operoni lac

Adattato da Kreuzer H & Massey A: “Biology and Biotechnology: Science, Applications and Issues”, ASM Press,
Washington, 2005, pp.161-162.
Degradazione del lattosio nella E.coli
La maggior parte dei batteri hanno geni che codificano per enzimi in grado di degradare un’ampia
varietà di zuccheri per ottenere energia. Tuttavia, sintetizzare tali enzimi sarebbe uno spreco di
energia cellulare se gli zuccheri non fossero disponibili alla cellula, e quindi la maggior parte dei
batteri sintetizza gli enzimi che degradano un particolare zucchero soltanto se quello zucchero è
presente nell’ambiente.
Lo zucchero lattosio può essere usato dal battere intestinale E.coli e da molti altri batteri come
sorgente energetica. I geni per l’utilizzo del lattosio della E.coli (detti geni lac; N.B. operone) sono
allineati lungo il suo cromosoma e vengono trascritto con un solo promotore in un lungo mRNA. Le
gene codificaanche per l’enzima lattasi (anche noto come β-galattosidasi), che scinde il lattosio
negli zuccheri semplici glucosio e galattosio. Questi zuccheri semplici sono in seguito degradati a
scopi energetici, rilasciando anidride carbonica (CO2) come uno dei prodotti finali (N.B. 1.
L’anidride carbonica è un normale prodotto del catabolismo degli zuccheri anche negli eucarioti).
(N.B. 2. La lattasi della E.coli batterica è simile a quella degli eucarioti, che manca negli individui
intolleranti al lattosio). Quando il lattosio è presente nell’ambiente della E.coli, vengono trascritti
i geni lac, la lattasi (β-galattosidasi) viene sintetizzata, e la E.coli ricava energia dallo zucchero.
Se non è presente il lattosio, queste proteine non sono sintetizzate.
Regolazione delle degradazione del lattosio nella E.coli
La E.coli di solito sintetizza una proteina repressore che impedisce la trascrizione dei geni lac. Il
repressore impedisce la trascrizione in quanto la sua struttura tridimensionale e natura chimica
permettono il suo legame al cromosoma della E.coli in una sequenza di basi unica e caratteristica
(“unique”), detta l’operatore, vicino al promotore dei geni lac. Quando la proteina repressore si
lega alla sua sequenza di basi bersaglio, blocca la RNA polimerasi e la impedisce di legarsi al
promotore e di trascrivere i geni lac. Perciò il battere non spreca energia per fabbricare gli enzimi
che utilizzano il lattosio se nella cellula non c’è lattosio.
Se il lattosio è presente, tuttavia, il battere ha bisogno di questi enzimi. Il sistema di regolazione
lac permette alla cellula di rispondere splendidamente a questo nuovo bisogno. Quando il lattosio
penetra nelle cellule attraverso una proteine di trasporto (N.B. anche essa codificata dall’operone
lac), esso si lega ad un sito speciale (“operatore”) della proteina repressore lac. Questa interazione
modifica la forma della proteina e rende il repressore incapace di legarsi al suo sito (operatore)
sul DNA della E.coli. Il repressore rilascia il DNA, lasciando il gene libero di essere trascritto. La
cellula può allora fabbricare l’enzima lattasi e approfittare della nuova fonte energetica.
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Il sistema di regolazione della degradazione del lattosio è molto simile a quello che regola la
biosintesi el triptofano. In entrambi i casi una piccola molecola (lattosio o triptofano) si lega ad
una proteine repressore ed altera la sua conformazione. Tuttavia nel caso del lattosio, il cambio
di conformazione rende il repressore incapace di legarsi al DNA e quindi permette la trascrizione
dei geni lac e la degradazione dello zucchero. Viceversa, nella biosintesi del triptofano, la
variazione di forma causa il legame del repressore al DNA, impedendo la trascrizione dei geni trp
e quindi la cellula non spreca energia per sintetizzare triptofano quando questo è già presente in
abbondanza nella cellula.
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