1、第一节 概述v微生物的新陈代谢包括微生物的新陈代谢包括分解代谢分解代谢和和合成代谢合成代谢，其中，其中又包含着物质代谢和能量代谢。分解代谢和合成代又包含着物质代谢和能量代谢。分解代谢和合成代谢相辅相成、协调统一。通过细胞内一整套谢相辅相成、协调统一。通过细胞内一整套可塑性可塑性极强、极精确的代谢调节系统极强、极精确的代谢调节系统，保证上千种酶准确，保证上千种酶准确无误、无误、有条不紊有条不紊地进行极其复杂的生化反应。这种地进行极其复杂的生化反应。这种极其灵敏的自我控制能力和对环境的适应能力，使极其灵敏的自我控制能力和对环境的适应能力，使胞内物质代谢具有相对的稳定性，胞内物质代谢具有相对的稳定性
2、，既不过量，又不既不过量，又不缺乏缺乏。而代谢控制育种的目的恰恰与细胞本身的意。而代谢控制育种的目的恰恰与细胞本身的意愿相反，要获得愿相反，要获得代谢调节机制不完善的代谢调节机制不完善的高产高产菌株。菌株。v据代谢产物在机体内的作用不同，代谢分为初级代据代谢产物在机体内的作用不同，代谢分为初级代谢与次级代谢两种类型。谢与次级代谢两种类型。一、初级代谢产物和初级代谢v初级代谢产生对自身生长和繁殖初级代谢产生对自身生长和繁殖必需必需的物质，的物质，分为：分为：分解代谢体系分解代谢体系（包括糖、脂、蛋白质（包括糖、脂、蛋白质等物质的降解，获得能量，并产生等物质的降解，获得能量，并产生5-5-磷酸核磷
3、酸核糖、丙酮酸等整个代谢体系的中间产物）、糖、丙酮酸等整个代谢体系的中间产物）、素材性生物合成体系素材性生物合成体系（合成氨基酸、核苷酸（合成氨基酸、核苷酸等小分子材料）、等小分子材料）、结构性生物合成体系结构性生物合成体系（用（用小分子合成装配蛋白质、核酸、多糖、类脂小分子合成装配蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子）。等大分子）。二、次级代谢和次级代谢产物二、次级代谢和次级代谢产物v1 1、概念、概念 v 次级代谢产物是次级代谢产物是生物体本身不需要生物体本身不需要的产物。以的产物。以初级代谢产物为初级代谢产物为前体前体，合成次级产物的代谢体系，合成次级产物的代谢体系，称为次级代谢。生物次生代
4、谢产物包括：称为次级代谢。生物次生代谢产物包括：生物碱类生物碱类，2000020000多种；多种；抗生素抗生素，5000050000多种；多种；多酮类多酮类，指黄酮，指黄酮类化合物；类化合物；多酚类多酚类，芳香族化合物，芳香族化合物，1000010000多种，多种，很多具毒性，又具浓烈芳香味，主要为香料；很多具毒性，又具浓烈芳香味，主要为香料；萜类萜类，大部分为色素，分子量一般较大；大部分为色素，分子量一般较大；毒素类毒素类，几千种，几千种，分子结构复杂；分子结构复杂；聚多糖类聚多糖类，木质素、纤维素、几丁，木质素、纤维素、几丁质等。次生代谢产物具有多样性，反映了生物的多质等。次生代谢产物具有
5、多样性，反映了生物的多样性样性。v2 2、次级代谢的特征、次级代谢的特征v(1)(1)生产菌的生产菌的生长结束之后生长结束之后才出现很多次级才出现很多次级代谢产物的生物合成。产生次级代谢产物的代谢产物的生物合成。产生次级代谢产物的生产菌的生命活动可以分为两个时期，即生产菌的生命活动可以分为两个时期，即营营养生长期养生长期和和次级代谢产物形成期次级代谢产物形成期。次级代谢。次级代谢产物的合成过程一般是在培养液中缺乏某种产物的合成过程一般是在培养液中缺乏某种营养物质，营养物质，菌体的生长受到限制菌体的生长受到限制时被启动的。时被启动的。v（2 2）微生物由菌体生长期向次级代谢产物形成期）微生物由菌
6、体生长期向次级代谢产物形成期转变转变时，在时，在形态学上和生理学上会发生一些变化形态学上和生理学上会发生一些变化。如一些产芽孢细菌此时会形成芽孢，真菌和放线菌如一些产芽孢细菌此时会形成芽孢，真菌和放线菌会形成孢子，菌体的生长速率、分枝状况和球菌的会形成孢子，菌体的生长速率、分枝状况和球菌的大小，都是获得次级代谢产物高产的重要因素。因大小，都是获得次级代谢产物高产的重要因素。因此有人把次级代谢产物的合成作用看作是细胞分化此有人把次级代谢产物的合成作用看作是细胞分化的伴随现象。的伴随现象。v(3)(3)一种微生物的不同菌株能够产生一种微生物的不同菌株能够产生多种多种在分子结在分子结构上完全构上完全
7、不同不同的次级代谢产物。如灰色链霉菌不仅的次级代谢产物。如灰色链霉菌不仅产生链霉素，而且还可以用来生产柱晶白霉素、吲产生链霉素，而且还可以用来生产柱晶白霉素、吲哚霉素、灰霉素和灰绿霉素等。同样，哚霉素、灰霉素和灰绿霉素等。同样，不同种类不同种类的的微生物亦能够产生微生物亦能够产生同一种同一种次级代谢产物。如能产生次级代谢产物。如能产生青霉素的微生物包括有点青霉、产黄青霉、土曲霉、青霉素的微生物包括有点青霉、产黄青霉、土曲霉、构巢曲霉、发癣霉属的一些真菌以及某些链霉菌等。构巢曲霉、发癣霉属的一些真菌以及某些链霉菌等。v（4 4）一种微生物的次级代谢产物多是）一种微生物的次级代谢产物多是一群具有相
