El operón L-arabinosa , también llamado el ara o araBAD operón , es un operón requerido para la descomposición del azúcar de cinco carbonos L-arabinosa en Escherichia coli . [1] El operón L-arabinosa contiene tres genes estructurales : araB , araA , araD (conocidos colectivamente como araBAD ), que codifican tres enzimas metabólicas necesarias para el metabolismo de la L-arabinosa. [2] AraB ( ribuloquinasa ), AraA (unisomerasa ), AraD (una epimerasa ) producida por estos genes catalizan la conversión de L-arabinosa en un intermedio de la ruta de las pentosas fosfato , D -xilulosa-5-fosfato . [2]
Los genes estructurales del operón L-arabinosa se transcriben a partir de un promotor común en una única transcripción , un ARNm . [3] La expresión del operón L-arabinosa está controlada como una sola unidad por el producto del gen regulador araC y el complejo de proteína activadora de catabolitos (CAP) - cAMP . [4] La proteína reguladora AraC es sensible al nivel de arabinosa y juega un doble papel como activador en presencia de arabinosa y represor en ausencia de arabinosa para regular la expresión de araBAD . [5] La proteína AraC no solo controla la expresión de araBAD sino que también autorregula su propia expresión a niveles altos de AraC. [6]
Estructura
El operón L-arabinosa está compuesto por genes estructurales y regiones reguladoras que incluyen la región operadora ( araO 1 , araO 2 ) y la región iniciadora ( araI 1 , araI 2 ). [7] Los genes estructurales, araB , araA y araD , codifican enzimas para el catabolismo de la L-arabinosa . También hay un sitio de unión de CAP donde el complejo CAP-cAMP se une y facilita la represión de catabolitos , y da como resultado una regulación positiva de araBAD cuando la célula carece de glucosa . [8]
El gen regulador, araC , se localiza corriente arriba del operón L-arabinosa y codifica la proteína reguladora AraC sensible a arabinosa . Tanto araC como araBAD tienen un promotor discreto donde la ARN polimerasa se une e inicia la transcripción . [4] araBAD y araC se transcriben en direcciones opuestas desde el promotor araBAD ( P BAD ) y el promotor araC ( P C ) respectivamente. [2]
Función
- araA codifica L-arabinosa isomerasa , que cataliza la isomerización entre L-arabinosa y L-ribulosa .
- araB codifica la ribuloquinasa , que cataliza la fosforilación de L-ribulosa para formar L -ribulosa-5-fosfato .
- araD codifica L-ribulosa-5-fosfato 4-epimerasa , que cataliza la epimerización entre L-ribulosa-5-fosfato y D -xilulosa-5-fosfato .
Sustrato | Enzima (s) | Función | Reversible | Producto |
---|---|---|---|---|
L - arabinosa | AraA | Isomerasa | sí | L- ribulosa |
L - ribulosa | Árabe | Ribuloquinasa | No | L -ribulosa-5-fosfato |
L - ribulosa-5-fosfato | AraD | Epimerasa | sí | D -xilulosa-5-fosfato |
Tanto la L-ribulosa 5-fosfato como la D-xilulosa-5-fosfato son metabolitos de la vía de las pentosas fosfato , que vincula el metabolismo de los azúcares de 5 carbonos con el de los azúcares de 6 carbonos . [6]
Regulación
El sistema de L-arabinosa no solo está bajo el control del activador de CAP-cAMP, sino que también se regula positiva o negativamente mediante la unión de la proteína AraC. AraC funciona como un homodímero , que puede controlar la transcripción de araBAD a través de la interacción con el operador y la región iniciadora en el operón L-arabinosa. Cada monómero de AraC está compuesto por dos dominios que incluyen un dominio de unión al ADN y un dominio de dimerización . [9] El dominio de dimerización es responsable de la unión de arabinosa. [10] AraC sufre un cambio conformacional al unirse a la arabinosa, en el cual, tiene dos conformaciones distintas. [6] La conformación está puramente determinada por la unión del inductor alostérico arabinosa. [11]
AraC también puede autorregular negativamente su propia expresión cuando la concentración de AraC se vuelve demasiado alta. La síntesis de AraC se reprime mediante la unión de AraC dimérico a la región operadora ( araO 1 ).
