第17章-细胞代谢和基因表达的调控

第17章细胞代谢和基因表达的调控四、典型例题解析例题16-1：某种微生物的营养突变型Ⅰ需要供给氨基酸B和C才能生长。而突变型Ⅱ仅需要氨基酸B。另外两种突变型Ⅲ和Ⅳ只要有氨基酸C就能生长。突变型Ⅲ累积中间代谢物D，D可供突变型Ⅳ生长，但不能维持突变型Ⅰ和Ⅱ的生长。突变型Ⅳ累积中间代谢物A，A能维持突变型I的生长。（以上突变均属单一突变，即只有一个基因受到损害）(1)试画出A、B、C和D在此合成途径中的关系，并指出每一个突变型受阻的步骤。(2)哪一步被C抑制？解：(1)氨基酸B和C的合成途径。既然所有的突变型都只有一个基因发生突变，突变型I的营养需求说明氨基酸B和C是同一合成途径两个分支的终产物。中间代谢物A可以代替B和C维持突变型I的生长，说明A是氨基酸B和C的共同前体，突变型I在合成A之前受阻。突变型Ⅲ和Ⅳ只要有氨基酸C就能生长，表明它们在氨基酸C合成的分支上受阻。突变型Ⅲ累积的中间代谢物D可供突变型Ⅳ利用，说明突变型Ⅲ和Ⅳ之间没有分支，同处于氨基酸C合成途径之中。又因为突变型Ⅳ累积的中间代谢物A可供突变型I生长，从而可知氨基酸C合成途径和突变型Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的受阻位置为：AADCIVIIII于突变型I和II都需要氨基酸B才能生长，而中间代谢物D不能供突变型I和II生长，表明D与氨基酸B的合成没有直接关系。前面已经表明A是氨基酸B和C的共同前体，因此突变型II的受阻位点必然在A与B之间。综合以上分析，可得到氨基酸B和C的合成途径以及各突变型受阻位置图：ADADCBIIII（2）因为分支代谢终产物通常反馈地抑制生成它的第一步分支反应，同时与另一分支代谢终产物共同抑制整个途径的第一步反应。所以氨基酸C抑制A与D之间的反应，并与B共同抑制形成A的反应。例题16-2：试解释糖尿病患者为何出现酮尿？解：酮尿也称酮症、酮血，是酮体代谢异常病。酮体是在肝脏线粒体中合成的，严重饥饿或糖尿病患者由于会耗尽体内糖的储存，肝外组织不能自血液中获取充分的葡萄糖，这时，肝脏为了输出能量，一方面糖异生加剧，耗尽了维系柠檬酸循环的草酰乙酸，而另一方面脂肪酸、蛋白质也被大量动员，产生的大量乙酰-CoA由于缺乏草酰乙酸而进入酮体合成，结果病人肝中酮体形成过量，造成血液中丙酮、乙酰乙酸、D-β羟丁酸上升（后两者还会造成酸中毒），多余的酮体只能随尿液排出。例题16-3：哪些代谢中间物把糖、脂类、蛋白质和核酸代谢联系起来？试用简图表示之。解：糖的代谢在物质代谢中起着中心的作用，糖酵解、柠檬酸循环、磷酸己糖支路的中间物在四大类物质的相互转化中起着串联作用，如3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮转化为甘油，磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤鲜糖转化为芳香族氨基酸，3-磷酸甘油酸可以转化为Ser、Gly、Cys等，丙酮酸可以转化为Ala等，简单图示如下：Phe、Tyr、TrpPhe、Tyr、Trp己糖丙糖（3-磷酸甘油醛、磷酸二羟丙酮）3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰-CoA异柠檬酸α-酮戊二酸乙醛酸（植物、微生物）琥珀酰-CoA柠檬酸甘油Ser、Gly、CysAla、Val、Leu，参与Ile、Lys磷酸戊糖4-磷酸赤鲜糖脂肪酸延胡索酸草酰乙酸胆固醇奇数脂肪酸琥珀酸苹果酸Glu、Gln、Arg、Pro、HisIle（同时产乙酰-CoA）、Met、ValPhe、TyrAsp、AsnAla、Thr、Gly、Ser、CysPhe、Tyr（兼生）、Leu、Lys、Trp（生酮）Glu、Gln、Arg、Pro、Lys（真菌中）Asp、Asn、Met、Thr、Ile、LysHis嘌呤核苷酸嘧啶核苷酸Gln、Gly、AspAsp五、单元自测题（一）名词解释或概念比较1、增强子(enhancer)2、沉默子(silencer)3、绝缘子(insulator)4、操纵子（operon）5、衰减子(attenuator)6、反馈抑制（feed-backinhibition）7、降解物基因活化蛋白（catabolitegeneactivationprotein,CAP）8、前馈激活（feed-forwardactivation）9、调节子（regulon）10、互补干扰RNA（mRNAinterferingcomplimentaryRNA,micRNA）11、RNA干扰技术（RNAinterference,RNAi）（二）填空题1、动物的代谢调节在和三个水平上进行。2、细胞内的代谢调节主要包括和。3、真核细胞中酶的共价修饰方式主要是；原核细胞中酶共价修饰的主要形式是。4、许多代谢途径第一个酶是该途径的限速酶，终产物多是它的，对它进行底物多为其。5、分支代谢途径的终产物分别抑制其分支上的限速酶，分支点共同的中间产物抑制前面的限速酶，称为。6、分支代谢途径的终产物分别抑制各自分支限速酶外，共同抑制前面的第一个限速酶，称为。7、分支代谢途径第一个限速酶同时接受各终产物的部分抑制，称为。8、胰高血糖素促进肝糖原降解的机制：激素与质膜上专一的结合，经由激活质膜上的酶，催化ATP生成第二信使，cAMP激活，使磷酸化而被激活，活化的磷酸化酶激酶催化的磷酸化使之活化，活化的糖原磷酸化酶再催化糖原的降解。9、细胞内酶的数量取决于和。10、根据酶合成速率的调控特点，可把酶分为、和。11、原核细胞酶的合成速率主要在水平进行调控。12、在原核细胞中，由同一调控区控制的一群功能相关的结构基因组成一个基因表达调控单位，称为其调控区包括和。13、大肠杆菌乳糖操纵子调节基因编码的与结合，对lac表达实施负调控；和的复合物结合于上游部分，对lac表达实施正调控。14、大肠杆菌色氨酸操纵子阻遏蛋白必须先与辅阻遏物相结合，才能结合于操纵基因。在trp操纵基因与结构基因之间有一段能被转录的，可编码含有2个残基的14肽。色氨酸充裕时，翻译迅速，转录中断，色氨酸不足时，翻译迟滞，结构基因的转录得以继续进行，称为调节。15、正调控和负调控是基因表达的两种最基本的调节形式，其中原核细胞常用调控，而真核细胞常用调控模式。（三）选择题1、指出下列有关限速酶的论述哪个是错误的？a.催化代谢途径第一步反应的酶多为限速酶。b.代谢途径中相对活性最高的酶是限速酶，对整个代谢途径的流量起关键作用。c.分支代谢途径各分支的第一个酶经常是该分支的限速酶。d.限速酶常是受代谢物调节的别构酶。2、以下关于代谢调节的阐述哪些是正确的？a.对代谢反应的方向和速度的控制是代谢调节的基础。b.对代谢反应方向的控制，是在速度调节的基础上实现的。c.酶促反应的速度主要取决于酶的数量和活性。d.膜结合的运输系统通过调节代谢物的流向和流量对代谢调节作出贡献。3、关于共价修饰调节酶下面哪个说法是错误的？a.共价修饰调节酶以活性和无活性两种形式存在。b.两种形式之间经由酶促共价修饰反应相互转变。c.经常受激素调节，伴有级联放大效应。d.是高等生物独有的代谢调节方式。4、下述对糖原磷酸化酶的阐述哪些是正确的？a.糖原磷酸化酶以低活性的b和高活性的a两种形式存在。b.糖原磷酸化酶b经磷酸化酶激酶催化的磷酸化反应转变成糖原磷化酶a；a形式由磷酸酶催化的去磷酸化反应又变成b形式。c.磷酸化反应发生在活性中心的丝氨酸残基上，从而改变了酶的活性。d.