乳糖操纵子(乳糖操纵子调控机制)快来看

乳糖操纵子点击上方蓝字关注我们吧摘要：介绍了乳糖操纵子的基本结构、结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终

 

乳糖操纵子

点击上方蓝字关注我们吧摘要：介绍了乳糖操纵子的基本结构、结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终止子的结构和基本功能；并介绍了乳糖操纵子通过阻逼蛋白的负性调控和通过CAP的正性调控的过程和机理关键词：。

乳糖操纵子、结构、调控

高中生物教材中的微生物代谢的调节，以大肠杆菌米乳糖苷酶的诱导合成过程为例，简单介绍了酶合成的调节机理，其内容就是法国分子生物学家雅各布和莫诺于1961年提出的“乳糖操纵子”学说，其本质属于原核生物基因表达的调控。

但因篇幅所限，教材对此介绍过于简单，使得不少学生和教师对此存在较多疑问，下面对此做了较为详细的介绍生物体内每个体细胞都含有该物种的一整套基因，但是，这些基因并不是同时都在表达比如单细胞的细菌，能够根据环境的变化，开启或关闭某些基因，以便迅速合成它所需要的蛋白质，停止合成它不需要的蛋白质。

生物体内的基因之所以能够有序地表达，是因为细胞内存在着对基因表达的调控机制，这种调控机制是生物体所不可缺少的大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳元素的来源但是，雅各布和莫诺发现，当大肠杆菌生活的环境中没有葡萄糖而有乳糖时，大肠杆菌就会迅速合戏与乳糖代谢有关的。

3种酶：一种是β-半乳糖苷透性酶，它促使乳糖通过细胞膜进入细胞；另一种是β-半乳糖苷酶，催化乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；第三种是β-半乳糖苷转乙酰基酶（也称硫代半乳糖苷转乙酰基酶）在这3种酶的作用下，大肠杆菌就能够将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖并加以利用。

当从大肠杆菌生活的环境中去除乳糖后，这3种酶的合成就会停止从上面的现象可以看出，大肠杆菌能够根据周围环境中有没有乳糖，来决定是否合成半乳糖苷酶我们知道，酶的合成是受特定的基因控制的，半乳糖苷酶的合成是半乳糖苷酶基因表达的结果。

由此可见，乳糖对半乳糖苷酶基因的表达起到了诱导作用那么，这种诱导作用是如何进行的呢？雅各布和莫诺提出了操纵子和操纵基因的概念，很好的解释了这种诱导和调控过程，他们的操纵子学说使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。

2人于1965年荣获诺贝尔生理学或医学奖。

1.“乳糖操纵子”的基本组成1.1 结构基因群操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因。一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个，各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。

如图1所示乳糖操纵子含有Z、Y和A共3个结构基因乙基因长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（也称异乳糖），再分解为半乳糖和葡萄糖；。

Y基因长780 bp，编码有260个氨基酸、分子量为30000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌；A基因长825 bp，编码275个氨基酸、分子量为32000的转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。

Z基因5"侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点特征的Shan-Dagano（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上由于乙、Y和A3个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子。

mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上脱落下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，依次合成这个基因群所编码的蛋白质1.2 启动子启动子是措能被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1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虽然不同的启动子序列有所不同，但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律，它们一般长40-60 bp

，含A-T碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列启动子一般可分为识别、结合和起始三个区段转录起始第一个碱基（通常标记位置为+1）最常见的是A；在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，因为这段共有序列是首先发现的，称为

Pribnow盒；在-35 bp处又有TTGACA一组共有序列不同的启动子序列不同，与RNA聚合酶的亲和力不同，启动转录的频率高低不同，即不同的启动子起动基因转录的强弱不同，例如：PL、PR、P7属强启动子，而。

Plac则是较弱的启动子1.3 操纵基因操纵基因是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列操纵基因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基因序列上，会影响其下游基因转录的强弱乳糖操纵子的操纵基因序列位于启动子与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。

研究发现这段双链DNA具有回文样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环构造不少操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关1.4 调控基因调控基因是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白，其介导的调控方式称为负性调控；与操纵子结合后能增强或启动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介导的调控方式称为正性调控。

某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构象发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质称为效应物，其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂，能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂乳糖操纵子中，调控基因。

Rlac位于Plac邻近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因群的转录方向一致，编码产生由347个氨基酸组成的调控蛋白R在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分子量为152000的活性四聚体，能特异性与操纵基因。

0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；当环境中有足够的乳糖时，乳糖受Β-半乳糖苷酶作用转变为别乳糖，别乳糖与R结合，使R的空间构象变化，四聚体解聚成单体，失去与操纵基因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。

在这过程中乳糖（实际起作用的是别乳糖）就是诱导剂，与R结合，起到去阻遏作用，诱导了利用乳糖的酶类基因的转录许多调控蛋白都是变构蛋白，通过与上述类似的方式与效应物结合改变空间构象，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用。

1.5 终止子终止子是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列在1个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子终止子按其作用是否需要蛋白因子的协助至少可以分为2类：不依赖p因子的终止和依赖p

因子的终止不依赖p因子（蛋白性终止因子）的终止子在序列上有一些共通的特点，即有一段富含GC的反向重复序列，其后跟随一段富含AT的序列，因而转录生成的mRNA的序列中能形成发夹式结构，后继一连串U，正是RNA

聚合酶转录生成的这段mRNA的结构阻止RNA聚合酶继续沿DNA移动，并使聚合酶从DNA链上脱落下来，终止转录依赖p因子的终止子其终止转录的作用需要p因子的协同，或至少是受p因子的影响不同的终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能完全停止转录；有的则只是部分终止转录，一部分。

RNA聚合酶能越过这类终止序列继续沿DNA移动并转录如果一串结构基因群中间有这种弱终止子的存在，则前后转录产物的量会有所不同，这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式有的蛋白因子能作用于终止序列，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用，这种蛋白因子就称为抗终止因子。

以上5种元件是每一个操纵子必定含有的其中启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用，启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件。

调控基因可以在结构基因群附近，也可以远离结构基因，它是通过其基因产物——调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用，调控基因就属于反式作用元件，其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子。

由此，基因表达调控机理的关键在蛋白质与核酸的相互作用上2.乳糖操纵子的表达调控2.1 阻遏蛋白的负性调控当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，lac操纵子处于阻遏状态此R基因在其自身的启动子PR控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白。

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偶尔解离，使细胞中还有极低水平的β-半乳糖苷酶及透过酶的生成。

当有乳糖存在时，乳糖受β-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四聚体解聚成单体，失去与O的亲和力，与O解离，基因转录开始，使Β-半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍这就是乳糖对lac

操纵子的诱导作用2.2 CAP的正性调控细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解释放能量时，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。

细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP，当CRP未与CAMP结合时它是没有活性的，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，能以二聚体的方式与特定的

DNA序列结合在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍相反，当有葡萄糖可供分解利用时，。

cAMP浓度降低，CRP不能被活化 lac操纵子的结构基因表达下降由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开始，还不能使细菌很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。

lac操纵子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通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖不难看出，CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵基因，。

CAP则是对转录起正性作用的调控蛋白-激活蛋白，编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在lac操纵子的附近，CAP可以对几个操纵子都起作用综上所述，乳糖操纵子属于可诱导操纵子，这类操纵子通常是关闭的，当受效应物作用后诱导转录起始。

这类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物 作者信息刘本举（河南省濮阳市第一高级中学）李新梅（河南师范大学生命科学学院）