主要内容
乳糖操纵子
乳糖利用基因的调控。乳糖抑制物,分解代谢基因激活蛋白,cAMP。
要点:
- 细菌 大肠杆菌 (E. coli) 的 乳糖 操纵子含有控制乳糖代谢的基因。它只有在乳糖存在而葡萄糖不存在的时候才会被表达。
- 以回应乳糖和葡萄糖的含量变化,两种机制分别将操纵子“打开”和 “关闭” : 乳糖 阻遏物和分解代谢基因激活蛋白 (CAP)。
- 这 乳糖 阻遏物 可以感应乳糖存在。它通常阻止操纵子的转录,但在乳糖存在时,阻遏物会停止运作。这 乳糖 阻遏物通过其同分异构体异乳糖间接感知乳糖的存在。
- 分解代谢基因激活蛋白 (CAP) 可以感知葡萄糖的存在。它激活操纵子的转录,但这只发生在葡萄糖含量低的时候。CAP通过“饥饿信号”分子 cAMP 来间接感知葡萄糖的含量。
介绍
乳糖:是牛奶里主要的糖类,乳糖也是 大肠杆菌 的一种重要营养来源。然而,它们只在其他更好的糖 – 如葡萄糖 – 不存在时才摄入乳糖。
到底什么是 乳糖 操纵子呢?乳糖 操纵子是一种 操纵子,也就是一群基因共享一个启动子 (也被转录成一个 mRNA)。操纵子的基因编码了一些蛋白质,它们让细菌能够用乳糖作为能量来源。
什么能够打开 乳糖 操纵子?
E. coli 细菌可分解乳糖,但乳糖不是他们最理想的能量来源。他们在葡萄糖存在时会优先摄取葡萄糖。比起分解乳糖,分解葡萄糖需要更少的步骤和更低的能量。然而,当只有乳糖存在时, E. coli 会直接将乳糖作为能量来源。
为了利用乳糖,细菌必须表达 乳糖 操纵子基因,它编码着催化乳糖摄入和代谢的关键的酶。为了尽可能的提高效率,E. coli 仅在满足两个条件的时候表达 乳糖 操纵子:
- 乳糖存在 和
- 葡萄糖 不 存在
葡萄糖和乳糖水平是怎样被探测到,它们水平的改变又是怎样影响 乳糖 操纵子转录的呢?两种调节蛋白在其中起到作用:
- 第一, 乳糖 阻遏物,负责感知乳糖存在。
- 其次,分解代谢激活蛋白(CAP),负责感知葡萄糖存在。
这些蛋白与 乳糖 操纵子的DNA结合并根据葡萄糖和乳糖的水平调节其转录。我们来看看其工作机理。
乳糖 (lac) 操纵子的结构
乳糖 操纵子有三个基因: lacZ、lacY和lacA。这些基因在启动子的控制下被转录成一个mRNA。
乳糖 操纵子的基因有协助细胞利用乳糖的蛋白质。lacZ 编码一种将乳糖分离成可进入糖酵解的单糖。相似的, lacY 编码协助乳糖进入细胞的膜转运蛋白。
除了这三种基因, 乳糖 操纵子也含有多种调节性DNA序列。这些DNA位置可以与相关蛋白质结合,控制该操纵子的转录。
- 启动子 是RNA 聚合酶的结合位点,这个酶负责转录。
- 操纵基因 是一个负调节位点,可以与 乳糖 阻遏物结合。操纵基因与启动子重叠,当 乳糖 阻遏物结合时, RNA 聚合酶不能与启动子结合或开始转录。
- CAP 结合位点 是一个与分解代谢基因激活蛋白(CAP)结合的正调节位点。当 CAP 与此位点结合时,它促进转录并协助RNA聚合酶与启动子的结合。
让我们来更加细致的了解一下 乳糖 阻遏物和CAP和它们在 乳糖 操纵子调节中的作用吧。
乳糖 阻遏物
乳糖 阻遏物 (阻遏蛋白)是一种阻遏(抑制) 乳糖 操纵子转录的蛋白质。它与操纵基因结合,而操纵基因与启动子部分重合。当结合时, 乳糖 阻遏物占据RNA聚合酶的位置,阻止它转录操纵子。
当乳糖不存在时,乳糖 阻遏物与操纵基因紧密结合,阻止RNA聚合酶的转录。然而,当乳糖存在时,乳糖 阻遏物失去与DNA结合的能力。它从操纵基因上漂走,为转录操纵子的RNA聚合酶让开道路。
乳糖 阻遏物的这种改变是由于一种叫做 异乳糖的小分子,一种乳糖的同分异构体(原子的重新排列)。当乳糖存在时,一些分子会在细胞中被转化成异乳糖。异乳糖可以与乳糖阻遏物结合并使其改变形态,使它不能与DNA结合。
异乳糖是一个 诱导物 ,它是一种触发基因或操纵子表达的小分子。乳糖 操纵子被认为是一种 诱导型操纵子,因为它通常处于关闭(被阻遏的)状态,但在诱导物异乳糖存在时可被开启。
分解代谢基因激活蛋白 (CAP)
当乳糖存在时, 乳糖 阻遏物会失去与DNA结合的能力。这为RNA聚合酶清开道路,允许它与启动子结合并开始转录 乳糖 操纵子。这是不是听起来像是故事的结尾?
