第七章 乳糖操纵子知识讲解
乳糖操纵子概述课件
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
乳糖操纵子
葡萄糖
cAMP
Lac操纵子被抑制 Lac操纵子被抑制
+ + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖， 无葡萄糖，cAMP浓度高时 浓度高时
CAP
有葡萄糖， 有葡萄糖，cAMP浓度低时 浓度低时
原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子） 乳糖操纵子）
基因表达的外界信号 基因表达的负调控 基因表达的负调控 基因表达的正调控 基因表达的正调控 正、负调控协同表达 葡萄糖、乳糖浓度的变化 葡萄糖、 Lac阻遏物 阻遏物与操纵基因 Lac阻遏物与操纵基因 cAMP+CAP与相应的DNA序列 与相应的DNA cAMP+CAP与相应的DNA序列
Order of controlling elements and genes: lacI: promoter-lacI-terminator operon: promoter-operator-lacZ-lacY-lacA-terminator
-47 — -84
-47 — -8
-3 — +21
-54 —-58 -65 —-69
说明： 说明： 合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z ◆ I+合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z基 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物， 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物，使阻 遏物失活 产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z ◆ I-产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z基因 就可表达 ◆ I+ 对I-显性
结构
调控基因 控制位点
I
结构基因
Y a DNA
阻 遏 蛋 白
乳糖操纵子的结构和调控机制
乳糖操纵子的结构和调控机制1. 引言乳糖操纵子是一种具有重要生理功能的DNA序列。
它在哺乳动物中起着调控乳糖代谢的关键作用。
本文将详细介绍乳糖操纵子的结构和调控机制，以及其在生物学中的重要性。
2. 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子通常位于哺乳动物基因组中与乳糖代谢相关基因附近。
它是一个DNA序列，由一系列核苷酸组成。
根据不同物种和基因型的差异，乳糖操纵子可以具有不同长度和组成。
乳糖操纵子通常包含两个重要的元件：增强子和启动子。
增强子位于启动子上游，可以增加启动子活性，促进基因转录。
启动子位于基因上游，包含转录起始位点(TSS)，是转录过程中RNA聚合酶与DNA结合的地点。
除了增强子和启动子，乳糖操纵子还可能包含其他调控元件，如转录因子结合位点和DNA甲基化位点。
这些元件的存在与特定物种和基因型相关，对乳糖操纵子的调控起到重要作用。
3. 乳糖操纵子的调控机制乳糖操纵子的调控机制涉及多个因素，包括转录因子、共激活子和染色质结构等。
下面将详细介绍几个重要的调控机制。
3.1 转录因子转录因子是乳糖操纵子调控的关键因素之一。
在乳腺细胞中，乳糖操纵子上的转录因子LacI结合到增强子上，阻止RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制基因转录。
而在肝脏细胞中，另一种转录因子HNF-1α结合到增强子上，促进RNA聚合酶与启动子结合，增强基因转录。
3.2 共激活子共激活子是在乳糖操纵子调控过程中发挥重要作用的辅助蛋白质。
它们与转录因子一起结合到乳糖操纵子上，增强转录活性。
共激活子可以通过多种方式影响乳糖操纵子的调控，如改变染色质结构、招募其他转录因子等。
3.3 染色质结构染色质结构在乳糖操纵子调控中起着重要作用。
在非活化状态下，乳糖操纵子通常处于紧密的染色质状态，难以被转录因子和共激活子访问。
而在活化状态下，染色质会发生重塑，使得乳糖操纵子暴露在核内，便于转录因子和共激活子的结合。
4. 乳糖操纵子的生物学重要性乳糖操纵子在生物学中具有重要的功能和意义。
基因调控-乳糖操纵子
乳糖操纵子在生物工程中的优化与应用