8、一群具有相似结构的化合物似结构的化合物。这使工业上获得次级代谢产物的。这使工业上获得次级代谢产物的分离提纯工作比初级代谢产物要分离提纯工作比初级代谢产物要困难困难得多。导致产得多。导致产生多组分产物的主要原因是由于参与次级代谢产物生多组分产物的主要原因是由于参与次级代谢产物合成的酶对底物的合成的酶对底物的特异性特异性不强，这种特异性既可受不强，这种特异性既可受到内部因素的控制，也可受到外部环境的影响。因到内部因素的控制，也可受到外部环境的影响。因此，在工业生产上可通过菌种选育和发酵控制来得此，在工业生产上可通过菌种选育和发酵控制来得到到更多的目的产物更多的目的产物。v（5 5）微生物的次级代谢
9、产物的合成过程是一类由）微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因控制多基因控制的代谢过程。这些基因不仅位于微生物的代谢过程。这些基因不仅位于微生物的染色体中，而且也位于的染色体中，而且也位于核外的遗传物质核外的遗传物质(如质粒如质粒等等)中，且在某些次级代谢产物的合成中往往起主中，且在某些次级代谢产物的合成中往往起主导作用。另外，染色体外物质可出于外界环境的影导作用。另外，染色体外物质可出于外界环境的影响从细胞中失去，从而造成微生物次级代谢产物的响从细胞中失去，从而造成微生物次级代谢产物的不稳定性不稳定性。3 3、微生物次级代谢的作用、微生物次级代谢的作用v尽管微生物的次级代谢对于其本身的
10、维持和尽管微生物的次级代谢对于其本身的维持和生长生长并非是必需并非是必需的，但从的，但从生物进化论生物进化论角度来角度来看，生物在长期进化过程中形成的任何一种看，生物在长期进化过程中形成的任何一种特性对生物本身都是特性对生物本身都是有益有益的。只是次级代谢的。只是次级代谢作用在微生物的生命活动中仅占次要的地位，作用在微生物的生命活动中仅占次要的地位，因而所受的因而所受的选择压力较小选择压力较小，便造成了次级代，便造成了次级代谢作用的谢作用的多样性多样性和和复杂性复杂性。就目前的研究表。就目前的研究表明，微生物次级代谢的作用有以下几个方面：明，微生物次级代谢的作用有以下几个方面：v（1 1）一些
11、次级代谢产物具有）一些次级代谢产物具有富集营养物质富集营养物质的作用。如大肠的作用。如大肠杆菌等肠道细菌在缺乏铁离子的环境下，会产生一种肠道杆菌等肠道细菌在缺乏铁离子的环境下，会产生一种肠道杆菌素的次级代谢产物，其与铁离子形成一种络合物，把杆菌素的次级代谢产物，其与铁离子形成一种络合物，把微量铁离子富集起来，便于细胞吸收利用。微量铁离子富集起来，便于细胞吸收利用。v（2 2）次级代谢的启动有助于）次级代谢的启动有助于清除清除不平衡生长时积累的不平衡生长时积累的有害有害的低分子量的的低分子量的中间代谢产物中间代谢产物，使微生物的生命延续下去。，使微生物的生命延续下去。v（3 3）一些动植物的病原
12、微生物能够产生一些对寄主细胞）一些动植物的病原微生物能够产生一些对寄主细胞有有毒毒的次级代谢物，以利于它们进一步的次级代谢物，以利于它们进一步侵入寄主侵入寄主。如水稻叶。如水稻叶枯菌产生的四元环类萜化合物蛇孢菌素、苏云金杆菌产生枯菌产生的四元环类萜化合物蛇孢菌素、苏云金杆菌产生的核苷酸类外毒素就是具有这种作用的次级代谢产物。的核苷酸类外毒素就是具有这种作用的次级代谢产物。v（4 4）有些次级代谢产物对产生菌本身起着）有些次级代谢产物对产生菌本身起着生物调节剂生物调节剂作用。作用。v（5 5）应该指出的是，对于大多数微生物产生次级代谢产物）应该指出的是，对于大多数微生物产生次级代谢产物的的作用是
13、不清楚作用是不清楚的，还有待于进一步研究。的，还有待于进一步研究。4 4、次级代谢途径、次级代谢途径v 次级代谢过程都是在初级代谢作用次级代谢过程都是在初级代谢作用提供前体提供前体的基础的基础上进行转化的代谢过程。因此，人们可以根据次级上进行转化的代谢过程。因此，人们可以根据次级代谢产物分子中的主要构成与初级代谢的关系，把代谢产物分子中的主要构成与初级代谢的关系，把次级代谢分为五种基本的类型：次级代谢分为五种基本的类型：v(1)(1)糖类衍生物代谢途径糖类衍生物代谢途径v许多次级代谢产物在结构上明显地与糖类物质有关，许多次级代谢产物在结构上明显地与糖类物质有关，它们的它们的前体是葡萄糖前体是葡
14、萄糖，但是它们的结构在次级代谢，但是它们的结构在次级代谢过程中被修饰和改变了。由这类代谢途径生物合成过程中被修饰和改变了。由这类代谢途径生物合成的次级代谢产物包括链霉素、新霉素和卡那霉素等的次级代谢产物包括链霉素、新霉素和卡那霉素等氨基环醇类抗生素。氨基环醇类抗生素。卡那霉素v(2)(2)多肽类衍生物代谢途径多肽类衍生物代谢途径v与糖类物质一样，氨基酸或多肽在其次级代谢过程中，常常与糖类物质一样，氨基酸或多肽在其次级代谢过程中，常常被修饰改变成多肽类次级代谢产物。如青霉素的母核就是在被修饰改变成多肽类次级代谢产物。如青霉素的母核就是在氨基己二酸、氨基己二酸、cyscys和和valval结合而成
