OPERÓN LACTOSA INTRODUCCIÓN Los genes, a través de la transcripción y la traducción, dirigen la síntesis de proteínas, muchas de las cuales funcionan como enzimas: las diversas enzimas utilizadas para el metabolismo celular. Como la síntesis de proteínas requiere un enorme gasto de energía, su regulación es importante para la economía de la energía celular ( síntesis exclusiva de las proteínas necesarias en un momento particular ) así como también para el mantenimiento de las diferencias diferencias estructurales y funcionales que existen en las células durante el desarrollo (que le confieren capacidad de adaptación a diferentes circunstancias ambientales.)
REGULACIÓN GENÉTICA El foco primario de la regulación en procariotas es la de la iniciación de la transcripción , aunque en algunos casos la regulación de la iniciación de la traducción tiene lugar y otros procesos como la recombinación pueden intervenir. Dos mecanismos de control genético conocidos como represión e inducción regulan la transcripción de mRNA y por consiguiente la síntesis de enzimas por ellos. Estos mecanismos controlan la formación y la cantidad de enzimas en la célula.
REPRESIÓN: El mecanismo regulador que inhibe la expresión génica y disminuye la síntesis de enzimas se denomina represión. La represión, que suele ser una respuesta al exceso de un producto final de una vía metabólica, provoca una disminución de la velocidad de síntesis de las enzimas que conducen a la formación de ese producto. La represión está mediada por proteínas reguladoras, denominadas represores , que bloquean la capacidad de la RNA polimerasa de iniciar la transcripción de los genes reprimidos. (ESTADO BASAL: GEN REPRIMIBLE: ACTIVO)
INDUCCIÓN: El proceso que activa la transcripción de un gen o de varios genes es la inducción. Una sustancia que induce la transcripción de un gen se denomina inductor y las enzimas que se sintetizan en presencia de inductores son enzimas inducibles. (ESTADO BASAL: GEN INDUCIBLE: INACTIVO) Tanto la inducción como la represión génicas de funciones pu eden deberse a su vez a:
controles positivos
controles negativos.
Los detalles del control de la expresión génica por inducción y represión se describen mediante el modelo del operón. En 1961 François Jacob y Jacques Monod formularon este modelo general para explicar la regulación de la síntesis de proteínas.
Un operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador) y genes reguladores.
ESTRUCTURA (I) Gen regulador: codifica una proteína que regula la transcripción de los genes estructurales. (P) Promotor: región del DNA donde la RA polimerasa inicia la transcripción. (O) Operador: como un semáforo que emite una señal de avance o de, detención para la transcripción de los genes estructurales.
Genes estructurales: determinan las estructuras de las proteínas. OPERÓN lac La lactosa es un disacarido perteneciente al grupo de los β-galactósidos. E. coli puede utilizarla como fuente de energía y de carbono después de degradarla, convirtiéndola en glucosa y galactosa. El operón lac está formado por tres secuencias operadoras (de las que solo se usan 2 como mucho) seguidas de tres genes estructurales ligados (Z, Y, y A) que codifican las enzimas que sirven para metabolizar la lactosa, y un cuarto gen (I) es el regulador del operón.
LacZ : codifica la β-galactosidasa que, en su forma activa, se encarga de hidrolizar el enlace βglucosídico y liberar glucosa y galactosa. LacY : codifica la permeasa que facilita el transporte de la lactosa al interior de la célula mediante un simporte ( cotransporte paralelo) de protones y lactosa. LacA: codifica la transacetilasa , no es esencial para el catabolismo de la lactosa pero parece ser necesaria para destoxificar la célula de otros p roductos que pueden entrar por la acción de la permeasa.
LacI : constituye una unidad de transcripción independiente que se transcribe a partir de su promotor PI. Codifica el represor del operón que regulará la expresión de los tres genes estructurales anteriores al unirse al operador. Operador (O1): secuencias en el DNA que, cuando son reconocidas por LacIp, reprimen la expresión del operón, pero no impide que la RNA-polimerasa reconozca el promotor. PLac: se trata del promotor de la unidad de transcripción que contiene los genes Z, Y y A. Sitio CRP: Se trata de una secuencia que reconocerá la proteína CRP para regular el operón en función de la cantidad de glucosa existente. El operón lac se activa por la presencia de un inductor (natural como lactosa o alolactosa, o sintético como el IPTG). El verdadero inductor del sistema es la Alolactosa y no la lactosa de manera que la β -galactosidasa transforma la lactosa en Alolactosa. En los estudios del operón lactosa se utiliza como inductor un análogo sintético de la lactosa que es el Isopropil tiogalactósido (IPTG) . El IPTG no necesita ser transportado por la galactósido permeasa para entrar en la bacteria.
Control negativo: el sistema se expresa a menos que sea desconectado por la acción de una proteína reguladora, a la que se denomina represor. Dentro de este control podemos distinguir, a su vez: a) Control negativo con efectos inductores (ej: en el operón lac ): el represor, per se es activo, pero se inactiva en presencia del inductor.