乳糖操纵子在生物工程领域具有潜在的应用价值，例如用于构建基因表达调控系统。通过优化乳糖操 纵子的元件和调控机制，可以开发出更高效、更精确的基因表达调控工具。
研究可以探索将乳糖操纵子与其他基因调控机制结合，以实现更复杂的基因表达模式。这种结合可以 为生物工程领域提供更多创新性的解决方案，例如用于生产生物药物、工业酶或改良作物品种等应用 。
特点
乳糖操纵子具有高度的可诱导性，当环境中乳糖浓度升高时，相 关基因的表达水平也随之升高，当乳糖浓度降低时，相关基因的 表达水平也随之降低。
乳糖操纵子的结构与组成
结构基因Z、Y、A
分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷 透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，这些酶 在乳糖代谢中起关键作用。
调节基因I
编码阻遏蛋白，该蛋白可与乳糖操纵 子上的O序列结合，抑制结构基因的 表达。
适应性进化研究
乳糖操纵子可应用于适应性进化研究中，通过研究乳糖操纵子在不同环境下的适应性变化，揭示生物对环境的适 应机制。
05
未来展望与研究方向
乳糖操纵子与其他基因调控机制的关系
乳糖操纵子是原核生物中一种典型的基因调控机制，通过与 阻遏蛋白的相互作用来调节基因的表达。未来研究可以探索 乳糖操纵子与其他基因调控机制之间的相互作用和关系，以 更全面地理解基因表达的复杂性。
乳糖操纵子的功能与作用机制
功能
乳糖操纵子在乳糖存在时表达相关酶， 将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖，供细 胞代谢利用。
作用机制
当环境中乳糖浓度升高时，乳糖通过 与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失去活 性，从而解除对结构基因表达的抑制 作用，使相关酶得以表达。
02
基因调控的原理
基因表达的调控
乳糖操纵子
乳糖操纵子乳糖操纵子是参与乳糖分解的一个基因群，由乳糖系统的阻遏物和操纵序列组成，使得一组与乳糖代谢相关的基因受到同步的调控。
1961年雅各布（F．Jacob）和莫诺德（J．Monod）根据对该系统的研究而提出了著名的操纵子学说。
在大肠杆菌的乳糖系统操纵子中，β-半乳糖苷酶，半乳糖苷渗透酶，半乳糖苷转酰酶的结构基因以LacZ（z），Lac Y（y），Lac A（a）的顺序分别排列在染色体上，在z的上游有操纵序列Lac O（o），更前面有启动子Lac P（p），这就是操纵子（乳糖操纵子）的结构模式。
编码乳糖操纵系统中阻遏物的调节基因Lac I（i）位于和p上游的临近位置。
细菌相关功能的结构基因常连在一起，形成一个基因簇。
它们编码同一个代谢途径中的不同的酶。
一个基因簇受到同一的调控，一开俱开，一闭俱闭。
也就是说它们形成了一个被调控的单位，其它的相关功能的基因也包括在这个调控单位中，例如编码透过酶的基因，虽它的产物不直接参与催化代谢，但它可以使小分子底物转运到细胞中。
乳糖分解代谢相关的三个基因，lacZ、Y、A就是很典型的是上述基因簇。
它们的产物可催化乳糖的分解，产生葡萄糖和半乳糖。
它们具有顺式作用调节元件和与之对应的反式作用调节因子。
三个结构基因图的功能是：lacZ编码β-半乳糖苷酶（β-galactosidase），此酶由500kd的四聚体构成，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖lacY编码β一半乳糖苷透性酶(galactoside permease)，这种酶是一种分子量为30kDd膜结合蛋白，它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中。
lacA编码β-硫代半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactosidetransacetylase），其功能只将乙酰-辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上。
无论是lacZ发生突变还是lacY发生突变却可以产生lac-型表型，这种lac-表型的细胞不能利用乳糖。
乳糖操纵子的结构和调控原理
乳糖操纵子的结构和调控原理乳糖操纵子是一种广泛使用的基因表达调控工具。
它的结构和调控原理非常重要，对于科学家设计实验和开发新的应用具有重要意义。
乳糖操纵子是由两部分组成的：乳糖诱导子和乳糖操纵子蛋白。
乳糖诱导子是一种分子，能够与乳糖操纵子蛋白结合，从而改变其构象，使其能够与DNA结合并调控目标基因的表达。
