第十三章第十三章 物质代谢的相互联系和调节控制物质代谢的相互联系和调节控制第一节第一节物质物质代谢的代谢的相互联系相互联系第二节第二节代谢调节代谢调节第一节第一节 物质物质代谢的代谢的相互联系相互联系一、代谢途径交叉一、代谢途径交叉形成网络形成网络二、分解代谢和合成代谢的二、分解代谢和合成代谢的单向性单向性三、三、ATPATP是通用的能量载体是通用的能量载体四、四、NADPHNADPH 以还原力形式携带能量以还原力形式携带能量五、代谢的五、代谢的基本要略基本要略一、 代谢途径交叉形成网络1 1、糖代谢与脂类代谢的相互关系糖代谢与脂类代谢的相互关系2 2、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系3 3、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系4 4、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系糖糖类类脂脂类类氨氨基基酸酸核核苷苷酸酸之之间间的的代代谢谢联联系系PEP丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸 -酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨丙氨酸丙氨酸甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸氨基酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰CoA甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoA脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰CoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉、糖原淀粉、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖糖代谢与脂类代谢的相互联系糖代谢与脂类代谢的相互联系糖糖乙酰乙酰CoA，NADPH脂肪酸脂肪酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮-磷酸甘磷酸甘油油脂肪脂肪有有氧氧化氧氧化酵解酵解从头合成从头合成脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮糖代谢糖代谢脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA琥珀酸琥珀酸糖糖(植物植物)乙醛酸循环乙醛酸循环 -氧化氧化糖异生糖异生TCA糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖代谢与蛋白质代谢的相互联系糖糖 -酮酸酮酸氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质NH3蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸-酮酸酮酸糖糖（生糖氨基酸）（生糖氨基酸）脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系脂肪脂肪甘油甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮脂肪酸脂肪酸乙酰乙酰CoA氨基酸碳架氨基酸碳架氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸酮酸或乙酰酮酸或乙酰CoA脂肪酸脂肪酸脂肪脂肪（生酮氨基酸）（生酮氨基酸）核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 核核苷苷酸酸的的一一些些衍衍生生物物具具重重要要生生理理功功能能（如如CoA、NAD+，NADP+，cAMP，cGMP）。）。 核酸核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质蛋白质的合成，影响细的合成，影响细胞的成分和代谢类型胞的成分和代谢类型 核酸生物合成核酸生物合成需要需要糖和蛋白质糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。酶和多种蛋白质因子。 各类物质代谢各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸核苷酸，如，如ATP是是能量的能量的“通货通货”，此外，此外UTP参与多糖的合成，参与多糖的合成，CTP参与磷脂合成，参与磷脂合成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。参与蛋白质合成与糖异生作用。