1、 I类内含子的自我剪接（顺式剪接）
I类内含子包括四膜虫rRNA的内含子，几种酵母线粒体的内含子，噬菌体T4胸苷酸合成酶的内含子等。这些内含子有较大的同源性，可自我拼接。
1981，Cech（美国），四膜虫rRNA前体（约6400nt）能自动切除413个nt的内含子，然后加工生成5.8S、17S、26S rRNA。
1984，Apirion（美国），噬菌体T4的RNA可以在没有蛋白质参与下自我断裂，由215nt前体链切下76nt 。
2、 独具催化活性的小分子RNA
1984，Altman，Pace（美国），细菌加工tRNA前体的酶—RNAase P中的M1RNA（375nt）在高浓度的Mg2+或胺类存在时能单独切下tRNA前体的5’端。
1，4-α葡聚糖分支酶中的RNA（31nt）也单独具有分支酶活力。
真核的U-snRNA催化rRNA前体、hnRNA前体的加工。
第三节 RNA的复制
有些RNA病毒，进入寄主细胞后，借助复制酶而进行RNA病毒的复制。
从感染RNA病毒的细胞中可以分离出RNA复制酶，这些RNA复制酶的模板特异性很强，只识别病毒自身的RNA，它以病毒RNA为模板，合成与模板性质相同的RNA。
一、 噬菌体QβRNA的复制
噬菌体Qβ：直径20nm，正十二面体，含30%RNA，其余为蛋白质，单链RNA，4500个核苷酸，编码3-4个蛋白质。
结构：5’端——成熟蛋白（A或A2蛋白）——外壳蛋白（或A1蛋白）——复制酶β亚基——3’端
Qβ复制酶：αβγδ四个亚基，只有β是自己编码，其余三个亚基来自寄主细胞。

P380   表20-4   Qβ复制酶亚基的性质和功能

进入E.coli细胞后，其RNA即为mRNA，可以直接合成与病毒繁殖有关的蛋白质（复制酶β亚基）。
QβRNA的复制过程：
P381  图20-14噬菌体QβRNA的复制过程：
在Qβ特异的复制酶合成并装备好后就开始病毒RNA的复制。

QβRNA翻译和复制的自我调节：
P381图20-15
QβRNA的高级结构（尤其是双螺旋区的结构）参与翻译的调节控制：
（1） 只有刚复制的QβRNA，成熟蛋白基因才能翻译。
（2） 核糖体能直接启动外壳蛋白基因的翻译
（3） 复制酶β亚基基因只有在外壳蛋白合成时双链打开才能进行翻译。

QβRNA的翻译、复制受寄主细胞调节，以正链RNA为模板复制负链RNA时，另需寄主细胞的HFⅠ和HFⅡ因子。而以负链RNA 为模板复制正链RNA时，不需这两个因子，感染后期大量合成的是正链RNA。

二、 病毒RNA复制的主要方式
1、 正链RNA病毒（mRNA）：噬菌体Qβ、灰质炎病毒等。
进入寄主细胞后，利用寄主的翻译系统，首先合成复制酶及有关的蛋白质，然后进行病毒RNA的复制，最后由病毒RNA和蛋白质装配成病毒颗粒。

2、 负链RNA病毒（带有复制酶）：狂犬病毒等
此类病毒带有复制酶，侵入后，复制酶首先合成出正链RNA（mRNA），再以正链RNA为模板，合成负链RNA及蛋白质，然后装配。
3、 双链RNA病毒（带有复制酶）：呼肠孤病毒等
以双链RNA为模板，在复制酶作用下先转录正链RNA（mRNA），从而翻译出蛋白质，然后合成负链RNA，形成双链RNA，再包装。
4、 反转录病毒（含反转录酶）：白血病病毒、肉瘤病毒等致癌RNA病毒
正链RNA病毒，它们的复制需要经过DNA前病毒阶段。

