OPERON: DESCOPERIRE, MODEL, CLASIFICARE, EXEMPLE - BIOLOGIE - 2025

Un operon este format dintr-un grup de gene ordonate secvențial, care se reglează reciproc, care codifică proteine ​​care sunt legate funcțional și care se găsesc pe întregul genom al bacteriilor și genomilor „ancestrali”.

Acest mecanism de reglementare a fost descris de F. Jacob și J. Monod în 1961, fapt care le-a câștigat Premiul Nobel pentru Fiziologie și Medicină în 1965. Acești cercetători au propus și au demonstrat funcționarea operonilor prin genele care codifică enzime necesare de Escherichia coli pentru utilizarea lactozei.

Diagrama grafică a unei fire ADN cu genele care conțin lacteronul operon (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA și terminator) (Sursa: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operonii sunt responsabili de coordonarea sintezei proteice în funcție de nevoile fiecărei celule, adică sunt exprimați doar pentru a genera proteine ​​la momentul și la locul exact în care sunt necesare.

Genele conținute în cadrul operonilor sunt în general gene structurale, ceea ce înseamnă că codifică enzime importante care sunt direct implicate în căile metabolice din celulă. Acestea pot fi sinteza de aminoacizi, energie sub formă de ATP, carbohidrați etc.

Operonii se găsesc în mod obișnuit și în organismele eucariote, cu toate acestea, spre deosebire de organismele procariote, în eucariote regiunea operonului nu este transcrisă ca o moleculă de ARN mesager.

Descoperire

Primul avans important în ceea ce privește operonii făcuți de François Jacob și Jacques Monod a fost abordarea problemei „adaptării enzimatice”, care a constat în apariția unei enzime specifice numai atunci când celula era în prezența unui substrat.

Un astfel de răspuns al celulelor la substraturi a fost observat la bacterii de mai mulți ani. Cu toate acestea, cercetătorii s-au întrebat cum celula a determinat exact ce enzimă trebuie să sintetizeze pentru a metaboliza acel substrat.

Jacob și Monod au observat că celulele bacteriene, în prezența carbohidraților asemănătoare galactozei, au produs de 100 de ori mai mult β-galactosidaza decât în ​​condiții normale. Această enzimă este responsabilă de descompunerea β-galactozidelor, astfel încât celula să le folosească metabolic.

Prin urmare, ambii cercetători au numit carbohidrați de tip galactozid ca „inductori”, deoarece au fost responsabili de inducerea unei creșteri a sintezei β-galactosidazei.

De asemenea, Jacob și Monod au găsit o regiune genetică cu trei gene care au fost controlate într-un mod coordonat: gena Z, care codifică enzima β-galactosidaza; gena Y, care codifică enzima lactoză permează (transportul galactozidelor); și gena A, care codifică enzima transacetilază, care este esențială și pentru asimilarea galactozidelor.

Prin analize genetice ulterioare, Jacob și Monod au clarificat toate aspectele controlului genetic al operonului lactozei, ajungând la concluzia că segmentul genelor Z, Y și A constituie o singură unitate genetică cu expresie coordonată, ceea ce au definit drept „operon”.

Modelul Operon

Modelul operon a fost descris pentru prima dată cu exactitate în 1965 de Jacob și Monod pentru a explica reglarea genelor care sunt transcrise și traduse pentru enzimele necesare în Escherichia coli pentru a metaboliza lactoza ca sursă de energie. .

Acești cercetători au propus ca transcrierile genei sau ale setului de gene care sunt localizate consecutiv să fie reglementate de două elemente: 1) o genă regulatoare sau gena represoare 2) și o genă operator sau o secvență operator.

Gena operator este întotdeauna localizată lângă gena structurală (a cărei expresie este responsabilă de reglare), în timp ce gena represor codează o proteină numită „represor” care se leagă de operator și împiedică transcrierea ei.

Transcrierea este reprimată atunci când represorul este legat la gena operatorului. În acest fel, expresia genetică a genelor care codifică enzimele necesare pentru a asimila lactoza nu este exprimată și, prin urmare, nu poate metaboliza respectivul dizaharid.

