operonul

7/17/2019 operonul

http://slidepdf.com/reader/full/operonul-568fa3dc41d32 1/15

In raport cu functiile indeplinite, în сelulă se întalnesc mai multe tipuri de determinanti genetici:1. Genele structurale, care reprezinta circa 90% din cantitatea informatiei genetice, determinastructura primara a proteinelor, respectiv secventa aminoacizilor in lantul polipeptidic. Ele suntgrupate, de regula, in unitati de eprimare coordonata !transcriere sincrona", denumite operoni,impreuna cu genele reglatoare. #neori, ansam$lul genelor supuse unui control unitar sunt dispersatein genom si formeaza impreuna un reglon.

. Genele reglatoare au functia de a controla activitatea genelor structurale, prin intermediul produsului lor de sinteza !represor sa deeatu aporepresor ".&. Regiunea operator reprezinta segmentul de '() cromosomal din structura fiecarui operon careare rolul de receptor de semnale. Ele inregistreaza prezenta su$stantelor cu functie de represor saude inductor in mediu si asigura functionarea coordonata a operonului.*. Regiunea promotor !initiator" reprezinta un fragment din structura operonului, adiacent geneioperator. 're functia de initiere a transcrierii operonului, in molecula de '+)m. a nivelul sau areloc legarea enzimei efectoare, ARN-polimeraza.-. Secventele de insertie (SI " sunt secvente nucleotidice scurte !00/l*00 nucleotide", caracterizate printr/o mare mo$ilitate care decurge din capacitatea lor de transpozitie. ranspozitia este termenulcare defineste rearanarile '(), in care o secventa de nucleotide se eli$ereaza prin ecizie dinsitusul lor de insertie cromosomala sau plasmidiala si se reinsera la un alt situs pe aceiasi sau pe oalta molecula de '().2. Gene pentru sinteza ARNr !l0/0" si ARNt !circa -0", situate in regiuni diferite alecromosomului. 3romosomul contine de asemenea, secventele 4ori5 care controleaza replicarea, precum si suprafete de legare cu mezosomul.

6enetica $acteriana s/a dezvoltat pe $aza studiului $acteriilor enterice. 7ro$lema esentiala esteidentificarea genelor si a functiilor lor. 8ulte dintre genele necunoscute !circa 1&" sunt pro$a$ilimportante pentru supravietuirea in conditiile mediului natural scim$ator: in apele curgatoare, insol, pe resturi organice, in tesuturile gazdei. )u s/au identificat toate genele cu rol reglator, ca de eemplu: genele ce controleaza diviziuneacelulara, segregarea nucleoidului, asam$larea.

5.1. STRUCTURA GENEI A !R"CARI"TE

a procariote, un grup de gene structurale, împreună cu o genă reglatoare i cu o secven ă denumităș ț

operator, alcătuiesc o unitate de func ie denumită operon.ț

;peronul reprezintă o unitate de transcrip ie i o unitate de regla genetic.ț ș

Segmentul structural# $genele structurale%.

+eprezintă o succesiune de codoni informa ionali, care vor fi transcri i în '+) mesager i vorț ș ș

determina succesiunea aminoacizilor în lan ul polipeptidic. a procariote gena are o structurăț

continuă i va fi transcrisă în $loc în '+)/m, spre deose$ire de genele eucariotelor care au oș

structură discontinuă. (e o$icei, la procariote mai multe gene structurale sunt asociate împreună înunitatea func ională reprezentată deț operon. <iecare genă dintr/un segment structural al operonului,are codonul start i codonul stop, iar între gene eistă cîte o scurtă secven ă nucleotidică intercalată.ș ț

=egmentul structural al unei gene începe întotdeauna cu un codon start '6, care va fi transcris în'+)/m ca triplet '#6, codificînd metionina.#neori în locul codonului '#6 este un alt codon ini iator ț 6#6 , care codifică valina. 3apătulterminal al segmentului structural este semnalat de unul din codonii stop !sau non / sens" /#'',#'6 sau #6', care au func ia de stopare a sintezei proteice.ț

7/17/2019 operonul


Segementul reglator al operonului.

Este alcătuit din:o genă reglatoare> promotorul genei reglatoare> promotorul operonului> operatorul> ini iatorul> oț

secven ă denumită loc de legare de ri$ozom i terminatorul, !fig. &".ț ș

6ena reglatoare !i", poate fi situată pe aceea i catenă în cadrul operonuluiș pe care îl reglează !efectulcis", dar se poate găsi i la distan ă, pe cealaltă catenă a '()/ului !efectul trans". 3a pozi ie esteș ț ț

înainte de promotorul operonului. 6ena reglatoare realizează sinteza unui produs proteic denumitrepresor, care are o structură alosterică, suferind astfel modificări conforma ionale corespunzătoareț

activită ii lor. ?n func ie de starea sa, represorul se poate ata a de operator $loc@ndu/l, sau poate să/lț ț ș

lase li$er, permi înd astfel activitatea de transcrip ie a mesaului genetic în '+) mesager.ț ț

