考博生化和分子生物学复习笔记-第6部分
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★（一）细胞水平的代谢调节 实际上就是酶的调节，这是单细胞生物主要的调节方式，这也是一切代谢调节的基础，包括 酶结构的调节和酶量的调节。1。细胞内酶的隔离分布。尿素合成在胞液和线粒体中进行。 代谢反应进行的速度和方向是由此代谢途径中一个或几个具有调节作用的关键酶的活性决定的。它们催化的反应有下述特点：①反应速度最慢，因此又称限速酶，它的活性决定整个途径的总速度②催化单向反应或非平衡反应，它的活性决定整 个途径的方向③酶活性可受多种代谢物或效应剂的调节。 代谢调节主要通过对关键酶活性的调节而实现的，可分为快速调节和迟缓调节两类。快速调 节即对酶结构的调节，分为变构调节和共价修饰两种，这类调节方式效应快，但不持久。迟缓调节即对酶含量的调节，发生较慢，但作用也持久。 2。关键酶的变构调节 ①变构酶定义②机制：变构酶常是由两个以上亚基组成的具有四级结构的铁蛋白质。在酶分子中与底物结 合起催化作用的亚基称催化亚基，与变构效应剂结合起调节作用的调节亚基，个别酶催化， 调节部位位于同一亚基。变构效应剂通过非共价键与调节亚基结合，引起酶构象改变，不涉及酶共价键的变化，从而影响酶与底物结合，使酶催化活性受到影响，酶构象的改变可表现 为亚基的聚合或解聚等。 ③意义：变构调节是细胞水平调节中一种较常见的快速调节，代谢终产物常可对酶起变构抑 制作用，此即反馈调节，使代谢物不致过多，也不致过少，也可使能量得以有效利用。变构 调节可使不同代谢途径相互协调。 3。酶的化学修饰调节 ①定义：酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性改变， 这种调节称为酶的化学修饰。 ②特点：经绝大多数属此类调节方式的酶有无活性（低活性）和有活性（或高活性）两种形式。 这两种形式通过共价外修饰，可互相转变。以磷酸化为例，酶蛋白分子中丝氨酸、苏氨酸、 酪氨酸的羟基是磷酸化的位点，但有些酶经磷酸化后活性升高，而有些酶磷酸化后却活性降 低，在去磷酸化才是其活性状态。化学修饰引起酶的共价键变化，且化学修饰发生的是酶促 反应。一个酶分子可催化多个作用物（酶蛋白）出现组成变化，故有放大效应，催化效率比变 构调节高。磷酸化，脱磷酸化是最常见的化学修饰调节，其本身也是酶促反应，磷酸化由蛋 白激酶催化，脱磷酸化由磷蛋白磷酸酶催化，酶发生磷酸化消耗的ATP比合成酶蛋白消耗的 ATP要少得多，因此，是体内调节酶活性经济而有效的方式。 对某一酶而言，可同时受变构调节和化学修饰两种方式的调节，然而当效应剂浓度过低，变构调节就不如共价修饰来得快而有效，故在应激情况下，共价修饰尤为重要。 4。酶量的调节 由于酶的合成、降解所需时间较长，消耗ATP较多，故酶量调节属迟缓调节。 ①酶蛋白的诱导与阻遏 一般将加速酶合成的化合物称为诱导剂，减少酶合成的称阻遏剂，二者是在酶蛋白生物合成 的转录或翻译过程中发挥作用，但影响转录较常见，通常底物多为诱导剂，产物多为阻遏 剂。而激素和药物也是常见的诱导剂。 ②酶蛋白降解 改变酶蛋白分子的降解速度也能调节细胞内酶含量，此过程主要靠蛋白水解酶来完成。
