Le principali strategie di regolazione dell’espressione genica nei procarioti

1. Le principali strategie diLe principali strategie di
regolazione dell’espressioneregolazione dell’espressione
genica nei procariotigenica nei procarioti

2. Regolazione metabolicaRegolazione metabolica
NelNel genomagenoma di un microorganismo sono presenti migliaia di genidi un microorganismo sono presenti migliaia di geni
(3000(3000--6000).6000).
Alcuni geni vengono espressi continuamenteAlcuni geni vengono espressi continuamente (geni costitutivi);(geni costitutivi);
altri solo quando è necessarioaltri solo quando è necessario (geni regolati).(geni regolati).
 ENZIMI COSTITUTIVIENZIMI COSTITUTIVI ((metabolismo del glucosiometabolismo del glucosio))
 ENZIMI INDUCIBILIENZIMI INDUCIBILI ((prodotti in presenza del substrato
es. β–galattosidasi nel metabolismo del lattosio)

3. Regolazione metabolicaRegolazione metabolica
Gli organismi sono in grado di regolare l’espressione dei propri geniGli organismi sono in grado di regolare l’espressione dei propri geni
in modo che le proteine, e le altre molecole, vengano sintetizzatein modo che le proteine, e le altre molecole, vengano sintetizzate
nella quantità esatta e nel momento esatto del ciclo cellulare.nella quantità esatta e nel momento esatto del ciclo cellulare.
I MECCANISMI DI REGOLAZIONE
Consentono alla cellula di produrre proteine
(enzimi) solo quando servono
ECONOMIA CELLULARE

4. Meccanismi utilizzati nella regolazioneMeccanismi utilizzati nella regolazione
Nella cellula ci sono due strategie principali di regolazione:
Controllo dell’attività di un enzima, dopo che la proteina è stata sintetizzata (regolazione
post-traduzionale)
Controllo della quantità sintetizzata di enzima, variando la quantità di mRNA oppure di
proteina prodotti (regolazione della trascrizione e regolazione della traduzione)

5. Controllo dell’attività di un enzima
Inibizione dovuta a cambiamenti nell’enzima di tipo:Inibizione dovuta a cambiamenti nell’enzima di tipo:
 covalentecovalente (adenilazione, processamento delle proteine)(adenilazione, processamento delle proteine)
 non covalentenon covalente (inibizione da feedback o retroazione ;(inibizione da feedback o retroazione ;
isoenzimi)isoenzimi)

6. Inibizione da feedback dell’attività enzimaticaInibizione da feedback dell’attività enzimatica
Meccanismo tipico della regolazione di intere
vie biosintetiche che coinvolgono diversi
passaggi enzimatici.
Il prodotto finale (es. amminoacido, nucleotide, etc.) è
in grado di retroagire sul primo passaggio
nella via biosintetica e di regolare la propria
biosintesi (autoregolazione).
Il prodotto finale inibendo il primo enzima della via
inibisce tutta la via biosintetica in quanto non vengono più
generati gli intermedi necessari come substrato per gli altri
enzimi coinvolti nel processo.
L’inibizione da feedback E’ REVERSIBILE:
la sintesi riprende quando il prodotto finale si esaurisce

7. AllosteriaAllosteria
L’inibizione da feedback è resa possibile
da una proprietà dell’enzima definita
ALLOSTERIA.
Un enzima allosterico possiede un sito
attivo che lega il substrato e un sito
allosterico dove si lega in modo reversibile
l’inibitore.
Quando un inibitore si lega al sito
allosterico, la conformazione dell’enzima
cambia ed il substrato non riesce più a
legarsi efficientemente al sito attivo.
Quando la concentrazione di inibitore
diminuisce, si dissocia dal sito allosterico
ed il sito attivo ritorna nella sua forma
catalitica.

8. Inibizione da feedbackInibizione da feedback
in una via biosintetica ramificatain una via biosintetica ramificata
Gli enzimi allosterici sono molto importanti nelle vie biosintetiche ramificate.
Prolina e arginina sono sintetizzate a partire dall’acido glutamico.
Questi due aminoacidi possono controllare il primo enzima specifico (evidenziati in rosso) per
la propria sintesi senza interferire con gli altri, in modo che, ad esempio l’eccesso di prolina
non provochi nell’organismo una carenza di arginina.
N-acetil glutamato
sintetasi
g-glutamil
chinasi

9. Isoenzimi ed inibizione da feedbackIsoenzimi ed inibizione da feedback
ISOENZIMI:
Proteine diverse
che catalizzano la
stessa reazione
ma soggette a
sistemi di
regolazione
indipendenti
SINTESI AMINOACIDI AROMATICI IN E. COLI
In E. coli 3 diversi isoenzimi con attività di DAHP sintetasi catalizzano la prima reazione della
via biosintetica. Ognuno di questi enzimi è specificamente retroinibito da uno dei tre aminoacidi
aromatici. In questo caso è richiesto un eccesso di tutti e tre i prodotti di reazione per spegnere
completamente la sintesi di DAHP
3-deossi-D-arabino-
eptulosonato 7-fosfato

