El operón lac – un sistema inducible

El primer sistema de control de la producción de enzimas elaborado a nivel molecular describió el control de las enzimas que se producen en respuesta a la presencia del azúcar lactosa en la célula E. coli. El trabajo fue realizado por Jacob y Monod, por el que se les concedió el Premio Nobel. La siguiente es la vía que conduce a la producción de glucosa y galactosa.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

Son varias las proteínas que intervienen en el metabolismo de la lactosa en la célula E. coli.Son:

  • ß-galactosidasa – convierte la lactosa en glucosa y galactosa
  • ß-galactósido permeasa – transporta la lactosa al interior de la célula
  • ß-galactósido transactilasa – función desconocida

La investigación con este sistema se ha visto enormemente favorecida por la disponibilidad de mutantes constitutivos. Un mutante constitutivo es aquel en el que el producto genético se produce continuamente, es decir, no hay control sobre su expresión.En estos mutantes, las proteínas mencionadas se producían todo el tiempo en comparación con el tipo salvaje, en el que las proteínas sólo aparecían en presencia de lactosa.Así pues, en estos mutantes, la mutación debe ser un gen distinto de los responsables de los genes estructurales.

Todos los genes implicados en el control de esta vía se encuentran uno al lado del otro en el cromosoma de E. coli. Juntos forman un operón. La siguiente es la estructura genética del operón.

Circuito de control del operón lac

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
Gen del operón lac Función del gen

I

Gen de la proteína represora

P

Promotor

O

Operador

lac Z

Gen de la ß-galactosidasa

lac Y

Gen de la ß-galactósido permeasa

lac A

Gen de la ß-galactósido transacetilasa

Operón – un conjunto de genes estructurales que se expresan en grupo y su promotor y operador asociados

¿Cómo funciona el sistema? Sin lactosa en la célula, la proteína represora se une al operador e impide la lectura de la ARN polimerasa en los tres genes estructurales. Con la lactosa en la célula, la lactosa se une al represor. Esto provoca un cambio estructural en el represor y pierde su afinidad por el operador. Así, la ARN polimerasa puede unirse al promotor y transcribir los genes estructurales. En este sistema, la lactosa actúa como molécula efectora.

Molécula efectora: molécula que interactúa con el represor y afecta a la afinidad del represor por el operador

Con la información anterior, ahora podemos predecir el efecto que tendrán varios mutantes en la expresión del gen del operón lac.

Gen lac mutante Fenotipo mutante

I-

expresión constitutiva porque el operador nunca se cierra

O-

expresión constitutiva porque la proteína represora no puede unirse

P-

ninguna expresión del operón porque la ARN polimerasa no puede unirse

lac Z-

ninguna producción de glucosa o galactosa de la lactosa

lac Y-

ninguna inducción porque la lactosa no será tomada en la célula

Represión de catolitos del Operón lac

La lactosa no es la fuente de carbohidratos preferida por E. coli. Si la lactosa y la glucosa están presentes, la célula utilizará toda la glucosa antes de que el operón lac se active. Este tipo de control se denomina represión de catabolitos. Para evitar el metabolismo de la lactosa, existe un segundo nivel de control de la expresión génica. El promotor del operón lac tiene dos sitios de unión. Uno de ellos es el lugar de unión de la ARN polimerasa y el otro es el lugar de unión de un complejo entre la proteína activadora de catabolitos (CAP) y el AMP cíclico (cAMP). La unión del complejo CAP-cAMP al sitio del promotor es necesaria para la transcripción del operón lac. La presencia de este complejo está estrechamente relacionada con la presencia de glucosa en la célula. A medida que la concentración de glucosa aumenta, la cantidad de AMPc disminuye. A medida que el AMPc disminuye, la cantidad de complejo disminuye. Esta disminución del complejo inactiva el promotor y el operón lac se desactiva. Dado que el complejo CAP-cAMP es necesario para la transcripción, el complejo ejerce un control positivo sobre la expresión del operón lac.