乳糖操纵子蛋白则是一种转录因子，它能够识别并结合到特定的DNA序列上，并调节目标基因的转录水平。
乳糖操纵子蛋白通常被称为拉氏蛋白，因为它最初是从大肠杆菌中的λ噬菌体中分离出来的。
乳糖操纵子的调控原理是基于乳糖诱导子和乳糖操纵子蛋白之间的相互作用。
当乳糖存在时，乳糖诱导子能够与乳糖操纵子蛋白结合，使其构象发生改变，并使其与目标DNA序列结合。
这样，乳糖操纵子蛋白就能够调节目标基因的转录水平，以实现对基因表达的控制。
相反，当乳糖不存在时，乳糖诱导子无法与乳糖操纵子蛋白结合，从而使其无法与DNA结合。
这样，基因的转录就会被抑制。
乳糖操纵子的应用非常广泛，可以用于调控单个基因的表达，也可以用于调控整个基因组的表达。
其应用领域涵盖了基础科学研究、生物医学研究、生物工程、农业和环境保护等多个领域。
例如，在基础科学研究中，科学家可以利用乳糖操纵子来研究基因调控机制，进一步了解基因表达的调控途径。
在生物医学研究中，科学家可以利用乳糖操纵子来探究疾病的发生机制，同时也可以利用其来开发新的治疗方法。
在生物工程中，科学家可以利用乳糖操纵子来生产特定的蛋白质，例如，利用乳糖操纵子来生产重要的药物和酶类。
在农业和环境保护领域中，科学家可以利用乳糖操纵子来改良作物和微生物，提高其产量和抗病能力，同时也可以利用其来处理污染物和废弃物等。
乳糖操纵子的结构和调控原理是非常重要的，对于基因表达的控制和调节具有重要意义。
其应用前景广阔，对于推动生物科学的发展和应用具有重要作用。
乳糖操纵子原理
乳糖操纵子原理乳糖操纵子（Lactose operon）是一种由基因组成的功能单元，它负责调控乳糖代谢的过程。
乳糖操纵子的研究为我们理解基因调控和代谢调控提供了重要的案例。
本文将介绍乳糖操纵子的组成和工作原理，并探讨乳糖操纵子在细菌的生长和适应性中的作用。
乳糖操纵子由三个关键元件组成：结构基因（structural genes）、调控基因（regulatory gene）和操作子（operator）。
结构基因包括三个相连的基因，分别编码乳糖酶（β-galactosidase）、内酰胺酶（permease）和转运蛋白（transacetylase）。
这些酶在细菌中起到催化乳糖分解的作用。
调控基因编码一个具有抑制功能的蛋白，称为乳糖抑制蛋白（lac repressor）。
操作子是一个DNA区域，位于结构基因和调控基因之间，它是乳糖操纵子的调控中心。
乳糖操纵子的工作原理是通过调控基因和操作子之间的相互作用实现的。
在没有乳糖的情况下，乳糖抑制蛋白结合在操作子上，阻止结构基因的转录和翻译，从而抑制乳糖酶、内酰胺酶和转运蛋白的合成。
当细菌环境中存在乳糖时，乳糖分子与乳糖抑制蛋白结合，导致乳糖抑制蛋白失活，从而使结构基因得以转录和翻译，合成乳糖酶、内酰胺酶和转运蛋白。
这些酶能够将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖，进而参与细菌的能量代谢。
乳糖操纵子的调控机制是典型的负反馈调控。
当乳糖浓度较低时，乳糖抑制蛋白能够紧密结合在操作子上，有效地抑制结构基因的表达。
而当乳糖浓度增加时，乳糖分子与乳糖抑制蛋白结合，使其失活，从而解除对结构基因的抑制。
这种调控机制使得细菌能够根据环境中乳糖浓度的变化，灵活地调整乳糖代谢的速率，以适应不同的生长条件。
乳糖操纵子在细菌的生长和适应性中发挥着重要的作用。
乳糖是一种复杂的糖类，细菌需要通过乳糖酶等酶类将其分解为易于吸收利用的葡萄糖和半乳糖。
乳糖操纵子的存在使得细菌能够在环境中存在乳糖时快速合成乳糖酶等相关酶类，以满足细胞对乳糖的需求。
《乳糖操纵子》课件
乳糖Байду номын сангаас纵子的作用
乳糖操纵子可以作用于多种生物体，包括微生物、植物和动物。它以不同的 方式干预乳糖代谢，从而产生多种实用效果。
乳糖操纵子的应用场景广泛，涵盖了农业、生物技术和医学研究等领域。它 为科学家和工程师提供了探索和创新的空间。
乳糖操纵子的应用
乳糖操纵子在农业领域具有重要应用价值，例如优化奶牛饲料，提高乳制品 生产效率和质量。
在生物技术领域中，乳糖操纵子被广泛应用于基因工程和合成生物学等研究， 为科学家开创了新的实验和创新方法。
此外，乳糖操纵子还在医学研究中发挥着重要作用，为疾病治疗和新药开发 提供了新的思路和策略。
乳糖操纵子的风险
乳糖操纵子的应用可能存在一些风险因素，例如基因突变引起的不可控制的结果和引发生物多样性问题。 为了规避这些风险，科学家和工程师需要加强研究和监管，确保乳糖操纵子的安全性和可持续性。 未来，乳糖操纵子的发展趋势包括更精准的设计和更高效的应用，以更好地满足各个领域的需求。
