El principio de regulación del operón lactosa
E. coli no puede utilizar lactosa en un medio que contenga glucosa. Sólo puede utilizar lactosa cuando en su lugar se utiliza lactosa. El mecanismo regulador de este fenómeno es: cuando solo hay lactosa en el medio. Metabolitos de la lactosa La alolactosa es un inductor del operón lac. Puede unirse al sitio alostérico de la proteína represora, provocando un cambio de conformación, destruyendo la afinidad entre la proteína represora y el gen operador, e impidiendo que se una al operador. gene.
Luego la ARN polimerasa se une al promotor y transcribe suavemente el gen estructural a través del gen operador, produciendo una gran cantidad de enzimas que descomponen la lactosa. Así es como se utiliza la lactosa cuando solo hay lactosa en el gen E. medio de cultivo coli.
Información ampliada
Estructura del operón lactosa:
Los genes estructurales relacionados con las funciones bacterianas suelen estar unidos entre sí para formar un grupo de genes. Codifican diferentes enzimas en la misma vía metabólica. Un grupo de genes está regulado uniformemente, con un gen encendido y otro apagado.
Es decir, forman una unidad regulada, y en esta unidad reguladora también se incluyen otros genes con funciones relacionadas, como los genes que codifican permeasas, aunque sus productos no intervienen directamente en el metabolismo catalítico, pero sí. permite el transporte de sustratos de moléculas pequeñas al interior de las células.
Los tres genes relacionados con el catabolismo de la lactosa, lacZ, Y y A, son típicos de los grupos de genes mencionados anteriormente. Sus productos catalizan la descomposición de la lactosa para producir glucosa y galactosa. Tienen elementos regulatorios que actúan en cis y correspondientes factores regulatorios que actúan en transacciones. Las funciones de los tres diagramas de genes estructurales son:
lacZ codifica la β-galactosidasa (β-galactosidasa). Esta enzima está compuesta por un tetrámero de 500 kd, que puede escindir el enlace galactosídico de la lactosa para producir galactosa y. La glucosa
lacY codifica la β-galactósido permeasa (permeasa de galactósido). Esta enzima es una proteína unida a la membrana con un peso molecular de 30 kDd. Constituye un sistema de transporte para transportar el galactósido al interior de las células.
lacA codifica la β-tiogalactósido transacetilasa, cuya función es únicamente transferir el grupo acetilo de la acetil-CoA al β-galactósido.
Ya sea que la mutación lacZ o la mutación lacY puedan producir un fenotipo de tipo lac, las células con este fenotipo lac no pueden utilizar la lactosa. El mutante lacZ pierde la actividad galactosidasa, impidiendo directamente el metabolismo de la lactosa. El mutante lacY no puede absorber lactosa de la membrana.
Este completo sistema regulador incluye genes estructurales y elementos que controlan la expresión de estos genes, formando una unidad reguladora única llamada operón. La actividad del operón está controlada por genes reguladores, y los productos de los genes reguladores pueden interactuar con elementos de control que actúan en cis en el operón.
La transcripción de los genes lacZ, Y y A está controlada por la proteína represora sintetizada bajo las instrucciones del gen lacI. lacI generalmente es adyacente a genes estructurales, pero tiene su propio promotor y terminador, convirtiéndose en una unidad de transcripción independiente.
Dado que el producto de lacI es una proteína soluble, teóricamente no necesita ubicarse cerca del gen estructural. Es capaz de dispersarse en todas partes o unirse a sitios de ADN dispersos (este es un regulador de acción trans típico).
Los genes estructurales y los genes reguladores se pueden distinguir a través de los efectos de las mutaciones. Las proteínas sintetizadas por estos genes se pierden en las células. Sin embargo, las mutaciones en los genes reguladores afectarán la expresión de todos los genes estructurales que controla. Los resultados de mutaciones en proteínas reguladoras pueden revelar el tipo de regulación.
El grupo de genes lac está sujeto a una regulación negativa. Su transcripción puede ser desactivada por proteínas reguladoras. La inactivación de proteínas reguladoras debido a mutaciones da como resultado la expresión constitutiva de genes estructurales. Está demostrado que la función de las proteínas reguladoras es impedir la expresión de genes estructurales, por lo que estas proteínas se denominan proteínas "represoras".
