分子生物学-复习提纲-13.负控诱导—乳糖操纵子1
操纵子相关知识,分子生物学必考内容
1.操纵子理论：操纵子是原核生物细胞DNA 上的一段区域，由若干功能相关的结构基因和控制这些基因表达的元件组成的一个完整的连续的功能单元。
包含：(1) 结构基因群 (2) 启动子 (3) 操纵基因 (4) 调控基因 (5) 终止子<I>乳糖操纵子：z 基因：β－半乳糖苷酶 y 基因：半乳糖透过酶 a 基因长：转乙酰基酶要点：1）：调节基因位于操纵子外面，lac 操纵子外的调节基因lacI 能产生一种阻遏物。
这种阻物是一种由360个氨基酸组成的蛋白质，有活性的阻遏蛋白是四聚体。
当培养基中没有乳糖时，阻遏蛋白便与结构基因紧密连接的操纵子相结合，阻断了RNA 聚合酶与操纵基因的结合，结构基因形成mRNA 的转录过程不能开始，从而乳糖代谢所必需的3种酶不能合成（操纵基因的位置在-5—+21bp 之间，而RNA 聚合酶保护区域是-48—+5bp 之间，也就是说，RNA 聚合酶和阻遏蛋白的结合位点是重叠的。
这两种蛋白质中的任何一种与DNA 结合后，就会阻止另一种蛋白质的结合）注：异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside, IPTG) 为化学合成的乳糖类似物2）：细胞内cAMP 的浓度与其所处的培养基中的葡萄糖水平有关，葡萄糖浓度越高，细胞内cAMP 越少，反之亦然P lac 是一个弱启动子，启动需要有CAP （一种转录辅助因子）的参与，CAP 结合到启动子上就可以增加RNA 聚合酶与启动组序列的亲和力。
但是CAP 蛋白这种激活作用只有和cAMP 形成复合物，使CAP 构象发生改变后才能发生。
原因可能是cAMP-CAP 复合物与DNA 结合改变了这一区段DNA 次级结构，促进了RNA 聚合酶结合区的解链。
也可能是cAMP-cAP 先通过与RNA 聚合酶结合，再与DNA 结合，因而促进了RNA 聚合酶与启动子的结合，从而增强了转录。
无葡萄糖时，cAMP 含量增加，可同CAP 结合形成具有活性的CAP- cAMP 复合体，与启动子区域的CAP 位点结合，激活转录起始。
乳糖操纵子复习题
乳糖操纵子复习题
乳糖操纵子是分子生物学中一个重要的概念，它涉及到基因表达的调
控机制。
以下是关于乳糖操纵子的复习题内容：
1. 定义：请简述乳糖操纵子是什么，并解释其在细胞中的作用。
2. 组成：描述乳糖操纵子的基本组成部分，包括启动子、操纵基因、
结构基因等。
3. 调控机制：解释乳糖操纵子的正调控和负调控机制是如何工作的。
4. 诱导：阐述乳糖如何作为诱导剂激活乳糖操纵子的表达。
5. 抑制：描述在没有乳糖的情况下，乳糖操纵子是如何被抑制的。
6. cAMP-CAP复合物：解释cAMP-CAP复合物在乳糖操纵子调控中的作用。
7. 乳糖操纵子的发现：简述乳糖操纵子是如何被发现的，以及这一发
现对分子生物学的意义。
8. 应用：讨论乳糖操纵子在现代生物技术中的应用，特别是在基因工
程和基因治疗中的作用。
9. 比较：将乳糖操纵子与其他类型的操纵子（如色氨酸操纵子）进行
比较，指出它们的异同点。
10. 实验研究：列举一些实验方法，用于研究乳糖操纵子的调控机制。
11. 问题解决：提出一些可能在研究乳糖操纵子时遇到的问题，并给出可能的解决方案。
12. 未来方向：探讨乳糖操纵子研究的未来方向，以及这些研究可能对医学和生物技术带来的影响。
通过这些问题的复习，可以加深对乳糖操纵子及其调控机制的理解，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。
乳糖操纵子与负控诱导系统
François Jacob
Jacques Monod
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：
①结构基因 ：lacZ、lacY、lacA。 LacZ合成β—半乳糖 苷酶，lacY合成β—半乳糖苷透过酶，lacA合成β—半乳糖 苷乙酰基转移酶。
②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。
3.阻遏物 lacI 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
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 学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家Jacob和 Monod在实验的基础上于1961年 首先提出的。
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β-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 慰性诱导（gratuitous inducer）
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
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培养基中，细胞内 cAMP浓度就高
(整理)分子生物学.