脂肪代谢和糖代谢的关系延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸3-磷酸甘油磷酸甘油三羧酸三羧酸循环循环乙醛酸乙醛酸循环循环甘油甘油乙酰乙酰CoA三酰三酰甘油甘油脂肪酸脂肪酸 氧氧化化糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸丙酮酸合合成成植物或微植物或微生物生物糖分解和糖异生途径中糖分解和糖异生途径中相对独立的单向反应相对独立的单向反应糖原（或淀粉）糖原（或淀粉）1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸果糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2 磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸2 丙酮酸丙酮酸葡萄糖葡萄糖己糖激酶己糖激酶果糖果糖激酶激酶二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸酯酶磷酸酯酶丙酮酸丙酮酸激酶激酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶磷酸葡萄糖磷酸酯酶6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖2 草酰乙酸草酰乙酸PEP羧激酶羧激酶ATPATP携带能量由能源传递给细胞的携带能量由能源传递给细胞的需能过程需能过程ATPATPADP+PiADP+Pi太阳能太阳能化学能化学能生物合成生物合成细胞运动细胞运动膜运输膜运输通过通过NADPHNADPH循环将还原力由分解代谢循环将还原力由分解代谢转移给生物合成反应转移给生物合成反应NADPH+HNADPH+H+ +NADPNADP+ +分解代谢分解代谢还原性有机物还原性有机物还原性生物合成反应还原性生物合成反应氧化物氧化物还原性生物还原性生物合成产物合成产物氧化前体氧化前体 代谢的基本要略代谢的基本要略代谢的基本要略在于代谢的基本要略在于:形成形成ATPATP、还原力还原力和和构造单元构造单元，以以用于生物合成。用于生物合成。由由ATP、还原力和构造单元可合成各类生物、还原力和构造单元可合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流物质流、能量流能量流和和信息流信息流来支持。来支持。脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等）共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放，释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位生物氧化的三个阶段生物氧化的三个阶段NADPH生物系统中的能流生物系统中的能流（胞液）（胞液）（线粒体）（线粒体）（PEP）丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸（转氨基作用）（转氨基作用）糖的分解代谢和糖的分解代谢和糖异生的关系糖异生的关系一、一、代谢调节的概念代谢调节的概念二、二、酶水平的调节酶水平的调节三、三、细胞结构对代谢途径的分隔控制调节细胞结构对代谢途径的分隔控制调节四、激素调节和跨膜信号转导激素调节和跨膜信号转导第二节第二节 代代 谢谢 调调 节节代谢的调节代谢的调节代谢调节的四级水平：代谢调节的四级水平： 酶水平调节酶水平调节 细胞水平调节细胞水平调节 激素水平调节激素水平调节 神经水平调节神经水平调节多细胞整体水平调节多细胞整体水平调节1 1、酶的别构效应酶的别构效应 酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节2 2、产能反应与需能反应的调节产能反应与需能反应的调节3 3、酶的共价修饰与级联放大机制酶的共价修饰与级联放大机制二、酶水平的调节酶活性的前馈和反馈调节酶活性的前馈和反馈调节前馈前馈（feedforward）和）和反馈反馈（feedback）是来自电子工）是来自电子工程学的术语，前者的意思是程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响输入对输出的影响”，后者的意思，后者的意思是是“输出对输入的影响输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的控，其调节机理是通过酶的变构效应变构效应来实现的。来实现的。S0SnS2S1E0E1En-1或或+或或+反馈反馈前馈前馈反馈调节中酶活性调节的机制反馈调节中酶活性调节的机制代谢物代谢物别别构构中中心心活性活性中心中心6-6-磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用磷酸葡萄糖对糖原合成的前馈激活作用GUDPG6-P-G+1-P-G糖原糖原糖原糖原合成酶合成酶ATPADPUTPUDPG葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸羧羧化化酶酶乙酰乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸拧檬酸拧檬酸天冬氨酸天冬氨酸氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸核酸核酸氨甲酰氨甲酰天冬氨酸天冬氨酸+磷酸烯醇式丙酮酸羧磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应的调节控制化反应的调节控制 