第三章 酶的生物合成法生产

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IF3
mRNA
IF3
AUG ACA 5’ 3’
小亚基
蛋氨酰tRNA
给位 受位
+GTP+IF2
蛋
大亚基
UAC AUG ACA 5’ 3’GDP+Pi
蛋
IF1
UAC AUG ACA 5’ 3’
肽链合成的起始阶段
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肽链合成的延伸阶段
1.进位:氨基酰-tRNA进入受位; 2.转肽:形成肽键,在转肽酶作用下,给位与
目为wk.baidu.com～10个，亚基种类有4～6种。
10
5’
3’
有意义链
TC GAG TAC AG C T CATG C GAGUAC 5’ 3’
反意义链
RNA聚合酶
3’
PPi RNA 5’ GTP
UTP ATP UTP CTP
RNA在DNA模板上的生物合成
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原核生物的RNA聚合酶(DDRP) E. coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体 （ 2 ）
体生长的经济原则:不需要就不合成。
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色氨酸操纵子——酶的阻遏
结构基因 调节基因 操纵基因 调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA 酶蛋白
辅阻遏物
阻遏蛋白不能与操纵基因结合， 结构基因表达
代谢产物与阻遏蛋白结 合，使之构象发生变化 与操纵基因结合，结构基 因不能表达 39
酶 的 诱 导 和 阻 遏 操 纵 子 模 型
mRNA作为蛋白质合成的模板，由其分子上的三联体密 码控制蛋白质分子中氨基酸的排列顺序；rRNA与蛋白 质一起组成核糖核蛋白体（核糖体），作为蛋白质生物 合成的场所。
6
(3) 某些RNA具有生物催化活性，属于核酸类酶， 在一定条件下，可以催化有关的生化反应。 (4) 各种小分子RNA在分子修饰和代谢调节等方面
导蛋白质的合成的过程.
翻译 mRNA 各种信息 蛋白质 各种蛋白质
（核苷酸排列顺序） （氨基酸排列顺序）
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蛋白质的合成过程
（大肠杆菌）



氨基酸的活化 肽链合成的起始 肽链的延伸 肽链合成的终止与释放 蛋白质前体的加工
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氨基酸的活化与转运
反应式：
AA
+ tRNA
+ ATP
氨酰-tRNA合成酶
决定某一多肽的DNA模板，与酶有各自 的对应关系，其中的遗传信息可转录为mRNA， 再翻译为蛋白质。
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(二) 酶合成调节的类型
1.诱导 (induction)
组成酶：细胞固有的酶类。 诱导酶：是细胞为适应外来底物或其结构类似
物而临时合成的一类酶。
2.阻遏 (repression)
分解代谢物阻遏(catabolite repression) 反馈阻遏(feedback repression)
基因操纵子调节系统示意图
操纵子
控制区
调节基因 启动基因 操纵基因
信息区
结构基因 DNA
转录
RNA聚合酶 翻译
（ -） （+） 转录
mRNA 翻译
阻遏蛋白
蛋白质
诱导剂 30
调节基因(regulator gene)：
可产生一种组成型调节蛋白(regulatory protein) （一种变构蛋白），通过与效应物 (effector) （包括诱导物和辅阻遏物）的特异结合 而发生变构作用，从而改变它与操纵基因的结合力。 调节基因常位于调控区的上游。
终
UAC AUG UAA 5’ 3’
25
26
蛋白质前体的加工


N端fMet或Met的切除 二硫键的形成 特定氨基酸的修饰 切除新生肽链中的非功能片段 肽链的折叠 亚基的聚合
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二、酶生物合成的调节
定义：通过调节酶合成的量来控制微生物
代谢速度的调节机制，是在基因转录水平上
进行的。
用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。

Transcription 转录：以DNA为模板，按照碱基配
对原则将其所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA
链互补的RNA的过程。

