大肠杆菌的乳糖操纵子ppt课件
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大肠杆菌的 乳糖操纵子
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一、什么是操纵子模型
操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存在，构成所 谓的多顺反子（polycistron)，它们的表达作为一个整体受到 控制元件（co来自百度文库trol element)的调节。控制元件由启动子、操 纵基因（operator）和调节基因组成。调节基因编码调节蛋 白，与操纵基因结合而调节结构基因的表达。如果调节基因编
码的蛋白质与操纵基因的结合是阻遏基因的表达，这样的调控 就称为负调控（negative control），相应的调节蛋白被称为 阻遏蛋白（repressor);如果调节基因编码的蛋白质与操纵子 基因的结合是激活基因的表达，这样的调控被称为正调控 （positive control），相应的调节蛋白被称为激活蛋白 （activator）。
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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）.
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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。
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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。
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二、乳糖操纵子的负调控 乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
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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。
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二、乳糖操纵子的负调控
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二、乳糖操纵子的负调控
β-半乳糖苷酶主要催化乳糖分子内β-糖苷键的水解，生 成半乳糖和葡萄糖，还催化少量乳糖变成别乳糖的异构 化反应，它由lacZ基因编码；透过酶是一种跨膜运输蛋 白，负责将培养基中的乳糖运输到胞内，由lacY基因编 码；乙酰化酶可催化乙酰基从乙酰辅酶A转移到β-半乳糖 苷上，由lacA基因编码，但其功能尚不知晓，因为缺乏 乙酰化酶的突变体仍然可以利用乳糖。还有一种变体对 诱导物没有反应。遗传作图表明上述变体的突变位点靠 近lacZ、 lacY和lacA，被命名为lacI。
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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
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
François Jacob
Jacques Monod
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二、乳糖操纵子的负调控
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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
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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’
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。
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三、乳糖操纵子的正调控
人们通过大肠杆菌细胞膜的cAMP类似物---双丁酰cAMP加入到 含有葡萄糖和乳糖的培养基中，结果发现乳糖操纵子被诱导， 乳糖能够被利用了。这就说明cAMP浓度的升高是细胞能够利 用乳糖的前提。 人们发现两类不能利用其他糖类的大肠杆菌突变体： 一类突变体的腺苷酸环化酶基因有缺陷，因此在任何情况下 都不能合成cAMP；另一种突变体缺乏一种能够与cAMP结合的 蛋白，即cAMP受体蛋白CRP或CAP，这种突变体在加入外源的 cAMP后也不能利用乳糖。这说明cAMP是通过CAP起作用的。
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一、什么是操纵子模型
操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存在，构成所 谓的多顺反子（polycistron)，它们的表达作为一个整体受到 控制元件（co来自百度文库trol element)的调节。控制元件由启动子、操 纵基因（operator）和调节基因组成。调节基因编码调节蛋 白，与操纵基因结合而调节结构基因的表达。如果调节基因编
码的蛋白质与操纵基因的结合是阻遏基因的表达，这样的调控 就称为负调控（negative control），相应的调节蛋白被称为 阻遏蛋白（repressor);如果调节基因编码的蛋白质与操纵子 基因的结合是激活基因的表达，这样的调控被称为正调控 （positive control），相应的调节蛋白被称为激活蛋白 （activator）。
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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）.
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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。
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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。
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二、乳糖操纵子的负调控 乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
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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。
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二、乳糖操纵子的负调控
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二、乳糖操纵子的负调控
β-半乳糖苷酶主要催化乳糖分子内β-糖苷键的水解，生 成半乳糖和葡萄糖，还催化少量乳糖变成别乳糖的异构 化反应，它由lacZ基因编码；透过酶是一种跨膜运输蛋 白，负责将培养基中的乳糖运输到胞内，由lacY基因编 码；乙酰化酶可催化乙酰基从乙酰辅酶A转移到β-半乳糖 苷上，由lacA基因编码，但其功能尚不知晓，因为缺乏 乙酰化酶的突变体仍然可以利用乳糖。还有一种变体对 诱导物没有反应。遗传作图表明上述变体的突变位点靠 近lacZ、 lacY和lacA，被命名为lacI。
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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
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
François Jacob
Jacques Monod
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二、乳糖操纵子的负调控
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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
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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’
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。
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三、乳糖操纵子的正调控
人们通过大肠杆菌细胞膜的cAMP类似物---双丁酰cAMP加入到 含有葡萄糖和乳糖的培养基中，结果发现乳糖操纵子被诱导， 乳糖能够被利用了。这就说明cAMP浓度的升高是细胞能够利 用乳糖的前提。 人们发现两类不能利用其他糖类的大肠杆菌突变体： 一类突变体的腺苷酸环化酶基因有缺陷，因此在任何情况下 都不能合成cAMP；另一种突变体缺乏一种能够与cAMP结合的 蛋白，即cAMP受体蛋白CRP或CAP，这种突变体在加入外源的 cAMP后也不能利用乳糖。这说明cAMP是通过CAP起作用的。