10. Modificazioni covalenti degli enzimiModificazioni covalenti degli enzimi
I più comuni meccanismi di modificazioni enzimatica covalenti:I più comuni meccanismi di modificazioni enzimatica covalenti:
 ADENILAZIONE:ADENILAZIONE: legame di un nucleotide adenosinmonofosfato (legame di un nucleotide adenosinmonofosfato (AMPAMP) o) o
adenosindifosfato (adenosindifosfato (ADPADP))
 FOSFORILAZIONE:FOSFORILAZIONE: legame di un gruppo fosfato (legame di un gruppo fosfato (POPO44
22--))
 METILAZIONE:METILAZIONE: legame di un gruppo metilico (legame di un gruppo metilico (CHCH33))
Sono processi rapidamente reversibiliSono processi rapidamente reversibili
Il legame del gruppo modificante provoca un cambiamento conformazionaleIl legame del gruppo modificante provoca un cambiamento conformazionale
della proteina e può alterarne profondamente l’attività catalitica.della proteina e può alterarne profondamente l’attività catalitica.
La rimozione del gruppo modificante ripristina l’enzima nel suo stato attivo.La rimozione del gruppo modificante ripristina l’enzima nel suo stato attivo.

11. Regolazione della glutamina sintetasiRegolazione della glutamina sintetasi
LaLa glutamina sintetasi (GS)glutamina sintetasi (GS) è un enzima che svolge un ruolo chiave nelè un enzima che svolge un ruolo chiave nel
metabolismo dell’azoto nella cellula.metabolismo dell’azoto nella cellula.
L’attività della GS può essere controllata mediante:L’attività della GS può essere controllata mediante:
 Inibizione da feedback concertata:Inibizione da feedback concertata: ad opera di 9 compostiad opera di 9 composti
diversi (aa, prodotti del metabolismo nucleotidico). L’attivitàdiversi (aa, prodotti del metabolismo nucleotidico). L’attività
enzimatica si riduce proporzionalmente al numero di inibitorienzimatica si riduce proporzionalmente al numero di inibitori
presenti: la presenza di tutti e nove gli inibitori determinapresenti: la presenza di tutti e nove gli inibitori determina
l’inibizione completal’inibizione completa
 Adenilazione:Adenilazione: modificazione covalentemodificazione covalente

12. La glutamina sintetasi e l’adenilazioneLa glutamina sintetasi e l’adenilazione
Il controllo della GS mediante modificazione covalenteIl controllo della GS mediante modificazione covalente è determinato dallaè determinato dalla
concentrazione diconcentrazione di glutaminaglutamina e di un precursore dellae di un precursore della glutaminaglutamina, l’, l’aa--chetoglutaratochetoglutarato, un, un
intermedio del ciclo dell’acido citrico.intermedio del ciclo dell’acido citrico.
Quando il livello diQuando il livello di glutaminaglutamina nella cellulanella cellula diminuiscediminuisce, l’enzima che aggiunge e rimuove i, l’enzima che aggiunge e rimuove i
gruppi AMP (enzima Pgruppi AMP (enzima PIIII)) viene modificatoviene modificato covalentementecovalentemente ee promuove lapromuove la
deadenilazionedeadenilazione della GS, e di conseguenza, un aumento della sua attivitàdella GS, e di conseguenza, un aumento della sua attività..
Quando la concentrazione intracellulare diQuando la concentrazione intracellulare di glutaminaglutamina aumenta, la GS vieneaumenta, la GS viene
fortementefortemente adenilataadenilata e la sua attività diminuisce.e la sua attività diminuisce.
GS
GS-AMP
(1-12)
ATP PPi
PiADP
Glutamina
AMP

13. LaLa glutaminaglutamina sintetasisintetasi e l’e l’adenilazioneadenilazione
Ogni molecola di GS contiene 12Ogni molecola di GS contiene 12 subunitàsubunità identicheidentiche, e ognuna di queste può essere, e ognuna di queste può essere
adenilataadenilata..
Quando l’enzima è completamenteQuando l’enzima è completamente adenilatoadenilato(contiene 12 gruppi AMP), è totalmente(contiene 12 gruppi AMP), è totalmente
inattivo, quando è parzialmenteinattivo, quando è parzialmente adenilatoadenilato, è parzialmente attivo., è parzialmente attivo.

14. LaLa glutaminaglutamina sintetasisintetasi e l’e l’adenilazioneadenilazione
I livelli di attività della GS possono essere considerati per laI livelli di attività della GS possono essere considerati per la
cellula una specie di barometro ad azotocellula una specie di barometro ad azoto::
N
GS
Livelli di azoto Attività glutamina sintetasi
E VICEVERSA

15. Splicing delle proteineSplicing delle proteine
Nel processamento della subunità A della DNA girasi di M. leprae,
codificata dal gene gyrA, le sequenze fiancheggianti del polipeptide GyrA, chiamate esteine,
vengono riunite per formare la forma attiva della proteina, mentre le inteine vengono scartate.
Le inteine sono proteasi specifiche self-splicing (autoprocessanti).
RUOLO INTEINE?
Anche nei procarioti esistono alcuni rari geni con introni.
Recentemente sono stati individuati numerosi casi in cui l’informazione “extra” viene
rimossa a livello della proteina e non dell’RNA.
Il processo è stato definito “splicing delle proteine”, e la parte proteica interna che
viene rimossa è stata chiamata inteina.

