乳糖利用.docVIP

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成与乳糖代谢有关的3种酶，1种是β-半乳糖苷透性酶（permease），它促使乳糖通过细胞膜进入细胞；另1种是β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)，催化乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；第3种是β-半乳糖苷转乙酰基酶(thiogalactoside transac-ytylase)（也称硫代半乳糖苷转乙酰基酶）。在这三种酶的作用下，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，这三种酶的合成就会停止。 所以，大肠杆菌是先把乳糖吸收到细胞内又加以利用的！ 详细的调节机制可查阅《中学生物学》2006第12期---“乳糖操纵子（刘本举）”。　大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA中的一个特定区段。正常情况下，它进行转录和翻译，产生出一种有活性的蛋白，如果这种蛋白结合到大肠杆菌的操纵子区段上，就会阻碍RAN聚合酶的移动，因此这种蛋白被称为阻遏蛋白。　　当大肠杆菌在含有葡萄糖而不含乳糖的培养环境中时，阻遏蛋白就具有阻遏作用，阻挡RNA聚合酶的前移，使之不能转录出相应的mRNA，这种mRNA能翻译生成利用乳糖需要的三种酶。　　而当大肠杆菌在含有乳糖而不含葡萄糖的培养环境中时，乳糖就和阻遏蛋白相结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，这样，它就不能结合在操纵子上，阻遏作用消失，RNA聚合酶可以前移，上述mRNA就被转录出来，利用乳糖所需的三种酶也就可以产生出来了。　　一旦生成的酶生成，就开始消耗乳糖，直至乳糖全部被利用，这样，阻遏蛋白又缺少乳糖和它结合，其阻遏作用又开始发挥，利用乳糖所需的三种酶也不再合成。 细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。 一、操纵元的提出 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。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，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(图19－1)。 图19-1　大肠杆菌二阶段生长现象 图19-2　β-半乳糖苷酶的作用 图19-3　Jacob和Monod提出的lacoperon模 针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jacob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵元(lac operon)学说，如图19-3所示。图19-3中z、a和b型是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，p是转录z、a、b所需要的启动子，调控基因i编码合成调控蛋白R，R能与o结合而阻碍从p开始的基因转录，所以o就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与o结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。 二、操纵元(operon)的基本组成 乳糖操纵元模型被以后的许多研究实验所证实，对其有了更深入的认识，并且发现其他原核生物基因调控也有类似的操纵元组织，操纵元是原核基因表达调控的一种重要的组织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵元的形式组成基因表达调控的单元。下面就以半乳糖操纵元为例子说明操纵元的最基本的组成组件(elements)。 (一)结构基因群 操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structural gene, SG)。一个操纵元中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放读框(open reading frame)，5′端有翻译起始码(DNA存储链上是ATG，转录成mRNA就是AUG)，3′端有翻译终止码(DNA存储链上是TAA、TGA或TAG，转录成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。至少在第一个结构基因5′侧具有核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS),因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动；在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。 乳糖操纵元含有z、y和a三个结构基因。z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(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；y基因长780bp，编码由260个氨基酸组成、分子量30000的半乳糖透