15、的异青霉素结合而成的异青霉素N N的基础上，经的基础上，经过衍生而成的过衍生而成的-内酰胺类化合物。在多肽类次级代谢产物内酰胺类化合物。在多肽类次级代谢产物中，还包括那些芳香族氨基酸或其他氨基酸的合成途径中的中，还包括那些芳香族氨基酸或其他氨基酸的合成途径中的中间产物被修饰改变后形成的次级代谢产物。中间产物被修饰改变后形成的次级代谢产物。v(3)(3)聚乙酰和类异戊二烯合成途径聚乙酰和类异戊二烯合成途径v通过通过聚乙酰途径聚乙酰途径产生的各种不同链长的聚乙酰中间产生的各种不同链长的聚乙酰中间产物，再经过环化芳香化和其他形式的化学修饰后，产物，再经过环化芳香化和其他形式的化学修饰后，就会形成大量
16、的次级代谢产物。四环类、大环内酯就会形成大量的次级代谢产物。四环类、大环内酯类、蒽环类、利福霉素类和聚醚类等抗生素都是经类、蒽环类、利福霉素类和聚醚类等抗生素都是经过聚乙酰途径生物合成的。聚乙酰的不同结构来自过聚乙酰途径生物合成的。聚乙酰的不同结构来自多聚多聚-酮链。它最初是由酮链。它最初是由C2C2化合物乙酸借助于乙化合物乙酸借助于乙酰辅酶酰辅酶A A羧化酶的作用合成丙二酰衍生的。然后通羧化酶的作用合成丙二酰衍生的。然后通过头尾的反复缩合、环化以及脱羧作用等形成了各过头尾的反复缩合、环化以及脱羧作用等形成了各种生物合成所需要的物质。种生物合成所需要的物质。v经经类异戊二烯途径类异戊二烯途径生
17、物合成的次级代谢产物包括广生物合成的次级代谢产物包括广泛分布于植物、动物和真菌中的萜类、甾类和类胡泛分布于植物、动物和真菌中的萜类、甾类和类胡萝卜素等。如由放线菌产生的萝卜素等。如由放线菌产生的GeosminGeosmin和水稻恶苗和水稻恶苗病菌产生的赤霉素等。病菌产生的赤霉素等。v(4)(4)与核苷合成有关的途径与核苷合成有关的途径v这类次级代谢产物或是由细胞中现成的这类次级代谢产物或是由细胞中现成的核苷核苷酸酸经化学经化学修饰修饰转变而来，或是通过与核苷酸转变而来，或是通过与核苷酸生物合成相似的过程合成而来。属于这一类生物合成相似的过程合成而来。属于这一类的次级代谢产物有：由玫瑰色萤光假单
18、胞杆的次级代谢产物有：由玫瑰色萤光假单胞杆菌产生的菌产生的6-6-氨基嘌呤氨基嘌呤、由焦土链霉菌产生的、由焦土链霉菌产生的焦土霉素，以及由间型诺卡氏菌产生的间型焦土霉素，以及由间型诺卡氏菌产生的间型霉素等。霉素等。(5)(5)其他类型的代谢途径其他类型的代谢途径 很多微生物的次级代谢产物的生物合成途径很难很多微生物的次级代谢产物的生物合成途径很难以上述四种类型归类。有些次级代谢产物的生物合成以上述四种类型归类。有些次级代谢产物的生物合成途径是同时按两条或两条以上的途径进行，最后通过途径是同时按两条或两条以上的途径进行，最后通过组装而成的。如糖肽类、糖脂类、大环内酯类抗生素组装而成的。如糖肽类、
19、糖脂类、大环内酯类抗生素等次级代谢产物都属于这种类型。等次级代谢产物都属于这种类型。v从生化代谢角度来看，所有微生物的次级从生化代谢角度来看，所有微生物的次级代谢产物都是以初级代谢产物为母体衍生代谢产物都是以初级代谢产物为母体衍生出来的。因此，微生物的初级代谢和次级出来的。因此，微生物的初级代谢和次级代谢是相互联系的，而那些在微生物代谢代谢是相互联系的，而那些在微生物代谢过程中既可用来合成初级代谢产物，又可过程中既可用来合成初级代谢产物，又可用来合成次级代谢产物的化合物被称之为用来合成次级代谢产物的化合物被称之为分叉中间体分叉中间体（见下表）。（见下表）。三、微生物初级代谢和次级代谢的关系三、
20、微生物初级代谢和次级代谢的关系生金色生金色链霉菌链霉菌龟裂链龟裂链霉菌霉菌红霉素红霉素链霉菌链霉菌诺尔斯诺尔斯氏链霉氏链霉菌菌灰色灰色链霉链霉菌菌白色链白色链霉菌霉菌金霉素金霉素土霉素土霉素红霉素红霉素制霉菌制霉菌素素克念克念菌素菌素盐霉素盐霉素异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶H果糖果糖-双磷酸醛缩酶双磷酸醛缩酶H乙酰乙酰-CoA羧化酶羧化酶HH甲基丙二酰甲基丙二酰CoA转羧酶转羧酶H磷酸烯醇丙酮酸羧化酶磷酸烯醇丙酮酸羧化酶HH丙酸激酶丙酸激酶H丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶H磷酸酶磷酸酶H磷酸二酯酶磷酸二酯酶H蛋白酶蛋白酶H腺苷二磷酸酶腺苷二磷酸酶H脂肪酶脂肪酶H菌种酶活酶产物高产变种中初级代谢途径的
