regolazione genica nei procarioti, Dispense di Microbiologia

Scarica regolazione genica nei procarioti e più Dispense in PDF di Microbiologia solo su Docsity! La regolazione genica nei procarioti Alcune proteine vengono prodotte dalla cellula ad un ritmo relativamente costante e l’attività dei geni che codificano queste proteine non è regolata in modo sofisticato. Altre proteine vengono prodotte solo quando sono necessarie: in questo caso il controllo dell’attività genica è molto preciso. Sebbene il controllo dell’espressione genica possa avvenire sia durante la trascrizione che in fase di traduzione o di post-traduzione, nei procarioti esso si verifica prevalentemente a livello di trascrizione, con l’attivazione o inattivazione dei geni. Le proteine indispensabili alla cellula in tutto il ciclo cellulare sono codificate da geni, detti geni costitutivi, che non richiedono un controllo particolarmente sofisticato, dato che devono essere sempre attivi. Al contrario, l’attività di altri geni strutturali deve essere regolata in modo preciso e rapido. Il modello che spiega la regolazione della trascrizione nei procarioti si chiama operone. I meccanismi di azione del repressore sono di due tipi. In entrambi i casi, la presenza dell’induttore o del corepressore, determina un cambiamento della forma del repressore e ne modifica la capacità di legarsi all’operatore. 1. In alcuni operoni, il repressore blocca stabilmente l’operatore e viene rimosso esclusivamente quando giunge dall’esterno una molecola specifica chiamata induttore. L’induttore disattiva il repressore. 2. Il repressore entra in azione soltanto in presenza di un corepressore, molecola che lo rende capace di legarsi all’operatore. Il corepressore attiva il repressore. Regolazione per induzione e repressione Era il 1941 quando lo scienziato e filosofo J. L. Monod (1910-1976), attraverso lo studio di colture di E. coli, osservò un particolare tipo di crescita che prende il nome di crescita diauxica. Egli si accorse che utilizzando un terreno contenente sia lattosio che glucosio il batterio utilizzava dapprima uno zucchero (glucosio) e inseguito, dopo una fase di latenza, l’altro zucchero (lattosio). Ipotizzò quindi l’esistenza di una dipendenza tra enzimi e substrato e di conseguenza la possibilità di spegnere e accendere i geni in risposta a condizioni esterne. In questo grafico è possibile osservare (in rosso) la crescita diauxica descritta da Monod. Dapprima il batterio si replica utilizzando come substrato il glucosio fino al suo esaurimento, dopodiché si osserva un periodo stazionario in cui la crescita è nulla e infine l’utilizzo del lattosio con la conseguente ripresa. Controllo positivo e negativo della trascrizione – operone lac Il modello attuato per spiegare la crescita diauxica è il modello dell’operone lattosio (Nobel nel 1965 a Monod, Jacob e Lwoff). Questo modello richiama in sè sia un tipo di regolazione che prende il nome di regolazione per induzione sia un tipo di regolazione chiamata regolazione per repressione. Per capire come funziona questo meccanismo dobbiamo anzitutto spiegare in cosa consiste un operone. Esso è un tratto di DNA che comprende: • un promotore: sito di inizio della trascrizione; • un operatore: sito a cui si lega una proteina regolatrice; • uno o più geni strutturali: nel caso del lattosio si tratta di tre geni che codificano tre enzimi che attraverso un’azione coordinata permettono l’utilizzo del lattosio (β-galattosidasi, β-galattoside- permeasi, β-galattoside-transacetilasi). Quando E. coli si trova in assenza di lattosio, una proteina regolatrice che prende il nome di repressore lac si lega all’operatore, impedendo in questo modo alla RNA-polimerasi di trascrivere i geni strutturali. Quando invece il lattosio è presente, esso si lega al repressore sotto forma di alolattosio. Il repressore cosi legato non è in grado di legarsi al DNA e permette quindi la trascrizione dei geni. In questo modo il lattosio induce la sintesi degli enzimi. Capito il motivo per cui il batterio è in grado di sintetizzare gli enzimi per il lattosio solo se questo è presente, dobbiamo capire perché questo non avviene fintanto che il glucosio è presente. Il motivo è dovuto alla presenza di una seconda proteina regolatrice: la CRP. Questa proteina legandosi vicino al promotore aumenta la velocità trascrizionale che altrimenti risulterebbe troppo lenta. La CRP deve essere però attivata da una seconda molecola (AMP ciclico) che è dipendente dalle fonti di carbonio. Mentre infatti la concentrazione di CRP è costante, l’AMP ciclico ha una concentrazione bassa in presenza di glucosio e aumentata quando questo diminuisce. Il glucosio reprime quindi la sintesi degli enzimi. Riassumiamo le situazioni possibili: ❖ In presenza di glucosio e lattosio, il repressore è inattivo ma lo è anche la CRP, per cui vi è una trascrizione ridotta - è una repressione da catabolita (il glucosio). ❖ In presenza di glucosio ma non di lattosio, il repressore è attivo e la CRP inattiva, per cui non vi è trascrizione. ❖ In assenza di glucosio e di lattosio, il repressore e la CRP sono entrambi attivi e non vi è trascrizione. ❖ In presenza di lattosio e assenza di glucosio, il repressore è inattivo e la CRP è attiva, per cui l'operone viene espresso al massimo. Controllo negativo della trascrizione – operone arg In mancanza di arginina l'operone viene trascritto perché il repressore non è in grado di legare l'operone. Il repressore può legarsi all’operone solo in seguito al legame con un corepressore; In questo modo si blocca la trascrizione e, di conseguenza, l’mRNA e le proteine codificate da quell’mRNA non saranno prodotte. Nel caso dell' operone argCBH, il corepressore che si lega al repressore è aminoacido arginina. Controllo positivo della trascrizione – operone mal In assenza di un induttore, né la proteina attivatrice né l’RNA polimerasi possono legarsi al DNA. Una molecola di induttore (maltosio nel caso dell’operone malEFG) si lega alla proteina attivatrice (malT) che, a sua volta, si lega al suo sito di riconoscimento sul DNA. Ciò permette alla RNA polimerasi di legarsi altro motore di iniziare la trascrizione.