王镜岩生化件细胞代谢与基因表达调控学习教案

1、会计学1王镜岩生化件王镜岩生化件 细胞代谢与基因表达细胞代谢与基因表达(biod)调控调控第一页，共70页。n22 22 22第1页/共69页第二页，共70页。第2页/共69页第三页，共70页。第3页/共69页第四页，共70页。2 2、适应性：、适应性： 适应环境、维持生长适应环境、维持生长(shngzhng)(shngzhng)和增和增殖殖维持个体发育与分化维持个体发育与分化基因表达调控的环节：基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、基因活化、转录、转录后加工、 翻译、翻译后加工翻译、翻译后加工第4页/共69页第五页，共70页。第5页/共69页第六页，共70页。色氨酸 色氨酸合成酶系

2、第6页/共69页第七页，共70页。第7页/共69页第八页，共70页。 大肠杆菌(d chn n jn)可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。第8页/共69页第九页，共70页。第9页/共69页第十页，共70页。乳糖对半乳糖苷酶的合成有诱导(yudo)作用。葡萄糖对半乳糖苷酶的合成有抑制作用。 第10页/共69页第十一页，共70页。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极好的模型。针对(zhndu)大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob

3、和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子（lac operon）学说。第11页/共69页第十二页，共70页。 下面就以乳糖操纵子为例子(l zi)说明操纵子的最基本的组成元件（elements）。第12页/共69页第十三页，共70页。PS1S2S3启动子启动子OPromoter调控调控(dio kn)序列序列结构结构(jigu)基因基因 操纵子（操纵子（operon） 结合结合(jih)RNA(jih)RNA聚合酶聚合酶表达功能蛋白表达功能蛋白?11/50操纵子（操纵子（operon）:原核生物的转录单位原核生物的转录单位操纵基因操纵基因Operator第1

4、3页/共69页第十四页，共70页。 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可称为(chn wi)结构基因(structural gene, SG)。一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。第14页/共69页第十五页，共70页。 乳糖(r tn)操纵子含有、和3个结构基因。 第15页/共69页第十六页，共70页。第16页/共69页第十七页，共70页。 启动子(promoter, P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因(jyn)转录的一段DNA序列。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因(jyn)5侧上游，控制整个结构基因(jyn)群的转录。第17页/共69页第十八页，共70页。

5、 操纵区（operator）是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录(zhun l)的强弱。第18页/共69页第十九页，共70页。以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区（o）序列位于启动子（p）与被调控(dio kn)的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。 第19页/共69页第二十页，共70页。 调控(dio kn)基因(regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控(dio kn)蛋白的基因。调控(dio kn)蛋白有： 第20页/共69页第二十一页，共70页。第21页/共69页第二十二页，共

6、70页。例如在乳糖操纵(cozng)子中，调控基因lac I位于Plac邻近，编码产生调控蛋白R。 在环境没有乳糖存在的情况下，R能特异性与操纵(cozng)区紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以R是乳糖操纵(cozng)子的阻遏蛋白；第22页/共69页第二十三页，共70页。 当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合，失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因有转录的可能。 在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起到去阻遏作用，诱导了利用(lyng)乳糖的酶类基因转录开放。第23页/共69页第二十四页，共70页。 许多调控蛋白都是变构蛋白（allosteric

7、 protein），通过与上述类似(li s)的方式与效应物结合改变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用。第24页/共69页第二十五页，共70页。 终止子（terminator，T）是给予(jy)RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。第25页/共69页第二十六页，共70页。第26页/共69页第二十七页，共70页。第27页/共69页第二十八页，共70页。第28页/共69页第二十九页，共70页。 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，lac操纵子处于阻遏状态。调节基因在其自身的启动子Pi控制(kngzh)下，低水平、组成性表

8、达产生阻遏蛋白R，R与操纵子结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与第29页/共69页第三十页，共70页。偶尔解离，使细胞中还有极低水平的半乳糖苷酶及透过酶的生成。 当有乳糖存在时，乳糖受 半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，失去(shq)与的亲和力，与解离，基因转录开放，使 半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对lac操纵子的诱导作用。第30页/共69页第三十一页，共70页。第31页/共69页第三十二页，共70页。 葡萄糖存在时，半乳糖-糖苷酶等的合成也受抑制(yzh)。 CAP：能与cAMP特异结合

9、的cAMP受体第32页/共69页第三十三页，共70页。在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点（CAP binding site）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录(zhun l)活性，使转录(zhun l)提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵子的结构基因表达下降。第33页/共69页第三十四页，共70页。第34页/共69页第三十五页，共70页。由于(yuy)Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需

10、同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。第35页/共69页第三十六页，共70页。乳糖乳糖(r tn)操纵子的诱导操纵子的诱导 第36页/共69页第三十七页，共70页。第37页/共69页第三十八页，共70页。 色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖(fnzh)通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己

11、的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子（trp operon）的调控。第38页/共69页第三十九页，共70页。第39页/共69页第四十页，共70页。 合成色氨酸所需要酶类的结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子的调控，调控基因trpR的位置远离P-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达(biod)其调控蛋白R，R并没有与结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。第40页/共69页第四十一页，共70页。 因此色氨酸操纵子属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子（repressible ope

12、ron），即这操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省(jishng)的状态。 第41页/共69页第四十二页，共70页。第42页/共69页第四十三页，共70页。第43页/共69页第四十四页，共70页。失活失活第44页/共69页第四十五页，共70页。DNA水平的调控水平的调控(dio kn)转录水平的调控转录水平的调控(dio kn)转录后水平的调控转录后水平的调控(dio kn)翻译水平的调控翻译水平的调控(dio kn)翻译后水平的调控翻译后水平的调控(dio kn)第45页/共

13、69页第四十六页，共70页。第46页/共69页第四十七页，共70页。第47页/共69页第四十八页，共70页。第48页/共69页第四十九页，共70页。第49页/共69页第五十页，共70页。第50页/共69页第五十一页，共70页。第51页/共69页第五十二页，共70页。第52页/共69页第五十三页，共70页。第53页/共69页第五十四页，共70页。第54页/共69页第五十五页，共70页。Lac repressor第55页/共69页第五十六页，共70页。第56页/共69页第五十七页，共70页。第57页/共69页第五十八页，共70页。12AA特异特异(ty)结合位点结合位点第58页/共69页第五十九页，共70页。第59页/共69页第六十页，共70页。第60页/共69页第六十一页，共70页。（类固醇与类固醇受体）（类固醇与类固醇受体）糖皮质激素效应糖皮质激素效应(xioyng)元件元件第61页/共69页第六十二页，共70页。第62页/共69页第六十三页，共70页。C、借疏水作用、借疏水作用(zuyng)形成的形成的亮氨酸拉链亮氨酸拉链第63页/共69页第六十四页，共70页。第64页/共69页第六十五页，共70页。第65页/共69页第六十六页，共70页。第66页/共69页第六十七页，共70页。第67页/共69页第六十八页，共70页。第68页/共69页第六十九页，共