基因表达的调节Regulationofg.ppt

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1、第十八章第十八章 基因表达的调节基因表达的调节Regulation of gene expression主要内容：主要内容：主要讨论酶的调节主要讨论酶的调节主讲老师：华南师范大学生命科学学院主讲老师：华南师范大学生命科学学院陈文利陈文利代谢调节分为三类代谢调节分为三类:酶的调节酶的调节 激素的调节激素的调节 神经调节神经调节 其中酶的调节是最基本的调节方式，是一切其中酶的调节是最基本的调节方式，是一切调节的基础。调节的基础。（一）酶的调节：（一）酶的调节：也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过也称原初调节或原始调节。酶的调节是通过控制酶控制酶的浓度的浓度和和酶的活性酶的活性来调节酶促反应的速度

2、和方向，也来调节酶促反应的速度和方向，也就是调节代谢的速度和方向。就是调节代谢的速度和方向。关键酶（关键酶（Key enzyme）：）：往往是代谢途径的第一步反应的酶（往往是代谢途径的第一步反应的酶（a）或是分支代）或是分支代谢途径中分支点上的酶（谢途径中分支点上的酶（b、c、f）或整个代谢途径中的）或整个代谢途径中的限速酶或催化不可逆反应的酶（限速酶或催化不可逆反应的酶（c）ABCDEFGabcdfg 许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶许多关键酶都是调节酶如别构酶、共价修饰酶、同工酶、多功能酶等。、多功能酶等。酶的调节主要是通过控制关键酶的浓度和活酶的调节主要是通过控制关键酶的

3、浓度和活性来调节。性来调节。通过控制酶浓度的调节通过控制酶浓度的调节要牵涉到基因、要牵涉到基因、mRNA、蛋白质、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。内才能完成。另一种另一种通过调节酶活性通过调节酶活性，这是快速调节，在几分钟到几，这是快速调节，在几分钟到几十分钟内完成。十分钟内完成。1.酶浓度的调节：酶浓度的调节：酶浓度的调节酶浓度的调节 诱导诱导阻遏阻遏终产物的阻遏终产物的阻遏分解代谢产物阻遏分解代谢产物阻遏诱导作用（诱导作用（induction）：）：指用诱导物（指用诱导物（inducer）来促进酶的合

4、成，这种作用称）来促进酶的合成，这种作用称诱导作用。诱导作用。阻遏作用（阻遏作用（repression）：）：指用阻遏物（指用阻遏物（repressor）阻止或降低酶的合成，这种作）阻止或降低酶的合成，这种作用称阻遏作用。用称阻遏作用。（1）酶合成的诱导作用：）酶合成的诱导作用：在细菌中普通存在，如大肠杆菌可利用多种糖作为在细菌中普通存在，如大肠杆菌可利用多种糖作为碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳碳源，当用乳糖作为唯一碳源时，开始细菌不能利用乳糖，但糖，但23分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶分钟后就合成了与乳糖代谢有关的三种酶（1）半乳糖苷酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成半乳

5、糖苷酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成 半乳糖和葡萄糖半乳糖和葡萄糖（2）-半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。半乳糖透性酶：促使乳糖通过细胞膜。（3）-半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙半乳糖苷转乙酰基酶（硫代半乳糖苷转乙 酰基酶）：这酶的功能不清，可能是将不能酰基酶）：这酶的功能不清，可能是将不能 代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体代谢的乳糖类似物乙酰化，并将它们排出体 外。外。这里乳糖是诱导物、诱导了这三种酶的合成，这这里乳糖是诱导物、诱导了这三种酶的合成，这三种酶就是诱导酶。三种酶就是诱导酶。乳糖究竟如何诱导了这三种酶的合成呢？乳糖究竟如何诱导了这三种酶的合成呢？1961年法国年法国M

6、onod和和Jacob提出了著名的提出了著名的乳糖操纵子乳糖操纵子(lactose operon）模型）模型，这模型的提出犹如当年，这模型的提出犹如当年Watson和和Crick发现发现DNA双螺旋模型一样，受到人们的重视，人们双螺旋模型一样，受到人们的重视，人们把它看作生物学的第二个里程碑。把它看作生物学的第二个里程碑。乳糖操纵子模型的基本要点：乳糖操纵子模型的基本要点：调节基因调节基因启动子启动子操纵基因操纵基因结构基因结构基因A操纵子（操纵子（operon）BC一群功能相关的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启一群功能相关的结构基因相邻，并且共同受同一个操纵基因和启动子所控制。动子

7、所控制。一群功能相关的结构基因（一群功能相关的结构基因（structural gene）和操纵基因）和操纵基因（operator）、启动子（）、启动子（promoter）组成了一个操纵子）组成了一个操纵子(operon)。为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基为什么称它们为一个操纵子呢？因为它们又共同受一个调节基 因（因（regulator gene）所调节。）所调节。结构基因：决定酶蛋白或蛋白质的基因。结构基因：决定酶蛋白或蛋白质的基因。操纵基因：转录的开关，可打开或关闭结构基因的转录。操纵基因：转录的开关，可打开或关闭结构基因的转录。启动子：专管转录起始，上面有启动子：专管

