酶的生物合成调节理论

提取分离法和生物合成法比较


生物合成法 优点:生产周期短，酶的产率高，不受生 物资源，地理环境，气候条件限制
缺点：对生产设备和工艺条件要求高， 投入成本高

化学合成法


前提：知道酶的一级结构和高级结构 要求高纯度，合成成本高，高级构象难 以实现，酶的活性低，未实现工业化 主要应用：可用于对酶活性中心的研究， 对酶的模拟，对酶的化学修饰方面研究。


酪
5’
酪氨酰- tRNA
5’
AUG GUU UAC ACA
反密码
3’ mRNA
密码与反密码的碱基配对
给位 (P位) 大亚基
5’
蛋 苏
UGU AUG ACA GUU
受位 (A位)
小亚基
3’
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
起始因子
全酶（holoenzyme）
β' α
σ
核心酶（core enzyme）
σ
α α
β' α β
β
1、启动子 （双链） 2、转录因子
RNA聚合酶全酶识别、结合、开始转录的DNA序列
RNA聚合酶起始转录所需要的辅助因子（蛋白质）
1 转录的起始


全酶因子和启动子结合识别；
转录的起点：合成RNA中第一个核苷酸 所对应DNA模板上的位点；


RNA聚合酶在模板上移动，遇到终止子， RNA聚合酶，合成RNA链和模板DNA分 离，合成终止 和终止子和终止因子有关
RNA合成过程
起始 双链DNA 局部解开 磷酸二酯 键形成
启动子（ RNA聚合酶 promotor)
终止子 (terminator)



55
离开
延长阶段 3 5 解链区到达 基因终点 5 终止阶段 5 RNA 3 5
CRP-cAMP 复合物
CRP+cAMP
cAMP-CRP复合物的作用示意图
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。
定义 以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖 体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合 成多肽链的过程。
遗传信息传递的中心法则
转 录 复制 传 DNA 递 转录 给 R N 逆转录 A 蛋白质 RNA ， 翻译 再 复制 由 R N
遗传密码子

定义 特点： 简并性；通用性；密码子和反密码子相 互作用 密码子表，见P24 表2-3
第一节 RNA的生物合成--转录


机体内RNA的种类包括： 双链RNA 催化活性RNA 转移RNA（tRNA） 信使RNA（mRNA） 核糖体RNA（rRNA） 小分子核糖体RNA（sRNA）
不同RNA的生物学功能


1）双链RNA可作为遗传信息载体 2）tRNA携带氨基酸，并由其上反密码 子识别mRNA上密码子 3）mRNA蛋白质合成的模板，三联密码 子控制蛋白质中AA顺序 4）rRNA和蛋白质组成核糖体，作为蛋 白质合成场所 5）催化RNA作为核酸类酶，催化作用 6）sRNA在代谢调节，分子修饰起重要 作用
蛋氨酰tRNA
给位 受位
GTP
蛋
大亚基
UAC AUG ACA 5’ 3’GDP+Pi
蛋
UAC AUG ACA 5’ 3’
肽链合成的起始阶段
肽链合成的延伸阶段
1.进位:氨基酰-tRNA进入受位（A位）; 2.转肽:形成肽键,在转肽酶作用下,给位（P
位）与受位（A位）结合;
3.移位:核蛋白体向3’端移动一个密码子的

提取分离法考虑因素


1）目标酶的特性和理化性质 2）酶和杂质的性质差别 3）酶的使用目的和要求 4）分离成本（技术可行性和资金成本） 5）环境因素
生物合成法
使用细胞种类分：

微生物发酵产酶—酶的发酵法
植物细胞培养产酶 动物细胞培养产酶


按照细胞的培养方式


液体深层培养发酵 固体培养发酵 固定化细胞发酵 固定化原生质体发酵
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。 P S DNA O R
真核细胞RNA聚合酶
在DEAE-Sephadex柱上的洗脱次序称为酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
没有对应于σ因子的成分，需要转录因子参与
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 ´ ´ DNA
编码链 (coding strand) 有意义链(sense strand)
β' α
σ
核心酶（core enzyme）
σ
α α
β' α β
β
全酶= α2ββ’(ω)σ 核心酶= α2ββ’ σ — 开始合成RNA链时必需有σ因子， 一旦合成开始即释放出来 β’— 参与酶与底物的结合， 以及与σ因子和核心 酶的结合 β — 参与σ因子和核心酶的结合， 并参与RNA合成的引发、 延伸 α — 与结合模板、酶的滑动及碱基识别有关
第一篇