7romotorul genei reglatoare !7i", controlează activitatea genei reglatoare, fiind situat în amontede aceasta. 7romotorul operonului !7", prin secven ele nucleotidice specifice pe care le con ine, reprezintăț ț

locul pe care/l utilizează enzima '+)/polimeraza pentru a începe transcrip ia mesaului genetic.ț

7romotorul operonului con ine circa 0 p$, la rîndul lui fiind alcătuit din trei scurte secven eț ț

nucleotidice, deose$it de $ine conservate la diverse specii de tip procariot i eucariot. 'cesteș

secven e sunt:ț

& secven a & 1'ț , !-A/'''/&A", denumită i cutia ata sau cutia 7ri$noB.ș 'ceastă secven ăț

nucleotidică se găse te la distan ă de 10 p$ de locul de ini iere al transcrip iei !de aceea esteș ț ț ț

denumită i secven a / 10">ș ț

& secven a & (5ț , !-A/6'3'/&A", denumită i secven a de recunoa tere. =e aflăla distan ăde &- p$ș ț ș ț

de locul de ini iere al transcrip iei.ț ț

=ecven ele / 10 i / &- din promotorul operonului, care se deose$esc de secven ele str@ns înruditeț ș ț

prezente în alte locuri din genom, prin cel mult 1 / nucleotide se numesc secven e consensus.ț

#na din su$unită ile enzimei '+)/polimeraza, factorul sigma, recunoa te secven a /&- alț ș ț

promotorului, ceea ce permite ata area puternică a enzimei '+)/polimeraza de secven a /10 !cutiaș ț

''", pentru a/ i putea eercita apoi func ia de ini iere a sintezei de '+) mesager.ș ț ț

/ 3ea de/a treia secven ă din cadrul promotorului, se află în amonte de secven a /&-,ț ț

fiind denumită secven a / 0.ț

7entru ca transcrip ia să înceapă în segmentul structural, tre$uie săse formeze un comple 3'7 /ț

'87c !3'7 C protein reglatoare> '87c C acidul adenozinmonofosforic", comple care la rîndul luise ata eazăde secven a /0 !-A/3''/&A", stimul nd astfel legarea enzimei '+)/polimeraza. ?nș ț ț

ultimii ani s/a reu it sinteza 4in vitro5, a unor secven e specifice de promotori, foarte eficien i înș ț ț

reglarea activită ii genelor. #n astfel de promotor specific pentru '+)/ț polimeraza $acteriofaguluiD este:-A/'''36'33'3''666/&A&A/''636'66''333/-A.

;peratorul !;", este situat în aval de regiunea promotorului, fiind foarte aproape de locul în careîncepe transcrip ia !sinteza de '+) mesager". Este format dincirca 0 de nucleotide, av nd rolț ț

principal de a oferi un loc specific de legare a represorului, el mai numindu/se iș

4locul de legare al represorului5.?n acest mod operatorul este acela care permite sau nu func ionarea enzimei '+)/polimeraza.ț

Ini iatorul, reprezintă o secven ă specific format din trei nucleotide!3'", denumită i locul deț ț ș

ini iere. (in acest loc, enzima '+)/polimeraza începe transcrip ia.ț ț

7/17/2019 operonul


ocul de legare de ri$ozomi, reprezintăo secvern ă alcătuită din & 9 nucleotide, fiindț

cunoscută i su$ denumirea deș secven a =ine/(algano !=(". 'ceastă secven ă este localizată întreț ț

operator i gena structural i are următoarea structură: -A/''66'66/&A&A/'3333'/-Aș ș

'ceastă secven ădin catena de '(), determinătranscrierea în '+)/m a unei secven e nucleotidiceț ț

complementare, cu autorul căreia '+)/m se fieazăde ri$ozomi !de su$unitatea ri$ozomală&0=", prin intermediul '+)/r, pentru a începe sinteza proteinei specifice. ?nceputul segmentului structural

este marcat de codonul start !'6", iar capătul genei este semnalat de unul din codonii non/sens!stop", cu func ia de a stopa sintezaț proteică.

erminatorul, este situat în aval de ultima genă structurală i determină întreruperea activită iiș ț

'+)/polimerazei, prin recunoa terea de către enzimă prin intermediul factorului sigma, a unorș

secven e nucleotidice specifice din terminator. ?n acest moment, at@t '+) polimeraza cît iț ș

molecula de '+)/mesager sintetizată, se desprind i se eli$erazăde pe catena de '().ș

erminatorul este format din douăsecven e distincte:ț

o secven ăde 1- / 0 de nucleotide, care se găse te înainte de codonul stop al unei geneț ș

structurale, av@nd o structurăpolindromică, !secven ăde nucleotide repetate inversat, fa ăde secven aț ț ț

complementară". =ecven ele polinucleotidice repetate inversat !polindromice", sunt $ogate înț

pereci de $aze 6, 3> o secven ăde 2 nucleotide de adenină, dispuse dupăcodonul stop al ultimei gene structurale. (inț

cadrul unui operon, eistăun segment care este transcris în '+) mesager, format din:locul de legare de ri$ozomi i genele structurale i un segment ne transcripti$il în '+) mesager,ș ș

format din: promotor, gene reglatoare i promotorulș genei reglatoare, operator i terminator.ș

(atorităeisten ei mai multor gene structurale într/un operon, '+)/ul mesager ț sintetizat este unic pentru genele structurale respective, fiind denumit'+)/m polFgenic sau '+)/m policistronic

7/17/2019 operonul


/*2//

7/17/2019 operonul


Reglarea activitatii celulei )acteriene

'ctivitatea meta$olica a celulei $acteriene se adapteaza permanent conditiilor de mediumereu scim$atoare, prin intermediul unor mecanisme fine si eficiente.

