乳糖操纵子与负控诱导系统

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
1.A基因及其生理功能
A基因是lac操纵子中的三个结构基因之一。它编码 β-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，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。
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
lac mRNA编码大量的β-半乳糖 苷酶和乳糖透过酶，结果使乳糖 大量涌进细胞
加入乳糖，在单个β-半乳糖 苷酶作用下生成异构乳糖
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，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达； 半 （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，所以启动子能够顺利起始mRNA的转录。
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 cAMP-CRP 合物是一个不同于阻遏物的正 调控因子。 cAMP-CRP复合物与启动子 区的结合是lac mRNA合成 起始所必须的。 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。 这些操纵子都是由 cAMP-CRP复合物控制 调节的。
异构乳糖诱导， 合成lac mRNA
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β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β-半乳糖苷 酶和乳糖透过酶
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 半乳糖苷酶催化降 半乳糖苷酶 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（gratuitous inducer） 慰性诱导
François Jacob
Jacques Monod
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因： 大肠杆菌乳糖操纵子包括 类基因： 类基因
①结构基因 ：lacZ、lacY、lacA。 LacZ合成β—半乳糖 结构基因 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 启动基因: 启动基因 用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成 mRNA。 ③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 操纵基因 结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。 ④调节基因 (阻遏子i)可调节操纵基因的活动，调节基因 调节基因: 调节基因 能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。
6.2.4 操纵子中的其他问题
3.操纵子的融合与基因工程
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。
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
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。
6.2.2 操 纵 子
操
Jh
模 型 及 其 影 响
型 模 控 调 的 子
纵
因 子
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
c 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，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：（1），一些诱导物可以在透过酶不存在的时进入细胞
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 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
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 腺苷酸环化酶 作用下。在真核生物的激素调节过程中起重要作 用。
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β-半乳糖的，lac+基因型大肠杆菌细胞内 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1~2个酶分子。 β-半乳糖苷酶 透过酶 2.在培养基里加入乳糖， β-半乳糖苷酶 透过酶 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 1min lac mRNA，稍后即产生 β-半乳糖苷酶 透过 半乳糖苷酶和透过 半乳糖苷酶 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
（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，真正的诱导物不是乳糖（葡萄糖-1，4-半乳糖） ，而是乳糖的异半乳糖苷酶的催 化作用下由乳糖转化而来的。所以，乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成需要有 β-半乳糖苷酶的预先存在。
6.2.4 操纵子中的其他问题
2. Lac基因产物数量上的比较
常，β-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β-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。
乳糖操纵子与负控诱导系统
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 酶的诱导——lac体系受调控的证据 操纵子模型及其影响因子 lac操纵子DNA的调控区域——P、O区 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 学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家 和 Monod在实验的基础上于 在实验的基础上于1961年 首先提出的。 在实验的基础上于 年 首先提出的。