不同RNA病毒合成mRNA的途径可以分4类：      P382  图20-16
第四节 RNA生物合成的抑制剂
某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于抗病毒或抗肿瘤药物，也可以用于核酸的研究
一、 嘌呤和嘧啶类似物
抑制核苷酸的合成，还能掺入核酸分子中去，形成异常DNA、RNA，影响核酸功能。
主要有：6-巯基嘌呤、硫鸟嘌呤、2.6—二氨基嘌呤、8-氮鸟嘌呤、5-氟尿嘧啶 、6-氮尿嘧啶
碱基类似物进入体内后需转变成相应的核苷酸，才表现出抑制作用。
二、 DNA模板功能的抑制剂
此类化合物能与DNA结合，使DNA失去模板功能，从而抑制其复制与转录。
1、 烷化剂
氮芥（二（氯乙基）胺的衍生物）、磺酸酯、氮丙啶、乙撑亚胺类。它们带有活性烷基，使DNA烷基化。
烷化位点：鸟嘌呤N7 ，腺嘌呤N1、N3、N7，胞嘧啶N1
烷基化后，碱基易被水解下来，留下的空隙可干扰DNA复制或引起错误碱基掺入。带有双功能基团的烷化剂，可同时与DNA两条链结合，使双链DNA交联，从而失去模板功能。
环磷酰胺：肿瘤细胞中磷酰胺酶活化，生成活性氮芥。
苯丁酸氮芥：癌细胞酵解作用强，乳酸多，pH低，苯丁酸氮芥易进入。
2、 放线菌素D（对真核、原核细胞都起作用）
有抗菌和抗癌作用。
它可与DNA形成非共价复合物，使其多肽部分在DNA的“浅沟”上如同阻遏蛋白一样，抑制DNA的转录和复制。
此类机理的放线菌素还有色霉素A3、橄榄霉素、光神霉素。
3、 嵌入染料
扁平芳香族染料，可插入双链DNA相邻碱基对之间。
溴化乙锭插入后，使DNA在复制时缺失或增添一个核苷酸，从而导致移码突变，并能抑制RNA链的起始及质粒的复制。此外还有原黄素、吖啶黄、吖啶橙等。
三、 RNA聚合酶的抑制物
1、 利福霉素
包括其衍生物利福平，特异地抑制细菌RNA聚合酶的活性。
强烈抑制革兰氏阳性菌和结核杆菌，它主要抑制RNA合成的起始。
2、 利链菌素
与细菌RNA聚合酶β亚基结合，抑制转录过程中链的延长。
3、 α-鹅膏蕈碱
主要抑制真核RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ，对细菌的RNA聚合酶作用极小。

生化笔记--沈同（适用第2版及第3版）第十六章 细胞代谢和基因表达的调控

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网络，并且存在复杂的调节机制，这些调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或RNA）的作用下进行的。
重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。
第一节 物质代谢途径的相互联系
细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。
一、 糖代谢与脂代谢的联系
1、 糖转变成脂
       图

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
       图
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，乙酰CoA进入TCA氧化，生成CO2和H2O。
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，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、β-羟基丁酸）。
二、 糖代谢与氨基酸代谢的关系
1、 糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架
      图
糖 → 丙酮酸 → α-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、α—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等可生成乙酰乙酰CoA，从而生成酮体。
     Phe、Tyr等生糖及生酮。
三、 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，可以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可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。
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。
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、α—酮戊二酸，这三者都可以转变成氨基酸。
四、 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。
各种氨基酸，如Gly 、Asp 、Gln是核苷酸的合成前体。
有些核苷酸在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。
五、 物质代谢的特点
1、 TCA是中心环节
代谢途径交叉形成网络，主要联系物：丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、α-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，一种酶催化正反应，另一种酶催化逆反应。
以糖代谢为例：
  P421

3、 ATP是通用的能量载体
乙酰CoA进入TCA后，完全氧化生成CO2、H2O，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、 分解为合成提供还原力和能量
物质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：（1）底物水平磷酸化、（2）绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、（3）呼吸链的氧化磷酸化。
NADPH来源：
（1）植物光合电子传递链
（2）磷酸戊糖途径
（3）乙酰CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有NADH的氧化和NADP+的还原，所产生的NADPH可用于脂肪酸合成  P422图22-4

有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段：P423 图22-5
（1）将大分子分解为小分子单元，释放的能量不能被利用。
（2）将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰CoA，产生还原力NADPH和少量ATP。
（3）乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO2，脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的ATP。
5、 分解、合成受不同方式调节
单向代谢的反馈调节
                          顺序反馈控
分枝代谢的反馈调节       对同工酶的反馈抑制
协同反馈抑制

第二节 代谢调节
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。
生物代谢调节在三个水平上进行，即酶水平、细胞水平、多细胞整体水平（神经、激素）。酶和细胞水平的调节，是最基本的调节方式，为一切生物所共有。

 

