Come è regolato il Lac Operon

L'espressione genica è la sintesi di una catena polipeptidica di una proteina funzionale basata sull'informazione codificata da un particolare gene. La quantità della sintesi di una particolare proteina può essere regolata dalla regolazione dell'espressione genica. L'espressione differenziale dei geni può essere raggiunta durante i vari passaggi della sintesi proteica. Tuttavia, la regolazione dell'espressione genica è diversa nei geni eucariotici e procariotici. Lac L'operone è un gruppo di geni responsabili del metabolismo del lattosio di E.coli. La regolazione dell'espressione di lac l'operone si ottiene in risposta ai livelli di lattosio e glucosio nel mezzo. Il regolamento del lac L'operone è usato come l'esempio principale della regolazione dei geni procariotici negli studi introduttivi di biologia molecolare e cellulare.

Aree chiave coperte

1. Cos'è la regolazione dell'espressione genica
      - Definizione, regolazione dell'espressione genica
2. Cos'è il Lac Operon
     - Definizione, struttura, funzione dei prodotti genici
3. Come è regolato il Lac Operon
     - Lac repressor, CAP

Termini chiave: Catabolite Activator Protein (CAP), E. coli, Espressione genica, Glucosio, Lac Operon, Lac Repressor, Metabolismo del lattosio

Cos'è la regolazione dell'espressione genica

La regolazione dell'espressione genica fa riferimento a un'ampia gamma di meccanismi utilizzati dalla cellula per aumentare o diminuire la produzione di un particolare prodotto genico (una proteina o un RNA). È raggiunto durante varie fasi della sintesi proteica come descritto di seguito.

1. Livello di replica - Le mutazioni che si verificano durante la replicazione del DNA possono causare alterazioni dell'espressione genica.
2. Livello trascrizionale - La trascrizione di un particolare gene può essere controllata da repressori e attivatori.
3. Livello post-trascrizionale - L'espressione genica può essere raggiunta durante le modificazioni post-trascrizionali come lo splicing dell'RNA.
4. Livello di traduzione - La traduzione di una molecola di mRNA può essere controllata da vari processi come la via di interferenza dell'RNA.
5. Livello post-traduzionale - La sintesi di una proteina può essere regolata a livello post-traduzionale controllando le modificazioni post-traduzionali.

Tuttavia, la regolazione dell'espressione genica nei procarioti si ottiene principalmente durante l'inizio della trascrizione. Coinvolge gli attivatori che regolano positivamente l'espressione genica e i repressori che regolano negativamente l'espressione genica. La regolazione dell'espressione genica in diversi passaggi della sintesi proteica è mostrata in Figura 1.

Figura 1: regolazione dell'espressione genica

Cosa è Lac operone

Il lac l'operone si riferisce ad un gruppo di geni responsabili del metabolismo del lattosio di E. coli. Quindi il lac l'operone è un'unità funzionale del E. coli genoma. Tutti i geni nel lac l'operone è controllato da un singolo promotore. Quindi, tutti i geni nell'operone sono trascritti insieme. I prodotti genici sono le proteine ​​responsabili del trasporto del lattosio nel citosol della cellula e nella digestione del lattosio in glucosio. Il glucosio è usato nella respirazione cellulare per produrre energia sotto forma di ATP. Il lac l'operone può essere presente anche in molti altri batteri enterici. La struttura del lac l'operone è mostrato in figura 2.

Figura 2: Lac operone

Il lac l'operone è costituito da tre geni controllati da un singolo promotore. Questi geni sono lacZ, lacY, e laca. Questi geni sono codificati per i tre enzimi coinvolti nel metabolismo del lattosio conosciuti rispettivamente come beta-galattosidasi, beta-galattoside e beta-galattoside transacetilasi. La beta-galattosidasi è coinvolta nella scissione del lattosio in glucosio e galattosio. La permeasi di beta-galattoside è incorporata nella membrana cellulare, consentendo il trasporto del lattosio nel citosol. La beta-galattoside transacetilasi è coinvolta nel trasferimento di un gruppo acetilico da acetile Co-A a beta-galattoside. La trascrizione del lac operon produce una molecola di mRNA policistronico che produce tutti e tre i prodotti genici da una singola molecola di mRNA. In generale, il lacZ e lacY i prodotti genici sono sufficienti per il catabolismo del lattosio.

Oltre a questi tre geni, lac operon è composto da un numero di Regioni regolatorie a cui varie proteine ​​possono legarsi per controllare la trascrizione. Le sequenze regolatrici chiave nel lac l'operone è il promotore, l'operatore e il sito di legame della proteina attivatore del catabolito (CAP). Il promotore funge da sito di legame per la RNA polimerasi, l'enzima responsabile della trascrizione dei geni. Il operatore funge da sito normativo negativo a cui il lac repressore si lega. Il Sito vincolante della PAC funge da sito di regolamentazione positivo a cui si lega la PAC.

