Operón Lac: Función, diagrama y regulación

Operón

A diferencia de los eucariotas, que incluyen algunas formas de vida unicelulares y multicelulares como protistas, hongos, animales y humanos, los procariotas unicelulares están fundamentalmente más expuestos a sus entornos externos. En respuesta, los organismos procarióticos han desarrollado formas dirigidas por genes para compensar las fluctuaciones ambientales. Un operón es específico del ADN procariota y se define como un pequeño grupo de genes reguladores que se activan o desactivan simultáneamente en respuesta a desencadenantes ambientales y afectan algún cambio en la expresión genética. Los operones se pueden separar en dos grupos: (1) operones inducibles, que se activan después de la exposición a un desencadenante molecular, llamado inductor o activador, y (2) operones reprimibles, que se desactivan después de la exposición a un desencadenante molecular, llamado represor.

Resumen de conceptos:

• Los operones son secuencias cortas de segmentos de genes reguladores que se encuentran únicamente en el material genético (ADN) de las células procarióticas (bacterias y arqueas).
• Los operones funcionan para activar o desactivar la expresión genética en respuesta a desencadenantes ambientales, llamados inductores/promotores o represores.
• Un inductor es una molécula que se une a una proteína que promueve la expresión genética.
• Un represor es una molécula que se une a una proteína que inhibe la expresión genética.

¿Qué es el Operón Lac?

En la década de 1960, se descubrió en la bacteria Escherichia coli el primer operón, llamado operón lac, abreviatura de operón lactosa. Dos científicos llamados Jacques Monod y Francois Jacob estaban estudiando el metabolismo bacteriano de la lactosa cuando descubrieron un conjunto de genes de lactosa interrelacionados en un pequeño segmento del ADN de E. coli. ¿Qué es el operón lac? El operón lac es un operón inducible que se compone de genes metabolizadores de la lactosa, llamados lacZ, lacY y lacA, que se activan cuando la lactosa está presente en el medio ambiente. En pocas palabras, cuando la lactosa, el azúcar de la leche, está presente, el operón lac comienza a expresar genes para producir proteínas que metabolizan la lactosa.

Función del operón Lac

¿Cómo funciona el operón lac? La función del operón lac está dirigida principalmente por la presencia o ausencia de lactosa ambiental. Cuando no hay lactosa presente en el ambiente, el operón lac está inactivado de forma predeterminada. La transcripción genética de los genes que metabolizan la lactosa está desactivada, por lo que la célula bacteriana no desperdicia energía produciendo proteínas innecesarias para el metabolismo de la lactosa. Cuando la lactosa está presente en el ambiente, se une a la proteína represora, luego lacZ modifica ligeramente la lactosa a su forma inductora, llamada alolactosa. Con la transcripción genética de los genes que metabolizan la lactosa activada, la célula bacteriana produce las proteínas que necesita para metabolizar la lactosa y utilizarla como energía. Cuando se activa el operón lac, los genes de la proteína beta-galactosidasa son producidos por lacZ, los genes de la proteína permeasa son producidos por lacY y los genes de la proteína transacetilasa son producidos por lacA. La función de estas proteínas estructurales en el metabolismo de la lactosa se describirá en detalle en la siguiente sección.

Resumen de conceptos:

• El operón lac funciona como un conjunto de genes estructurales que codifican proteínas para metabolizar (digerir) la lactosa, que puede activarse o desactivarse.
• La posición predeterminada del operón lac es para desactivar la transcripción de genes productores de lactosa.
• La lactosa es la molécula inductora ambiental que hace que se active el operón lac.
• Los genes lacZ, lacY y lacA se denominan genes estructurales porque codifican enzimas proteicas que las bacterias necesitan para metabolizar la lactosa para obtener energía.

Diagrama y estructura del operón Lac

Como se describió anteriormente, el operón lac consta de genes que metabolizan la lactosa y sus reguladores relacionados. Existe adicionalmente una secuencia promotora, una secuencia operadora y una secuencia terminadora, con sus funciones las siguientes:

• Promotor: el sitio del operón donde se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción genética, sólo si no hay ningún represor unido al operador.
• Operador: El operador es un pequeño segmento de ADN en un operón donde se une el represor, inactivando la expresión genética del operón lac.
• El gen represor (también gen lacI ): transcribe un gen que codifica la proteína represora que se une al operador, evitando que se produzca la transcripción del operón lac mientras el represor esté unido.
• El gen lacZ: transcribe un gen que codifica una enzima llamada beta-galactosidasa, que divide el disacárido lactosa en monosacáridos glucosa y galactosa, que las bacterias utilizan para obtener energía. También modifica la lactosa en alolactosa, que es su forma inductora que puede unirse al represor.
• El gen lacY: transcribe un gen que codifica una enzima llamada permeasa, que permite que los azúcares lactosa entren en la célula bacteriana. Se producen pequeñas cantidades de permeasa incluso cuando el operón está desactivado, razón por la cual la lactosa, si está presente en el medio ambiente, puede ingresar a la célula.
• El gen lacA: transcribe un gen que codifica una enzima llamada transacetilasa, que ayuda a limpiar cualquier subproducto metabólico tóxico del metabolismo de la lactosa.
• Terminator: Representa el punto final del segmento del gen del operón lac.