21、某些酶活高产变种中初级代谢途径的某些酶活v从遗传代谢角度来看，初级代谢与次级代谢同样都从遗传代谢角度来看，初级代谢与次级代谢同样都受到核内受到核内DNADNA的调节控制。所不同的是已有证据表的调节控制。所不同的是已有证据表明，少数次级代谢产物明，少数次级代谢产物(如次甲霉素如次甲霉素)还受到核外遗还受到核外遗传物质质粒等的控制。传物质质粒等的控制。v微生物的次级代谢作用是在微生物的次级代谢作用是在亚活性期亚活性期进行的，且它进行的，且它与初级代谢中能量的关系不大。可能与下面几点有与初级代谢中能量的关系不大。可能与下面几点有关：关：v(1)(1)通过活性期末期产生的通过活性期末期产生的诱导物诱导
22、物或在实验室中加或在实验室中加进诱导物使亚活性期基因解除阻遏而产生次级代谢，进诱导物使亚活性期基因解除阻遏而产生次级代谢，v(2)(2)在活性期，在活性期，RNARNA聚合酶可能只转录活性期基因，聚合酶可能只转录活性期基因，而在亚活性期中的操纵子中的启动基因在活性期中而在亚活性期中的操纵子中的启动基因在活性期中是被阻遏的。是被阻遏的。v(3)(3)在活性期产生了在活性期产生了一些初级代谢产物一些初级代谢产物如乙酰辅酶如乙酰辅酶A A和丙二酰辅酶和丙二酰辅酶A A，开始浓度很低，但由于，开始浓度很低，但由于不断积累不断积累，到了亚活性阶段就能诱导出某些酶。到了亚活性阶段就能诱导出某些酶。第二节第
23、二节 初级代谢的调节初级代谢的调节v一、酶合成的调节（在转录水平上进行）一、酶合成的调节（在转录水平上进行）v又称酶量的调节。包含：又称酶量的调节。包含：v基因（酶的基因）被转录成多少基因（酶的基因）被转录成多少mRNAmRNA的的转录水平转录水平的调节。的调节。v转录后转录后mRNAmRNA转译出多少蛋白（酶）的过程。转译出多少蛋白（酶）的过程。基因表达调控在两个水平上体现：基因表达调控在两个水平上体现：(1)(1)转录水平上的调控转录水平上的调控(transcriptional regulation);(transcriptional regulation);(2)(2)转录后水平上的调控
24、转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation);(post-transcriptional regulation);v1 1酶合成的诱导调节酶合成的诱导调节v不受底物影响能够合成的酶称为不受底物影响能够合成的酶称为组成酶组成酶（如（如把葡萄糖转化为丙酮酸的那些糖酵解酶把葡萄糖转化为丙酮酸的那些糖酵解酶)；而；而那些只有在其底物或结构类似物存在于培养那些只有在其底物或结构类似物存在于培养基时才能被合成的酶称为基时才能被合成的酶称为诱导酶诱导酶。能够诱导。能够诱导酶合成的结构类似物称为酶合成的结构类似物称为诱导物诱导物。诱导作用。诱导作用可保证能量和氨基酸不浪
25、费，不把它们用于可保证能量和氨基酸不浪费，不把它们用于合成暂时无用的酶；只有合成暂时无用的酶；只有在需要时在需要时，细胞迅，细胞迅速合成这些酶。根据酶合成的诱导调节机制速合成这些酶。根据酶合成的诱导调节机制可将其分为可将其分为负向控制负向控制和和正向控制正向控制两种。两种。v操纵子：操纵子：原核生物细胞中原核生物细胞中,功能相关的基因组功能相关的基因组成操纵子结构成操纵子结构,由操纵区与一个或几个结构基由操纵区与一个或几个结构基因联合起来因联合起来,形成一个结构上、功能上协同作形成一个结构上、功能上协同作用的整体用的整体,受统一调节基因和启动区的调控。受统一调节基因和启动区的调控。v调节基因：
26、调节基因：可产生阻遏物或激活物蛋白调节可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区，从而控制结构基因的功能。操纵区，从而控制结构基因的功能。根据调控机制的不同可分为根据调控机制的不同可分为负转录调控负转录调控(negative(negative transcription regulation)transcription regulation)和和正转录调控正转录调控(Positive(Positive transcription regulation)transcription regulation)。负转录调控系统负转录调控系统在负转录调控系统中，调节基因的产物是在负转录调控系统中，调节基因的产物是