总结
通过本次课程，我们学习了乳糖操纵子的定义、作用、应用和相关风险。
乳糖操纵子在生物技术领域中具有重要性，并且在未来可能有更广阔的应用 前景。
对于进一步学习乳糖操纵子的人士，建议深入研究其机理和应用案例，以便 更好地利用这一强大的工具。
《乳糖操纵子》PPT课件
欢迎来到《乳糖操纵子》PPT课件。在本次课程中，我们将探讨乳糖操纵子的 定义、作用、应用以及相关风险。
什么是乳糖操纵子
乳糖操纵子是一种在生物技术领域中应用广泛的工具。它可以通过操纵乳糖相关的基因和代谢途径，实现对生 物体的控制和改造。 乳糖操纵子的发现历程经历了多年的研究和实践，人们不断探索其作用原理，以便更好地利用它的潜力。
详细版——乳糖操纵子
和染色体结构比较简单，转录和翻译可
在同一时间和位置上发生，基因表达的
调节主要在转录水平上进行。真核生物
由于存在细胞核结构的分化，转录和翻
译过程在时间和空间上被彼此隔开，且
在转录和翻译后还有复杂的加工过程，
因此基因表达在不同水平上都要进行调
节。
详细版——乳糖操纵子
2 2021/2/13
原核基因表达的调控
详细版——乳糖操纵子
14 2021/2/13
详细版——乳糖操纵子
12 2021/2/13
业内人士评论认为，沃森和克 里克发现了DNA结构，雅各布等人 的工作则揭示了遗传信息如何传递。
"Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants," claimed by Jacques Monod. “大肠杆菌的基因调控的任何发现, 也 适用于大象基因调控。”
Andre Lwoff分享了1965年诺贝尔医学或生理学
奖。 详细版——乳糖操纵子
11 2021/2/13
Collaboration between mentor and student won a Nobel Prize. It has not been common in the history. Only the lucky ones, who were willing to share the credit and lived long, panned out in the end. That was why I remember this story:
基因表达是指基因转录成mRNA,然后进一步
翻译成蛋白质的过程。在研究蛋白质的生物合成
乳糖操纵子的结构和调控原理
乳糖操纵子的结构和调控原理概述乳糖操纵子是存在于许多哺乳动物体内的一种能够调控乳糖代谢的关键分子。
它是由乳糖操纵子基因编码的蛋白质所组成，起着调控乳糖摄取和消化的重要作用。
本文将详细探讨乳糖操纵子的结构和调控原理。
乳糖操纵子的结构乳糖操纵子是一种单一的蛋白质，通常由若干不同的结构域组成。
根据其序列和结构的特点，乳糖操纵子可分为若干不同的亚型。
其中最为广泛研究的是LACZ、LACY和LACYD等。
LACZ亚型LACZ亚型是乳糖操纵子中最为常见的类型，它主要存在于大肠杆菌等细菌中。
LACZ亚型的乳糖操纵子通常是由若干结构域组成，包括信号肽、螺旋转位器、乳糖结合域和转运域等。
LACY亚型LACY亚型主要存在于大肠杆菌以外的一些细菌和真核生物中。
与LACZ亚型相比，LACY亚型的乳糖操纵子结构略有不同。
它包含了信号肽、乳糖结合域和转运域等主要结构域。
LACZD亚型LACZD亚型也是一种常见的乳糖操纵子亚型，主要存在于大肠杆菌中。
相较于LACZ 和LACY亚型，LACZD亚型的乳糖操纵子在结构上有一些差异，主要表现在转运域的结构上。
乳糖操纵子的调控原理乳糖操纵子的调控主要通过底物诱导和转录调控两种方式实现。
在底物诱导调控中，乳糖的存在会引起乳糖操纵子的构象改变，从而影响其功能。
而在转录调控中，一些转录因子会结合到乳糖操纵子的启动子区域，调节其转录活性。
底物诱导调控底物诱导调控是乳糖操纵子最常见的调控方式之一。
当乳糖存在于细胞外环境中时，它可以通过细胞膜上的乳糖操纵子结合域与乳糖操纵子进行结合。
这个结合过程会导致乳糖操纵子的构象改变，使得其转运功能得以激活。
乳糖操纵子的结构域之间存在着复杂的相互作用，转运态与非转运态之间的切换对乳糖摄取和代谢起着重要的调控作用。
转录调控除了底物诱导调控外，乳糖操纵子的转录也会受到一些转录因子的调控。
这些转录因子会结合到乳糖操纵子的启动子区域，调节其转录活性。
例如，在大肠杆菌中，CAP（catabolite gene activator protein）是一个重要的转录因子，它与RNA聚合酶结合，促进乳糖操纵子的转录。
乳糖操纵子.