氨基酸合成的反馈调控氨基酸合成的反馈调控反硝化作用反硝化作用氧化亚氮氧化亚氮氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸分支酸分支酸脱氧庚酮糖酸脱氧庚酮糖酸-7-磷酸磷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰磷酸赤藓糖赤藓糖-4-磷酸磷酸脱氢奎尼酸脱氢奎尼酸莽草酸莽草酸谷氨酸谷氨酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸+预苯酸预苯酸TryPheTrpIleTrpHisCTPAMPGlnLysMetThr酮丁酸酮丁酸GlyAla谷氨酰胺合酶谷氨酰胺合酶天冬氨酰半醛天冬氨酰半醛高丝氨酸高丝氨酸氨基苯甲酸氨基苯甲酸ATP+NH4+ADP+Pi葡萄糖胺葡萄糖胺-6-磷酸磷酸糖酵解与三羧酸循环途径的调节糖酵解与三羧酸循环途径的调节丙酮酸丙酮酸G细胞液细胞液柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰CoA柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸乙酰乙酰CoA丙酮酸丙酮酸线粒体线粒体G-6-PF-6-PF-1.6-2P磷酸果磷酸果糖激酶糖激酶PEPADP+PiADP+Pi ATP ATPADP+PiADP+Pi ATP ATPNADHO2ATPATP ADP+PiADP+PiAMP + ATP 2ADPAMP + ATP 2ADP PiPiPiPiPEP羧激酶羧激酶+-+-己糖激酶己糖激酶丙酮酸丙酮酸脱氢酶脱氢酶柠檬酸柠檬酸合成酶合成酶 -酮戊二酸酮戊二酸脱氢酶脱氢酶酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（这种方式称为酶的共价修饰（Covalent Covalent moldificationmoldification）。）。目前已知有六种修饰方式：目前已知有六种修饰方式：磷酸化磷酸化/去磷酸化，乙酰化去磷酸化，乙酰化/去去乙酰化，腺苷酰化乙酰化，腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，去尿苷酰化，甲基化甲基化/去甲基化，氧化去甲基化，氧化（S-S）/还原还原(2SH)。激酶激酶ATPADP磷酸化酶磷酸化酶b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶aP（有活性）（有活性）磷酸酯酶磷酸酯酶-OHH2OP例：糖原磷酸化酶的共价修饰例：糖原磷酸化酶的共价修饰共价修饰共价修饰级联系统级联系统调控调控肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素1、腺苷酸环化腺苷酸环化酶（无活性）酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶（活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶、磷酸化酶激酶（无活性）（无活性）磷酸化酶激酶（活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶、磷酸化酶b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶a（活性）（活性）6、糖原、糖原6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖血液血液肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素132 102 104 106 108葡萄糖葡萄糖ATPADPATPADP456cAMP激活蛋白激活蛋白激酶的作用机理激酶的作用机理糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控糖原合成酶和糖原磷酸化酶的调控糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为糖原限速酶分别为糖原磷酸化酶磷酸化酶和和糖原合成酶糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。但其效果相反。糖原合成酶糖原合成酶a(有活性有活性)糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶b(无活性无活性)OHOHATPADPH2OPi糖原合成酶糖原合成酶b(无活性无活性)糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶a(有活性有活性)PP酶酶定定位位的的区区域域化化线粒体线粒体:丙酮酸氧化丙酮酸氧化;三羧三羧酸循环酸循环; -氧化氧化;呼吸链呼吸链电子传递电子传递;氧化磷酸化氧化磷酸化细胞质细胞质:酵解酵解;磷磷戊糖途径戊糖途径;糖原合糖原合成成;脂肪酸合成脂肪酸合成;细胞核细胞核:核酸合成核酸合成内质网内质网:蛋白质合成蛋白质合成;磷脂合成磷脂合成动动物物细细胞胞结结构构和和代代谢谢途途径径细胞膜结构对代谢的调节和控制作用细胞膜结构对代谢的调节和控制作用 控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度 