Regulación del operón Lac

El mecanismo detrás de la regulación del operón lac está bajo el control del operador, que está limitado por el represor, y la función de ambos depende de la presencia o ausencia de la molécula inductora lactosa. La presencia de una molécula de lactosa modificada, llamada alolactosa, es lo que hace que la proteína represora se libere del operador y se caiga. Una vez que el represor ha soltado al operador, puede comenzar la transcripción genética del operón lac. En pocas palabras, cuando el operador está limitado por un represor, detiene la expresión genética. Cuando el operador se libera del represor, permite la expresión genética. Sólo la lactosa tiene la capacidad de liberar la proteína represora. Por tanto, el operador actúa como un interruptor de encendido y apagado. Sin embargo, hay un segundo aspecto de la regulación del operón lac, que es el azúcar glucosa. Cuando tanto la glucosa como la lactosa están presentes en el medio ambiente, la célula bacteriana prefiere la glucosa y no activará el operón lac si hay mucha glucosa.

Regulación del operón lac a través del sitio activador de CAP

Las bacterias prefieren utilizar la glucosa a la lactosa como energía y, como tal, el operón lac tiene un sistema regulador adicional diseñado para favorecer el metabolismo de la glucosa sobre el metabolismo de la lactosa. El sitio de la proteína activadora del catabolito (CAP) juega un papel importante en la represión del operón lac cuando hay glucosa presente. Anteriormente se dijo que el operón lac no se activará si también hay glucosa presente en el medio ambiente. Esta característica regulatoria tiene que ver con el sitio activador de CAP. El sitio activador de CAP detecta la presencia de AMP cíclico (AMPc), que es una molécula inductora de CAP. La molécula AMPc disminuye cuando los niveles ambientales de glucosa son altos y aumenta cuando los niveles ambientales de glucosa son bajos. Cuando los niveles de AMPc son altos, se une a la proteína CAP, que luego se une al sitio CAP, activándolo. Por lo tanto, CAP sirve como un detector que puede determinar si los niveles de glucosa son adecuados o faltan dentro de la célula bacteriana, en función de la concentración de AMPc. La razón por la que la activación del sitio CAP es importante es porque ayuda a la ARN polimerasa a transcribir genes lac de manera más eficiente. Si el sitio CAP no está activado, incluso si el operador no está unido al represor debido a la presencia de alolactosa (lactosa modificada), la ARN polimerasa no transcribirá muy bien los genes lac sin el sitio CAP activado.

Represor del operón lac

El operón lac está en un estado inactivo cuando el operador está unido por una proteína represora, que es producida por el gen lacI. La ARN polimerasa debe unirse con éxito al promotor para que se transcriban los genes que metabolizan la lactosa, pero no puede hacerlo mientras el represor esté unido al operador, bloqueando su camino. El operador es un segmento de gen adyacente y delante del promotor, por lo que cuando la proteína represora está unida allí, es imposible para la ARN polimerasa transcribir genes del operón lac. Cuando el represor está colocado sobre el operador, evita que la ARN polimerasa se una al promotor.

Operon Lac: Inducción

El operón lac se induce o activa sólo cuando el operador está liberado del represor. Cuando la lactosa está presente en el medio ambiente, puede ingresar a la célula bacteriana porque lacY ocasionalmente produce pequeñas cantidades de permeasa a pesar de la represión del operón. Después de que la lactosa ingresa a la célula, lacZ primero la modifica a su forma inductora, llamada alolactosa. Cuando la alolactosa se une al represor, hace que éste cambie de forma, lo que hace que ya no encaje en su punto de unión en el operón. Un represor que no se adapta no puede permanecer atado al operador y lo suelta y se desprende del gen. Sin un represor colocado en el operón, la ARN polimerasa puede conectarse con el promotor y comenzar a transcribir genes que metabolizan la lactosa.

Resumen de la lección

La definición de operón es un pequeño grupo de genes que se encuentran en un segmento de ADN procariótico y que pueden activarse o desactivarse en respuesta a la presencia o ausencia de moléculas ambientales. La molécula que activa un operón se llama inductor, y una molécula que desactiva un operón se llama represor. Sólo las células procarióticas, que incluyen bacterias y arqueas, tienen operones en su ADN. El operón lac fue descubierto por primera vez en la bacteria E. coli por dos científicos en la década de 1960 y es un operón inducible que transcribe genes para el metabolismo de la lactosa. Está compuesto por un promotor, un operador, un represor, tres genes estructurales y un terminador. Los genes estructurales producen proteínas, llamadas enzimas, que las bacterias necesitan para metabolizar (digerir) el azúcar lactosa. Sin embargo, el operón lac está desactivado de forma predeterminada porque las bacterias prefieren usar la glucosa como energía y solo usan lactosa cuando la glucosa es baja. La expresión de genes de lactosa cuando no hay lactosa es un desperdicio metabólico de energía.

La explicación mecanicista detrás de por qué el operón lac está desactivado es porque el gen represor codifica una proteína represora que actúa sobre el operador. Mientras la proteína represora se encuentre en el operador, no es posible que la ARN polimerasa se una al promotor y transcriba los genes del operón lac, lo que significa que la transcripción está obstruida. Cuando la lactosa está presente en el ambiente, se modifica para convertirse en alolactosa, que luego se une a la proteína represora, provocando que cambie de forma. La diferente forma hace que la proteína represora ya no encaje en su lugar sobre el operador, provocando que se caiga. Sin nada unido al operador, la ARN polimerasa ya no tiene obstáculos para unirse al promotor y comienza a transcribir los genes del operón lac. Debido a que la molécula de lactosa es la que activa el operón lac, es una molécula inductora.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador