乳糖操纵子课件

乳糖操纵子

动物学刘林林乳糖操纵子

基因表达调控的基本概念乳糖操纵子主要内容：乳糖操纵子1基因表达调控的基本概念基因表达（geneexpression）:基因转录及翻译的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。

rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达

组成性表达(constitutiveexpression)：不易受环境变化而变化的一类基因的表达。

基因的差别表达(differentialgeneexpression):

在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，而另一些基因在该条件下却关闭。乳糖操纵子

基因表达的时、空特异性

时间特异性（temporalspecificity）：某些基因的表达严格按照特定的时间顺序进行。

空间特异性(spatialspecificity)：某些基因在个体不同组织细胞中按照一定的顺序表达。又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。

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分类：持(看)家基因(housekeepinggenes):始终或经常性开启的基因,是维持细胞基本生命活动所必须的，如编码组成性蛋白的基因。奢侈基因（luxurygene），指编码组织特异性蛋白的基因(tissue-specificgene)，对细胞分化有重要影响，如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。乳糖操纵子

基因表达调控的意义：适应环境、维持个体的生长发育、分化和增殖。

基因表达的调控水平：转录水平（transcriptionalregulation）的调控；转录后水平（post-transcriptionalregulation）的调控（RNA加工水平上的调控；翻译水平上的调控）。组成性酶与诱导酶组成性酶：不经诱导就经常而大量地存在于细胞中。诱导酶：需经诱导才能（大量）产生。乳糖操纵子

调节蛋白（转录调节因子）：由调节基因所编码的蛋白因子。负调节蛋白：阻遏蛋白正调节蛋白：激活蛋白

根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答情况，可分为：正转录调控（正控制）和负转录调控（负控制）。乳糖操纵子

负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无活性,不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。

正转录调控：调节基因产物是激活蛋白（activator），起着激活结构基因转录的作用。正控诱导：效应物分子的存在使激活蛋白处于活性状态。正控阻遏：效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。乳糖操纵子负控诱导负控阻遏正控诱导正控阻遏乳糖操纵子2大肠杆菌的乳糖操纵子二度生长现象（葡萄糖效应，降解物阻遏效应）当葡萄糖和另一种须经诱导才能利用的糖同时存在时，E.coli总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。β-半乳糖苷酶的诱导乳糖操纵子lac操纵子的本底水平表达

有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？(×)

一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？(√)②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的预先存在。解释：在本底水平上,有β-半乳糖苷酶的组成型合成,即,在非诱导状态下,lacZ操纵子有本底水平上的表达（有少量lacmRNA合成及翻译）。乳糖操纵子

安慰性诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）和TMG(巯甲基半乳糖苷)等。乳糖操纵子E.colilac操纵子学说的提出

操纵子：由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相关的结构基因所组成的转录单位。操纵基因受调节基因产物的控制。乳糖操纵子

乳糖操纵子调控模型①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。②启动子区(P)紧接着操纵区(O)区。③操纵区(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点。④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA转录起始受到抑制。Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-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β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。乳糖操纵子在细菌中同时存在着诱导和阻遏的现象。诱导是细菌调节其分解底物供给生长的能力。阻遏是细菌调节其合成代谢产物的能力。无论是酶作用的小分子底物的调节，还是酶活性的产生，它们的启动是独自的，小分子底物称为诱导物（inducers）某些物质能阻止酶合成它们本身，此物质就称辅阻遏物（corepressors）。乳糖操纵子诱导物（乳糖或IPTG）存在，与阻遏物结合时阻遏物从操纵基因上头里下来，RNA聚合酶可通过启动子和操作基因正常转录出一条多顺反子mRNA从可翻译得到三种酶操纵子控制的重要特性是阻遏物的双重性：它既能阻止转录，又能识别小分子诱导物。阻遏物有2个结合位点：一个是结合诱导物的，另一个是结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的活性。这种类型的调控叫变构调控乳糖操纵子多亚基蛋白具有特殊的遗传特性活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体当野生型和突变型亚基都存在时，一个突变型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三个亚基都是野生型的（即显性负效应）。突变发生在DNA结合位点，可以这样解释突变效应：只有抑制物中4个亚基的DNA结合位点都处于正常时，整个蛋白质才有活性。乳糖操纵子乳糖操纵子操纵子的调控1.抑制物结合诱导物（乳糖）后从操纵基因上脱离抑制物与诱导物结合发生构象变化，使它与DNA的亲和力降低，因而从操纵基因上脱离。乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP乳糖操纵子TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!乳糖操纵子TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!乳糖操纵子

lac操纵子的双重调控乳糖操纵子Summary

CarbohydratesActivatorproteinRepressorproteinRNApolymeraselacOperon+GLUCOSE+LACTOSENotboundtoDNALiftedoffoperatorsiteKeepsfallingoffpromotersiteNotranscription+GLUCOSE-LACTOSENotboundtoDNABoundtooperatorsiteBlockedbytherepressorNotranscription-GLUCOSE-LACTOSEBoundtoDNABoundtooper