分子生物学-复习提纲-13.负控诱导—乳糖操纵子1

1.操纵子理论：操纵子是原核生物细胞DNA 上的一段区域，由若干功能相关的结构基因和控制这些基因表达的元件组成的一个完整的连续的功能单元。

包含：(1) 结构基因群 (2) 启动子 (3) 操纵基因 (4) 调控基因 (5) 终止子<I>乳糖操纵子：z 基因：β－半乳糖苷酶 y 基因：半乳糖透过酶 a 基因长：转乙酰基酶要点：1）：调节基因位于操纵子外面，lac 操纵子外的调节基因lacI 能产生一种阻遏物。

这种阻物是一种由360个氨基酸组成的蛋白质，有活性的阻遏蛋白是四聚体。

当培养基中没有乳糖时，阻遏蛋白便与结构基因紧密连接的操纵子相结合，阻断了RNA 聚合酶与操纵基因的结合，结构基因形成mRNA 的转录过程不能开始，从而乳糖代谢所必需的3种酶不能合成（操纵基因的位置在-5—+21bp 之间，而RNA 聚合酶保护区域是-48—+5bp 之间，也就是说，RNA 聚合酶和阻遏蛋白的结合位点是重叠的。

这两种蛋白质中的任何一种与DNA 结合后，就会阻止另一种蛋白质的结合）注：异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside, IPTG) 为化学合成的乳糖类似物2）：细胞内cAMP 的浓度与其所处的培养基中的葡萄糖水平有关，葡萄糖浓度越高，细胞内cAMP 越少，反之亦然P lac 是一个弱启动子，启动需要有CAP （一种转录辅助因子）的参与，CAP 结合到启动子上就可以增加RNA 聚合酶与启动组序列的亲和力。

但是CAP 蛋白这种激活作用只有和cAMP 形成复合物，使CAP 构象发生改变后才能发生。

原因可能是cAMP-CAP 复合物与DNA 结合改变了这一区段DNA 次级结构，促进了RNA 聚合酶结合区的解链。

也可能是cAMP-cAP 先通过与RNA 聚合酶结合，再与DNA 结合，因而促进了RNA 聚合酶与启动子的结合，从而增强了转录。

无葡萄糖时，cAMP 含量增加，可同CAP 结合形成具有活性的CAP- cAMP 复合体，与启动子区域的CAP 位点结合，激活转录起始。

乳糖操纵子复习题
乳糖操纵子是分子生物学中一个重要的概念，它涉及到基因表达的调
控机制。

以下是关于乳糖操纵子的复习题内容：
1. 定义：请简述乳糖操纵子是什么，并解释其在细胞中的作用。

2. 组成：描述乳糖操纵子的基本组成部分，包括启动子、操纵基因、
结构基因等。

3. 调控机制：解释乳糖操纵子的正调控和负调控机制是如何工作的。

4. 诱导：阐述乳糖如何作为诱导剂激活乳糖操纵子的表达。

5. 抑制：描述在没有乳糖的情况下，乳糖操纵子是如何被抑制的。

6. cAMP-CAP复合物：解释cAMP-CAP复合物在乳糖操纵子调控中的作用。

7. 乳糖操纵子的发现：简述乳糖操纵子是如何被发现的，以及这一发
现对分子生物学的意义。

8. 应用：讨论乳糖操纵子在现代生物技术中的应用，特别是在基因工
程和基因治疗中的作用。

9. 比较：将乳糖操纵子与其他类型的操纵子（如色氨酸操纵子）进行
比较，指出它们的异同点。

10. 实验研究：列举一些实验方法，用于研究乳糖操纵子的调控机制。

11. 问题解决：提出一些可能在研究乳糖操纵子时遇到的问题，并给出可能的解决方案。

12. 未来方向：探讨乳糖操纵子研究的未来方向，以及这些研究可能对医学和生物技术带来的影响。

通过这些问题的复习，可以加深对乳糖操纵子及其调控机制的理解，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。

分子生物学1、原核基因调控机制的类型与特点1.负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止结构基因转录的作用。

(1)负控诱导:阻遏蛋白不与诱导物结合时,结构基因不转录;(2)负控阻遏:阻遏蛋白与诱导物结合时,结构基因不转录.2.正转录调控:调节基因的产物是激活蛋白.(1)正控诱导系统:诱导物的存在是激活蛋白处于活性状态;(2)正控阻遏系统:诱导物使激活蛋白处于非活性状态.2、乳糖操纵子和色氨酸操纵子大肠杆菌乳糖操纵子：乳糖——开动大肠杆菌乳糖操纵子——表达利用乳糖的三个酶——细菌利用乳糖。

乳糖操纵子的控制模型内容（1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；（2）该mRNA的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达；（3）操纵区是DNA上的一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点；（4）当阻遏物与操纵区结合时，Lac mRNA的转录起始受到抑制；（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，激发Lac mRNA 的转录。