★（二）激素水平的调节。 这是高等生物体内代谢调节的重要方式。激素作用有较高的组织特异性和效应特异性。激素 与靶细胞上特异受体结合，引起细胞信号转导，表现为一系列的生物学效应。 按激素受体在细胞的部位不同，可将激素分两大类： 1。膜受体激素：这类激素与受体结合后，将信息传递到细胞内，通过变构调节，化学修饰来 调节相关酶的活性从而调节代谢，也可对基因表达进行调控。 2。胞内受体激素：这类激素与胞内受体结合；通过影响基因转录，进而促进或阻遏蛋白质或 酶的合成，从而对细胞代谢进行调节。
★（三）整体调节 1。饥饿 （1）短期饥饿 ①肝糖原在饥饿早期即可耗尽 ②肌肉蛋白质分解加强，用以加速糖异生。 ③糖异生增强；饥饿2天后，肝糖异生明显增加，用以满足脑和红细胞对糖的需要。 ④脂肪动员加强，酮体生成增多，脂肪酸和酮体成为心肌、骨骼肌等的重要燃料，一部分酮 体可被大脑利用。 ⑤组织对葡萄糖利用降低，但饥饿初期大脑仍以葡萄糖为主要能源。 （2）长期饥饿：一般饥饿1周以上为长期饥饿，此时机体蛋白质降解减少，主要靠脂肪酸和酮体供能。 ①脂肪动员进一步加强，肝生成大量酮体，脑组织以利用酮体为主，因其不能利用脂肪酸。②肌肉以脂肪酸为主要能源。保证酮体优先供应脑组织。 ③肌肉蛋白质分解减少，乳酸和丙酮酸取代氨基酸成为糖异生的主要来源。负氮平衡有所改 善。 ④肾糖异生作用明显加强
2。应激 应激状态，交感神经兴奋，肾上腺激素分泌增多，血胰高血糖素和生长激素水平增加，胰岛 素分泌减少，引起一系列代谢改变。 （1）血糖升高，这对保证大脑，红细胞的供能有重要意义。 （2）脂肪动员加强，血浆脂肪酸升高，成为骨骼肌、肾等组织的主要能量来源。 （3）蛋白质分解加强，尿素生成及尿氮排出增加，呈负氮平衡。 总之应激时机体代谢特点是分解代谢增强，合成代谢受到抑制，以满足机体在此种紧张状态 下对能量的需要 应激时糖、脂、蛋白质代谢的特点：分解代谢增强，合成代谢受抑制。
▲转录过程分为三个阶段：起始、延长及终止。 1。起始 RNA聚合酶的σ因子识别DNA启动子的识别部位，RNA聚合酶核心酶则结合在启动子的结合部位。在与RNA聚合核心酶结合的Pribonow盒附近，双链暂时打开约17个碱基对长度，展 示出DNA模板链，有利于RNA聚合酶进入转录泡，催化RNA聚合作用。 转录作用开始时，根据DNA模板链上的核苷酸的序列，NTP根据碱基互补原则依次进入反应 体系。在RNA聚合酶的催化下，起始点处相邻的前两个NTP以3′、5′一磷酸二酯键相连接。随后，σ因子从模板及RNA聚合酶上脱落下来，于是RNA聚合酶的核心酶沿着模板向下游移 动，转录作用进入延长阶段。脱落下的σ因子可以再次与核心酶结合而循环使用。 2。延长 在RNA聚合酶的催化下，核苷酸之间以3′、5′一磷酸二酯键相连接进行着RNA的合成反应，合成方向为5′→3′。在延长过程中，局部打开的DNA双链、RNA聚合酶及新生成转录本RNA局部形成转录泡。随RNA聚合酶的移动，转录泡也行进，贯穿于延长始终。 3。终止 在RNA延长进程中，当RNA聚合酶行进到DNA模板的终止信号时，RNA聚合酶就不再继续前进，聚合作用也因此停止。由于终止信号中有由GC富集区组成的反向重复序列，在 转录生成的mRNA中有相应的发卡结构。此发卡结构可阻碍RNA聚合酶的行进，由此而停 止了RNA聚合作用。在终止信号中还有AT富集区，其转录生成的mRNA3′末端有多个U残 基。
