1. In raport cu functiile indeplinite, în сelulă se întalnesc mai multe tipuri de determinanti genetici:
1. Genele structurale, care reprezinta circa 90% din cantitatea informatiei genetice, determina
structura primara a proteinelor, respectiv secventa aminoacizilor in lantul polipeptidic. Ele sunt
grupate, de regula, in unitati de exprimare coordonata (transcriere sincrona), denumite operoni,
impreuna cu genele reglatoare. Uneori, ansamblul genelor supuse unui control unitar sunt dispersate
in genom si formeaza impreuna un reglon.
2. Genele reglatoare au functia de a controla activitatea genelor structurale, prin intermediul
produsului lor de sinteza (represor sa deeatu aporepresor).
3. Regiunea operator reprezinta segmentul de ADN cromosomal din structura fiecarui operon care
are rolul de receptor de semnale. Ele inregistreaza prezenta substantelor cu functie de represor sau
de inductor in mediu si asigura functionarea coordonata a operonului.
4. Regiunea promotor (initiator) reprezinta un fragment din structura operonului, adiacent genei
operator. Are functia de initiere a transcrierii operonului, in molecula de ARNm. La nivelul sau are
loc legarea enzimei efectoare, ARN-polimeraza.
5. Secventele de insertie (SI) sunt secvente nucleotidice scurte (800-l400 nucleotide), caracterizate
printr-o mare mobilitate care decurge din capacitatea lor de transpozitie. Transpozitia este termenul
care defineste rearanjarile ADN, in care o secventa de nucleotide se elibereaza prin excizie din
situsul lor de insertie cromosomala sau plasmidiala si se reinsera la un alt situs pe aceiasi sau pe o
alta molecula de ADN.
6. Gene pentru sinteza ARNr (l0-20) si ARNt (circa 50), situate in regiuni diferite ale
cromosomului. Cromosomul contine de asemenea, secventele “ori” care controleaza replicarea,
precum si suprafete de legare cu mezosomul.
Genetica bacteriana s-a dezvoltat pe baza studiului bacteriilor enterice. Problema esentiala este
identificarea genelor si a functiilor lor. Multe dintre genele necunoscute (circa 1/3) sunt probabil
importante pentru supravietuirea in conditiile mediului natural schimbator: in apele curgatoare, in
sol, pe resturi organice, in tesuturile gazdei.
Nu s-au identificat toate genele cu rol reglator, ca de exemplu: genele ce controleaza diviziunea
celulara, segregarea nucleoidului, asamblarea.
5.1. STRUCTURA GENEI LA PROCARIOTE
La procariote, un grup de gene structurale, împreună cu o genă reglatoare ș i cu o secvenț ă
denumită operator, alcătuiesc o unitate de funcț ie denumită operon.
Operonul reprezintă o unitate de transcripț ie ș i o unitate de reglaj genetic.
Segmentul structural, (genele structurale).
Reprezintă o succesiune de codoni informaț ionali, care vor fi transcriș i în ARN mesager ș i vor
determina succesiunea aminoacizilor în lanț ul polipeptidic. La procariote gena are o structură
continuă ș i va fi transcrisă în bloc în ARN-m, spre deosebire de genele eucariotelor care au o
structură discontinuă. De obicei, la procariote mai multe gene structurale sunt asociate împreună în
unitatea funcț ională reprezentată de operon. Fiecare genă dintr-un segment structural al
operonului, are codonul start ș i codonul stop, iar între gene există cîte o scurtă secvenț ă
nucleotidică intercalată. Segmentul structural al unei gene începe întotdeauna cu un codon start
ATG, care va fi transcris în ARN-m ca triplet AUG, codificînd metionina.
Uneori în locul codonului AUG este un alt codon iniț iator GUG , care codifică valina. Capătul
terminal al segmentului structural este semnalat de unul din codonii stop (sau non - sens) -UAA,
UAG sau UGA, care au funcț ia de stopare a sintezei proteice.

2. Segementul reglator al operonului.
Este alcătuit din:
o genă reglatoare; promotorul genei reglatoare; promotorul operonului; operatorul; iniț iatorul; o
secvenț ă denumită loc de legare de ribozom ș i terminatorul, (fig. 23).
Gena reglatoare (i), poate fi situată pe aceeaș i catenă în cadrul operonului pe care îl reglează
(efectul cis), dar se poate găsi ș i la distanț ă, pe cealaltă catenă a ADN-ului (efectul trans). Ca
poziț ie este înainte de promotorul operonului. Gena reglatoare realizează sinteza unui produs
proteic denumit
represor, care are o structură alosterică, suferind astfel modificări conformaț ionale corespunzătoare
activităț ii lor. În funcț ie de starea sa, represorul se poate ataș a de operator blocându-l, sau poate
să-l lase liber, permiț înd astfel activitatea de transcripț ie a mesajului genetic în ARN mesager.
 Promotorul genei reglatoare (Pi), controlează activitatea genei reglatoare, fiind situat în amonte
de aceasta.