16. La regolazione della trascrizioneLa regolazione della trascrizione
 Controllo positivo:Controllo positivo: (operone maltosio)(operone maltosio)
L’elemento di controllo, una proteina regolatrice, promuove ilL’elemento di controllo, una proteina regolatrice, promuove il
legame dell’RNA polimerasi determinando un aumentolegame dell’RNA polimerasi determinando un aumento
della sintesi di mRNAdella sintesi di mRNA
 Controllo negativo:Controllo negativo: repressionerepressione (operone arginina)(operone arginina)
eded induzione (induzione (operone lattosio)operone lattosio)
L’elemento di controllo, il repressore, inibisce la sintesiL’elemento di controllo, il repressore, inibisce la sintesi
dell’mRNAdell’mRNA

17. Le proteine che legano il DNALe proteine che legano il DNA
Le interazioni tra proteine ed acidi nuclei sonoLe interazioni tra proteine ed acidi nuclei sono
essenziali per la replicazione, laessenziali per la replicazione, la
trascrizione, la traduzione, nonché per latrascrizione, la traduzione, nonché per la
regolazione di tali processi.regolazione di tali processi.
1.1. INTERAZIONI ASPECIFICHEINTERAZIONI ASPECIFICHE
2.2. INTERAZIONI SEQUENZAINTERAZIONI SEQUENZA--
SPECIFICASPECIFICA
Le sequenze ripetute invertite costituiscono
spesso siti specifici di legame per le proteine.
Le proteine che interagiscono con il DNA
sono spesso omodimeri, composte da due
catene polipetidiche identiche. Su ogni catena
polipeptidica c’è un dominio di legame al
DNA che si inserisce nel solco maggiore e
lungo l’impalcatura di fosfato e un dominio
di interazione proteina-proteina che tiene
insieme le due catene del dimero.
Sequenza nucleotitica della regione operatore
dell’operone lattosio legata dal repressore lac

18. Struttura delle proteine che legano il DNAStruttura delle proteine che legano il DNA
Classi di domini proteici di fondamentale importanza perClassi di domini proteici di fondamentale importanza per
la formazione del corretto legame con il DNA:la formazione del corretto legame con il DNA:
 HelixHelix--turnturn--helix (elicahelix (elica--girogiro--elica)elica)
 Zinc finger (dito di zinco)Zinc finger (dito di zinco)
 Leucine zipper (cerniera di leucine)Leucine zipper (cerniera di leucine)

19. Struttura helixStruttura helix--turnturn--helixhelix
IlIl motivo strutturalemotivo strutturale helixhelix--turnturn--helixhelix
possiede:possiede:
 Un’ elica di riconoscimentoUn’ elica di riconoscimento ((aa--
elica)elica) che interagisce con il DNAche interagisce con il DNA
 Una breve sequenza di treUna breve sequenza di tre aaaa,, ilil
primo dei quali è generalmente unaprimo dei quali è generalmente una
glicinaglicina con la funzione di “girare lacon la funzione di “girare la
proteina”, ovvero di curvarla a gomitoproteina”, ovvero di curvarla a gomito
 Un’elica stabilizzanteUn’elica stabilizzante,, che stabilizzache stabilizza
la prima interagendo con essala prima interagendo con essa
idrofobicamente e partecipando allaidrofobicamente e partecipando alla
formazione del dimero.formazione del dimero.
Il riconoscimento di sequenze specifiche nel DNA avviene tramite interazioni non covalenti
che comportano la formazione di legami idrogeno ed interazioni di van der Waals.
Nei Batteri ci sono diverse proteine con questo motivo:
tra cui molti repressori (sistemi lac e trp di E. coli; repressore del batteriofago l)
Oltre 250 proteine con questo motivo si legano al DNA per regolare la trascrizione in E. coli.

20. Modello delle substrutture proteiche che si trovanoModello delle substrutture proteiche che si trovano
nelle proteine eucariotiche che legano il DNAnelle proteine eucariotiche che legano il DNA
Nel motivo zinc fingerNel motivo zinc finger tra gli aa chetra gli aa che
legano lo ione Znlegano lo ione Zn2+2+ vi sonovi sono
sempre almeno due residui disempre almeno due residui di
cisteina (C), mentre gli altri residuicisteina (C), mentre gli altri residui
sono generalmente istidine (H).sono generalmente istidine (H).
Nel motivo leucine zipperNel motivo leucine zipper i residuii residui
di leucina sono regolarmentedi leucina sono regolarmente
ripetuti ogni sette aa formando unaripetuti ogni sette aa formando una
struttura simile ad una cernierastruttura simile ad una cerniera
lampo. La cerniera di leucine servelampo. La cerniera di leucine serve
a tenere unite due eliche dia tenere unite due eliche di
riconoscimento che interagisconoriconoscimento che interagiscono
con il DNAcon il DNA

21. Il controllo negativo della trascrizione
Nei batteri sono noti diversi meccanismi per il
controllo della sintesi di un enzima e tutti sono
ampiamente influenzati dall’ambiente nel quale
l’organismo cresce ed in particolare dalla presenza o
assenza di piccole molecole specifiche (come quelle che
legano il DNA) per controllare la trascrizione o più
raramente la traduzione.
La repressione e l’induzione rappresentano le forme
più semplici di regolazione che controllano
l’espressione genica a livello della trascrizione.