原核生物基因表达转录水平调控之乳糖操纵子模型(2012-07-13 00:37:45)转载▼原核生物基因表达在转录水平上的调控最经典学说是操纵子学说。
一、操纵子细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现的。
法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod于1960年在法国科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。
这二个基因为β半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside penmase)。
前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将乳糖运输到细胞之中。
在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划时代的突破,因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。
Jacob与Monod所提出的关于基因表达调控的操纵子学说可以简述如下:有一个专一的阻遏分子(蛋白质)结合在靠近β半乳糖苷酶基因上面,这段DNA他们称之为操纵基因。
由于阻遏分子结合在DNA的操纵基因上,从而阻止了RNA聚合酶合成β半乳糖苷酶的mRNA。
此外,他们还指出乳糖为诱导物,当乳糖结合到阻遏分子上时,即阻止阻遏分子与操纵基因的结合。
当有乳糖时,阻遏分子即失活,mRNA就可以转录出来。
如果去掉乳糖时,阻遏分子又恢复其活力,与操纵基因DNA结合,将乳糖基因关闭。
二、乳糖操纵子/fzswx/knowledge/knowledge01.asp?zsdBianhao=060302/s/blog_4b07ffbc01016v21.html乳糖操纵子(lac operon)是原核生物中研究得最清楚的一种操纵子。
大肠杆菌的乳糖操纵子
三、乳糖操纵子的正调控
使用DNA酶Ⅰ--足印法得到 了CAP-cAMP与DNA结合的 特异性位点，由26bp组成， 位于乳糖操纵子的启动子紧 靠—35区域的上游，其一序 列是一段不完善的回文序 列—TGTGA-N6-TCACA,该 位点被称为CAP位点。 CAP-cAMP与CAP位点的结 合可导致周围的DNA产生小 的弯曲，致使自身能够与 RNA聚合酶全酶的α亚基的羧 基端相互作用，从而有利于 RNA聚合酶与启动子的结合 以及DNA双螺旋的局部解链， 最终促进了下游基因的转录。
二、乳糖操纵子的负调控 为了确定这几种基 因的关系， Jacob 和Monod使用含有 lacI、 lacZ、 lacY 和lacA的F’-质粒创 建了部分二倍体的 大肠杆菌，并进行 了一系列互补实验， 其中下图的两种突 变对于操纵子模型 的最终建立起了决 定性的作用。
二、乳糖操纵子的负调控
乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
、乳糖操纵子的负调控
2)调节基因lacI编码阻遏蛋白，它独立表达，但由于是弱 的启动子和终止子，阻遏蛋白在细胞内总是被维持在较 低的浓度；
3）阻遏蛋白位四聚体蛋白，由四个相同的亚基组成。在 无乳糖的情况下，它与操纵基因lacO结合而阻断RNA聚 合酶启动结构基因的转录，但这种结合并不完全，因此 会有微量的β-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷 转乙酰酶的合成。
二、乳糖操纵子的负调控
他们都是高效诱导物，他们都不是半乳糖苷酶的底物，是一 种人工合成的乳糖类似物，能够迅速和持续地刺激乳糖操纵 子结构基因的表达，它本身不能被降解，所以称他们为安慰 性诱导（gratuitous inducer）.