27、阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位是操阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。纵区。它与操纵区结合，转录受阻。负控诱导系统负控诱导系统诱导物不存在时，阻遏蛋白与操诱导物不存在时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录；诱导物存在时，阻纵区相结合，结构基因不转录；诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物相结合，阻遏蛋白与操纵区分离，遏蛋白与诱导物相结合，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。结构基因转录。负控阻遏系统负控阻遏系统当阻遏蛋白与效应物结合时，结当阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。构基因不转录。正转录调控系统正转录
28、调控系统在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白白(activator)(activator)，激活蛋白结合后，激活蛋白结合后，RNARNA聚合酶与聚合酶与DNADNA的启动子结合，转录才会进行。的启动子结合，转录才会进行。在在正控诱导系统正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。于活性状态，转录进行。在在正控阻遏系统正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。白处于非活性状态，转录不进行。（1 1）乳糖操纵子）乳糖操纵子-负控诱导系统负控诱导系统
29、v大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。的碳源时才会被合成。v大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)(lactose operon)包括包括3 3个结构基因个结构基因:Z:Z、Y Y和和A A。这三个结构基因。这三个结构基因被同一个转录单元被同一个转录单元lacZYAlacZYA所编码，它有所编码，它有一个启动子一个启动子PlacPlac。乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子多顺反子的的mRNAmRNA一
30、起表达的。一起表达的。lacZYAlacZYA转录单元含有一个操纵区转录单元含有一个操纵区O Olaclac，它位于，它位于P Placlac启动子启动子55端的端的-5-5至至+21+21之间。当阻遏蛋白结合到操之间。当阻遏蛋白结合到操纵区时，便成为转录的强抑制物。纵区时，便成为转录的强抑制物。阻遏蛋白被一个独立的调节基因阻遏蛋白被一个独立的调节基因lac lac I I所编码，所编码，lac Ilac I也是乳糖操纵子的一部分也是乳糖操纵子的一部分;lac I;lac I位于位于P Placlac的上游。的上游。乳糖操纵子的编码产物乳糖操纵子的编码产物vlacZ编码编码-半乳糖苷酶，它可以
31、将乳糖水解为半乳糖半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。和葡萄糖。vlacY编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁。的细胞壁。vlacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。阻遏蛋白阻遏蛋白螺旋转角螺旋（螺旋转角螺旋（helix-turn-helix，HTH），一端是由氨），一端是由氨基酸形成的基酸形成的螺旋，又称为螺旋，又称为识别螺旋；识别螺旋；“转角转角”由由3个氨基酸个氨基酸组成；第二个组成；第二个螺旋螺旋以疏水相互作用稳定第一个螺旋。结合蛋白以疏水相互作用稳定第一个螺旋。结合蛋白与与DNA作用力：氢键、范德
32、华力等非共价作用。作用力：氢键、范德华力等非共价作用。实例：大肠杆菌的实例：大肠杆菌的Lac、Trp阻遏蛋白。阻遏蛋白。操纵序列存在反向重复对称，正好与由四个相同亚基组成的操纵序列存在反向重复对称，正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白的内部对称相匹配。阻遏蛋白的内部对称相匹配。当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位点，当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位点，RNA聚合酶不能与启动子结合。乳糖阻抑物阻碍了几乎全部聚合酶不能与启动子结合。乳糖阻抑物阻碍了几乎全部的的lacZYA的转录而使之保持很低的转录水平。的转录而使之保持很低的转录水平。乳糖操纵子诱导表达的机理乳糖操纵子诱导表达的机
