1 基因表達(dá)的調(diào)控
基因表達(dá)調(diào)控──誘導(dǎo)（打開）或者抑制(關(guān)閉)可通過正調(diào)控和負(fù)調(diào)控完成。在正調(diào)控機(jī)制中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物對(duì)打開一個(gè)或者多個(gè)基因的表達(dá)是必須的。而負(fù)調(diào)控機(jī)制中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物則為關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)所必須。而能完美解釋大腸桿菌鐘愛葡萄糖原因的是一種被稱作乳糖操縱子模型的學(xué)說[1]。
1．1 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)
圖1 乳糖操縱子結(jié)構(gòu)[2]
圖1中的調(diào)節(jié)基因（I）、Z、Y、A分別編碼一種蛋白質(zhì)，其中調(diào)節(jié)蛋白與操縱子中特定的DNA序列O結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄過程；P為啟動(dòng)子即RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)，O為調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合位點(diǎn)，與啟動(dòng)子有部分區(qū)域重疊。CAP(降解物基因活化蛋白)結(jié)合位點(diǎn)為細(xì)胞內(nèi)CAP-cAMP復(fù)合物結(jié)合部位。
1．2 調(diào)節(jié)蛋白的負(fù)調(diào)控
在沒有乳糖存在的情況下，大腸桿菌沒有必要產(chǎn)生利用乳糖的酶。此時(shí)，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的調(diào)節(jié)蛋白與O點(diǎn)結(jié)合從而阻止RNA聚合酶與P的結(jié)合，導(dǎo)致操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)，這種調(diào)節(jié)被稱為負(fù)性調(diào)控。但是調(diào)節(jié)蛋白的阻遏作用并非絕對(duì)，偶有調(diào)節(jié)蛋白與O序列解聚。因此，每個(gè)細(xì)胞會(huì)有寥寥數(shù)個(gè)分子的β-半乳糖苷酶、透過酶生成[3]。
當(dāng)環(huán)境中只有乳糖時(shí)，大腸桿菌需要利用乳糖作為碳源生長(zhǎng)繁殖。此時(shí)，乳糖操縱子即可被誘導(dǎo)，在這個(gè)體系中真正的誘導(dǎo)劑不是乳糖本身，而是其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物---別乳糖。較低轉(zhuǎn)錄水平產(chǎn)生的寥寥數(shù)個(gè)β-半乳糖苷酶、透過酶能使乳糖進(jìn)入細(xì)胞并在細(xì)胞中被轉(zhuǎn)化成別乳糖。別乳糖作為誘導(dǎo)物便與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，使其無法阻止RNA聚合酶與P的結(jié)合，此時(shí)操縱子處于開啟狀態(tài)[3]。使β-半乳糖苷酶增加1000倍之多[1]，此時(shí)細(xì)胞即可有效利用乳糖。
1．3 CAP的正調(diào)控
當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒有葡萄糖或者cAMP濃度較高時(shí)，cAMP與CAP結(jié)合形成cAMP-CAP復(fù)合物并與CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，開始募集RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合[2]，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成，刺激轉(zhuǎn)錄活性，可以提高50倍左右[1]。當(dāng)有葡萄糖或者cAMP濃度較低時(shí)，cAMP與CAP結(jié)合受阻，因此乳糖操縱子的表達(dá)下降，這種調(diào)節(jié)被稱為正性調(diào)控[3]。
1．4 協(xié)調(diào)調(diào)控
正調(diào)控與負(fù)調(diào)控協(xié)調(diào)合作：當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不發(fā)揮作用；但是如果沒有cAMP-CAP復(fù)合物來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，即使調(diào)節(jié)蛋白從操縱序列上解聚仍無轉(zhuǎn)錄活性。當(dāng)然，一般情況下轉(zhuǎn)錄不可能被完全封閉，cAMP-CAP復(fù)合物也不可能一點(diǎn)都沒有。
