Operón de Arabinosa La arabinosa es un azúcar de cinco carbonos que puede ser utilizado por E. coli como una fuente de carbono alternativa. Las enzimas necesarias para el metabolismo de la arabinosa están codicados por el operón arabinosa. El operón arabinosa tiene un complejo sistema de regulación. ue estudiado ! e"plicado por un cient#co$ Ellis Englesberg poco despu%s de la de &acob ! 'onod describió el operón lac. Llegó a la conclusión de que el operón arabinosa se puede regular tanto positiva como negativamente de una manera similar a la del operón lactosa. (or lo tanto el operón arabinosa es tambi%n un operón inducible. En c%lulas de E. coli que crecen en ausencia de arabinosa$ las tres enzimas diferentes que intervienen en su metabolismo son presente en la c%lula en cantidades mu! peque)as ! no *a! e"presión del operón. Este es un mecanismo adaptativo que asegure que estas enzimas necesarias para catabolizar arabinosa sólo se producen en cantidades sucientes cuando arabinosa está presente en el medio ambiente. El operón arabinosa tambi%n e"*ibe represión catabólica. +n complejo A'(c,-( debe formarse para que la e"presión positiva del operón arabinosa que se produzca. Los altos niveles de glucosa en el medio ambiente se reprimir el operón arabinosa debido a los bajos niveles de la mol%cula cA'(. Esto es similar a las condiciones necesarias para la lactosa a ser utilizado como una fuente de carbono. El operón arabinosa sólo e"presar sus genes si arabinosa es la mejor fuente presente en el ambiente de carbono. Estructura ! 'ecanismo El operón arabinosa consta de tres genes estructurales$ /$ A ! 0 que codican para las enzimas catabólicas1 quinasa$ isomerasa ! epimerasa$ respectivamente$ ! un gen -$ un gen convencional que produce un producto de prote#na que se combina con arabinosa ! actúa positivamente a 2a su vez en 2el operón arabinosa. 3ambi%n *a! dos sitios de promotor$ (- ! p/A0$ dos sitios de operador$ O4 ! O5 ! un sitio inductor ara 6$ presentes presentes en el operón arabinosa. uncionamiento de alto nivel del operón ara e"ige la presencia simultánea de dos indicadores de control positivo$ la presencia de arabinosa como la mejor fuente de carbono ! un gen - funcional. El gen ara - es un gen intrigante que controla el operón ara tanto positiva como negativamente. -odica una prote#na reguladora. 3iene tres sitios de unión$ O4$ O5 ! AA 6. En ausencia de arabinosa la prote#na reguladora se une simultáneamente a la ara 6 ! regiones de O5 *aciendo que el operón se pliegue sobre s# misma bloqueando de este modo la transcripción del ara /$ A ! 0 genes. 7in embargo$ cuando arabinosa está presente$ se une al producto del gen ara - ! estimula la transcripción de la estructural /$ los genes A ! 0. Los -(,cA'( actos complejos mediante la
promoción de un reordenamiento del gen ara - cuando arabinosa está presente. En reordenamiento$ que reprime la transcripción a un estado en el que se activa el promotor$ p/A0 del ara /$ los genes A ! 0. El gen ara - tambi%n regula la e"presión de su propio producto g%nico. (or lo tanto$ es un autoregulator. 7ólo cuando los niveles de su producto g%nico se convierten bajo$ 8el gen ara - activar su promotor$ (- ! código para su producto g%nico$ independientemente de los niveles de arabinosa presentes en el medio ambiente. Los genes estructurales /$ A ! 0 de código de enzimas para la catabol!sis de arabinosa. El gen ara A para isomerasa que rompe arabinosa a L,ribulosa. El gen ara / codica para su enzima$ la quinasa que se descompone L,ribulosa a L,ribulosa,9,fosfato$ que si se acumula$ se convierte en tó"ico para la c%lula. Esto sólo puede ocurrir si *a! una mutación en el gen 0 ara evitar una ma!or descomposición del sustrato. El gen ara 0 a continuación$ los códigos para su producto g%nico$ epimerasa que se descompone L,ribulosa,9,fosfato de 0, "!ulose,9,fosfato ! este compuesto se subdivide a trav%s de una v#a glicol#tica. Las mutaciones en el operón arabinosa :a! varias mutaciones que podr#an impedir la e"presión de los genes del operón de arabinosa e incluso causar la muerte celular. +na mutación en el gen ara A *ará que la c%lula bacteriana para ser negativo arabinosa. Esto signica que la bacteria !a no puede utilizar arabinosa como fuente de carbono. ;o va a utilizarlo si la c%lula se cultiva en un medio m#nimo que contiene arabinosa$. +na mutación en el gen ara / tambi%n resultará en el mismo estado. 7in embargo$ una mutación en el gen ara 0 dará lugar a la muerte celular. 0espu%s de que el producto del gen ara / degrada L,ribulosa a L,ribulosa,9,fosfato$ epimerasa no se sintetiza ! no puede descomponer L,ribulosa,9,fosfato que se acumula en la c%lula. L,ribulosa,9,fosfato es tó"ico para la c%lula cuando está presente en niveles altos. Las mutaciones tambi%n pueden ocurrir en el gen ara - *aciendo que los promotores$ p/A0 ! (c$ para convertirse en inactivo ! el operón arabinosa permanece reprimido de forma permanente.