二、转录后的加工过程 转录作用产生出的mRNA、tRNA及rRNA的初级转录本全是前体RNA，而不是成熟的RNA ，没有生物学活性，还要在酶的作用下，进行加工才能变为成熟的有活性的RNA。 RNA的加工过程主要是在细胞核内进行，也有少数反应是在胞质中进行。 RNA加工的类型有： 剪切及剪接：剪切就是剪去部分序列；剪接是指剪切后又将某些片段连接起来。 末端添加核苷酸：例如tRNA的3′…末端添加…CCA。 修饰：在碱基及核糖分子进行化学修饰。 RNA编辑：某些RNA，特别是mRNA自DNA模板上所获得的遗传信息，在转录作用后又发生了变化。
（一）mRNA前体的加工 1。mRNA生成的特点 （1）原核生物mRNA的生成。多顺反子。即几个结构基因，利用共同的启动子及共同的终止信号，经转录作用生成mRNA分子，所以此mRNA分子可编码几种不同的蛋白质。 原核生物中，细胞内没有核膜，染色质存在于胞质中，所以转录与翻译进行的场所没有明显的屏障。在转录尚未完成时，翻译就已开始了。而且，mRNA的寿命十分短暂。 （2）真核生物mRNA生成。单顺反子，一个mRNA分子只编码一种蛋白质。 真核生物的结构基因中包含有具有表达活性的编码蛋白质序列，称为外显子；还含有无表达 活性的序列，称为内含子。由于内含于是插在外显子之间，所以又称为插入序列。转录生成 的mRNA前体中有外显子部分的，也有内含子部分的。在加工时，前体要进行剪接 作用。 2。mRNA前体的加工 原核生物转录生成的初级转录本mRNA不需经过复杂的加工就表现有活性。唯一的加工作用是多顺反子mRNA在RNaseⅢ的催化下，裂解为单独的顺反子。 真核生物转录生成的mRNA要经过较复杂的加工过程。包括①5′末端加帽②3′端加尾③剪接 去除内含子并连接外显子④核苷酸编辑⑤甲基化修饰。 （1）5′末端帽子的生成。步骤 ①mRNA5′末端pppNp在磷酸酶作用下脱Pi，形成ppNp…。②在鸟苷酸转移酶作用下，与 Gppp反应形成GpppNp…。③在甲基转移酶作用下，由腺苷蛋氨酸（SAM）提供甲基，在鸟 嘌呤的N…7上甲基化，然后在连接于鸟苷酸的第一个（或第二个）核苷酸2－OH上又进行甲 基化，最后成为m7GpppNmp，这就是帽子生成。 （2）3′末端多聚A尾的生成。多聚A尾的生成是多聚A聚合酶的催化下，由ATP聚合而成。 但多聚A尾形成并不是简单地加入A，而是先要在mRNA前体的3′末端11～30核苷酸处有一段AAUAA保守序列，在U7－snRNP的协助下识别，由一种特异的核酸内切酶催化切除多余 的核苷酸。随后，在多聚A聚合酶催化下，发生聚合反应形成了3′末端多聚A尾。 （3）剪接作用。 在转录时，外显子及内含子均转录到hnRNA中。在细胞核中，hnRNA进行剪接作用，首先在核酸内切酶作用下剪切掉内含子；然后在连接酶作用下，将外显子各部分连接起来，成为 成熟的mRNA，这就是剪接作用。 一个相同的初级转录本，在不同的组织中由于剪接作用的差异可以产生具有不同编码的 mRNA，导致翻译生成不同的蛋白质产物。 在剪接作用过程中有如下一些共同的特点： 1）mRNA前体的剪切部位是在内含子末端的特定序列。内含子的序列中起始为GU；而终止于AG。 在内含子3′末端剪接点的上游20～50核苷酸范围内，还有一个在剪接中有重要作用的位 点，其序列中含有A，称为分支部位。 内含子如果其中发生部分丢失，不一定会对剪接产生影响。3′末端或分支部位发生变异，则 会导致错误的剪接。 