22. Repressione dell’attività enzimatica
Gli enzimi coinvolti nella sintesi dell’ arginina sono sintetizzati soltanto se l’arginina è
assente nel mezzo di crescita; l’aggiunta di arginina nel mezzo reprime la loro sintesi.
E’da notare, come questo sia un effetto specifico, in quanto la sintesi di tutti gli altri enzimi continua
regolarmente.
La repressione enzimatica è un
fenomeno ampiamente diffuso nei batteri e
viene utilizzato nel controllo della sintesi di
vari enzimi coinvolti nella biosintesi di
aminoacidi, purine e pirimidine.
In quasi tutti i casi è il prodotto finale di una
particolare via biosintetica a reprimere gli
enzimi della stessa.
Si può ovviamente intuire quanto sia
importante questo processo per il
microrganismo, dato che gli permette di
non sprecare energia sintetizzando
enzimi non necessari.

23. Induzione dell’attività enzimaticaInduzione dell’attività enzimatica
Gli enzimi coinvolti nel catabolismo del carbonioGli enzimi coinvolti nel catabolismo del carbonio
o di altre fonti di energia sono spessoo di altre fonti di energia sono spesso
inducibili.inducibili.
Tipico esempio è dato dall’enzimaTipico esempio è dato dall’enzima
bb--galattosidasigalattosidasi,, coinvolto nella utilizzazionecoinvolto nella utilizzazione
del lattosio, che non viene sintetizzato sedel lattosio, che non viene sintetizzato se
lo zucchero è assente nel mezzo, mentrelo zucchero è assente nel mezzo, mentre
la sintesi inizia non appena al terrenola sintesi inizia non appena al terreno
viene aggiunto lattosio.viene aggiunto lattosio.
Anche in questo caso si può facilmenteAnche in questo caso si può facilmente
comprendere il valore di talecomprendere il valore di tale
meccanismo, dal momento che essomeccanismo, dal momento che esso
permette all’organismo di nonpermette all’organismo di non
sintetizzare un enzima fino a quando nonsintetizzare un enzima fino a quando non
gli sia necessario.gli sia necessario.
Un fenomeno complementare alla repressione èUn fenomeno complementare alla repressione è l’induzione di un enzimal’induzione di un enzima, ovvero la, ovvero la
sintesi di un particolare enzima solo quando è presente il suo substrato.sintesi di un particolare enzima solo quando è presente il suo substrato.

24. L’induttore ed il corepressoreL’induttore ed il corepressore
EFFETTORIEFFETTORI
Induttore:Induttore: sostanza che dà inizio all’induzione di un enzimasostanza che dà inizio all’induzione di un enzima
CorepressoreCorepressore:: sostanza che reprime la sintesi di un enzimasostanza che reprime la sintesi di un enzima
Gli induttori e iGli induttori e i corepressoricorepressori in generein genere agiscono in modo indirettoagiscono in modo indiretto,,
combinandosi con specifiche proteine di regolazione che a loro voltacombinandosi con specifiche proteine di regolazione che a loro volta
influenzano la sintesi diinfluenzano la sintesi di mRNAmRNA..
Non tutti gli effettori sono substrato o prodotti finali degli specifici enzimiNon tutti gli effettori sono substrato o prodotti finali degli specifici enzimi
regolati.regolati.
Alcuni analoghi di queste sostanze sono in grado di provocare l’induzione o laAlcuni analoghi di queste sostanze sono in grado di provocare l’induzione o la
repressione di un enzima senza esserne il substrato.repressione di un enzima senza esserne il substrato.
 L’L’isopropiltiogalattosideisopropiltiogalattoside (IPTG),(IPTG), per esempio, è un induttore dellaper esempio, è un induttore della bb--
galattosidasigalattosidasi, pur non essendo idrolizzato dall’enzima stesso., pur non essendo idrolizzato dall’enzima stesso.

25. Regolazione dell’operone argininaRegolazione dell’operone arginina
Nel caso di un enzima reprimibile, il corepressore (per esempio l’arginina) si lega alla proteina
repressore specifica (il repressore dell’arginina). Il repressore è una proteina allosterica la cui
conformazione può venire modificata in seguito al legame con il corepressore.
Una volta modificato, il repressore può legarsi a una regione specifica di DNA vicina al promotore
del gene stesso, la regione operatore che deve il suo nome all’operone, gruppo di geni la cui
espressione è sotto il controllo di un singolo promotore. Se il repressore si lega all’operatore,
la sintesi di mRNA è bloccata perché l’RNA polimerasi non si può legare o non può procedere
nella trascrizione e tutte le proteine codificate da quell’mRNA policistronico saranno represse.

