La struttura genica chiamata operone
All’interno della cellula batterica c’è una struttura genica particolare chiamata operone. Scoperta nel 1950 in Escherichia Coli ora è illustrata in tutti i libri di Biologia perché ha permesso di capire molto sulla regolazione del metabolismo dei batteri. Si tratta di un gruppo di geni che si legge insieme, come un’unica unità.
La prima di queste strutture ad essere studiata si indica con la sigla lac perché contiene le sequenze di DNA che regola il metabolismo del lattosio. Questo zucchero infatti torna utile alle cellule batteriche quando non riescono a reperire glucosio nell’ambiente, la loro principale fonte di energia.
La struttura di un operone
Poiché come accennato si tratta di un raggruppamento di più geni che si trascrivono insieme c’è un solo promotore che li regola tutti, situato a monte. Qui si lega l’RNA polimerasi per avviare la trascrizione, ma c’è anche un altro elemento che controlla queste strutture chiamato operatore. Può trovarsi anche lontano dai geni strutturali ma a sua volta ne regola l’espressione.
All’operatore può infatti legarsi una proteina che svolge o azione di repressione o di attivazione della trascrizione. Si parla allora di attivatori e repressori dell’operone, che sono comunque sempre sostanze prodotte dalla cellula. Sono le necessità metaboliche del batterio a regolare questi meccanismi, spesso a seconda della presenza o assenza di un determinato nutriente.
In alcuni casi queste strutture geniche possono essere soggette anche a forme di controllo più complesse. Possono intervenire nella regolazione infatti anche dei corepressori o dei coattivatori accanto alle proteine che si legano all’operatore. In ogni caso questa sequenza genica per quanto abbia un ruolo importante non si considera parte della struttura degli operoni.
Poiché tutti i geni al loro interno vanno trascritti in blocco in caso si presenti una mutazione anche in uno solo di questi le conseguenze possono essere molto gravi. Ogni unità corrisponde a una determinata reazione metabolica necessaria al batterio, e se questa è compromessa spesso la cellula muore.
Le diverse strutture geniche
Non esiste una sola tipologie di operone nei batteri, anzi a seconda di come la cellula li regola possiamo distinguere quattro diverse categorie:
- Inducibili con controllo positivo. La struttura genica è presente ma bloccata, con l’operatore libero, in quanto è necessario che intervenga un attivatore. La proteina attivatrice entra in azione solo quando il batterio trova l’induttore, una sostanza che richiede la trascrizione dei geni strutturali di quella sequenza.
- Inducibili con controllo negativo. Come sopra in condizioni standard i geni non sono espressi e all’operatore si trova legato un repressore in forma stabile. Solo in caso di necessità quando nel batterio penetra un induttore questa proteina si rimuove e si può avviare la trascrizione. Un esempio è proprio l’operone lac.
- Reprimibili a regolazione positiva. Al contrario dei due casi precedenti in condizioni standard e ottimali per la cellula batterica la trascrizione dell’unità genica è attiva. Un attivatore si trova legato all’operatore finché in presenza di una certa molecola non viene rimosso bloccando il processo.
- Reprimibili a regolazione negativa. In questo caso nella cellula batterica l’operatore non ha nessuna proteina legata ma i geni strutturali sono espressi in modo regolare. Solo quando interviene l’azione di un repressore la trascrizione si interrompe e i geni risultano inattivati.
Struttura e funzionamento dell’operone lac
Questa struttura genica è compost a da tre sequenze codificanti principali. La prima di queste si indica con la lettera Y (LacY) e una volta trascritta codifica per l’enzima lattosio permeasi. Il suo ruolo permette alla cellula di far passare questo zucchero attraverso la membrana plasmatica in simporto con degli ioni H+.
C’è poi la sequenza Z (LacZ) che condifica per la β-galattosidasi. Questo enzima trascritto dall’operone è in grado di scindere il lattosio in due zuccheri monosaccaridici. Vale a dire il glucosio e il galattosio, due molecole più semplici e che il batterio è in grado di metabolizzare.
Infine c’è la terza sequenza, indicata con la lettera A (LacA). Dalla sua trascrizione si ottiene l’enzima transacetilasi, che addizione un gruppo acetile (-CH3) al lattosio quando entra all’interno della cellula. Oltre a questi tre geni però ci sono anche LacO e LacI, che hanno funzioni opposte fra di loro. Il primo è il gene operatore e lega il repressore del lac, il secondo sintetizza la proteina che ha questo ruolo.
Se i batteri si trovano a crescere in un ambiente dove l’unico zucchero disponibile è il lattosio, alle cellule serve cambiare il proprio metabolismo. Lo si converte in allolattosio che agisce rimuovendo il repressore. A questo punto l’RNA polimerasi ha la possibilità di legarsi e trascrivere i geni LacY, LacZ e LacA.