神经水平调节 

动
物
激素水平调节

植
物 
细胞水平调节

酶水平调节 单细胞生物
神经调节：整体的、最高级的调节。
激素调节：受神经调节控制。第二级调节。
酶调节：原始的、基本的调节。第三级调节。
酶水平的调节：酶活性调节（酶原激活、别构效应、共价修饰）和酶含量（基因表达调控）
一、 酶水平的调节
酶水平的调节，主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节，这三个方面进行。
1、 酶定位的区域化
酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化。
功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节。
⑴多酶体系在细胞中区域化，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。
⑵此外，酶定位的区域化，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，部分蛋白质合成。
线粒体：脂肪酸β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，胆固醇合成
溶酶体：多种水解酶
2、 酶活性的调节
调节方式：酶原的激活
            pH改变，如溶菌酶。pH7，无活性。pH5，活性高。
            同工酶
            共价修饰
            反馈调节（生物体内最重要）
特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成。
（1）、 共价修饰和级联放大  P430图22-14
磷酸化/脱磷酸化
腺苷酰化/脱腺苷酰化
（2）、 前馈和反馈调节
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，如高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙二酸单酰CoA大量合成。
反馈调节：产物对酶活性的调节，一般是反馈抑制，但也有反馈激活。
a．反馈抑制      单价反馈抑制
                 多价反馈抑制
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。
b. 顺序反馈抑制
c. 协同反馈抑制
d. 累积反馈抑制
e. 同工酶反馈抑制
f. 反馈激活和前馈激活
（3）、 反馈激活：
（4）、 前馈激活：
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。
如当丙酮酸不能经乙酰CoA进入TCA时，丙酮酸积累，磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸，后者可合成a.a和嘧啶核苷酸。合成出的嘧啶核苷酸，反馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，促进草酰乙酸合成，保证TCA对草酰乙酸的需要。
3、 酶合成的调节（基因表达的调节）
酶合成调节，是通过酶量的变化来调控代谢速率。
二、 细胞水平的调节
（1）控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度
（2）控制跨膜物质运输
（3）区隔化：浓缩作用，防止干扰，便于调节
（4）膜与酶可逆结合：
双关酶：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。双关酶大多是代谢途径的关键酶和调节酶，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。
三、 激素水平的调节
第三节 基因表达的调节
基因表达有几个水平的调节
⑴转录水平
⑵翻泽水平
⑶加工水平  转录后加工、翻译后加工
⑷蛋白质活性调节
其中最关键的是⑴，基因表达的控制主要发生在转录水平,原核生物尤其如此。
时序调节
适应调节
一、 原核生物基因表达的调节
1、 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位，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，转录产物是单个多顺反mRNA，操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节。
2、 组成型基因和诱导型基因
组成酶（构成酶），受环境影响小，正常代谢条件下表达。如糖酵解的酶。
诱导酶（适应型酶），对不同的生存环境有不同的表达。如半乳糖苷酶。
3、 正调控和负调控
在没有调节蛋白质存在时，基因是关闭的，加入调节蛋白后，基因活性被开启，此为正调控。
在没有调节蛋白存在时，基因是表达的，加入调节蛋白后基因表达活必被关闭，此为负调控。
在正调控中，调节蛋白称诱导蛋白。
在负调控中，调节蛋白称阻遇蛋白。
4、 原核生物结构基因表达的4种控制模式。
负调控：诱导作用，应使阻遇蛋白解离DNA。
阻遇作用，应使阻遇蛋白结合DNA。
P451图22-25

正调控：诱导作用，应使诱导蛋白结合DNA。
阻遇作用，应使诱导蛋白解离DNA。
图片9-1 《杨歧生》 P272

5、 大肠杆菌乳糖操纵子  Lac操纵子
结构图: P453 图22-26

LacZ、LacY、LacA为结构基因，上游依次为操纵基因、启动子和调节基因LacI。
     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。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。
    图片8-3《孙乃恩》P 285

IPTG：异丙基-β-D硫代半乳糖苷（安慰诱导物），能对乳糖操纵子产生极强的诱导效应，是强诱导物。
6、 色氨酸操纵子（trp）的转录调控
trp操纵子负责Trp的合成，通常是开放的，调节基因的产物使它关闭，这种调控作用称为可阻遏型的负调控。
⑴E.coli trp操纵子有5个结构基因，trpE-D-C-B-A。
⑵在trpE的上游有三个区段trpP-O-L， trpL是一段162bp序列，转录到mRNA中成为前导序列，对操纵子的转录起调控作用。
⑶在染色体90分区有trpR基因，编码12.5kd的阻遏蛋白亚基,能以四聚体形式结合到trpO。
TrpP与一般原核基因启动子一样，具有-10序列和-35序列，-10序列完全位于trpP之内。
E.coli trp操纵子的组成及基因产物的功能。
图片：

E.coli 具有合成各种a.a的能力。在多数情况下，只有在培养基不供应外源a.a时，才去合成产生该a.a所必须的酶系。
当细胞内Trp浓度较高时，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。
图片：
7、 trp操纵子的前导序列
trp mRNA分子一旦开始合成，在trpE基因开始转录之前，大多数mRNA会停止生长，这是因为前导序列（trpL）对操纵子调控发挥了重要作用。
trp mRNA的前导序列及前导肽。
结构基因上游具有：启动子—操纵基因—前导序列—衰减子区。
mRNA 5，端有162b，其中139个构成前导序列。前导序列由14个a.a的前导肽、4个互补区段和1个衰减子终止点构成。
衰减子：位于结构基因上游前导区的终止信号。
前导序列的特点：
⑴前导序列的某些区段富含GC。尾部有一个含8个U的区段，易极成不依赖于ρ的终止信号。(3区与4区构成终止信号的发夹结构)
⑵1区和2区构成第二个发夹结构，其中1区处于14个a.a的前导肽序列中。
⑶3区与2区也能形成另一个发夹结构，从而可阻止3区与4区形成终止发夹结构。
⑷前导序列RNA编码一段14a.a的前导肽，并有一终止密码子UGA
⑸前导序列中，并列二个Trp密码子.
在mRNA合成过程中，1区与2区若先配对，则3区与4区配对,终止转录.
图片:
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。
氨基酸合成操纵子前导肽序列
P454表22-2

生长速度调节:  严紧控制
基因表达时序调节：
翻译水平调节：
二、 真核基因表达的调节