26. Regolazione dell’operone lattosioRegolazione dell’operone lattosio
Anche l’induzione di un enzima puòAnche l’induzione di un enzima può
essere controllata da un repressore;essere controllata da un repressore;
in questo caso il repressore èin questo caso il repressore è
attivo in assenza dell’induttore eattivo in assenza dell’induttore e
capace quindi di bloccare lacapace quindi di bloccare la
sintesi disintesi di mRNAmRNA..
Quando invece si aggiunge l’induttore,Quando invece si aggiunge l’induttore,
questo si lega al repressorequesto si lega al repressore
inattivandolo, rimuovendo ilinattivandolo, rimuovendo il
bloccoblocco trascrizionaletrascrizionale ee
permettendo la sintesi dell’permettendo la sintesi dell’mRNAmRNA..
Dal momento che il ruolo deiDal momento che il ruolo dei
repressori è inibitoriorepressori è inibitorio
(reprimono la sintesi(reprimono la sintesi
dell’dell’mRNAmRNA), il tipo di), il tipo di
regolazione che li coinvolgeregolazione che li coinvolge
viene spesso definitoviene spesso definito
controllo negativocontrollo negativo..
Nel caso dell’operone lac, il repressore è
costituito dal repressore lac e l’induttore
dall’allolattosio

27. Regolazione dell’operone maltosioRegolazione dell’operone maltosio
 Il catabolismo del maltosio in E.Il catabolismo del maltosio in E.
coli è un tipico esempio dicoli è un tipico esempio di
sistema sottoposto asistema sottoposto a regolazioneregolazione
positivapositiva..
 Gli enzimi necessariGli enzimi necessari
all’utilizzazione del maltosio in E.all’utilizzazione del maltosio in E.
coli sono sintetizzati solo dopocoli sono sintetizzati solo dopo
l’aggiunta di maltosio al mezzo.l’aggiunta di maltosio al mezzo.
 La sintesi di questi enzimi èLa sintesi di questi enzimi è
controllata a livellocontrollata a livello trascrizionaletrascrizionale
da unada una proteinaproteina attivatriceattivatrice cheche
non può legarsi al DNA se primanon può legarsi al DNA se prima
non si è legata alnon si è legata al maltosio,maltosio, il suoil suo
induttore.induttore.
 Il legame dell’attivatore alIl legame dell’attivatore al
DNA induce un cambiamentoDNA induce un cambiamento
della sua struttura e permettedella sua struttura e permette
alla RNA polimerasi di iniziarealla RNA polimerasi di iniziare
la trascrizionela trascrizione..
 La sequenza specifica che serveLa sequenza specifica che serve
da sito di legame per l’attivatore sida sito di legame per l’attivatore si
chiamachiama sito di legamesito di legame
dell’attivatore.dell’attivatore.
I geni necessari per l’utilizzazione del maltosio sono dispersiI geni necessari per l’utilizzazione del maltosio sono dispersi
in diversi operoni, ognuno dei quali possiede un sito di legamein diversi operoni, ognuno dei quali possiede un sito di legame
dell’attivatore.dell’attivatore.
Quando diversi operoni si trovano sotto il controllo primarioQuando diversi operoni si trovano sotto il controllo primario
della stessa proteina costituiscono un regulone.della stessa proteina costituiscono un regulone.
In assenza di induttore (maltosio)
In presenza di induttore (maltosio)

28. Il controllo positivoIl controllo positivo
La proteina attivatrice, una volta legatasi al DNA, aiuta l’RNA polimerasi siaLa proteina attivatrice, una volta legatasi al DNA, aiuta l’RNA polimerasi sia
a riconoscere il promotore sia ad iniziare la trascrizione.a riconoscere il promotore sia ad iniziare la trascrizione.
Ad esempio, l’attivatore può indurre un cambiamento nella struttura del DNA, inAd esempio, l’attivatore può indurre un cambiamento nella struttura del DNA, in
genere una curvatura, permettendo così all’RNA polimerasi di stabilire contattigenere una curvatura, permettendo così all’RNA polimerasi di stabilire contatti
precisi con il promotore per iniziare la trascrizione.precisi con il promotore per iniziare la trascrizione.
LaLa proteina attivatriceproteina attivatrice può anchepuò anche
interagire direttamente con l’RNAinteragire direttamente con l’RNA
polimerasi,polimerasi,
sia quando il sito di legamesia quando il sito di legame
dell’attivatore è vicino aldell’attivatore è vicino al
promotore,promotore,
sia quando è lontano, situazionesia quando è lontano, situazione
che richiede la formazione diche richiede la formazione di
un’ansa per poter stabilire i contattiun’ansa per poter stabilire i contatti
necessari.necessari.