2）套索的形成及剪除。 mRNA前体剪接过程中，先剪切下内含子，然后连接外显子。剪接的过程分两步反应进行： ①内含子序列中分支部位中腺苷酸残基（A）的2′－OH攻击内含子5′末端与外显子1连接的 磷酸二酯键，剪下了外显子1，而腺苷酸原来已有以3′、5′…磷酸二酯键相连的两个相邻的核 苷酸残基，加上此2′、5′…磷酸二酯键的连接后，形成了“套索”中间产物。②已被剪切下的 外显子1的3′末端…OH攻击内含子3，末端与外显子2之间的3′、5′磷酸二酯键，链断裂，内 含子以套索形式被剪切下来，同时外显子1与外显子2连接起来。 ③剪接体的生成。 在 mRNA前体剪接过程去除内含子时，还有多种成分的RNA…蛋白质复合体的参与，其大小为 60S，是由几种非特异的小核核糖核蛋白（UsnRNP）与mRNA前体结合而成，称为剪接体。 （UsnRNA）是一族snRNA，参与剪接作用的有多种UsnRNPs。 U1snRNP识别外显子的5′末端剪接序列，并与其互补而结合。 U5snRNP，识别并结合于 内含于3′末端剪接点。U2snRNP识别并结合于A序列的分支点。还有U4及U6snRNP也参 加到剪接体中，起配合作用。 （4）RNA编辑 在转录产物中插入、删除或取代一些核苷酸残基，生成具有正确翻译功能的模板，此即所谓 RNA的编辑作用。 编辑过程由一个或多个小分子的“指导RNA”提供mRNA的编辑信息，并作为模板指导其进行 编辑，在编辑体的帮助下进行编辑。（5）甲基化修饰 原核生物mRNA分子中不含有稀有碱基，但真核生物的mRNA中则含有甲基化核苷酸，除 了在hnRNA的5′端帽子结构中含有2－3个甲基化核苷外；在分子内部还会有l－2个m 6A 存在于非编码区。在序列中，m 6A 总是位于胞苷之后，形成了…NCm6AN序列。m 6A 的生成是在hnRNA的剪接作用之前发生的。
（二）tRNA前体的加工 ①在核酸内切酶RNaseP作用下，从5′末端切除多余的核苷酸。 ②在核酸外切酶RNaseD作用下，从3′末端切除多余的核苷酸。 ③核苷酸转移酶催化，3′末端加CCA…OH，为tRNA加I特有反应。 ④核酸内切酶催化进行剪切反应，剪掉内含子，由连接酶连接外显子部分。 ⑤ 化学修饰作用，如甲基化、脱氨基、还原反应。
（三）rRNA前体的加工 原核生物有 16S、23S及 5S三种 rRNA，这三种rRNA均存在于30S的rRNA前体中。转录 作用完成后，在RNaseⅢ催化下，将rRNA前体切开产生16S、25S及 5S rRNA的中间前 体。进一步在核酸酶的作用下，切去部分间隔序列，产生成熟的 16S、23S及5S rRNA， 还有成熟的 tRNA。并对16S rRNA进行甲基化修饰，生成稀有碱基。与4S rRNA加I变化 不大。 真核生物的核蛋白体中有18S、5。8S及5S rRNA。 5SrRNA自己独立成体系，在成熟过程 中加工甚少，不进行修饰和剪切。 45S rRNA前体中包含有 18S、5。8S及 28SrRNA。在 加工过程中，分子广泛地进行甲基化修饰，主要是在28S及18S中。甲基化作用多发生于核 糖上，较少在碱基上。随后45 S rRNA前体经核酸酶顺序剪切下生成18S、5。8S、28S rRNA。
三、核酶 具有催化活性的RNA现称为“核酶”。 核酶作用方式较简单，归纳起来主要有以下几种类型：①剪切
