Riassunto esame aiuto compiti, docente Sacco Margherita, libro consigliato Biologia dei microrganismi - Volume 1 Brock, Microbiologia generale, Madigan, Martinko

DNA.

Esistono alcune classi di domini proteici che sono di fondamentale

importanza per la formazione del corretto legame con il DNA. Una di

queste è chiamata motivo elica-giro-elica. Il motivo a elica-giro-elica è

costituito da una sequenza di aminoacidi in grado di formare una

struttura secondaria ad alfa elica: questa è la cosiddetta elica di

riconoscimento che interagisce con il DNA. L'elica di riconoscimento è unita a una breve sequenza di tre aminoacidi, il primo

dei quali è generalmente una glicina con la funzione di girare la proteina. L'altra estremità

è collegata a una seconda elica, l'elica stabilizzante, che stabilizza la prima, interagendo con

essa idrofobicamente e partecipando alla formazione del dimero. Nei batteri ci sono diverse

proteine di legame al DNA che presentano una struttura di tipo elica-giro-elica, compresi

molti repressori, come quelli dei sistemi lac e trp di Escherichia coli e quelli di alcuni

batteriofagi tra i quali il repressore del batteriofago lambda.

Vi sono altri due tipi di substrutture che si trovano comunemente nelle proteine che legano

il DNA. Una, detta zinco finger, si trova frequentemente nelle proteine regolatrici

eucariotiche che si legano al DNA. Il dito di zinco è una proteina che, come si intuisce dal

nome, lega uno ione zinco. Una parte degli aminoacidi che costituiscono il dito forma un

alfa elica e questa elica di riconoscimento interagisce con il solco maggiore del DNA. In

genere ci sono almeno due strutture a dito nelle proteine coinvolte nel legame. L'altro tipo

di dominio strutturale di solito presente nelle proteine che legano il DNA è detto lucine

zipper. Queste proteine contengono regioni nelle quali i residui di leucina sono

regolarmente ripetuti ogni sette amminoacidi, formando una struttura per certi aspetti

simile a una cerniera lampo. La cerniera di leucina non interagisce direttamente con il DNA

ma serve a tenere unite le due alfa eliche in modo che si trovino nella posizione corretta per

legare il DNA. In alcuni casi la proteina può essere un enzima che catalizza una specifica

reazione sul DNA, per esempio l'RNA polimerasi e che polimerizza l'RNA utilizzando il DNA

come stampo. In altri casi, invece, la proteina che si lega può bloccare la trascrizione o può

attivarla.

La trascrizione è la prima tappa del flusso dell'informazione genetica: per questo è relativamente semplice alterare

l'espressione genica argento su questo processo. Nei batteri sono noti diversi meccanismi per il controllo della sintesi di un

enzima e tutti sono ampiamente influenzati dall'ambiente nel quale l'organismo cresce e in particolare dalla presenza o

assenza di piccole molecole specifiche. I processi di repressione e induzione sono le forme più semplici di regolazione che

controllano l'espressione genica a livello della trascrizione. Il controllo negativo nella trascrizione è un tipo di controllo il cui

meccanismo regolativo determina l'arresto della trascrizione.

Spesso gli enzimi che catalizzano la sintesi di uno specifico prodotto non vengono

sintetizzati se questo è presente nel mezzo in quantità sufficiente. Gli enzimi coinvolti

nella sintesi dell'amminoacido arginina sono sintetizzati soltanto se l'arginina è

assente nel mezzo di coltura; l'aggiunta di un eccesso di arginina nel mezzo ripristina

la loro sintesi. Questo fenomeno viene definito repressione. Se l'arginina viene

aggiunta a una cultura in crescita esponenziale in un terreno privo di arginina, la

crescita continua con il medesimo ritmo, mentre la sintesi degli enzimi coinvolti nella

biosintesi dell'arginina si blocca. Questo è un aspetto specifico, in quanto la sintesi

di tutti gli altri enzimi della cellula continua regolarmente. La repressione enzimatica

è un fenomeno ampiamente diffuso nei batteri e viene utilizzato nel controllo della

sintesi di vari enzimi coinvolti nella biosintesi degli aminoacidi, purine e pirimidine.

In quasi tutti casi è il prodotto finale di una

particolare via biosintetica a reprimere gli

enzimi della stessa. L'induzione di un

enzima è concettualmente il fenomeno

opposto alla repressione. Nell'induzione

di un enzima la sintesi di un particolare enzima ha luogo solo quando è presente il

suo substrato. Mentre la repressione di un enzima è un fenomeno che coinvolge

generalmente gli enzimi biosintetici, l'induzione dell'enzima riguarda

frequentemente gli enzimi cataboliti. Consideriamo l'utilizzo dello zucchero

lattosio come fonte di carbonio ed energia per Escherichia coli. Il beta-galattosidasi

è l'enzima che scinde il lattosio in glucosio e galattosio. Questo enzima è

necessario perché Escherichia coli possa crescere sul lattosio. Se il lattosio è

assente nel 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. Queste sostanze sono spesso indicate complessivamente come

effettori. Alcuni analoghi strutturali di queste sostanze sono in grado di provocare

l'induzione o la repressione di un enzima senza esserne il substrato.