三、乳糖操纵子的正调控 乳糖操纵子除受到阻遏蛋白的负调控以外，还受到一种被称 为分解物激活蛋白（catobolite activator protein,CAP)的正 调控。正调控是在对大肠杆菌中出现的葡萄糖效应（glucose effect)进行的研究中发现的。葡萄糖的存在能够阻止大肠杆 菌对其他糖类的利用，这种现象称为葡萄糖效应。 1965年，B.Magasonik等发现在大肠杆菌中也含有cAMP， 而且它的浓度与葡萄糖浓度呈负相关。cAMP浓度的变化与腺 苷酸环化酶的活性直接相关联，即高浓度的葡萄糖抑制腺苷 酸环化酶的活性而导致cAMP浓度的下降。
乳糖操纵子简介
乳糖操纵子简介操纵子（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。
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。
乳糖操纵子的工作原理
乳糖操纵子的工作原理
嘿，朋友们！今天咱们来聊聊乳糖操纵子的工作原理，这可太有意思啦！
想象一下，乳糖操纵子就像是一个超厉害的团队在运作。
其中有个关键
角色，那就是调节基因。
它就好比是这个团队的总指挥，能产生一种叫阻遏蛋白的东西。
咱就说，如果没有乳糖的时候，阻遏蛋白就像个严格的守卫，紧紧地挡在乳糖操纵子的门口，不让相关基因表达，这厉害不厉害？好比没有任务的时候，不让大家随便行动。
但一旦有乳糖出现了呢！嘿，这情况可就不同啦。
乳糖会变成另一种东
西叫异乳糖，这异乳糖就像是一把钥匙，能和阻遏蛋白结合，让阻遏蛋白变形，就不再能好好拦住门口啦！于是，相关基因就可以开始表达啦。
这就好像有了紧急任务，那自然就得让大家行动起来呀，是不是很神奇？“哎呀，这也太有趣了吧！”
然后呢，这些基因表达出来的产物，像β-半乳糖苷酶等，就可以去分解乳糖，为细胞提供能量啥的。
这就像是团队成员们开始干活啦，忙得不亦乐乎。
比如说，β-半乳糖苷酶就像个专业的清洁工，把乳糖打扫得干干净净。
再想想，这和咱们的生活中很多情况是不是挺像的呀？就好比学校里有个活动，没有开始的时候大家都等着，一旦信号来了，大家就各就各位开始动起来啦。
总之，乳糖操纵子的工作原理就是这么奇妙！它能根据环境中的乳糖情况，精准地调控基因的表达，确保细胞能有效地利用资源，真的是太精妙啦！这就是我对乳糖操纵子工作原理的理解，你们觉得是不是这样呢？。
[复习]乳糖操纵子
![[复习]乳糖操纵子](https://img.taocdn.com/s3/m/6d0f3b0f551810a6f52486e3.png)
[复习]乳糖操纵子1、乳糖操纵子的组成:大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵基因、一个启动子和一个调节基因。
结构基因能产生一定的酶系统和结构蛋白。
操纵基因控制结构基因的转录速度，位于结构基因和启动子之间，本身不能转录成mRNA。
启动基因也不能转录成mRNA。
调节基因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，称阻遏蛋白或调节蛋白。
2、阻遏蛋白的负性调节:没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶;有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。
所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。
3、CAP的正性调节:CRP是cAMP受体蛋白(cAMP receptor protein)，cAMP(环腺苷酸)是细胞内广泛存在的第二信使。
细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低;相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。
cAMP浓度低，CRP未与cAMP结合，CRP不能被活化，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP(CRP-cAMP activated protein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。
CAP的通用名称是分解代谢基因激活蛋白(catabolic gene activator protein)。
在启动子上游有CAP结合位点(CAP binding site)，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，增强RNA 聚合酶的转录活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。
转录水平调控乳糖操纵子
转录水平调控—— 乳糖操纵子
莫诺德
雅克布
1961年首次提出乳糖操纵子学说，并且经过许多科 学家的补充和修正得以逐步完善，最终在1965年获得诺 贝尔生理学和医学奖。
一、操纵子
操纵子是转录的功能单位，它通常由一 个或几个结构基因与调节基因、操纵基因和 启动子所构成。
结构基因：是指编码蛋白质或功能RNA的基因。
（2）调节基因 lacI。 （3）两个调控区域——P区和O区。
2、乳糖操纵子的阻遏状态和诱导状态
（1）阻遏状态 当底物不是乳糖时，调节基因编码的阻遏蛋白与操
纵基因结合，此时，启动子不能启动结构基因mRNA的 合成，其结果便是结构基因被关闭。
（2）诱导状态
当细胞供给乳糖而没有葡萄糖时，乳糖结合在阻遏 蛋白的特异部位，此时阻遏蛋白不与操纵基因结合；同 时乳糖能够引起与操纵基因结合的阻遏蛋白构象的改变， 使阻遏蛋白从操纵基因解离下来，其结果是操纵基因没 有被阻遏蛋白占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的 合成，结构基因便会表达。
二、操纵子学说
大肠杆菌能产生一种酶，叫做“半乳糖苷酶”， 它能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，从而进行 进一步的代谢利用。编码半乳糖苷酶的基因是一个 结构基因，该结构基因与操纵基因共同组成操纵子。
操纵基因会受到阻遏蛋白的调控。当阻遏蛋白结 合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋 白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因 开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利 用乳糖，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导 物。
当培养基中含有充分的乳糖，同时不含葡萄糖时， 细菌便会自动产生半乳糖苷酶来分解乳糖，以便利用。 当培养基中不含乳糖时，细菌便自动关闭乳糖操纵子， 以免浪费物质和能量。
