原核生物基因表現的調節 By 蔡靜宜 2010/10/07 單元特色：利用問與答方式了解DNA複製技術的發展歷程與PCR的技術原理 藉由歸納統整了解細胞內與PCR複製DNA的比較 By 蔡靜宜 2010/10/07

乳糖操縱組 色胺酸操縱組 Q1：什麼是基因？ Q2：什麼是基因表現？ Q3：基因表現為什麼需要受到調節？ Q4：如何調節基因表現？ 原核生物基因表現的調節 Q1：什麼是基因？ Q2：什麼是基因表現？ Q3：基因表現為什麼需要受到調節？ Q4：如何調節基因表現？ Q5：解釋原核生物基因表現調節的理論 1. 請點選各問題的超連結 乳糖操縱組 色胺酸操縱組 2 2

1. 『一基因一酵素（one gene — one enzyme）』 Q1：什麼是基因？ 1. 『一基因一酵素（one gene — one enzyme）』 2. 『一基因一蛋白質（one gene — one protein）』 3. 『一基因一多肽鏈（one gene — one polypeptide）』 紅圈圈出現時請點選以回到大綱架構 1953年，華生（Watson）和克里克（Crick）參考加卡夫和福蘭克林的研究結果，提出DNA的分子模型（複習並簡述DNA結構、加卡夫法則 ） 鹼基對：疏水性作用、凡得瓦爾力（微弱、非共價結合） 基因的功能：可轉錄出一條RNA分子或是再經轉譯合成一條多肽鏈 人類基因體計畫（ Human genome project, HGP ）分析24條單套染色體中所含的30億個核苷酸對，確定其『鹽基序列』並繪出其圖譜 複習DNA半保留複製 Question︰何謂『基因』？ 基因位於DNA上，其產物為多肽鏈或是RNA 3

『一基因一酵素（one gene — one enzyme）』 Q1：什麼是基因？ 西元1909年英國醫生蓋羅( Archibald Garrod )提出“基因藉由產生酵素，在細胞內催化特定的化學反應而決定表型”的概念 1940年，比竇（Beadle）、泰頓（Tatum），推論：『基因』→『酵素』→『代謝途徑』 研究紅麵包黴突變種（照射紫外線）的營養需求，發現基因與酵素間的關係 《圖片來源：campbell生物學》 ⊙ 結論：每一種酵素皆是受控於一個基因 『一基因一酵素（one gene — one enzyme）』 4 4

舉例：疾病與基因（苯酮尿症、白化症） 基因 基因 Q1：什麼是基因？ 5 實驗結論：不同基因的異常變異造成多種突變的生成，而每一個基因掌握了一種酵素的產生：『一基因對應一酵素假說』 半乳糖血症：基因突變→ 缺少分解半乳糖磷酸的酵素 苯酮尿症：基因突變→ 缺少某種酶； 白化症：基因突變→ 缺少酪胺酸酶 5 5

經濟原則、分化目的 同一個體內的所有細胞基因完全相同 細胞分化 常受生長環境中營養成分所控制 使基因活化或不活化 單一細胞 Q3：基因表現為什麼需要受到調節？ 同一個體內的所有細胞基因完全相同 細胞分化 ⊙ 多細胞真核生物： 經濟原則、分化目的 基因表現 ⊙ 原核生物： 單一細胞 使基因活化或不活化 常受生長環境中營養成分所控制 原核生物為何需要調節基因表現？ 證明了細菌基因體上的許多基因都跟隨細胞代謝狀態的變化而選擇開啟或關閉 基因表現 6 6

但並非所有的蛋白質皆酵素！ （舉例：胰島素、血紅素 ） Q1：什麼是基因？ 但並非所有的蛋白質皆酵素！ （舉例：胰島素、血紅素 ） ⊙ 修正： 『一基因一蛋白質（one gene — one protein）』 並非所有的蛋白質皆酵素；不作為酵素的蛋白質也是基因產物 7

『一基因一多肽鏈（one gene — one polypeptide）』 Q1：什麼是基因？ 有些蛋白質是由一條以上的多肽鏈所構成！ 血紅素 抗體 多數蛋白質是由單一多肽鏈構成；有些蛋白質則由一條以上的多肽鏈所構成（如：血紅素、抗體） ⊙ 修正： 『一基因一多肽鏈（one gene — one polypeptide）』 8

Q2：什麼是基因表現？ 基因表現 轉錄 轉譯 DNA RNA 蛋白質 9 9

想想看：如果細胞內的每個基因都表現，那麼會如何？ Q3：基因表現為什麼需要受到調節？ 想想看：如果細胞內的每個基因都表現，那麼會如何？ 基因的功能：可轉錄出一條RNA分子或是再經轉譯合成一條多肽鏈 個體內的各種細胞均具有完全相同的遺傳基因→ （基因表現、胚胎誘導、激素…）→ 各種細胞的構造與功能互有差異 細胞在不同發育階段或不同組織中基於『經濟原則』或達到『分化目的』，選擇性的活化某些基因，同時也使其他基因停止活動 基因表現的時機：常受生長環境中營養成分所控制 10 10

DNA RNA 蛋白質 轉錄 轉譯 修飾、活化 Q4：如何調節基因表現？ 11 基因的表現可透過三個層次加以調控：『改變基因轉錄的效率』（大部分基因以此方式調控）、『改變mRNA轉譯的效率』、『影響蛋白質的修飾與活化』 基因的表現也具有『回饋控制』 本單元著重在轉錄的層次 證明了細菌基因體上的許多基因都跟隨細胞代謝狀態的變化而選擇開啟或關閉 11 11