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El operón trp , un sistema reprimible
El operón trp de E. coli controla la bios#ntesis de triptófano en la c%lula a partir del ácido c*orismic precursor inicial. Este operón contiene genes para la producción de cinco prote#nas que se utilizan para producir tres enzimas. Los productos de los genes E ! 0 forman una prote#na multim%rica que comprende dos copias de cada prote#na para producir la enzima sintetasa de antranilato. Esta enzima cataliza las dos primeras reacciones en la v#a de triptófano. El siguiente enzima$ que es responsable de catalizar los dos pasos siguientes en la v#a de la glicerol fosfato sintetasa es indol ! es el producto del locus -. El paso nal en la reacción es la v#a de triptófano a partir de fosfato produce indol,glicerol ! serina. Esta sola etapa está catalizada por la triptófano sintetasa$ una enzima que es un mult#mero de dos prote#nas que son el producto de la / ! A genes.
-omo con todos los operones$ el operón trp consiste del represor$ promotor$ operador ! los genes estructurales. En este sistema$ aunque$ a diferencia del
operón lac$ el gen para el represor no es ad!acente al promotor$ sino más bien se encuentra en otra parte del genoma de E. coli. Otra diferencia es que el operador reside enteramente dentro del promotor El operón trp es un sistema que se puede reprimir. La principal diferencia entre los sistemas inducibles ! reprimibles es el resultado de que se produce cuando la mol%cula efectora se une al represor. -on los sistemas inducibles$ la unión de la mol%cula efectora al represor reduce en gran medida la anidad del represor para el operador$ el represor se libera ! el producto de transcripción. El operón lac es un ejemplo de un sistema inducible. -on los sistemas de reprimibles$ la unión de la mol%cula efectora al represor aumenta enormemente la anidad de represor para el operador ! el represor se une ! se detiene la transcripción. As#$ para el operón trp$ la adición de triptófano ?la mol%cula efectora@ para el medio ambiente E. coli se apaga el sistema porque los represores se une en el operador.
7istema inducible , la mol%cula de efector interactúa con la prote#na represora tal que no puede unirse al operador
7istema reprimible , la mol%cula de efector interactúa con la prote#na represora de tal manera que se puede unir al operador
La atenuación de la trp operón
+no de los elementos del operón trp es la secuencia l#der ?L@ que inmediatamente 9 del gen trpE. Esta secuencia de apro"imadamente 4BC pb es el tama)o tambi%n controla la e"presión del operón a trav%s de un proceso llamado atenuación. Esta secuencia tiene cuatro dominios ?4,D@. 0ominio ?nucleótidos 4CF,454@ del A;m pueden par de bases$ !a sea con dominio 5 ?nucleótidos GD,HD@ o dominio D ?nucleótidos 45B,4D@. 7i el dominio pares con dominio D$ un vástago ! las formas de bucle estructura en el A;m ! la transcripción se detiene. Esta estructura se forma cuando el nivel de triptófano es alta en la c%lula. 7i el dominio pares con el dominio 5$ a continuación$ el tallo ! estructura de bucle no forma ! la transcripción continúa a trav%s del operón$ ! todas las enzimas necesarias para la bios#ntesis de triptófano son productos. Estos eventos se producen cuando el triptófano es baja en la c%lula.
7i se elimina el dominio D$ la estructura de tallo ! bucle no puede formar ! la transcripción del resto del operón ocurrirá incluso en presencia de triptófano. 0ominio D se llama el atenuador porque se requiere su presencia para reducir ?atenuación@ la transcripción del m;A en presencia de altos niveles de triptófano.
0ominio 4 es tambi%n un componente importante del proceso de atenuación. La sección de la secuencia l#der codica un p%ptido de 4D aminoácidos que tiene dos residuos de triptófano.
8-ómo funciona todo este proceso de atenuaciónI Jamos a discutir los eventos moleculares que ocurren en condiciones de alta ! baja triptófano.
trp operón transcripción bajo altos niveles de triptófano
-uando los niveles celulares de triptófano son altos$ los niveles de los A;t del triptófano tambi%n son altos. 6nmediatamente despu%s de la transcripción$ el A;m se mueve rápidamente a trav%s del complejo ribosoma ! el peque)o p%ptido se traduce. La traducción es rápida debido a los altos niveles de triptófano t;A. 0ebido a la rápida traducción$ dominio 5 se asocia con el complejo ribosoma. Entonces dominio se une con el dominio D$ ! la transcripción es atenuada a causa de la formación de tronco ! bucle.