大肠杆菌的乳糖操纵子
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三、乳糖操纵子的正调控
通过科学家的不懈努力我们终于知道：
CAP由2个相同的亚基组成，每1个亚基含有209个氨基 酸残基，有2个结构域，1个在N端，含有结合cAMP位 点，另一个在C端，含有螺旋-转角-螺旋，负责与DNA 结合。CAP必须与cAMP结合以后才有活性，一般只要 结合一个cAMP就完全被激活。当cAMP与CAP结合以 后，CAP的构象发生变化，致使其C端的螺旋-转角-螺 旋采取合适的取向，从而能够识别DNA上的结合位点。
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二、乳糖操纵子的负调控
2)调节基因lacI编码阻遏蛋白，它独立表达，但由于是弱 的启动子和终止子，阻遏蛋白在细胞内总是被维持在较 低的浓度；
3）阻遏蛋白位四聚体蛋白，由四个相同的亚基组成。在 无乳糖的情况下，它与操纵基因lacO结合而阻断RNA聚 合酶启动结构基因的转录，但这种结合并不完全，因此 会有微量的β-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷 转乙酰酶的合成。
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二、乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的调控模型主要内容：
1）乳糖操纵子由调节基因、启动子、操纵基因和三个结构基因 组成，其中调节基因、启动子、和操纵基因构成控制元件，共同 控制结构基因的表达。操纵基因位于启动子和结构基因之间，其 核心结构是一段长位21bp的回文序列。
5’ ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3’ 3’ TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5’
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二、乳糖操纵子的负调控
为了确定这几种基 因的关系， Jacob 和Monod使用含有 lacI、 lacZ、 lacY 和lacA的F’-质粒创 建了部分二倍体的 大肠杆菌，并进行 了一系列互补实验， 其中下图的两种突 变对于操纵子模型 的最终建立起了决 定性的作用。
乳糖操纵子结构
乳糖操纵子结构一、乳糖的结构与作用1. 乳糖的概述乳糖，也称为牛奶糖，是一种由葡萄糖和半乳糖通过β-1,4-糖苷键连接而成的二糖。
乳糖是哺乳动物奶制品中的主要糖类成分，也是人体内最常见的二糖之一。
2. 乳糖在人体内的作用乳糖在人体内具有重要的生理功能。
首先，乳糖能够提供能量，作为一种碳水化合物，它可以在代谢过程中被分解为葡萄糖，供给人体进行能量代谢。
其次，乳糖对肠道功能有影响，它可以作为一种溶性纤维帮助调节肠道功能，促进肠蠕动，维持肠道健康。
此外，乳糖还对钙的吸收起到促进作用，有助于维持骨骼健康。
二、乳糖操纵子结构的定义与特征1. 乳糖操纵子结构的定义乳糖操纵子结构是指乳糖分子中的一个或多个特定结构，可以通过特定的酶进行识别和降解。
乳糖操纵子结构的存在与否会影响人体对乳糖的消化和代谢。
2. 乳糖操纵子结构的特征乳糖操纵子结构具有以下特征： - 特定的糖苷键连接形式：乳糖操纵子结构中的糖苷键是通过特定的连接方式连接的。
- 特定的立体构型：乳糖操纵子结构中的糖单位具有特定的立体构型，这决定了酶与其结合的方式。
- 特定的识别位点：乳糖操纵子结构中的糖单位上存在特定的识别位点，酶可以通过与这些位点的结合来识别乳糖操纵子结构。
三、乳糖操纵子结构的影响因素1. 遗传因素乳糖操纵子结构的形成与遗传因素密切相关。
不同个体之间基因的差异会导致乳糖操纵子结构的存在与否不同，从而影响对乳糖的消化和代谢。
2. 年龄因素乳糖操纵子结构在个体生命周期中的存在与否也会发生变化。
在婴儿期，人体内存在较多的乳糖操纵子结构，这有利于对乳糖的消化和吸收。
但随着年龄的增长，乳糖操纵子结构逐渐减少，导致许多人在成年后对乳糖的消化能力减弱。
四、乳糖操纵子结构与乳糖不耐症的关系1. 乳糖不耐症的定义乳糖不耐症是指人体缺乏或减少乳糖酶的活性，导致乳糖无法被完全消化和吸收的一种消化系统疾病。
乳糖不耐症的临床特征包括乳糖摄入后出现腹胀、腹泻、胃肠胀气等消化不良症状。
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负控阻碍
阻遏蛋白无活性，与效应物结合后 阻止基因转录
正转录调控分类:
正控诱导
激活蛋白与效应物结合后激活基因 转录
正控阻碍
激活蛋白与效应物结合后阻遏基因 转录
基因 表达 调控 4种 模型
负控诱导 负控阻遏
正控诱导 正控阻遏
7.1.2 原核生物表达调控的主要特点
1、可诱导调节 2、可阻遏调节
可诱导调节
• 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学 功能。
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就 称为表达调控。
注意：rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程 也属于基因表达。
（2）基因表达模式
同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚 至不表达。
7.1.3 弱化子对基因活性的影响 大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸操纵子
具有这种调节方式。
7.1.4 降解物对基因活性的调节 例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。
葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏 某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
乳糖操纵子具有这种调节方式。
基本原理
在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被 利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被 利用；
反式作用因子（trans-acting factor）:
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元 件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有 时为RNA）。也称转录因子。
