Appunti di Microbiologia e virologia

CONTROLLO NEGATIVO

La proteina regolatrice è un repressore che è al centro del controllo negativo

Induzione:

Riguarda gli enzimi degradativi che catalizzano reazioni cataboliche. Un classico esempio di induzione è la

regolazione dell’operone del lattosio, che contiene 3 geni lacZ, lacY, lacA coinvolti nel catabolismo del lattosio.

codifica per la β-galattosidasi,

La lacZ enzima che ha la funzione di scindere il disaccaride in glucosio + galattosio.

La lacY codifica per una permeasi del lattosio, enzima che permette al lattosio di attraversare la membrana

cellulare del batterio.

La lacA codifica per l'enzima transacetilasi, il lattosio deve essere acetilato prima di essere idrolizzato.

L’operone per definizione è un cluster di geni organizzati in modo lineare consecutivo, la cui espressione è sotto il

controllo dell’operatore e del promotore. I geni che appartengono allo stesso operone codificano per proteine ed

enzimi che svolgono funzioni correlate (catabolismo lattosio)

L’operatore è una regione regolativa del DNA posta a valle del promotore, zona a cui si lega l’RNA polimerasi, che

controlla la trascrizione interagendo o meno con una proteina regolativa chiamata repressore.

Nella regolazione dell’operone lac possiamo avere due situazioni:

In assenza di lattosio, il repressore è presente in forma attiva e si

legata all’operatore, questa interazione impedisce all’RNA

polimerasi di trascrive i geni lac.

In presenza di lattosio(pallino rosa), questo funge da induttore, e si

lega al repressore inattivandola, che non è più in grado di legarsi

all’operone. L’RNA polimerasi è libera di procedere e di trascrivere

i geni lac, vengono quindi sintetizzati gli enzimi deputati al

catabolismo del lattosio.

Questo meccanismo risponde a una precisa necessità metabolica,

se il substrato del processo catabolico non è presente è inutile per

la cellula attivare la trascrizione dei geni che codificano per gli enzimi coinvolti in tale catabolismo, se invece il

substrato è presente, è lo stesso substrato, che induce la trascrizione dei geni per la sua degradazione.

Repressione

Riguarda enzimi anabolici. Un classico esempio di repressione è la regolazione dell’operone dell’arginina che contiene

biosintesi dell’arginina.

3 geni argC, argB, argH che codificano per gli enzimi coinvolti nella

Nella cellula si possono presentare due situazioni:

In assenza di arginina (metabolita finale della via biosintetica) il repressore è presente in forma inattiva e non riesce a

legarsi all’operatore dell’operatore dell’arginina e l’RNA polimerasi procede con la trascrizione dei geni che portano poi

alla sintesi degli enzimi biosintetici.

In presenza di un eccesso di arginina, il metabolita finale funge da co-

repressore, e si lega al repressore attivandolo, il quale a sua volta si

all’operatore bloccando la trascrizione dei geni. La biosintesi della

lega

maggior parte degli amminoacidi è sotto il controllo genico della

repressione.

I geni che codificano per gli enzimi coinvolti nella biosintesi di un

amminoacido sono regolati in modo tale che il repressore sia inattivo,

in loro assenza e la sintesi dei geni avvenga, è fondamentale avere la

biosintesi del metabolita primario, in presenza di un accumulo invece

non è necessario continuare a sintetizzarlo, la cellula si regola

attivando il repressore. 44

CONTROLLO POSITIVO

La proteina regolatrice è un attivatore che è al centro del controllo positivo

Un esempio classico di attivazione, di controllo positivo è la regolazione del catabolismo del maltosio in E. Coli.

I promotori degli operoni regolati mediante meccanismi di attivazione presentano sequenze nucleotidiche che legano

debolmente l’RNA polimerasi.

L’attivatore ha il ruolo di aiutare l’RNA polimerasi a riconoscere il promotere per far partire la trascrizione.

proteina che si lega al DNA nel sito di legame per l’attivatore a monte del promotore

La proteina attivatore è una

dell’operone. Si possono verificare due situazioni:

In assenza di maltosio, zucchero per il quale i geni (malE, malF,

malG) trascritti codificherebbero per gli enzimi utili per il suo

catabolismo, l’attivatore non è in grado di legarsi al sito di

attivazione, di conseguenza l’RNA polimerasi non si lega al

promotore e la trascrizione non avviene.

In presenza di maltosio, lo zucchero si comporta come induttore,

nel sito di legame specifico, ciò comporta

e si lega all’attivatore

una modificazione conformazionale dell’attivatore che consente a

quest’ultimo di interagire con il suo sito di attivazione.

L’interazione dell’attivatore con il sito di legame permette all’RNA

polimerasi di legarsi al promotore e di fare partire la trascrizione

dei gei che codificano per gli enzimi catabolici del maltosio.

Come nel controllo negativo dell’operone lac, anche il controllo

positivo dell’operone mal garantisce la sintesi degli enzimi catabolici solo in presenza del substrato, che a seguito del

catabolismo può sfruttare come fonte carbonata

CONTROLLO GLOBALE OPERONE LAC

Diversi meccanismi di controllo possono concorrere alla regolazione globale di una via metabolica.

il controllo globale dell’operone

Come esempio facciamo lac in E. Coli.