=implitatea organizarii interne a celulei $acteriene si deose$ita sa plasticitate fiziologica ii

asigura supravietuirea in contetul unor variatii largi ale conditiilor de mediu, spre deose$ire decelulele organismelor superioare, care tolereaza modificari in limite foarte restranse ale parametrilor omeostaziei. 3elula $acteriana se gaseste intr/o permanenta stare de ecili$rudinamic, in care toate componentele sale structurale sunt continuu construite si degradate.

Gacteriile sintetizeaza unele enzime necesare degradarii anumitor su$straturi, numai candacestia sau analogii lor se gasesc in mediu.

In mod o$isnuit, $acteriile necesita produsele de sinteza ale unui singur operon. In celulafunctioneaza mecanisme reglatoare de tip on-off care permit sinteza enzimelor, numai dacaacestea sunt cerute de conditiile eterne.

=electia naturala optimizeaza eficienta. =istemele reglatoare ale celulelor procariote au ofinalitate teleonomica precisa: sa favorizeze cresterea cu o rata maima, cu eceptia cazurilor incare cresterea ar fi daunatoare. 'ceiasi strategie a finalitatii se aplica si organismelor eucarioteunicelulare: levuri, alge, protozoare.

+eglarea celulara la $acterii este supusa unor reguli generale:

1. moleculele care sunt necesare numai ocazional, se sintetizeaza numai cand prezenta loreste necesara>

. o activitate enzimatica ce consuma inutil energie, sau consuma o molecula care este

su$stratul unei alte enzime, este de o$icei ini$ata>&. daca celula are mai multe cai meta$olice disponi$ile, ea va alege calea care produce ocantitate mai mare de energie pe unitatea de timp.

=cim$arile cimice in lumea vie se produc pe cale meta$olica, adica printr/o secventa dereactii, fiecare fiind catalizata de o enzima specifica.

a $acterii, reglarea activitatii unei astfel de caI, se face prin sinteza sau ini$itia sintezeiintregului set de enzime si proteine accesorii: ori se sintetizeaza intregul set de enzime, ori nu sesintetizeaza nici una. 'cest fenomen, denumit reglare coordonata deriva din controlul sintezeiunei molecule de '+)m policistronic, care codifica toate produsele genice.

#n operon functioneaza cand este necesar !on" si se intrerupe !off " cand enzimele codificatesunt inutile pentru celula.

(upa Hleinsmit !l9D2", activitatea mecanismelor reglatoare se poate desfasura la * nivele:

/ la nivelul transcrierii genetice !prin sinteza '+) sau prin $locarea ei">/ prin controlul la nivelul traducerii genetice>/ prin modificarea directa a activitatii enzimelor eistente in celula>/ prin modificarea ratei degradarii proteinelor.

7/17/2019 operonul


3ontrolul la nivelul traducerii mesaului, este un eveniment mult mai rar, dar cele de reglarela nivelul transcrierii sunt comune.

3ontrolul la nivelul transcrierii prin oprirea procesului nu are semnificatia $locarii salecomplete !off state". )u se cunoaste nici un sistem cu intrerupere totala a sintezei '+)m.otdeauna ramane un nivel foarte scazut al transcrierii, ce consta din l/ evenimente de

transcrieregeneratie celulara, astfel incat sinteza produsului genic este foarte limitata. )umai insporii $acterieni, eprimarea genelor este total oprita.

8ecanismele de reglare la nivelul transcrierii sunt dependente de rolul enzimelor reglate:daca actioneaza in caile degradative sau au rol in reactiile de ana$olism. (e eemplu, intr/unsistem degradativ cu mai multe trepte, disponi$ilitatea moleculei ce urmeaza a fi degradata,conditioneaza adeseori, sinteza enzimelor. Invers, intr/o cale $iosintetica, produsul final al caii,este adeseori, molecula reglatoare.

3iar intr/un sistem in care o singura molecula proteica este sintetizata din '+)mmonocistronic, proteina poate fi autoreglata, adica ea insasi poate sa ini$e initierea transcrierii.

3oncentratia crescuta a proteinei, scade rata transcrierii '+)m specific !fig 1&-".

