乳糖操纵子和色氨酸操纵子

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）。
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控机理。（12分） 答：大肠杆菌色氨酸操纵子的转录受阻遏和衰减两种机制的控制，前者通过阻遏蛋白和操纵基因的作用控制转录的起始，后者通过前导序列形成特殊的空间结构控制转录起始后是否进行下去。 1）色氨酸操纵子的可阻遏系统： 在阻遏系统中，起负调控的调节基因的产物是一个无活性的阻遏蛋白，色氨酸是辅阻遏物；当色氨酸不足时，阻遏蛋白无活性，不能和操纵基因结合，色氨酸操纵子能够转录；当色氨酸充足时，阻遏蛋白和它结合而被激活，从而结合到操纵基因上，而色氨酸操纵子的操纵基因位于启动基因内，因此，活性阻遏物的结合排斥了RNA聚合酶的结合，从而抑制了结构基因的表达。 2）色氨酸操纵子的衰减调控 在色氨酸操纵子的操纵基因和第一个结构基因之间有一段前导序列L，在前导序列上游部分有一个核糖体结合位点，后面是以起始密码AUG开头的14个氨基酸的编码区，编码区有两个紧密相连的色氨酸密码子，后面是一个终止密码子UGA，在开放阅读框下游有一个不依赖ρ因子的终止子，是一段富含G/C的回文序列，可以形成发夹结构，因此可以在此处终止转录。另外前导序列包含4个能进行碱基互补配对的片断1区、2区、3区和4区。它们能以1、2和3、4或2、3的方式进行配对，从而使前导序列形成二级结构的变化。在细菌中，翻译与转录偶连，一旦RNA聚合酶转录出trp mRNA中的前导肽编码区，核糖体便立即结合上去翻译这一序列。当细胞中缺乏色氨酸时，Trp-tRNATrp的浓度很低，核糖体翻译前导肽至两个连续的色氨酸密码子处就陷入停顿，这时核糖体只占据1区，由RNA聚合酶转录的2区和3区便可配对，4区游离在外，这样就不能形成终止子结构，RNA聚合酶就可以一直转录下去，最后完成trp全部结构基因的转录，得到完整的mRNA分子。当细胞中存在色氨酸时，就有一定浓度的Trp-tRNATrp，核糖体便能顺利通过两个连续的色氨酸密码子而翻译出整个前导肽，直到前导肽序列后面的终止密码子UGA处停止。此时，核糖体占据了1区和2区，结果3区和4区配对，形成转录终止子结构，使RNA聚合酶终止转录。实现衰减调控的关键在于时间和空间上的 巧妙安排。在空间上，两个色氨酸密码子的位置很重要，不可随意更改；在时间上，核糖体停顿于两个色氨酸密码子上时，序列4应当还未转录出来
调节乳糖催化酶产生的操纵子就称为乳糖操纵子。其调控机制简述如下：
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。