生物化學(xué)與分子生物學(xué)/操縱元的提出

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生物化學(xué)與分子生物學(xué)

基因表達(dá)調(diào)控
- 原核基因表達(dá)調(diào)控
  - 操縱元的提出
  - 操縱元(operon)的基本組成
  - 乳糖操縱元的表達(dá)調(diào)控
  - 色氨酸操縱元

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(圖19－1)。


圖19-1　大腸桿菌二階段生長現(xiàn)象	圖19-2　β-半乳糖苷酶的作用

大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的乳糖透過酶(lactose permease)催化乳糖分解第一步的β－半乳糖苷酶(β－galactosidase)(圖19-2)。

在環(huán)境中沒有乳糖或其他β-半乳糖苷時，大腸桿菌合成β-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細(xì)菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時，菌體內(nèi)的β-半乳糖苷酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%。在上述二階段生長細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細(xì)菌中β-半乳糖苷酶活性顯著增高的過程。這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控的極好模型。

Jacob和Monod提出的lacoperon模

圖19-3　Jacob和Monod提出的lacoperon模

針對大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國的Jacob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，于1961年提出乳糖操縱元(lac operon)學(xué)說，如圖19-3所示。圖19-3中z、a和b型是大腸桿菌編碼利用乳糖所需酶類的基因，p是轉(zhuǎn)錄z、a、b所需要的啟動子，調(diào)控基因i編碼合成調(diào)控蛋白R，R能與o結(jié)合而阻礙從p開始的基因轉(zhuǎn)錄，所以o就是調(diào)節(jié)基因開放的操縱序列，乳糖能改變R結(jié)構(gòu)使其不能與o結(jié)合，因而乳糖濃度增高時基因就開放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類，這樣大腸桿菌就能適應(yīng)外界乳糖供應(yīng)的變化而改變利用乳糖的狀況，這個模型是人們在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上第一次開始認(rèn)識基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)理。