分子生物学1、原核基因调控机制的类型与特点1.负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止结构基因转录的作用。
(1)负控诱导:阻遏蛋白不与诱导物结合时,结构基因不转录;(2)负控阻遏:阻遏蛋白与诱导物结合时,结构基因不转录.2.正转录调控:调节基因的产物是激活蛋白.(1)正控诱导系统:诱导物的存在是激活蛋白处于活性状态;(2)正控阻遏系统:诱导物使激活蛋白处于非活性状态.2、乳糖操纵子和色氨酸操纵子大肠杆菌乳糖操纵子：乳糖——开动大肠杆菌乳糖操纵子——表达利用乳糖的三个酶——细菌利用乳糖。
乳糖操纵子的控制模型内容（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的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始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（26bp），是阻遏物的结合位点；（4）当阻遏物与操纵区结合时，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，激发Lac mRNA 的转录。
大肠杆菌色氨酸操纵子：加入色氨酸——阻遏色氨酸操纵子—相关合成酶基因关闭。
色氨酸操纵子与负控阻遏系统Trp体系参与生物合成而不是降解;Trp合成分5步,有7个基因参与.组成包括:阻遏基因（R）、启动区(P)、操纵区（O）、前导区（L）、弱化区（a）和结构基因区；Trp操纵子的转录调控包括阻遏系统和弱化系统.3、原核与真核基因表达调控的异同4、DNA水平的表达调控染色质的丢失：不可逆核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加基因重排(gene rearrangement)：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录。
[复习]乳糖操纵子
![[复习]乳糖操纵子](https://img.taocdn.com/s3/m/6d0f3b0f551810a6f52486e3.png)
[复习]乳糖操纵子1、乳糖操纵子的组成:大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵基因、一个启动子和一个调节基因。
结构基因能产生一定的酶系统和结构蛋白。
操纵基因控制结构基因的转录速度，位于结构基因和启动子之间，本身不能转录成mRNA。
启动基因也不能转录成mRNA。
调节基因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，称阻遏蛋白或调节蛋白。
2、阻遏蛋白的负性调节:没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶;有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。
所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。
3、CAP的正性调节:CRP是cAMP受体蛋白(cAMP receptor protein)，cAMP(环腺苷酸)是细胞内广泛存在的第二信使。
细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低;相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。
cAMP浓度低，CRP未与cAMP结合，CRP不能被活化，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP(CRP-cAMP activated protein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。
CAP的通用名称是分解代谢基因激活蛋白(catabolic gene activator protein)。