<ig. 1&-. 8ecanismul represiei sintezei enzimelor. a. +epresorul este inactiv, adica nu se poate asocia cu secventa operator, iar genele operonului sunt transcrise in '+)m. $. (upa legareacorepresorului !o molecula mica eogena" cu represorul, acesta se activeaza, se asociaza laregiunea operatoare si transcrierea genelor operonului este $locata.

8ecanismele moleculare sunt proprii pentru fiecare sistem reglator, dar in functie de efecteleasupra celulei, procesele reglatoare sunt de doua categorii:

1. 7rocese reglatoare pozitive sunt acelea in care eprimarea informatiei genetice crestecantitativ. Intr/un sistem reglat pozitiv, o molecula efectoare !o proteina, un comple

molecular" activeaza rata transcrierii de la un promotor.. 7rocesele reglatoare negative semnifica diminuarea cantitativa a eprimarii informatiei

genetice. Intr/un sistem reglat negativ, transcrierea genelor este $locata de un ini$itor prezent in celula. Ini$itorul se numeste represor . 7entru reluarea transcrierii, este necesarun antagonist al represorului denumit inductor .

; cale degradativa poate fi reglata pozitiv sau negativ.

Intr/o cale $iosintetica, produsul final al caii, regleaza negativ propria sa sinteza.

7/17/2019 operonul


'ctivitatea reglatoare a diferitelor activitati celulare se realizeaza la nivelul unitatilorgenetice denumite operoni.

Modelul reglator al operonului

;peronul este o unitate functionala de reglare, alcatuita dintr/un grup de cistroni !', G, 3etc.", care codifica o anumita functie !de eemplu, $iosinteza enzimelor unei cai meta$olice" si

este transcrisa unitar intr/o molecula de '+)m policistronic. 3el mai cunoscut este operonul lac,care codifica si regleaza sinteza enzimelor ce intervin in meta$olismul lactozei.

7e $aza studiului operonului lac, aco$ si 8onod !l92D" au ela$orat modelul clasic destructura a operonilor. #n operon este alcatuit din:

/ gene structurale;

/ regiunea operator !o" formata din circa D de pereci de $aze, ce functioneaza ca situs derecunoastere si legare a represorului specific>

/ regiunea promotor !p", cu o lungime de circa 0 de $aze, cu rolul de a lega '+)/polimeraza pentru initierea transcrierii genelor structurale>

/ gena reglatoare, situata adiacent sau la distanta de regiunea operatoare, ce tine su$ controltoate celelate gene ale unui operon.

a $acterii, activitatea genica este reglata, in primul rand, la nivelul transcrierii. ranscriereacoordonata a genelor intr/un operon este $locata de proteinele represor si este activata de proteinele stimulatoare.

Elementele genetice ale operonului $acterian sunt urmatoarele: gena reglatoare !i", situsuloperator si un set de gene structurale !z, F, a" !fig. 1&2".

<ig. 1&2. Jarta genetica a operonului lac. =ecventele p si o sunt mult mai mici decat genele.

6ena reglatoare !i" codifica sinteza unui represor de natura proteica, ce interactioneaza cusitusul operator. =itusul operator este un segment de '() adiacent genei structurale pe care ocontroleaza. ;peronul lac poate fi reglat pozitiv !inductie" sau negativ !represie".

Reglarea pozitiva (Inductia sintezei enzimelor " 8aoritatea genelor din structura cromosomului $acterian sunt nefunctionale in a$sentasu$stratului specific, astfel ca enzimele de cata$olism nu se sintetizeaza. (upa adaugareasu$stratului in mediu, gena !genele" se activeaza, fenomen cunoscut su$ denumirea de inductie

sau derepresie.

Enzimele care se sintetizeaza numai in prezenta su$stratului corespunzator !adaugat inmediul de crestere" se numesc enzime inductibile sau adaptative !Harstrom, l9&". Enzimele

7/17/2019 operonul


constitutive sunt acelea a caror sinteza este permanenta, independenta de prezenta su$stratului inmediu.

)umeroase enzime de cata$olism apartin categoriei enzimelor inducti$ile. 3ei mai cunoscuti

inductori sunt amidonul !pentru amilaza", zaaroza !pentru invertaza", lactoza !pentru β/

galactozidaza".

Mecanismul molecular al inductiei enzimatice. E. coli utilizeaza lactoza ca unica sursa decar$on. Enzimele esentiale pentru cata$olismul acestui dizaarid sunt -galactozidaza !su$actiunea careia, lactoza este idrolizata la galactoza si glucoza", galactozid-permeaza !necesaratransportului lactozei prin mem$rana celulei $acteriene" si t!iogalactozid-transacetilaza !al careirol fiziologic este incert".

3elulele de E. coli cultivate pe un mediu cu glucoza sau cu glicerol, contin mai putin de l0

molecule de β/galactozidazacelula, iar numarul lor creste la cateva mii, dupa cultivarea celulelor

pe mediul cu lactoza. =inteza β/galactozidazei este inducti$ila.

Inductorul fiziologic al sintezei β/galactozidazei este alolactoza !izomerul glucoza/l,2/galactoza", derivata din lactoza, printr/o reactie de transglicozilare. =inteza alolactozei este

catalizata de cele cateva molecule de β/galactozidaza, eistente in celula, inainte de inductie.

