乳糖操纵子PPT课件
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乳糖操纵子-PPT课件
4 2019/6/10
在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时， 大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶量极少，加入乳糖 2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其 量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时， 菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量 的3%。
在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前， 也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高的 过程。
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、 阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中 含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖， 当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的 适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖 增长。
3 2019/6/10
大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳 糖 进 入 细 菌 的 半 乳 糖 透 过 酶 (lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 －半乳糖 苷酶( -galactosidase)。
遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏
蛋白。R以四聚体形式与操纵子ｏ结合，阻碍了 RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的 转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与ｏ
33 2019/6/10
偶尔解离，使细胞中还有极低水平的－半乳糖 苷酶及透过酶的生成。
当有乳糖存在时，乳糖受 －半乳糖苷酶的催 化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四
在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分 子量为152,000的活性四聚体，能特异性与操
纵区ｏ紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基
因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白；
24 2019/6/10
当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合， 使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体，失 去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除 了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录合 成利用乳糖的酶类。
在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时， 大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶量极少，加入乳糖 2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其 量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时， 菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量 的3%。
在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前， 也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高的 过程。
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、 阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中 含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖， 当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的 适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖 增长。
3 2019/6/10
大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳 糖 进 入 细 菌 的 半 乳 糖 透 过 酶 (lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 －半乳糖 苷酶( -galactosidase)。
遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏
蛋白。R以四聚体形式与操纵子ｏ结合，阻碍了 RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的 转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与ｏ
33 2019/6/10
偶尔解离，使细胞中还有极低水平的－半乳糖 苷酶及透过酶的生成。
当有乳糖存在时，乳糖受 －半乳糖苷酶的催 化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四
在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分 子量为152,000的活性四聚体，能特异性与操
纵区ｏ紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基
因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白；
24 2019/6/10
当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合， 使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体，失 去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除 了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录合 成利用乳糖的酶类。
典型乳糖操纵子的诱导原理.ppt
乳糖操纵子是细菌中一组功能相关的基因，它们共同控制乳糖的代谢过程。乳糖操纵子的基本结构包括结构基因、启动子、操纵基因和阻遏物基因。结构基因是负责编码代谢乳糖所需的酶，包括β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶。启动子是位于结构基因上游的一段DNA序列，能被RNA聚合酶识别并结合，从而启动基因的转录过程。操纵基因则是位于启动子和结构基因之间的一பைடு நூலகம்DNA序列，能被阻遏蛋白特异性结合，从而调控基因的转录。阻遏物基因则负责编码阻遏蛋白，这些蛋白能结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶的转录，从而实现对基因表达的负调控。此外，乳糖操纵子还包括CAP结合位点，这是环cAMP受体蛋白的结合位点，与乳糖操纵子的诱导表达有关。乳糖操纵子的这些组成部分共同协作，实现了对乳糖代谢的精细调控。
乳糖操纵子概述课件
02
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。
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(精制医学)71页PPT
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
ห้องสมุดไป่ตู้
乳糖操纵子（精制医学）
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
乳糖操纵子PPT精选文档
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
操纵位点的回文序列
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA 的转录起始受到抑制。
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
图16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上
• 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。
二、酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 安慰诱导物：
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）。
异丙基巯基半乳糖
CH2OH
解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的
lac mRNA合成。
2、大肠杆菌对乳糖的反应
培养基：甘油
按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个 分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；
培养基：加入乳糖
少量乳糖
透过酶
进入细胞
β-半乳糖苷酶
异构乳糖
诱导物
诱导lac mRNA的生物合成
大量乳糖进入细胞
⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象， 使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA 的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被 阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的 合成。
诱导：基因被打开
β-半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关
组成型突变：
PPT讲解：吴小龙（20096580） 组 员： 吴林刚（20096563）
典型乳糖操纵子的诱导原理ppt课件
Hey man, I’m constitutive
Yeah…!
Repressor
CAP
Binding
PRroNmAoter
Operator
LacZ
Pol.
Repressor mRNA
X Repressor
LacY
LRacNAA Pol.
Repressor Repressor
This lactose has bent me
可编辑课件PPT
19
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 某些诱导物与自然的β-半乳糖苷酶相似，且不能 被酶分解，比如异丙基-β-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。
▪ 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可编系辑课( 件ZP:PTY : A = 5 : 2 : 1 )
▪ 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。
可编辑课件PPT
25
乳糖操纵子的协调调控 (coordinate regulation)
乳糖操纵子 ppt课件
➢ 基因表达（gene expression）: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(constitutive expression)：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(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
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
2020/12/2
20
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）。
2020/12/2
11
➢ 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。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：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(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
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
2020/12/2
20
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）。
2020/12/2
11
➢ 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。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
《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。
乳糖操纵子
第13章基因表达调控.ppt
三、协同调节
1、当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系 统不能发挥作用； 2、如果没有CAP存在来加强转录活性，即使 阻遏蛋白解聚，仍几乎无转录活性；
总之，β-半乳糖甘酶的转录需要两种 机制协同调节。
（二）乳糖操纵子(Lac)的结构
• 乳糖操纵子：包含Ｚ、Y、A三个结构 基因、操纵序列为O(operator O)、启 动序列P（promoter P)及调节基因I,在 调控区还有一CAP（分解代谢物激活 蛋白）结合位点。
（一）阻遏蛋白的负性调节
第13章基因表达调控.ppt
（二）CAP的正性调节
（一）操纵子的结构
• 操纵子：通常是指由2个以上成簇串联组成的一个基因表达调 控单位。
操纵序列和阻遏蛋白
• 操纵序列，位于启动序列和编码序列之间
• 阻遏蛋白基因编码的阻遏蛋白（repressor ）能够结合和封闭操纵序列。 pol 启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列
三、协同调节
1、当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系 统不能发挥作用； 2、如果没有CAP存在来加强转录活性，即使 阻遏蛋白解聚，仍几乎无转录活性；
总之，β-半乳糖甘酶的转录需要两种 机制协同调节。
（二）乳糖操纵子(Lac)的结构
• 乳糖操纵子：包含Ｚ、Y、A三个结构 基因、操纵序列为O(operator O)、启 动序列P（promoter P)及调节基因I,在 调控区还有一CAP（分解代谢物激活 蛋白）结合位点。
（一）阻遏蛋白的负性调节
第13章基因表达调控.ppt
（二）CAP的正性调节
（一）操纵子的结构
• 操纵子：通常是指由2个以上成簇串联组成的一个基因表达调 控单位。
操纵序列和阻遏蛋白
• 操纵序列，位于启动序列和编码序列之间
• 阻遏蛋白基因编码的阻遏蛋白（repressor ）能够结合和封闭操纵序列。 pol 启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列
乳糖操纵子与负控诱导系统(课堂PPT)
乳糖操纵子及负控诱导系统
制 作：王 庆 容
.
1
一.结构
二.负控诱导模型
三. 影响因子
四.乳糖操纵子结构基因表达的条件
五. 结构基因转录的调控方式
六. lac操纵子中的其他问题
七.小结
.
2
调节基因 启动基因 操纵基因
I
P
O
lacZ
结构基因
lacY
lacA
P
O
阻遏蛋白 结合部位
RNA聚合酶结合部位
大肠杆菌乳糖操. 纵子结构
.
5
四. 乳糖操纵子结构基因表达的条件
1.CRP结合位点 : CRP与cAMP结合，使 RNA聚合酶识别-35和-10区；
2.启动子识别 :RNA聚合酶识别启动子序列； 3.操纵基因 :阻遏蛋白结合乳糖或类似物
.
6
五.结构基因转录的调控方式 1.负调控：阻遏蛋白对乳糖操纵子的负调控 2.正调控： cAMP-CRP是一个正调节因子
lac Y
lac A
NO TRANSCRIPTION
RNA polymerase
RNA polymerase is blocked from the promoter
.
10
.
11
.
12
.
13
.
14
.
15
乳糖操纵子结构基因表达的条件2
（3）无cAMP，但有诱导物时
I
CRP位点 P
O
结构基因
六.lac操纵子中的其他问题 1.A基因及其生理功能 c基因产物数量上的比较
.
7
lac操纵子及各组分详图
组成 lac I
p o lac Z
制 作：王 庆 容
.
1
一.结构
二.负控诱导模型
三. 影响因子
四.乳糖操纵子结构基因表达的条件
五. 结构基因转录的调控方式
六. lac操纵子中的其他问题
七.小结
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2
调节基因 启动基因 操纵基因
I
P
O
lacZ
结构基因
lacY
lacA
P
O
阻遏蛋白 结合部位
RNA聚合酶结合部位
大肠杆菌乳糖操. 纵子结构
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5
四. 乳糖操纵子结构基因表达的条件
1.CRP结合位点 : CRP与cAMP结合，使 RNA聚合酶识别-35和-10区；
2.启动子识别 :RNA聚合酶识别启动子序列； 3.操纵基因 :阻遏蛋白结合乳糖或类似物
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6
五.结构基因转录的调控方式 1.负调控：阻遏蛋白对乳糖操纵子的负调控 2.正调控： cAMP-CRP是一个正调节因子
lac Y
lac A
NO TRANSCRIPTION
RNA polymerase
RNA polymerase is blocked from the promoter
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乳糖操纵子结构基因表达的条件2
（3）无cAMP，但有诱导物时
I
CRP位点 P
O
结构基因
六.lac操纵子中的其他问题 1.A基因及其生理功能 c基因产物数量上的比较
.
