Appunti di Microbiologia (professor Mastromei)

Approfondimento sull'operone trp

L'operone trp è un operone reprimibile di Escherichia coli, dove con reprimibile si intende che agisce inibendo la sintesi degli enzimi di una via anabolica qualora il prodotto finale di questa sia disponibile. Questo operone è lungo circa 7000 bp e presiede alla biosintesi dell'amminoacido triptofano (trp). I geni strutturali in esso presenti sono cinque: trpE, trpD, trpC, trpB e trpA, partendo dal lato della regione leader.

Si distinguono in base alla funzione, ordinatamente, le seguenti regioni:

• Promotore
• Operatore
• Regione leader trpL contenente un sito attenuatore att
• I cinque geni strutturali

L'espressione dell'operone è controllata con due meccanismi: in caso di abbondanza di Trp, questo converte una proteina aporepressore, inattiva, in una proteina repressore che si lega all'operatore, impedendo l'inizio della trascrizione da parte dell'RNA polimerasi; si ha una riduzione della trascrizione.

dell'operone di circa 70 volte; in caso di povertà di Trp, la bassa concentrazione di quest'ultimo renderà molto raro, se non addirittura nullo, il legame del triptofano alla proteina repressore, la quale senza il legame con l'amminoacido resterà in uno stato di carica e di conformazione che la rende inadatta a formare legami con l'operatore. Il tutto si traduce in una mancata repressione dell'operone trp e quindi nella sua continua trascrizione. Nel meccanismo 1 la molecola effettore triptofano funge da corepressore, attivando il repressore; nel sistema dell'operone lac di Escherichia coli, al contrario, la molecola effettore allolattosio è un induttore, diminuendo l'affinità repressore-DNA. Il meccanismo 2 è definito attenuazione. Modello molecolare dell'attenuazione La regione leader codifica un corto polipeptide. Il codone di stop per questo polipeptide è preceduto da due codoni adiacenti per il triptofano. Nella regione

leader dell'mRNA ci sono 4 regioni che possono appaiarsi ciascuna con quella successiva, dando luogo a eventi diversi.

La traduzione dell'mRNA leader avviene immediatamente a monte della sua trascrizione perché, a causa dell'appaiamento delle sue regioni 1 e 2, l'RNA polimerasi si blocca per un tempo sufficientemente lungo da permettere l'inizio della traduzione.

Se c'è carenza di triptofano, il ribosoma poi si arresta in corrispondenza della coppia di codoni triptofano, dentro la regione 1; si ha l'appaiamento delle regioni 2 e 3, che non permette l'appaiamento delle regioni 3 e 4, il quale rappresenta un segnale di terminazione: così l'RNA polimerasi conclude la sintesi dell'operone.

L'appaiamento delle regioni 2 e 3 è quindi un segnale chiamato di antiterminazione. Se c'è triptofano in quantità sufficiente, il ribosoma si fermerà al codone di stop del peptide leader, dentro la

regione 2: ciò provocherà l'appaiamento 3-4 e quindi la terminazione della trascrizione. La struttura 3-4 è chiamata attenuatore.

Regolazione Globale dei Microrganismi
Esiste un altro tipo di regolazione, la regolazione globale, che vuol dire che coinvolge la regolazione di numerosi geni (anche più di 300 geni) che riguarda le vie metaboliche. Ad esempio, in E. Coli, un enterobatterio, può fare sia la respirazione anaerobica che quella aerobia. Nel caso della respirazione aerobia ha un repressore che percepisce la presenza dell'ossigeno, mentre la mancanza di ossigeno è un attivatore per la via anaerobia.

In alcuni casi, la regolazione avviene a livello della subunità sigma dell'rna polimerasi. La subunità sigma si lega al promotore e così inizia la trascrizione. I promotori sono sequenze nucleotidiche che possono variare e quindi sequenze nucleotidiche diverse corrispondono a sequenze sigma diverse. In E. Coli ci

Sono 5 subunità sigma che servono in condizioni diverse. La subunità principale è la subunità sigma (in cui l'apice è il peso in Dalton) viene utilizzato durante la crescita, durante la fase stazionaria utilizza la subunità sigma e per la sintesi del flagello la subunità sigma, la subunità 38 28 sigma serve per i geni che assimilano l'azoto.

Quorum Sensing

Un altro tipo di regolazione globale è quella a livello della comunità quindi di cellule che condividono lo stesso spazio. Possono essere cellule della stessa specie o di specie differenti. Questo meccanismo di regolazione è noto con il termine di "Quorum sensing", cioè rilevazione della maggioranza/della densità cellulare (è un sistema di percezione della densità delle cellule della stessa specie presenti nella popolazione). Questo sistema consiste nel fatto che le cellule durante la crescita rilasciano nel

terreno molecole segnale. Una di queste molecole segnale è l'omoserina-lattone-acilato (AHL) prodotta dai batteri gramnegativi. Questa molecola diffonde all'esterno della cellula. Quando la concentrazione della molecola segnale è sufficientemente elevata ecco che il segnale viene recepito dalla cellula e si attivano tutta una serie di geni. È un segnale che si diffonde a livello di comunità. Quando questa molecola segnale all'esterno è a concentrazioni elevate può andare a interagire con un recettore all'esterno della cellula (di tutte le cellule) che viene attivato e il segnale viene trasmesso all'interno della cellula. Conseguentemente vengono attivate tutta una serie di geni (e/o anche proteine) che possono essere molteplici.

