Regolazione metabolica

L'induzione di un enzima è concettualmente il fenomeno opposto alla repressione. Nell'induzione, la sintesi

di un particolare enzima ha luogo solo quando è presente il suo substrato.

Consideriamo per esempio l'utilizzazione dello zucchero lattosio come fonte di carbonio e di energia per

Escherichia coli. L’enzima Beta galattosidasi è necessario affinché Escherichia coli possa crescere sul

lattosio. Se il lattosio è assente dal mezzo, l'enzima non viene sintetizzato mentre la sintesi inizia non

appena al terreno viene aggiunto lattosio. La sostanza che dà inizio all'induzione di un enzima si chiama

induttore quella che ne reprime la sintesi si chiama corepressore.

Sia gli induttori che i corepressori si legano in modo indiretto combinandosi con specifiche proteine di

legame al DNA, che a loro volta influenzano la sintesi dell’RNA messaggero.

Nel caso di un enzima reprimibile, il corepressore, per esempio l'arginina, si lega alla proteina repressore

(in questo caso il repressore dell'arginina) che è presente nella cellula.

Il repressore è esso stesso una proteina allosterica la cui conformazione può venire modificata in seguito al

legame con il corepressore.

Una volta legato l’effettore modificato, il repressore diventa attivo e può legarsi a una regione specifica di

DNA vicino al promotore del Gene stesso, la regione operatore.

Questa regione deve il suo nome all’operone, un gruppo di geni disposti in modo lineare e consecutivo la

cui espressione sotto il controllo di un singolo promotore.

Tutti i geni di un operone sono trascritti come una singola unità che dà origine a una molecola di RNA

messaggero. L'operatore è adiacente al promotore, da dove inizia la sintesi di mRNA.

Se il repressore si lega all'operatore, la sintesi di RNA è bloccata perché l’RNA polimerasi non si può

legare o non può procedere nella trascrizione. Di conseguenza le proteine specificate da quel particolare

mRNA non potranno essere utilizzate.

L’induzione di un enzima può anche essere controllata da un repressore. In questo caso la situazione è

completamente rovesciata. Il repressore è attivo in assenza dell'induttore e capace quindi di bloccare

completamente la trascrizione.

Quando invece si aggiunge l'induttore, questo si lega al repressore inattivandolo. Una volta rimosso il

blocco trascrizionale l'enzima o gli enzimi specificati da quel particolare mRNA potranno essere prodotti.

Tutti i sistemi regolazione che si basano su repressori hanno lo stesso meccanismo di base ovvero

l’inibizione della sintesi di mRNA da parte di specifici repressori che sono a loro volta sotto il controllo di

piccole molecole specifiche: gli induttori o i corepressori. Dal momento che il ruolo dei repressori è

inibitorio, il tipo di regolazione che li coinvolge viene spesso definito controllo negativo.

Il controllo positivo della trascrizione

Nel controllo positivo dalla trascrizione una proteina regolatrice promuove il legame delle RNA polimerasi

facilitando quindi un aumento della sintesi di RNA messaggero.

Il catabolismo del maltosio in Escherichia coli

Gli enzimi necessari all'utilizzazione del maltosio in Escherichia coli sono sintetizzati soltanto dopo

l'aggiunta di maltosio al mezzo perché la trascrizione di questi enzimi richiede l'attività di una proteina

attivatrice.

La proteina attivatrice del maltosio non può legarsi al DNA se prima non si è legata al maltosio che è il

suo effettore. Il legame della proteina attivatrice del maltosio al DNA permette all’RNA polimerasi di

iniziare la trascrizione.

Gli attivatori sono in grado, come repressori, di riconoscere sequenze specifiche sul DNA. La sequenza che

serve da sito di legame per la proteina attivatrice non si chiama operatore ma sito di legame

dell'attivatore.

Il legame degli attivatori

La proteina attivatrice, una volta legatasi al DNA, aiuta l’RNA polimerasi sia a riconoscere il promotore sia

iniziare la trascrizione. Per esempio l'attivatore può indurre un cambiamento nella struttura di DNA, in

genere una curvatura permettendo così all’RNA polimerasi di stabilire contatti precisi con il promotore per

iniziare la trascrizione.

La proteina attivatrice Può anche interagire con RNA polimerasi.

In Escherichia coli i geni necessari per l'utilizzazione del maltosio sono dispersi in diversi operoni, ognuno

dei quali possiede un sito di legame dell'attivatore a cui la proteina attivatrice del maltosio può legarsi.

Quindi la proteina attivatrice del maltosio Controlla più di un operone. Quando diversi operoni si trovano

sotto il controllo primario della stessa proteina, nel loro complesso essi costituiscono un regulone. Così si

parla di Regulone maltosio.

Sistemi di controllo globale

I meccanismi di regolazione che rispondono a segnali ambientali regolando l'espressione di molti geni

diversi sono definiti sistemi di controllo globale. Sia l'operone lattosio sia il regulone maltosio rispondono a

sistemi di controllo globale.

L'operone Lac

Nell'ambiente in cui crescono le cellule possono essere presenti diverse fonti di carbonio utilizzabili dal

batterio. Per esempio Escherichia coli può utilizzare un'ampia varietà di fonti di carbonio. Quando la

cellula si trova in presenza di vari fronti di carbonio, il glucosio viene sempre utilizzato per primo. Però

viene utilizzato un sistema di regolazione globale definito repressione da catabolita perché per la cellula

batterica sarebbe uno spreco indurre gli enzimi per il catabolismo gli altri zuccheri quando in realtà le

cellule già stanno già crescendo utilizzando la fonte di carbonio migliore.