29. La regolazione globaleLa regolazione globale
 Spesso, in risposta ad una variazione ambientale, unSpesso, in risposta ad una variazione ambientale, un
organismo ha bisogno di regolare simultaneamente geniorganismo ha bisogno di regolare simultaneamente geni
diversi.diversi.
I meccanismi di regolazione che rispondono aI meccanismi di regolazione che rispondono a
segnali ambientali sono definitisegnali ambientali sono definiti
sistemi di controllo globalesistemi di controllo globale..
 Nell’ambiente in cui crescono le cellule batteriche, infatti,Nell’ambiente in cui crescono le cellule batteriche, infatti,
possono essere presenti diverse fonti di carbonio utilizzabili epossono essere presenti diverse fonti di carbonio utilizzabili e
sarebbe uno spreco indurre, gli enzimi per il catabolismo delsarebbe uno spreco indurre, gli enzimi per il catabolismo del
lattosio o del maltosio quando le cellule stanno utilizzando unalattosio o del maltosio quando le cellule stanno utilizzando una
fonte di carbonio più facilmente metabolizzabile.fonte di carbonio più facilmente metabolizzabile.

30. La repressione da catabolitaLa repressione da catabolita
Il problema viene risolto da uno dei sistemi diIl problema viene risolto da uno dei sistemi di
regolazione globale definitoregolazione globale definito
repressione da catabolitarepressione da catabolita..
 Nella repressione da catabolita la sintesi di numerosi enzimiNella repressione da catabolita la sintesi di numerosi enzimi
viene inibita quando le cellule crescono in un terreno cheviene inibita quando le cellule crescono in un terreno che
contiene una fonte di energia ottimale come il glucosio.contiene una fonte di energia ottimale come il glucosio.
 La repressione da catabolita è stata anche definitaLa repressione da catabolita è stata anche definita effettoeffetto
glucosioglucosio,, perché questa è stata la prima sostanza per la quale si èperché questa è stata la prima sostanza per la quale si è
dimostrato il fenomeno; anche se è noto che diverse fonti didimostrato il fenomeno; anche se è noto che diverse fonti di
carbonio determinano questo tipo di repressione.carbonio determinano questo tipo di repressione.

31. Crescita diauxicaCrescita diauxica
in presenza di una miscela di glucosio e lattosioin presenza di una miscela di glucosio e lattosio
NellaNella cresita diauxicacresita diauxica, l’organismo cresce, l’organismo cresce
prima utilizzando una fonte di energia (adprima utilizzando una fonte di energia (ad
esempio il glucosio), e segue poi un lungoesempio il glucosio), e segue poi un lungo
intervallo di tempo prima che la crescitaintervallo di tempo prima che la crescita
ricominci utilizzando la seconda fonte (adricominci utilizzando la seconda fonte (ad
esempio lattosio).esempio lattosio).
Quando un microrganismo cresce in presenzaQuando un microrganismo cresce in presenza
di una miscela di glucosio e lattosio, finchèdi una miscela di glucosio e lattosio, finchè
il glucosio è presente nel mezzo, lail glucosio è presente nel mezzo, la bb--
galattosidasigalattosidasi, codificata dal gene, codificata dal gene lacZlacZ
dell’operone lattosio e responsabile delladell’operone lattosio e responsabile della
utilizzazione di questo zucchero,utilizzazione di questo zucchero, nonnon
viene sintetizzataviene sintetizzata ed il microrganismoed il microrganismo
utilizza solo il glucosio lasciando intatto ilutilizza solo il glucosio lasciando intatto il
lattosio.lattosio.
Quando il glucosio è esaurito,Quando il glucosio è esaurito, la repressionela repressione
da catabolita finisceda catabolita finisce e dopo un certoe dopo un certo
intervallo si osserva sintesi diintervallo si osserva sintesi di bb--
galattosidasi e inizia la crescita basata sulgalattosidasi e inizia la crescita basata sul
lattosio come fonte di carbonio.lattosio come fonte di carbonio.
Una conseguenza della repressione da catabolita è la crescita diauxica che si osserva quandoUna conseguenza della repressione da catabolita è la crescita diauxica che si osserva quando
due fonti di energia sono presenti contemporaneamente nel mezzo.due fonti di energia sono presenti contemporaneamente nel mezzo.
La repressione da catabolita permette alle cellule di utilizzareLa repressione da catabolita permette alle cellule di utilizzare
subito la migliore fonte di carbonio, infatti, i batteri cresconosubito la migliore fonte di carbonio, infatti, i batteri crescono
più rapidamente in presenza di glucosio.più rapidamente in presenza di glucosio.