8、转录起始，上面有RNA聚合酶的结合位点。聚合酶的结合位点。调节基因：为阻遏蛋白编码。调节基因：为阻遏蛋白编码。酶合成的诱导：诱导物：乳糖或乳糖类似物酶合成的诱导：诱导物：乳糖或乳糖类似物IPTG（异丙基（异丙基-D-硫代半乳糖苷）硫代半乳糖苷）现在知道乳糖操纵子除需诱导物外，还需现在知道乳糖操纵子除需诱导物外，还需cAMP和和cAMP受体蛋白（受体蛋白（CRP），当），当cAMP与与CRP结合成复合物结合成复合物时，这复合物能结合到启动子上，促使转录的起始。时，这复合物能结合到启动子上，促使转录的起始。结构基因结构基因操纵基因操纵基因启动子启动子RNA聚合酶聚合酶CRPcAMP复合物复合物CR

9、P cAMP（2）酶合成的阻遏作用）酶合成的阻遏作用 最终产物的阻遏：最终产物的阻遏：以以E.Coli Trp操纵子为例，操纵子为例，Trp操纵子含有操纵子含有5个个结构基因，它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为结构基因，它们编码的酶蛋白催化分支酸转变为Trp，Trp是辅助遏物（是辅助遏物（corepressor）。）。酶合成的阻遏作用酶合成的阻遏作用 利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意利用操纵子模型解释酶合成的诱导和阻遏，但要注意操纵子仅仅存在于原核细胞操纵子仅仅存在于原核细胞，操纵子的调控是原核细胞，操纵子的调控是原核细胞转录水平的调控。真核细胞中没有操纵子，即真核细胞转录水平的调

10、控。真核细胞中没有操纵子，即真核细胞中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上，它中功能上彼此有关的基因往往分布在不同染色体上，它们并不组成一个操纵子。们并不组成一个操纵子。分解代谢产物的阻遏：分解代谢产物的阻遏：E.Coli以乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖有以乳糖为唯一碳源时，乳糖可诱导与乳糖有关的三种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又关的三种酶的合成，但如果培养基中既含葡萄糖，又含乳糖时，则优先利用含乳糖时，则优先利用Glc，等，等Glc耗尽后才能利用乳耗尽后才能利用乳糖，也就是说在大量糖，也就是说在大量Glc时，乳糖操纵子还是关闭，时，乳糖操纵子还是关闭，Glc阻遏了乳糖代谢有

11、关的三种酶的合成，这种现象过阻遏了乳糖代谢有关的三种酶的合成，这种现象过去称为去称为葡萄糖效应葡萄糖效应（glucose effect）。）。后来知道这是由于后来知道这是由于Glc分解代谢产物引起的，因此分解代谢产物引起的，因此又称为分解代谢产物阻遏（又称为分解代谢产物阻遏（catabolite repression）。）。GCATPcAMP5-AMP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶CRPcAMPCRP复合物复合物结构基因结构基因分分解解代代谢谢产产物物启动子启动子 操纵基因操纵基因分解代谢产物阻遏，分解代谢产物阻遏，即葡萄糖效应的机制：即葡萄糖效应的机制：2酶活性的调节：酶活性的

12、调节：v 反馈抑制反馈抑制v 共价修饰共价修饰（1）反馈抑制（）反馈抑制（feedback inhibition）：）：也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调也称负反馈，这是生物体普遍存在的一种调节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身合成途节机制，反馈抑制是指反应终产物对自身合成途径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的径中的酶活力起抑制作用，大多是对第一个酶的活力起抑制作用。活力起抑制作用。反馈抑制在代谢中见了很多，特别是在氨基酸和反馈抑制在代谢中见了很多，特别是在氨基酸和核苷酸的生物合成中，这类例子更多。核苷酸的生物合成中，这类例子更多。（）共价修饰（）共价修饰（covalent modi

13、fication）：）：亦称化学修饰，就是在调节酶分子上以共价键连上亦称化学修饰，就是在调节酶分子上以共价键连上与或脱下某种特殊的化学基团，从而引起酶活性的改变，与或脱下某种特殊的化学基团，从而引起酶活性的改变，这类酶称共价修饰酶。这类酶称共价修饰酶。自从自从1955年年Krebs和和Sutherland等有关糖原磷酸化酶等有关糖原磷酸化酶的研究以来，到目前已经知道的有的研究以来，到目前已经知道的有100多种酶在它被翻译多种酶在它被翻译后进行共价修饰。后进行共价修饰。目前已知有目前已知有6种类型的共价修饰酶种类型的共价修饰酶 磷酸化磷酸化/脱磷酸化脱磷酸化 腺苷酰化腺苷酰化/脱腺苷酰化脱腺苷酰化 乙酰化乙酰化/脱乙酰化脱乙酰化 尿苷酰化尿苷酰化/脱尿苷酰化脱尿苷酰化 甲基化甲基化/脱甲基化脱甲基化 S-S/SH相互转变相互转变 磷酸化磷酸化/脱磷酸化与酶活性的调节：脱磷酸化与酶活性的调节：磷酸化的共价修饰可用一个通式来表示磷酸化的共价修饰可用一个通式来表示: