《杨在清》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一、教学大纲基本要求 物质代谢的相互联系，细胞代谢与基因表达的基本调节方式，包括，1、物质代谢途径的相互联系，物 质代谢的特点，2、代谢的调节方式，包括酶水平上的调节，细胞结构对代谢途径的分隔控制，神经和激 素对代谢的调控，3、基因表达的调节方式，包括操纵子模型，衰减子模型，组成性表达和诱导性表达， 酶的阻遏，正调节和负调节二、本章知识要点 细胞代谢包括物质代谢和能量代谢，细胞代谢是一个完整统一的协调的网络，存在复杂的调节机制， 这些调节机制最终都是在基因的表达产物（蛋白质或RNA）的直接作用下进行的。（一）物质代谢途径的相互联系 细胞代谢的基本原则是首先将各类物质简单分解为小分子的单体构造单元（如单糖，氨基酸），然后这些单体分别纳入各自的共同代谢途径（比如各种单糖的酵解途径，各种脂肪酸的B -氧化途径，各种氨基酸 的联合脱氨基和尿素循环途径），经有限氧化后汇总到乙酰CoA或其它柠檬酸循环的中间物进行彻底的氧 化，这样生物可以少数种类的反应转化大量的分子。而不同代谢途径之间可以通过交叉点上关键的中间物 而相互转化，主要是糖酵解和柠檬酸的中间物，如G-6-P、磷酸二羟丙酮（或甘油醛）丙酮酸、乙酰CoA 及柠檬酸循环的中间物。1、糖代谢与脂代谢的联系（1）糖转变成脂的大致步骤：糖经过酵解，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮还原为甘油， 丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA，合成脂肪酸。（2）脂转变成糖的大致步骤：甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖。 在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙酰CoA,后者经乙醛酸循环生成琥珀酸，进入TCA，由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸，生糖。动物体内，无乙醛酸循环，脂肪酸降解的乙酰CoA主要进入TCA氧化或酮体代谢，但是奇数碳的脂 肪酸可以转化为糖。偶数碳的脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充 TCA 中消耗的有机酸（草酰乙酸）。糖利用受阻，依靠脂类物质供能量，脂肪动员加剧，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、B -羟基 丁酸）。2、糖代谢与氨基酸代谢的关系（1）糖分解代谢的中间产物可以为氨基酸合成提供碳架：糖一丙酮酸一a -酮戊二酸+草酰乙酸，这三种酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu和Asp。（2）生糖氨基酸的碳架可以转变成糖：凡是能生成丙酮酸、a 酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a。Phe、Tyr、Ilr、Lys、trp等可生成乙酰CoA，称为生酮氨基酸。Phe、Tyr等即可以生糖又可以生成酮体。3、氨基酸代谢与脂代谢的关系氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA，用于脂肪酸和胆甾醇的合成。生糖a.a的碳架可以转变成甘油。Ser可以转变成乙醇胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸，经TCA进一步转变为草酰乙酸、a 酮戊二酸，这三者都可以 转变成氨基酸。动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA，不能为a.a合成提供净碳架。4、核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。（1）有些氨基酸，如 Gly 、Asp 、Gln 是核苷酸的合成前体。（2）核苷酸在糖、脂、氨基酸等物质代谢中也有重要作用：ATP供能及磷酸基团，UTP参与单糖转 变成多糖（活化单糖），CTP参与卵磷脂合成，GTP为蛋白质合成供能。5、物质代谢的特点（1）代谢途径交叉形成网络，TCA是中心环节。主要联系物：丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、a -酮戊二 酸、草酰乙酸。（2）分解、合成途径往往是分开的，不是简单的逆反应。在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应 和逆反应，往往由两种不同的酶催化，一种酶催化正向反应（比如糖酵解，脂肪酸B氧化），另一种酶催 化逆向反应（比如糖异生，线粒体中的脂肪酸延长途径）。（3）ATP是通用的能量载体。乙酰CoA进入TCA后，完全氧化生成C02、电0,释放的自由能被ADP 捕获转运。否则，自由能以热能形式散发到周围环境中。