El operón lactosa ( del inglés lac operon ) es un operón policistrónico bacteriano que codifica genes para el metabolismo de la lactosa .
La regulación de la expresión génica del metabolismo de la lactosa en E. coli ( Escherichia coli ) fue descrita por primera vez en 1961 por los científicos F. Jacob y J. Monod [1] (quienes recibieron el Premio Nobel en 1965 junto con A. Lvov ). La célula bacteriana sintetiza las enzimas involucradas en el metabolismo de la lactosa sólo cuando la lactosa está presente en el ambiente y la célula carece de glucosa .
El operón lactosa (operón lac ) consta de tres genes estructurales, un promotor , un operador y un terminador . A veces se supone que el operón también incluye un gen regulador que codifica una proteína represora (aunque está ubicado en una región diferente del genoma y no tiene un promotor en común con el operón lactosa).
Genes estructurales del operón lactosa - lacZ , lacY y lacA :
Sólo se necesitan los productos de los genes lacZ y lacY para el catabolismo de la lactosa ; el papel del producto del gen lacA no está claro. Es posible que la reacción de acetilación le dé a la bacteria una ventaja para crecer en presencia de ciertos análogos de beta-galactósidos no metabolizables , ya que esta modificación conduce a su desintoxicación y eliminación de la célula.
La ARN polimerasa inicia la transcripción desde la región promotora , que se superpone con la región operadora . En ausencia o baja concentración de lactosa en la célula, la proteína represora, que es un producto del operón monocistrónico LacI , se une reversiblemente a la región operadora e impide la transcripción. Así, en ausencia de lactosa en la célula, no se sintetizan enzimas para el metabolismo de la lactosa.
Incluso en el caso de que la enzima β-galactósido permeasa esté ausente en la membrana plasmática de la célula, la lactosa del entorno puede entrar en la célula en pequeñas cantidades. En la célula, dos moléculas de lactosa se unen a la proteína represora, lo que conduce a un cambio en su conformación y además a la disociación de la proteína represora del sitio operador. Puede llevarse a cabo la transcripción de los genes del operón de lactosa. Con una disminución en la concentración de lactosa, nuevas porciones de la proteína represora interactúan con las secuencias operadoras y evitan la transcripción. Este mecanismo de regulación de la actividad del operón lactosa se denomina inducción negativa . El inductor es la lactosa; cuando se une a la proteína represora, se disocia del sitio operador.
Si la concentración de glucosa en la célula es suficiente para mantener el metabolismo, no se produce la activación del operón lactosa. La secuencia promotora del operón lactosa es “débil”, por lo que, incluso en ausencia de una proteína represora en la región operadora, la transcripción prácticamente no se inicia. Cuando la concentración de glucosa en la célula disminuye, se activa la enzima adenilato ciclasa , que cataliza la conversión de ATP a la forma cíclica: cAMP (la forma cíclica de AMP en este caso también se denomina "señal de hambre celular"). La glucosa es un inhibidor de la enzima adenilato ciclasa y activa la fosfodiesterasa , una enzima que cataliza la conversión de la molécula de AMPc en AMP. El AMPc se une a una proteína activadora del catabolismo ( CAP ) , formando un complejo que interactúa con el promotor del operón de lactosa, cambia su conformación y conduce a un aumento de la afinidad de la ARN polimerasa por este sitio. En presencia de lactosa, se produce la expresión del gen del operón. La proteína CAP ejerce un control positivo sobre el operón lactosa.
Así, las enzimas para la asimilación de la lactosa se sintetizan en la célula de Escherichia coli bajo dos condiciones: 1) la presencia de lactosa; 2) falta de glucosa. La regulación del trabajo del operón lactosa, en función de la concentración de lactosa, se produce según el principio de retroalimentación negativa : cuanto más lactosa, más enzimas para su catabolismo (feed-forward positivo); Cuantas más enzimas, menos lactosa, menos lactosa, menos enzimas se producen (doble retroalimentación negativa).
Debido al mecanismo descrito de regulación de la transcripción de los genes que componen el operón de la lactosa, las bacterias optimizan sus costos energéticos al sintetizar enzimas del metabolismo de la lactosa no constantemente, sino solo cuando la célula lo necesita. Existe un mecanismo regulador similar en la mayoría de los procariotas ; en eucariotas , es mucho más complicado.
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