Organización estructural del operón
Según la teoría del operón, la regulación en los procariotas se lleva a cabo a nivel transcripcional. El operón es una región específica de la molécula de ADN que consta de varios elementos:
- Promotor: sitio de inicio al cual se une la enzima ARN polimerasa.
- Operador: región de control que dirige el inicio de la transcripción. Una característica importante es que las zonas del operador y del promotor se solapan parcialmente.
- Genes estructurales: contienen información sobre un grupo de proteínas (enzimas) que participan conjuntamente en una misma ruta metabólica.
El funcionamiento del operón está controlado por la proteína represora. La información sobre su estructura está codificada en el gen regulador, que se encuentra a cierta distancia del operón mismo. Esta proteína se sintetiza en la célula a una velocidad constante, y la actividad del gen regulador está controlada por su propio producto proteico. Si el represor está unido al operador, crea un obstáculo físico para la ARN polimerasa y el proceso de transcripción no se inicia.
Mecanismo de inducción (Operón lactosa)
Este tipo de regulación es característico de las vías catabólicas, es decir, reacciones de degradación. En este caso, el sustrato inicial (lactosa) actúa como inductor.
- En ausencia de lactosa: la proteína represora activa se mantiene firmemente unida al operador. El complejo bloquea la ARN polimerasa, por lo que la transcripción de los genes estructurales no se lleva a cabo.
- Ante la aparición de lactosa: la concentración del inductor aumenta y sus moléculas se unen a un centro especial de la proteína represora. Debido a esto, el represor cambia su conformación espacial, su afinidad por el operador disminuye drásticamente y se disocia del ADN, pasando al citosol.
El camino liberado permite que la ARN polimerasa se una al promotor. Comienza la lectura de los genes y se forma un ARNm policistrónico único. A continuación, en los ribosomas se sintetizan las enzimas para la utilización de la lactosa: la $\beta$-galactosidasa (proteína A), la permeasa (proteína B) y la galactósido transacetilasa (proteína C). A medida que la lactosa se degrada, su concentración disminuye y el sistema regresa gradualmente a su estado inicial.
Mecanismo de represión (Operones de histidina e isoleucina)
La regulación por el mecanismo de represión funciona según el principio de retroalimentación negativa y es típica de los procesos anabólicos (síntesis de moléculas). Aquí, el producto final del metabolismo actúa como correpresor.
- La síntesis continúa (déficit de producto): el gen regulador produce la proteína represora en una forma inicialmente inactiva (aporepresor). No tiene afinidad por el operador ni interfiere con la ARN polimerasa. Como resultado, las enzimas necesarias se sintetizan sin impedimentos. Por ejemplo, en el operón de la histidina se transcriben 10 genes estructurales que codifican las enzimas para la síntesis de histidina.
- La síntesis está bloqueada (exceso de producto): al acumularse la sustancia final (histidina o isoleucina), las moléculas del correpresor se unen a la proteína represora inactiva. Se produce un cambio alostérico en la estructura y se forma el complejo activo «represor + correpresor». Su afinidad por el ADN aumenta drásticamente, el complejo se une al operador y bloquea estéricamente el paso de la ARN polimerasa. La transcripción se detiene.
De manera similar se regula la biosíntesis de isoleucina a partir de treonina en bacterias E. coli: una alta concentración de isoleucina sintetizada provoca retroinhibición (feedback inhibition), apagando la expresión de los genes estructurales correspondientes y evitando la acumulación excesiva del aminoácido en la célula.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué función cumple la proteína permeasa en el metabolismo bacteriano?
La proteína permeasa cumple la función de proteína transportadora, llevando a cabo el transporte activo de sustancias hacia el interior de la célula. Este proceso se caracteriza por el movimiento de moléculas en contra de un gradiente de concentración, lo que requiere un gasto energético obligatorio (en forma de ATP). Un ejemplo es la lactosa permeasa, codificada en los genes estructurales del operón de la lactosa. Dicha enzima facilita la absorción de lactosa del medio circundante por parte de la célula para su posterior catabolismo y asimilación.
¿En qué consiste la represión catabólica del operón lactosa?
Según la fuente, algunos operones responsables del catabolismo de carbohidratos contienen, además del operador, otra región reguladora que forma parte del promotor. Esta región está destinada a la unión de una proteína reguladora especial.
¿De qué secuencias específicas consta el promotor procariota?
El promotor procariota consta de varias secuencias de nucleótidos específicas que aseguran la unión de la ARN polimerasa y la iniciación de la transcripción. Su estructura incluye las siguientes regiones:
- Región -35: contiene la secuencia de nucleótidos TTGACA.
- Caja Pribnow (región -10): incluye la secuencia específica TATAAT.
- Punto de inicio de la transcripción (región +1): se localiza a una distancia de 5 a 9 pares de nucleótidos de la caja Pribnow.
Para no confundir los términos, recuerda: el Inductor iniciia la transcripción (elimina el bloqueo del operador), mientras que el Correpresor la concluye (ayuda a que el represor se una al ADN y bloquee la enzima).
Preguntas de clases y exámenes
¿Qué es un gen regulador y dónde se encuentra?
Es un gen independiente que codifica la proteína represora. Funciona a una velocidad constante y suele estar situado a cierta distancia del operón que regula.
¿Por qué la ARN polimerasa no puede iniciar su trabajo si el operador está ocupado?
Las regiones del promotor (sitio de unión de la ARN polimerasa) y del operador en la molécula de ADN se solapan parcialmente. La proteína represora unida al operador crea un obstáculo estérico (físico) insuperable para la enzima.
¿Qué función cumple el inductor en el operón lactosa?
Las moléculas de lactosa se unen a la proteína represora activa, alteran su conformación y provocan su desatascamiento del operador. Esto abre el camino para que la ARN polimerasa transcriba los genes estructurales.
Qué más repasar sobre el tema
- Estructura y funciones catalíticas de la $\beta$-galactosidasa, la permeasa y la transacetilasa.
- Ruta metabólica de la biosíntesis de isoleucina a partir de treonina en procariotas.
- Mecanismos moleculares de la regulación alostérica de la conformación de proteínas represoras.
- Especificidad de la traducción del ARNm policistrónico en los ribosomas bacterianos.
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