分子生物學(xué)課件：原核調(diào)控2

1、第二節(jié)第二節(jié) 操縱子學(xué)說(shuō)操縱子學(xué)說(shuō)v操縱子模型操縱子模型 vlac操縱子的調(diào)控機(jī)理操縱子的調(diào)控機(jī)理 - 操縱子操縱子(operon) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱基因操縱基因 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 (promoter) (operator)阻遏蛋白阻遏蛋白- 操縱子操縱子(operon) 由操縱基因以及相鄰的若干結(jié)構(gòu)基因所組由操縱基因以及相鄰的若干結(jié)構(gòu)基因所組成的功能單位，其中結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受操縱成的功能單位，其中結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受操縱基因所控制?；蛩刂啤?調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)阻遏基因阻遏基因啟動(dòng)子啟動(dòng)子控制基因控制基因 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透過(guò)酶透過(guò)酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶

2、：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI lacZ編碼編碼 - 半乳糖苷酶（半乳糖苷酶（ -galactosidase）將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖把乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖。把乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖。 lacY編碼乳糖透過(guò)酶（編碼乳糖透過(guò)酶（Lactose permease）運(yùn)送乳糖過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜運(yùn)送乳糖過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜 lacA編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶（編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶（Transacetylase）把乙酰輔酶把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到上的乙?；D(zhuǎn)移到 - 半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。它在乳糖降解中不起作用。乙酰半乳糖。它在乳糖降解中不起作用。原核生物基因表達(dá)調(diào)控-半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖代

3、謝乳糖代謝生成誘導(dǎo)物生成誘導(dǎo)物葡萄糖葡萄糖半乳糖半乳糖異乳糖異乳糖 乳糖乳糖 異乳糖異乳糖 安慰性誘導(dǎo)物安慰性誘導(dǎo)物 gratuitous inducer 可誘導(dǎo)半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物可誘導(dǎo)半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物 異丙基半乳糖苷（異丙基半乳糖苷（ IPTG） 巰甲基半乳糖苷（巰甲基半乳糖苷（ TMG） O-硝基半乳糖苷（硝基半乳糖苷（ ONPG）三、乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制：三、乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制：1. 負(fù)調(diào)控（負(fù)控制）：阻遏蛋白的調(diào)控作用負(fù)調(diào)控（負(fù)控制）：阻遏蛋白的調(diào)控作用lacIPOlacZ lacY lacAlac操縱子被關(guān)閉操縱子被關(guān)閉阻遏蛋白單體阻遏蛋白單體阻遏蛋白四聚體阻

4、遏蛋白四聚體無(wú)誘導(dǎo)物時(shí)無(wú)誘導(dǎo)物時(shí)lacIPOlacZ lacY lacA-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透過(guò)酶透過(guò)酶轉(zhuǎn)乙?；皋D(zhuǎn)乙?；笩o(wú)活性阻遏蛋白無(wú)活性阻遏蛋白誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物lac操縱子被誘導(dǎo)物開(kāi)啟操縱子被誘導(dǎo)物開(kāi)啟有誘導(dǎo)物時(shí)有誘導(dǎo)物時(shí) 未誘導(dǎo)：結(jié)構(gòu)基因被阻遏 阻遏物 四聚體 LacI P O lacZ lacY lacA 圖 16- 當(dāng)無(wú)誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物結(jié)合在操縱基因上 誘導(dǎo)：基因被打開(kāi) -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 誘導(dǎo)物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱子的開(kāi)關(guān) 第一個(gè)矛盾：第一個(gè)矛盾： 誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要運(yùn)誘導(dǎo)物需

5、要lacY基因表達(dá)產(chǎn)生的透過(guò)酶；透過(guò)酶基因表達(dá)產(chǎn)生的透過(guò)酶；透過(guò)酶的產(chǎn)生又需要誘導(dǎo)物的誘導(dǎo)。的產(chǎn)生又需要誘導(dǎo)物的誘導(dǎo)。解釋：解釋：某些誘導(dǎo)物可以在沒(méi)有透過(guò)酶的情況下穿過(guò)細(xì)胞某些誘導(dǎo)物可以在沒(méi)有透過(guò)酶的情況下穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞；膜進(jìn)入細(xì)胞； 一些透過(guò)酶可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成。一些透過(guò)酶可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成。 兩個(gè)矛盾兩個(gè)矛盾第二個(gè)矛盾：第二個(gè)矛盾： 乳糖并不與阻遏物相結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是乳糖并不與阻遏物相結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是乳糖的異構(gòu)體乳糖的異構(gòu)體異乳糖，而后者是在異乳糖，而后者是在-半乳半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。糖苷酶的催化下由乳糖形成的。解釋：解釋：一些一些-半乳糖苷酶半

6、乳糖苷酶可以可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成。下合成。 兩個(gè)矛盾兩個(gè)矛盾本底組成型合成（本底組成型合成（background constitutive synthesis)： 在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lac mRNA的合成，這的合成，這種合成被稱之為本底水平的組成型合成。種合成被稱之為本底水平的組成型合成。機(jī)理：機(jī)理： 阻遏蛋白與阻遏蛋白與lacO的結(jié)合并非是經(jīng)久不變的，偶的結(jié)合并非是經(jīng)久不變的，偶而也會(huì)掉下來(lái)，而也會(huì)掉下來(lái)，RNA聚合酶就抓住這一時(shí)機(jī)進(jìn)行一聚合酶就抓住這一時(shí)機(jī)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)錄，翻譯出次轉(zhuǎn)錄，翻譯出-半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，-半乳糖苷透過(guò)酶，半乳糖

