1、第十八章第十八章 基因表達的調節基因表達的調節regulation of gene expression主要內容：主要內容：主要討論酶的調節主要討論酶的調節主講老師：華南師范大學生命科學學院主講老師：華南師范大學生命科學學院陳文利陳文利代謝調節分為三類代謝調節分為三類: 酶的調節酶的調節 激素的調節激素的調節 神經調節神經調節 其中酶的調節是最基本的調節方式，是一切其中酶的調節是最基本的調節方式，是一切調節的基礎。調節的基礎。 （一）酶的調節：（一）酶的調節： 也稱原初調節或原始調節。酶的調節是通過也稱原初調節或原始調節。酶的調節是通過控制酶控制酶的濃度的濃度和和酶的活性酶的活性來調節酶促反應

2、的速度和方向，也來調節酶促反應的速度和方向，也就是調節代謝的速度和方向。就是調節代謝的速度和方向。 關鍵酶（關鍵酶（key enzyme）：）： 往往是代謝途徑的第一步反應的酶（往往是代謝途徑的第一步反應的酶（a）或是分支）或是分支代謝途徑中分支點上的酶（代謝途徑中分支點上的酶（b、c、f）或整個代謝途徑中）或整個代謝途徑中的限速酶或催化不可逆反應的酶（的限速酶或催化不可逆反應的酶（c） abcdefgabcdfg 許多關鍵酶都是調節酶如別構酶、共價修飾酶、同工許多關鍵酶都是調節酶如別構酶、共價修飾酶、同工酶、多功能酶等。酶、多功能酶等。酶的調節主要是通過控制關鍵酶的濃度酶的調節主要是通過控制

3、關鍵酶的濃度和活性來調節。和活性來調節。 通過控制酶濃度的調節通過控制酶濃度的調節要牽涉到基因、要牽涉到基因、mrna、蛋白、蛋白質的生物合成，所以這種調節是一種慢調節，在幾小時或質的生物合成，所以這種調節是一種慢調節，在幾小時或幾天內才能完成。幾天內才能完成。 另一種另一種通過調節酶活性通過調節酶活性，這是快速調節，在幾分鐘到幾，這是快速調節，在幾分鐘到幾十分鐘內完成。十分鐘內完成。 1. 酶濃度的調節：酶濃度的調節： 酶濃度的調節酶濃度的調節 誘導誘導阻遏阻遏終產物的阻遏終產物的阻遏分解代謝產物阻遏分解代謝產物阻遏誘導作用（誘導作用（induction）：）： 指用誘導物（指用誘導物（in

4、ducer）來促進酶的合成，這種作用稱）來促進酶的合成，這種作用稱誘導作用。誘導作用。 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，這種作）阻止或降低酶的合成，這種作用稱阻遏作用。用稱阻遏作用。 （1）酶合成的誘導作用：）酶合成的誘導作用： 在細菌中普通存在，如大腸桿菌可利用多種糖作為在細菌中普通存在，如大腸桿菌可利用多種糖作為碳源，當用乳糖作為唯一碳源時，開始細菌不能利用乳碳源，當用乳糖作為唯一碳源時，開始細菌不能利用乳糖，但糖，但23分鐘后就合成了與乳糖代謝有關的三種酶分鐘后就合成了與乳糖代謝有關的三種酶 （1）半乳糖苷

5、酶：水解乳糖的酶，使乳糖水解成半乳糖苷酶：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：促使乳糖通過細胞膜。半乳糖透性酶：促使乳糖通過細胞膜。 （3）-半乳糖苷轉乙酰基酶（硫代半乳糖苷轉乙半乳糖苷轉乙酰基酶（硫代半乳糖苷轉乙 酰基酶）：這酶的功能不清，可能是將不能酰基酶）：這酶的功能不清，可能是將不能 代謝的乳糖類似物乙酰化，并將它們排出體代謝的乳糖類似物乙酰化，并將它們排出體 外。外。 這里乳糖是誘導物、誘導了這三種酶的合成，這這里乳糖是誘導物、誘導了這三種酶的合成，這三種酶就是誘導酶。三種酶就是誘導酶。 乳糖究竟如何誘導了這三種酶的合成呢？乳糖究竟如何誘導

6、了這三種酶的合成呢？ 1961年法國年法國monod和和jacob提出了著名的提出了著名的乳糖操縱子乳糖操縱子(lactose operon）模型）模型，這模型的提出猶如當年，這模型的提出猶如當年watson和和crick發現發現dna雙螺旋模型一樣，受到人們的重視，人們雙螺旋模型一樣，受到人們的重視，人們把它看作生物學的第二個里程碑。把它看作生物學的第二個里程碑。 乳糖操縱子模型的基本要點：乳糖操縱子模型的基本要點： 調節基因調節基因啟動子啟動子操縱基因操縱基因結構基因結構基因a操縱子（操縱子（operon）bc一群功能相關的結構基因相鄰，并且共同受同一個操縱基因和啟一群功能相關的結構基因相

7、鄰，并且共同受同一個操縱基因和啟動子所控制。動子所控制。 一群功能相關的結構基因（一群功能相關的結構基因（structural gene）和操縱基因）和操縱基因（operator）、啟動子（）、啟動子（promoter）組成了一個操縱子）組成了一個操縱子(operon) 。 為什么稱它們為一個操縱子呢？因為它們又共同受一個調節基為什么稱它們為一個操縱子呢？因為它們又共同受一個調節基 因（因（regulator gene）所調節。）所調節。 結構基因：決定酶蛋白或蛋白質的基因。結構基因：決定酶蛋白或蛋白質的基因。 操縱基因：轉錄的開關，可打開或關閉結構基因的轉錄。操縱基因：轉錄的開關，可打開或關

