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1、乳糖操纵子的诱导原理 中心法则 thecentraldogma 基因表达 geneexpression 基因转录及翻译的过程 产生各种RNA tRNA mRNA rRNA 和各种蛋白质多肽链 RNA tRNA mRNA和rRNA 组成型表达 constitutivegeneexpression 在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达 无论表达的水平高或低 它受环境因素的影响较少 或变化很小 且基因表达产物通常是对生命过程必需的 必不可少的 这类基因通常被称为持家基因 housekeepinggene 相关定义 诱导和阻遏表达 诱导 induction 在特定的环境信号刺激下
2、相应基因被激活 从而使基因的表达产物增加 这类基因称为可诱导基因 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程 称为诱导 induction 乳糖 利用乳糖的三种酶表达阻遏 repression 在特定环境信号刺激下 相应基因被抑制 从而使基因的表达产物减少 这类基因称为可阻遏基因 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 repression 相关定义 协调表达 coordinateexpression 在一定机制控制下 功能上相关的一组基因 无论其为何种表达方式 均需协调一致 共同表达 使各表达产物的分子比例适当 从而正常发挥功能 这种现象称为协调表达 coordinateexpression 这
3、种调节称为协调调节 coordinateregulation 相关定义 乳糖操纵子的结构和功能 操纵子模型的提出1960 1961年 莫洛 Monod 和雅各布 Jacob 首次提出 操纵子 学说 获1965年诺贝尔生理学和医学奖1940年 Monod发现 细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时 细菌先利用葡萄糖 葡萄糖用完后 才利用乳糖 在糖源转变期 细菌的生长会出现停顿 即产生 二次生长曲线 操纵子 operon 很多功能相关的结构基因串联排列在染色体上 由一个共同的控制区来操纵这些基因的表达 包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子 操纵子的组成 结构基因 structural
4、gene SG 操纵元中被调控的编码蛋白质的基因 启动子 promoter P 是指能被RNA聚合酶识别 结合并启动基因转录的一段DNA序列 操纵基因 operator O 是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列 阻遏物基因 inhibitor I 产生阻遏物 repressor 乳糖操纵子的结构和功能 三个特异性序列 操纵序列O operator 阻遏蛋白结合位点 启动子P promoter 位于结构基因的上游 CAP结合位点 环cAMP受体蛋白 分解代谢物激活蛋白 结合位点 一个调节基因lacI 编码阻遏蛋白 能结合于操纵序列位点 乳糖操纵子的结构和功能 结构基因Z编码 半乳糖苷酶 将
5、乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 Y编码 半乳糖苷透过酶 使外界的 半乳糖苷 如乳糖 能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内 A编码 半乳糖苷乙酰基转移酶 乙酰辅酶A上的乙酰基转到 半乳糖苷上 形成乙酰半乳糖 乳糖操纵子的结构和功能 当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息 而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时 这样的mRNA称之多顺反子mRNA 多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的 多顺反子lacmRNA中的lacZ lacY lacA经翻译生成的产物分别生成代谢分解乳糖的三种酶始终存在着一定的比例关系 Z Y A 5 2 1 乳糖操纵子的结构和功能 乳糖操纵子的结构和功能 lacZ Y A
6、基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白R所控制 lacI一般和结构基因相毗连 但它本身具有自己的启动子和终止子 成为独立的转录单位 由于lacI的产物是可溶性蛋白 按照理说是无需位于结构基因的附近 它是能够分散到各处或结合到分散的DNA位点上 乳糖操纵子的结构和功能 阻遏蛋白的负调控 negativecontrolofrepressor 阻遏蛋白的负调节 negativecontrolofrepressor 无乳糖 nolactose lac操纵元处于阻遏状态 repression 有乳糖 presenceoflactose lac操纵元即可被诱导 derepression induct
7、ion 诱导剂 inducer 别乳糖 半乳糖 IPTG 异丙基硫代半乳糖苷 TheLacOperon WhenGlucoseIsPresentButNotLactose RNAPol Comeon letmethrough Noway TheLacOperon WhenLactoseIsPresentButNotGlucose Lac Thislactosehasbentmeoutofshape Yeah RNAPol 乳糖操纵子的调控机理 乳糖操纵子诱导物 别乳糖 allolactose 是诱导物 为什么选用IPTG作诱导物 能诱导酶的合成 但又不被分解的分子 称为安慰诱导物 gratui