La proteína represora del operón lactosa es un tetrámero compuesto por 4 subunidades (38kDa). Hay aproximadamente 10 tetrámeros en una célula de tipo salvaje. Los genes reguladores se transcriben en ARNm monocistrónico, cuya proporción con respecto al operador es similar a la proporción entre la ARN polimerasa y el promotor.
El producto de lac I se llama represor lac. Su función es unirse al gen operador (lac O) en el extremo 5' del grupo de genes lacZ, Y y A. ubicado en el gen promotor (lac P) y estructural (lac ZYA).
Cuando el represor se une al operador, bloquea el inicio de la transcripción en el promotor. lac O se extiende desde -5 aguas arriba del sitio de inicio de la transcripción del ARNm hasta +21 de la unidad de transcripción.
De esta manera se superpone al final del promotor. Una opinión reciente es que el represor afecta a la ARN polimerasa. A juzgar por las posiciones relativas del operador y el promotor, la unión del represor al ADN impedirá que la ARN polimerasa transcriba genes estructurales.
Pero debemos tener en cuenta que la posición de los genes operadores en algunos otros operones es diferente a la del operón lactosa, por lo que la proteína represora puede combinarse con los genes operadores de diversas formas para bloquear la transcripción.
Desarrollo del operón lactosa:
La actividad de la proteína represora está controlada por inducción de moléculas pequeñas.
Las bacterias deben responder rápidamente a los cambios ambientales. El suministro nutricional puede cambiar en cualquier momento, provocando anomalías repetidas. La supervivencia requiere la capacidad de cambiar entre diferentes sustratos metabólicos. Los eucariotas unicelulares también viven en un entorno en constante cambio; los organismos multicelulares más complejos tienen un conjunto constante de vías metabólicas sin necesidad de responder al entorno externo.
Las bacterias requieren flexibilidad y economía, porque cuando las bacterias encuentran un ambiente adecuado, serán perjudiciales para ellas mismas si consumen una gran cantidad de nutrientes. Cuando falta sustrato, no es necesario sintetizar una gran cantidad de enzimas relacionadas. Por tanto, las bacterias han desarrollado un mecanismo regulador que bloquea la vía de síntesis de enzimas cuando falta sustrato, pero al mismo tiempo, lo hacen. están listos para usarlo una vez que se dispone de un sustrato. Estas enzimas se sintetizan inmediatamente en su presencia.
La presencia de sustratos especiales conduce a la síntesis de enzimas, fenómeno llamado inducción. Este tipo de regulación está muy extendida en las bacterias y también se encuentra en eucariotas inferiores como las levaduras. El operón lactosa de E. coli proporciona un ejemplo típico de este mecanismo regulador.
Cuando E.coli crece en condiciones que carecen de β-galactosidasa, no necesita β-galactosidasa, por lo que el contenido en las células es muy bajo, alrededor de no más de 5 moléculas por célula. Esta enzima se sintetiza muy. rápidamente en bacterias cuando se agrega el sustrato. La enzima se puede producir en solo 2-3 minutos y crece rápidamente hasta 5000 moléculas/célula.
Por ejemplo, la concentración de enzima alcanzará el 5-10% de la proteína celular total. Si se elimina el sustrato del medio de cultivo, la síntesis de enzimas se detendrá rápidamente y volverá a su estado original.
Si no hay lactosa ni glucosa en el medio de cultivo original, las células sólo sintetizarán β-galactosidasa y permeasa a un nivel básico muy bajo. Cuando se agrega Lac, las células lac+ de Ecoli sintetizan rápidamente las dos enzimas anteriores en grandes cantidades.
Se realizaron más experimentos de hibridación con ARNm marcado con 32P (el ADN obtenido de λlac se usó para la hibridación molecular con ARNm de 32P producido en diferentes momentos después de la adición de lactosa. Los resultados mostraron que la lactosa añadida podría). excitar la síntesis de ARNm de lac. el ARNm de lac es extremadamente inestable, con una vida media de sólo 3 minutos. Esta característica se restablece rápidamente con la inducción.