控制细胞和细胞器的物质运输控制细胞和细胞器的物质运输 内膜系统对代谢途径的分隔作用内膜系统对代谢途径的分隔作用 膜与酶的可逆结合膜与酶的可逆结合激激 素素 调调 节节 的的 机机 制制1 1、含氮激素含氮激素作用模式作用模式2 2、甾醇类激素作用模式甾醇类激素作用模式甾甾醇醇类类激激素素作作用用原原理理示示意意图图肽类激素通过肽类激素通过cAMP蛋白激酶调节代谢示意图蛋白激酶调节代谢示意图ATPcAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（无活性）c+RcATP蛋白激酶（有活性）蛋白激酶（有活性）受体受体环化酶环化酶激素激素G蛋白蛋白糖糖酵酵解解和和葡葡萄萄糖糖异异生生的的关关系系（胞液）（胞液）（线粒体）（线粒体）葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-P-甘油醛甘油醛 -酮戊二酸酮戊二酸乳酸乳酸谷氨酸谷氨酸丙氨酸丙氨酸TCA循环循环乙酰乙酰CoAPEPG-6-PF-6-PF-1.6-P丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸3-P-甘油甘油甘油甘油ABC1C2AG-6-P磷酸酯酶磷酸酯酶BF-1.6-P磷酸酯酶磷酸酯酶C1丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶C2PEP羧激酶羧激酶 第三节第三节 基因转录调控基因转录调控一个基因指的是编码蛋白质多肽链和功能一个基因指的是编码蛋白质多肽链和功能RNA的的DNA（某些病毒基因为（某些病毒基因为RNA），基因表达就是遗传信息被），基因表达就是遗传信息被转录和翻译的过程。转录和翻译的过程。基因表达的调控可以在不同水平，例如转录水平，或基因表达的调控可以在不同水平，例如转录水平，或翻译水平上进行。翻译水平上进行。原核生物的基因调控原核生物的基因调控原核生物的基因调控原核生物的基因调控主要是在转录水平上进行，因为主要是在转录水平上进行，因为他们的转录和翻译过程可同时进行。他们的转录和翻译过程可同时进行。真核生物的转录和翻译过程真核生物的转录和翻译过程真核生物的转录和翻译过程真核生物的转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔在时间和空间上都被分隔开，而且转录和翻译后都要经过复杂的加工过程，所以其开，而且转录和翻译后都要经过复杂的加工过程，所以其基因调控在不同水平都需要进行调控。基因调控在不同水平都需要进行调控。基因表达的调节可以发生在不同水平上：基因表达的调节可以发生在不同水平上：转录水平转录水平：从DNA模板上把信息转录到RNA上。在环境信号分子的影响下。这是在质、量和时间程序上的调节。翻译水平翻译水平：将mRNA的三联体密码转变成氨基酸顺序。即蛋白质合成水平上的调节。加工水平加工水平：包括RNA和蛋白质合成后的加工、修饰、转变成有活性的形成。蛋白质活性的调节蛋白质活性的调节：包括别构调节和共价修饰调节 在上述几个方面的调节中，转录水平的调节是最关在上述几个方面的调节中，转录水平的调节是最关键的键的。因为细胞功能的重大调整，不涉及转录就不能实现。基因表达的控制主要是指转录水平的调节基因表达的控制主要是指转录水平的调节，尤其是在原核生物中，翻译和加工的问题比较简单，转录水平的调控就更为突出。 根据细菌酶的合成对环境的反应不同，酶的合成可分为两种类根据细菌酶的合成对环境的反应不同，酶的合成可分为两种类型：组成酶和适应酶。适应酶可分为诱导酶和阻遏酶。型：组成酶和适应酶。适应酶可分为诱导酶和阻遏酶。 1961年，法国科学家Jacob和Monod根据酶合成的诱导和阻遏的现象，提出了操纵子（operon）模型。操纵子操纵子操纵子操纵子是指编码一特定代谢是指编码一特定代谢途径酶的结构基因和控制这些基因转录途径酶的结构基因和控制这些基因转录的的控制顺序所构成的转录单控制顺序所构成的转录单位。（这样的转录单位在原核生物中即称为操纵子。）位。（这样的转录单位在原核生物中即称为操纵子。）一乳糖操纵子（一乳糖操纵子（lacoperon）是酶诱导合成的例子）是酶诱导合成的例子1.1.1.1.乳糖操纵子的组织结构乳糖操纵子的组织结构乳糖操纵子的组织结构乳糖操纵子的组织结构结构基因：Z基因编码半乳糖苷酶。 Y基因编码半乳糖苷透过酶 A基因编码硫代半乳糖苷转乙酰基酶操纵基因（operator）:是阻遏蛋白结合部位。启动基因（又称启动子，promoter）:是RNA聚合酶结合的部位。操纵子操纵子(operon)的结构与功能的结构与功能InhibitorgenePS1S2S3启动子启动子结构基因结构基因1，2，3.O操纵基因操纵基因PromoterOperatorgeneStructuregene调控区调控区结构基因结构基因操纵子操纵子表达阻表达阻遏蛋白遏蛋白结合结合RNA聚合酶聚合酶结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白表达功能蛋白表达功能蛋白?I阻遏物基因阻遏物基因Jacob和和Monod在对大肠杆菌乳糖发酵过程中酶的生物合成研究时，在对大肠杆菌乳糖发酵过程中酶的生物合成研究时，探讨了基因表达调控机制，并提出了乳糖操纵子模型。探讨了基因表达调控机制，并提出了乳糖操纵子模型。