Q4：如何調節基因表現？ 基因的表現可透過三個層次加以調控：『改變基因轉錄的效率』（大部分基因以此方式調控）、『改變mRNA轉譯的效率』、『影響蛋白質的修飾與活化』 基因的表現也具有『回饋控制』 本單元著重在轉錄的層次 證明了細菌基因體上的許多基因都跟隨細胞代謝狀態的變化而選擇開啟或關閉 12 12

解釋原核生物基因表現調節的理論： 2. 操縱組的發現： 1950年，莫諾研究大腸桿菌乳糖代謝時，觀察到 有三種酶可被乳糖所誘導產生 Q5：解釋原核生物基因表現調節的理論 解釋原核生物基因表現調節的理論： 操縱組（operon） 2. 操縱組的發現： 1950年，莫諾研究大腸桿菌乳糖代謝時，觀察到 有三種酶可被乳糖所誘導產生 基因的表現可透過三個層次加以調控：『改變基因轉錄的效率』（大部分基因以此方式調控）、『改變mRNA轉譯的效率』、『影響蛋白質的修飾與活化』 基因的表現也具有『回饋控制』 本單元著重在轉錄的層次 證明了細菌基因體上的許多基因都跟隨細胞代謝狀態的變化而選擇開啟或關閉 3. 1965年獲得諾貝爾生理醫學獎 13 13

不產生乳糖酶 不加乳糖 莫諾研究大腸桿菌乳糖代謝時，觀察到乳糖可以誘導乳糖酶（β-半乳糖苷酶）的產生 乳糖 加乳糖 乳糖酶產生 數小時後分析 培養大腸桿菌 加乳糖 數小時後分析 乳糖酶產生 培養大腸桿菌 不加乳糖 數小時後分析 不產生乳糖酶

操縱組（operon）

操縱組（operon）

乳糖操縱組 色胺酸操縱組 解釋原核生物基因表現調節的理論： 2. 操縱組的發現： 3. 操縱組： Q5：解釋原核生物基因表現調節的理論 操縱組（operon）模式 2. 操縱組的發現： 3. 操縱組： 乳糖操縱組 基因平常不表現，需要時才會表現 基因的表現可透過三個層次加以調控：『改變基因轉錄的效率』（大部分基因以此方式調控）、『改變mRNA轉譯的效率』、『影響蛋白質的修飾與活化』 基因的表現也具有『回饋控制』 本單元著重在轉錄的層次 證明了細菌基因體上的許多基因都跟隨細胞代謝狀態的變化而選擇開啟或關閉 色胺酸操縱組 基因平常會表現，某些情況下停止表現 17 17

乳糖操縱組 產物為可促進乳糖吸收、代謝相關的酶 色胺酸操縱組 產物為可催化色胺酸合成相關的酶

乳糖操縱組 ⊙ 大腸桿菌培養基內： 1961年，賈柯（Jacob）、莫諾（Monod）發現大腸桿菌對乳糖的分解和吸收本身可以加以控制： 1. 僅有乳糖（不含葡萄糖）時：『合成乳糖酶』以分解乳糖 2. 僅含葡萄糖，或葡萄糖與乳糖同時存在時：『停止合成乳糖酶』

乳糖操縱組 活化 動態的調節 不活化 乳糖 誘導物：乳糖

乳糖操縱組 乳糖操縱組（不含乳糖） 乳糖操縱組（僅含乳糖） 抑制物可抑制構造基因表現 乳糖（誘導物）可誘導構造基因表現 不含乳糖，或是葡萄糖與乳糖同時存在時 抑制物可抑制構造基因表現 乳糖操縱組（僅含乳糖） 僅含乳糖（不含葡萄糖）時 乳糖（誘導物）可誘導構造基因表現 大腸桿菌無法決定宿主會進食哪些食物，嬰兒的主食以乳糖為主的飲食，體內的大腸桿菌必須適應、啟動乳糖操縱組，以便利用與吸收乳糖

乳糖操縱組（不含乳糖）

乳糖操縱組（僅含乳糖）

色胺酸操縱組 大腸桿菌能調節色胺酸（必需胺基酸）的合成 構造基因經轉錄及轉譯作用產生五種酵素，以促進色胺酸合成。 具『負迴饋控制』 《圖片來源：campbell生物學》

色胺酸操縱組 色胺酸 不活化 活化 動態的調節 共同抑制物：過量的色胺酸

色胺酸操縱組 色胺酸操縱組（色胺酸不足時） 色胺酸操縱組（色胺酸過多時） 抑制物無法抑制構造基因表現 過量色胺酸可協助抑制構造基因表現 大腸桿菌無法決定宿主會進食哪些食物，嬰兒的主食以乳糖為主的飲食，體內的大腸桿菌必須適應、啟動乳糖操縱組，以便利用與吸收乳糖

色胺酸操縱組

結 論 原核生物會依生活環境調節基因表現，透過操縱組調整代謝機能，適應環境變動 操縱組 結 論 原核生物會依生活環境調節基因表現，透過操縱組調整代謝機能，適應環境變動 以大腸桿菌為例，細菌無法控制宿主吃哪些食物，藉由調整自己的生理代謝，讓自己存活下來。 操縱組

乳糖操縱組 色胺酸操縱組 抑制蛋白是否可與操作子結合? 有無活性？ 否 誘導物 乳糖 無 共同抑制物 操縱組類型 色胺酸 代謝途徑（同化或異化）？ 是 否 具有活性 不具活性 乳糖 不需 過量的 色胺酸 不需 誘導型 抑制型 異化途徑 同化途徑

牛刀小試

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