大肠杆菌的乳糖操纵子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。
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
▪
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
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。
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
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 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/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CAP结合从而抑制转 录
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
协调表达
(coordinate expression)
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调 一致、共同表达，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
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。
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
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 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/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CAP结合从而抑制转 录
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
协调表达
(coordinate expression)
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调 一致、共同表达，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
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
大肠杆菌的乳糖操纵子
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7
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。
.
8
二、乳糖操纵子的负调控 乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
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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。
.
10
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。
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）。
典型乳糖操纵子的诱导原理ppt课件
▪ 由于Plac是弱启动子，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。
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26
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 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/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CAP结合从而抑制转 录
▪ 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-β-半乳糖苷）也是一种 人工化学合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶 水解产生兰色化合物，因此可以用作β －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。
▪ 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。
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25
乳糖操纵子的协调调控 (coordinate regulation)
▪ 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、 IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
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14
The Lac Operon:
▪ 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。
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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 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/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CAP结合从而抑制转 录
▪ 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-β-半乳糖苷）也是一种 人工化学合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶 水解产生兰色化合物，因此可以用作β －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。
▪ 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。
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25
乳糖操纵子的协调调控 (coordinate regulation)
▪ 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、 IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
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14
The Lac Operon:
《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
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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
.
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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10
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11
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12
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13
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14
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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
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7
lac操纵子及各组分详图
组成 lac I
p o lac Z
大肠杆菌乳糖操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：①结构基因，能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白，这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。
乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。
LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透过酶，lacA合成乙酰基转移酶。
②操纵基因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。
③启动基因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。
④调节基因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。
操纵基因、启动基因和结构基因共同组成一个单位——操纵子（operon）。
乳糖操纵子机制
抑制作用：调节基因转录出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上，因此RNA 聚合酶就不能与启动基因结合，结构基因也被抑制，结果结构基因不能转录出mRNA，不能翻译酶蛋白。
诱导作用：乳糖的存在情况下，乳糖代谢产生别乳糖（alloLactose），别乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白改变构象，不能在和操纵基因结合，失去阻遏作用，结果RNA聚合酶便与启动基因结合，并使结构基因活化，转录出mRNA，翻译出酶蛋白。
负反馈：细胞质中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。
乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合，使结构基因关闭。
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。
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。
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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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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 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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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
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 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’
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（control 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
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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
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
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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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。
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
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
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。