In genere gli induttori e i corepressori agiscono in modo indiretto,

combinandosi con specifiche proteine di legame al DNA che a loro volta

influenzano la sintesi dell'mRNA. Nel caso di un enzima reprimibile, il

corepressore si lega alla proteina repressore 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 poi 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 è

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 mRNA. L'operatore è adiacente al promotore da dove ha

inizio la sintesi di mRNA. Se il repressore si lega all'operatore, la sintesi di mRNA è bloccata perché l'RNA polimerasi non si

può legare o non può procedere nella trascrizione. Le proteine specifiche da quel particolare mRNA non potranno essere

sintetizzate e, se l'mRNA è policistronico, tutte le proteine codificate da quelle mRNA saranno represse. L'induzione di un

enzima può anche essere controllata da un repressore. In questo caso la

situazione appena descritta è completamente rovesciata. Il repressore è

attivo in assenza dell'induttore e capace quindi di bloccare completamente

la trascrizione. Quando si aggiunge l'induttore, questo si lega al repressore

inattivandolo. Rimosso in tal modo il blocco trascrizionale, l'enzima o gli

enzimi specificati da quel particolare mRNA potranno essere prodotti. Tutti

i sistemi di 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, induttori o corepressori. Il tipo di regolazione che li

coinvolge viene spesso definito controllo negativo.

Nel controllo positivo della trascrizione, una proteina regolatrice

promuove il legame dell'RNA polimerasi, facilitando quindi un aumento

della sintesi di mRNA. Un ottimo esempio di sistema sottoposto a

regolazione positiva è il catabolismo del maltosio in Escherichia coli.

Gli enzimi necessari all'utilizzo del maltosio in Escherichia coli sono

sintetizzati solo dopo l'aggiunta di maltosio al mezzo. La sintesi di questi

enzimi è controllata a livello trascrizionale da una proteina attivatrice che

non può legarsi al DNA se prima non si è legata al maltosio, il suo induttore.

Il legame dell'attivatore al DNA induce un cambiamento nella sua struttura

e permette all'RNA polimerasi di

iniziare la trascrizione. La sequenza

specifica che serve da sito di legame

per l'attivatore si chiama sito di legame dell'attivatore. I geni necessari per l'utilizzo del

maltosio sono dispersi in diversi operoni, ognuno dei quali possiede un sito di legame

dell'attivatore. Quando diversi operoni uniti si trovano sotto il controllo primario della

stessa proteina costituiscono un regulone. Gli enzimi per l'utilizzo del maltosio sono

quindi codificati dal regulone maltosio.

La proteina attivatrice può anche interagire direttamente con l'RNA polimerasi, sia

quando il sito di legame dell'attivatore è vicino al promotore, sia quando è lontano,

situazione che richiede la formazione di un'ansa per poter stabilire contatti necessari. La

proteina attivatrice, una volta legata al DNA, aiuta l'RNA polimerasi e sia a riconoscere il

promotore sia ad iniziare la trascrizione. Ad esempio, l'attivatore può indurre un

cambiamento nella struttura del DNA, in genere una curvatura, permettendo così all'RNA

polimerasi di stabilire contatti precisi con il promotore per iniziare la trascrizione.

Spesso, in risposta ad una variazione ambientale, un organismo ha bisogno di regolare simultaneamente geni diversi. I

meccanismi di regolazione che rispondono a segnali ambientali sono definiti sistemi di controllo globale.

Nell'ambiente in cui crescono le cellule batteriche, infatti, possono essere presenti diverse fonti di carbonio utilizzabili e

sarebbe uno spreco indurre gli enzimi per il catabolismo del lattosio o del maltosio quando le cellule stanno utilizzando una

fonte di carbonio più facilmente metabolizzabile. Perché si attui questo tipo di controllo viene utilizzato un sistema di

regolazione globale, definito repressione da catabolita.

Nella repressione da catabolita la sintesi di numerosi enzimi viene inibita quando le cellule crescono in un terreno che

contiene una fonte di energia ottimale, come il glucosio. La repressione di catabolita è stata anche definita effetto glucosio,

perché questa è stata la prima sostanza per la quale si è dimostrato il fenomeno; anche

se è noto che diverse fonti di carbonio determinano questo tipo di repressione. Una

conseguenza della repressione da catabolita è la crescita diauxica che si osserva quando

due fonti di energia sono presenti contemporaneamente nel mezzo. Nella crescita

diauxica, l'organismo cresce prima utilizzando una fonte di energia, e segue poi un lungo

intervallo di tempo prima che la crescita ricominci utilizzando la seconda fonte. Quando

un microrganismo cresce in presenza di una miscela di glucosio e lattosio, finché il