控控制制的的几种不同的酶。几种不同的酶。第78页/共147页操纵子分两类操纵子分两类诱导型操纵子：诱导型操纵子：在在诱导物存在时诱导物存在时才发生转才发生转录、翻译，合成诱导酶的操纵子称为诱导录、翻译，合成诱导酶的操纵子称为诱导型操纵子。型操纵子。阻遏型操纵子：阻遏型操纵子：在在缺乏辅阻遏物时缺乏辅阻遏物时才发生才发生转录、翻译的操纵子称为阻遏型操纵子。转录、翻译的操纵子称为阻遏型操纵子。阻遏型操纵子编码酶的合成，只有通过去阻遏型操纵子编码酶的合成，只有通过去阻遏作用才能启动。阻遏作用才能启动。第79页/共147页调节基因调节基因用于编码组成型调节蛋白的基用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般位于操纵子附近。因。调节基因一般位于操纵子附近。效应物效应物是一类低分子量的信号物质是一类低分子量的信号物质(如糖如糖类及其衍生物，氨基酸及核苷酸等类及其衍生物，氨基酸及核苷酸等)，包括诱，包括诱导物与辅阻遏物，它们可导物与辅阻遏物，它们可与调节蛋白结合，与调节蛋白结合，使之发生变构，提高或降低与操纵基因的结使之发生变构，提高或降低与操纵基因的结合能力。合能力。第80页/共147页调节蛋白调节蛋白是一类变构蛋白，具有两个是一类变构蛋白，具有两个特殊位点。其一与操纵基因结合，其二与特殊位点。其一与操纵基因结合，其二与效应物结合。调节蛋白与效应物结合后会效应物结合。调节蛋白与效应物结合后会发生变构作用。通过变构，调节蛋白与操发生变构作用。通过变构，调节蛋白与操纵基因的结合力发生变化纵基因的结合力发生变化(提高或降低提高或降低)。调节蛋白分为两种类型，一种称调节蛋白分为两种类型，一种称阻遏物阻遏物，它能在没有诱导物时单独与操纵基因结合，它能在没有诱导物时单独与操纵基因结合，另一种称另一种称阻遏物蛋白阻遏物蛋白，它只能在，它只能在辅阻遏物辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。存在时才能与操纵基因结合。第81页/共147页第82页/共147页第83页/共147页第84页/共147页第85页/共147页乳糖操纵子的负调控-半乳糖苷酶、渗透酶、半乳糖苷转乙酰基酶第86页/共147页第87页/共147页第88页/共147页-葡萄糖苷酶别乳糖(Allolactose)第89页/共147页第90页/共147页乳糖操纵子的正调控第91页/共147页CAP激活转录有两种方式：1.作 用 于 DNA，即 cAMP-CAP复 合 物 与DNA结合后，使DNA发生弯曲，促进了RNA聚合酶与启动子的结合；另外，cAMP-CAP复合物与DNA结合后改变了这一区段DNA的二级结构，促进了RNA聚合酶结合区的解链，有利于转录。2.是CAP直接作用于RNA聚合酶，即CAP与RNA聚合酶中的-亚基的羧基相接触，通过CAP与RNA聚合酶的相互作用，提高转录水平。第92页/共147页半乳糖操纵子Gal+ATP半乳糖激酶（galK）Gal-1-P+ADPGal-1-P+UDP-GUDP半乳糖转移酶(galT)UDP-Gal+G-1-PUDP-GalUDP-半乳糖表异构酶(galE)UDP-G总反应：Gal+ATPG-1-P+ADP第93页/共147页第94页/共147页半乳糖操纵子的特征1.1.含有两个启动子 S1S1依赖于cAMP-CAPcAMP-CAP；S2S2不依赖于cAMP-CAPcAMP-CAP2.2.无-35序列3.具有二个操纵基因OE和OI，OE在上游，位于CAP位点内，OI在基因Gal内部；第95页/共147页GalR的作用机制galR编码一个抑制蛋白，是组成型表达。GalR形成四聚体时，四聚体结合在二个操纵基因上，一个位于+55处，一个位于P1上游的-60处，形成的DNA环阻止了RNA聚合酶结合到启动子上，从而抑制了从S1和S2的转录。当GalR形成二聚体时，只结合在60位，P2没有被抑制，GalE进行本底水平的表达。在这种情况下，P1由于和RNA聚合酶的亚基作用而受到抑制。GalR蛋白只有在半乳糖缺乏的条件下才具有活性,GalR与半乳糖结合而失活。第96页/共147页第97页/共147页在没有葡萄糖而存在半乳糖的情况下：GalR与半乳糖结合而失活，CAP结合在-4723区域，RNA聚合酶结合在-10S1区，使P1顺利转录，而抑制了从P2的转录（由于空间阻碍）。CAP的正调控作用机制和乳糖操纵子的相同。当没有半乳糖时，GalR以二聚体形式与操纵基因OE和OI结合，并使该区的DNA形成茎环结构，从而使P2启动子裸露而P1启动子被覆盖，则阻止了P1的转录，而P2转录不受影响。当细胞生长在含有葡萄糖的培养基中,只发生从P2的本底转录。