Regulación negativa de araBAD
Cuando no hay arabinosa, las células no necesitan los productos ara BAD para descomponer la arabinosa. Por lo tanto, AraC diméricas actúa como un represor: uno se une monómero al operador de la araBAD gen ( Arão 2 ), otro monómero Se liga a un distante ADN media sitio conocido como Arai 1 . [12] Esto conduce a la formación de un bucle de ADN. [13] Esta orientación bloquea la ARN polimerasa para que no se una al promotor araBAD . [14] Por lo tanto, se inhibe la transcripción del gen estructural araBAD . [15]
Regulación positiva de araBAD
La expresión del operón araBAD se activa en ausencia de glucosa y en presencia de arabinosa. Cuando hay arabinosa, tanto AraC como CAP trabajan juntos y funcionan como activadores. [dieciséis]
Vía AraC
AraC actúa como activador en presencia de arabinosa. AraC sufre un cambio conformacional cuando la arabinosa se une al dominio de dimerización de AraC. Como resultado, el complejo AraC-arabinosa se desprende de araO 2 y rompe el bucle de ADN. Por tanto, es más favorable energéticamente que AraC-arabinosa se una a dos medios sitios de ADN adyacentes: araI 1 y araI 2 en presencia de arabinosa. Uno de los monómeros se une a araI 1 , el monómero restante se une a araI 2 ; en otras palabras, la unión de AraC a araI 2 es inducida alostéricamente por arabinosa. Uno de los monómeros AraC se sitúa cerca del promotor araBAD en esta configuración, lo que ayuda a reclutar ARN polimerasa al promotor para iniciar la transcripción. [17]
Vía CAP / cAMP (represión de catabolitos)
CAP actúa como un activador transcripcional solo en ausencia del azúcar preferido de E. coli , la glucosa. [18] Cuando no hay glucosa , un alto nivel de proteína CAP / complejo cAMP se une al sitio de unión de CAP, un sitio entre araI 1 y araO 1 . [19] La unión de CAP / cAMP es responsable de abrir el bucle de ADN entre araI 1 y araO 2 , lo que aumenta la afinidad de unión de la proteína AraC por araI 2 y, por lo tanto, promueve que la ARN polimerasa se una al promotor araBAD para activar la expresión del araBAD necesario para metabolizar la L-arabinosa.
Autorregulación de AraC
La expresión de araC está regulada negativamente por su propio producto proteico, AraC. El exceso de AraC se une al operador del gen araC , araO 1 , a niveles elevados de AraC, lo que bloquea físicamente el acceso de la ARN polimerasa al promotor araC . [20] Por lo tanto, la proteína AraC inhibe su propia expresión a altas concentraciones. [dieciséis]
Uso en el sistema de expresión de proteínas.
El operón L-arabinosa ha sido un foco de investigación en biología molecular desde 1970, y se ha investigado ampliamente a nivel genético , bioquímico , fisiológico y biotécnico. [3] El operón L-arabinosa se ha utilizado comúnmente en el sistema de expresión de proteínas , ya que el promotor araBAD se puede utilizar para producir una expresión dirigida bajo una estricta regulación. Al fusionar el promotor araBAD con un gen de interés, la expresión del gen diana puede ser regulada únicamente por arabinosa: por ejemplo, el plásmido pGLO contiene un gen de proteína fluorescente verde bajo el control del promotor P BAD , lo que permite que la producción de GFP sea inducida por arabinosa.
Ver también
- Operón
- Catabolismo
- Represión de catabolitos
Otros sistemas de operones en E. coli :
- operón gal
- operón gab
- operón lac
- operón trp
Referencias
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enlaces externos
- Análisis genético moderno de Griffiths, AJ et al. (libro de texto en línea)
- Bioquímica de Berg, JM et al. (libro de texto en línea)
- Una introducción al análisis genético de Griffiths, AJ et al. (libro de texto en línea)