乳糖操纵子与负控诱导系统

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1、乳糖操纵子与负控诱导系统6.2.1 酶的诱导lac体系受调控的证据6.2.2 操纵子模型及其影响因子6.2.3 lac操纵子DNA的调控区域P、O区6.2.4 lac操纵子中的其他问题乳糖操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控乳糖操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家Jacob和和Monod在实验的基础上于在实验的基础上于1961年年 首先提出的。首先提出的。Franois Jacob Jacques Monod 大肠杆菌乳糖操纵子包括大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：类基因：结构基因结构基因：lacZ、lacY

2、、lacA。LacZ合成半乳糖苷酶，lacY合成半乳糖苷透过酶，lacA合成半乳糖苷乙酰基转移酶。启动基因启动基因:(即启动子P)位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成mRNA。操纵基因操纵基因:(控制子O)控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。调节基因调节基因:(阻遏子i)可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。6.2.1 酶的诱导lac体系受调控的证据 1.培养基中在不含乳糖及-半乳糖的，lac+基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透过酶透过酶的浓度很低，每个细胞内大约只有12个

3、酶分子。2.在培养基里加入乳糖，-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透过酶透过酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。如图：加入乳糖以后，1min内出现lac mRNA，稍后即产生-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透过透过酶酶。当移去乳糖之后，lac mRNA总量立即下降，两种酶的活性却由于蛋白质半衰期较长而在相当长的时间内维持稳定6.2.1 酶的诱导lac体系受调控的证据由于培养基中的乳糖会被诱导合成的-半乳糖苷酶半乳糖苷酶催化降解，所以实际实验中研究诱导作用时很少使用乳糖。实验室里常使用的乳糖类似物如下图他们都是高效诱导物，他们都不是半乳糖苷酶的底物，所以称他们为安安慰性诱导

4、慰性诱导（gratuitous inducer）6.2.2 操纵子模型及其影响因子乳糖操纵子的控制模型的主要内容 （1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；（2）该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏子基因（i）与操纵区 （O）之间，不能单独起始半半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达；（3）操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点;（4）当阻遏物与操纵区相结合，lac mRNA的转录起始受到抑制；（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lac mRNA的合成。这就是说，有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启

5、动子能够顺利起始mRNA的转录。Jh 6.2.2 操纵子模型及其影响因子操纵子的调控模型6.2.2 操纵子模型及其影响因子1.Lac 操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论不能解释的。一一，诱导物需要穿过细胞才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成需要诱导。解释解释：（1），一些诱导物可以在透过酶不存在的时进入细胞 （2），一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成。研究表明，后者解释是正确的。二二，真正的诱导物不是乳糖（葡萄糖-1，4-半乳糖），而是乳糖的异构体异构乳糖（葡萄糖-1，6-半乳糖），而后者是在-半乳糖苷酶的催化作用下由乳糖转化而来的。所以，乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成

6、需要有-半乳糖苷酶的预先存在。解释解释：在没有诱导物（异构乳糖）存在时，会有少量的lac mRNA合成，这种合成叫做本底水平的组合型合成。6.2.2 操纵子模型及其影响因子2.大肠杆菌对乳糖的反应假设细菌在以甘油为碳源的培养基中加入乳糖，在单个-半乳糖苷酶作用下生成异构乳糖异构乳糖诱导，合成lac mRNAlac mRNA编码大量的-半乳糖苷酶和乳糖透过酶，结果使乳糖大量涌进细胞乳糖被降解成为葡萄糖和半乳糖，乳糖被转换成异构乳糖。大量异构乳糖与阻遏物结合，阻遏物失活促成mRNA高速合成，进一步提高-半乳糖苷酶和乳糖透过酶的浓度6.2.2 操纵子模型及其影响因子2.大肠杆菌对乳糖的反应 乳糖降解

7、产生的葡萄糖被当作碳源和能源，逐渐地培养基中和细胞中的乳糖被消耗完了。由于阻遏物一直在不断的合成，当阻遏物的浓度超过异构乳糖的浓度后，细胞重新建立起阻遏状态，导致lac mRNA合成被抑制。lac mRNA的半衰期很短，故lac mRNA几乎从细胞中消失。而-半乳糖苷酶和乳糖透过酶结构很稳定，但随着细胞分裂而不断的稀释。如果在原有的乳糖被撤去后的一个世代中再加入乳糖，这时乳糖可以被立即开始降解。因为此时细胞内仍有一定浓度的-半乳糖苷酶和乳糖透过酶6.2.2 操纵子模型及其影响因子3.阻遏物 lacIlacI 基因产物及功能 Lac操纵子阻遏物m RNA是由弱启动子控制下组成型合成的 该阻遏蛋白

8、有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1IPTG分子 未经分离分级的细胞提取物对结合能力大约为每个细胞集合20-40个IPTG，因此推测每个细胞中有5-10个阻遏分子。4.葡萄糖对lac操纵子的影响葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的。就是说，不是葡萄糖而是他的降解产物抑制lac mRNA的合成。科学上把葡萄糖的这种效应叫代谢物阻遏效应。6.2.2 操纵子模型及其影响因子5.cAMP与代谢物激活蛋白 cAMP是由ATP转化而来，在腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶的作用下。在真核生物的激素调节过程中起重要作用。在大肠杆菌中，cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。1，如果细菌在缺碳源的

9、培养基中，细胞内cAMP浓度就高2，如果细菌在含葡萄糖的培养基中，细胞内的cAMP浓度就低3，如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAMP浓度就很高3，5-cAMP的结构6.2.2 操纵子模型及其影响因子5.cAMP与代谢物激活蛋白大肠杆菌的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物，cAMP-CRP复合物是激活lac的重要组成部分。人们认为cAMP-CRP复合物是一个不同于阻遏物的正调控因子。半乳糖、麦芽糖等在降解过程当中均转化为葡萄糖。这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导的操纵子控制的，但只要有葡萄糖存在，这些操纵子就不表达，被称为降解物敏感型操纵子。这些操纵子都

10、是由cAMP-CRP复合物控制调节的。cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始所必须的。6.2.3 lac操纵子DNA的调控区域P、O区 分离得到含lac操纵子的DNA片段中发现P区一般是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游5到10bp，而O区（即阻遏物结合区）位于-7到+28位，该区的碱基序列有对称性。如右图，分别列举了gal,aroH,trp,trpR和lac五个操纵子中P区及O区的相对位置6.2.4 操纵子中的其他问题 A基因是lac操纵子中的三个结构基因之一。它编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。它存在的意义？在自然界中，半乳糖苷分子会被降解，其产物则不能被进一步代谢

11、，而在体内积累。这是非常有害的，如它会抑制细胞的正常生长。A基因的作用就是乙酰化半乳糖分子，乙酰化半乳糖分子不能被降解，这样半乳糖的分解产物就不会再体内积累了。1.A基因及其生理功能6.2.4 操纵子中的其他问题 常，-半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的比例为1:0.5:0.2。这个比例反应了以-半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要。其差异是由于在翻译水平上受到调节所致。调节方式有两种：(1).Lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。(2).在Lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更易受到内切酶作用发生降解，因此在任何时候Z基因的完整拷贝数比A基因多。2.Lac基因产物数量上的比较6.2.4 操纵子中的其他问题 操纵子在自然条件下会发生融合，如lac操纵子与负责嘌呤合成的pur操纵子的偶联。就是，pur操纵子被嫁接到lac启动子上，形成融合基因。其意义：lac启动子是一个很强的启动子，通过它可以使弱启动子的转录增强，从而提高蛋白质的合成量。3.操纵子的融合与基因工程