=inteza β/galactozidazei la nivel minim se numeste sinteza constitutiva de baza !$azala" si este

posi$ila, deoarece legarea represorului de operator nu este niciodata atat de ferma incat sa $loceze complet transcrierea operonului.

Inductorul !lactoza" se asociaza cu represorul si il modifica, astfel incat acesta nu maiinteractioneaza cu operatorul. In prezenta inductorului, operatorul ramane li$er si promotorul estedisponi$il pentru initierea sintezei '+)m. 6enele structurale z" #" a sunt transcrise intr/o

molecula de '+)m, codificatoare pentru toate cele trei proteine. ; molecula de '+)m cecodifica sinteza a cel putin doua proteine diferite se numeste poligenomica sau policistronica !fig1&D".

+eglarea operonului necesita ca gena operatoare sa fie adiacenta genelor structurale aleoperonului !lac z , lac #" lac a", dar proimitatea genei lac i nu este o$ligatoriu necesara,deoarece represorul lac I este o proteina difuzi$ila.

6enele '+)m lac sunt traduse diferential. +aportul cantitativ al celor trei proteine !β/

galactozidaza, permeaza si transacetilaza" este l,0 : 0,- : 0,. =inteza lor diferentiata cantitativeste rezultatul reglarii traducerii pe doua cai:

l" $ena z este tradusa prima, din '+)m policistronic. (upa sinteza β/galactozidazei, umatate

din ri$osomi se detaseaza de molecula de '+)m. 3ealalta umatate a numarului de ri$osomicontinua traducerea si la nivelul genei #. 'stfel, numarul moleculelor de permeaza va fi numai umatate din numarul moleculelor de $eta/galactozidaza>

7/17/2019 operonul


<ig. 1&D. (iagrama operonului lac in stare activa !indusa". #n inductor eogen se asociaza curepresorul si formeaza un comple inactiv, care nu recunoaste secventa operator. 6enele

operonului sunt transcrise si se sintetizeza enzimele pentru cata$olismul lactozei.

" '+)m $acterian este degradat dupa cateva cicluri de traducere. (egradarea este lenta, darincepe cu o frecventa mai mare la nivelul genei a decat la nivelul genei #, iar degradarea lanivelul genei # este mai frecventa decat la nivelul genei z .

Reglarea negativa (Inductia sintezei enzimelor "

7roteina represor produsul de sinteza a genei lac I" se leaga de secventa operatoare aoperonului. +epresorul s/a purificat din celulele $acteriene infectate cu fagi transductori ai geneilac. In a$senta inductorului, represorul se leaga cu mare afinitate de regiunea operatoare !fig.

1&". +epresorul gaseste situsul operator prin difuzie unidimensionala de/a lungul moleculei de'() si nu prin difuzie din mediul citoplasmatic. Intr/un mod asemanator isi gaseste situsul promotor, molecula de '+)/polimeraza. +epresorul lac se leaga de situsul sau cromosomal, cuun mare grad de selectivitate.

=/au izolat mutante defective pentru sinteza uneia din cele trei proteine. (e eemplu,mutanta z/FKaK este defectiva pentru sinteza $eta/galactozidazei, dar sintetizeaza permeaza sitransacetilaza. 3ea mai interesanta clasa de mutante este aceea a mutantelor constitutive, caresintetizeaza cantitati mari ale celor trei proteine in a$senta inductorului.

7/17/2019 operonul


<ig. 1&. (iagrama operonului lac in stare represata. +epresorul activ se leaga deregiunea operator si $loceaza transcrierea genelor structurale.

+ata sintezei celor trei proteine este, in mod normal, controlata de o gena reglatoare comuna!gena i". Gacteriile de tip sal$atic sunt inducti$ile si au genotip iK zK FK aK. Efectul reglator algenei i se realizeaza prin intermediul represorului pe care/l codifica.

Represia sintezei enzimelor intr-un sistem biosintetic. %peronul triptofanului

+epresia enzimatica reprezinta fenomenul scaderii ratei de sinteza a unui grup de enzimemeta$olic inrudite, ori ciar de oprire a sintezei lor, ca urmare a prezentei in celula, a unuimeta$olit cu rol de represor. Enzimele din aceasta categorie se numesc represibile.

+epresia sintezei enzimelor s/a studiat la E. coli. 7e un mediu minimal, cu glucoza si azotcom$inat anorganic, celulele sintetizeaza toti monomerii necesari in proportii optime. In mediicomplee !cu aminoacizi", prezenta produsului final al unei cai de $iosinteza, reprezinta unsemnal pentru celula, care, printr/un fenomen de feed-bac& negativ sau de represie prin produsulfinal al caii, stopeaza $iosinteza enzimelor devenite inutile, intrucat celula foloseste cu precadere

meta$olitul eistent ca atare in mediu. Invers, cand aprovizionarea cu triptofan diminua, sesintetizeaza enzimele sale de $iosinteza.