7
lac操纵子及各组分详图
组成 lac I
p o lac Z
典型乳糖操纵子的诱导原理课件
典型乳糖操纵子的诱导原理 课件
• 乳糖操纵子简介 • 乳糖操纵子的诱导原理 • 乳糖操纵子的应用 • 乳糖操纵子与其他操纵子的比较 • 未来展望
01
乳糖操纵子简介
乳糖操纵子的定义
01
乳糖操纵子是一种基因表达调控 系统，由三个结构基因Z、Y、A 以及一个调节基因I所组成，用于 编码分解乳糖的酶。
随着相关技术的不断发展，我们将更深入地了解 乳糖操纵子的调控机制，为相关应用研究提供更 多理论支持。
探索新型调控策略
针对乳糖操纵子的调控机制，探索新型的基因工 程调控策略，实现更精细、更高效的基因表达调 控。
拓展应用领域
随着乳糖操纵子研究的深入，其应用领域将不断 拓展，从生物制药、生物能源到生物环保等领域 都将得到更广泛的应用。
与可调节操纵子的比较
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子由结构基因G6PDH以及其他调节基因所组成，可以通过多种调节方式来控制结构基 因的表达。
比较
可调节操纵子可以通过多种方式进行调控，如调节基因的表达、代谢物的浓度等。与可调节操纵子相比，乳糖操 纵子的调控方式较为单一，只有通过调节基因的表达来控制结构基因的表达。
基因治疗
通过调控乳糖操纵子，实现特定基 因在特定时间和空间的表达，为基 因治疗提供有效手段。
在生物制药工业中的应用
抗生素生产
乳糖操纵子可用于提高抗生素生产菌 株的产量，从而提高抗生素的产量和 质量。
生物催化剂
药物筛选
通过乳糖操纵子实现对药物作用靶点 的筛选和验证，加速新药研发进程。
利用乳糖操纵子调控酶的合成，实现 生物催化剂的高效生产和应用。
乳糖操纵子的诱导过程
01
阻遏蛋白的负性调节
• 乳糖操纵子简介 • 乳糖操纵子的诱导原理 • 乳糖操纵子的应用 • 乳糖操纵子与其他操纵子的比较 • 未来展望
01
乳糖操纵子简介
乳糖操纵子的定义
01
乳糖操纵子是一种基因表达调控 系统，由三个结构基因Z、Y、A 以及一个调节基因I所组成，用于 编码分解乳糖的酶。
随着相关技术的不断发展，我们将更深入地了解 乳糖操纵子的调控机制，为相关应用研究提供更 多理论支持。
探索新型调控策略
针对乳糖操纵子的调控机制，探索新型的基因工 程调控策略，实现更精细、更高效的基因表达调 控。
拓展应用领域
随着乳糖操纵子研究的深入，其应用领域将不断 拓展，从生物制药、生物能源到生物环保等领域 都将得到更广泛的应用。
与可调节操纵子的比较
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子由结构基因G6PDH以及其他调节基因所组成，可以通过多种调节方式来控制结构基 因的表达。
比较
可调节操纵子可以通过多种方式进行调控，如调节基因的表达、代谢物的浓度等。与可调节操纵子相比，乳糖操 纵子的调控方式较为单一，只有通过调节基因的表达来控制结构基因的表达。
基因治疗
通过调控乳糖操纵子，实现特定基 因在特定时间和空间的表达，为基 因治疗提供有效手段。
在生物制药工业中的应用
抗生素生产
乳糖操纵子可用于提高抗生素生产菌 株的产量，从而提高抗生素的产量和 质量。
生物催化剂
药物筛选
通过乳糖操纵子实现对药物作用靶点 的筛选和验证，加速新药研发进程。
利用乳糖操纵子调控酶的合成，实现 生物催化剂的高效生产和应用。
乳糖操纵子的诱导过程
01
阻遏蛋白的负性调节
大肠杆菌的乳糖操纵子 ppt课件
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。
PPT课件
11
二、乳糖操纵子的负调控
4）一旦高浓度的乳糖进入细胞，在细胞内残留的β -半 乳糖苷酶催化下，一部分乳糖被异构化，变成别乳糖。 而别乳糖作为别构效应物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋 白的构象，使其不能再与操纵基因结合，于是操纵子被 打开； 5）RNA聚合酶与启动子结合，启动三个结构基因的转录， 产生lacZ、lacY和lacA的共转录物，但翻译却是独立地 进行，从而产生三种不同的酶； 6）由于阻遏蛋白与操纵基因的结合阻断结构基因的表达， 因此，乳糖操纵子受到它的负调控； 7）发生在控制元件内的突变可影响到结构基因的表达。
乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
PPT课件
9
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。
PPT课件
2
二、乳糖操纵子的负调控
大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被阐明的操纵子。早在20世纪 50年代，Jacob和Monod就开始研究大肠杆菌的乳糖代谢，集 中研究乳糖对乳糖代谢酶的诱导（introduction）现象：如果供 大肠杆菌生在的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代 谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖透过 酶（lactosepermease）和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个 细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5~5个。可是一旦在培养 基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中 的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5000个，有时甚至可占 细菌可溶性蛋白的5%~10%。与此同时，其他两种酶的分子数也 迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化 酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被 称为诱导物。
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二、乳糖操纵子的负调控
4）一旦高浓度的乳糖进入细胞，在细胞内残留的β -半 乳糖苷酶催化下，一部分乳糖被异构化，变成别乳糖。 而别乳糖作为别构效应物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋 白的构象，使其不能再与操纵基因结合，于是操纵子被 打开； 5）RNA聚合酶与启动子结合，启动三个结构基因的转录， 产生lacZ、lacY和lacA的共转录物，但翻译却是独立地 进行，从而产生三种不同的酶； 6）由于阻遏蛋白与操纵基因的结合阻断结构基因的表达， 因此，乳糖操纵子受到它的负调控； 7）发生在控制元件内的突变可影响到结构基因的表达。
乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
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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。
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二、乳糖操纵子的负调控
大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被阐明的操纵子。早在20世纪 50年代，Jacob和Monod就开始研究大肠杆菌的乳糖代谢，集 中研究乳糖对乳糖代谢酶的诱导（introduction）现象：如果供 大肠杆菌生在的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代 谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖透过 酶（lactosepermease）和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个 细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5~5个。可是一旦在培养 基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中 的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5000个，有时甚至可占 细菌可溶性蛋白的5%~10%。与此同时，其他两种酶的分子数也 迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化 酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被 称为诱导物。
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5 06.11.2020
这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极 好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象， 法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和 生 化 学 研 究 实 验 ， 于 1961 年 提 出 乳 糖 06.11.2020
2. 操纵子的基本组成
18 06.11.2020
阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后ß -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。
(1) 结构基因群
