分子生物学-13-2-第七章原核基因表达调控-lacVIP

1、教学单元教案格式 第8章 基因表达调控 课程教案授课题目：8.2 原核基因表达调控-乳糖操纵子模型教学时数：1授课类型： 理论课 实践课教学目的、要求：基因表达调控的基本概念（理解）原核基因调控机制（掌握）乳糖操纵子（重点掌握） 教学重点：重点阐明：乳糖操纵子的结构、机制、功能、意义重点指出：原核生物基因表达调控的经济原则教学难点：绝对难点：乳糖操纵子的机制相对难点：无教学方法和手段：老师讲授为主：讲授 视频演示 PPT演示 讨论。以电脑幻灯片边演示边讲述为主，（白板课件）辅以板书（黑板板书）学生回答问题为辅：（如时间等条件许可的情况下）注：以下内容按实际需要进行取舍 要求有多媒体，因为信息量

2、大，许多结构图需要媒体放映，效果才好教学内容与教学设计：教学设计先通过介绍与原核基因表达调控相关的一系列概念或者已有的观点，然后通过两个典型的例子即：乳糖操纵子和色氨酸操纵子来阐明原核生物的经济调控模式。指明基因表达调控是一个非常复杂的过程，控制转录的开始是最为经济有效的。教学导入大肠杆菌的图片、基因组大小、基因的数量明确指出本节课的重点问题：基因表达调控的基本概念（理解）原核基因调控机制（掌握）乳糖操纵子（重点掌握）色氨酸操纵子（掌握）其他操纵子(了解)转录后水平上的调控(了解)原核基因表达的一些基本概念诱导作用（induction）：细菌应答某种特定物质的出现而合成特定酶的过程，称为。诱导

3、物（inducer）：如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶将其自身分解，这种小分子物质就叫做阻遏作用（repression）：细菌快速应答环境营养成分的变化的能力不仅表现在分解新底物方面，而且也用来关闭突然在培养基中的化合物的内源性合成，这种效应就是所谓的阻遏作用（repression）。辅阻遏物（corepressor）：如果某种小分子物质能够阻止细菌产生合成其自身的酶，这种小分子物质叫做辅阻遏物（corepressor）8.2原核基因调控分类：基因控制的作用方式 负控制：负调控，关闭基因表达的 正控制：正调控，激活基因表达的1、负调控 negative regulation 在没有调节蛋白

4、质存在时基因是表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统 。2、正调控positive regulation 在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。问题：可诱导的调节：上升? 下降？ 可阻遏的调节：下降？上升？ 正调控：开放！上升！ 负调控：关闭！下降！8.2.1原核基因调控机制 -操纵子模型8.2.1.1概念 操纵子：在原核生物中，很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因和控制区以及调节基因的整个核苷酸序列叫做操纵子。 控制区：包括操作子和启动子。 结构基

5、因：产生mRNA并作为模板合成蛋白质 调节基因：产生一种阻遏蛋白与操纵位点相互作用，这个操纵位点一般总是与它所控制的结构基因相毗邻。 二者的作用：阻遏蛋白与操纵位点结合从而阻碍了结构基因的转录，在诱导过程中，诱导物通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵位点的结合。诱导的发现-阻遏的发现-诱导的问题-三个酶的功能一旦培养基中加入乳糖时，细胞中就会快速地、大量地合成半乳糖苷酶乳糖不仅诱导-半乳糖苷酶的产生，而且同时还诱导了另外两种酶的大量产生 这三种酶实际上同属于一个代谢过程，它们的功能是相关的，而在原核生物当中，功能相关的基因往往排列在一起，共同受同一个启动子的控制，一起转录，一起翻译。 半乳

6、糖苷酶负责分解乳糖， 半乳糖苷透性酶负责把乳糖转移进细胞内， 半乳糖苷乙酰基转移酶负责把乙酰基转移到半乳糖苷上，8.2.1.2乳糖操纵子的结构 在培养基中没有乳糖的时候，调节基因lacI表达的产物是一种阻遏蛋白单体，这种单体可以组装成四聚体结合在操作子上，而操作子又距离启动子比较近，四聚体结合上去后，占据了一定的核苷酸序列，以至于占据了RNA聚合酶在启动子上的应该占据的一定位置，这样就阻止了RNA聚合酶与启动子的结合。后面的基因当然不能转录。基因表达受到阻遏。这就是调节蛋白对这三个基因的控制，这种控制是什么控制呢？当然是一种负控制，但是？ 这种负控制是以被诱导。调节基因的产物阻遏蛋白分子上除了