Promotorul operonului (P), prin secvenț ele nucleotidice specifice pe care le conț ine, reprezintă
locul pe care-l utilizează enzima ARN-polimeraza pentru a începe transcripț ia mesajului genetic.
Promotorul operonului conț ine circa 80 pb, la rîndul lui fiind alcătuit din trei scurte secvenț e
nucleotidice, deosebit de bine conservate la diverse specii de tip procariot ș i eucariot. Aceste
secvenț e sunt:
- secvenț a - 10, (5’-TATAAT-3’), denumităș i cutia Tata sau cutia Pribnow. Această secvenț ă
nucleotidică se găseș te la distanț ă de 10 pb de locul de iniț iere al transcripț iei (de aceea este
denumităș i secvenț a - 10);
- secvenț a - 35, (5’-TTGACA-3’), denumităș i secvenț a de recunoaș tere. Se aflăla distanț ăde
35 pb de locul de iniț iere al transcripț iei.
Secvenț ele - 10 ș i - 35 din promotorul operonului, care se deosebesc de secvenț ele strâns înrudite
prezente în alte locuri din genom, prin cel mult 1 - 2 nucleotide se numesc secvenț e consensus.
Una din subunităț ile enzimei ARN-polimeraza, factorul sigma, recunoaș te secvenț a -35 al
promotorului, ceea ce permite ataș area puternică a enzimei ARN-polimeraza de secvenț a -10
(cutia TATA), pentru a-ș i putea exercita apoi funcț ia de iniț iere a sintezei de ARN mesager.
- Cea de-a treia secvenț ă din cadrul promotorului, se află în amonte de secvenț a -35,
fiind denumită secvenț a - 80.
Pentru ca transcripț ia să înceapă în segmentul structural, trebuie săse formeze un complex CAP -
AMPc (CAP = protein reglatoare; AMPc = acidul adenozinmonofosforic), complex care la rîndul lui
se ataș eazăde secvenț a -80 (5’-CAAT-3’), stimulț nd astfel legarea enzimei ARN-polimeraza. În
ultimii ani s-a reuș it sinteza “in vitro”, a unor secvenț e specifice de promotori, foarte eficienț i în
reglarea activităț ii genelor. Un astfel de promotor specific pentru ARN- polimeraza bacteriofagului
T7 este:
5’-TAATACGACTCACTATAGGG-3’3’-ATTATGCTGAGTGATATCCC-5’.
Operatorul (O), este situat în aval de regiunea promotorului, fiind foarte aproape de locul în care
începe transcripț ia (sinteza de ARN mesager). Este format dincirca 20 de nucleotide, avț nd rol
principal de a oferi un loc specific de legare a represorului, el mai numindu-se ș i
“locul de legare al represorului”.
În acest mod operatorul este acela care permite sau nu funcț ionarea enzimei ARN-polimeraza.
Iniț iatorul, reprezintă o secvenț ă specific format din trei nucleotide(CAT), denumită ș i locul
de iniț iere. Din acest loc, enzima ARN-polimeraza începe transcripț ia.

3.  Locul de legare de ribozomi, reprezintăo secvernț ă alcătuită din 3 – 9 nucleotide, fiind
cunoscutăș i sub denumirea de secvenț a Shine-Dalgano (SD). Această secvenț ă este localizată
între operator ș i gena structural ș i are următoarea structură: 5’-TAAGGAGGT-3’3’-
ATTCCTCCA-5’
Această secvenț ădin catena de ADN, determinătranscrierea în ARN-m a unei secvenț e
nucleotidice complementare, cu ajutorul căreia ARN-m se fixeazăde ribozomi (de subunitatea
ribozomală30S), prin intermediul ARN-r, pentru a începe sinteza proteinei specifice. Începutul
segmentului structural este marcat de codonul start (ATG), iar capătul genei este semnalat de unul
din codonii non-sens (stop), cu funcț ia de a stopa sinteza proteică.
Terminatorul, este situat în aval de ultima genă structurală ș i determină întreruperea activităț ii
ARN-polimerazei, prin recunoaș terea de către enzimă prin intermediul factorului sigma, a unor
secvenț e nucleotidice specifice din terminator. În acest moment, atât ARN polimeraza cît ș i
molecula de ARN-mesager sintetizată, se desprind ș i se eliberazăde pe catena de ADN.
Terminatorul este format din douăsecvenț e distincte:
o secvenț ăde 15 - 20 de nucleotide, care se găseș te înainte de codonul stop al unei gene
structurale, având o structurăpolindromică, (secvenț ăde nucleotide repetate inversat, faț ăde
secvenț a complementară). Secvenț ele polinucleotidice repetate inversat (polindromice), sunt
bogate în perechi de baze G, C;
o secvenț ăde 6 nucleotide de adenină, dispuse dupăcodonul stop al ultimei gene structurale. Din
cadrul unui operon, existăun segment care este transcris în ARN mesager, format din:
locul de legare de ribozomi ș i genele structurale ș i un segment ne transcriptibil în ARN mesager,
format din:
promotor, gene reglatoare ș i promotorul genei reglatoare, operator ș i terminator.
