乳糖操纵子分析
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。
简述乳糖操纵子的基本结构
简述乳糖操纵子的基本结构
乳糖操纵子是一种普遍应用于乳制品行业的蛋白质结构，它的结构形式是一种固定的弯折模式，通常分为两个链乳清蛋白链和乳糖操纵子链构成一个紧密结合的二硫键桥状结构。
这种结构使它在乳制品行业中有着重要应用。
乳清蛋白链是由乳清蛋白（也称为钙乳清蛋白）异种多肽（例如β-乳清蛋白和α-乳清蛋白）组成，每个肽由170至250个氨基酸残基组成，被5个硫键桥相互结合，形成一种含有34层β折叠穹顶的
安全多肽结构。
由于乳清蛋白的穹顶层有一个硫键桥弯折的结构，因此，乳清蛋白链有一个可以控制乳清蛋白结构的潜在柔软的穹顶结构。
乳糖操纵子链由7个识别事件结构域（IDE）组成，每个IDE由
若干个残基组成，它们形成双螺旋结构，同时每个IDE都有一个显著的穹顶槽，其中包含深度低至4-5的穹顶结构，负责定位和结合乳清蛋白。
此外，IDE还有一个二硫键桥配体的底部结构，可以使乳清蛋白/乳糖操纵子链结合在一起，形成一个紧密结合的二硫键桥状结构。
乳糖操纵子链中的IDE内也含有多种交互，包括构象决定多肽不可逆结合、构象决定多糖醛酸结合、构象决定芋头素结合、构象决定乳蛋白结合以及构象决定酸化亚硝酸盐结合等。
当不同构象域结合，它们就可以形成乳糖操纵子。
总之，乳糖操纵子是一种普遍应用于乳制品行业的蛋白质结构，它的基本结构由一个由乳清蛋白异种多肽构成的乳清蛋白链和一个
由7个事件结构域构成的乳糖操纵子链结合的二硫键桥形式组成。
此
外，乳清蛋白链的穹顶层有着一个可以控制乳清蛋白结构的柔软结构，乳糖操纵子链中的识别事件结构域内也含有多种交互，它们可以形成乳糖操纵子，从而在乳制品行业中发挥着重要作用。
乳糖操纵子
葡萄糖
cAMP
Lac操纵子被抑制 Lac操纵子被抑制
+ + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖， 无葡萄糖，cAMP浓度高时 浓度高时
CAP
有葡萄糖， 有葡萄糖，cAMP浓度低时 浓度低时
原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子） 乳糖操纵子）
基因表达的外界信号 基因表达的负调控 基因表达的负调控 基因表达的正调控 基因表达的正调控 正、负调控协同表达 葡萄糖、乳糖浓度的变化 葡萄糖、 Lac阻遏物 阻遏物与操纵基因 Lac阻遏物与操纵基因 cAMP+CAP与相应的DNA序列 与相应的DNA cAMP+CAP与相应的DNA序列
Order of controlling elements and genes: lacI: promoter-lacI-terminator operon: promoter-operator-lacZ-lacY-lacA-terminator
-47 — -84
-47 — -8
-3 — +21
-54 —-58 -65 —-69
说明： 说明： 合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z ◆ I+合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z基 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物， 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物，使阻 遏物失活 产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z ◆ I-产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z基因 就可表达 ◆ I+ 对I-显性
结构
调控基因 控制位点
I
结构基因
Y a DNA
阻 遏 蛋 白
描述乳糖操纵子的作用过程
乳糖操纵子是参与乳糖分解的一个基因群，由乳糖系统的阻遏物和操纵序列组成，使得一组与乳糖代谢相关的基因受到同步的调控。
以下是乳糖操纵子的作用过程：
首先，乳糖操纵子受到阻遏物的调节。
当阻遏物结合乳糖或类似物时，会从活跃构象转变为非活跃构象，从而关闭乳糖操纵子，防止乳糖的分解和利用。
当没有乳糖存在时，阻遏物与操纵序列结合，使得乳糖分解相关的三个结构基因（lacZ、lacY、lacA）表达被抑制，这是乳糖操纵子的“关闭状态”。
然而，当乳糖存在时，它会与阻遏物结合并使其转变为非活性状态，从而解除对结构基因表达的抑制。
此时，乳糖操纵子进入“开启状态”，使得lacZ、lacY、lacA三个结构基因得以表达。
lacZ基因编码β-半乳糖苷酶，它是分解乳糖的第一个酶，负责将乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码转乙酰基酶，它催化半乳糖乙酰化，可能参与不能分解的β-半乳糖的乙酰化而解毒和排出细胞；lacA基因编码半乳糖苷转硫酶，它催化乳糖的分解。
