Il modello dell’operone.
(appunti prof. Paolo Marchesi)
…..siete pregati di non divulgare questo materiale senza il consenso dell’autore, grazie…..
Problema: come è possibile per una cellula attivare/disattivare i processi di sintesi proteica a
seconda del bisogno ? Ad esempio perché in presenza di lattosio una cellula attiva la
produzione delle proteine-enzima necessarie alla sua digestione ?
L’ipotesi: il modello dell’operone (principi generali)
1) Va ricordato che per arrivare dal DNA alla proteina servono 2 passaggi fondamentali: dal
DNA RNA ed in seguito RNA Proteina
RNA Polimerasi
L’RNA polimerasi e’ l’enzima che trascrive il DNA sull’RNA
2) Il modello dell’operone ipotizza un meccanismo di controllo proprio a livello della prima
delle due fasi (ovvero la trascrizione DNA RNA): il meccanismo interviene sulla possibilità
o meno dell’RNA polimerasi di attaccarsi per iniziare la trascrizione.
3) Quindi il meccanismo funziona come un interruttore:
RNA-Pol attaccato avviene trascrizione (quindi avviene sintesi)
RNA-Pol staccato NON avviene trascrizione (quindi NON avviene sintesi)
Nell’operone i geni che codificano le proteine (geni strutturali) sono PRECEDUTI da due
importanti sequenze una in seguito all’altra, ovvero:
Il Sito Promotore (o promotore) cioè il punto dove si ATTACCA l’RNA-polimerasi
Il Sito Operatore (o operatore) cioè il punto dove può attaccarsi una proteina in grado
di BLOCCARE o MENO l’attacco dell’RNA-polimerasi
Esiste poi un altro sito del DNA che non fa parte dell’operone (perché non e’ contiguo alle
sequenze dell’operone) ma che e’ strettamente associato ad esso ed è il Gene Regolatore.
Questi codifica le proteine in grado di BLOCCARE o di FAVORIRE l’attacco del RNAPolimerasi. Le proteine che favoriscono l’attacco sono dette induttori mentre quelle opposte
sono dette repressori.
Per quanto riguarda le modalità di “intervento” dell’operone esistono due categorie:
operoni normalmente funzionanti che vengono bloccati quando necessario (metaforicamente e’
come un interruttore sempre acceso che viene spento solo quando necessario, come l’interruttore generale di casa)
operoni normalmente inibiti che vengono attivati quando necessario (e’ come un interruttore
normalmente spento che viene acceso quando serve, come le lampadine di casa)
Esistono pertanto DUE modelli di operoni, quello relativo a produzione normalmente attiva ed
inibita se necessario (come nel caso della produzione di triptofano da parte delle cellule) e
quella relativa ad una produzione normalmente inibita ed attivata se necessario (come quella
degli enzimi digestivi del lattosio)
L’operone trp (normalmente attivo)
Le cellule batteriche producono normalmente l’amminoacido triptofano. Se però questi è gia
presente in quantità sufficienti la produzione si blocca perche:
1) Il gene regolatore produce un REPRESSORE INATTIVO cioè incapace di attaccarsi al
sito operatore e di bloccare l’attacco dell’ RNA-polimerasi. Quindi avvengono sia la
trascrizione che la sintesi.
2) Quando però e presente triptofano a sufficienza questi inizia ad accumularsi nel
citoplasma e alcune molecole iniziano a legarsi al repressore inattivo. Il repressore
inattivo + triptofano = REPRESSORE ATTIVO : questi puo’ attaccarsi al sito operatore
e BLOCCARE l’attacco di nuovi RNA polimerasi ovvero fermare la sintesi. In questo
caso il triptofano è chiamato corepressore
3) Quanto sopra e’ rappresentato nella figura “A” riportata in seguito
L’operone lac (normalmente inibito)
Sarebbe inutile la produzione di enzimi digestivi di un cibo in assenza del cibo stesso, i batteri
ad esempio producono gli enzimi digestivi del lattosio solo in presenza di quest’ultimo perché:
1) Il gene regolatore produce un REPRESSORE ATTIVO che si attacca al sito operatore e
blocca l’attacco del RNA-polimerasi. Quindi NON avvengono né la trascrizione né la
sintesi.
2) Normalmente nella cellula sono presenti POCHISSIME molecole di enzima digestivo
(del tutto insufficienti a digerire il lattosio) ma in presenza di lattosio queste pochissime
molecole producono una molecola di allolattosio che si attacca al repressore attivo e lo
disattiva secondo lo schema
Repressore attivo + allolattosio = REPRESSORE INATTIVO
In questo caso l’allolattosio e’ chiamato anche induttore
3) Quanto sopra e’ rappresentato nella figura “B” riportata in seguito
Immagini tratte da :Invito alla biologia, H. Curtis N. Sue Barnes ed. Zanichelli
Al fine di facilitare la comprensione del meccanismo si suggerisce la visione di alcuni
filmati disponibili in rete quali ad esempio:
https://www.youtube.com/watch?v=WGjy6vV4ROM (in lingua italiana)
https://www.youtube.com/watch?v=oBwtxdI1zvk
(in lingua inglese)
Regolazione della trascrizione operata dai ribosomi nell’operone trp
Nei procarioti trascrizione e traduzione possono avvenire quasi in contemporanea. Il
Ribosoma è anch’esso in grado di bloccare la trascrizione (effetto feedback). La regione
iniziale del RNA (leader) ha 4 sottoregioni che possono formare delle anse. Se si
uniscono le sottoregioni 1 e 2 (pausa) l’ansa ha la funzione di far si che il il ribosoma
rallenti la trascrizione ma non si stacca dal mRNA se si uniscono le sottoregioni 2 e 3
(antiterminazione) il ribosoma non interferirà con la trascrizione mentre se si uniscono le
regioni 3 e 4 (terminazione) il ribosoma determinerà il blocco della trascrizione. La
formazione delle anse dipende dalla concentrazione del triptofano che è in grado di
interferire sulla possibilità delle zone di legarsi fra di loro (se ad esempio la
concentrazione è alta avverrà la formazione dell’ansa di terminazione, se bassa
dell’antiterminazione, se è al limite alto si ha la formazione dell’ansa di pausa (che
permetterà la ripresa di trascrizione e sintesi non appena la concentrazione del triptfano
ridiscenda al di sotto del livello di guardia. Per una miglior comprensione guardare i
filmati riportati nei link sottostanti
https://www.youtube.com/watch?v=YAr18UR2dos (operone trp, visione generale)
https://www.youtube.com/watch?v=CeE83RyQFRo (regolazione del trp operata dai ribosomi)