7、有一个与DNA也就是操作子结合的位点之外还有另外一个位点即：乳糖结合位点。当培养基中有乳糖时，乳糖就可以进入到细胞中并且与阻遏蛋白发生结合，从而使得阻遏蛋白四聚体发生一定的构象变化，变化的结果就是脱离了操作子，这样就解除了操纵子的阻遏状态，使得操纵子得以开放，于是基因就表达。换句话说就是原先被阻遏的操纵子被诱导开放了。一些矛盾-第二个问题-第三个问题-第四个问题 乳糖并不能直接与阻遏蛋白结合，而是乳糖首先转变为别乳糖，别乳糖与阻遏蛋白结合。 当乳糖被消耗完了以后，阻遏蛋白就可以重新结合于操作子，lac操纵元的结构基因又回到了关闭状态阻遏物LacI基因本身是一种由弱启动子控制的组成型表达，细胞中

8、总是存在一定量的阻遏蛋白 葡萄糖的存在对乳糖操纵子的影响 首先要清楚一点就是：乳糖操纵子本身表达的基因就是为了降解细胞中的乳糖，使之成为葡萄糖和半乳糖的，这样有利于大肠杆菌直接利用。 如果细胞中有葡萄糖，就没有必要分解乳糖。当二者共同存在时，细胞总是对乳糖视而不见，乳糖操纵子不表达。这就是葡萄糖对它的影响。这种影响称为代谢物阻遏效应。8.2.1.3乳糖操纵子的精细结构-与CAP位点的正调控CAP激活转录包含两种方式（效果）： 第一种方式是直接作用于RNA聚合酶。CAP直接作用于RNA聚合酶的亚基，而且CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才有活性。 另一种是作用于DNA,改变其结构，以协助RNA

9、聚合酶的结合。在CAP-DNA复合物中，DNA呈弯曲状态，弯曲点位于二重对称的中心。CAP结合以后，DNA双螺旋结构有很大的变化。cAMP是一种全局性的调节信号 CRP（cyclic AMP receptor protein）是一种全局性的调节子，可以激活乳糖操纵子、半乳糖操纵子和麦芽糖操纵子的表达。当CRP与cAMP结合后，cAMP-CRP形成二聚体，结合至启动子的上游识别位点，协作RNA聚合酶与启动子结合整个lac operon是一种协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。 cAMP-CAP复合物与启动子区

10、的结合是转录起始所必需的。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 板书设计作业布置： 1、关于管家基因叙述错误的是 (A) 在生物个体的几乎各生长阶段持续表达 (B) 在生物个体的几乎所有细胞中持续表达 (C) 在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达 (D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达(E) 在一个物种的几乎所有个体中持续表达 2、乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是 (A) 葡萄糖 (B) 乳糖 (C) 一半乳糖苷酶 (D) 透酶 (E)异构乳

11、糖 3、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的 (A) CAP结合位点 (B) O序列 (C) P序列 (D) Z基因 (E) I基因4、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在 (A) 葡萄糖及cAMP浓度极高时 (B) 没有葡萄糖及cAMP较低时 (C) 没有葡萄糖及cAMP较高时 (D) 有葡萄糖及cAMP较低时 (E) 有葡萄糖及CAMP较高时 5、Lac阻遏蛋白由 (A) Z基因编码 (B) Y基因编码 (C) A基因编码 (D) I基因编码 、(E) 以上都不是 课后小结：该内容的教学设计上，本教案采用了强化知识点之间的联系，多种媒体结合，难点问题采用不同形式多次分解的方式，提高学生的认识，采用了联系、引导、提问、尤其是问题引导式教学和俗语话类比的教学方式，非常有助于学生理解和记忆，能够达到充分发挥学生求知主动性的目的和教学效果。总的来说以上所设计的解决重点、难点的方法，贯彻了新教改的教学思想，多年来采用这种方法都收到良好的教学效果，实现了教学计划的教学目标。 设计的理念：问题引导式教学与俗语化分解相结合为下节课埋下伏笔给出观点大肠杆菌乳糖操纵子是这种机制最好的范例。大肠杆菌色氨酸操纵子即是阻抑作用的例子引导发问Jacob和Monod利用大肠杆菌的F因子的性导试验和互补遗传