Diagrama funcțională a operonului lactozei prin diferitele sale elemente de control. Acesta este operonul „model” folosit de profesorii de biologie pentru a învăța funcționarea acestor gene (Sursa: Tereseik. Lucrare derivată din imaginea G3pro. Traducere în limba spaniolă de Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

Se știe acum că legarea represorului la operator împiedică, cu mecanisme sterice, ca ARN-polimeraza să se lege de site-ul promotor, astfel încât să înceapă să transcrie gene.

Site-ul promotor este „site-ul” pe care ARN-polimeraza îl recunoaște pentru a lega și transcrie genele. Cum nu se poate lega, nu poate transcrie oricare dintre gene din secvență.

Gena operator se află între o regiune genetică a secvenței cunoscută sub numele de promotor și genele structurale. Totuși, Iacob și Monod nu au identificat această regiune la vremea lor.

Acum se știe că secvența completă care include gena sau genele structurale, operatorul și promotorul, este în esență ceea ce constituie un „operon”.

Clasificarea operonilor

Operonii sunt clasificați doar în trei categorii diferite, care depind de modul în care sunt reglementate, adică unele sunt exprimate continuu (constitutive), altele au nevoie de o anumită moleculă sau factor specific pentru a activa (inductibil), iar altele sunt exprimate continuu până că inductorul este exprimat (reprimabil).

Cele trei tipuri de operoni sunt:

Operon inductibil

Operonii de acest tip sunt reglati de molecule din mediu precum aminoacizi, zaharuri, metaboliti etc. Aceste molecule sunt cunoscute sub numele de inductori. Dacă nu se găsește molecula care acționează ca un inductor, genele operonului nu sunt transcrise în mod activ.

În operoni inducibili, represorul liber se leagă de operator și previne transcrierea genelor găsite în operon. Când inductorul se leagă de represor, se formează un complex care nu se poate lega de represor și, astfel, genele operonului sunt transpuse.

Operon represibil

Acești operoni depind de molecule specifice: aminoacizi, zaharuri, cofactori sau factori de transcripție, printre altele. Acestea sunt cunoscute sub numele de corepresoare și acționează într-un mod total opus inductorilor.

Numai atunci când corepresorul se leagă de represor se oprește transcripția și astfel transcrierea genelor conținute în operon nu are loc. Apoi, transcrierea unui operon reprimabil nu se oprește decât cu prezența corepresorului.

Operon constitutiv

Aceste tipuri de operoni nu sunt reglementate. Ele sunt în mod constant transcrise activ și, în cazul în care orice mutație afectează secvența acestor gene, durata de viață a celulelor care le conține poate fi afectată și, în general, să declanșeze moartea celulară programată.

Exemple

Cel mai timpuriu și mai recunoscut exemplu al funcției unui operon este operonul lac (lactoză). Acest sistem este responsabil de transformarea lactozei, un dizaharid, în monosacharide glucoză și galactoză. În acest proces acționează trei enzime:

- β-galactosidaza, responsabilă pentru transformarea lactozei în glucoză și galactoză.

- Lactoza permează, responsabilă cu transportul lactozei din mediul extracelular în interiorul celulei și

- Transcetilază, care aparține sistemului, dar are o funcție necunoscută

Operonul trp (triptofan) din Escherichia coli controlează sinteza triptofanului, având ca precursor acidul corismic. În cadrul acestui operon se află genele pentru cinci proteine ​​care sunt utilizate pentru producerea a trei enzime:

- Prima enzimă, codificată de genele E și D, catalizează primele două reacții ale căii triptofanului și este cunoscută sub denumirea de antranilat sintaza

- A doua enzimă este glicerolfosfat și catalizează etapele ulterioare pentru antranilatul sintaza

- A treia și ultima enzimă este triptofan sintaza, responsabil de producerea triptofanului din fosfat de indol-glicerol și serină (această enzimă este un produs al genelor B și A)

Referințe

1. Blumenthal, T. (2004). Operoni în eucariote. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, și Santana Calderón, A. (2000). Principiile geneticii. Principiile geneticii.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operons. Științele vieții celulare și moleculare, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Izolarea ADN-ului pur operon lac. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, & Griffiths, AJ (1976). O introducere în analiza genetică. WH Freeman and Company.