操纵子操纵子：由一个启动子共转录的几个不同基因组成的转录单位，由一个启动子共转录的几个不同基因组成的转录单位，即由启动子序列、操纵基因和受操纵基因调控的一个或多个相关即由启动子序列、操纵基因和受操纵基因调控的一个或多个相关基因（结构基因）组成的基因表达单位。基因（结构基因）组成的基因表达单位。操纵子模型操纵子模型操纵子模型操纵子模型可以很好说可以很好说明原核生物基因表达的调控机制明原核生物基因表达的调控机制。调节物基因调节物基因控制控制部位部位几个相关基因（结构基因）几个相关基因（结构基因）操纵子的一般结构操纵子的一般结构大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子包括依次排列的启动子、操纵基因和三个结构基因。包括依次排列的启动子、操纵基因和三个结构基因。结构基因结构基因Z 编码分解乳糖的编码分解乳糖的 -半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、Y 编码吸收乳糖的编码吸收乳糖的 -半乳糖苷透半乳糖苷透性酶、性酶、a 编码编码 -半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。O代表操纵基因，代表操纵基因，i 代表调节基因，代表调节基因，P 代表启动子。如果进行转录，转录产物是一条代表启动子。如果进行转录，转录产物是一条多顺反子多顺反子多顺反子多顺反子mRNAmRNA。大肠杆菌能够利用乳糖作为它的唯一碳源，但需要合成代谢乳糖的三个大肠杆菌能够利用乳糖作为它的唯一碳源，但需要合成代谢乳糖的三个酶：酶： -半乳糖苷酶（降解乳糖生成半乳糖和葡萄糖）、半乳糖苷酶（降解乳糖生成半乳糖和葡萄糖）、 -半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶（使乳糖进入细胞内）、（使乳糖进入细胞内）、 -半乳糖苷乙酰基转移酶（半乳糖代谢时需要的酶）半乳糖苷乙酰基转移酶（半乳糖代谢时需要的酶）。这三个酶都是乳糖存在时诱导生成的酶。这三个酶都是乳糖存在时诱导生成的酶。乳糖操纵子乳糖操纵子当细胞中没有乳糖或其他诱导物时，调节物基因经转录、当细胞中没有乳糖或其他诱导物时，调节物基因经转录、表达生成阻遏物，然后阻遏物特异与操纵基因结合，阻止表达生成阻遏物，然后阻遏物特异与操纵基因结合，阻止z、y、a 基因的转录。基因的转录。阻遏物阻遏物阻遏物与操纵基因结合，阻遏物与操纵基因结合，阻止阻止z、y、a 基因转录基因转录当细胞中存在乳糖或其他诱导物时，诱导物与阻遏物结合，当细胞中存在乳糖或其他诱导物时，诱导物与阻遏物结合，使阻遏物构象发生变化，从而使阻遏物不能与操纵基因结合。使阻遏物构象发生变化，从而使阻遏物不能与操纵基因结合。这种状况下，在这种状况下，在RNA聚合酶催化下可以进行聚合酶催化下可以进行z、y、a 基因的转基因的转录。录。诱导物诱导物mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时乳糖操纵子的调节机制乳糖操纵子的调节机制阻遏基因阻遏基因1. 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶2.分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏当E.coli在含有Glucose的培养基中生长时，培养基中即使含有乳糖，在Glucose被用完之前，是不会产生与乳糖利用有关的酶，这种效应称为这种效应称为Glucose效应或分解代谢物阻遏效应或分解代谢物阻遏。因为乳糖操纵子的启动子可分为两部分因为乳糖操纵子的启动子可分为两部分（图18-17）：RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位:富含AT对，并在它的侧翼富含GC对CAPCAP（orCRPorCRP）识别与结合部位）识别与结合部位）识别与结合部位）识别与结合部位: :富含GC对，且是回文结构。乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构CAP叫做分解代谢物基因活化蛋白叫做分解代谢物基因活化蛋白（CRP称为cAMP受体蛋白）它能使GC对变得不稳定，可促进AT对分开，从而有利于转录。但但CAP的活性受的活性受cAMP水平的调节水平的调节。当cAMP与CAP结合后才能使CAP同启动子的CAP结合部位结合。CAMPCAMP的水平受的水平受GlucoseGlucose的某种分解代谢物的影响的某种分解代谢物的影响, ,该代谢物可以抑制细菌腺该代谢物可以抑制细菌腺苷环化酶的活性，激活磷酸二酯酶的活性，因而可苷环化酶的活性，激活磷酸二酯酶的活性，因而可以降低以降低cAMPcAMP的浓度的浓度. .所以当有Glucose存在时,细胞内的cAMP水平显著下降。这样cAMPCAP的浓度降低，不能促进RNA聚合酶进行转录，也就抑制了酶的诱导合成。 只有当以乳糖作为唯一碳源时，才不会存在Glucose的分解代谢物阻遏的现象。这时，cAMPCAP的水平升高，在乳糖的诱导下即可合成与乳糖代谢有关的酶。 cAMPcAMPCAPCAP复合物系统复合物系统是以是以cAMPcAMP为信号的正调为信号的正调节系统。它对所有分解代谢物敏感的操纵子（包节系统。它对所有分解代谢物敏感的操纵子（包括括laclac和和araara-operon-operon）都有控制作用。）