（4）分解代谢为合成代谢提供还原力和能量。分解代谢的基本要略在于：生成ATP、还原力和结构单元用于体内生物合成。NADPH专一用于还原性生物合成，NADH和FADH2主要功能是通过呼吸链产生ATP。ATP来源：底物水平磷酸化，绿色植物和光合细菌的光合磷酸化，呼吸链的氧化磷酸化。NADPH来源：植物光合电子传递链，磷酸戊糖途径，NADH转化为NADPH，如乙酰CoA以 柠檬酸-丙酮酸机制由线粒体穿梭到到细胞质时，苹果酸酶催化苹果酸氧化脱羧生成NADPH。（5）分解、合成受不同方式调节（二）代谢的调节方式 代谢调节是生物长期进化过程中，为适应环境的变化的而形成的一种适应能力。进化程度越高的生物， 其代谢调节的机制越复杂、越完善。代谢调节在三个水平上进行，即酶水平、细胞水平、整体水平（神经、激素）。单细胞生物只能在酶和 细胞水平调节，植物还可以在激素水平进行调节，而动物还可以在更高的神经水平进行代谢的调节。1、酶水平的调节酶水平的调节，主要通过调节酶的活性和酶的浓度。（1）酶活性的调节：每个代谢途径都有限速步骤，催化限速步骤的酶称为限速酶，其活性相对较低， 限制着整个代谢的强度，是重要的调节位点。可共价修饰的调节酶往往与级联放大相联系，是一种高效的、 灵敏的调节方式，别构酶的激活剂与抑制剂往往就是其底物（前馈激活）和该代谢途径的终产物（反馈抑 制），所以，代谢物浓度对别构酶活性的别够调节是快速的调节方式。有些分支代谢途径的限速步骤是由 一组同工酶催化，可以接受不同终产物的协同或累积反馈抑制调节方式：细胞内环境的变化对酶活性的调节：如pH,辅酶和金属离子的浓度，能荷水平。溶菌酶 在pH7无活性，pH5，活性高，胃蛋白酶原在pH小于3.5时构象变化，自我激活。酶原的激活。共 价修饰：磷酸化/去磷酸化，腺苷酰化/去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，乙酰化/去乙酰化，甲基化/去甲 基化，S-S/SH的相互转化。前馈和反馈调节：A、前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活， 但也可能是前馈抑制。当底物浓度过高时可避免该代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成，如在糖酵解中， 1.6二磷酸果糖，可提高后面丙酮酸激酶的活性，加速磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。B、反馈调节： 当序列终产物浓度积累过多时，会抑制初始反应的酶活性，使整个体系反应速度降低。包括顺序反馈抑制， 协同反馈抑制，累积反馈抑制。调节物对酶的别构调节，许多调节物就是代谢中间物。（2）酶浓度的调节（基因表达的调节）：酶的浓度是由其合成速度和降解速度共同决定，但对酶的降解 速度在控制酶浓度中的作用了解不多。细胞内有些酶的合成速度很少改变，称为组成性酶，有些酶会由于 诱导剂（往往就是底物或前底物）的出现而加速合成，称为诱导酶，如大肠杆菌的B -半乳糖苷酶酶可被乳 糖或乳糖类似物IPTG（异丙基-B -D-硫代半乳糖苷，钝化阻遏蛋白）诱导，有些酶的合成速度会由于辅阻 遏物（往往是代谢的终产物，活化阻遏蛋白）的出现而降低，称为可阻遏酶，如色氨酸合成酶系统可以被 终产物色氨酸阻遏。2、细胞水平的调节（1）胞内酶区域化：催化不同代谢途径的酶类，只存在于一定的细胞学部位，其好处有。为酶水平 的调节创造了有利条件,使某些调节因素可以专一地影响细胞内某一部分的酶活性，而不致影响其它部位酶 的活性。使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩，利于在细胞局部范围内快速进行各个代谢反应。主要代谢途径酶系在细胞内的分布： 胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，胆固醇合成，部分蛋白质合成。线粒体：脂肪酸0氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。细胞核：核酸的合成、修饰。内质网：蛋白质合成，磷脂合成。胞质和线粒体：糖异生。溶酶体：多种水解酶（ 2）细胞通过控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度，或者通过控制跨膜物质运输，或者通过调节生物膜 与酶可逆结合来调节代谢。有些酶能与膜可逆结合，通过膜结合型和可溶型的互变来调节酶的活性如糖酵 解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛缩酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶，氨基酸代谢的Glu脱氢酶，Tyr氧化酶： 参与共价修饰的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。3、激素水平的调节 激素通过一定的信号传导系统不仅可以调节靶细胞内酶的活性，而且可以调节酶的基因表达。