Un esempio di quorum sensing:

• la bioluminescenza, è regolata in questo modo: La bioluminescenza richiede la produzione di luciferasi che è un enzima. I batteri bioluminescenti vivono in

organi di alcuni pesci, solitamente hanno peduncoli, al cui interno vi è una comunità di batteri, che fanno luminescenza. La loro densità attiva la produzione di luciferasi. Questo enzima è anche utilizzato in analisi per la produzione di chemoluminiscenza che è andata a sostituire gli isotopi radioattivi. - In Pseudomonas aeruginosa, il quorum sensing, contribuisce alla formazione di biofilm. Quando dei microrganismi devono crescere su superfici povere di sostanze nutrizionali come vetri e pietre, viene attivata la produzione di esopolisaccaridi (a seguito del quorum sensing), che producono una mucillagine (una pellicola), che consente alle cellule di rimanere adese alla superficie. All'interno di questa pellicola (film) le cellule si riproducono da sole. In un biofilm contiene anche comunità con altri microrganismi. Il vantaggio del biofilm è di trattenere le poche sostanze nutrizionali e proteggere i batteri dalle intemperie. Le caratteristichedi un biofilm sono costituiti da microrganismi resistenti agli antibiotici (rallentano anche il percorso degli oli negli olidotti). 3 di 6- Il quorum sensing regola l'espressione di numerosi geni di virulenza (patogenicità) in Staphylococcus aureus. Cicli Biogeochimici I cicli biogeochimici descrivono le trasformazioni di elementi fondamentali per tutti gli organismi viventi. Queste trasformazioni sono causate sia da processi biologici che da processi chimici e geologici. Un ciclo biogeochimico descrive le trasformazioni di elementi fondamentali per gli organismi viventi, causate sia da processi biologici che da processi chimici. Non sono trasformazioni lineari, perché esistono intermedi che sono regolati da altri meccanismi biologici e altri da meccanismi fisici o chimici, quindi si formano dei cicli. Ma perché non è lineare? Perché ci sono batteri che chiudono il ciclo, mentre animali e piante non ci riescono. Il Ciclo del Carbonio La fonte di carbonio più naturaleè stata trasformata in carbone, petrolio e gas naturale. Questi combustibili fossili sono stati estratti e bruciati, rilasciando grandi quantità di CO2 nell'atmosfera. Questo ha portato ad un aumento significativo della concentrazione di CO2 atmosferica, contribuendo all'effetto serra e al cambiamento climatico. Il ciclo del carbonio è un processo naturale che regola la quantità di CO2 nell'atmosfera. Tuttavia, l'attività umana ha alterato questo equilibrio naturale, causando un aumento eccessivo della CO2 atmosferica. È quindi importante adottare misure per ridurre le emissioni di CO2 e mitigare gli effetti del cambiamento climatico.in condizioni di anaerobiosi totale per milioni di anni. In questo ambiente l'attività anaerobia di questi microrganismi è andata avanti lentamente e ha prodotto i combustibili fossili: carbone ma anche idrocarburi. Quando i combustibili fossili vengono bruciati si ha una combustione che rilascia CO2 nell'atmosfera. Questa CO2 in parte viene tamponata ma non tutta e può avere effetto a livello del clima. Quando un organismo muore finisce sotto organismi degradatori (il cerchio si chiude e viene restituita CO2 e minerali agli autotrofi). Questi microrganismi anaerobi che in passaggi successivi degradano completamente la materia organica e i componenti di un organismo vivente, restituiscono i minerali al suolo e carbonio all'atmosfera. OSS: il problema del riscaldamento globale è legato al fatto che la CO2 fossile è stato sottratta al ciclo, noi ora la stiamo rimettendo in circolo, il che vuol dire che il ciclo può cambiare. La CO2è un gas serra, trattiene con maggior successo i raggi solari, favorendo il riscaldamento solare. Ciclo dell'azoto La fonte principale di azoto è l'azoto presente nell'atmosfera (N2), gas inerte perché per scindere questa molecola occorre molta energia (viene chiamato gas inerte proprio per questo, quindi un'atmosfera composta solo da N2 in pratica non accadono reazioni perché richiederebbe una grossissima quantità di energia). In natura ci sono dei microrganismi, detti azotofissatori, che sono capaci di prendere l'azoto atmosferico e utilizzando l'azoto atmosferico produrre NH3 (ammoniaca), immediatamente l'ammoniaca viene organizzata a livello delle proteine, così viene neutralizzata. Gli agricoltori sapevano che se loro coltivavano anno dopo anno lo stesso terreno con lo stesso tipo vegetale, la produzione del terreno calava fino a arrivare quasi a zero. Per evitare questo fenomeno dop