第98页/共147页阿拉伯糖操纵子在大肠杆菌中，核酮糖激酶（araB）、L-阿拉伯糖异构酶（araA）、5-磷酸核酮糖（araD）是阿拉伯糖降解过程中所必需的，基因araB、araA、araD及其启动子pBAD组成一个转录单元，调节基因（araC）及其启动子pC 组成另一个转录单元，两个转录单元的转录方向是相反的，启动子pBAD和pC有部分重叠。CAP位点位于pBAD上游，二个操纵基因araO1和araO2位于CAP位点上游。第99页/共147页araC蛋白的正负调节作用实验证明araC-都不能进行araBAD的转录，这表明araBAD的 转 录 需 要 AraC蛋 白，所 以 araC蛋 白 对araBAD的转录起正调节物的作用。但不管阿拉伯糖存在与否，当AraC的浓度达到一定时，AraC结合在araO1，从而关闭了araC的进一步转录。这种受自身产 物 阻 遏 的 基 因 调 控 方 式 称 为 自 我 调 控（autoregulation）。araBAD启动子的激活需要CRP的结合，而araCpromoter不需要CRP。AraC可以作为阻遏物，也可作为激活剂（和阿拉伯塘结合）。AraC AraC阿拉伯糖阻遏物激活物第100页/共147页AraC蛋 白 由 292个 氨 基 酸 组 成，其 N-末 端（1-170AA）上有和阿拉伯糖结合的位点及其形成二聚体的位点；C-末端（178-292）具有DNA结合位点。阿拉伯糖操纵元上有三个AraC蛋白结合的位点：araO1（位于araBAD起始密码子上游的-106-144）；araO2（位于araBAD起始密码子上游的-265-294）；araI（araBAD的启动子）。araI又由两部分araI1（-56-78）和araI2（-35-51）组成。AraC和各位点亲和力的顺序为araIaraO2araO1。在上述三个位点中，araO1对阿拉伯糖操纵元的调节作用最小。第101页/共147页Aara操纵子DNAara O2ara Cara O1CAP位点ara I1ara I2结构基因L阿拉伯糖异构酶 L核酮糖激酶 5-磷酸核酮糖表异构酶L阿拉伯糖L核酮糖5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖调节蛋白B低cAMP无阿拉伯糖ara Cara O1ara I1ara I2ara O2ara Bara Aara Dara Bara Aara DRNA聚合酶C高cAMP,阿拉伯糖存在CAP位点ara I1ara I2RNA聚合酶araBADmRNA第102页/共147页色氨酸操纵元（trpoperon）第103页/共147页trpE编码邻氨基苯甲酸合成酶（ASase）组分，trpD编码ASase的组分，邻氨基苯甲酸合成酶是由2 22 2组成的四聚体。trpC的产物是一个兼有磷酸核糖-邻氨基苯甲酸异构酶和吲哚甘油磷酸合成酶活性的蛋白，使磷酸核糖-邻氨基苯甲酸转变为吲哚甘油磷酸。trpB和trpA分别编码色氨酸合成酶的和亚基，亚基具有产生吲哚的功能，而亚基能使吲哚和丝氨酸缩合产生色氨酸。第104页/共147页trpP1为主要启动子，trpP2是弱启动子，处于trpD和trpC之间，trpP2具有以下特性：（1）由trpP2启动trpCBA三个基因的表达为从trpP1开始的3%。；（2）在高浓度的色氨酸时，trpP1的启动功能受阻，而trpP2不受其抑制。第105页/共147页Trp调节区由trpP1和trpO组成，在调节区和结构基因之间被一段前导系列trpL（leadersequence,162bp）所隔开，在前导系列中还含有一个前导肽系列（编码14个氨基酸短肽）和一个衰减子系列trpa(attenuationsequence)。第106页/共147页色氨酸操纵元的控制1.酶合成的阻遏酶合成的阻遏 色氨酸操纵元是一个可阻遏的系统，其表达受到一与色氨酸操纵元不连锁的调节基因（trpR）的负控制，该基因的产物是一含有108氨基酸的多肽链，其二聚体组成阻遏蛋白。当色氨酸过量时，二分子色氨酸和阻遏蛋白结合，结合了色氨酸的阻遏蛋白受到活化，同操纵基因的亲和力大大增强，从而影响了RNA聚合酶在启动子上的结合，使得从trpP1的转录不能进行。trpR的表达受到其自身产物的阻遏，这是自我控制的又一例子。第107页/共147页Derepressionofthetrpoperon.Intheabsenceoftrp，theinactiverepressorcannotbindtotheoperatortoblocktranscription.Thecellmustsynthesizetheaminoacid.