重点掌 握胰岛素（主要促进合成代谢）、胰高血糖素、肾上腺素（主要促进分解代谢）、甲状腺素对代谢的调节机 制（参见激素部分）（三）基因表达的调节 原核细胞基因的表达主要在转录水平上调控，真核细胞基因表达的调节要复杂得多，主要是靠各种调 节蛋白（反式因子）和基因上的调控序列（顺式元件）相互作用进行调节，调节环节包括转录前（染色质 DNA甲基化、拓扑异构化等）、转录水平、转录后加工、mRNA转运、mRNA稳定性、翻译、翻译后加工、 蛋白质的分拣和运输，其中转录水平是绝大多数基因的主要调控环节。1、操纵子模型 操纵子是基因表达的协调单位，它含有在功能上彼此有关的多个结构基因及控制序列构成，控制部位 由启动子和操纵基因组成。一个操纵子的全部基因排列在一起，其中含多个结构基因，转录产物是多顺反 mRNA，操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节。2、大肠杆菌乳糖操纵子的诱导调控当细胞内无诱导物（乳糖或IPTG）存在时，阻遏蛋白与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有一定 程度重叠，妨碍了 RNA聚合酶在-10序列上形成开放性启动子复合物。当细胞内有诱导物（乳糖或IPTG）存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白构象，使之迅速从 操纵基因上解离下来，解除阻遏。这样 RNA 聚合酶就能与启动子结合，并形成开放性启动子复合物，从 而开始转录LacZYA结构基因。实际上，在诱导酶的生物合成中，除需要诱导物存在外，还需要cAMP和cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein, CRP），后者又称分解代谢产物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein , CAP） cAMP和CRP复合物结合到启动子上促进转录的起始。3、色氨酸操纵子（trp）的阻遏与衰减调控（1）色氨酸操纵子的结构调节基因（R）启动子（P）操纵基因（O）前导序列（L）衰减子区（A）-结构基因（E-D-C-B-A） ）E.coli trp操纵子有5个结构基因，trpE-D-C-B-A。 调节基因（trpR），编码12.5kd的阻遏蛋白亚基，能以四聚体形式结合到trpO,对操纵子的转录起阻 遏调控作用 前导序列（trpL），是一段162bp序列，由1个14肽（前导肽）的编码区（其中包括两个连续的trp 密码子，位于 1 区中）、 4 个互补区段（5起依次为 1 区、 2 区 3、区、 4 区）构成。前导序列转录成 mRNA 序列后，对操纵子的转录起衰减调控作用。 衰减子：实质是位于前导区末端、结构基因上游的一段转录终止信号，但要前导序列的配合才能终 止转录。（2）色氨酸操纵子的阻遏机制：当细胞内trp浓度很高时，trp与阻遏蛋白（trpR基因产物）结合， 产使它具有活性，从而与trpO基因结合，关闭转录。当细胞内trp浓度很低时，阻遏遇蛋白上的trp解 离出来，使阻遏蛋白失活，并失去与trpO结合的能力，开启转录。（3）色氨酸操纵子的衰减机制：前导序列的1区编码一小段14a.a（包括2个连续的trp）的前导肽， 并有一终止密码子UGA。前导序列尾部有一个含8个U的区段，当细胞内trp浓度高时，核糖体翻译速 度快，很快越过1区到达2区，这时3区与4区形成的发夹结构和这段poly（U）结构就构成了不依赖于 p的终止信号，转录提前终止（约合成140个核苷酸）。当细胞内trp浓度低时，核糖体在1区trp密码 子处滞留时间延长，结果2区和3区构发夹结构，阻止3区与4区形成终止发夹结构，转录得以继续。阻 遏和衰减机制，虽然都是在转录水平上进行调节，但是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始， 后者控制转录起始后是否继续下去。三、重点、难点重点：物质代谢途径的相互联系，物质代谢的特点；酶水平上的调节，细胞结构对代谢途径的分隔控 制，神经和激素对代谢的调控；操纵子模型，衰减子模型，组成性表达和诱导性表达，酶的阻遏，正调节 和负调节。难点：物质代谢的相互联系，酶活性的调节方式，基因表达的调节方式。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W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W生长，但 不能维持突变型I和II的生长。突变型W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W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W利用，说明突变型III和W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W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、W的受阻 位置为：IivmADC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：（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-B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-例题 16-4：人体脂肪酸能转变成糖吗?