磷酸化作用和去磷酸化伴有四聚体解聚为二聚体和二聚体再缔合成四聚体。5、下述对别构酶的论述哪个是错误的？a.迄今发现的别构酶均为寡聚体。b.别构酶的活性中心和调节中心分别位于催化亚基和调节亚基上，或者位于同一亚基空间上相距较远的部位。c.别构效应剂与调节部位结合，导致局部构明改变，通过后续的三级结构和四级结构变化，引起酶活性的改变。d.别构效应剂都是底物类似物。6、以下对别构酶特点的论述哪些是对的？a.反应速度与底物浓度的关系不遵循米氏议程，呈S型曲线。b.随着别构抑制剂浓度的增加，曲线向右移动，S型特征更为显著。c.随着别构激活剂浓度的增加，曲线向左移动，逐渐趋于典型的双曲线。d.经脱敏处理后，别构酶丧失了协同效应，但仍保持催化活性。7、下列哪些酶属于别构酶？a.磷酸果糖激酶b.丙酮酸激酶c.乙酰辅酶A羧化酶d.胰蛋白酶8、下列哪些酶属于共价修调节酶？a.丙酮酸脱羧酶b.糖原磷酸化酶c.大肠杆菌谷酰胺合成酶d.胰凝乳蛋白酶9、下列有关操纵子的论述哪个是错误的？a.操纵子是由启动基因、操纵基因与其所控制的一组功能上相关的结构基因组成的基因表达调控单位。b.操纵子不包括调节基因。c.代谢底物往往是该途径可诱导酶的诱导物；代谢终产物则往往是可阻遏酶的辅阻遏物。d.真核细胞的酶合成也存在诱导和阻遏现象，因此也是由操纵子进行调控的。10、操纵子调节系统属于哪一种水平的调节？a.复制水平的调控b.转录水平的调控c.转录后加工的调控d.翻译水平的调控11、下述有关操纵基因的论述哪些是正确的？a.能专一地与阻遏蛋白结合b.能与结构基因一起被转录但未被翻译c.是RNA聚合酶识别和结合的部位d.是诱导物或辅阻遏物的结合部位12、对于调节基因下述哪些论述是对的？a.是编码阻遏蛋白的结构基因b.各种操纵子的调节基因都与启动基因相毗邻c.调节基因是操纵子的组成部分d.调节基因的表达另有专一的调控区13、以下有关阻遏蛋白的哪些论述是对的？a.阻遏蛋白是调节基因表达的产物b.可诱导操纵子的阻遏蛋白具有直接与操纵基因结合的活性，与诱导物相互作用后丧失此种活性c.可阻遏操纵子的阻遏蛋白没有直接结合于操纵基因的活性，与辅阻遏物结合后才具有此种活性d.阻遏蛋白可与RNA聚合酶竞争同一结合部位14、关于启动基因的下述论点哪些是错的？a.启动基因是RNA聚合酶全酶识别并最先结合的一段DNA序列b.启动基因是最先被RNA聚合酶转录的DNA序列c.启动基因是DNA上富含A-T碱基对的部分d.启动基因是引发DNA复制的特殊序列15、下述有关降解物基因活化蛋白（CAP）的哪些论点是正确的？a.CAP-cAMP可专一地与启动基因结合，促进结构基因的转录b.CAP可单独与启动基因相互作用，促进转录c.CAP-cAMP可与调节基因结合，控制阻遏蛋白的合成d.CAP-cAMP可与RNA聚合酶竞争地结合于启动基因，从而阻碍结构基因的转录（四）是非题1、细胞内区域化在代谢调节上的作用，除把不同的酶系统和代谢物分隔在特定的区间，还通过膜上的运载系统调节代谢物、辅酶和金属离子的浓度。2、能荷水平之所以影响一些代谢反应，仅仅因为ATP是一些酶的底物或产物。3、在酶的别构调节和共价修饰中，常伴有酶分子亚基的解聚和缔合，这种可逆的解聚/缔合也是活体内酶活性调节的重要方式。4、天冬氨酸转氨甲酰酶是嘧啶核苷酸合成途径的限速酶，该途径的终产物CTP是它的别构抑制剂，ATP为其别构激活剂。5、代谢物是沿糖酵解的方向降解还是沿糖异生的方向代谢，主要取决于磷酸果糖激酶与果糖二磷酸酶的相对活性。6、AMP和果糖2，6-二磷酸是磷酸果糖激酶最重要的别构激活剂，同时又是果糖二磷酸酶主要的抑制剂。7、AMP和果糖2，6-二磷激活磷酸果糖激酶的同时抑制果糖二磷酸酶，不仅减少了反应物的无效循环，还具有信号放大效应。