在启动子上游有CAP结合位点(CAP binding site)，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，增强RNA 聚合酶的转录活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。
分子生物学-13-原核基因表达调控-1-概念分类
突触囊泡 召集
nd run
外吐
内吞
a: kiss and stay b: kiss and run c: clathrin-coated
Kiss and run
• Synaptotagmin-1 interacts with phospholipids in a calcium-dependent manner, as well as with syntaxin-1 and SNAREs, and Südhof established a role for synaptotagmin-1 as a calcium sensor for rapid synaptic fusion
基因转录激活调节“三要素”
1、特异DNA序列 原核生物的操纵子 真核生物的顺式作用元件
2、调节蛋白 是调节基因转录的蛋白因子，如原核生物的阻遏 蛋白和CAP蛋白（降解物基因活化蛋白）、 真核生物的基本转录因子和特异转录因子等即反 式作用因子。
3、 RNA聚合酶
真核和原核细胞中的顺式作用元件
• 在原核生物中，大多数基因表达通过操 纵子模型进行调控，其顺式作用元件主 要由启动子、操纵子和调节基因组成。
7.0 基因表达调控相关的概念或观点
物种
遗传信息
DNA分子
生长
发育
分化 细胞
组织
规律
时空顺序
受精卵 关闭
基因表达 开启
活化状态
调控
功能基因组学
关闭状态
调控机制
• 人类基因组DNA中约含3.5万个基因，但 在某一特定时期，只有少数的基因处于 转录激活状态，其余大多数基因则处于 静息状态。
• 在大部分情况下，处于转录激活状态的 基因仅占5%。
乳糖操纵子的正负调控机制 -回复
乳糖操纵子的正负调控机制-回复标题：乳糖操纵子的正负调控机制引言：乳糖操纵子是一种重要的调控分子，通过对乳糖酶（LacZ）的表达进行调控，它对乳糖的正负调控起着关键作用。
本文将从基本概念、转录调控、转录后调控和其他调控因素等方面逐步阐述乳糖操纵子的正负调控机制。
一、基本概念1.1 乳糖操纵子的定义乳糖操纵子指的是编码乳糖酶的基因lacZ上游区域，其中包括乳糖操纵子区，其中包含负反馈调控元件。
1.2 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子通常由三个重要区域组成：基础RNA聚合酶结合区、诱导物识别区和酶的编码区。
基础RNA聚合酶结合区位于操纵子的上游，用于RNA聚合酶结合并启动转录过程。
诱导物识别区包含与诱导物结合的运算元素，影响乳糖操纵子的激活。
酶的编码区是lacZ基因，编码乳糖酶。
二、转录调控机制2.1 Cis-操纵子区域乳糖操纵子区通过其上游基因区域与RNA聚合酶结合，以启动转录过程。
该基因上游区域内的结构和序列特征决定了乳糖操纵子的转录调控。
2.2 转录因子乳糖操纵子受到多个转录因子的调控。
其中，CAP(catabolite activator protein)可以结合到cAMP上，形成复合物CAP-cAMP，与乳糖操纵子的启动子序列结合，增加RNA聚合酶与基础转录复合物的亲和力。
三、转录后调控机制3.1 运算子的结构乳糖操纵子的转录后调控是通过运算子实现的，运算子中含有几个互相嵌套的域，包括开关开放区和开关关闭区，以及舒适区。
3.2 高级结构的调整在缺乏诱导物的环境中，乳糖操纵子的开关闭合，阻碍RNA聚合酶结合，从而抑制乳糖酶的表达。
而在存在诱导物的环境中，乳糖操纵子发生结构的改变，开关开放，允许RNA聚合酶结合并完成转录。
四、其他调控因素4.1 基因组环境影响乳糖操纵子的调控还受到基因组环境的影响。
基因组环境中的DNA 序列和蛋白质结合位点，以及乳糖操纵子上的一些特殊序列等因素，都会对其正负调控起作用。
乳糖操纵子的正负调控机制
乳糖操纵子的正负调控机制乳糖操纵子包括三个结构基因：lacZ、lacY、lacA，以及一个操纵序列O、一个启动子P、一个调节基因I。
它受到两种调节作用，一种是正调节，即lacZ、lacY、lacA基因的表达受到lacI的正调节；另一种是负调节，即lacI基因的表达受到lacZ、lacY、lacA的负调节。
