乳糖操纵子与负控诱导系统讲解.ppt

乳糖操纵子与负控诱导系统 1 酶的诱导——lac体系受调控的证据 2 操纵子模型及其影响因子 3 lac操纵子DNA的调控区域——P、O区 4 lac操纵子中的其他问题 * 乳糖操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控学说。由法国巴斯德研究所著名的科学家Jacob和Monod在实验的基础上于1961年 首先提出的。 Fran?ois Jacob Jacques Monod 大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因： ①结构基因 ：lacZ、lacY、lacA。 LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成β—半乳糖苷透过酶，lacA合成β—半乳糖苷乙酰基转移酶。 ②启动基因: (即启动子P)位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成mRNA。 ③操纵基因:(控制子O)控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。 ④调节基因: (阻遏子i)可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。 1 酶的诱导——lac体系受调控的证据 1.培养基中在不含乳糖及β-半乳糖的，lac+基因型大肠杆菌细胞内β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞内大约只有1~2个酶分子。 2.在培养基里加入乳糖， β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。 如图：加入乳糖以后，1min内出现lac mRNA，稍后即产生β-半乳糖苷酶和透过酶。当移去乳糖之后， lac mRNA总量立即下降，两种酶的活性却由于蛋白质半衰期较长而在相当长的时间内维持稳定 1 酶的诱导——lac体系受调控的证据 由于培养基中的乳糖会被诱导合成的β-半乳糖苷酶催化降解，所以实际实验中研究诱导作用时很少使用乳糖。 实验室里常使用的乳糖类似物如下图 他们都是高效诱导物，他们都不是半乳糖苷酶的底物，所以称他们为安慰性诱导（gratuitous inducer） 2 操纵子模型及其影响因子 乳糖操纵子的控制模型的主要内容 （1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码； （2）该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏子基因（i）与操纵区 （O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达； （3）操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点; （4）当阻遏物与操纵区相结合，lac mRNA的转录起始受到抑制； （5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lac mRNA的合成。这就是说，有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的转录。 Jh .2 操纵子模型及其影响因子 操纵子的调控模型 6.2.2 操纵子模型及其影响因子 1.Lac 操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论不能解释的。 一，诱导物需要穿过细胞才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成需要诱导。 解释：（1），一些诱导物可以在透过酶不存在的时进入细胞 （2），一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成。 研究表明，后者解释是正确的。 二，真正的诱导物不是乳糖（葡萄糖-1，4-半乳糖） ，而是乳糖的异构体——异构乳糖（葡萄糖-1，6-半乳糖），而后者是在β-半乳糖苷酶的催化作用下由乳糖转化而来的。所以，乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成需要有β-半乳糖苷酶的预先存在。 解释：在没有诱导物（异构乳糖）存在时，会有少量的lac mRNA合成，这种合成叫做本底水平的组合型合成。 6.2.2 操纵子模型及其影响因子 2.大肠杆菌对乳糖的反应 假设细菌在以甘油为碳源的培养基中 加入乳糖，在单个β-半乳糖苷酶作用下生成异构乳糖 异构乳糖诱导，合成lac mRNA lac mRNA编码大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶，结果使乳糖大量涌进细胞 乳糖被降解成为葡萄糖和半乳糖，乳糖被转换成异构乳糖。 大量异构乳糖与阻遏物结合，阻遏物失活促成mRNA高速合成，进一步提高-半乳糖苷酶和乳糖透过酶的浓度 6.2.2 操纵子模型及其影响因子 2.大肠杆菌对乳糖的反应 乳糖降解产生的葡萄糖被当作碳源和能源，逐渐地培养基中和细胞中的乳糖被消耗完了。由于阻遏物一直在不断的合成，当阻遏物的浓度超过异构乳糖的浓度后，细胞重新建立起阻遏状态，导致lac mRNA合成被抑制。 lac mRNA的半衰期很短，故lac mRNA几乎从细胞中消失。而β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶结构很稳定，但随着细胞分裂而不断的稀释。 如果在原