Datorităexistenț ei mai multor gene structurale într-un operon, ARN-ul mesager sintetizat este unic
pentru genele structurale respective, fiind denumit
ARN-m polygenic sau ARN-m policistronic

4. -
46
-
-

5. Reglarea activitatii celulei bacteriene
Activitatea metabolica a celulei bacteriene se adapteaza permanent conditiilor de mediu
mereu schimbatoare, prin intermediul unor mecanisme fine si eficiente.
Simplitatea organizarii interne a celulei bacteriene si deosebita sa plasticitate fiziologica ii
asigura supravietuirea in contextul unor variatii largi ale conditiilor de mediu, spre deosebire de
celulele organismelor superioare, care tolereaza modificari in limite foarte restranse ale
parametrilor homeostaziei. Celula bacteriana se gaseste intr-o permanenta stare de echilibru
dinamic, in care toate componentele sale structurale sunt continuu construite si degradate.
Bacteriile sintetizeaza unele enzime necesare degradarii anumitor substraturi, numai cand
acestia sau analogii lor se gasesc in mediu.
In mod obisnuit, bacteriile necesita produsele de sinteza ale unui singur operon. In celula
functioneaza mecanisme reglatoare de tip on-off care permit sinteza enzimelor, numai daca
acestea sunt cerute de conditiile externe.
Selectia naturala optimizeaza eficienta. Sistemele reglatoare ale celulelor procariote au o
finalitate teleonomica precisa: sa favorizeze cresterea cu o rata maxima, cu exceptia cazurilor in
care cresterea ar fi daunatoare. Aceiasi strategie a finalitatii se aplica si organismelor eucariote
unicelulare: levuri, alge, protozoare.
Reglarea celulara la bacterii este supusa unor reguli generale:
1. moleculele care sunt necesare numai ocazional, se sintetizeaza numai cand prezenta lor
este necesara;
2. o activitate enzimatica ce consuma inutil energie, sau consuma o molecula care este
substratul unei alte enzime, este de obicei inhibata;
3. daca celula are mai multe cai metabolice disponibile, ea va alege calea care produce o
cantitate mai mare de energie pe unitatea de timp.
Schimbarile chimice in lumea vie se produc pe cale metabolica, adica printr-o secventa de
reactii, fiecare fiind catalizata de o enzima specifica.
La bacterii, reglarea activitatii unei astfel de caI, se face prin sinteza sau inhibitia sintezei
intregului set de enzime si proteine accesorii: ori se sintetizeaza intregul set de enzime, ori nu se
sintetizeaza nici una. Acest fenomen, denumit reglare coordonata deriva din controlul sintezei
unei molecule de ARNm policistronic, care codifica toate produsele genice.
Un operon functioneaza cand este necesar (on) si se intrerupe (off) cand enzimele codificate
sunt inutile pentru celula.
Dupa Kleinsmith (l976), activitatea mecanismelor reglatoare se poate desfasura la 4 nivele:
- la nivelul transcrierii genetice (prin sinteza ARN sau prin blocarea ei);
- prin controlul la nivelul traducerii genetice;
- prin modificarea directa a activitatii enzimelor existente in celula;
- prin modificarea ratei degradarii proteinelor.

6. Controlul la nivelul traducerii mesajului, este un eveniment mult mai rar, dar cele de reglare
la nivelul transcrierii sunt comune.
Controlul la nivelul transcrierii prin oprirea procesului nu are semnificatia blocarii sale
complete (off state). Nu se cunoaste nici un sistem cu intrerupere totala a sintezei ARNm.
Totdeauna ramane un nivel foarte scazut al transcrierii, ce consta din l-2 evenimente de
transcriere/generatie celulara, astfel incat sinteza produsului genic este foarte limitata. Numai in
sporii bacterieni, exprimarea genelor este total oprita.
Mecanismele de reglare la nivelul transcrierii sunt dependente de rolul enzimelor reglate:
daca actioneaza in caile degradative sau au rol in reactiile de anabolism. De exemplu, intr-un
sistem degradativ cu mai multe trepte, disponibilitatea moleculei ce urmeaza a fi degradata,
conditioneaza adeseori, sinteza enzimelor. Invers, intr-o cale biosintetica, produsul final al caii,
este adeseori, molecula reglatoare.
Chiar intr-un sistem in care o singura molecula proteica este sintetizata din ARNm
monocistronic, proteina poate fi autoreglata, adica ea insasi poate sa inhibe initierea transcrierii.
Concentratia crescuta a proteinei, scade rata transcrierii ARNm specific (fig 135).
Fig. 135. Mecanismul represiei sintezei enzimelor. a. Represorul este inactiv, adica nu se
poate asocia cu secventa operator, iar genele operonului sunt transcrise in ARNm. b. Dupa
legarea corepresorului (o molecula mica exogena) cu represorul, acesta se activeaza, se asociaza
la regiunea operatoare si transcrierea genelor operonului este blocata.
Mecanismele moleculare sunt proprii pentru fiecare sistem reglator, dar in functie de efectele
asupra celulei, procesele reglatoare sunt de doua categorii:
1. Procese reglatoare pozitive sunt acelea in care exprimarea informatiei genetice creste
cantitativ. Intr-un sistem reglat pozitiv, o molecula efectoare (o proteina, un complex
molecular) activeaza rata transcrierii de la un promotor.
2. Procesele reglatoare negative semnifica diminuarea cantitativa a exprimarii informatiei
genetice. Intr-un sistem reglat negativ, transcrierea genelor este blocata de un inhibitor
prezent in celula. Inhibitorul se numeste represor. Pentru reluarea transcrierii, este necesar
un antagonist al represorului denumit inductor.
O cale degradativa poate fi reglata pozitiv sau negativ.
Intr-o cale biosintetica, produsul final al caii, regleaza negativ propria sa sinteza.

7. Activitatea reglatoare a diferitelor activitati celulare se realizeaza la nivelul unitatilor
genetice denumite operoni.
Modelul reglator al operonului
Operonul este o unitate functionala de reglare, alcatuita dintr-un grup de cistroni (A, B, C
etc.), care codifica o anumita functie (de exemplu, biosinteza enzimelor unei cai metabolice) si
este transcrisa unitar intr-o molecula de ARNm policistronic. Cel mai cunoscut este operonul lac,
care codifica si regleaza sinteza enzimelor ce intervin in metabolismul lactozei.
Pe baza studiului operonului lac, Jacob si Monod (l967) au elaborat modelul clasic de
structura a operonilor. Un operon este alcatuit din:
- gene structurale;
- regiunea operator (o) formata din circa 27 de perechi de baze, ce functioneaza ca situs de
recunoastere si legare a represorului specific;
- regiunea promotor (p), cu o lungime de circa 80 de baze, cu rolul de a lega ARN-polimeraza
pentru initierea transcrierii genelor structurale;
- gena reglatoare, situata adiacent sau la distanta de regiunea operatoare, ce tine sub control
toate celelate gene ale unui operon.
La bacterii, activitatea genica este reglata, in primul rand, la nivelul transcrierii. Transcrierea
coordonata a genelor intr-un operon este blocata de proteinele represor si este activata de
proteinele stimulatoare.
Elementele genetice ale operonului bacterian sunt urmatoarele: gena reglatoare (i), situsul
operator si un set de gene structurale (z, y, a) (fig. 136).
Fig. 136. Harta genetica a operonului lac. Secventele p si o sunt mult mai mici decat genele.
Gena reglatoare (i) codifica sinteza unui represor de natura proteica, ce interactioneaza cu
situsul operator. Situsul operator este un segment de ADN adiacent genei structurale pe care o
controleaza. Operonul lac poate fi reglat pozitiv (inductie) sau negativ (represie).
Reglarea pozitiva (Inductia sintezei enzimelor)
Majoritatea genelor din structura cromosomului bacterian sunt nefunctionale in absenta
substratului specific, astfel ca enzimele de catabolism nu se sintetizeaza. Dupa adaugarea
substratului in mediu, gena (genele) se activeaza, fenomen cunoscut sub denumirea de inductie
sau derepresie.
Enzimele care se sintetizeaza numai in prezenta substratului corespunzator (adaugat in
mediul de crestere) se numesc enzime inductibile sau adaptative (Karstrom, l938). Enzimele

8. constitutive sunt acelea a caror sinteza este permanenta, independenta de prezenta substratului in
mediu.
Numeroase enzime de catabolism apartin categoriei enzimelor inductibile. Cei mai cunoscuti
inductori sunt amidonul (pentru amilaza), zaharoza (pentru invertaza), lactoza (pentru -
galactozidaza).
Mecanismul molecular al inductiei enzimatice. E. coli utilizeaza lactoza ca unica sursa de
carbon. Enzimele esentiale pentru catabolismul acestui dizaharid sunt β-galactozidaza (sub
actiunea careia, lactoza este hidrolizata la galactoza si glucoza), galactozid-permeaza (necesara
transportului lactozei prin membrana celulei bacteriene) si thiogalactozid-transacetilaza (al carei
rol fiziologic este incert).
Celulele de E. coli cultivate pe un mediu cu glucoza sau cu glicerol, contin mai putin de l0
molecule de -galactozidaza/celula, iar numarul lor creste la cateva mii, dupa cultivarea celulelor
pe mediul cu lactoza. Sinteza -galactozidazei este inductibila.
Inductorul fiziologic al sintezei -galactozidazei este alolactoza (izomerul glucoza-l,6-
galactoza), derivata din lactoza, printr-o reactie de transglicozilare. Sinteza alolactozei este
catalizata de cele cateva molecule de -galactozidaza, existente in celula, inainte de inductie.
Sinteza -galactozidazei la nivel minim se numeste sinteza constitutiva de baza (bazala) si este
posibila, deoarece legarea represorului de operator nu este niciodata atat de ferma incat sa
blocheze complet transcrierea operonului.
Inductorul (lactoza) se asociaza cu represorul si il modifica, astfel incat acesta nu mai
interactioneaza cu operatorul. In prezenta inductorului, operatorul ramane liber si promotorul este
disponibil pentru initierea sintezei ARNm. Genele structurale z, y, a sunt transcrise intr-o
molecula de ARNm, codificatoare pentru toate cele trei proteine. O molecula de ARNm ce
codifica sinteza a cel putin doua proteine diferite se numeste poligenomica sau policistronica (fig
137).
Reglarea operonului necesita ca gena operatoare sa fie adiacenta genelor structurale ale
operonului (lac z, lac y, lac a), dar proximitatea genei lac i nu este obligatoriu necesara,
deoarece represorul lac I este o proteina difuzibila.
Genele ARNm lac sunt traduse diferential. Raportul cantitativ al celor trei proteine ( -
galactozidaza, permeaza si transacetilaza) este l,0 : 0,5 : 0,2. Sinteza lor diferentiata cantitativ
este rezultatul reglarii traducerii pe doua cai:
l) Gena z este tradusa prima, din ARNm policistronic. Dupa sinteza -galactozidazei, jumatate
din ribosomi se detaseaza de molecula de ARNm. Cealalta jumatate a numarului de ribosomi
continua traducerea si la nivelul genei y. Astfel, numarul moleculelor de permeaza va fi numai
jumatate din numarul moleculelor de beta-galactozidaza;

9. Fig. 137. Diagrama operonului lac in stare activa (indusa). Un inductor exogen se asociaza cu
represorul si formeaza un complex inactiv, care nu recunoaste secventa operator. Genele
operonului sunt transcrise si se sintetizeza enzimele pentru catabolismul lactozei.
2) ARNm bacterian este degradat dupa cateva cicluri de traducere. Degradarea este lenta, dar
incepe cu o frecventa mai mare la nivelul genei a decat la nivelul genei y, iar degradarea la
nivelul genei y este mai frecventa decat la nivelul genei z.
Reglarea negativa (Inductia sintezei enzimelor)
Proteina represor – produsul de sinteza a genei lac I, se leaga de secventa operatoare a
operonului. Represorul s-a purificat din celulele bacteriene infectate cu fagi transductori ai genei
lac. In absenta inductorului, represorul se leaga cu mare afinitate de regiunea operatoare (fig.
138). Represorul gaseste situsul operator prin difuzie unidimensionala de-a lungul moleculei de
ADN si nu prin difuzie din mediul citoplasmatic. Intr-un mod asemanator isi gaseste situsul
promotor, molecula de ARN-polimeraza. Represorul lac se leaga de situsul sau cromosomal, cu
un mare grad de selectivitate.
S-au izolat mutante defective pentru sinteza uneia din cele trei proteine. De exemplu,
mutanta z-
y+
a+
este defectiva pentru sinteza beta-galactozidazei, dar sintetizeaza permeaza si
transacetilaza. Cea mai interesanta clasa de mutante este aceea a mutantelor constitutive, care
sintetizeaza cantitati mari ale celor trei proteine in absenta inductorului.

10. Fig. 138. Diagrama operonului lac in stare represata. Represorul activ se leaga de
regiunea operator si blocheaza transcrierea genelor structurale.
Rata sintezei celor trei proteine este, in mod normal, controlata de o gena reglatoare comuna
(gena i). Bacteriile de tip salbatic sunt inductibile si au genotip i+
z+
y+
a+
. Efectul reglator al
genei i se realizeaza prin intermediul represorului pe care-l codifica.
Represia sintezei enzimelor intr-un sistem biosintetic. Operonul triptofanului
Represia enzimatica reprezinta fenomenul scaderii ratei de sinteza a unui grup de enzime
metabolic inrudite, ori chiar de oprire a sintezei lor, ca urmare a prezentei in celula, a unui
metabolit cu rol de represor. Enzimele din aceasta categorie se numesc represibile.
Represia sintezei enzimelor s-a studiat la E. coli. Pe un mediu minimal, cu glucoza si azot
combinat anorganic, celulele sintetizeaza toti monomerii necesari in proportii optime. In medii
complexe (cu aminoacizi), prezenta produsului final al unei cai de biosinteza, reprezinta un
semnal pentru celula, care, printr-un fenomen de feed-back negativ sau de represie prin produsul
final al caii, stopeaza biosinteza enzimelor devenite inutile, intrucat celula foloseste cu precadere
metabolitul existent ca atare in mediu. Invers, cand aprovizionarea cu triptofan diminua, se
sintetizeaza enzimele sale de biosinteza.
Operonul triptofanului (trp) la E. coli codifica sinteza acestui aminoacid (fig. 139). Reglarea
operonului se face astfel incat, cand triptofanul se gaseste in mediul de crestere, operonul trp nu
este transcris. Cand aprovizionarea celulelor cu triptofan este insuficienta, transcrierea
operonului este initiata.
Pentru reglarea unei cai biosintetice, o reglare de tipul on-off nu raspunde necesitatilor
celulei. Este necesara o reglare cantitativa, deoarece in natura apar situatii in care, o cantitate
suboptimala de triptofan este disponibila, dar aceasta este insuficienta pentru cresterea normala a
celulei. Deficitul de triptofan in celula, este evitat printr-un sistem reglator modulator, in care,
nivelul transcrierii operonului in starea derepresata este determinat de concentratia triptofanului
disponibil. Acest mecanism reglator este activ pentru multi operoni care codifica biosinteza
aminoacizilor.
Triptofanul se sintetizeaza in 5 trepte, fiecare catalizata de o enzima specifica. La E. coli,
genele codificatoare (A, B, C, D, E) ale enzimelor sunt traduse dintr-o molecula de ARNm
policistronic. Prima gena tradusa este trp E.
Gena pentru sinteza represorului (trp R) este localizata departe de acest policistron. Proteina
codificata de gena trp R este aporepresorul trp, inactiv ca atare, datorita lipsei totale de afinitate
pentru regiunea operator. In prezenta produsului final al caii de biosinteza (triptofanul), de
origine exogena sau acumulat prin sinteza endogena, aporepresorul se activeaza: moleculele de
triptofan, cu gr. mol. mica, se comporta ca un corepresor. Complexul format din aporepresor si
corepresor se leaga de secventa operator si transcrierea genelor trp este blocata.

11. Fig. 139. Diagrama operonului triptofanului la E. coli.
Cand aprovizionarea celulei cu triptofan exogen este diminuata, operatorul este liber si
transcrierea incepe. Acesta este principiul mecanismului reglator on-off.
Caile biosintetice sunt controlate insa, prin mecanisme mai fne, in care concentratia
enzimelor unei cai este variabila in functie de concentratia produsului final al caii. Mecanismul
consta in terminarea prematura a transcrierii, inainte ca prima gena structurala sa fie transcrisa.
Pe masura ce triptofanul disponibil scade, incepe transcrierea, dar aceasta este modulata
cantitativ. Intre promotor si operator sunt doua regiuni, denumite leader si atenuator (trp L si trp
a). Secventa L, necodificatoare, se gaseste la capatul 5’ al moleculei de ARNm. La bacteriile de
tip salbatic, in absenta triptofanului in mediu, transcrierea majoritatii moleculelor de ARNm se
termina la secventa de 28 de baze, denumita atenuator. Rezultatul este transcrierea unui ARNm
de l40 de nucleotide (al secventei L), fara ca genele structurale ale operonului sa fie transcrise.
Secventa Leader codifica un polipeptid de l4 aminoacizi, care contine triptofan in pozitiile l0 si
11. Cei doi codoni ai triptofanului din secventa Leader sunt sensibili la concentratia ARNt trp,
adica daca aprovizionarea cu triptofan este suficienta, traducerea ARNm Leader diminua.
Moleculele de ARNm Leader au rolul de a receptiona concentratia triptofanului sintetizat de
enzimele operonului. Daca nivelul triptofanului este scazut, ARN-polimeraza depaseste situsul
atenuator si transcrie intregul operon. Invers, cresterea concentratiei aminoacidului in celula,
blocheaza transcrierea la nivelul secventei atenuator.
Alti cativa operoni care codifica sinteza aminoacizilor la E. coli, poseda situsuri atenuatoare
si realizeaza o reglare cantitativa asemanatoare. Secventa atenuatoare este senzor al concentratiei
celulare a aminoacidului a carui sinteza o regleaza. Peptidul leader al fiecarui operon contine
cativa aminoacizi de tipul celor controlati de operon. De exemplu, operonul treoninei codifica
enzime ce sintetizeaza treonina si izoleucina. Peptidul leader contine 8 resturi de treonina si 4
resturi de izoleucina. In secventa leader de l5 aminoacizi a fenil-alaninei se gasesc 7 resturi de
fenil alanina, iar peptidul leader al operonului histidinei contine 7 resturi consecutive de
histidina.
Din punct de vedere molecular, mecanismul reglator este conditionat de faptul ca la bacterii,
transcrierea este cvasi-simultana cu traducerea mesajului.
Fenomenul represiei sintezei enzimelor prin feed-back, permite celulei sa mentina in limite
adecvate, concentratiile relative ale enzimelor necesare sintezei aminoacizilor, proteinelor,
acizilor nucleici etc.