Translation 翻译：以mRNA为模板，将mRNA的密码
解读成蛋白质的AA顺序的过程。

Reverse translation 逆转录：以RNA为模板，在
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（三）酶合成的调节机制 1. 酶合成的诱导
加进某种物质，使酶生物合成开始或加速进 行。 酶合成诱导的现象：
已知分解利用乳糖的酶有： -半乳糖苷酶； -半乳糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰 酶。
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实验：（1）大肠杆菌生长在葡萄糖培养基 上时，细胞内无上述三种酶合成； （2）大肠杆菌生长在乳糖培养基上 时，细胞内有上述三种酶合成； （3）表明菌体生物合成的经济原则： 需要时才合成。
反意义链:指导转录作用的一条DNA链 有意义链:无转录功能的一条DNA链.
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转录过程的特点
（1）转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的二 条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录
的不对称性。
反义链 antisense strand（无意义链，负链）： 在RNA的转录中，用作模板的DNA链称为反义链。
氨酰-tRNA+AMP+PPi
对于E.coli而言，肽链合成时的第一 个氨基酸都是甲酰甲硫氨酸（fMet）。
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在核糖体上合成多肽（三阶段）
1、起始阶段 2、延伸阶段 3、终止阶段
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肽链合成的起始阶段
原核生物肽链合成的起始阶段是在GTP和起始因子
（Initiation Factor）的参与下，核糖体30 S亚基，fMettRNAF ，mRNA和50 S 亚基结合，组成起始复合物的过 程。主要包括5个步骤：
意义：通过阻止酶的过量合成，节约生物
合成的原料和能量。
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（一）基因调控理论
Jacob and Monod的操纵子学说（operon theory）
操纵子——基因表达的协同单位
结构基因（编码蛋白质, structural gene, S）
操纵子
控制部位
操纵基因（operator gene, O）
启动子（promotor gene, P）
Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus …… Plant cell culture Animal cell culture
Few example
第三章 酶的生物合成与发酵生产
1
酶的生产方法
提取分离法 (Extraction)
生物合成 (Biosynthesis)
化学合成 (chemicalsynthesis)
SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea …… organ/tissue/cell
R P O S DNA
C R P -cA M P 复 合 物
C R P + cA M P
cAMP-CRP复合物的作用示意图
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操纵基因（Operater gene）:
位于启动基因和结构基因之间的一段碱 基顺序，能特异性地与调节基因产生的变构 蛋白结合，操纵酶合成的时机与速度。
结构基因（Structural gene）:
受位结合;
3.移位:核蛋白体向3’端移动一个密码子的
位置,空出受位,不断地进位、转肽、 移位,使肽链延长。
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苏 蛋
UGU UAC AUG ACA 5’ 3’ GTP GDP+Pi UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
蛋 苏
起始复合体
进位
蛋 苏
UGU AUG ACA GUU 5’ 3’ GDP+Pi
逆转录酶的作用下，生成DNA的过程。
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（一）RNA的生物合成--转录(transcription)
1.细胞内RNA的生物功能
(1) 在某些RNA病毒中，其所含的双链RNA作为遗传信息
的载体。
(2) 在蛋白质的生物合成过程中，tRNA作为氨基酸载体， 并由其上的反密码子识别mRNA分子上的密码子；
.
延长阶段 3 5 解链区到达 基因终点 5 终止阶段 5 RNA 3 5