以上信息仅供参考，建议查阅关于乳糖操纵子的资料获取更全面
和准确的信息。
乳糖操纵子名词解释
乳糖操纵子名词解释乳糖操纵子(lactose operation)能合成和分泌乳糖的一类重要细胞，它们分布在不同类型的细胞内。
乳糖操纵子中的酶系有的是糖苷酶，有的是羧酸酯酶，还有一些是复合酶。
目前已发现的操纵子有七种类型，但只有两个编码，不论是催化水解乳糖还是释放乳糖的酶均是如此。
乳糖操纵子分布在所有高等动物组织中，哺乳类有两种：insulin- like autoantibody-抗胰岛素样蛋白4;一种乳糖操纵子，由四个区域组成，分别编码降血糖蛋白4(hypoglycemic-like autoantibody-抗胰岛素样蛋白4)，降血糖蛋白5(hypoglycemic-like albumin-抗胰淀粉样蛋白)和乳糖操纵子自身。
此外尚有由insulin- like autoantibody-抗胰岛素样蛋白4(抗-4)与血浆蛋白G、铁蛋白、转铁蛋白结合的复合体，即乳糖操纵子复合体(oligosaccharide-like autoantibody complex-球蛋白操纵子复合体)，也可能存在于不同细胞。
其中抗-4分子量为50万，具有与抗-4同源的抗胰岛素样蛋白4抗原决定簇，不受胰岛素影响，当它和其它球蛋白合成后，会结合于巨噬细胞膜上，并被膜内的锌粒子中和，再与巨噬细胞内的受体结合，从而阻断胰岛素与受体结合，进入细胞内的胰岛素失去降血糖作用。
至今只发现一种能降低血糖的操纵子，此种操纵子也称为受体型操纵子。
此种操纵子是位于酪氨酸磷酸酶基因上游，酪氨酸激酶基因下游，有关的其他基因几乎均已克隆。
当激活后，位于上游的酪氨酸磷酸酶基因激活使细胞内游离的酪氨酸浓度增加，酪氨酸水解成磷酸肌醇和磷酸胆碱释放入血液循环中，这将使血糖降低;而酪氨酸磷酸酶则与血清白蛋白结合，阻止白蛋白转运氨基酸，抑制氨基酸通过白蛋白进入血液，也可以抑制外周组织对氨基酸的利用。
该操纵子中的受体称为“受体酪氨酸磷酸酶”。
该操纵子也可能参与葡萄糖和脂肪酸的代谢。
乳糖操纵子的结构和调控机制
乳糖操纵子的结构和调控机制1. 引言乳糖操纵子是一种具有重要生理功能的DNA序列。
它在哺乳动物中起着调控乳糖代谢的关键作用。
本文将详细介绍乳糖操纵子的结构和调控机制，以及其在生物学中的重要性。
2. 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子通常位于哺乳动物基因组中与乳糖代谢相关基因附近。
它是一个DNA序列，由一系列核苷酸组成。
根据不同物种和基因型的差异，乳糖操纵子可以具有不同长度和组成。
乳糖操纵子通常包含两个重要的元件：增强子和启动子。
增强子位于启动子上游，可以增加启动子活性，促进基因转录。
启动子位于基因上游，包含转录起始位点(TSS)，是转录过程中RNA聚合酶与DNA结合的地点。
除了增强子和启动子，乳糖操纵子还可能包含其他调控元件，如转录因子结合位点和DNA甲基化位点。
这些元件的存在与特定物种和基因型相关，对乳糖操纵子的调控起到重要作用。
3. 乳糖操纵子的调控机制乳糖操纵子的调控机制涉及多个因素，包括转录因子、共激活子和染色质结构等。
下面将详细介绍几个重要的调控机制。
3.1 转录因子转录因子是乳糖操纵子调控的关键因素之一。
在乳腺细胞中，乳糖操纵子上的转录因子LacI结合到增强子上，阻止RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制基因转录。
而在肝脏细胞中，另一种转录因子HNF-1α结合到增强子上，促进RNA聚合酶与启动子结合，增强基因转录。
3.2 共激活子共激活子是在乳糖操纵子调控过程中发挥重要作用的辅助蛋白质。
它们与转录因子一起结合到乳糖操纵子上，增强转录活性。
共激活子可以通过多种方式影响乳糖操纵子的调控，如改变染色质结构、招募其他转录因子等。
3.3 染色质结构染色质结构在乳糖操纵子调控中起着重要作用。
在非活化状态下，乳糖操纵子通常处于紧密的染色质状态，难以被转录因子和共激活子访问。
而在活化状态下，染色质会发生重塑，使得乳糖操纵子暴露在核内，便于转录因子和共激活子的结合。
4. 乳糖操纵子的生物学重要性乳糖操纵子在生物学中具有重要的功能和意义。
基因调控-乳糖操纵子
乳糖操纵子在生物工程中的优化与应用
乳糖操纵子在生物工程领域具有潜在的应用价值，例如用于构建基因表达调控系统。通过优化乳糖操 纵子的元件和调控机制，可以开发出更高效、更精确的基因表达调控工具。
研究可以探索将乳糖操纵子与其他基因调控机制结合，以实现更复杂的基因表达模式。这种结合可以 为生物工程领域提供更多创新性的解决方案，例如用于生产生物药物、工业酶或改良作物品种等应用 。
特点
乳糖操纵子具有高度的可诱导性，当环境中乳糖浓度升高时，相 关基因的表达水平也随之升高，当乳糖浓度降低时，相关基因的 表达水平也随之降低。
乳糖操纵子的结构与组成
结构基因Z、Y、A