基因表达的调控方式 阻遏
➢负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 阻遏蛋白(相应蛋白质降低)
促进 ➢正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
基因水平的调控 转录水平的调控 转录产物加工的调控 翻译水平的调控以及翻译
后的加工等
转录水平调控 转录后水平调控
原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征
• 原核生物-----营养和环境 • 真核生物-----激素水平和发育阶段
7.1.1 原核基因表达调控分类
• 根据调控机制：
负转录调控
第七章 乳糖操纵子
7.1 基因表达调控总论
什么是基因表达与 调控？
• 基因表达=基因转录+翻译 • 基因表达的调控:
生物体随时调整不同基因的表达状态, 以适应环境、维持生长和发育需要。
面对恶劣环境， 适者生存。
基因表达调控的生物学意 义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
• 维持个体发育与分化（真核）
激活蛋白(相应蛋白质增加)
正转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是（关闭/开启）
的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭/ 开启），为正转录调控。
负转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是 开启 的，加入
调节蛋白质后基因表达活性便被 关闭 ，为负转录 调控。
负转录调控分类:
负控诱导
阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物 结合后基因表达
直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录， 形成利用乳糖的酶。
7.1.5 细菌的应急反应
信号： 鸟 苷 四 磷 酸 ppGpp,
会关闭很多基因，同 时也会激活一些应急 基因。
Байду номын сангаас 小结
• 原核基因表达调控的特点 • 原核基因表达调控的分类 • 几个重要概念
作业：简述基因表达调控的几种方式？
7.2 乳糖操纵子与负控诱导
3. 正调控与负调控
正调控（positive control）: 调节基因编码 的激活因子通过与启动子元件结合来促进基 因的表达。
负调控（negative control）:调节基因编码阻 抑因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。
4. 诱导与阻遏
诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活
定义：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在 某些物质的诱导下使基因活化。
例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
可阻遏调节
定义：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶 的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的 积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。
例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。
阻遏(repression): 通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活
或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调 控。
5. 顺式作用元件与反式作用因子
顺式作用元件（cis-acting element）:
指与结构基因串联的特定DNA序列，包括启动子、 增强子、调控序列和可诱导元件等；顺式作用元件要与 反式作用因子相互作用而起作用。
内容提要： 乳糖操纵子的结构 酶的诱导——lac体系受调控的证据 乳糖操纵子调控模型及其影响因子 Lac操纵子中的其他问题
结构基因（structural gene）
编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和 RNA的基因。
调节基因
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
RNA
Pro
1. 结构基因与调节基因
调节基因（regulator gene） 编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的
基因。
调节基因
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
正转录调控
调节基因编码阻遏蛋白， 调节基因编码激活蛋白，
阻止结构基因转录。
促进结构基因转录。
负控诱导
负控阻遏
正控诱导
正控阻遏
几个重要概念
结构基因与调节基因 阻遏物、操纵基因与操纵子 正调控与负调控 诱导与阻遏 顺式作用元件与反式作用因子
调节基因
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
1. 结构基因与调节基因
不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。 同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。 仅少部分基因在不同细胞类型及生长发育时期表达
相同，这类基因被称为组成性表达基因，或被称为 管家基因。
与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而 表达的基因，被称为适应性表达基因，或被称为奢 侈基因。
（3）基因的表达调控方式
2. 阻遏物、操纵基因与操纵子
阻遏物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可与 操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质 的翻译。
操纵基因（operator）: DNA上的一个位点，阻遏物 能与之结合抑制相邻启动子起始转录。
操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位，包 括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元 件。