操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可 称为结构基因(structural gene, SG)。一个 操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达 十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅 读框(open reading frame), 5’端有起始密 码ATG，3’端有终止密码TAA、TGA或TAG。各 结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基 因群。
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、 阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中 含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖， 当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的 适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖 增长。
3 06.11.2020
大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳 糖 进 入 细 菌 的 半 乳 糖 透 过 酶 (lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 －半乳糖 苷酶( -galactosidase)。
15 06.11.2020
(3) 操纵区
操纵区（operator）是指能被调控蛋白 特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近 或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵 子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。
16 06.11.2020
以 前 将 操 纵 区 称 为 操 纵 基 因 （ operator gene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编 码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质 的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用， 正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样， 操纵序列就可称为操纵区。operon译为操纵子， 即基因表达操纵的单元之意。
分子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环 境中的乳糖进入细菌；
ａ 基 因 长 825bp ， 编 码 275 氨 基 酸 、 分
子量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活 性形式催化半乳糖的乙酰化。
11 06.11.2020
ｚ基因5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结
合位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序 列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结合 在转录产生的mRNA上。
第九章 原核基因表达的调控
一、操纵子 二、乳糖操纵子的表达调控
1 06.11.2020
一、操纵子(operon)
细菌能随环境的变化，迅速改变某 些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实验模型。人们就是从研究 这种现象开始，打开认识基因表达调控 分子机理的窗口的。
2 06.11.2020
1.操纵子的提出
17 06.11.2020
以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区
（o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之
间，部分序列与启动子序列重叠。
仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具 有回文（palindrome）样的对称性一级结构， 能形成十字形的茎环（stem loop）构造。不 少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特 定蛋白质的结合相关。
8 06.11.2020
至少在第一个结构基因5’侧具有核糖体 结 合 位 点 (ribosome binding site, RBS) ， 因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多 顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并 起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第 一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直 至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多 肽。
由于ｚ、ｙ、ａ三个基因头尾相接，上
一个基因的翻译终止密码靠近下一个基因的
12 06.11.2020
翻译起始密码，因而同一个核糖体能沿 此转录生成的多顺反子（polycistron） mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码 的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿 mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质， 一气依次合成这基因群所编码所有的蛋白 质。
4 06.11.2020
在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时， 大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶量极少，加入乳糖 2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其 量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时， 菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量 的3%。
在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前， 也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高的 过程。
乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证 实，对其有了更深入的认识，并且发现其他 原核生物基因调控也有类似的操纵子组织， 操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组 织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形 式组成基因表达调控的单元。
下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子 的最基本的组成元件（elements）。
7 06.11.2020
13 06.11.2020
14 06.11.2020
(2) 启动子
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 纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。
用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合， 再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA 聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解， 由此可以测出启动子的范围及其序列。
9 06.11.2020
乳糖操纵子含有ｚ、ｙ和ａ3个结构基因。 ｚ基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分
子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成有 活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳 糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；
10 06.11.2020
ｙ基因长780bp，编码有260个氨基酸、
这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极 好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象， 法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和 生 化 学 研 究 实 验 ， 于 1961 年 提 出 乳 糖 06.11.2020