当乳糖存在时，lacI基因表达的阻遏蛋白因与乳糖结合而改变构象，不能与O序列结合，因此乳糖操纵子受乳糖的诱导。
当环境中没有乳糖时，lacI基因表达的阻遏蛋白与O序列结合，阻止了lacZ、lacY、lacA 的表达。
此外，阻遏蛋白还与lacI基因的启动子区域结合，阻止了I 基因的表达，从而减少了阻遏蛋白的合成。
另一方面，当环境中葡萄糖含量减少时，细胞需要能量来源，此时lacZ、lacY、lacA基因表达的阻遏蛋白失去活性，因此乳糖操纵子被诱导表达。
此外，细胞中的环腺苷酸受体与环腺苷酸结合后可以促进lacZ、lacY、lacA基因的表达。
综上所述，乳糖操纵子的正负调控机制是复杂的，包括乳糖和葡萄糖的诱导和阻遏作用、lacI基因表达的调节以及阻遏蛋白的合成和活性等。
这些调控作用确保了乳糖操纵子只在特定条件下表达，从而在代谢过程中发挥重要作用。
在实际应用中，人们可以利用乳糖操纵子的正负调控机制来控制代谢途径。
例如，可以通过改变环境中的葡萄糖和乳糖浓度来调节乳糖操纵子的表达水平，从而达到生产某些代谢产物的目的。
此外，人们还可以通过基因工程技术对乳糖操纵子进行改造和优化，以提高代谢途径的效率和产量。
总之，乳糖操纵子的正负调控机制是生物代谢调控的重要环节之一。
通过深入了解这一机制，我们可以更好地掌握生命活动的规律，并为工业生产和医学研究提供有益的借鉴和应用。
此外，乳糖操纵子的正负调控机制也具有深远的科学意义。
它揭示了生物体内基因表达的精细调节过程，展示了生命活动中的复杂反馈机制。
这种机制不仅存在于乳糖操纵子中，还广泛存在于其他生物分子网络中，如转录、翻译、蛋白质折叠等过程。
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乳糖操纵子——lac操纵子（负控诱导系统）
大肠杆菌乳糖操纵子结构
■ 阻遏基因I ——转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白，阻遏子
■ 启动基因P ——转录起始时RNA聚合酶的结合部位
■ 操纵基因O ——阻遏蛋白的结合部位，控制结构基因的转录
■ 结构基因Z——β-半乳糖苷酶，Y——透过酶，A——乙酰基转移酶
在DNA上的排列：
cAMP-CRP复合物结合位点—lacI—P—O—lacZ—lacY—lacA
mRNA：由Z→Y→A各生成一种酶
补充：在启动子区上游有一个独立于阻遏体系的cAMP-CRP复合物结合位点，增强激活lac的表达（过量表达）。
★lac操纵子模型：
① Z、Y、A基因产物由同一条mRNA所编码
② mRNA启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵子（O）之间不能单独起始Z、Y的高效表达。
③操纵区为阻遏物的结合位点，结合时启动区不结合RNA聚合酶，转录起始受抑制
④诱导物存在，同阻遏物结合，使阻遏物失活，激发lac mRNA合成
━详解
①诱导物——别乳糖，异构乳糖——由β-半乳糖苷酶（本底水平表达合成——阻遏物掉落原因，少量存在）催化乳糖形成。
安慰性诱导物——即类似物，IPTG，异丙基巯基半乳糖苷——不被β-半乳糖苷酶水解，研究使用。
②高乳糖情况下，阻遏物被乳糖催化后的别乳糖结合，lac mRNA合成不再受阻，同时提高了β-半乳糖苷酶、透过酶的活性，同时新的阻遏物继续合成，使得乳糖不断消耗。
如阻遏物浓度超过别乳糖，阻遏状态重新建立。
lac mRNA将较快的降解，而β-半乳糖苷酶、透过酶在一段时间内保持稳定。
③lac操纵子阻遏物mRNA是在弱启动子控制下组成型合成的，如I基因突变为强启动子则无法产生足够诱导物来克服阻遏状态。
④葡萄糖的代谢阻遏效应（间接，直接作用的是葡萄糖的代谢产物）：β-半乳糖苷酶的作用，将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖。
同时加入葡萄糖和乳糖，在耗尽外源葡萄糖之前，lac基因的表达不会诱发。
⑤cAMP受葡萄糖代谢调节：有直接关系，高浓度葡萄糖，则低浓度cAMP，反之亦然。
⑥cAMP-CRP复合物：作用：正调控因子，结合于启动子上游，是模板DNA弯曲，易于形成开放性启动子-RNA聚合酶结构。
（阻遏物起决定作用）。
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