%peronul triptofanului (trp" la E. coli codifica sinteza acestui aminoacid !fig. 1&9". +eglareaoperonului se face astfel incat, cand triptofanul se gaseste in mediul de crestere, operonul trp nueste transcris. 3and aprovizionarea celulelor cu triptofan este insuficienta, transcriereaoperonului este initiata.

7entru reglarea unei cai $iosintetice, o reglare de tipul on-off nu raspunde necesitatilorcelulei. Este necesara o reglare cantitativa, deoarece in natura apar situatii in care, o cantitatesu$optimala de triptofan este disponi$ila, dar aceasta este insuficienta pentru cresterea normala acelulei. (eficitul de triptofan in celula, este evitat printr/un sistem reglator modulator, in care,nivelul transcrierii operonului in starea derepresata este determinat de concentratia triptofanuluidisponi$il. 'cest mecanism reglator este activ pentru multi operoni care codifica $iosintezaaminoacizilor.

riptofanul se sintetizeaza in - trepte, fiecare catalizata de o enzima specifica. a E. coli,genele codificatoare ! A" '" " )" E " ale enzimelor sunt traduse dintr/o molecula de '+)m policistronic. 7rima gena tradusa este trp E .

6ena pentru sinteza represorului !trp R" este localizata departe de acest policistron. 7roteinacodificata de gena trp R este aporepresorul trp, inactiv ca atare, datorita lipsei totale de afinitate pentru regiunea operator. In prezenta produsului final al caii de $iosinteza !triptofanul", deorigine eogena sau acumulat prin sinteza endogena, aporepresorul se activeaza: moleculele detriptofan, cu gr. mol. mica, se comporta ca un corepresor . 3ompleul format din aporepresor sicorepresor se leaga de secventa operator si transcrierea genelor trp este $locata.

7/17/2019 operonul


<ig. 1&9. (iagrama operonului triptofanului la E. coli.

3and aprovizionarea celulei cu triptofan eogen este diminuata, operatorul este li$er sitranscrierea incepe. 'cesta este principiul mecanismului reglator on-off .

3aile $iosintetice sunt controlate insa, prin mecanisme mai fne, in care concentratiaenzimelor unei cai este varia$ila in functie de concentratia produsului final al caii. 8ecanismulconsta in terminarea prematura a transcrierii, inainte ca prima gena structurala sa fie transcrisa.

7e masura ce triptofanul disponi$il scade, incepe transcrierea, dar aceasta este modulatacantitativ. Intre promotor si operator sunt doua regiuni, denumite leader si atenuator !trp * si trp

a". =ecventa , necodificatoare, se gaseste la capatul -A al moleculei de '+)m. a $acteriile de

tip sal$atic, in a$senta triptofanului in mediu, transcrierea maoritatii moleculelor de '+)m setermina la secventa de de $aze, denumita atenuator . +ezultatul este transcrierea unui '+)mde l*0 de nucleotide !al secventei *", fara ca genele structurale ale operonului sa fie transcrise.=ecventa *eader codifica un polipeptid de l* aminoacizi, care contine triptofan in pozitiile l0 si11. 3ei doi codoni ai triptofanului din secventa eader sunt sensi$ili la concentratia '+)t trp,adica daca aprovizionarea cu triptofan este suficienta, traducerea '+)m eader diminua.

8oleculele de '+)m *eader au rolul de a receptiona concentratia triptofanului sintetizat deenzimele operonului. (aca nivelul triptofanului este scazut, '+)/polimeraza depaseste situsulatenuator si transcrie intregul operon. Invers, cresterea concentratiei aminoacidului in celula, $loceaza transcrierea la nivelul secventei atenuator.

'lti cativa operoni care codifica sinteza aminoacizilor la E. coli" poseda situsuri atenuatoaresi realizeaza o reglare cantitativa asemanatoare. =ecventa atenuatoare este senzor al concentratieicelulare a aminoacidului a carui sinteza o regleaza. 7eptidul leader al fiecarui operon continecativa aminoacizi de tipul celor controlati de operon. (e eemplu, operonul treoninei codificaenzime ce sintetizeaza treonina si izoleucina. 7eptidul leader contine resturi de treonina si *resturi de izoleucina. In secventa leader de l- aminoacizi a fenil/alaninei se gasesc D resturi defenil alanina, iar peptidul leader al operonului istidinei contine D resturi consecutive deistidina.

(in punct de vedere molecular, mecanismul reglator este conditionat de faptul ca la $acterii,transcrierea este cvasi/simultana cu traducerea mesaului.

<enomenul represiei sintezei enzimelor prin feed-bac&" permite celulei sa mentina in limiteadecvate, concentratiile relative ale enzimelor necesare sintezei aminoacizilor, proteinelor,acizilor nucleici etc.

ontrolul activitatii enzimelor. In!ibitia prin produsul final

7/17/2019 operonul


+eglarea prompta a activitatii enzimatice pentru evitarea supraproductiei de intermediarimeta$olici !aminoacizi, $aze purinice si pirimidnice", se realizeaza prin ini$itia activitatiienzimelor, su$ actiunea produsului final de $iosinteza. 'cest proces reglator se numeste in!ibitie

prin produs final" retroin!ibitie sau in!ibitie prin feed-bac& .