32. La repressione da catabolitaLa repressione da catabolita
 La repressione da catabolita si basa sul controllo della trascrizione mediato da unLa repressione da catabolita si basa sul controllo della trascrizione mediato da un
attivatore ed è quindiattivatore ed è quindi un tipo di controllo positivo.un tipo di controllo positivo.
 Nel caso di enzimi reprimibili da parte del catabolita, il legame della RNA polimerasi alNel caso di enzimi reprimibili da parte del catabolita, il legame della RNA polimerasi al
DNA avviene solo quando si è legata un’altra proteina, chiamataDNA avviene solo quando si è legata un’altra proteina, chiamata attivatore proteicoattivatore proteico
del catabolita (CAP),del catabolita (CAP), che a sua volta può legarsi al DNA solo se prima si è legatoche a sua volta può legarsi al DNA solo se prima si è legato
l’AMP ciclicol’AMP ciclico, un elemento chiave in numerosi sistemi controllo., un elemento chiave in numerosi sistemi controllo.
 L’entrata del glucosio nella cellula inibisce la sintesi dell’AMP ciclico e stimola il suoL’entrata del glucosio nella cellula inibisce la sintesi dell’AMP ciclico e stimola il suo
trasporto al di fuori della cellula con riduzione della sua concentrazione intracellulare edtrasporto al di fuori della cellula con riduzione della sua concentrazione intracellulare ed
inibizione del legame della RNA polimerasi ai promotori sensibili a questo tipo diinibizione del legame della RNA polimerasi ai promotori sensibili a questo tipo di
controllo.controllo.
 La repressione da catabolita, quindi, è in realtà dovuta alla mancanza di AMPLa repressione da catabolita, quindi, è in realtà dovuta alla mancanza di AMP
ciclico nella cellula e può essere superata aggiungendo tale composto al terrenociclico nella cellula e può essere superata aggiungendo tale composto al terreno..

33. La repressione da catabolitaLa repressione da catabolita
 Nonostante questo tipo di regolazione possa sembrare un semplice sistema diNonostante questo tipo di regolazione possa sembrare un semplice sistema di
controllo positivo, ognuno degli operoni controllati da CAP è anche soggetto acontrollo positivo, ognuno degli operoni controllati da CAP è anche soggetto a
regolazione da parte dei suoi regolatori specifici.regolazione da parte dei suoi regolatori specifici.
 Poiché la repressione da catabolita modula l’espressione di sistemi diPoiché la repressione da catabolita modula l’espressione di sistemi di
regolazione non correlati essa rappresenta uno dei principali esempi diregolazione non correlati essa rappresenta uno dei principali esempi di
regolazione globale.regolazione globale.
 Finchè è presente glucosio viene impedita l’espressione di tutti gli altriFinchè è presente glucosio viene impedita l’espressione di tutti gli altri
operoni catabolici soggetti a questo elemento di controllo globale.operoni catabolici soggetti a questo elemento di controllo globale.
Affinché la trascrizione possa avvenire, devono essere rispettate due condizioni:Affinché la trascrizione possa avvenire, devono essere rispettate due condizioni:
1.1. il ivello di AMP ciclico deve essere abbastanza elevato, in modo dail ivello di AMP ciclico deve essere abbastanza elevato, in modo da
permettere alla proteina CAP di legarsi al sito di legame specificopermettere alla proteina CAP di legarsi al sito di legame specifico
(controllo positivo);(controllo positivo);
2.2. deve essere presente un induttore, come il lattosio, in modo che ildeve essere presente un induttore, come il lattosio, in modo che il
repressore del lattosio non blocchi la trascrizione legandosi all’operatorerepressore del lattosio non blocchi la trascrizione legandosi all’operatore
(controllo negativo).(controllo negativo).

34. Regolazione dell’operone lattosioRegolazione dell’operone lattosio
Il primo gene strutturale di questo operone , lacZ, codifica l’enzima b-galattosidasi che degrada
il lattosio. L’operone contiene altri due geni (lacY e lacA) coinvolti nel metabolismo del lattosio.
In figura è mostrata la regione regolatrice dell’operone. I due siti dell’operatore (dove si lega il
repressore lac) sono sequenze ripetute invertite. Sequenze ripetute invertite si ritrovano anche nel
sito di legame di CAP. E’ indicata la posizione delle sequenze -35 e la Pribnow box che fanno
parte del promotore. Viene indicata anche la posizione di due sequenze cruciali dell’mRNA
(Shine-Dalgarno ed il codone d’inizio).

35. L’attenuazione dell’operone triptofano inL’attenuazione dell’operone triptofano in E. coliE. coli
Oltre al promotoreOltre al promotore PP e all’operatoree all’operatore OO c’èc’è
una sequenza leaderuna sequenza leader LL che codifica unche codifica un
polipeptide contenente residui dipolipeptide contenente residui di
triptofano ripetuti in tandem vicinotriptofano ripetuti in tandem vicino
alla sua estremità terminale e operantealla sua estremità terminale e operante
come attenuatore.come attenuatore.
Se nella cellula è il triptofano èSe nella cellula è il triptofano è
abbondante, il peptide leader verràabbondante, il peptide leader verrà
sintetizzato, determinando lasintetizzato, determinando la
terminazione della trascrizione delterminazione della trascrizione del
restante operone trp, cherestante operone trp, che
comprende i geni strutturali per glicomprende i geni strutturali per gli
enzimi biosintetici;enzimi biosintetici;
se invece il triptofano è scarso, ilse invece il triptofano è scarso, il
peptide leader, che è ricco inpeptide leader, che è ricco in
triptofano, non sarà prodotto, e latriptofano, non sarà prodotto, e la
trascrizione della restante partetrascrizione della restante parte
dell’operone potrà aver luogo.dell’operone potrà aver luogo.
L’operone triptofano contiene i geni strutturaliL’operone triptofano contiene i geni strutturali
per cinque proteine della via biosintetica delper cinque proteine della via biosintetica del
triptofano, oltre al promotore e alle sequenzetriptofano, oltre al promotore e alle sequenze
regolatrici localizzate all’inizio dell’operone.regolatrici localizzate all’inizio dell’operone.
Questo operone è soggetto in realtà a diversi tipi di regolazione: il primo enzima della via,Questo operone è soggetto in realtà a diversi tipi di regolazione: il primo enzima della via,
l’antranilato sintetasi è infatti, sottopostol’antranilato sintetasi è infatti, sottoposto all’inibizione da feedback da parte del triptofanoall’inibizione da feedback da parte del triptofano, ed, ed
inoltre la trascrizione dell’operone è sotto ilinoltre la trascrizione dell’operone è sotto il controllo del repressore del triptofanocontrollo del repressore del triptofano..