33、理v将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，酶使它能吸收乳糖，-半乳糖苷酶则催化一些乳糖半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。转化为异乳糖。v异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上。从而引起阻遏蛋异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上。从而引起阻遏蛋白四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖操纵序列的亲和力，白四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖操纵序列的亲和力，阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来，聚合酶阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来，聚合酶 迅速开始迅速开始lacZYA基因的转录。基因的转录。因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基因此，加入乳糖或合成
34、诱导物如异丙基-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵子结构基因的转录。能非常迅速地刺激乳糖操纵子结构基因的转录。调节调节基因基因操纵区操纵区乳糖结构基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启动子启动子ORPLacZLacYLacA调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子OR 阻遏蛋白阻遏蛋白（无活性）（无活性）基基 因因 表表达达mRNAA、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 异乳糖异乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）mRNAZmR
35、NAYmRNAA图911 乳糖 操纵子结构 基因依次表达（2）负控阻遏系统）负控阻遏系统色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的5 5个结构个结构基因，编码一个转录单元，即从色氨酸启动子基因，编码一个转录单元，即从色氨酸启动子P Ptrptrp、操纵基因位点操纵基因位点O Otrptrp和向下游转录出和向下游转录出7kb7kb的转录物。的转录物。色氨酸阻抑物色氨酸阻抑物色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是trpRtrpR，阻遏蛋白是含有，阻遏蛋白是含有两个亚基的二聚体两个亚基的二聚体,可与色氨酸操纵子的
36、操纵区特异性相互作可与色氨酸操纵子的操纵区特异性相互作用。用。操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在-21-21和和+3+3碱基之间重碱基之间重叠。中心结合区是叠。中心结合区是1818个碱基的回文结构。个碱基的回文结构。只有当色氨酸结合到阻遏蛋白上时，阻遏蛋白才处于正确的只有当色氨酸结合到阻遏蛋白上时，阻遏蛋白才处于正确的构象，与色氨酸操纵区相互作用构象，与色氨酸操纵区相互作用 ，将转录的起始减少了大，将转录的起始减少了大约约7070倍。倍。当合成产物积累时，阻遏蛋白被当合成产物积累时，阻遏蛋白被合成产物激活而与操纵基因结合合成产物激活而与操纵基因结合辅阻遏物
37、（合成产物）辅阻遏物（合成产物）阻遏蛋白阻遏蛋白当合成产物减少时，合成产物当合成产物减少时，合成产物脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失活。转录酶使结构基因转录，活。转录酶使结构基因转录，蛋白质酶合成使合成代谢开始蛋白质酶合成使合成代谢开始色氨酸操纵子：色氨酸操纵子：色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸合成产物辅阻遏物色氨酸合成产物辅阻遏物弱化子弱化子如果在操纵基因和如果在操纵基因和trpE基因编码序列之间的一段序列基因编码序列之间的一段序列缺失，会导致基本转录水平和活化缺失，会导致基本转录水平和活化(解
38、阻抑解阻抑)-转录水转录水平的上升。该段序列称为平的上升。该段序列称为弱化子弱化子，它位于，它位于trpE起始密起始密码子前面码子前面162bp的转录前导序列的的转录前导序列的123150位。位。弱化子是一个不依赖弱化子是一个不依赖因子的终止子区域，在一小段因子的终止子区域，在一小段富含富含GC的回文结构之后是的回文结构之后是8个连续的个连续的U残基。如果这残基。如果这段序列能在段序列能在RNA转录物中形成发夹结构，就可以作为转录物中形成发夹结构，就可以作为一个高效的转录终止子，因而只有一个高效的转录终止子，因而只有140bp的转录物被的转录物被合成。合成。前导前导RNA结构结构色氨酸操纵子色