Nella repressione da catabolita, la sintesi di numerosi enzimi non correlati tra loro ma tutti coinvolti in

attività catabolica, viene inibita quando le cellule crescono in un terreno che contiene una fonte di energia

ottimale come il glucosio. In realtà non è specifico solo del glucosio ma ma più in generale, il substrato

che induce la repressione dell’utilizzazione degli altri substrati deve essere la migliore fonte di energia.

Una conseguenza della repressione da catabolita è una crescita con due fasi esponenziali definita crescita

diauxica. Quando due fonti di energia sono presenti contemporaneamente nel mezzo, l'organismo cresce

utilizzando subito la migliore fonte di energia. Poi segue un lungo intervallo prima che la crescita

ricominci utilizzando la seconda fonte di energia.

L'enzima Beta-galattosidasi, responsabile dell'utilizzazione del lattosio, è inducibile ma la sua sintesi è

anche sottoposta alla repressione del catabolita.

Quindi finché il glucosio è presente nel mezzo, la beta-galattosidasi non viene sintetizzata e il lattosio non

viene catabolizzato. L'organismo utilizza il glucosio lasciando intatto il lattosio. Quando il glucosio è

esaurito, la repressione da catabolita finisce e dopo un breve intervallo si osserva sintesi di beta-

galattosidasi e inizia la crescita basata sul lattosio come fonte di carbonio.

La repressione da catabolita si basa sul controllo della trascrizione mediato da un attivatore ed è quindi un

tipo di controllo positivo. Nel caso di enzimi reprimibili da parte del catabolita, il legame dell’RNA

polimerasi al DNA che li codifica, avviene solo quando vi si è legato a un'altra proteina chiamata

attivatore proteico del catabolita, la proteina CAP.

Questa proteina è una proteina allosterica e può legarsi al DNA soltanto se prima si è legata una piccola

molecola chiamata adenosinmonofosfato ciclico o AMP ciclico.

L’AMP ciclico è un elemento chiave. Esso è sintetizzato a partire dall’ATP ad opera di un enzima detto

adenilato ciclasi. L'entrata del glucosio nella cellula inibisce la sintesi dell’AMP ciclico e stimola il suo

trasporto al di fuori della cellula.

Infatti quando il glucosio viene trasportato all'interno della cellula, il livello di AMP ciclico diminuisce e

l’RNA polimerasi non si lega più ai promotori degli operoni CAP-sensibili.

Quindi la repressione da catabolita è in realtà è risultato indiretto della presenza di una migliore fonte di

carbonio, perché la causa diretta è dovuta la mancanza di AMP ciclico nella cellula.

Affinchè la trascrizione dei geni Lac possa avvenire, devono essere rispettate due condizioni:

1. Il livello di AMP ciclico deve essere abbastanza elevato in modo da permettere la proteina CAP di

legarsi al sito di legame per CAP (controllo positivo).

2. Deve essere presente un induttore come il lattosio in modo che il repressore del lattosio non blocchi la

trascrizione legandosi all'operatore (controllo negativo).

Una volta rispettate queste due condizioni, la cellula percepisce l’assnza di glucosio e la presenza di

lattosio e solo l'ora dà l’inizio alla trascrizione dell'operone Lac.

La risposta stringente

è il termine con cui si indicano i cambiamenti fisiologici indotti negli organismi dalla carenza di

aminoacidi. Come quello che si ottiene trasferendo una cultura da un terreno ricco a un terreno più povero

con una singola fonte di carbonio.

In simili condizioni nella cellula batterica aumentano le concentrazioni di guanosina 5’-trifosfato 3’-

pirofosfato (più semplicemente pentafosfato o pppGpp) e soprattutto di guanosina 3’,5’- bispirofosfato

(tetrafosfato o ppGpp). Il tetrafosfato interagisce direttamente con l’RNA polimerasi e così riduce la sintesi

di tRNA e rRNA, mentre aumenta la trascrizione di operoni coinvolti nella biosintesi di aminoacidi.

I due fattori che inducono la risposta stringente sono qui due nucleotidi modificati: il guanosintetra-fosfato

e il guanosinpentafosfato.

In Escherichia coli, questi nucleotidi sono definiti allarmoni, sintetizzati da una proteina specifica RelA che

si associa alla subunità 50s del ribosoma ed è attivata da un segnale proveniente dal ribosoma in

situazione di carenza di nutrienti.

Il segnale si origina dal blocco del funzionamento dei ribosomi a condizione di limitazioni di amminoacidi.

Gli allarmoni svolgono un ruolo di regolatori globali perché inibiscono fortemente la sintesi degli rRNA e

dei tRNA interferendo con l’RNA polimerasi. D’altra parte gli allarmoni attivano però positivamente sia gli

operoni deputati alla sintesi di alcuni amminoacidi, sia diversi operoni catabolici responsabili per la sintesi

di precursori di macromolecole.

Altri network di controllo globale

I geni che appartengono a sistemi di controllo globale, non usano semplicemente un repressore o un

attivatore per ottenere la regolazione dell'espressione genica; molti di essi infatti utilizzano fattori Sigma

alternativi.