8.2.1 OPERÓN DE LACTOSA (CONTROL POSITIVO)

8.2.1 OPERÓN DE LACTOSA (CONTROL POSITIVO)

• SISTEMAS CONSTITUTIVOS Y SISTEMAS ADAPTATIVOS

Es evidente que existen algunos procesos metabólicos que son necesarios para el funcionamiento normal de casi todas las células, de manera que existen una serie de necesidades básicas para el mantenimiento normal de una célula. Por consiguiente, los genes que codifican para las enzimas necesarias para el metabolismo básico celular se están expresando continuamente, es decir, se expresan de forma constitutiva o continua. Por tal motivo, a este tipo de genes se les denomina, "genes que guardan la casa" o genes constitutivos. Estos genes que se están expresando continuamente no significa que su actividad no esté regulada, simplemente están sometidos a un tipo de regulación diferente que hace que se estén expresando siempre. Los genes constitutivos codifican para sistemas enzimáticos constitutivos, que se necesitan siempre para la actividad normal de la célula.

Frente a los genes constitutivos, nos encontramos con los genes que se expresan solamente en determinadas situaciones y que, por consiguiente, codifican para enzimas que solamente se necesitan en momentos concretos. A este tipo de genes se les llama genes adaptativos y a las enzimas codificadas por ellos, sistemas enzimáticos adaptativos. Se denominan así pensando en que se expresan cuando la célula se adapta a una determinada situación ambiental. En algunos libros de texto se denomina a este tipo de genes, genes regulados, sin embargo, esta nomenclatura no es demasiado buena, ya que parece que los únicos genes cuya expresión está regulada serían estos.

• SISTEMAS INDUCIBLES Y SISTEMAS REPRESIBLES

Sistemas inducibles: cuando el sustrato sobre el que va actuar la enzima provoca la síntesis del enzima. Al efecto del sustrato se le denomina inducción positiva. Por ejemplo, en E. coli en ausencia de galactósido (sustrato) hay de una diez unidades de galactosidasa (enzima) por  miligramo de materia seca, mientras que en presencia de galactósido se detectan hasta 10.000 unidades de galactosidasa por miligramo de materia seca. Al compuesto que desencadena la síntesis del enzima se le denomina Inductor.

Sistemas represibles: cuando el producto final de la reacción que cataliza el enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al compuesto que impide la síntesis del enzima se le denomina correpresor.

Los sistemas inducibles se corresponden a procesos catabólicos de degradación, por ejemplo, el operón lactosa, el operón arabinosa, el operón maltosa. Se trata de sistemas enzimáticos encargados de degradar la lactosa, arabinosa, maltosa, etc.

Los sistemas represibles se corresponden con procesos síntesis o Anabolismo, por ejemplo el operón triptófano y el operón histina. Se trata de las rutas metabólicas que conducen a la síntesis de triptófano y síntesis de histidinas.

• CONTROL POSITIVO Y CONTROL NEGATIVO

Control positivo: Se dice que un sistema está bajo control positivo cuando el producto del gen regulador activa la expresión de los genes, actúa como un activador.

Control negativo: se dice que un sistema está bajo control negativo cuando el producto del gen regulador reprime o impide la expresión de los genes, actúa como un represor.

•  ELEMENTOS DEL OPERÓN

Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli, de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias. Jacob y Monod recibieron en 1965 el Premio Nobel pos estas investigaciones.

 

Francois Jacob             Jacques Monod

 

Un Operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control (promotor y operador) y genes reguladores.

Los principales elementos que constituyen un operón son los siguientes:

1.- Los genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata de los genes cuya expresión está regulada. Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, son poligénicos o policistrónicos. Hay algunos operones bacterianos que tienen un solo gene estructural. Los operones eucarióticos suelen contener un sólo gen estructural siendo monocistrónicos.

2.- El promotor (P): se trata de un elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra P.

3.- El operador (O): se trata de otro elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la proteína reguladora. El operador se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra O.

4.- El gen regulador (i): secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. El gen regulador está cerca de los genes estructurales del operón pero no está inmediatamente al lado. Abreviadamente se le denomina gen i.

5.- Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Está proteína se une a la región del operador.

6.- Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.

Elementos del operón lactosa

• EL OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO   

El Operón lactosa, que abreviadamente se denomina Operón lac, es un sistema inducible que está bajo control negativo, de manera que la proteína reguladora, producto del gen regulador i, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor. El inductor del sistema es la lactosa. Como veremos más adelante, el operón lac también está bajo control positivo, ya que existe otra proteína que estimula la transcripción de los genes estructurales.

Los genes estructurales del operón lactosa son los siguientes:

 1.- El gen z+: codifica para la b-galactosidasa que cataliza la hidrolisis de la lactosa en glucosa más galactosa.

 2.- El gen y+: codifica para la galactósido permeasa que transporta -galactósidos al interior de la célula bacteriana.