都有控制作用。在这里，乳糖利用酶的表达受到双重控制，即以乳糖为诱导物的“精调”以及以cAMP为信号的“中调“控制。 CAPCAP的正性调节的正性调节CAP的正性调节的正性调节: CAP蛋白是一个同二聚体，具有蛋白是一个同二聚体，具有DNA结合域和结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于结合位点。当没有葡萄糖存在时，由于cAMP的浓度受葡萄糖代谢的调节，的浓度受葡萄糖代谢的调节，cAMP浓度表浓度表现为较高，这时现为较高，这时cAMP与与CAP蛋白结合形成蛋白结合形成cAMP CAP复合物。此复合物可结合剂复合物。此复合物可结合剂lac启动启动基因上游附近的基因上游附近的CAP位点上，从而可增强转录达位点上，从而可增强转录达50倍之倍之多。多。协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时乳糖共同存在时,细菌首细菌首先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。 葡萄糖对葡萄糖对 laclac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢分解代谢阻遏（阻遏（catabolic repressioncatabolic repression）。）。 二色氨酸操纵子是酶合成阻遏的例子二色氨酸操纵子是酶合成阻遏的例子在合成代谢中，催化氨基酸或其他小分子最终产物合成的酶随时都需要，细胞中的这些酶经常在合成,即这些酶的合成经常处于消阻遏的状态。所以，在这类操纵子中，调节基因的产物-阻遏蛋白是不活泼的，不能和操纵基因结合.当合成途径中的最终产物过量时，它就与阻遏蛋白结合，激活阻遏蛋白。激活后的阻遏蛋白就能结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶对结构基因的转录，与合成反应有关的酶也就不能被合成。最终产物或其衍生物称为辅阻遏物最终产物或其衍生物称为辅阻遏物。E.coli和鼠伤寒沙门氏菌的色氨酸操纵子的调节符合这种阻遏现象。1. 1. 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trptrp operonoperon）的组织结构）的组织结构 结构基因（A.B.C.D.E）编码从分支酸开始到色氨酸合成的五种酶（图18-18）。trp L编码一个前导肽。在trp L中有一段顺序称为attenuatorattenuator（弱化（弱化基因或衰减子）基因或衰减子）。此外，同样存在操纵基因和启动基因。2. 2. 终产物终产物TrpTrp对对trptrp operonoperon的调节的调节 TrpTrp作为一种辅阻遏物激活阻遏蛋白作为一种辅阻遏物激活阻遏蛋白。当培养基中含有丰富的Trp或者它的合成过量时，即可激活阻遏蛋白（trp R的产物）激活化的阻遏蛋白即可结合到operator上，阻止RNA聚合酶对结构基因的转录，从而停止与Trp合成有关的酶的合成。于是Trp合成便停止。转录衰减trp操纵子阻遏型操纵子有trp时trp结合阻遏蛋白Trp时阻断转录 图Thetrpoperon氨基苯甲酸合酶吲哚-3-甘油磷酸合酶P3583.Attenuator 弱化基因存在于弱化基因存在于trptrp L L内内（图（图18-1918-19），含有，含有4 4个互补的片段，它个互补的片段，它们能形成茎环结构，即们能形成茎环结构，即1,2-1,2-茎环和茎环和3,4-3,4-茎环。如果因核糖体停留茎环。如果因核糖体停留下来，不能形成下来，不能形成1,2-1,2-茎环时，导致茎环时，导致2,3-2,3-茎环的形成。茎环的形成。2,3-2,3-茎环阻止茎环阻止了了3,43,4茎环的形成茎环的形成。 由于由于3,4-3,4-茎环及其后面连续的茎环及其后面连续的UUUUUU（类似不依赖于（类似不依赖于因子的转因子的转录终止信号）是一种有效的转录终止信号。因此转录就会在此部位录终止信号）是一种有效的转录终止信号。因此转录就会在此部位终止。终止。 在Trp缺乏下，就会导致核糖体停留在片段1上的两个色氨酸密码子上。由于核糖体很大，于是就阻止了1,2-茎环的形成（图18-20b）。此时只能形成2,3-茎环，而不能形成不能形成3,43,4茎环，终止信号茎环，终止信号不复存在，转录不会停止。不复存在，转录不会停止。 当Trp很丰富时，核糖体就不会停止在色氨酸的两个密码子处，解除了1,2茎环形成的空间障碍（图18-20a），也同时解除了解除了2,32,3茎环的形成，而有利于茎环的形成，而有利于3,43,4茎环的形成。在此种情况下，转录便茎环的形成。在此种情况下，转录便会终止。会终止。 从上面的介绍中，可以看到trptrp operonoperon也受到两种机制的控制。图18-19图18-20大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制111232233444核糖体核糖体核糖体核糖体转录继续转录继续转录终止转录终止C.高浓度色氨酸使核高浓度色氨酸使核糖体到达糖体到达2部位，部位，3与与4碱基配对，转录终止。碱基配对，转录终止。A.游离游离mRNA中中1与与2以及以及3与与4碱基配对。碱基配对。B.低浓度色氨酸使核低浓度色氨酸使核糖体停留在糖体停留在1部位，转部位，转录得以完成。录得以完成。Trp密码子密码子