大肠杆菌色氨酸操纵子：加入色氨酸——阻遏色氨酸操纵子—相关合成酶基因关闭。

色氨酸操纵子与负控阻遏系统Trp体系参与生物合成而不是降解;Trp合成分5步,有7个基因参与.组成包括:阻遏基因（R）、启动区(P)、操纵区（O）、前导区（L）、弱化区（a）和结构基因区；Trp操纵子的转录调控包括阻遏系统和弱化系统.3、原核与真核基因表达调控的异同4、DNA水平的表达调控染色质的丢失：不可逆核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加基因重排(gene rearrangement)：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录。

[复习]乳糖操纵子1、乳糖操纵子的组成:大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵基因、一个启动子和一个调节基因。

结构基因能产生一定的酶系统和结构蛋白。

操纵基因控制结构基因的转录速度，位于结构基因和启动子之间，本身不能转录成mRNA。

启动基因也不能转录成mRNA。

调节基因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，称阻遏蛋白或调节蛋白。

2、阻遏蛋白的负性调节:没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶;有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。

所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。

3、CAP的正性调节:CRP是cAMP受体蛋白(cAMP receptor protein)，cAMP(环腺苷酸)是细胞内广泛存在的第二信使。

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供给能量时，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。

cAMP浓度低，CRP未与cAMP结合，CRP不能被活化，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(CRP-cAMP activated protein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。

CAP的通用名称是分解代谢基因激活蛋白(catabolic gene activator protein)。

在启动子上游有CAP结合位点(CAP binding site)，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，增强RNA 聚合酶的转录活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。

乳糖操纵子的正负调控机制-回复标题：乳糖操纵子的正负调控机制引言：乳糖操纵子是一种重要的调控分子，通过对乳糖酶（LacZ）的表达进行调控，它对乳糖的正负调控起着关键作用。

本文将从基本概念、转录调控、转录后调控和其他调控因素等方面逐步阐述乳糖操纵子的正负调控机制。

一、基本概念1.1 乳糖操纵子的定义乳糖操纵子指的是编码乳糖酶的基因lacZ上游区域，其中包括乳糖操纵子区，其中包含负反馈调控元件。

1.2 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子通常由三个重要区域组成：基础RNA聚合酶结合区、诱导物识别区和酶的编码区。

基础RNA聚合酶结合区位于操纵子的上游，用于RNA聚合酶结合并启动转录过程。

诱导物识别区包含与诱导物结合的运算元素，影响乳糖操纵子的激活。

酶的编码区是lacZ基因，编码乳糖酶。

二、转录调控机制2.1 Cis-操纵子区域乳糖操纵子区通过其上游基因区域与RNA聚合酶结合，以启动转录过程。

该基因上游区域内的结构和序列特征决定了乳糖操纵子的转录调控。

2.2 转录因子乳糖操纵子受到多个转录因子的调控。

其中，CAP(catabolite activator protein)可以结合到cAMP上，形成复合物CAP-cAMP，与乳糖操纵子的启动子序列结合，增加RNA聚合酶与基础转录复合物的亲和力。

三、转录后调控机制3.1 运算子的结构乳糖操纵子的转录后调控是通过运算子实现的，运算子中含有几个互相嵌套的域，包括开关开放区和开关关闭区，以及舒适区。

3.2 高级结构的调整在缺乏诱导物的环境中，乳糖操纵子的开关闭合，阻碍RNA聚合酶结合，从而抑制乳糖酶的表达。

而在存在诱导物的环境中，乳糖操纵子发生结构的改变，开关开放，允许RNA聚合酶结合并完成转录。

四、其他调控因素4.1 基因组环境影响乳糖操纵子的调控还受到基因组环境的影响。

基因组环境中的DNA 序列和蛋白质结合位点，以及乳糖操纵子上的一些特殊序列等因素，都会对其正负调控起作用。

乳糖操纵子的正负调控机制乳糖操纵子包括三个结构基因：lacZ、lacY、lacA，以及一个操纵序列O、一个启动子P、一个调节基因I。

它受到两种调节作用，一种是正调节，即lacZ、lacY、lacA基因的表达受到lacI的正调节；另一种是负调节，即lacI基因的表达受到lacZ、lacY、lacA的负调节。