36. L’attenuazione dell’operone triptofanoL’attenuazione dell’operone triptofano
Se il triptofano è presente in abbondanza, il ribosoma potrà tradurre l’intero peptide leaderSe il triptofano è presente in abbondanza, il ribosoma potrà tradurre l’intero peptide leader
(codificato dalle regioni 1 e 2), e così la regione 2 non potrà appaiarsi con la regione 3. Le regioni(codificato dalle regioni 1 e 2), e così la regione 2 non potrà appaiarsi con la regione 3. Le regioni
3 e 4 si appaieranno a formare una struttura ansa3 e 4 si appaieranno a formare una struttura ansa--stelo, che costituirà un sito di pausa dellastelo, che costituirà un sito di pausa della
trascrizione. Poi trovandosi a valle di questa sequenza un tratto ricco in uracile, si avrà latrascrizione. Poi trovandosi a valle di questa sequenza un tratto ricco in uracile, si avrà la
terminazione.terminazione.
Per spiegare questo fenomeno bisogna tener conto chePer spiegare questo fenomeno bisogna tener conto che nelle cellule procariotiche i processi di traduzione enelle cellule procariotiche i processi di traduzione e
trascrizione avvengono simultaneamente:trascrizione avvengono simultaneamente: mentre la trascrizione di regioni a valle è ancora in corso, è già iniziatamentre la trascrizione di regioni a valle è ancora in corso, è già iniziata
la traduzione delle regioni trascritte.la traduzione delle regioni trascritte.
L’attenuazione ha luogo perché una parte dell’mRNA neosintetizzato si ripiega a formareL’attenuazione ha luogo perché una parte dell’mRNA neosintetizzato si ripiega a formare
un’ansa a doppia elica, grazie alla presenza di sequenze complementari, seguita da unaun’ansa a doppia elica, grazie alla presenza di sequenze complementari, seguita da una
sequenza di uracili che segnalano alla RNA polimerasi di cessare l’attività trascrizionale.sequenza di uracili che segnalano alla RNA polimerasi di cessare l’attività trascrizionale.

37. L’attenuazione dell’operone triptofanoL’attenuazione dell’operone triptofano
 Se invece il triptofano è scarso, ilSe invece il triptofano è scarso, il
ribosoma rallenterà inribosoma rallenterà in
corrispondenza del codonecorrispondenza del codone
triptofano; la sosta del ribosoma intriptofano; la sosta del ribosoma in
questa posizione permetterà laquesta posizione permetterà la
formazione di una struttura ansaformazione di una struttura ansa--
stelo alternativa (regione 2stelo alternativa (regione 2--regioneregione
3) che non rappresenta un segnale di3) che non rappresenta un segnale di
terminazione e previeneterminazione e previene
efficacemente la formazione del veroefficacemente la formazione del vero
terminatore.terminatore.
 L’RNA polimerasi oltrepasserà il sitoL’RNA polimerasi oltrepasserà il sito
di terminazione che non si èdi terminazione che non si è
correttamente ripiegato e inizierà lacorrettamente ripiegato e inizierà la
trascrizione dei geni strutturali deltrascrizione dei geni strutturali del
triptofanotriptofano

38. I sistemi di regolazione a due componentiI sistemi di regolazione a due componenti
Molti dei sistemi di regolazione tramite i quali
i batteri sono in grado di rilevare i segnali
ambientali e fornire una risposta sono
costituiti da due componeneti. Un sistema
classico a due componenti è costituito da:
1. Una proteina sensore (chinasi
sensore), locaizzata nelle membrana
cellulare e in grado di autofosforiularsi in
risposta a un segnale ambienetale
2. Una proteina regolatrice della
risposta, generalmente una proteina di
legame al DNA che regola la trascrizione
in modo + o – a seconda del sistema

39. La regolazione della chemiotassiLa regolazione della chemiotassi
Il grado di metilazione delle proteine MCP controlla la loro capacità di rispondere ad una
sostanza chimica e determina il processo dell’ADATTAMENTO.