其实……还没完。事实上,RNA聚合酶只身一人不能与 乳糖 操纵子的启动子很好地结合。它可能转录出几个片段,但不会产生更多,除非它得到 分解代谢基因激活蛋白(CAP)的帮助。CAP与位于 乳糖 操纵子启动子上游的DNA位点结合,协助RNA聚合酶与启动子相结合,促进大量转录。
CAP并不总是有活性的(能够结合DNA的)。它被一种名为 环腺苷酸 (cAMP)的小分子调节。cAMP是一个当葡萄糖水平低时, E. coli 细胞内的 “饥饿信号”。cAMP 与 CAP结合,改变其形状并使它与DNA结合,从而促进转录。没有cAMP,CAP是没有活性的,也无法绑定DNA。
CAP只在葡萄糖水平低时 (cAMP水平高时)有活性。因此,乳糖 操纵子只能在葡萄糖不存在时大量转录。这个机制保证细菌只在更优能量来源(葡萄糖)用尽了之后才开启 乳糖 操纵子,并开始摄入乳糖。
因此,什么时候 乳糖 操纵子才 真正地 开启?
乳糖 操纵子在满足这两个条件时被大量表达:
- 葡萄糖不存在: 当葡萄糖不存在时,cAMP 与 CAP结合,使 CAP 能够结合DNA。结合后的CAP帮助 RNA 聚合酶与 乳糖 操纵子的启动子结合。
- 乳糖必须存在:当乳糖存在时,乳糖 遏制物从操纵基因上离开(因为异乳糖的结合)。这允许 RNA 聚合酶沿着DNA移动并转录操纵子。
这两个事件结合起来 – 激活蛋白的结合与遏制物的释放 – 使RNA聚合酶能够与启动子紧密结合,并为开始转录清空道路。它们导致 乳糖 操纵子被转录,生成利用乳糖所需的酶。
知识综合
现在我们看过了 乳糖 操纵子的各个部分,让我们把我们所了解的情况做一个总结,看看操纵子是如何应对各种不同的条件的(存在或缺乏葡萄糖和乳糖)。
- 葡萄糖存在,乳糖不存在:没有 乳糖 操纵子的转录发生。这是因为 乳糖 遏制物仍然结合在操纵基因上,防止RNA聚合酶开始转录。并且,由于葡萄糖水平高,cAMP水平较低,因此CAP没有活性,不能与DNA结合。
- 葡萄糖存在,乳糖存在:低水平的 乳糖 操纵子转录发生。由于诱导物(异乳糖)存在,乳糖 遏制物从操纵基因被释放。然而,由于葡萄糖存在,cAMP水平较低。因此,CAP保持失活的状态,无法与DNA结合,因此只有少量转录发生。
- 葡萄糖不存在,乳糖不存在:没有 乳糖 操纵子的转录发生。由于葡萄糖水平较低, cAMP水平较高。因此CAP是有活性的,并与DNA结合。然而,乳糖 遏制物也会与操纵基因结合(由于异乳糖不存在),挡住RNA聚合酶,并且防止转录的发生。
- 葡萄糖不存在,乳糖存在:乳糖 操纵子被大量转录。 由于诱导物(异乳糖)存在,乳糖 遏制物不再与DNA结合。由于葡萄糖存在,cAMP也大量存在。因此CAP是有活性的,并与DNA结合。CAP协助RNA聚合酶与启动子结合,允许大量转录。
乳糖 操纵子的总结
葡萄糖 | 乳糖 | CAP 结合 | 遏制物结合 | 转录水平 |
---|---|---|---|---|
+ | - | - | + | 无转录 |
+ | + | - | - | 低水平转录 |
- | - | + | + | 无转录 |
- | + | + | - | 强转录 |
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