8、閉結構基因的轉錄。 啟動子：專管轉錄起始，上面有啟動子：專管轉錄起始，上面有rna聚合酶的結合位點。聚合酶的結合位點。 調節基因：為阻遏蛋白編碼。調節基因：為阻遏蛋白編碼。 酶合成的誘導：誘導物：乳糖或乳糖類似物酶合成的誘導：誘導物：乳糖或乳糖類似物iptg（異丙基（異丙基-d-硫代半乳糖苷）硫代半乳糖苷） 現在知道乳糖操縱子除需誘導物外，還需現在知道乳糖操縱子除需誘導物外，還需camp和和camp受體蛋白（受體蛋白（crp），當），當camp與與crp結合成復合物結合成復合物時，這復合物能結合到啟動子上，促使轉錄的起始。時，這復合物能結合到啟動子上，促使轉錄的起始。 結構基因結構基因操縱基因

9、操縱基因啟動子啟動子rna聚合酶聚合酶crpcamp復合物復合物crp camp（2）酶合成的阻遏作用）酶合成的阻遏作用 最終產物的阻遏：最終產物的阻遏： 以以e.coli trp操縱子為例，操縱子為例，trp操縱子含有操縱子含有5個個結構基因，它們編碼的酶蛋白催化分支酸轉變為結構基因，它們編碼的酶蛋白催化分支酸轉變為trp，trp是輔助遏物（是輔助遏物（corepressor）。）。 酶合成的阻遏作用酶合成的阻遏作用 利用操縱子模型解釋酶合成的誘導和阻遏，但要注意利用操縱子模型解釋酶合成的誘導和阻遏，但要注意操縱子僅僅存在于原核細胞操縱子僅僅存在于原核細胞，操縱子的調控是原核細胞，操縱子的調

10、控是原核細胞轉錄水平的調控。真核細胞中沒有操縱子，即真核細胞轉錄水平的調控。真核細胞中沒有操縱子，即真核細胞中功能上彼此有關的基因往往分布在不同染色體上，它中功能上彼此有關的基因往往分布在不同染色體上，它們并不組成一個操縱子。們并不組成一個操縱子。 分解代謝產物的阻遏：分解代謝產物的阻遏： e.coli以乳糖為唯一碳源時，乳糖可誘導與乳糖有以乳糖為唯一碳源時，乳糖可誘導與乳糖有關的三種酶的合成，但如果培養基中既含葡萄糖，又關的三種酶的合成，但如果培養基中既含葡萄糖，又含乳糖時，則優先利用含乳糖時，則優先利用glc，等，等glc耗盡后才能利用乳耗盡后才能利用乳糖，也就是說在大量糖，也就是說在大量

11、glc時，乳糖操縱子還是關閉，時，乳糖操縱子還是關閉，glc阻遏了乳糖代謝有關的三種酶的合成，這種現象過阻遏了乳糖代謝有關的三種酶的合成，這種現象過去稱為去稱為葡萄糖效應葡萄糖效應（glucose effect）。）。 后來知道這是由于后來知道這是由于glc分解代謝產物引起的，因此分解代謝產物引起的，因此又稱為分解代謝產物阻遏（又稱為分解代謝產物阻遏（catabolite repression）。）。 gcatpcamp5-amp腺苷酸環化酶腺苷酸環化酶磷酸二酯酶磷酸二酯酶crpcampcrp復合物復合物結構基因結構基因分分解解代代謝謝產產物物啟動子啟動子 操縱基因操縱基因分解代謝產物阻遏，分

12、解代謝產物阻遏，即葡萄糖效應的機制：即葡萄糖效應的機制：2酶活性的調節：酶活性的調節： v 反饋抑制反饋抑制v 共價修飾共價修飾 （1）反饋抑制（）反饋抑制（feedback inhibition）：）： 也稱負反饋，這是生物體普遍存在的一種調也稱負反饋，這是生物體普遍存在的一種調節機制，反饋抑制是指反應終產物對自身合成途節機制，反饋抑制是指反應終產物對自身合成途徑中的酶活力起抑制作用，大多是對第一個酶的徑中的酶活力起抑制作用，大多是對第一個酶的活力起抑制作用。活力起抑制作用。 反饋抑制在代謝中見了很多，特別是在氨基酸和反饋抑制在代謝中見了很多，特別是在氨基酸和核苷酸的生物合成中，這類例子更多。核苷酸的生物合成中，這類例子更多。 （）共價修飾（）共價修飾（covalent modification）：）： 亦稱化學修飾，就是在調節酶分子上以共價鍵連上亦稱化學修飾，就是在調節酶分子上以共價鍵連上與或脫下某種特殊的化學基團，從而引起酶活性的改變，與或脫下某種特殊的化學基團，從而引起酶活性的改變，這類酶稱共價修飾酶。這類酶稱共價修飾酶。 自從自從1955年年krebs和和sutherland等有關糖原磷酸化酶等有關糖原磷酸化酶的研究以來，到目前已經知道的有的研究以來，到目前已經知道的有100多種酶在它被翻譯多種酶在它被翻譯后進行共價修飾。后進行共價