Control positivo: los genes estructurales no se transcriben (o en todo caso lo hacen a un nivel basal bajo) a no ser que exista una proteína reguladora activa llamada activador. También aquí puede haber dos categorías: a) Control positivo por inducción : la proteína activadora, por sí misma es inactiva, pero queda activada cuando se le une el inductor. b) Control positivo por represión : la proteína activadora, per se , es activa, pero se inactiva cuando se le une el correpresor.
DUALIDAD DEL OPERÓN LAC Operón lac: es un sistema inducible que está bajo control negativo, de manera que la proteína reguladora, producto del gen regulador i, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor. Como veremos más adelante, el operón lac también está bajo control positivo, ya que existe otra proteína que estimula la transcripción de los genes estructurales.
CONTROL NEGATIVO
Cuando la lactosa está ausente la proteína represora se une firmemente al sitio operador. Esta unión impide que la enzima RNA polimerasa transcriba los genes
estructurales adyacentes; en consecuencia, no se forma m RNA y no se sintetizan enzimas.
Cuando la lactosa está presente, parte de ella es transportada al interior de las células y convertida en el inductor alolactosa. El inductor se une a la proteína represora y la altera de modo que no puede unirse al sitio operador. En ausencia de una proteína represora unid a al operador la RNA polimerasa puede transcribir los genes estructurales en m RNA, que luego se traduce en enzimas. Esta es la razón por la que en presencia de lactosa se producen enzimas. Se dice que la lactosa induce la síntesis de la enzima y el operón lac se denomina operón inducible
CONTROL POSITIVO La regulación del operón lactosa también depende de la concentración de glucosa en el medio, la que a su vez controla el nivel intracelular de la pequeña molécula de AMP cíclico (cAMP), una sustancia derivada del ATP que actúa como una señal de alarma celular. Las enzimas que metabolizan la glucosa son constitutivas y las células crecen a su máxima velocidad con la glucosa como fuente de carbono porque pueden utilizarla de modo más eficaz (fig. 8.13).
Cuando la glucosa ya no está más disponible se acumula cAMp en la célula. Este se une al sitio alostérico de una proteína activadora catabólica (en inglés catabolic activator protein o CAP ). Entonces la CAP se une con el promotor lac, que inicia la transcripción porque facilita la unión de la RNA polimerasa con el promotor. Por lo tanto, la transcripción del operón lac requiere tanto la presencia de lactosa como la ausencia de glucosa (fig. 8.14). El AMP cíclico es un ejemplo de una alarmona, una señal de alarma química que promueve la respuesta de una célula al estrés ambiental o nutricional. (En este caso el estrés es la falta de glucosa.) El mismo mecanismo que involucra al cAMP permite que la célula crezca en presencia de otros azúcares. La inhibición del metabolismo de fuentes de carbono alternativas por la glucosa se denomina represión por catabolito (o efecto glucosa). Cuando la glucosa está disponible la concentración de cAMP en la célula es baja y por consiguiente la CAP no está unida.
BALANCE DE LA REGULACIÓN DEL OPERÓN LAC ENTRE GLUCOSA Y LACTOSA
GLUCOSA PRESENTE, LACTOSA AUSENTE : no ocurre la transcripción del operón lac . Eso es porque el represor lac permanece unido al operador y previene la transcripción por la ARN polimerasa. Además, los niveles de AMPc son bajos porque los niveles de glucosa son altos, así que CAP está inactiva y no puede unirse al ADN.
GLUCOSA PRESENTE, LACTOSA PRESENTE : se da la transcripción del operón lac a un nivel bajo. El represor lac es liberado del operador porque el inductor (alolactosa) está presente. Los niveles de AMPc, sin embargo, son bajos porque hay glucosa. Entonces, CAP permanece inactiva y no puede unirse al ADN, así que la transcripción solo ocurre a un nivel bajo o po bre.
GLUCOSA AUSENTE, LACTOSA AUSENTE : no ocurre transcripción del operón lac . Los niveles de AMPc son altos porque los niveles de glucosa son bajos, así que CAP está activa y estará unida al ADN. Sin embargo, el represor lac también estará unido al operador (debido a la ausencia de alolactosa), y actúa como barrera a la ARN polimerasa y previene la transcripción.
GLUCOSA AUSENTE, LACTOSA PRESENTE : ocurre una fuerte transcripción del operón lac . El represor lac es liberado del operador porque el inductor (alolactosa) está presente. Los niveles de AMPc son altos porque no hay glucosa, así que CAP está activa y unida al ADN. CAP ayuda a que la ARN polimerasa se una al promotor, lo que permite altos niveles de transcripción.
CONCLUSIÓN El operón lac , para que pueda transcribirse a condiciones simultáneamente:
pleno rendimiento requiere que se cumplan dos
No debe haber en el medio una fuente más rica de azúcar (como la glucosa), lo que libera la “represión catabólica” por el mecanismo de regulación positiva a través de CAP Debe existir el inductor exógeno (la lactosa), que inactiva el mecanismo de regulación negativa.
BIBLIOGRAFÍA
http://fbio.uh.cu/sites/genmol/confs/conf7/index_proc.htm Introducción a la microbiología Genética http://www.biorom.uma.es/contenido/av_bma/apuntes/T10/opeLac.html http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/15regulacion.htm#_Toc62377247 https://es.khanacademy.org/science/biology/gene-regulation/gene-regulation-in-bacteria/a/the-lacoperon