为什么?并解释为什磨对糖摄入量不充分的人来说，在营养上吃奇 数链脂肪酸要比吃偶数链脂肪酸更好些解：偶数碳的脂肪酸分解产物主要是乙酰-CoA,没有草酰乙酸和柠檬酸的参与，仅仅是乙酰-CoA在人 体内是不能转变成糖的，当然乙酰-CoA的碳原子是可以出现在葡萄糖中的。旦是对于奇数碳的脂肪酸， 其分解产物除了乙酰-CoA外，还有少量的丙酰-CoA,而丙酰-CoA在人体内经过羧化和异构可以转化 为琥珀酰-CoA，它可以转化为葡萄糖。例题16-5：假如膳食中含有丰富的丙氨酸，旦缺乏天冬氨酸，问是否出现天冬氨酸缺乏的现象?为什么? 解：不会的，因为丙氨酸脱氨生成丙酮酸，丙酮酸经过羧化生成草酰乙酸，然后再经过转氨基可以生 成天冬氨酸。例题 16-6：物质代谢的目的之一就是产生能量，因此，高的能荷水平往往对分解代谢的酶系有抑制作用， 试分析其普遍的抑制机制。解：分解代谢产生能量的两个机制是底物水平磷酸化和氧化磷酸化，底物水平磷酸化直接将ADP磷 酸化成ATP,高的能荷水平意味着ADP的可利用度低，因此直接抑制了底物水平磷酸化，从氧化磷酸化 上分析，由于氧化电子传递是与ADP的磷酸化向偶连的，因此高浓度的ATP会抑制电子的传递，也就是 抑制还原型辅酶的再生，所以会抑制一些脱氢酶系催化的过程。另外ATP还可以别构抑制一些关键酶的活 性，如糖酵解中的己糖激酶、磷酸果糖激酶（限速酶）、丙酮酸激酶，柠檬酸循环中的柠檬酸合酶（限速 酶）、异柠檬酸脱氢酶、a-酮戊二酸脱氢酶。例题16-7：如果使色氨酸操纵子（trp operon）的前导顺序缺失（deletion）,对结构基因表达会有什么影响？ 解:色氨酸操纵子对结构基因的表达有两种调节机制：阻遏调控主要靠调节基因R的产物与操纵基因 O 相互作用，这是一种粗调；衰减调控主要靠前导序列形成不同的发荚配对，这是一种精调，因此缺失了 前导序列，色氨酸操纵子结构基因的表达就不能对色氨酸浓度的细微变化作出反应。例题 16-8：什么是严谨控制?某些抗菌素如四环素能够解除严谨控制，为什么?解:严谨反应是指当细菌处于贫瘠的环境，比如某一种氨基酸的缺乏可导致tRNA和rRNA生物合成 大幅度地降低从而降低代谢强度的现象。产生严谨反应的直接原因是空载的tRNA进入核糖体的A部位， 从而激发Rel蛋白的活性。Rel蛋白催化ppGpp或pppGpp的形成，ppGpp或pppGpp作为别构效应物改变 RNA聚合酶的构象，最终导致tRNA和rRNA合成的降低。某些抗菌素如四环素能够解除严谨反应是因为 它们能够抑制氨酰tRNA（包括空载的tRNA）进入A部位，这样Rel蛋白就不能被激活。例题 16-9：预测一下葡萄糖酵解的酶系是组成型表达的还是诱导型表达的? 解：参与葡萄糖降解的酶是细胞能量代谢所必需的，因而相关的基因应属于持家基因 （house-keeping gene）。它们的表达应该是组成型的。例题16-10：试设计一种方法定点水解某种tRNA的反密码子环。解：根据tRNA反密码子环的序列，人工合成一段与此段序列互补的寡聚脱氧核苷酸。然后，将合成 好的寡聚脱氧核苷酸与tRNA混合形成杂交分子，最后加人Rnase H水解掉与DNA杂交的RNA序列。例题16-11：假如要构建大肠杆菌内的质粒表达载体，那么哪些控制序列是必须的？ 解：作为一个表达载体，它必须要内在大肠杆菌内复制并转录目的基因，所以必须的控制序列包括大 肠杆菌DNA的复制起点序列、能被大肠杆菌RNA聚合酶识别的启动子序列，另外为了克隆基因和筛选转 化子，还需要多克隆位点和一些抗生素的抗性基因。例题 16-12：如何利用分子生物学技术获得大肠杆菌的复制起点序列?首先使用限制性内切酶将大肠杆菌染色体DNA切成小的片段，然后将这些限制性酶切片段分别克隆 到带有青霉素抗性标记的质粒载体（用限制性内切酶去除复制起点序列）中，将重组质粒转化大肠杆菌， 筛选能够在添加抗生素的培养基中存活的菌落，其中的质粒就应含有大肠杆菌的复制起点序列。例题 16-13：原核生物与真核生物基因表达调控有何不同? 解：转录水平操纵子调控模式是原核生物基因表达调控的主要方式，多细胞真核生物至今未发现操纵 子，故其调控方式不同于原核生物。真核基因表达的时间性十分明显，而且是多水平的复杂的调控，其中 以转录前和转录水平的调控较重要。转录前调控包括染色质及核小体结构的改变、基因扩增和重组等。转 录水平的调控依靠数目众多的反式作用因子（蛋白质）与RNA聚合酶和顺式元件的相互作用而实现,这种蛋 白质与蛋白质和蛋白质与 DNA 的识别和结合则依靠蛋白质分子中各种基元如锌指、亮氨酸拉链、螺旋 环螺旋基元实现的。例题 16-14：试写出一个基因可产生不同的表达产物的所有可能机制。