3.- El gen a+: codifica para la tiogalactósido transacetilasa que cataliza la transferencia del grupo acetil del acetil Coenzima A al 6-OH de un aceptor tiogalatósido. Este gen no está relacionado con el metabolismo de la lactosa.

El verdadero inductor del sistema es la Alolactosa y no la lactosa de manera que la β-galactosidasa transforma la lactosa en Alolactosa. En los estudios del operón lactosa se utiliza como inductor un análogo sintético de la lactosa que es el Isopropil tiogalactósido (IPTG). El IPTG no necesita ser transportado por la galactósido permeasa para entrar en la bacteria. 

Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor (la lactosa), la proteína represora producto del gen i se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales

 

Operón lactosa en ausencia de lactosa

Sin embargo, en presencia del inductor (la lactosa), este se une a la proteína reguladora que cambia su conformación y se suelta de la región operadora dejando acceso libre a la ARN-polimerasa para que se una a la región promotora y se transcriban los genes estructurales. Por consiguiente, la presencia del inductor hace que se expresen los genes estructurales del operón, necesarios para metabolizar la lactosa.

 

Operón lactosa en presencia de lactosa

También es conveniente recordar que los tres genes estructurales del operón lactosa se transcriben juntos en un mismo ARNm, es decir que los ARN mensajeros de bacterias suelen ser policistrónicos, poligénicos o multigénicos. Sin embargo, en eucariontes los mensajeros suelen sen monocistrónicos o monogénicos, es decir, corresponden a la transcripción de un solo gen estructural.

 

Operón lactosa: ARNm multigénico o policistrónico

• OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO

Como ya he mencionado anteriormente, el operón lactosa también está sujeto a un control de tipo positivo, de manera que existe una proteína que estimula la transcripción de los genes estructurales. En los sistemas de control negativo existe una proteína que impide la transcripción de los genes estructurales, en los sistemas de control positivo existe una proteína activadora que estimula la transcripción de los genes. En principio existen cuatro tipos de sistemas posibles de regulación de la expresión génica:

Ø  Tipo 1: Inducible, control negativo (operón lactosa y operón galactosa).

Ø  Tipo 2: Inducible, control positivo (operón arabinosa y operón maltosa).

Ø  Tipo 3: Represible, control negativo (operón triptófano y operón histidina).

Ø  Tipo 4: Represible, control positivo (no se han descrito).

Por supuesto, un operón pude estar sujeto a más de un tipo de control, como sucede en el caso del operón lactosa que está bajo control negativo ejercido por la proteína represora y bajo control positivo ejecutado por una proteína activadora por catabolitos (CAP) también llamada proteína activadora del AMP cíclico (CRP). El control positivo del operón lactosa como veremos está estrechamente relacionado con la Represión catabólica.

•   REPRESIÓN POR CATABOLITOS

Cuando la bacteria E. coli crece en un medio que contiene glucosa, prefiere este azúcar como fuente de energía y como consecuencia los operones que ponen producen las enzimas necesarias para obtener energía de otros azúcares están bloqueados. Uno de los catabolitos del metabolismo de la glucosa actúa sobre el AMP cíclico (AMPc). El AMP cíclico (AMPc) es necesario para la transcripción de todos los operones que son inhibidos por el catabolismo de la glucosa. Es decir, para que se transcriban los genes del operón lactosa se necesitan niveles elevados de AMPc. Esto mismo sucede con los operones de arabinosa, maltosa, galactosa, etc. Se trata. por tanto de un sistema general de control positivo que se denomina represión catabólica. Cuando E. coli crece en un medio con glucosa, los niveles de AMPc son muy bajos y como consecuencia no se transcriben los operones de otros azúcares. Aún no se conoce el motivo por el que los niveles de AMPc son bajos cuando E. coli crece en un medio con glucosa como fuente de energía. 

Cuando E. coli crece en un medio sin glucosa pero con lactosa los niveles  de AMPc son altos, el AMPc se une a la proteína receptora de AMPc  (CRP) activándola y la proteína activada CRP-AMPc a su vez estimula la transcripción de los genes estructurales del operón lactosa y de otros operones de azúcares. La proteína activadora por catabolitos (CAP) es un dímero que al unirse al AMPc se activa y estimula la transcripción de los genes del operón lactosa, de manera que la proteína activadora CAP-AMPc es necesaria para la unión de la ARN-polimerasa al promotor de los genes del operón lactosa. La proteína activadora CAP-AMPc parece ser que se une a la región promotora cerca del nucleótido que ocupa la posición -60 (60 nucleótidos antes del comienzo del gen z). 

Los mutantes que afectan a la adenilato ciclasa, enzima que transforma el ATP en AMPc, muestran niveles muy bajos de expresión de los genes del operón lactosa, debido a que los niveles de AMPc son muy bajos en ausencia de glucosa. 

Los mutantes que afectan a la proteína CRP o CAP también presentan niveles muy bajos de expresión de los genes del operón lactosa en ausencia de glucosa.