酶的生产
主要包括： 酶生物合成的基本理论
酶的生产方法 酶的分离纯化工艺


酶的生产方法
提取分离法 微生物细胞发酵产酶
酶的生产方法
生物合成法
化学合成法
植物细胞发酵产酶
动物细胞发酵产酶
提取分离法

酶的提取（盐溶液，酸溶液，碱溶液， 有机溶液提取）
酶的分离纯化：用现代生化分离技术将 酶和杂质分离（离心、过滤、萃取、层 析、电泳、浓缩结晶、干燥）
位置,空出受位,不断地进位、转肽、 移位,使肽链延长。
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
蛋 苏
Mg+ K+
移位
GTP
UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
5´ 3´
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.
模板链：
反意义链（antisense strand，(-)链） —— 以该链中的DNA碱基顺序指导RNA的合成 即被转录的那条DNA链。
编码链：
有意义链（sense strand ，（+）链） ——不被转录的那条DNA链，但其碱基顺序除T 代替U外，其余与mRNA相同。


RNA前体的末端切去一定大小RNA片段， 得到成熟RNA的过程 剪切方式： 5’端外切； 3’端外切； 两端同时切 涉及到酶：核酸酶类（自我剪切酶，RNA 剪切酶）； 3’， 5’内外切核酸酶
剪接反应

是指将RNA前体中的间插序列切除，并 把两端外显子连接起来，形成成熟RNA
真核生物的RNA加工，多涉及内含子的 切除，外显子的链接 涉及酶：自我剪接酶；内切核酸酶， RNA链接酶

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
4RNA前体的加工


转录后得到RNA前体 RNA前体经加工修饰成熟RNA RNA前体加工的类型: 剪切反应；剪接反应；末端连接反应； 核苷修饰反应
剪切反应
肽链合成的起始阶段
1.mRNA与小亚基结合：形成30S-mRNA-IF3复合物
2.AUG与蛋氨酰-tRNA结合：
30S-mRNA-IF3
fMet-tRNA-IF2-GTP
IF1
30S起始复合物
fMet-tRNA正好位于mRNA的起始密码子上（AUG）。
3.大小亚基结合
mRNA
小亚基
AUG ACA 5’ 3’
氨基酸的活化与转运
反应式：
AA
+ tRNA
+ ATP
氨酰-tRNA合成酶
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）。 真核生物，肽链合成时的第一个氨基 酸都是甲硫氨酸（Met）。
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


（一）基因调控理论
1966Jacob
theory）
and Monod的操纵子学说（operon
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） 调节基因


末端连接反应


在RNA分子的5’末端和3’末端连接上 特定的寡核苷酸，形成成熟RNA tRNA 3’末端连接-CCA-OH结构，便于接 受AA mRNA 5’末端的帽子结构； 3’末端的 PolyA结构
核苷修饰反应


成熟RNA中一些特殊碱基 甲基化 糖基化
第二节 蛋白质的生物合成-翻译(translation)
第二章
酶生物合成的基本理论
提取分离法 微生物细胞发酵产酶
酶的生产方法
生物合成法
化学合成法
植物细胞发酵产酶
动物细胞发酵产酶
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
转 录 复制 传 DNA 递 转录 给 R N 逆转录 A 蛋白质 RNA ， 翻译 再 复制 由 R N

生成的RNA或多肽链经过加工组装而生 成具有完整空间结构的酶分子
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
RNA的转录过程(三步)
1.起始 2.延长 3.终止
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 ）
转录起始阶段的主要过程： 1）全酶形成；2）酶和模板结合形成复合物；3）酶和启 动基因结合；4）模板DNA局部变性；5）转录开始
2RNA链的延伸

RNA聚合酶变化-全酶转变为核心酶 核心酶沿着模板移动，DNA双链解开
逐个加入核苷三磷酸（NTP） RNA链延伸方向5’--- 3’



3RNA链合成的终止
第三节 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。
意义：通过阻止酶的过量合成，节约生物
合成的原料和能量。

生物体内酶的量随环境变化处于动态变 化中 生物体内酶分为：（组成酶，调节酶） 生物体新陈代谢有条不紊进行，由于酶 的合成受到调节 酶的生物合成调节控制包括：（转录水 平，转录产物加工水平，翻译水平，翻 译产物加工水平，酶降解调节
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
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。
转肽
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.
终 终
UAC AUG UAA 5’ 3’
UAC AUG UAA 5’ 3’
肽链
终
5’ 3’ UAC
终
UAC AUG UAA 5’ 3’
蛋白质前体的加工
蛋白质的加工修饰包括： N端甲酰甲硫氨酸或甲硫氨酸的切除 二硫键的形成和重排 肽链的剪切（信号肽切除） 氨基酸侧链的修饰（磷酸化，甲基化，糖基化） 肽链的折叠（分子伴侣，蛋白质折叠酶） 亚基的聚合
（一）RNA的生物合成--转录(transcription)
定义
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。
.
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 ）
起始因子
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全酶（holoenzyme）