Cuando se elimina el inductor, la transcripción se detiene inmediatamente, todo el ARNm de lac se degrada en un corto período de tiempo y el contenido de la célula vuelve al nivel básico.
La síntesis de β-galactosidasa y permeasa se induce al mismo tiempo que lac mRNA, pero cuando se elimina el inductor, β-galactosidasa y permeasa son más pequeñas que lac mRNA en las células, por lo que la actividad enzimática. permanece inducido en niveles inducidos durante un período prolongado de tiempo.
Este tipo de regulación, que responde rápidamente a cambios en el suministro de nutrientes, no sólo proporciona la capacidad de metabolizar nuevos sustratos, sino que también se utiliza para detener la síntesis interna de algunos componentes realmente añadidos al medio de cultivo. .
Por ejemplo, la síntesis de Trp en E. coli es mediante la acción de la Trp sintasa. Si se añade Trp al medio de crecimiento bacteriano, la producción de Trp sintasa se detiene inmediatamente. Este efecto se llama efecto de represión. Evita que las bacterias sinteticen sustancias en exceso.
En las bacterias existen tanto fenómenos de inducción como de represión.
La inducción es la capacidad de las bacterias para regular la descomposición de sustratos para favorecer el crecimiento. La represión es la capacidad de las bacterias para regular los productos que sintetizan.
Ya sea la regulación de sustratos de moléculas pequeñas para la acción enzimática o la producción de actividad enzimática, su iniciación es independiente. Los sustratos de moléculas pequeñas se denominan inductores (inductores). Ciertas sustancias pueden impedir la síntesis de enzimas por sí mismas. , las sustancias se llaman correpresores.
La inducción y la represión enzimática son muy específicas, y sólo pueden actuar sustratos/productos o moléculas estrechamente relacionadas, pero la actividad de las moléculas pequeñas no depende de la interacción con la enzima objetivo. Algunos inductores son similares al sustrato natural de la β-galactosidasa (lactosa), pero la enzima no puede descomponerlos, como el isopropil-β-D-tiogalactósido (IPTG).
El enlace galactosídico utiliza azufre en lugar de oxígeno, perdiendo así la actividad hidrolítica. Sin embargo, el tiogalactopiranósido y los compuestos oxo homólogos tienen la misma afinidad con el sitio de la enzima. Aunque el IPTG no es reconocido por la galactosidasa, sí. es un inductor muy eficaz del grupo de genes lac.
Las moléculas que pueden inducir la síntesis de enzimas pero que no se descomponen se denominan inductores gratuitos. Aunque la lactosa puede inducir la síntesis de enzimas, posteriormente se descompone, lo que genera muchos problemas cinéticos complejos. Por lo tanto, la gente suele utilizar inductores placebo para realizar diversos experimentos.
Su existencia indica una cuestión importante, es decir, este sistema de control debe tener algún componente que sea diferente de la enzima objetivo y pueda reconocer el sustrato apropiado y su capacidad para reconocer sustratos relacionados también diferentes de las enzimas;
El componente que responde a los inductores es la proteína represora, que está codificada por lacI. Su función es controlar la transcripción de los genes estructurales lacIYA y responder al entorno. Tres genes estructurales se transcriben en un único ARNm policistrónico. El estado activo de la proteína represora determina si el promotor está activado o desactivado.
En ausencia de inductores, estos genes no pueden transcribirse porque la proteína represora está activa y se une al gen operador. Cuando el inductor está presente, el represor se une a él, se vuelve inactivo, abandona al operador y el promotor comienza la transcripción.
El represor tiene una alta afinidad por el gen operador. En ausencia de un inductor, el represor siempre se une al gen operador, lo que hace que los genes estructurales adyacentes no puedan transcribirse. Pero cuando el inductor está presente, se combina con el represor para formar un complejo represor y ya no se une al gen operador.
Enciclopedia Baidu-Operón
Enciclopedia Baidu-Operón Lactosa