Il controllo globale prevede un controllo negativo, l’induzione, in cui la proteina repressore lac codificata dal gene lac

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situata a monte di tutto l’operone. La proteina repressore viene inattivata dalla presenza dell’induttore, il lattosio, che si

lega alla proteina lac in questo modo lo zucchero è degradato dagli enzimi catabolici, perché la trascrizione può

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avvenire,

Vi è un altro controllo positivo, definito anche repressione da catabolita perché il glucosio e il suo catabolismo giocano

un ruolo chiave.

Il glucosio è la fonte carbonata più disponibile in natura, gli enzimi che lo

degradano sono costitutivi, sono sempre espressi dalla cellula

indipendentemente dai sistemi regolativi.

Se il glucosio è disponibile il batterio utilizza prima questa fonte energetica, e

soltanto quando il glucosio è esaurito, consumato allora la cellula batterica

può consumare altre fonti carbonate tra cui il lattosio. Il consumo di altre fonti

carbonate avviene in un altro momenti rispetto al consumo di glucosio, perché

gli enzimi che degradano il glucosio sono sempre espressi e presentano

un’altissima affinità.

La repressione da catabolita dovuta alla presenza di glucosio, controlla

l’espressione di diversi operoni, principalmente catabolici (operoni che

correlati a enzimi degradativi di altri zuccheri), ma anche altri operoni come la

sintesi di flagelli, infatti se il glucosio è presente i batteri non sono costretti a

muoversi. Se è presente il glucosio viene ridotta la sintesi di AMP ciclico a

partire da ATP attraverso l’inibizione di adenilato ciclasi, per cui la proteina

CRP, proteina attivatrice non viene attivata (non si lega con AMP ciclico), per

tanto non si lega al sito di attivazione del DNA e la trascrizione di geni lac non

parte, perché prima la cellula vuole consumare glucosio.

In assenza di glucosio i livelli di AMP ciclico sono elevati, l’induttore si lega

alla proteina attivatore, che riesce a legarsi al suo sito di attivazione a monte

del promotore, questo fa sì che l’RNA polimerasi riesca a legarsi al promotore

e a far iniziare la trascrizione dei geni lac.

è necessario l’assenza di glucosio in modo da rendere operativa la proteina attivatore e la

Per la sintesi dei geni lac

presenza del substrato lattosio, in modo da rendere inattivo la proteina repressore. 45

30.03.2020

MECCANISMI DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE NEI PROCARIOTI

I procarioti regolano il metabolismo cellulare a quelli che sono stimoli ambientali che possono essere variazioni di

parametri ambientali quali: temperatura, pH, disponibilità di ossigeno, presenza di nutrimenti, presenza di altri

organismi nell’aria.

Esistono diversi sistemi di regolazione con i quali le cellule ricevono dei segnali dall’ambiente esterno e li trasmettono

che proviene dall’esterno, alle

a specifici target che devono essere regolati, il processo di trasferimento del segnale,

proteine regolatorie, che controllano la trascrizione genica, viene definita trasduzione del segnale.

SISTEMA DI REGOLAZIONE A DUE COMPONENTI

Meccanismo estremamente diffuso nei procarioti come

strategia di trasduzione del segnale che proviene

dall’ambiente extracellulare.

Le due componenti sono:

- Proteina chiansi sensore: localizzata nella

membrana citoplasmatica. Fosforila se stessa

(residui di istidina) in risposta a un segnale

ambientale, utilizzando un gruppo fosfato rilasciato

da una molecola di ATP. Queste proteine che

svolgono la funzione di sensori appartengono alla

categoria delle istidine chiansi.

- Regolatore di risposta: proteina citoplasmatica che

riceve un gruppo fosfato dalla chiansi sensore, in

forma fosforilata è in grado di legarsi al DNA e di

modulare la trascrizione genica. Nella figura il

regolatore di risposta è un repressore perché

andando a interagire con l’operatore impedisce

l’azione della DNA polimerasi.

Un sistema di regolazione bilanciato deve avere un

feedback loop, cioè un modo per chiudere il circuito

regolatorio e terminare la risposta.

Il feedback loop coinvolge una fosfatasi, attività enzimatica che può essere presente nel regolatore di risposta, che

lentamente idrolizza il gruppo fosfato, lo allontana dal regolatore di risposta, il quale senza il gruppo fosfato non ha più

la possibilità di legarsi all’operatore, si stacca e la DNA polimerasi si può compiere 46

Regolazione chemiotassi La chemiotassi utilizza un mezzo di

regolazione a due componenti per regolare

la rotazione dei flagelli, che sono

preesistenti.

La figura rappresenta l’interazione delle

proteine MCP (Methyl-accepting

chemotaxis proteins) con le proteine Che,

fra queste ci sono le chinasi sensore e i

regolatori di risposte e con il movimento

flagellare.

La regolazione della chemiotassi avviene in 3 step:

1. Risposta al segnale: in questo sistema di regolazione giocano un ruolo chiave le proteine MCP, proteine

trasmembrana che avvertono la presenza di diversi composti chimici, che possono essere attrattivi come

zuccheri o amminoacidi, fonti carbonate o azotate, oppure repellenti come sostanze tossiche, metalli pesanti,

come nell’esempio. La proteina MCP forma un complesso con le proteine citoplasmatiche CheA e CheW.

sensore della chemiotassi, mentre CheW è un aiutant