El operón triptófano es un operón que contiene genes para enzimas involucradas en la biosíntesis del aminoácido triptófano . El operón triptófano está presente en muchas bacterias y fue descrito por primera vez en Escherichia coli . El operón triptófano es un importante modelo experimental para estudiar la regulación de la expresión génica .
El operón triptófano fue descrito en 1953 por Jacques Monod et al. Fue el primer operón que se demostró que estaba regulado por la represión. Mientras que el operón de lactosa es activado por la sustancia que debe utilizar ( lactosa ), el operón de triptófano es reprimido por el triptófano, el compuesto de cuya biosíntesis es responsable este operón. Contiene 5 genes estructurales ( cistrones ): trp E, trp D, trp C, así como trp B y trp A, que codifican subunidades de triptófano sintasa . A una distancia considerable del operón se encuentra el gen trp R, que codifica una proteína que suprime la expresión del operón triptófano. El producto de este gen en presencia de triptófano se une al operador y bloquea la transcripción del operón. A diferencia del operón lac , el operón trp contiene una secuencia especial, el atenuador , que es necesario para la regulación fina de la transcripción del operón.
La regulación del operón triptófano se lleva a cabo de dos maneras: con la ayuda de una proteína represora (represión) y también con la ayuda de una secuencia especial: un atenuador. Además, en cada uno de estos casos, la regulación se realiza según el principio de retroalimentación negativa .
La proteína represora ( triptófano represor ) tiene un peso molecular de 58 kDa y está codificada por el gen trp R situado a una distancia considerable del propio operón. El gen trp R se expresa continuamente a un nivel bajo, formando monómeros , que luego se combinan para formar dímeros. En ausencia de triptófano, estos dímeros están inactivos y se degradan en el citoplasma. Sin embargo, si la concentración de triptófano en la célula es alta, los dímeros se unen al triptófano. En este caso, la conformación del represor cambia, lo que le permite unirse al operador. En este caso, es esencial que las secuencias de nucleótidos del operador y del promotor se superpongan en el operón de triptófano, para que la unión del complejo L-triptófano•proteína represora bloquee automáticamente la unión de la ARN polimerasa al promotor. Por lo tanto, se bloquea la transcripción del operón triptófano [1] .
La atenuación es el segundo mecanismo de regulación del operón trp . Este método de regulación es posible porque en los procariotas , al carecer de núcleo , los procesos de transcripción y traducción no están separados en el tiempo y el espacio, como en los eucariotas , y proceden simultáneamente: mientras que la ARN polimerasa sintetiza el ARNm , la sección sintetizada de este ARNm se traduce por el ribosoma . En este sentido, el proceso de traducción puede afectar directamente a la transcripción del operón.
Inmediatamente después del operador en el operón triptófano hay una secuencia de 162 pb. [2] , llamada secuencia líder . Codifica el llamado péptido líder , que obtuvo su nombre porque este péptido se sintetiza primero a partir del ARNm policistrónico del operón triptófano. La secuencia líder incluye una secuencia atenuadora especial ( atenuador ) que, al afectar la estructura secundaria del ARNm sintetizado, es capaz de provocar la terminación prematura de la transcripción. Una secuencia similar también se encuentra en bacterias del género Salmonella [3] .
En el operón trp de Escherichia coli , el atenuador tiene 4 regiones con repeticiones inversas . La transcripción del atenuador da como resultado la formación de horquillas en el ARNm. Hay 3 variantes de horquillas, a saber, entre secuencias: 1-2, 2-3, 3-4. Al mismo tiempo, la formación de la horquilla 1-2 bloquea la formación de la horquilla 2-3, y la formación de la horquilla 2-3, a su vez, impide la formación de la horquilla 3-4. Solo la horquilla 3-4 es un terminador, es decir, cuando se forma, la ARN polimerasa se disocia del ADN con una alta probabilidad y la transcripción se interrumpe.
Parte del transcrito líder codifica un péptido corto de 14 residuos de aminoácidos, el péptido líder. Este péptido contiene 2 residuos de triptófano ubicados uno detrás del otro. El triptófano es un aminoácido raro ( 1 residuo de triptófano por 100 residuos de aminoácidos de la proteína de Escherichia coli ), en condiciones de deficiencia de triptófano, la concentración intracelular del complejo W-tRNA Trp • EF-Tu • GTP se vuelve muy baja y el ribosoma comienza para "colgarse" de los codones de triptófano, ya que el complejo correspondiente no se puede "encontrar" rápidamente. Deteniéndose en dos codones de triptófano , el ribosoma cierra la primera de las 4 regiones repetidas invertidas. Debido a esto, se forma la horquilla 2-3 y no se forma la horquilla terminadora 3-4, y la transcripción continúa más hacia la región de los genes estructurales. Así, en condiciones de deficiencia de triptófano, se forman las enzimas necesarias para su síntesis [3] .
Si la concentración de triptófano es alta, entonces el ribosoma no depende de los codones de triptófano: el complejo triptofanil-tRNA Trp necesario se encuentra rápidamente. En este caso, el ribosoma no cierra la primera, sino las dos primeras regiones de repeticiones invertidas. Las regiones 3 y 4 permanecen libres, por lo que se forma la horquilla terminadora 3-4, lo que significa que la transcripción se detiene. Como resultado, solo se forma un péptido corto no funcional. Así, en condiciones de exceso de triptófano, no se forman las enzimas necesarias para su síntesis [3] .
Para el correcto funcionamiento del atenuador es sumamente importante la simultaneidad de los procesos de transcripción y traducción del péptido líder. Para proporcionarlo, hay un "sitio de pausa" especial en el área del líder. Una vez alcanzado, la ARN polimerasa suspende la transcripción hasta que comienza la traducción. Así, los procesos de transcripción y traducción están sincronizados.
Un mecanismo de atenuación similar ocurre en la síntesis de otros aminoácidos: histidina , fenilalanina y treonina [4] . El atenuador del operón de histidina de Escherichia coli tiene 7 codones de histidina, y el atenuador del operón de fenilalanina tiene 7 codones de fenilalanina [5] .
Bacillus subtilis también tiene un operón de triptófano cuya transcripción está controlada por atenuación, pero su mecanismo de regulación es algo diferente al de Escherichia coli . Se pueden formar horquillas en las regiones A-B y C-D del atenuador, pero solo la última causa la terminación de la transcripción. En ausencia de triptófano, se forma la horquilla A-B. Dado que las regiones B y C se superponen parcialmente, la formación de dicha horquilla evita la formación de la horquilla C-D, por lo que la transcripción del operón está completa. Las diferencias clave entre el operón triptófano de Bacillus subtilis y el de Escherichia coli son, en primer lugar, la presencia de 11 codones repetidos en el ARNm líder ( GAGo UAG), así como la presencia de una proteína especial de unión a ARN llamada TRAP (del ( Proteína de atenuación de unión a ARN trp ) . A altas concentraciones de triptófano, TRAP se une a las secuencias repetidas anteriores. Dado que las repeticiones / cubren toda la región A, así como parcialmente la región B, no se puede formar la horquilla A-B. Esto permite la formación de una horquilla C-D que, como se mencionó anteriormente, es un terminador. Así, en presencia de triptófano, se bloquea la transcripción del operón trp [6] . GAGUAG
| Transcripción (biología) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Reglamento de transcripción |
| ||||||||||||
| Activación | |||||||||||||
| Iniciación | Sitio de inicio de la transcripción | ||||||||||||
| Alargamiento |
| ||||||||||||
| Terminación | |||||||||||||