乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)

1、乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)6.2.1 酶的誘導lac體系受調(diào)控的證據(jù)6.2.2 操縱子模型及其影響因子6.2.3 lac操縱子DNA的調(diào)控區(qū)域P、O區(qū)6.2.4 lac操縱子中的其他問題乳糖操縱子學說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達調(diào)控乳糖操縱子學說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達調(diào)控學說。由法國巴斯德研究所著名的科學家學說。由法國巴斯德研究所著名的科學家Jacob和和Monod在實驗的基礎(chǔ)上于在實驗的基礎(chǔ)上于1961年年 首先提出的。首先提出的。Franois Jacob Jacques Monod 大腸桿菌乳糖操縱子包括大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：類基因： 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 ：lacZ、la

2、cY、lacA。 LacZ合成半乳糖苷酶，lacY合成半乳糖苷透過酶，lacA合成半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。 啟動基因啟動基因: (即啟動子P)位于操縱基因的附近，它的作用是發(fā)出信號，mRNA合成開始，該基因也不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。 操縱基因操縱基因:(控制子O)控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速度，位于結(jié)構(gòu)基因的附近，本身不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因: (阻遏子i)可調(diào)節(jié)操縱基因的活動，調(diào)節(jié)基因能轉(zhuǎn)錄出mRNA，并合成一種蛋白，稱阻遏蛋白。 6.2.1 酶的誘導lac體系受調(diào)控的證據(jù) 1.培養(yǎng)基中在不含乳糖及-半乳糖的，lac+基因型大腸桿菌細胞內(nèi)-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透過酶透過酶的濃度很低，每個細

3、胞內(nèi)大約只有12個酶分子。 2.在培養(yǎng)基里加入乳糖， -半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透過酶透過酶的濃度很快達到細胞總蛋白量的6%或7%，每個細胞中可有超過105個酶分子。如圖：加入乳糖以后，1min內(nèi)出現(xiàn)lac mRNA，稍后即產(chǎn)生-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透過透過酶酶。當移去乳糖之后， lac mRNA總量立即下降，兩種酶的活性卻由于蛋白質(zhì)半衰期較長而在相當長的時間內(nèi)維持穩(wěn)定6.2.1 酶的誘導lac體系受調(diào)控的證據(jù)由于培養(yǎng)基中的乳糖會被誘導合成的-半乳糖苷酶半乳糖苷酶催化降解，所以實際實驗中研究誘導作用時很少使用乳糖。實驗室里常使用的乳糖類似物如下圖他們都是高效誘導物，他們都不是半乳糖苷酶的底物，

4、所以稱他們?yōu)榘舶参啃哉T導慰性誘導（gratuitous inducer）6.2.2 操縱子模型及其影響因子乳糖操縱子的控制模型的主要內(nèi)容 （1）Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼； （2）該mRNA分子的啟動區(qū)（P）位于阻遏子基因（i）與操縱區(qū) （O）之間，不能單獨起始半半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達； （3）操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點; （4）當阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制； （5）誘導物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，從而激發(fā)lac mRNA的合成。這就是說，有誘導物存在時

5、，操縱區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的轉(zhuǎn)錄。Jh 6.2.2 操縱子模型及其影響因子操縱子的調(diào)控模型6.2.2 操縱子模型及其影響因子1.Lac 操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論不能解釋的。一一，誘導物需要穿過細胞才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導物需要透過酶，后者的合成需要誘導。 解釋解釋：（1），一些誘導物可以在透過酶不存在的時進入細胞 （2），一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成。 研究表明，后者解釋是正確的。二二，真正的誘導物不是乳糖（葡萄糖-1，4-半乳糖） ，而是乳糖的異構(gòu)體異構(gòu)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轉(zhuǎn)化而

6、來的。所以，乳糖誘導-半乳糖苷酶的合成需要有-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。 解釋解釋：在沒有誘導物（異構(gòu)乳糖）存在時，會有少量的lac mRNA合成，這種合成叫做本底水平的組合型合成。6.2.2 操縱子模型及其影響因子2.大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)假設(shè)細菌在以甘油為碳源的培養(yǎng)基中加入乳糖，在單個-半乳糖苷酶作用下生成異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖誘導，合成lac mRNAlac mRNA編碼大量的-半乳糖苷酶和乳糖透過酶，結(jié)果使乳糖大量涌進細胞乳糖被降解成為葡萄糖和半乳糖，乳糖被轉(zhuǎn)換成異構(gòu)乳糖。大量異構(gòu)乳糖與阻遏物結(jié)合，阻遏物失活促成mRNA高速合成，進一步提高-半乳糖苷酶和乳糖透過酶的濃度6.2.2 操縱子模型及其影