分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷 透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，这些酶 在乳糖代谢中起关键作用。
调节基因I
编码阻遏蛋白，该蛋白可与乳糖操纵 子上的O序列结合，抑制结构基因的 表达。
适应性进化研究
乳糖操纵子可应用于适应性进化研究中，通过研究乳糖操纵子在不同环境下的适应性变化，揭示生物对环境的适 应机制。
05
未来展望与研究方向
乳糖操纵子与其他基因调控机制的关系
乳糖操纵子是原核生物中一种典型的基因调控机制，通过与 阻遏蛋白的相互作用来调节基因的表达。未来研究可以探索 乳糖操纵子与其他基因调控机制之间的相互作用和关系，以 更全面地理解基因表达的复杂性。
乳糖操纵子的功能与作用机制
功能
乳糖操纵子在乳糖存在时表达相关酶， 将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖，供细 胞代谢利用。
作用机制
当环境中乳糖浓度升高时，乳糖通过 与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失去活 性，从而解除对结构基因表达的抑制 作用，使相关酶得以表达。
02
基因调控的原理
基因表达的调控
乳糖操纵子
乳糖操纵子乳糖操纵子是参与乳糖分解的一个基因群，由乳糖系统的阻遏物和操纵序列组成，使得一组与乳糖代谢相关的基因受到同步的调控。
1961年雅各布（F．Jacob）和莫诺德（J．Monod）根据对该系统的研究而提出了著名的操纵子学说。
在大肠杆菌的乳糖系统操纵子中，β-半乳糖苷酶，半乳糖苷渗透酶，半乳糖苷转酰酶的结构基因以LacZ（z），Lac Y（y），Lac A（a）的顺序分别排列在染色体上，在z的上游有操纵序列Lac O（o），更前面有启动子Lac P（p），这就是操纵子（乳糖操纵子）的结构模式。
编码乳糖操纵系统中阻遏物的调节基因Lac I（i）位于和p上游的临近位置。
细菌相关功能的结构基因常连在一起，形成一个基因簇。
它们编码同一个代谢途径中的不同的酶。
一个基因簇受到同一的调控，一开俱开，一闭俱闭。
也就是说它们形成了一个被调控的单位，其它的相关功能的基因也包括在这个调控单位中，例如编码透过酶的基因，虽它的产物不直接参与催化代谢，但它可以使小分子底物转运到细胞中。
乳糖分解代谢相关的三个基因，lacZ、Y、A就是很典型的是上述基因簇。
它们的产物可催化乳糖的分解，产生葡萄糖和半乳糖。
它们具有顺式作用调节元件和与之对应的反式作用调节因子。
三个结构基因图的功能是：lacZ编码β-半乳糖苷酶（β-galactosidase），此酶由500kd的四聚体构成，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖lacY编码β一半乳糖苷透性酶(galactoside permease)，这种酶是一种分子量为30kDd膜结合蛋白，它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中。
lacA编码β-硫代半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactosidetransacetylase），其功能只将乙酰-辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上。
无论是lacZ发生突变还是lacY发生突变却可以产生lac-型表型，这种lac-表型的细胞不能利用乳糖。
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RNA 调节蛋白
正调节蛋白+操作子
结构基因转录、表达
基因活化，结构基因表达 （正控制/正调节 ）
负调节蛋白+操作子
结构基因转录、表达
基因失活，结构基因组成型表达 （负控制/负调节 ）
根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分： 隐性的组成型表达——负控制系统 结构基因处于不可诱导状态——正控制系统
根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性 ——诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性 ——阻遏
操纵子调控系统的基本类型
❖可诱导负控制系统 ❖可诱导正控制系统 ❖可阻遏负控制系统 ❖可阻遏正控制系统
• 正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而 是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调 控又有负调控； 原核生物以负调控为主，真核生物以正调 控为主； 降解代谢途径中既有正调控又有负调控； 合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身 的合成。
lacA
