Estructura del operón lac y el control positivo Bioquímica Experimental, FQ

Objetivos Entender el metabolismo de lactosa como un sistema génico inducible. Conocer los elementos que integran el operón de lactosa. Entender el funcionamiento del operón de la lactosa en presencia de este carbohidrato Conocer el concepto de represión catabólica y cómo se lleva a cabo.

Generalidades de la regulación genética en bacterias Son mecanismos desarrollados por los microorganismos que activan o desactivan los genes en función de las necesidades metabólicas. Debe existir un sistema de regulación ya que el genoma completo de todas las células no se están transcribiendo continuamente, por lo cual se regula la transcripción, lo que mantiene la eficiencia genética. Los genes estructurales están organizados en grupos controlados por un solo sitio de regulación, en conjunto estos genes constituyen lo que se denomina operón.

Regulación Bacteriana P: promotor de los genes estructurales E1 ... E4 R: gen regulador (codifica una proteína represora que regula la transcripción de los genes estructurales) O:operador (secuencia reconocida por la proteína represora que impide la transcripción)

Regulación en bacteria Los operones inducibles como los reprimibles pueden estar bajo control positivo ó negativo. Se han investigado tanto los operones inducibles como los reprimibles, representados por los complejos génicos lac y trp respectivamente Control positivo: La transcripción no se produce hasta que la molécula reguladora estimule la producción de RNA Control Negativo: La expresión genética se produce hasta que es desconectada por algún tipo de regulador.

Genes estructurales del operón lac En el metabolismo de la lactosa hay tres genes implicados: Lac Z, Lac Y, Lac A Gen Lac Z: Especifica la secuencia de aminoácidos de la enzima β galactosidasa, que convierte la lactosa en glucosa y galactosa. Gen Lac Y: Especifica la estructura primaria de la β galactosidasa permeasa, enzima que facilita la entrada de lactosa en la célula bacteriana. Gen Lac A: codifica la enzima transacetilasa.

Genes estructurales del operón lac Así un operón es una agrupación de genes cuya expresión esta controlada por una región única denominada operador Genes estructurales del operón lac

El Operon lac funciona para la utilización de lactosa como fuente de carbono

Operón Lac La estrecha unión condujo a describir que los tres genes se transcriben como una sola unidad, lo que resulta en lo que se denomina mRNA policistrónico. Los tres genes se regulan coordinadamente ya que un solo mensajero sirve de base para la traducción de los tres productos génicos.

Proteína activadora por catabolito (CAP): Control Positivo del operón lac CAP debe estar presente para que facilite el proceso ya que se une a la región del promotor Las células prefieren glucosa, y si esta presente, no se activa el operón lac, aún cuando se disponga de lactosa. En ausencia de glucosa y en condiciones de inducción, CAP ejerce un control positivo. La tasa de transcripción es máxima cuando CAP esta unido al promotor y el represor debe estar unido a la lactosa.

En ausencia de Glucosa , los niveles de cAMP aumentan y no se produce represión

Formación de cAMP a partir de ATP La unión de CAP depende de monofosfato de adenosina ciclico (cAMP) Para que se produzca la unión CAP debe estar unido a cAMP cAMP depende de la enzima adenil ciclasa Formación de cAMP a partir de ATP

En presencia de Glucosa Al estar presente la glucosa, la acción de adenil ciclasa provoca disminución de nivel de AMPc Al no forma el complejo cAMP-CAP la RNA polimerasa no tienen afinidad para unirse al DNA promotor Una fuente preferencial de carbono (como es la glucosa) el mecanismo de regulación positiva del operón lac se inactiva.

En presencia de glucosa, los niveles de cAMP decrecen y se produce la represión por catabolito

Durante una primera fase, las bacterias aprovechan solamente la fuente más rica de carbono (la glucosa), creciendo de modo exponencial durante unas cuantas generaciones, hasta que agotan esta glucosa. A continuación se entra en una corta fase de tipo estacionario, que conduce a una nueva fase de crecimiento exponencial (aunque con un coeficiente  menor que el de la fase exponencial anterior) debido a que en ésta las bacterias han pasado a metabolizar la lactosa. Mientras exista glucosa en el medio de cultivo, no se degrada la lactosa, debido al fenómeno conocido como represión catabólica

Represión por catabolito del operón lac (Elección del mejor azúcar a metabolizar) Glucosa Lactosa AMPc Transcripción Expresión de b-galactosidasa Presencia Ausencia No hay Basal (poco) No Hay Poca cantidad Basal (bajo nivel de expresión) Basal (poco) hasta que se acaba la glucosa y entonces aumenta Gran cantidad Alta