Controlul activitatii enzimelor. Inhibitia prin produsul final

12. Reglarea prompta a activitatii enzimatice pentru evitarea supraproductiei de intermediari
metabolici (aminoacizi, baze purinice si pirimidnice), se realizeaza prin inhibitia activitatii
enzimelor, sub actiunea produsului final de biosinteza. Acest proces reglator se numeste inhibitie
prin produs final, retroinhibitie sau inhibitie prin feed-back.
Daca celula ar controla numai biosinteza enzimelor, reglarea ar fi lipsita de promptitudine,
deoarece enzimele deja existente in celula, si-ar exercita actiunea catalitica si rezultatul ar fi
acumularea in exces a produsului caii respective. Celulele dispun de mecanisme de reglare fina,
instantanee, ce constau in inhibarea sau blocarea functionarii primei enzime a caii biosintetice,
sub actiunea produsului final aflat in exces.
Existenta reglarii prin inhibitia activitatii enzimelor s-a demonstrat pentru mai multe sisteme
enzimatice, in care biosinteza unor metaboliti sau degradarea unui substrat se realizeaza printr-o
serie de trepte succesive, fiecare fiind catalizata de o enzima diferita. Grupul de enzime care
actioneaza cooperant pentru sinteza sau pentru degradarea unui metabolit se numeste zimom.
Prezenta in mediu, a produsului final al ultimei trepte metabolice de sinteza, inhiba activitatea
enzimei care catalizeaza prima treapta a biosintezei si astfel, intreaga serie de reactii succesive
este blocata, dar se reactiveaza in absenta metabolitului.
E. coli sintetizeaza L-izoleucina din treonina. Daca mediul minimal, cu glucoza si NH4
+
este
suplimentat cu L-izoleucina, are loc blocarea prompta a activitatii enzimei L-treonin-deaminaza,
implicata in prima treapta a biosintezei. Astfel, enzimele care catalizeaza reactiile urmatoare ale
caii sintezei L-izoleucinei sunt lipsite de produsii intermediari, care reprezinta substratul lor
specific.
De obicei este blocata numai prima treapta a unui lant metabolic.
Mecanismul molecular al inhibitiei prin produs final. Sitemele de retroinhibitie sunt active, in
esenta, in reglarea cailor de biosinteza (anabolism). Produsul final al caii, inhiba actiunea
catalazei ce catalizeaza prima treapta a sintezei produsului final. Produsul final al unei cai de
biosinteza, formata din mai multe trepte, se deosebeste net de substratul primei enzime. Atat
produsul final, cat si substratul sau nespecific, interactioneaza cu aceiasi enzima. Aceste enzime
au caracter de proteine alosterice. Interactiunea cu substratul specific si cu produsul final al caii,
are loc la situsuri moleculare diferite. Cand se combina cu produsul final al caii (efectorul
alosteric), enzimele alosterice sunt incapabile sa functioneze catalitic, deoarece situsul lor activ
sufera o tranzitie alosterica, la forma inactiva. Astfel de proteine ale caror configuratii spatiale se
modifica dupa legarea moleculelor mici specifice, la alte situsuri decat situsul activ, se numesc
proteine alosterice, iar moleculele efectoare ale acestor transformari se numesc efectori
alosterici.
Exista mai multe tipuri de inhibitie prin produs final:
- inhibitia cailor multifunctionale (multivalente), corespunde reglarii cailor metabolice
ramificate, in care se sintetizeaza mai multi produsi finali. Pentru a asigura inhibitia reglatoare,
este indispensabila prezenta diferitilor produsi finali. Actiunea izolata a fiecarui produs este
ineficienta;

13. - inhibitia cumulativa se caracterizeaza prin faptul ca, fiecare din produsele finale ale unei cai
ramifcate, chiar la concentratia de saturare, inhiba partial activitatea primei enzime. Diferitii
produsi finali actioneaza sinergic;
- inhibitia asupra izoenzimelor: enzima ce catalizeaza prima treapta se gaseste sub mai multe
forme (izoenzime), fiecare fiind sensibila la actiunea unui anumit produs. Cel mai cunoscut este
cazul asparto-kinazei la E. coli, constituita din trei izoenzime.
Inhibitia prin produs final este de ordin cantitativ. Produsul final inhiba partial sau total,
activitatea primei enzime, in functie de concentratia sa in mediu. Inhibitia totala a activitatii
enzimei, se produce numai in cazul in care produsul final s-a acumulat in exces fata de
necesitatile celulei.
Aplicatii ale represiei sintezei enzimelor in biotehnologie. Represia sintezei enzimelor ofera
posibilitatea dirijarii proceselor de biosinteza industriala, pe urmatoarele cai:
- limitarea prezentei si acumularii produsilor finali in mediu. Astfel, producerea glutamat-
dehidrogenazei poate fi marita de circa 20 de ori la B. liqueniformis, prin utilizarea glucozei sau
malatului ca sursa de C, in loc de glutamat sau de hidrolizat de cazeina;
- limitarea producerii interne prin biosinteza, a produsilor finali, prin adaugarea in mediu, a
unui inhibitor al caii metabolice;
- “infometarea” partiala a unei mutante auxotrofe, fata de produsul necesar cresterii;
- utilizarea unor mutante de reglare (mutante constitutive): fie a unor mutante care sintetizeaza
un aporepresor ce nu se combina cu corepresorul, fie a unor mutante la nivelul regiunii
operatoare, ce nu pot lega represorul. Ele sintetizeaza enzime constitutive, chiar in prezenta
unor concentratii mari de produsi finali, care in mod normal sunt represoare.