β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷通透酶β-半乳糖苷乙酰基转移酶
乳糖操纵子的负控制-可诱导机制
异 乳糖等诱导物 阻遏蛋白单体
阻遏蛋白四聚体
• 四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控
• 葡萄糖效应—培养基中有葡萄糖存在时，即使 有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵 子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控 制机制决定。
DNA RNA
Protein
调控（节）蛋白
操纵子
调控蛋白的作用机制
注：R：Regulator P：Promoter
O：Operator
正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer)
负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)
• 二、正调控与负调控
• 调节ห้องสมุดไป่ตู้因
达，突变位点位于调节基因和操作子上。
乳糖操纵元表达受阻状态（缺乏诱导物）
The lactose operon in the repressed state (in the absence of an inducer)
• A：乳糖操纵子组成部分；
• B：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因不表达；
• 乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.
• 三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导) • 乳糖操纵子的组成：1个启动子(promoter)、2
个操作子(operator)、3个结构基因 • 诱导因子： （异乳糖、ß-半乳糖苷、异丙基硫
代半乳糖苷IPDG） • 乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表
大肠杆菌乳糖操纵子的结构及 其正负调控
一、操纵子与操纵子模型
• 操纵子学说/操纵子模型： F.Jacob J.Mond （1960）E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生 理学奖)
• 操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本 单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（P）
组成。
转录、翻译、合成蛋白
• 如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:
• ①. β-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄 糖
• ②. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和 半乳糖
• ③. 转乙酰酶：β-半乳糖转变成乙酰半乳糖
• 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加， 几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比 例地增加.
C. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 有乳糖时，基因表达；
D. 调节基因突变(I-O+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达；
E. 操纵基因突变型(I＋OcZ+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达。
RP O
structural genes
lacZ lacY
lacA
lacZ lacY
• 葡萄糖抑制操纵子的原理：
葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法 转变成cAMP 不能形成CAP-cAMP复合蛋白 RNA酶无法结合在DNA上 结构基因不表达。
无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP -CAP复合物 结合CAP
乳糖操纵子：两个开关 第一：cAMP -CAP复合物 ——受葡萄糖影响
结合调节蛋白 结合RNA聚合酶
promoter operator 启动基因 操纵基因
structural genes 结构基因
操纵子(operon)模型
R
PO
structural genes
＋ 正调控（positive regulation) － 负调控 (negative regulation)