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大腸桿菌與操縱子學說
點擊次數：1874 發布時間：2016-7-20
1961年，法國科學家莫諾(J·L·Monod，1910-1976)與雅可布(F·Jacob)發表“蛋白質合成中的遺傳調節機制”一文，提出操縱子學說，開創了基因調控的研究。四年后的1965年，莫諾與雅可布即榮獲諾貝爾生理學與醫學獎。
莫諾與雅可布zui初發現的是大腸桿菌的乳糖操縱子。這是一個十分巧妙的自動控制系統，這個自動控制系統負責調控大腸桿菌的乳糖代謝。
乳糖可作為培養大腸桿菌的能源。大腸桿菌能產生一種酶(叫做“半乳糖苷酶”)，能夠催化乳糖分解為半乳糖和葡萄糖，以便作進一步的代謝利用。編碼半乳糖苷酶的基因(簡稱z)是一個結構基因(structural GENE)。這個結構基因與操縱基因共同組成操縱子。操縱基因受一種叫作阻遏蛋白的蛋白質的調控。當阻遏蛋白結合到操縱基因之上時，乳糖會起誘導作用，它與阻遏蛋白結合，使之從操縱基因上脫落下來。這時，操縱基因開啟，相鄰的結構基因也表現活性，細菌就能分解并利用乳糖了，這樣，乳糖便成了誘導半乳糖苷酶產生的誘導物。
上述內容表明，大腸桿菌的乳糖操縱子是一個十分巧妙的自動控制系統：當培養基中含有充分的乳糖，同時不含葡萄糖時，細菌便會自動產生半乳糖苷酶來分解乳糖，以資利用。當培養基中不含乳糖時，細菌便自動關閉乳糖操縱子，以免浪費物質和能量。
60年代中期，在操縱子中還發現了另一個開關基因，稱為啟動基因(promoter)。啟動基因位于操縱基因之前，二者緊密相鄰。啟動基因由環腺苷酸(cAMP)啟動，而環腺苷酸能被葡萄糖所抑制。這樣，葡萄糖便通過抑制環腺苷酸而間接抑制啟動基因，使結構基因失活，停止合成半乳糖苷酶。
由此可知，結構基因同時受兩個開關基因——操縱基因與啟動基因的調控。只有當這兩個開關都處于開啟狀態時，結構基因才能活化。當培養基中同時存在葡萄糖和乳糖時，葡萄糖通過抑制環腺苷酸而間接抑制啟動基因，并進而抑制結構基因，使細菌不產生半乳糖苷酶。這種情況下，細菌便會自動優先利用葡萄糖，因為葡萄糖果是比乳糖更好的能源。