8、tousinducer 由于乳糖虽可诱导酶的合成 但又随之分解 产生很多复杂的动力学问题 因此人们常用安慰诱导物来进行各种实验 X gal 5 溴 4 录 3 吲哚 半乳糖苷 也是一种人工化学合成的半乳糖苷 可被 半乳糖苷酶水解产生兰色化合物 因此可以用作 半乳糖苷酶活性的指示剂 IPTG和X gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中 为什么选用IPTG作诱导物 某些诱导物与自然的 半乳糖苷酶相似 且不能被酶分解 比如异丙基 D 硫代半乳糖苷 isopropylthiogalactoside IPTG 不被细菌分解性质稳定 它的浓度在实验中不会改变 复杂的动力学问题 便于研究 IPTG
9、能在缺乏lacY基因下而有效地被运送 为什么选用IPTG作诱导物 乳糖 葡萄糖 1 4 D 半乳糖苷 半乳糖苷键中用硫代替了氧 失去了水解活性 但硫代半乳糖苷和同源的氧代化合物与酶位点的亲和力相同 IPTG虽不为 半乳糖苷酶所识别 但它是lac基因簇十分有效的诱导物 乳糖操纵子的CAP正调控 PositiveControlofCAP CAP cataboliteactivatorprotein 分解代谢基因激活蛋白又称为CRP cAMPreceptorprotein lacoperon高水平转录必需的一个激活蛋白 CAP 同二聚体 含DNA结合区 以二聚体的方式与特定的DNA序列结合cAMP结
10、合区 与cAMP特异结合 并发生空间构象的变化 形成cAMP CAP复合物 有活性 乳糖操纵子的CAP正调控 PositiveControlofCAP 当CAP与CAP结合位点这段序列结合时 可激活RNA转录酶活性 使之提高50X葡萄糖 降解产物ATP cAMP 5 AMPCRP 非活性状态 CAP 活性状态 乳糖操纵子的CAP正调控 PositiveControlofCAP 无葡萄糖 cAMP浓度高时促进转录 有葡萄糖 cAMP浓度低时不促进转录 乳糖操纵子的CAP正调控 PositiveControlofCAP 葡萄糖效应 当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生长时 通常优先利用葡萄糖 只
11、有当葡萄糖消耗完 经过一段停滞期 在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成 细菌才能充分利用乳糖 葡萄糖的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性 并活化磷酸二脂酶 因而降低cAMP的浓度 所以葡萄糖存在时 cAMP浓度低 仅在葡萄糖消耗完毕时 cAMP浓度增高 CAP cAMP复合物形成 结合于lacoperonCAP结合位点 才会促进转录 乳糖操纵子的协调调控 coordinateregulation 由于Plac是弱启动子 单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵元转录开放 还不能使细菌很好利用乳糖 必需同时有CAP来加强转录活性 细菌才能合成足够的酶来利用乳糖 关键条件 lac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存
12、在又需要没有葡萄糖可供利用 Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双重调控 TheLacOperon WhenLactoseIsPresentButNotGlucose Lac Thislactosehasbentmeoutofshape BindtomePolymerase Yeah RNAPol TheLacOperon WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresent BindtomePolymerase RNAPol STOPRighttherePolymerase Comeon letmethrough Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双重调控 负
13、调节与正调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时 CAP不发挥作用如没有CAP加强转录 即使阻遏蛋白R从P上解聚仍无强大转录活性 葡萄糖 乳糖共同存在时 细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度 阻碍其与CAP结合从而抑制转录 生物学意义 适应环境 环境中的营养供给时刻可能发生变化 细菌等原核生物 还有部分单细胞真核生物就必须对环境的改变做出迅速的反应 以适应不同的代谢底物 维持个体生长发育与分化 操纵子在非诱导状态 基因没有表达 也就不存在透性酶 那诱导物是如何进入细胞的 本底表达 在细胞中透性酶等总是以最低量存在着 足以供给底物开始进入时的需要 也就是说 操纵子有一个本底水平 basallevel 的表达 即使没有诱导物的存在 也保持此表达水平 诱导水平的0 1 有的诱导物是通过其他吸收系统进入细胞的 小结 Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双重调控 lac操纵子中的一组基因有两道控制开关 只有两道开关同时打开时 即满足缺乏葡萄糖并存在乳糖条件时 基因才能够转录