7、響因子2.大腸桿菌對乳糖的反應(yīng) 乳糖降解產(chǎn)生的葡萄糖被當作碳源和能源，逐漸地培養(yǎng)基中和細胞中的乳糖被消耗完了。由于阻遏物一直在不斷的合成，當阻遏物的濃度超過異構(gòu)乳糖的濃度后，細胞重新建立起阻遏狀態(tài)，導致lac mRNA合成被抑制。 lac mRNA的半衰期很短，故lac mRNA幾乎從細胞中消失。而-半乳糖苷酶和乳糖透過酶結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，但隨著細胞分裂而不斷的稀釋。 如果在原有的乳糖被撤去后的一個世代中再加入乳糖，這時乳糖可以被立即開始降解。因為此時細胞內(nèi)仍有一定濃度的-半乳糖苷酶和乳糖透過酶6.2.2 操縱子模型及其影響因子3.阻遏物 lacIlacI 基因產(chǎn)物及功能 Lac操縱子阻遏物m RN

8、A是由弱啟動子控制下組成型合成的 該阻遏蛋白有4個相同的亞基，每個亞基均含有347個氨基酸殘基，并能與1IPTG分子 未經(jīng)分離分級的細胞提取物對結(jié)合能力大約為每個細胞集合20-40個IPTG，因此推測每個細胞中有5-10個阻遏分子。4.葡萄糖對lac操縱子的影響葡萄糖對lac操縱子表達的抑制是間接的。 就是說，不是葡萄糖而是他的降解產(chǎn)物抑制lac mRNA的合成。科學上把葡萄糖的這種效應(yīng)叫代謝物阻遏效應(yīng)。6.2.2 操縱子模型及其影響因子5.cAMP與代謝物激活蛋白 cAMP是由ATP轉(zhuǎn)化而來，在腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶的作用下。在真核生物的激素調(diào)節(jié)過程中起重要作用。在大腸桿菌中，cAMP的濃

9、度受到葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)。1，如果細菌在缺碳源的培養(yǎng)基中，細胞內(nèi)cAMP濃度就高2，如果細菌在含葡萄糖的培養(yǎng)基中，細胞內(nèi)的cAMP濃度就低3，如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進行糖酵解途徑的碳源，cAMP濃度就很高3，5- cAMP的結(jié)構(gòu)6.2.2 操縱子模型及其影響因子5.cAMP與代謝物激活蛋白大腸桿菌的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物， cAMP-CRP復(fù)合物是激活lac的重要組成部分。人們認為cAMP-CRP復(fù)合物是一個不同于阻遏物的正調(diào)控因子。半乳糖、麥芽糖等在降解過程當中均轉(zhuǎn)化為葡萄糖。這些糖代謝中有關(guān)的酶都是由可誘導的操縱子控制的，但只要有葡萄糖存在，這些操縱

10、子就不表達，被稱為降解物敏感型操縱子。這些操縱子都是由cAMP-CRP復(fù)合物控制調(diào)節(jié)的。cAMP-CRP復(fù)合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是lac mRNA合成起始所必須的。6.2.3 lac操縱子DNA的調(diào)控區(qū)域P、O區(qū) 分離得到含lac操縱子的DNA片段中發(fā)現(xiàn)P區(qū)一般是從I基因結(jié)束到mRNA轉(zhuǎn)錄起始位點下游5到10bp，而O區(qū)（即阻遏物結(jié)合區(qū)）位于-7到+28位，該區(qū)的堿基序列有對稱性。 如右圖，分別列舉了gal,aroH,trp,trpR和lac五個操縱子中P區(qū)及O區(qū)的相對位置6.2.4 操縱子中的其他問題 A基因是lac操縱子中的三個結(jié)構(gòu)基因之一。它編碼-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。它存在的意義？ 在自

11、然界中，半乳糖苷分子會被降解，其產(chǎn)物則不能被進一步代謝，而在體內(nèi)積累。這是非常有害的，如它會抑制細胞的正常生長。 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，這樣半乳糖的分解產(chǎn)物就不會再體內(nèi)積累了。1.A基因及其生理功能6.2.4 操縱子中的其他問題 常，-半乳糖苷酶、透過酶及乙酰基轉(zhuǎn)移酶的比例為1:0.5:0.2 。這個比例反應(yīng)了以-半乳糖苷作為唯一碳源時細胞的需要。其差異是由于在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致。調(diào)節(jié)方式有兩種：(1). Lac mRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。(2).在Lac mRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更易受到內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，因此在任何時候Z基因的