trp operón transcripción /ajo bajos niveles de triptófano
En bajos niveles celulares de triptófano$ la traducción del p%ptido corto en el dominio 4 es lento. 0ebido a la lenta traducción$ dominio 5 no se convierta en asociada con el ribosoma. 'ás bien de dominio 5 se asocia con dominio . Esta estructura permite la transcripción continuada del operón. A continuación$ los genes trpE,A se traducen$ ! la bios#ntesis de triptófano operón trp occurs.3*e es un sistema que se puede reprimir. La principal diferencia entre los sistemas inducibles ! reprimibles es el resultado de que se produce cuando la mol%cula efectora se une al represor. -on los sistemas inducibles$ la unión de la mol%cula efectora al represor reduce en gran medida la anidad del represor para el operador$ el represor se libera ! el producto de transcripción. El operón lac es un ejemplo de un sistema inducible. -on los sistemas de reprimibles$ la unión
de la mol%cula efectora al represor aumenta enormemente la anidad de represor para el operador ! el represor se une ! se detiene la transcripción. As#$ para el operón trp$ la adición de triptófano ?la mol%cula efectora@ para el medio ambiente E. coli se apaga el sistema porque los represores se une en el operador.
7istema inducible , la mol%cula de efector interactúa con la prote#na represora tal que no puede unirse al operador
7istema reprimible , la mol%cula de efector interactúa con la prote#na represora de tal manera que se puede unir al operador
La atenuación de la trp operón
+no de los elementos del operón trp es la secuencia l#der ?L@ que inmediatamente 9 del gen trpE. Esta secuencia de apro"imadamente 4BC pb es el tama)o tambi%n controla la e"presión del operón a trav%s de un proceso llamado atenuación. Esta secuencia tiene cuatro dominios ?4,D@. 0ominio ?nucleótidos 4CF,454@ del A;m pueden par de bases$ !a sea con dominio 5 ?nucleótidos GD,HD@ o dominio D ?nucleótidos 45B,4D@. 7i el dominio pares con dominio D$ un vástago ! las formas de bucle estructura en el A;m ! la transcripción se detiene. Esta estructura se forma cuando el nivel de triptófano es alta en la c%lula. 7i el dominio pares con el dominio 5$ a continuación$ el tallo ! estructura de bucle no forma ! la transcripción continúa a trav%s del operón$ ! todas las enzimas necesarias para la bios#ntesis de triptófano son productos. Estos eventos se producen cuando el triptófano es baja en la c%lula.
7i se elimina el dominio D$ la estructura de tallo ! bucle no puede formar ! la transcripción del resto del operón ocurrirá incluso en presencia de triptófano. 0ominio D se llama el atenuador porque se requiere su presencia para reducir ?atenuación@ la transcripción del m;A en presencia de altos niveles de triptófano.
0ominio 4 es tambi%n un componente importante del proceso de atenuación. La sección de la secuencia l#der codica un p%ptido de 4D aminoácidos que tiene dos residuos de triptófano.
8-ómo funciona todo este proceso de atenuaciónI Jamos a discutir los eventos moleculares que ocurren en condiciones de alta ! baja triptófano.
trp operón transcripción bajo altos niveles de triptófano
-uando los niveles celulares de triptófano son altos$ los niveles de los A;t del triptófano tambi%n son altos. 6nmediatamente despu%s de la transcripción$ el A;m se mueve rápidamente a trav%s del complejo ribosoma ! el peque)o p%ptido se traduce. La traducción es rápida debido a los altos niveles de triptófano t;A. 0ebido a la rápida traducción$ dominio 5 se asocia con el complejo ribosoma. Entonces dominio se une con el dominio D$ ! la transcripción es atenuada a causa de la formación de tronco ! bucle.
trp operón transcripción /ajo bajos niveles de triptófano
En bajos niveles celulares de triptófano$ la traducción del p%ptido corto en el dominio 4 es lento. 0ebido a la lenta traducción$ dominio 5 no se convierta en asociada con el ribosoma. 'ás bien de dominio 5 se asocia con dominio . Esta estructura permite la transcripción continuada del operón. A continuación$ los genes trpE,A se traducen$ ! la bios#ntesis de triptófano se produce.
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Este proceso fue descubierto por -*arles ManofsK! con el operón del triptófano de E. coli .
La iniciación de la transcripción depende de un represor activado por triptófano que puede bloquear el acceso de la polimerasa del A; al promotor. En la atenuación$ la transcripción no se e"tiende siempre para producir A; mensajero completo$ esto es una atenuación. 7e produce un A; m corto.
El que se d% atenuación depende de la estructura espacial del A; ! esta estructura depende de la frecuencia de traducción por ribosomas.
-uando *a! suciente triptófano el A;m se traduce normalmente ! adopta una estructura secundaria que da lugar a la terminación prematura de la transcripción. La escasez del triopófano retrasa la traducción desde el comienzo del mensaje ! el A; m adopta un estructura secudaria distinta que permita a la polimerasa continuar la transcripción.
La escasez de triptófano estimula la e"presión del operón del triptófano. Elimina al represor ! evita la atenuación. La e"presión del operón puede aumentar unas BCC veces.
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