(aca celula ar controla numai $iosinteza enzimelor, reglarea ar fi lipsita de promptitudine,

deoarece enzimele dea eistente in celula, si/ar eercita actiunea catalitica si rezultatul ar fiacumularea in eces a produsului caii respective. 3elulele dispun de mecanisme de reglare fina,instantanee, ce constau in ini$area sau $locarea functionarii primei enzime a caii biosintetice"

sub actiunea produsului final aflat in e+ces.

Eistenta reglarii prin ini$itia activitatii enzimelor s/a demonstrat pentru mai multe sistemeenzimatice, in care $iosinteza unor meta$oliti sau degradarea unui su$strat se realizeaza printr/oserie de trepte succesive, fiecare fiind catalizata de o enzima diferita. 6rupul de enzime careactioneaza cooperant pentru sinteza sau pentru degradarea unui meta$olit se numeste zimom. 7rezenta in mediu, a produsului final al ultimei trepte meta$olice de sinteza, ini$a activitateaenzimei care catalizeaza prima treapta a $iosintezei si astfel, intreaga serie de reactii succesiveeste $locata, dar se reactiveaza in a$senta meta$olitului.

E. coli sintetizeaza /izoleucina din treonina. (aca mediul minimal, cu glucoza si )J*K este

suplimentat cu /izoleucina, are loc $locarea prompta a activitatii enzimei /treonin/deaminaza,implicata in prima treapta a $iosintezei. 'stfel, enzimele care catalizeaza reactiile urmatoare alecaii sintezei /izoleucinei sunt lipsite de produsii intermediari, care reprezinta su$stratul lorspecific.

(e o$icei este $locata numai prima treapta a unui lant meta$olic.

Mecanismul molecular al in!ibitiei prin produs final . =itemele de retroini$itie sunt active, in

esenta, in reglarea cailor de $iosinteza !ana$olism". 7rodusul final al caii, ini$a actiuneacatalazei ce catalizeaza prima treapta a sintezei produsului final. ,rodusul final al unei cai de $iosinteza, formata din mai multe trepte, se deose$este net de substratul primei enzime. 'tat produsul final, cat si su$stratul sau nespecific, interactioneaza cu aceiasi enzima. 'ceste enzimeau caracter de proteine alosterice. Interactiunea cu su$stratul specific si cu produsul final al caii,are loc la situsuri moleculare diferite. 3and se com$ina cu produsul final al caii !efectorulalosteric", enzimele alosterice sunt incapa$ile sa functioneze catalitic, deoarece situsul lor activsufera o tranzitie alosterica, la forma inactiva. 'stfel de proteine ale caror configuratii spatiale semodifica dupa legarea moleculelor mici specifice, la alte situsuri decat situsul activ, se numesc proteine alosterice, iar moleculele efectoare ale acestor transformari se numesc efectori

alosterici.

Eista mai multe tipuri de ini$itie prin produs final:

/ ini$itia cailor multifunctionale !multivalente", corespunde reglarii cailor meta$oliceramificate, in care se sintetizeaza mai multi produsi finali. 7entru a asigura ini$itia reglatoare,este indispensa$ila prezenta diferitilor produsi finali. 'ctiunea izolata a fiecarui produs esteineficienta>

7/17/2019 operonul


/ ini$itia cumulativa se caracterizeaza prin faptul ca, fiecare din produsele finale ale unei cairamifcate, ciar la concentratia de saturare, ini$a partial activitatea primei enzime. (iferitii produsi finali actioneaza sinergic>

/ ini$itia asupra izoenzimelor: enzima ce catalizeaza prima treapta se gaseste su$ mai multeforme !izoenzime", fiecare fiind sensi$ila la actiunea unui anumit produs. 3el mai cunoscut estecazul asparto/Linazei la E. coli, constituita din trei izoenzime.

Ini$itia prin produs final este de ordin cantitativ. 7rodusul final ini$a partial sau total,activitatea primei enzime, in functie de concentratia sa in mediu. Ini$itia totala a activitatiienzimei, se produce numai in cazul in care produsul final s/a acumulat in eces fata denecesitatile celulei.