当乳糖存在时，lacI基因表达的阻遏蛋白因与乳糖结合而改变构象，不能与O序列结合，因此乳糖操纵子受乳糖的诱导。

当环境中没有乳糖时，lacI基因表达的阻遏蛋白与O序列结合，阻止了lacZ、lacY、lacA 的表达。

此外，阻遏蛋白还与lacI基因的启动子区域结合，阻止了I 基因的表达，从而减少了阻遏蛋白的合成。

另一方面，当环境中葡萄糖含量减少时，细胞需要能量来源，此时lacZ、lacY、lacA基因表达的阻遏蛋白失去活性，因此乳糖操纵子被诱导表达。

此外，细胞中的环腺苷酸受体与环腺苷酸结合后可以促进lacZ、lacY、lacA基因的表达。

综上所述，乳糖操纵子的正负调控机制是复杂的，包括乳糖和葡萄糖的诱导和阻遏作用、lacI基因表达的调节以及阻遏蛋白的合成和活性等。

这些调控作用确保了乳糖操纵子只在特定条件下表达，从而在代谢过程中发挥重要作用。

在实际应用中，人们可以利用乳糖操纵子的正负调控机制来控制代谢途径。

例如，可以通过改变环境中的葡萄糖和乳糖浓度来调节乳糖操纵子的表达水平，从而达到生产某些代谢产物的目的。

此外，人们还可以通过基因工程技术对乳糖操纵子进行改造和优化，以提高代谢途径的效率和产量。

总之，乳糖操纵子的正负调控机制是生物代谢调控的重要环节之一。

通过深入了解这一机制，我们可以更好地掌握生命活动的规律，并为工业生产和医学研究提供有益的借鉴和应用。

此外，乳糖操纵子的正负调控机制也具有深远的科学意义。

它揭示了生物体内基因表达的精细调节过程，展示了生命活动中的复杂反馈机制。

这种机制不仅存在于乳糖操纵子中，还广泛存在于其他生物分子网络中，如转录、翻译、蛋白质折叠等过程。

分子生物学重点1.将外源基因导入的方法常用的基因工程真核细胞包括酵母细胞、动物细胞和植物细胞。

（1）外源基因导入酵母细胞：在对酵母细胞进行外源DNA转化时，一般先需要用酶将其细胞壁消化水解，变成原生质体。

蜗牛消化酶具有纤维素酶、甘露聚糖酶、葡萄糖酸酶以及几丁质酶等，对酵母菌细胞壁有良好水解作用。

原生质体在氯化钙和聚乙二醇存在下，重组DNA能容易地被宿主细胞吸收，转化的原生质体悬浮在营养瓶中，即可再生出新的细胞壁。

（2）外源基因导入动物细胞常用的方法有：1.磷酸钙共沉淀法。

2.DEAE-葡聚糖或聚阳离子，它们能结合DNA并促使细胞吸收；3.脂质体法4.脂质转染法5.电穿孔法6.显微注射法（3）外源基因导入植物细胞常用的方法有：1.转化法2.电穿孔和脂质体法3.显微注射法5.基因枪法4.农杆菌感染法：根瘤农杆菌的Ti质粒上有一段T-DNA ，又称转移DNA，能携带外源基因转移到植物细胞内，并整合到染色体DNA中，因此Ti质粒是目前植物基因工程中最常用的理想的基因载体。

2.核糖体活性中心（核糖体的活性位点）（1）mRNA结合位点（2）P位点（3）A位点（4）肽基转移酶活性位点（转肽酶中心）（5）5SrRNA位点（50S上）（6）E位点（50S上）与氨酰基－tRNA释放有关。

大小亚基在合成中的分工小亚基：对mRNA特殊序列的识别（SD序列）密码子与反密码子的相互作用。

大亚基：AA-tRNA，肽基－tRNA的结合，肽键的形成等。

3.凝胶电泳（操作的主要因素）技术原理流程图目的：分离不同的DNA分子电泳迁移率：电泳分子在电场作用下的迁移速度。

影响迁移率的因素：（1）与电场强度、电泳分子净电荷成正比；（2）与电泳分子的摩擦系数成反比分子摩擦系数为分子大小、极性、介质粘度的函数。

.DNA和RNA在电场中为多聚阴离子，电泳时向正极移动。

速度在于分子大小和构型。

.电泳介质：一般用琼脂糖和聚丙烯酰胺，浓度与所分离的DNA和RNA的大小有关。

1. 乳糖操纵子的正负调控机制2. ⑴乳糖操纵子（lac）是由调节基因（lac I ）、启动子（lac P）、操纵基因（lac 0）和结构基因（lac Z、lac Y、lac A）组成的。

lac I编码阻遏蛋白，lac Z、lac Y、lac A分别编码B-半乳糖苷酶，B -半乳糖苷透性酶和B -半乳糖苷转乙酰基酶。

3. ⑵ 阻遏蛋白的负性调控：当培养基中没有乳糖时，阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构基因的表达；当培养基中有乳糖时，乳糖（真正是异乳糖）分子和阻遏蛋白结合，引起阻遏蛋白构象改变，不能结合到操纵基因上，使RNA 聚合酶能正常催化转录操纵子上的结构基因，即操纵子被诱导表达。