Controlul sintezei proteice la nivelul traducerii
Genele codificatoare ale celor peste 50 de proteine ribosomale sunt localizate in peste 20 de
operoni si sinteza lor este controlata riguros. Controlul este esential, deoarece componentele
ribosomale reprezinta peste 40% din greutatea uscata a celulei bacteriene.
Controlul sintezei proteinelor ribosomale se exercita in primul rand la nivelul traducerii,
spre deosebire de alte proteine care sunt reglate la nivelul transcrierii.
Cel putin o proteina, codificata de fiecare din cei peste 20 de operoni, are rolul de represor al
traducerii. Represorul traducerii se leaga de ARNm langa situsul de initiere a propriei sale sinteze
si blocheaza sinteza catorva proteine codificate de mesajul poligenic.
Legarea proteinelor reglatoare, de ARNm, nu interfera cu asamblarea ribosomilor, deoarece
proteinele ribosomale se leaga mai ferm de ARNr decat de ARNm.
Represia traducerii are loc numai cand sinteza proteinelor ribosomale o devanseaza pe aceea
a ARNr, sau cand aceste proteine nu se formeaza in cantitati echimolare.
Represia prin catabolit
Represia prin catabolit se exercita asupra sistemelor enzimatice inductibile ale
catabolismului si a fost descrisa sub denumirea de “efectul glucozei”, deoarece, la unele

14. microorganisme, glucoza represeaza catabolizarea altor glucide. Acest tip de represie este evident
in conditiile cultivarii unor bacterii, intr-un mediu ce contine un amestec de zaharuri, care sunt
catabolizate succesiv, astfel incat curba de crestere este de tip diauxic.
Fenomenul de diauxie este datorat represiei catabolice pe care o exercita un compus usor si
rapid metabolizabil (glucoza), asupra utilizarii unui alt glucid. Exemplul clasic al represiei prin
catabolit, este al celulelor de E. coli, cultivate in prezenta unui amestec de glucoza-lactoza.
Cultura are o curba de crestere diauxica. Daca un microorganism se cultiva in prezenta a doua
substraturi glucidice, din care unul este represor, iar sistemul enzimatic de catabolizare a celui de
al II-lea este sensibil la represie, metabolizarea primului glucid blocheaza sinteza enzimelor de
metabolizare a celui de al II-lea. E. coli, cultivata pe un mediu cu glucoza si lactoza, creste
initial, exclusiv pe seama catabolizarii glucozei, iar cand concentratia ei scade foarte mult, dupa o
scurta perioada de lag, cresterea este reluata pe seama catabolizarii lactozei.
Glucoza este metabolizata cu o rata superioara altor glucide, astfel incat, in celula se
acumuleaza o concentratie suficienta de metaboliti necesari diferitelor cai de sinteza.
Represia prin catabolit survine atunci cand un compus este metabolizat atat de rapid, incat
produsii intermediari acopera intregul necesar de biosinteze ale celulei si face inutila si chiar
costisitoare, functionarea concomitenta a caii de degradare a altui compus. Catabolitii
intermediari in exces, represeaza nu numai enzimele caii metabolice prin care au fost generati, ci
chiar si enzimele oricarei alte cai care are potentialitatea de a-i produce.
La nivel molecular, represia prin catabolit, este rezultatul scaderii concentratiei de AMP
ciclic. Legarea ARN-polimerazei pentru transcrierea operonului lac, are loc numai daca o alta
proteina, denumita proteina activatoare a catabolismului s-a asociat in imediata vecinatate a
situsului promotor. Aceasta proteina se asociaza numai daca, in prealabil, s-a activat in prezenta
AMP ciclic (fig 140).
In prezenta glucozei in mediu, nivelul AMP ciclic scade si proteina activatoare a
catabolismului nu se asociaza promotorului operonului lac. In absenta acesteia, ARN-polimeraza
nu initiaza transcrierea operonului. Astfel, represia prin catabolit pare a fi rezultatul unui deficit
al AMP ciclic.

15. Fig. 140. Rolul AMP ciclic in sinteza ARNm si mecanismul represiei catabolice. Cand
AMPc este disponbil, proteina activatoare a catabolismului (CAP) se asociaza de un situs
adiacent promotorului, care la randul sau stimuleaza legarea ARN-polimerazei. in prezenta
glucozei, AMPc este degradat, CAP nu se poate asocia si ARNm nu este transcris.
Structura moleculara a AMP (Adenozin-monofosfatul) ciclic.