解：主要有(1)使用不同的启动子从不同起点进行转录，(2) Pre-mRNA的选择性剪接，(3) RNA编码 序列的改变(RNA编辑)，(4)RNA编码或读码方式的改变(再编码，recoding) , (5)翻译后的选择性 加工。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-back inhibition)7、降解物基因活化蛋白( catabolite gene activation protein , CAP)8、前馈激活( feed-forward activation)9、调节子( regulon)10、互补干扰 RNA( mRNA interfering complimentary RNA, micRNA)11、RNA 干扰技术( RNA interference ,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，终产物多是它白，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彳的磷酸化使之活化，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 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1、在下面的分支代谢示意图中，Y和Z代表不同的终产物。为这个分支代谢途径提出3种可能的产 物反馈抑制模式。2、有人从大肠杆菌培养物中分离出3种营养突变型（分别用m皿2和皿表示，假定都属于单一突12s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。从皿的培养物中分 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？A天冬氨酸天冬氨酸HSD*天冬氨酸高丝氨丄* 丄* ThLyMe5、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（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（cAMP receptor protein, 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（gene s51ence）,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（五）问答与计算1、可能是顺序反馈抑制m的b酶突变；m2的a酶缺失；m3的c酶失活（A+B）反馈抑制c酶，C反馈抑制d酶；A、 制 f 酶。B、C协同反馈抑制a酶；A反馈抑制e酶，B反馈抑m1m3m5A C Je -怪His三）选择题1. b, 2. a,b,c,d 3. d4. a,b,d10. b5. d11.a6. a,b,c,d 7. a,b,c14. b,c,d15.a8. a,b,c,9. d12. a,d13. a,b,c（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4、为了保证赖氨酸高产，应当确保有足够的中间分支代谢产物天冬氨酸半醛，同时要减少另一反馈 抑制剂对AK的抑制。因此这种营养缺陷型的HSDK基因发生突变可满足上述要求。5、(a)lac 调节基因缺失的突变体不能编码有活性的阻遏蛋白，使乳糖操纵子变为组成型的。(b)lrp 调节基因的缺失使该突变体不能产生阻遏蛋白，色氨酸操纵子的表达呈组成型。6、很可能是编码降解物基因活化蛋白(CAP)的基因发生突变，无法合成有功能的CAP。7、野生型lac阻遏蛋白与操纵基因的缔合速度常数接近于扩散控制极限。因此，结合亲和力增大100 倍意味着突变的阻遏蛋白从操纵基因上的解离速度大约为野生型的1%,导致从加入诱导剂到lac操纵子开 始转录之间的滞后，在突变体中比在野生型中长得多。8、这种突变的阻遏蛋白即使不结合辅阻遏物色氨酸也有能力结合于操纵基因，因此在这种突变的细 菌中色氨酸操纵子的表达永久地被阻遏。9、ATP和柠檬酸是磷酸果糖激酶最主要的别构抑制剂。10、(1)氨甲酰磷酸是氨甲酰的供体。它的合成过程为：MH+4 HC03-十 2ATLH2N-COP+2ADP+Pi； 它在尿素循环中作为胺甲酰供体使鸟氨酸变为瓜氨酸；在嘧啶核苷酸的生物合成过程中，使天冬氨酸 胺甲酰化称为胺甲酰天冬氨酸，后者再经一些反应成为尿苷一磷酸。(2)5磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP )为磷酸核糖供体，其生物合成反应为：R-5-P+ATLPRPP+AMP它参与的反应有：ATP+PRPPfPPi+N-5-PR-ATL 组氨酸 Gln+PRPPPPi+Glu+5-P- 0 -核糖胺一 IMP 乳清酸+PRPP-PPi+乳清酸核苷酸一UMP 嘧啶或嘌吟+PRPP-PPi+嘧啶或嘌吟核苷酸11、乙酰辅基A在含碳化合物的代谢中占有重要的地位。它不仅是脂肪酸、胆固醇合成中碳原子的来 源，而且，通过了三羧酸循环，将糖代谢、脂肪代谢和氨基酸代谢彼此沟通。