3
3


RNA链的延伸图解
模板链（反义链） 有义链 复链 解链
3´
RNA-DNA杂交螺旋
新生RNA 聚合酶的移动方向 5´
延长部位
（二）蛋白质的生物合成--翻译(translation)
翻译: 以RNA中mRNA为模板,按照其 核苷酸顺序所组成的密码指
（1）30 S亚基与起始因子IF3 结合； （2）30 S亚基与mRNA结合，形成30 S-IF3-mRNA复合物；
（3）fMet- tRNAF 与起始因子IF2以及GTP结合，生成 fMet- tRNAF -IF2-GTP；
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（4）在起始因子IF1的参与下，fMet- tRNAF-IF2-GTP
31
启动基因（promotor gene）（启动子）：
有两个位点： （1）RNA聚合酶的结合位点 （2）cAMP-CAP的结合位点。 CAP：分解代谢产物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein），又称环腺苷酸受体蛋白(cAMP receptor protein，CRP）。 只有cAMP-CRP复合物结合到启动子的位点上，RNA 聚合酶才能结合到其在启动子的位点上，酶的合成才 能开始。
与30 S-IF3-mRNA结合生成30 S起始复合物。在此
30 S起始复合物中，fMet- tRNAF上的反密码子正好 与mRNA上的起始密码子AUG结合；
（5）50 S亚基与上述30 S起始复合物结合，形成完整的
70 S核糖体。同时放出IF1，IF2，IF3 ，并使GTP水 解生成GDP和Pi。在此70 S核糖体形成时，fMettRNAF 位于70 S核糖体的“P”位（肽酰基位），而 它的“A”位（氨酰基位）是空位。
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A、乳糖操纵子的结构
诱 导 作 用
调节 基因 R
启 动 操纵 子 基因
P O LacZ
乳糖结构基因
LacY Laca
mRNA
基
阻遏蛋白 （有活性）
因
关
闭
B、乳糖酶的诱导
调节 基因
R mRNA
启 动 操纵 子 基因 P O
乳糖结构基因 LacZ LacY Laca
mRNAZ 乳糖 阻遏蛋白 （无活性） 阻遏蛋白 （有活性）
蛋 苏
Mg+ K+
移位
GTP
UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
转肽
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肽链合成的终止阶段
1.出现终止密码并与终止因子结合; 2.肽键水解,多肽释放; 3.tRNA,mRNA,大小亚基解离.
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终 终
UAC AUG UAA 5’ 3’
UAC AUG UAA 5’ 3’
肽链
终
5’ 3’ UAC
有义链 coding strand（编码链，正链）：在
RNA的转录中，不作为模板的DNA链称为有义链。
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（2）转录所需酶：依赖DNA的RNA聚合酶又称为转 录酶，是以DNA为模板的一类RNA聚合酶。在原
核生物和真核生物中，转录酶有所不同。原核
生物的转录酶比较简单，由1种RNA聚合酶催化 所有RNA的生物合成。而在真核生物中RNA聚合 酶有3种，分别为RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和 RNA聚合酶Ⅲ，它们都属于寡聚酶，酶的亚基数
起始因子
σ
全 酶 （ h o lo e n z y m e ）
核 心 酶 （ core en zy m e）
β ' α β
σ
β ' α α β
12
α
RNA合成过程
起始 双链DNA 局部解开 磷酸二酯 键形成
启动子（promotor)
RNA聚合酶
终止子 (terminator)



55
离开
有重要作用。
2.转录：
以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在RNA聚合 酶（转录酶）的作用下，生成RNA分子的过程。
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转录模板
模板链（template strand） 反意义链(antisense strand)
启动子（promotor) 终止子(terminator)
3´ 5´
5´ 3´
DNA
编码链 (coding strand) 有意义链(sense strand)
mRNAY
mRNAa
基 因 表 达
2.产物阻遏（反馈阻遏）
由某代谢途径末端产物的过量累积引起的阻遏。 酶合成阻遏的现象： 实验： （1）大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时， 检测到细 胞内有色氨酸合成酶的存在； （2）在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成 酶的活性降低，直至消失。 （3）表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌
核糖核酸酶
2
本章内容


第一节
第二节 第四节
酶生物合成及调节
酶发酵动力学 动、植物细胞培养产酶


第三节 微生物发酵产酶
3
第一节 酶生物合成及调节 一、酶的生物合成
遗 传 信 息 传 递 的 中 心 法 则
Reverse transcription
4

Replication 复制：亲代DNA或RNA在一系列酶的作