7、苷透過(guò)酶，半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。1. 操縱子是一簇基因，其表達(dá)受阻遏蛋白與操縱區(qū)互作；操縱子是一簇基因，其表達(dá)受阻遏蛋白與操縱區(qū)互作；2. lac I 基因有自己的弱啟動(dòng)子和終止子；基因有自己的弱啟動(dòng)子和終止子；lac I 阻遏蛋白阻遏蛋白總是以較低的濃度存在?？偸且暂^低的濃度存在。 阻遏蛋白是四聚物阻遏蛋白是四聚物(4 polypeptides)； 阻遏物結(jié)合到阻遏物結(jié)合到O區(qū)并阻止區(qū)并阻止RNA聚合酶進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄起聚合酶進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄起始；始； 結(jié)合并不完全，因此結(jié)合并不完全，因此lacZ, lacY, 和和lacA蛋白總能蛋白總能以較低的水平合成（本底水平表達(dá)）；以較低的水平合成

8、（本底水平表達(dá)）；Jacob-Monod 大腸桿菌大腸桿菌 lac 操縱子模型操縱子模型(總結(jié)總結(jié)):3. lac 操縱子一般處于負(fù)調(diào)控狀態(tài)操縱子一般處于負(fù)調(diào)控狀態(tài)(即在誘導(dǎo)物缺乏即在誘導(dǎo)物缺乏的條件下，的條件下，lacI 抑制了抑制了RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄聚合酶的轉(zhuǎn)錄).4. 培養(yǎng)基中有乳糖時(shí)，培養(yǎng)基中有乳糖時(shí)， -galactosidase 把乳糖轉(zhuǎn)把乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖化為異乳糖 異乳糖與阻遏蛋白相結(jié)合，使阻遏蛋白的構(gòu)異乳糖與阻遏蛋白相結(jié)合，使阻遏蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變，從而不能與操縱區(qū)相結(jié)合；象發(fā)生改變，從而不能與操縱區(qū)相結(jié)合； 異乳糖誘導(dǎo)了異乳糖誘導(dǎo)了lac 操縱子的正常表達(dá)操縱子的正常表達(dá).J

9、acob-Monod 大腸桿菌大腸桿菌 lac 操縱子模型操縱子模型(總結(jié)續(xù)總結(jié)續(xù)):5. RNA 聚合酶開(kāi)始進(jìn)行多順?lè)醋泳酆厦搁_(kāi)始進(jìn)行多順?lè)醋觤RNA的轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄合成，該合成，該mRNA含有含有l(wèi)acZ, lacY, 和和 lacA 三三個(gè)基因；個(gè)基因；6. 乳糖被消耗盡后，阻遏蛋白又與操縱區(qū)相結(jié)乳糖被消耗盡后，阻遏蛋白又與操縱區(qū)相結(jié)合，操縱子處于合，操縱子處于“off”狀態(tài)。狀態(tài)。Jacob-Monod 大腸桿菌大腸桿菌 lac 操縱子模型操縱子模型(總結(jié)續(xù)總結(jié)續(xù)):2. 正調(diào)控：正調(diào)控： cAMP-CRP的調(diào)控作用的調(diào)控作用cAMP-CRP促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，使操縱子開(kāi)啟促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，

10、使操縱子開(kāi)啟 I -70 -50 II -50 -40+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí)有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)lCAPCAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)AYZOPIRNA polCAP AYZOPI無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)CAPcAMPRNA pol CRP：cAMP受體蛋白，是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活因子，通過(guò)與受體蛋白，是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活因子，通過(guò)與cAMP的結(jié)合而被激活。葡萄糖缺乏時(shí)的結(jié)合而被激活。葡萄糖缺乏時(shí)cAMP的水平升高，的水平升高，這個(gè)復(fù)合物結(jié)合到這個(gè)

11、復(fù)合物結(jié)合到Plac上游一個(gè)位點(diǎn)從而引起上游一個(gè)位點(diǎn)從而引起DNA鏈發(fā)生鏈發(fā)生90度的彎曲，使得度的彎曲，使得RNA聚合酶結(jié)合到啟動(dòng)子上并起始轉(zhuǎn)聚合酶結(jié)合到啟動(dòng)子上并起始轉(zhuǎn)錄。錄。CRP的結(jié)合部位是反向重復(fù)序列。的結(jié)合部位是反向重復(fù)序列。 cAMP-CRP復(fù)合物與啟動(dòng)子的結(jié)合是復(fù)合物與啟動(dòng)子的結(jié)合是lac mRNA合成起始所必需的，與阻遏體系無(wú)合成起始所必需的，與阻遏體系無(wú)關(guān)，有利于形成穩(wěn)定的開(kāi)放型啟動(dòng)子關(guān)，有利于形成穩(wěn)定的開(kāi)放型啟動(dòng)子RNA聚合酶結(jié)構(gòu)。聚合酶結(jié)構(gòu)。 葡萄糖對(duì)葡萄糖對(duì)lac操縱子表達(dá)的抑制是間接的操縱子表達(dá)的抑制是間接的有葡萄糖有葡萄糖cAMP 少少 CRP不結(jié)合不結(jié)合lac操縱子關(guān)閉操縱子關(guān)閉無(wú)葡萄糖無(wú)葡萄糖cAMP多多 cAMP-CRP結(jié)合結(jié)合lac操縱子開(kāi)操縱子開(kāi)啟啟 研究發(fā)現(xiàn)，糖酵解途徑中位于葡萄糖研究發(fā)現(xiàn)，糖酵解途徑中位