Come è il Lac Regolamentato dall'operatore

La regolazione dell'espressione genica nei geni procariotici avviene per mezzo di operoni inducibili in cui si legano diversi tipi di proteine, attivando o reprimendo la trascrizione dell'operone in base ai requisiti della cellula. Lac l'operone è un operone inducibile. Permette l'utilizzo del lattosio, un disaccaride, nella produzione di energia convertendola in glucosio che può essere facilmente utilizzato nella respirazione cellulare, quando il glucosio non è disponibile per la cellula. Il lac l'operone è regolato in stati "spegni" e "attiva" in base alla presenza di glucosio nella cellula. Il lac repressore è responsabile della modalità 'spegni' di lac operon mentre CAP è responsabile della modalità 'accendi' di lac operone.

Lac repressore

Il lac repressore si riferisce a un sensore di lattosio, che blocca la trascrizione del lac operone in presenza di glucosio. L'uso del glucosio nella respirazione cellulare richiede meno passaggi nella produzione di energia rispetto al lattosio. Quindi, quando il glucosio è disponibile nella cellula, è prontamente suddiviso nelle vie cellulari per produrre energia. Inoltre, quando il glucosio è usato nella respirazione, l'uso del lattosio per lo scopo precedente dovrebbe essere evitato al fine di ottenere la massima efficienza della respirazione cellulare. In questa situazione, il blocco della trascrizione del lac l'operone si ottiene legando il repressore lac alla regione dell'operatore lac operone. Generalmente, la regione dell'operatore si sovrappone alla regione del promotore. Quindi, quando il lac repressore si lega alla regione dell'operatore, l'RNA polimerasi non è in grado di legarsi alla regione del promotore poiché la regione completa del promotore non è disponibile. Quando il glucosio è facilmente disponibile nella cellula e il lattosio non è disponibile, il lac repressore si lega strettamente alla regione dell'operatore, inibendo la trascrizione del lac operone. Il regolamento del lac l'operone è mostrato in figura 3.

Figura 3: Regolazione del Lac operone

Catabolite Activator Protein (CAP)

La proteina CAP si riferisce a un repressore del glucosio che attiva la trascrizione del lac operone. Quando la cellula esaurisce il glucosio e il lattosio è facilmente reperibile all'interno del citosol, il lac il repressore perde la sua capacità di legarsi al DNA. Quindi, galleggia fuori dalla regione dell'operatore, rendendo disponibile la regione del promotore per il legame con la RNA polimerasi. Quando il lattosio è disponibile, alcune delle molecole vengono convertite in allolactose, un piccolo isomero di lattosio. Il legame dell'allolattosio con il lac il repressore provoca il suo allentamento dalla regione dell'operatore. Pertanto, allolattosio serve come un induttore, innescando l'espressione del lac operone. Inoltre, il lac anche l'operone è considerato come un operone inducibile.

Tuttavia, la RNA polimerasi da sola non è in grado di legarsi perfettamente alla regione del promotore. Quindi, CAP aiuta nel legame stretto della RNA polimerasi al promotore. Si lega al sito di legame della PAC a monte del promotore. Il legame del CAP al DNA è regolato da una piccola molecola nota come AMP ciclico (cAMP). Il cAMP serve come segnale di fame fatto da E. coli in assenza di glucosio. Il legame del cAMP in CAP cambia la conformazione del CAP, consentendo il legame del CAP al sito di legame della PAC del lac operone. Tuttavia, cAMP è presente nella cellula quando i livelli di glucosio sono molto bassi all'interno della cellula. Quindi, l'attivazione del lac l'operone può essere raggiunto solo quando il glucosio non è disponibile per la cellula. In conclusione, l'attivazione del lac l'operone può essere raggiunto quando il glucosio non è disponibile e il lattosio è disponibile all'interno della cellula. Quando sia il glucosio che il lattosio sono assenti nella cellula, il lac repressore rimane vincolante per il lac operone, impedendo la trascrizione dell'operone.

Glucosio	Lattosio	Meccanismo	Regolamento
Assente	Presente	La PAC si lega al sito di rilegatura della PAC	Espressione dell'operone lac
Presente	Assente	lac repressore si lega alla regione dell'operatore	Soppressione dell'operone lac

Conclusione

Il lac l'operone è un operone inducibile in cui le proteine ​​richieste dal metabolismo del lattosio sono presenti in gruppi di geni. Quindi, la trascrizione del lac operon produce una molecola di mRNA policistronico in grado di sintetizzare più prodotti genici. Il lac l'operone è espresso solo in assenza di glucosio e la presenza di lattosio all'interno della cellula per la respirazione cellulare. Il lac repressore si lega alla regione dell'operatore del lac operone quando il glucosio è facilmente disponibile e il lattosio non è disponibile. La PAC si lega all'operatore del lac operone, aiutando la trascrizione quando il glucosio non è disponibile e il lattosio è facilmente disponibile. Quindi, la cellula diventa capace di utilizzare il lattosio nella respirazione cellulare per produrre energia.

Cortesia dell'immagine:

1. "Controllo dell'espressione genica" di ArneLH - Opera propria (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. "Lacoperon1" (dominio pubblico) via Commons Wikimedia
3. "Lac operon" (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia

Riferimento:

1. "Regolazione del gene procariotico". Lumen / Boundless Biology, disponibile qui.
2. "The lac operon". Khan Academy, disponibile qui.
3. "Lac Operon: regolazione dell'espressione genica nei procarioti". Biologia, classi Byjus, 21 novembre 2017, disponibile qui.