9.Regolazione del metabolismo microbico + crescita diauxica

Controllo del metabolismo attraverso il controllo degli enzimi

Un adeguato controllo del metabolismo è necessario alle cellule per evitare qualsiasi spreco di risorse, e per accedere rapidamente a queste ultime in risposta a cambiamenti ambientali, nonché per dirigere l'energia disponibile solo dove e quando serve. Il controllo del metabolismo si espleta essenzialmente attraverso il controllo degli enzimi che prendono parte alle singole vie metaboliche. Per modificare la velocità delle reazioni enzimatiche si può intervenire in due modi:

1. Allostericamente, controllando cioè l'attività di ogni singolo enzima o dell'enzima a capo di una via metabolica. Nell'allosteria (o allosterismo) la regolazione della velocità di una reazione enzimatica avviene tramite il legame di una molecola, detto effettore, a un sito specifico dell'enzima, il sito allosterico, diverso dal sito attivo (cioè quello al quale si lega il substrato). Quando l'effettore si lega al sito allosterico,

viene modificata leggermente la struttura dell'enzima e, di conseguenza, l'affinità per il substrato. Le variazioni di conformazione sono reversibili. Quando si parla di controllo allosterico si può fare riferimento ai meccanismi di feedback. In una via metabolica lineare (cioè da un substrato si arriva a unico prodotto) può succedere che il prodotto finale della reazione (effettore allosterico negativo, detto anche inibitore) inibisce gli enzimi della via metabolica che hanno portato alla formazione di suddetto inibizione da feedback prodotto. Si parla, in questo caso, di inibizione da feedback. Può succedere anche che il prodotto (o un suo derivato) influisca sulla sintesi di uno o più enzimi coinvolti nelle reazioni che portano alla sintesi del metabolita. In repressione da feedback questo caso, invece, si parla di repressione. La repressione avviene a livello di gene, con il controllo della trascrizione dell'RNA messaggero. I meccanismi di inibizione e repressione.

Generalmente agiscono in modo sinergico: l'inibizione è un meccanismo di controllo in grado di agire velocemente, bloccando la biosintesi del prodotto; mentre, la repressione è un meccanismo che agisce successivamente disattivando la sintesi dell'enzima o degli enzimi la cui presenza è superflua, in quanto la sintesi del prodotto è stata già bloccata con l'inibizione. Nel caso di una via metabolica ramificata, che porta alla formazione di prodotti diversi, i meccanismi di controllo agiscono in modo più complesso. Anche nel caso di una via metabolica ramificata, il controllo avviene con meccanismi di inibizione e repressione, frequentemente con azione sinergica. In questo caso si distinguono i seguenti meccanismi di feedback:

1. Feedback concertato o multivalente: in questo caso il controllo è dovuto all'azione della somma dei prodotti (P1+P2) sul primo enzima della catena, con un'azione di inibizione o di repressione (o di entrambi);

Feedback cooperativo: si tratta di un meccanismo simile all'azione da feedback concertato, con la differenza che in questo caso l'inibizione sul primo enzima della catena viene effettuata solo da parte di uno dei prodotti che ha raggiunto concentrazioni eccessive. Inoltre, il prodotto che ha raggiunto una concentrazione eccessiva inibisce anche il primo enzima che interviene dopo la ramificazione della via metabolica. In questo modo viene favorita la produzione dell'altro prodotto in funzione delle esigenze della cellula.

Feedback sequenziale: ciascun prodotto finale della via ramificata esercita un'azione sul primo enzima della via ramificata corrispondente a quel determinato prodotto. Cioè una via metabolica ramificata è lineare fino ad un certo punto, quando in un determinato punto si ramifica, ad esempio, in due vie. Ciascuna di queste due vie è capeggiata da un enzima, cioè il primo enzima che agisce all'inizio di una determinata ramificazione.

La ramificazione porterà a un prodotto. Quel prodotto inibisce il primo enzima della corrispondente ramificazione. In questo modo l'intermedio che si forma prima che la via metabolica si ramifichi non viene convertito nei primi intermedi delle varie ramificazioni. Quindi si ha un accumulo dell'ultimo intermedio prima della ramificazione. L'accumulo di questo intermedio, a sua volta, produce un effetto di inibizione della reazione di trasformazione del substrato nel primo intermedio con un azione sul primo enzima della via metabolica. La via metabolica risulta quindi inibita sia nella parte lineare che in quella ramificata.

Può succedere che in una via metabolica ramifica, una reazione, ad esempio, la isoenzima prima sia catalizzata da due, cioè enzimi diversi che catalizzano la stessa reazione e hanno affinità diversa per il substrato. Chiamiamo i due isoenzimi E1a ed E1b. Supponiamo che entrambi catalizzino la trasformazione del substrato A in un

intermedio B della via metabolica. Supponiamo che B si trasformi in C e a questo punto la via metabolica si ramifica per dare gli intermedi D ed E e da questi i prodotti P1 e P2 rispettivamente. Uno dei due prodotti (supponiamo P1) inibisce uno dei due isoenzimi (supponiamo E1a); lo stesso prodotto inibisce anche il primo enzima della ramificazione che lo ha sintetizzato. Tuttavia, l'isoenzima E1b non è stato inibito e, quindi, la trasformazione del substrato A nell'intermedio B può avvenire. Si arriva a formare anche l'intermedio C, che anziché dare vita a due intermedi, D ed E, dà vita solo all'intermedio E perché P1 ha inibito anche il primo enzima della ramificazione che portava alla sua sintesi e cioè l'enzima che catalizzata la trasformazione di C in D. Si forma così solo il prodotto P2.

