Operonul lac – un sistem inductibil

Primul sistem de control al producției de enzime elaborat la nivel molecular a descris controlul enzimelor care sunt produse ca răspuns la prezența zahărului lactoză în celula E. coli. Lucrarea a fost realizată de Jacob și Monod pentru care au primit Premiul Nobel. Următoarea este calea care duce la producerea de glucoză și galactoză.

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

Câteva proteine implicate în metabolismul lactozei în celula E. coli.Acestea sunt:

  • ß-galactozidaza – transformă lactoza în glucoză și galactoză
  • ß-galactozid permează – transportă lactoza în celulă
  • ß-galactozid transacetilază – funcție necunoscută

Cercetările cu acest sistem au fost mult completate de disponibilitatea unor mutanți constitutivi. Un mutant constitutiv este un mutant în care produsul genetic este produs continuu, adică nu există nici un control asupra expresiei sale.La acești mutanți, proteinele de mai sus au fost produse tot timpul în comparație cu tipul sălbatic unde proteinele apar doar în prezența lactozei.Astfel, la acești mutanți, mutația trebuie să fie o altă genă decât cele responsabile pentru genele structurale.

Toate genele implicate în controlul acestei căi sunt situate una lângă alta pe cromozomul E. coli. Împreună, ele formează un operon.Următoarea este structura genetică a operonului.

Circuitul de control al operonului lac

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
Gena operonului lac Funcția genei

I

Gena pentru proteina reprimantă

P

Promotor

O

Operator

lac Z

Gena pentru ß-galactosidază

lac Y

Gena pentru ß-galactosid permează

lac A

Gena pentru ß-galactozidă transacetilază

Operon – un grup de gene structurale care sunt exprimate ca un grupși promotorul și operatorul lor asociat

Cum funcționează sistemul? Fără lactoză în celulă, proteina represoarese leagă de operator și împiedică citirea ARN polimerazei în cele trei gene structurale. Cu lactoză în celulă, lactoza se leagă de represor. Acest lucru determină o modificare structurală a represorului și acesta își pierde afinitatea pentru operator. Astfel, ARN polimeraza se poate lega de promotor și poate transcrie genele structurale. În acest sistem, lactoza acționează ca o moleculă-efector.

Molculă-efector – o moleculă care interacționează cu represorul și influențează afinitatea represorului pentru operator

Cu ajutorul informațiilor de mai sus, putem acum să prezicem efectul pe care diverse mutante îl vor avea asupra expresiei genei operonului lac.

Gena lac mutantă Fenotip mutant

I-

expresie constitutivă deoarece operatorul nu este niciodată închis

O-

expresie constitutivă deoarece proteina represoare nu se poate lega

P-

nici o expresie a operonului deoarece ARN polimeraza nu se poate lega

lac Z-

nici o producție de glucoză sau galactoză din lactoză

lac Y-

nici o inducție, deoarece lactoza nu va fi preluată în celulă

Represiunea catabolitică a operonului lac

Lactoza nu este sursa preferată de carbohidrați pentru E. coli. Dacă lactozași glucoza sunt prezente, celula va utiliza toată glucoza înainte ca operonullac să fie pornit. Acest tip de control se numește reprimarea cataboliților. Pentru a preveni metabolismul lactozei, există un al doilea nivel de control al expresiei genice. Promotorul operonului lac are două situsuri de legare. Unul dintre ele este locul unde se leagă ARN-polimeraza, iar cel de-al doilea este locul de legare a unui complex între proteina cataboliteactivator (CAP) și AMP ciclic (cAMP). Legătura complexului CAP-cAMP la locul promotor este necesară pentru transcrierea operonului lac. Prezența acestui complex este strâns asociată cu prezența glucozei în celulă. Pe măsură ce concentrația de glucoză crește, cantitatea de AMPc scade. Pe măsură ce AMPc scade, scade și cantitatea de complex. Această scădere a complexului inactivează promotorul, iar operonul lac este oprit. Deoarece complexul CAP-cAMP este necesar pentru transcriere, complexul exercită un control pozitiv asupra expresiei operonului lac.