4. ⑶ cAMP-CAP 是一个重要的正调节物质，可以与操纵上的启动子区结合，启动基因转录。

培养基中葡萄糖含量下降，cAMP 合成增加，cAMP 与CAP 形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子的表达。

5. ⑷ 协调调节：乳糖操纵子调节基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP 的正调控两种机制，互相协调，互相制约。

6.6. 详述大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机理。

7. 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。

8. ⑴ 色氨酸操纵子的可阻遏系统：9. 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。

10. ⑵ 色氨酸操纵子的衰减调控11. 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，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P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。

分子生物学复习提纲一．名词解释（1）Ori ：原核生物基因质粒的复制起始位点，是四个高度保守的19bp组成的正向重复序列，只有ori能被宿主细胞复制蛋白质识别的质粒才能在该种细胞中复制。

ARS：自主复制序列，是真核生物DNA复制的起点，包括数个复制起始必须的保守区.不同的ARS序列的共同特征是一个被称为A区的11bp的保守序列。

（2)Promoter:启动子，与基因表达启动有关的顺式作用元件，是结构基因的重要成分,它是位于转录起始位点5’端上游区大约100～200bp以内的具有独立功能的DNA序列，能活化RNA 聚合酶,使之与模板ＤＮＡ准确地相结合并具有转录起始的特异性。

（3）ρ—independent termination不依赖ρ因子的终止,指在不依赖ρ因子的终止反应中,没有任何其他因子的参与，核心酶也能在某些位点终止转录.（强终止子）（4）SD sequence：ＳＤ序列(核糖体小亚基识别位点），存在于原核生物起始密码ＡＵＧ上游７～１２个核苷酸处的一种４～７个核苷酸的保守片段，它与１６ＳｒＲＮＡ３’端反向互补，所以可以将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用.Kozak sequence：存在于真核生物mRNA的一段序列，核糖体能够识别mRNA 上的这段序列，并把它作为翻译起始位点.（5）Operator：操纵基因，与一个或者一组结构基因相邻近，并且能够与一些特异的阻遏蛋白相互作用,从而控制邻近的结构基因表达的基因。

Operon：操纵子，是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。

包括操纵基因、结构基因、启动基因。

（6)Enhancer：增强子，能强化转录起始的序列的为增强子或强化子Silencer：沉默子,可降低基因启动子转录活性的一段DNA顺式元件.与增强子作用相反。

（7）cis-acting element ：顺式作用元件，存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列，包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件,本身不编码任何蛋白质，仅仅提供一个作用位点,与反式作用因子相互作用参与基因表达调控.trans—acting factor：反式作用因子，是指直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。

色氨酸操纵子（负控阻遏系统）：效应物分子——色氨酸trpR—……—P—O—trpL—trpa—trpE—trpD—trpC—trpB—trpA■ trpR ——产生辅阻遏蛋白——结合色氨酸而激活■ 启动区P——转录起始时RNA聚合酶的结合部位■ 操纵区O——有活性的辅阻遏蛋白结合部位，控制mRNA转录■ 前导区L——生成前导RNA（162），囊括trpa ——弱化子区，弱化作用（123～150bp）━主管转录过程：阻遏作用详解①高色氨酸时：色氨酸结合辅阻遏蛋白，并使之结合操纵区O，仅合成一段前导RNA（140bp）；②低色氨酸时：辅阻遏蛋白不具备活性，trp操纵子去阻遏，合成完整的一段mRNA。

━弱化作用：（弱化子trpa）细微调控转录过程，独立于trp操纵子当转录发生以后，除非完全没有trp，转录总在该区域终止，生成一段前导RNA（140bp），因而缺失该123～150bp区的序列，会提高trp基因表达。

■ 表明：转录终止发生在这一区域，并且可以被调节，称为弱化子区。

■ 该区转录的mRNA可以通过自我配对形成茎-环结构，具有典型终止子结构特点。

━前导区的序列：有4个重要的片段：1、2、3、4，有两个色氨酸密码子分布在1的两端■ 配对方式：1-2（暂停发卡结构）、3-4（终止发卡结构）或者2-3（抗终止构型）。

━转录弱化作用机制——基于原核生物转录与翻译同时进行，对tRNA^(Trp)的浓度敏感的前导肽基因的翻译，会调节mRNA转录的终止。

━详细过程：（核糖体的位置起决定作用）①低浓度色氨酸，tRNA^(Trp)的浓度就低，通过相邻Trp密码子的速度慢，4区转录完成时，核糖体（翻译）进行至1区，前导区结构为2-3配对形式，转录可继续进行。

②高浓度色氨酸，tRNA^(Trp)的浓度就高，通过相邻Trp密码子的速度快，4区转录之前，核糖体已到达2区，只能形成3-4茎-环状终止子结构，转录停止，结构基因关闭，不再合成色氨酸。