39、氨酸操纵子RNA的前导序列含有的前导序列含有4个序列互补区，能个序列互补区，能形成不同的碱基配对的形成不同的碱基配对的RNA结构。它们被称为序列结构。它们被称为序列1、2、3和和4。弱化子发夹结构是序列弱化子发夹结构是序列3和和4配对的产物配对的产物(3:4结构结构)。序列序列1和和2也是互补的，能形成另一个发夹结构也是互补的，能形成另一个发夹结构1:2。然而。然而序列序列2还和序列还和序列3互补。互补。如果序列如果序列2和和3形成形成2:3发夹结构，发夹结构，3:4弱化子发夹结构就弱化子发夹结构就不能形成，转录就不会终止。在正常情况下，不能形成，转录就不会终止。在正常情况下，1:2和和3:4
40、发夹结构的形成在能量上是有利的。发夹结构的形成在能量上是有利的。弱化作用弱化作用大肠杆菌中，翻译在大肠杆菌中，翻译在mRNA边转录时边进行。色氨边转录时边进行。色氨酸前导肽编码序列的酸前导肽编码序列的3端与互补序列端与互补序列1重叠，两个重叠，两个色氨酸密码子都在序列色氨酸密码子都在序列1内，终止密码子在序列内，终止密码子在序列1和和2之间。之间。由于色氨酸由于色氨酸(色氨酸操纵子的最终产物色氨酸操纵子的最终产物)是翻译过程是翻译过程中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定了在了在mRNA中终止子中终止子(3:4)发夹结构是否形成。发夹结构是否形
41、成。在色氨酸操纵子转录进行的过程中，在色氨酸操纵子转录进行的过程中，RNA聚合酶在序列聚合酶在序列2的的末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译时，时，RNA聚合酶才又继续沿聚合酶才又继续沿DNA模板链前进合成模板链前进合成RNA）。）。在在色氨酸含量很高色氨酸含量很高的情况下，核糖体迅速在两个色氨酸密码的情况下，核糖体迅速在两个色氨酸密码子处插入色氨酸，这样翻译可直达前肽导末端。核糖体封闭子处插入色氨酸，这样翻译可直达前肽导末端。核糖体封闭了序列了序列2，当，当RNA聚合酶把聚合酶把3区和区和4区转录出来时，区转录出来时，3:4
42、发夹发夹得以形成，当得以形成，当RNA聚合酶到达终止序列时，由于聚合酶到达终止序列时，由于3:4发夹使发夹使转录可能被终止。这一过程被称为转录可能被终止。这一过程被称为弱化作用弱化作用。图图920 弱化作用模型弱化作用模型v如果色氨酸缺乏时如果色氨酸缺乏时，翻译过程中将缺少其氨酰，翻译过程中将缺少其氨酰tRNA，核糖体将在两个色氨酸密码子上滞，核糖体将在两个色氨酸密码子上滞留，封闭了序列留，封闭了序列1。这使得序列。这使得序列2能自由地与序能自由地与序列列3形成发夹结构（即抗终止子）。终止子形成发夹结构（即抗终止子）。终止子(3:4)发夹结构不能形成，转录继续到发夹结构不能形成，转录继续到tr
43、pE及其及其下游。下游。v因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提早终止早终止(弱化弱化)，还是继续转录完整个操纵子。，还是继续转录完整个操纵子。弱化的重要性弱化的重要性依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操纵子的依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操纵子的转录被抑制了转录被抑制了10倍。与色氨酸阻抑物的作用倍。与色氨酸阻抑物的作用(70倍倍)合在一起，这就意味着色氨酸水平对色氨酸操纵子合在一起，这就意味着色氨酸水平对色氨酸操纵子的表达施加了的表达施加了700倍的调节效果。倍的调节效果。在六种与氨基酸的生物合成相关的操纵子中有弱化在六种与氨基酸的生物合成
44、相关的操纵子中有弱化作用。例如作用。例如his操纵子含有编码一个有连续操纵子含有编码一个有连续7个组氨个组氨酸密码子的多肽的前导序列。酸密码子的多肽的前导序列。v（3 3）正向控制调节）正向控制调节v在正向控制调节体系中，调节基因编码的蛋在正向控制调节体系中，调节基因编码的蛋白质只有在与诱导物结合的状态下，才能与白质只有在与诱导物结合的状态下，才能与操纵基因结合而使结构基因处于转录状态，操纵基因结合而使结构基因处于转录状态，否则，就不能合成酶。大肠杆菌的阿拉伯糖否则，就不能合成酶。大肠杆菌的阿拉伯糖发酵的代谢调控是最早发现而且研究得最为发酵的代谢调控是最早发现而且研究得最为深入的一种正向控制调
