乳糖操纵子简介

1、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。乳糖操纵子三个特异性序列：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lac I：编码阻遏蛋白，能结合于操纵序列位点。操纵子的组成：-结构基因 (structural 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

2、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) 。结构基因? Z 编码 -半乳糖苷酶：将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。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。

3、多顺反子mRNA 在细菌中是很普遍的。多顺反子 lac mRNA 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)lacZ、Y、A 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。阻遏蛋白的负调节(negative control of repressor)无乳糖 (no lactose): lac

4、 操纵元处于阻遏状态(repression)有乳糖 (presence of lactose) ： lac 操纵元即可被诱导(derepression,induction)诱导剂 (inducer):别乳糖、半乳糖、IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）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（gratuitous inducer ）。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

5、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。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能在缺乏lacY 基因下而有效地被运送。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（ Positiv

6、e Control of CAP ）CAP(catabolite activatorprotein)- 分解代谢基因激活蛋白, 又称为CRP (cAMPreceptor protein),lac operon 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）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）无葡

7、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lac operon CAP 结合位点 )，才会促进转录。乳糖操纵子的协调调控(coordinate regulation)由于 Plac 是弱启动子

8、，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 的双重调控负调节与正调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用葡萄糖如没有 CAP加强转录，即使阻遏蛋白/ 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R 从 P 上解聚仍无强大转录活性CAP结合从而抑制转录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（ basal level）的表达，即使没有诱导物的存在，也保持此表达