Aplicatii ale represiei sintezei enzimelor in biote!nologie. +epresia sintezei enzimelor ofera posi$ilitatea diriarii proceselor de $iosinteza industriala, pe urmatoarele cai:

/ limitarea prezentei si acumularii produsilor finali in mediu. 'stfel, producerea glutamat/deidrogenazei poate fi marita de circa 0 de ori la '. liueniformis, prin utilizarea glucozei saumalatului ca sursa de 3, in loc de glutamat sau de idrolizat de cazeina>

/ limitarea producerii interne prin $iosinteza, a produsilor finali, prin adaugarea in mediu, aunui ini$itor al caii meta$olice>

/ 4infometarea5 partiala a unei mutante auotrofe, fata de produsul necesar cresterii>/ utilizarea unor mutante de reglare !mutante constitutive": fie a unor mutante care sintetizeaza

un aporepresor ce nu se com$ina cu corepresorul, fie a unor mutante la nivelul regiuniioperatoare, ce nu pot lega represorul. Ele sintetizeaza enzime constitutive, ciar in prezentaunor concentratii mari de produsi finali, care in mod normal sunt represoare.

ontrolul sintezei proteice la nivelul traducerii

6enele codificatoare ale celor peste -0 de proteine ri$osomale sunt localizate in peste 0 de

operoni si sinteza lor este controlata riguros. 3ontrolul este esential, deoarece componenteleri$osomale reprezinta peste *0% din greutatea uscata a celulei $acteriene.

3ontrolul sintezei proteinelor ri$osomale se eercita in primul rand la nivelul traducerii,spre deose$ire de alte proteine care sunt reglate la nivelul transcrierii.

3el putin o proteina, codificata de fiecare din cei peste 0 de operoni, are rolul de represor altraducerii. +epresorul traducerii se leaga de '+)m langa situsul de initiere a propriei sale sintezesi $loceaza sinteza catorva proteine codificate de mesaul poligenic.

egarea proteinelor reglatoare, de '+)m, nu interfera cu asam$larea ri$osomilor, deoarece

proteinele ri$osomale se leaga mai ferm de '+)r decat de '+)m. +epresia traducerii are loc numai cand sinteza proteinelor ri$osomale o devanseaza pe aceeaa '+)r, sau cand aceste proteine nu se formeaza in cantitati ecimolare.

Represia prin catabolit

+epresia prin cata$olit se eercita asupra sistemelor enzimatice inducti$ile alecata$olismului si a fost descrisa su$ denumirea de 4efectul glucozei5, deoarece, la unele

7/17/2019 operonul


microorganisme, glucoza represeaza cata$olizarea altor glucide. 'cest tip de represie este evidentin conditiile cultivarii unor $acterii, intr/un mediu ce contine un amestec de zaaruri, care suntcata$olizate succesiv, astfel incat cur$a de crestere este de tip diau+ic.

<enomenul de diauie este datorat represiei cata$olice pe care o eercita un compus usor sirapid meta$oliza$il !glucoza", asupra utilizarii unui alt glucid. Eemplul clasic al represiei prin

cata$olit, este al celulelor de E. coli, cultivate in prezenta unui amestec de glucoza/lactoza.3ultura are o cur$a de crestere diauica. (aca un microorganism se cultiva in prezenta a douasu$straturi glucidice, din care unul este represor, iar sistemul enzimatic de cata$olizare a celui deal II/lea este sensi$il la represie, meta$olizarea primului glucid $loceaza sinteza enzimelor demeta$olizare a celui de al II/lea. E. coli, cultivata pe un mediu cu glucoza si lactoza, cresteinitial, eclusiv pe seama cata$olizarii glucozei, iar cand concentratia ei scade foarte mult, dupa oscurta perioada de lag, cresterea este reluata pe seama cata$olizarii lactozei.

6lucoza este meta$olizata cu o rata superioara altor glucide, astfel incat, in celula seacumuleaza o concentratie suficienta de meta$oliti necesari diferitelor cai de sinteza.

+epresia prin cata$olit survine atunci cand un compus este meta$olizat atat de rapid, incat produsii intermediari acopera intregul necesar de $iosinteze ale celulei si face inutila si ciarcostisitoare, functionarea concomitenta a caii de degradare a altui compus. 3ata$olitiiintermediari in eces, represeaza nu numai enzimele caii meta$olice prin care au fost generati, ciciar si enzimele oricarei alte cai care are potentialitatea de a/i produce.

a nivel molecular, represia prin cata$olit, este rezultatul scaderii concentratiei de '87ciclic. egarea '+)/polimerazei pentru transcrierea operonului lac, are loc numai daca o alta proteina, denumita proteina activatoare a catabolismului s/a asociat in imediata vecinatate asitusului promotor. 'ceasta proteina se asociaza numai daca, in preala$il, s/a activat in prezenta

'87 ciclic !fig 1*0". In prezenta glucozei in mediu, nivelul '87 ciclic scade si proteina activatoare acata$olismului nu se asociaza promotorului operonului lac. In a$senta acesteia, '+)/polimerazanu initiaza transcrierea operonului. 'stfel, represia prin cata$olit pare a fi rezultatul unui deficital '87 ciclic.

7/17/2019 operonul


<ig. 1*0. +olul '87 ciclic in sinteza '+)m si mecanismul represiei cata$olice. 3and'87c este dispon$il, proteina activatoare a cata$olismului !3'7" se asociaza de un situsadiacent promotorului, care la randul sau stimuleaza legarea '+)/polimerazei. in prezentaglucozei, '87c este degradat, 3'7 nu se poate asocia si '+)m nu este transcris.

=tructura moleculara a '87 !'denozin/monofosfatul" ciclic.

operonul

Documents

Transcript of operonul