2 葡萄糖效應(yīng)機(jī)理
乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控能很好解釋在單純存在乳糖時(shí)大腸桿菌是如何利用碳源的。那么如何解釋大腸桿菌在葡萄糖和乳糖同時(shí)存在時(shí)對(duì)葡萄糖的優(yōu)先利用呢？原因在于葡萄糖的存在可以阻止乳糖操縱子以及控制其它碳源利用的操縱子的誘導(dǎo)。我們把這種現(xiàn)象叫做代謝抑制或者葡萄糖效應(yīng)。關(guān)于葡萄糖效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理目前主要有兩種觀點(diǎn)。
一種認(rèn)為葡萄糖分解代謝的降解產(chǎn)物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并活化磷酸二酯酶，因而降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結(jié)合從而抑制乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄[4]。
第二種認(rèn)為，細(xì)胞質(zhì)膜上存在著磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）依賴的糖磷酸轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，該系統(tǒng)由EI、EII、EIII和HPr等組分組成。大腸桿菌在缺乏葡萄糖供應(yīng)時(shí)，細(xì)胞利用該系統(tǒng)將PEP上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給細(xì)胞質(zhì)膜上的腺苷酸環(huán)化酶，形成cAMP。如前所述，cAMP能夠結(jié)合并激活CAP蛋白，從而正調(diào)控乳糖操縱子。由于環(huán)境中葡萄糖的存在，PEP依賴的糖磷酸轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將PEP上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖，而不轉(zhuǎn)移給腺苷酸環(huán)化酶，因而腺苷酸環(huán)化酶處于失活狀態(tài)，cAMP不能通過此途徑合成，cAMP-CAP含量少，乳糖操縱子處于沒有正調(diào)控的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄水平[2]。其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物量從未超過葡萄糖缺少時(shí)所誘導(dǎo)量的2%[1]。因此大腸桿菌細(xì)胞幾乎不能利用乳糖。當(dāng)葡萄糖消耗殆盡時(shí)，抑制作用消失，乳糖操縱子高效運(yùn)行，大腸桿菌利用乳糖。采取類似的機(jī)制，在葡萄糖存在的時(shí)候CAP和cAMP復(fù)合物同樣可使大腸桿菌的阿拉伯糖和半乳糖操縱子保持非誘導(dǎo)狀態(tài)[2]。
圖2 糖磷酸轉(zhuǎn)移系統(tǒng)參與cAMP的生成[2]
3 結(jié)論
綜上所述，我們知道編碼分解葡萄糖和乳糖的酶的基因一直都是存在的，但分解葡萄糖的組成酶，只受遺傳物質(zhì)的控制，因此始終都能正常表達(dá)的。而分解乳糖的誘導(dǎo)酶，只有在誘導(dǎo)物存在的情況下才能充分表達(dá)。但是，有誘導(dǎo)物也不一定能產(chǎn)生大量誘導(dǎo)酶。因?yàn)樗谋磉_(dá)過程是受正負(fù)雙重調(diào)控的結(jié)果，除了取決于誘導(dǎo)物外還跟葡萄糖有關(guān)系。因此，我們可以認(rèn)為只要有誘導(dǎo)物的存在就應(yīng)該可以產(chǎn)生誘導(dǎo)酶，但是要大量產(chǎn)生誘導(dǎo)酶利用葡萄糖類物質(zhì)的充要條件是---既要有誘導(dǎo)物，還要沒有葡萄糖。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙壽元，喬守怡，吳超群等譯． 2011．遺傳學(xué)原理．北京：高教出版社，544～550(書)
[2] 劉國(guó)琴，張曼夫． 生物化學(xué)． 2011．北京：中國(guó)農(nóng)大出版社，359～361(書)
[3] 查錫良，周春燕． 生物化學(xué)． 2008．北京：人民衛(wèi)生出版社，328～331(書)
[4] 王鏡巖，朱圣庚，徐長(zhǎng)法． 生物化學(xué)教程． 2008．北京：高教出版社，640～642(書)
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