2. 操纵子的基本组成
18 06.11.2020
阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后ß -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。
(1) 结构基因群
操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可 称为结构基因(structural gene, SG)。一个 操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达 十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅 读框(open reading frame), 5’端有起始密 码ATG，3’端有终止密码TAA、TGA或TAG。各 结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基 因群。
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、 阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中 含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖， 当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的 适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖 增长。
3 06.11.2020
大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳 糖 进 入 细 菌 的 半 乳 糖 透 过 酶 (lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 －半乳糖 苷酶( -galactosidase)。
15 06.11.2020
(3) 操纵区
操纵区（operator）是指能被调控蛋白 特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近 或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵 子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。
16 06.11.2020
以 前 将 操 纵 区 称 为 操 纵 基 因 （ operator gene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编 码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质 的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用， 正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样， 操纵序列就可称为操纵区。operon译为操纵子， 即基因表达操纵的单元之意。
分子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环 境中的乳糖进入细菌；
ａ 基 因 长 825bp ， 编 码 275 氨 基 酸 、 分
子量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活 性形式催化半乳糖的乙酰化。
11 06.11.2020
ｚ基因5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结
合位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序 列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结合 在转录产生的mRNA上。
第九章 原核基因表达的调控
一、操纵子 二、乳糖操纵子的表达调控
1 06.11.2020
一、操纵子(operon)
细菌能随环境的变化，迅速改变某 些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实验模型。人们就是从研究 这种现象开始，打开认识基因表达调控 分子机理的窗口的。
2 06.11.2020
1.操纵子的提出
17 06.11.2020
以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区
（o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之
间，部分序列与启动子序列重叠。
仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具 有回文（palindrome）样的对称性一级结构， 能形成十字形的茎环（stem loop）构造。不 少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特 定蛋白质的结合相关。
8 06.11.2020
至少在第一个结构基因5’侧具有核糖体 结 合 位 点 (ribosome binding site, RBS) ， 因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多 顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并 起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第 一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直 至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多 肽。
由于ｚ、ｙ、ａ三个基因头尾相接，上
一个基因的翻译终止密码靠近下一个基因的
12 06.11.2020
翻译起始密码，因而同一个核糖体能沿 此转录生成的多顺反子（polycistron） mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码 的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿 mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质， 一气依次合成这基因群所编码所有的蛋白 质。
4 06.11.2020
在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时， 大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶量极少，加入乳糖 2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其 量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时， 菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量 的3%。
在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前， 也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高的 过程。
乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证 实，对其有了更深入的认识，并且发现其他 原核生物基因调控也有类似的操纵子组织， 操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组 织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形 式组成基因表达调控的单元。
下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子 的最基本的组成元件（elements）。
7 06.11.2020
13 06.11.2020
14 06.11.2020
(2) 启动子
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 纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。
用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合， 再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA 聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解， 由此可以测出启动子的范围及其序列。
9 06.11.2020
乳糖操纵子含有ｚ、ｙ和ａ3个结构基因。 ｚ基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分
子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成有 活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳 糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；
10 06.11.2020
ｙ基因长780bp，编码有260个氨基酸、