备课素材：原核基因转录水平（乳糖操纵子）的调控-2023-2024学年高一下学期生物人教版必修2

原核基因转录水平（乳糖操纵子）的调控 先看一道试题： 原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的，大肠杆菌乳糖操纵子依次包括调节基因、启动部位、操纵基因和3个结构基因（1acZ、lacY、lacA），如图所示，实验发现当存在乳糖时，细胞可表达出图示3种。据图分析错误的是 A. RNA聚合酶与DNA一个启动部位结合后，可能有多个基因会被同时转录 B. 若阻断①过程，推测细胞内可表达出图示3种酶 C. ③过程由tRNA来认读密码子 D. ②③过程几乎同步发生 【答案】C 【解析】 根据图示，①②为转录，③表示翻译，图中显示，调节基因表达形成的阻遏物会与操纵基因结合，从而阻断结构基因（lacZ、lacY、lacA）的转录，若存在乳糖，则乳糖与阻遏物结合，结构基因能正常转录，据此分析。 A. 当 RNA 聚合酶与启动部位相结合时，包括一个或者几个基因的 DNA 片段的双螺旋解开，因此可能启动多个基因同时转录，A正确； B. 若阻断①过程，则没有阻遏物的存在，结构基因能够正常表达出3种酶，B正确； C. ③为翻译过程，该过程中认读密码子的结构是核糖体，C错误； D. 原核细胞中，转录和翻译几乎同步发生，D正确。 这道试题涉及到原核生物操纵子调控基因表达。教材没有提到。 那么，原核生物是如何通过操纵子调控基因表达的？ 原核生物是单细胞生物，没有核膜和明显的核结构，它们与周围环境的关系密切；在长期进化过程中产生了高度的适应性和应变能力，这是它们赖以生存的保证。由此可见，原核生物的基因表达既与自身的结构相适应，又体现了它们对环境的应变能力。 原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平上，使其可以最经济的方式在基因表达的第一步实行最有效的控制。 原核生物以操纵子（operon）为单位的调控系统即体现了这一特点。 1.乳糖操纵子的结构 原核生物基因表达的调控过程最典型的是操纵子模型，其中乳糖操纵子（Lac operon）最具代表性。乳糖操纵子由调控序列、3个结构基因组成（图1-3-3），各结构组成的作用与其在乳糖代谢中的不同分工相关（表1-3-1）。 2.去阻遏和正调控机制对转录起始进行双重调控 1）. 乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和CAP（正性调节）的协调调节 在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控的。比较典型的是一些与糖代谢有关的操纵子。 细菌通常优先以葡萄糖作为能源，当培养环境中有葡萄糖时，即使加入乳糖、阿拉伯糖等其他糖，细菌也不利用这些糖，不产生代谢这些糖的酶，直到葡萄糖消耗完毕，代谢其他的酶才会根据相应的糖是否存在而被诱导产生。这种现象称为“葡萄糖效应”。这是由于葡萄糖代谢产物能抑制细胞腺苷酸环化酶和激活磷酸二酯酶的活性，结果使细胞内cAMP水平降低。当葡萄糖耗尽时，细胞内cAMP水平升高，即可通过CAP 调控其他操纵子的表达。CAP和其他因子形成的复合调控作用，在乳糖操纵子和阿拉伯糖操纵子研究得较清楚。 E.coli的乳糖操纵子（lac operon）有3个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰化酶，其上游还有一个启动子（P）和一个操纵元件（O）。在启动子上游还有一个CAP蛋白的结合位点。由启动子、操纵元件和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。I基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠（图20-1），阻遏蛋白与操纵元件结合后，抑制结构基因的转录。但是阻遏蛋白的抑制作用并不是绝对的，偶有阻遏蛋白与操纵元件解聚，因此每个细胞中都会有少量的半乳糖苷酶、透酶存在。 当有乳糖存在时，乳糖经透酶作用进入细胞，经β-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖和葡萄糖，但其中一小部分会转变成异乳糖（allolactose，即半乳糖和葡萄糖以β-1，4糖苷键相连，而不是正常的β-1，6糖苷键），异乳糖作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵元件解聚，引起结构基因的转录。异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是异乳糖的类似物，是一种作用极强的诱导剂，不能被细菌代谢，因此被实验室广泛应用。 lac操纵子中的lac启动子是弱启动子，其-35区与一致性序列相差甚远，RNA聚合酶与之结合的能力很弱，只有CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后（图20-9），促进RNA聚合酶与启动子结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。 这种调控作用中，CAP起正调控作用。从图中可见，CAP和阻遏蛋白这两种因素，可因葡萄糖和乳糖的存在与否而有4种不同的组合。 （1）葡萄糖存在、乳糖不存在： 此时无诱导剂存在，