45、节系统。深入的一种正向控制调节系统。细菌应急反应细菌应急反应当细菌发现它们自己生长在饥饿的条件下，缺乏维持蛋白质当细菌发现它们自己生长在饥饿的条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉。此就称合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉。此就称为严紧反应为严紧反应(strigent response)(strigent response)，这是它们抵御不良条件，保，这是它们抵御不良条件，保存自己的一种机制。存自己的一种机制。严紧反应导致两种特殊核苷酸积聚：严紧反应导致两种特殊核苷酸积聚：(1)ppGpp(1)ppGpp四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷（在（在G G的的5 5和和3
46、3位点各附着两个磷酸）位点各附着两个磷酸）;(2)pppGpp;(2)pppGpp五磷酸鸟五磷酸鸟苷（鸟苷苷（鸟苷5 5一三磷酸一三磷酸-3-3二磷酸）。二磷酸）。人们最初发现细菌在氨基酸饥饿时，出现两种特殊的核苷酸，人们最初发现细菌在氨基酸饥饿时，出现两种特殊的核苷酸，其电泳的迁移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就称之为其电泳的迁移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就称之为“魔斑魔斑”和和“魔斑魔斑”，后来发现魔斑，后来发现魔斑便是便是ppGppppGpp，魔，魔斑斑是是pppGpppppGpp。ppGppppGpp是一系列反应的效应物，包括抑制转录。是一系列反应的效应物，包括抑制转录。（1
47、1）rRNArRNA操纵子的启动子其转录起始被严紧反应特异操纵子的启动子其转录起始被严紧反应特异抑制了。严紧调节的启动子发生突变能消除严紧控制，抑制了。严紧调节的启动子发生突变能消除严紧控制，表明此效应需要和特异启动子顺序相互作用；表明此效应需要和特异启动子顺序相互作用；（2 2）很多或大部分模板的转录延伸阶段被）很多或大部分模板的转录延伸阶段被ppGppppGpp缩短了，缩短了，此是此是RNARNA聚合酶停顿的增加而引起的。此效应反应了聚合酶停顿的增加而引起的。此效应反应了在细胞内加入在细胞内加入ppGppppGpp时转录效率普遍下降。时转录效率普遍下降。转录后调控转录后调控基因表达的转录调
48、控是生物最经济的调控方式基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式用不着某种蛋白质，其用不着某种蛋白质，其mRNAmRNA由于用不着就不必转由于用不着就不必转录。录。转录生成转录生成mRNAmRNA以后，再在翻译或翻译后水平进行以后，再在翻译或翻译后水平进行 微调微调，是对转录调控的补充，它使基因表达的调，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。翻译起始的调控翻译起始的调控遗传信息翻译成多肽链起始于遗传信息翻译成多肽链起始于mRNAmRNA上的核糖体结合位点上的核糖体结合位点(RBS)(RBS)。所谓。所谓RBSRB
49、S，是指起始密码子，是指起始密码子AUGAUG上游的一段非翻译上游的一段非翻译区。区。在在RBSRBS中有中有SD(Shine-Dalgarno)SD(Shine-Dalgarno)序列，长度一般为序列，长度一般为5 5个核苷酸，个核苷酸，富含富含 G G、A A，该序列与核糖体，该序列与核糖体16SrRNA16SrRNA的的33端互补配对，促端互补配对，促使核糖体结合到使核糖体结合到mRNAmRNA上，有利于翻译的起始。上，有利于翻译的起始。RBSRBS的结合强度取决于的结合强度取决于SDSD序列的结构及其与起始密码序列的结构及其与起始密码AUGAUG之间的距离。之间的距离。SDSD与与AU
50、GAUG之间相距一般以之间相距一般以4-104-10个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9 9个核苷酸最佳。个核苷酸最佳。mRNAmRNA的二级结构是翻译起始调控的重要因素。的二级结构是翻译起始调控的重要因素。mRNA 5mRNA 5端合适的空间结构有利于核糖体的端合适的空间结构有利于核糖体的30 S30 S亚亚基与之相结合。基与之相结合。SDSD序列的微小变化，往往会导致表达效率上百倍甚序列的微小变化，往往会导致表达效率上百倍甚至上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形至上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形成成mRNA 5mRNA 5端二级结构的自由能，影响了核糖体端二级结构的自由能，影响了