第108页/共147页Repressionofthetrpoperon.Inthepresenceoftryptophan,thetrpoperonisrepressedbecausetrpactivatesthe repressor.Transcription of TrpEDCBA is blocked because the activerepressorbindstotheDNAandpreventsbindingofRNApolymerase.第109页/共147页衰减机制衰减机制 除了阻遏机制外，trp操纵元还受到转录衰减的调控任何能使转录终止或停顿以调节下游基因转录的机制称为衰减。在许多氨基酸合成的操纵子中，在启动子和第一个结构基因之间有一150300bp长的前导序列。在前导序列中有一含有多个重复氨基酸密码子的前导肽序列。第110页/共147页操纵元操纵元前导序列前导序列hisMet-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-His-His-His-His-His-His-His-Pro-AspleuMet-Ser-His-Ile-Val-Arg-Phe-Thr-Gly-Leu-Leu-Leu-Leu-Asn-Ala-Phe-Ile-Val-Arg-Gly-Arg-Pro-Val-Gly-Gly-Ile-Gln-HispheAMet-Lys-His-Ile-Pro-Phe-Phe-Phe-Ala-Phe-Phe-Phe-Thr-Phe-ProthrMet-Lys-Arg-Ile-Ser-Thr-Thr-Ile-Thr-Thr-Thr-Ile-Thr-trpMet-Lys-Ala-Ile-Phe-Val-Leu-Lys-Gly-Trp-Trp-Arg-Thr-Ser第111页/共147页这些串联的同一氨基酸密码子的翻译依赖于相应的氨基酰tRNA的水平，而氨基酰tRNA的水平又与相应的氨基酸的含量有关。对色氨酸操纵元而言：当色氨酸含量低时，整个色氨酸操纵元从trpL到trpA转录成一多顺反子mRNA。当色氨酸含量高时，色氨酸操纵子只转录出140个核苷酸的片段，相当于trpL的5端。也就是说，转录提前终止即衰减。第112页/共147页第113页/共147页衰减的机制在于162个碱基的前导序列所形成的二级结构。此前导序列转录出的mRNA（假如分为1，2，3，4四个片段）能形成三个茎环结构：1:2的暂停结构，3:4的终止子结构，2:3的抗终止子结构。第114页/共147页第115页/共147页(a)Stableconformation(b)Lowtryptophanlevels(c)Hightryptophanlevels第116页/共147页RNARNA聚聚合合酶酶开开始始转转录录直直到到第第9292位位，转转录录出出的的mRNAmRNA形形成成1:21:2的的暂暂停停结结构构，RNARNA聚聚合合酶酶暂暂时时停停止止转转录录。在在原原核核细细胞胞中中，转转录录和和翻翻译译几几乎乎是是同同时时进进行行的的。虽虽然然RNARNA聚聚合合酶酶暂暂时时停停止止转转录录，但但核核糖糖体体开开始始在在已已转转录录出出的的mRNAmRNA上上翻翻译译，由由于于翻翻译译的的进进行行而而破破坏坏了了1:21:2的的暂暂停停结结构构，RNARNA聚聚合合酶酶继继续续转转录录出出片片段段3 3，转转录录和和翻翻译译很很协协调调地地进进行行着着。如如果果TrpTrp的的量量足足够够，Trp-tRNATrp-tRNATrpTrp的的量量也也就就不不会会缺缺乏乏，核核糖糖体体在在两两个个串串联联的的TrpTrp密密码码子子上上就就不不会会停停留留过过长长的的时时间间而而顺顺利利翻翻译译。当当翻翻译译进进行行到到接接近近前前导导肽肽的的末末端端时时，核核糖糖体体占占据据了了mRNAmRNA片片段段2 2的的部部分分位位置置，使使得得mRNAmRNA不不能能形形成成2:32:3的的抗抗终终止止子子结结构构。随随着着转转录录的的进进行行，转转录录出出的的片片段段4 4，片片段段4 4和和片片段段3 3形形成成3:43:4的的终终止止子子结结构构。终终止止子子结结构构及及其其随随后后的的连连续续的的尿尿嘧嘧啶啶（U U）序序列列是是典典型型的的不不依依赖赖于于 因因子子的的转转录录的的终终止止信信号号，转转录录就就在在此此终终止止。当当TrpTrp含含量量不不足足，Trp-tRNATrp-tRNATrpTrp的的量量也也就就缺缺乏乏，核核糖糖体体就就会会停停留留在在两两个个串串联联的的TrpTrp密密码码子子上上，翻翻译译不不能能继继续续进进行行，因因此此转转录录出出的的片片段段2 2和和3 3就就形形成成2:32:3的的抗抗终终止止子子结结构构，从