8、凡接受共价修饰调节的酶都不能通过别构效应进行调节，同样，别构酶都不接受共价修饰调节。9、共价修饰调节酶被磷酸化后活性增大，去磷酸化后活性降低。10、别构酶又称变构酶，催化反应物从一种构型变为另一种同分异构体。11、共价修饰酶的活性调节涉及一系列酶促反应，因此不是一种快速调节方式。12、激素是由特定的细胞合成的一类调节物质，在很低的浓度下即有活性，对特定的靶组织和靶细胞发挥调节作用。13、高等动物激素作用的第二信使包括环腺苷一磷酸（cAMP）、环鸟苷一磷酸（cGMP）、Ca2+、肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DG）等。14、蛋白激酶和蛋白磷酸酶对蛋白质进行磷酸化和去磷酸化共价修饰，是真核细胞代谢调节的重要方式。15、迄今研究过的别构酶都是寡聚体。16、果糖1，6-二磷酸是磷酸果糖激酶的产物，可对该酶进行反馈抑制。17、果糖1，6-二磷酸对丙酮酸激酶具有前馈激活效应。18、酶在细胞内的半寿期主要取决于它的降解速率而不是合成速率。19、酶在细胞内的数量取决于它的合成速度和降解速率。20、糖酵解和三羧酸循环酶类的合成是组成型的。21、大肠杆菌乳糖操纵子是第一个阐明的操纵子，是由Mon-od和Jacob于1961年提出的。22、大肠杆菌乳糖操纵子真正的诱导物不是乳糖，而是它的异构体别乳糖。23、操纵基因又称操纵子，如同启动基因又称为启动子一样。24、氨基酸合成途径是利用微生物营养突变型阐明的，后来证实真核细胞氨基酸合成与这些途径基本相同。大肠杆菌其它氨基酸合成酶基因表达的调控类似于色氨酸操纵子，因此类似的衰减调节也存在于真核细胞氨基酸合成酶的基因表达。（五）简答与计算DDA2、有人从大肠杆菌培养物中分离出3种营养突变型（分别用m1、m2和ms表示，假定都属于单一突变）。m1和m2必须供给氨基酸A、B和C才能生长，m3仅需供给A和B两种氨基酸就能生长。实验室中有一种物质X可以代替A、B和C3种氨基酸供m1和m2生长，却不能维持m3生长。从m1的培养物中分离出一种物质Y（m1累积的中间代谢物）能维持m2的生长，但不能维持m3的生长。从绿豆中分离出一种物质Z可供m3生长。试会出A、B、C、X、Y、Z的代谢路线图，并标明3种突变型发生代谢障碍的位置和A、B、C反馈调节的方式。3、有5种不同的突变型酵母都需要提供组氨酸才能生长。每种突变型都累积组氨酸合成途径中的某些中间代谢物，如下表所示：突变型累积的中间代谢物m1Am2A、C、D和Em3A和Cm4A、B、C、D和Em5A、C和E绘出A、B、C、D、E在酵母组氨酸合成途径中的排列顺序，并标明每种突变型被阻塞的酶促反应步骤。4、设想利用产谷氨酸棒杆菌的营养缺陷型发酵生产赖氨酸。该途径的两个主要的限速酶是天冬氨酸激酶（AX）和高丝氨酸脱氢酶（HSDH）。终产物赖氨酸和苏氨酸反馈抑制AK；蛋氨酸阻遏HSDH，而苏氨酸抑制HSDH。这种营养缺陷型的哪种酶发生突变才能得到更多的赖氨酸？天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸半醛高丝氨酸ThrMetLysAKHSDH5、在突变的大肠杆菌中下列基因的缺失将产生什么结果？（a）乳糖操纵子调节基因缺失；（b）色氨酸操纵子调节基因缺失。6、从野生型大肠杆菌中分离出一个单基因突变的突变株，它不能在乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等碳源上生长，但它细胞内的cAMP水平正常。试推测什么突变可导致这样的结果？7、一种突变的大肠杆菌乳糖操纵子阻遏蛋白对lac操纵基因的亲和力比野生型大100倍，而以DNA上非专一部位的结合亲和力没有改变。试预测其后果。