Trascrizionalmente, cioè intervenendo sul numero effettivo di quegli enzimi che devono essere sintetizzati. Nel

genoma di un microrganismo sono presenti migliaia di geni: alcuni vengono espressi continuamente (geni costitutivi), altri solo quando è necessario (regolati). Un esempio di geni costitutivi è dato dall'insieme di geni codificanti per gli enzimi implicati nel metabolismo del glucosio. Invece, un esempio di geni inducibili (e, quindi, regolati) è dato dal gene per la beta-galattosidasi, enzima implicato nel metabolismo del lattosio. Nell'ambito della regolazione della trascrizione, si può fare una distinzione tra controllo positivo e controllo negativo. Si parla di controllo negativo ogniqualvolta esso coinvolge l'attività di speciali proteine, dette repressori. Esse, al tempo stesso, sono delle proteine allosteriche (quindi, come detto, cambiano conformazione in seguito al legame con effettori). Un repressore, nella sua forma attivata, presenta un sito di legame che riconosce una specifica sequenza di DNA, detta sito operatore. Il sito operatore

è posto un po’ più a valle del sito promotore, quella sequenza di DNA a cui si lega la polimerasi per iniziare la trascrizione. Quando il repressore è legato al sito operatore, l’RNA polimerasi è bloccata dallapresenza di quest’ultimo e non riesce a proseguire oltre il sito promotore, conconseguente blocco della trascrizione dei geni. In generale, sia nel controllopositivo e sia nel controllo negativo si può distingue tra induzione erepressione. Nella repressione del controllo negativo, il repressore di undeterminato gene o di un gruppo di geni si presenta in partenza già nello statoinattivo, ed è quindi disperso nel citosol senza poter mai legarsi al sitooperatore. Il gene o i geni in questione vengono quindi trascritti e tradottinormalmente. Il repressore può diventare attivo in seguito al legame con unamolecola chiamata corepressore. Questo legame fa si che il repressore adessosia in grado di riconoscere la

sequenza del sito operatore e legarvisi, impedendo alla RNA polimerasi di trascrivere i geni a valle. Consideriamo come esempio di repressione negativa la regolazione dell'operone triptofano. Normalmente le cellule procariotiche sintetizzano da sé il triptofano, partendo da precursori più semplici. La sintesi è il risultato di una via anabolica che continua finché tutto il triptofano che serve viene sintetizzato. A questo punto, occorre fermare il macchinario sintetico perché se così non fosse si sprecherebbe energia e materia prima per ottenere qualcosa che al momento non serve. Quando il triptofano raggiunge una certa concentrazione limite, esso si lega al repressore che a sua volta va a legarsi al sito operatore dell'operone triptofano. In questo modo, si smette di produrre gli enzimi che servono per produrre questo amminoacido, oramai presente in quantità sufficiente. Il caso dell'operone triptofano è un chiaro esempio.

Di repressione da prodotto finale. Il fenomeno esattamente opposto si verifica nel caso dell'operone lattosio (operone Lac). Per la maggior parte dei microrganismi, il glucosio è la fonte di energia più vantaggiosa e più facile da reperire. I geni che codificano per enzimi impiegati nella degradazione del glucosio sono espressi costitutivamente. A volte, però, a causa della mancanza di glucosio, le cellule si trovano a dover utilizzare altre fonti di energia, come il lattosio. Esso è un disaccaride composto da glucosio e galattosio. Per poter essere utilizzato, il lattosio deve innanzitutto essere fatto entrare nel citosol ad opera di un trasportatore di membrana apposito, la beta-galattosidasi permeasi, e scisso in due da un altro enzima, la beta-galattosidasi. Vi è anche un altro enzima, la beta-galattosidasi transacetilasi. Questi tre enzimi sono codificati dai rispettivi geni lacY, lacZ e lacA. Essi non sono sempre presenti in una cellula batterica.

Non avrebbe infatti senso sintetizzarli se il lattosio non è presente o se vi è ancora glucosio da utilizzare. Infatti, di default, il repressore dell'operone Lac si trova in forma attiva e, legato al sito operatore dell'operone, impedisce la trascrizione dei geni codificanti per gli enzimi succitati, che in queste condizioni sarebbero perfettamente inutili. Quando però occorre dover degradare il lattosio, perché magari il glucosio è scarso o quasi del tutto assente, allora il repressore deve poter essere rimosso. È un derivato del lattosio, l'allolattosio, che, penetrato nel citosol, si lega al repressore. Il legame con l'allolattosio, che funge da induttore, modifica allostericamente questa proteina e fa sì che essa si stacchi dal sito operatore. A questo punto, la trascrizione dei geni necessari per l'assimilazione del lattosio, ad opera della RNA polimerasi, può procedere.