8、正常的色氨酸操纵子阻遏蛋白结晶在加入色氨酸时破碎。然而一个突变的阻遏蛋白的结晶不受加入色氨酸的影响。这种结晶单晶胞的大小等于结合色氨酸的正常阻遏蛋白的单晶胞。预测这种突变阻遏蛋白的生理活性。9、ATP是磷酸果糖激酶的底物之一，为什么ATP浓度较高时磷酸果糖激酶反而被抑制？10、分别讨论氨甲酸和5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）在代谢中的作用。11、简述乙酰辅酶A在含碳化合物代谢中的作用。六、参考答案（=1\*CHINESENUM3一）名词解释1、增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。2、沉默子是近年来发现的一种与增强子作用相反的顺式作用元件，作用机制与增强子相似，但效应相反。3、绝缘子是一类不同于增强子和沉默子的顺式作用元件，位于所界定序列的两端，阻止邻近的调控元件对其所界定的基因的启动子起增强或抑制作用。4、操纵子是原核生物基因表达的协调单位，一般由调节基因（编码阻遏蛋白）、结构基因的启动子区、操纵基因和结构基因组成，阻遏蛋白与操纵基因的结合可以关闭结构基因的转录。5、衰减子也是原核生物基因表达调控的一种形式，一般由调节基因（编码阻遏蛋白）、结构基因的启动子区、操纵基因、前导序列及其末端的衰减子区、结构基因区构成，不仅阻遏蛋白与操纵基因的结合可以关闭基因的转录，而且代谢物的浓度的细微变化会影响到前导序列的结构从而决定已经部分转录的基因是否继续下去。6、反馈抑制是代谢途径的代谢物对其上游的酶进行别构抑制，这种情况较为常见。7、降解物基因活化蛋白（CAP），也就是cAMP受体蛋白（cAMPreceptorprotein,CRP），它与cAMP的复合物可以促进某些原核操纵子（如乳糖操纵子）的转录。8、前馈激活是代谢途径中的代谢物对其下游的酶进行别构激活，例如，6-磷酸葡萄糖是糖原合成酶的别构激活剂。9、受一种调节蛋白控制的几个操纵子构成的调节系统称为调节子，例如，cAMP和CRP复合物对各种不同糖的分解凋谢的调节就属于一种调节子。10、一些小分子RNA可以与特定mRNA的某些区域互补配对从而抑制其转录，这些小分子RNA统称为micRNA，如反义RNA。11、在多种生物细胞中，当转入外源或内源性双链RNA可触发同源mRNA的特异性降解，从而使该基因表达沉默(genes5—1ence)，这种技术称为RNA干扰，它是一种较新的研究基因功能的手段。（二）填空题1、神经调节 激素调节 细胞内调节2、细胞区域化 酶活性的调节 酶浓度的调节3、磷酸化/去磷酸化 核苷酰化/去核苷酰化4、别构抑制剂 反馈抑制 别构激活剂5、顺序反馈抑制6、协同反馈抑制7、累积反馈抑制8、受体 G蛋白 腺苷酸环化酶 cAMP蛋白激酶 磷酸化酶激酶 糖原磷酸化酶9、酶的合成速率 酶的降解速率 10、可诱导酶 可阻遏酶 组成酶11、转录12、操纵子 启动基因 操纵基因13、阻遏蛋白 操纵基因 cAMP降解物基因活化蛋白 启动基因14、色氨酸 前导序列 色氨酸 前导肽 前导肽 衰减或制动15、负调控 正调控（三）选择题1.b, 2.a,b,c,d 3.d4.a,b,d 5.d 6.a,b,c,d 7.a,b,c8.a,b,c, 9.d 10.b 11.a 12.a,d 13.a,b,c 14.b,c,d15.a（四）是非题1.对2.错3对4对5.对6.对7.对8.错9.错10.错11.错12.对13.对14.对15.对16.错17.对18.对19.对20.对21.对22.对23.错24.错（五）问答与计算1、可能是顺序反馈抑制DDYFZABCDYDYFZABC可能是协同反馈抑制可能是累积反馈抑制DDYFZABCml的b酶突变