operonul ara

1

Operonul ARA

Operonul ARA cuprinde gene ce permit celulelor bacteriene folosirea arabinozei ca sursă unică de

carbon. La E.coli acest operon cuprinde :

‐ 6 gene structurale

ara B, ara A, ara D – codifică enzime care convertesc L‐arabinoza la D‐xilulozo‐5‐fosfat, ce este un intermediar în caleametabolică a pentozo‐fosfaților

ara E, ara F, ara G – codifică proteine membranare necesare transportului activ al arabinozei către interiorul celulei

Aceste 6 gene sunt cotranscrise pornind de la promotorul PBAD.

‐ 1 genă reglatoare – ara C, ce codifică proteina Ara C care este o proteină reglatoare cu acțiune

duală, modulând procesul de transcriere de la PBAD.

Această genă este transcrisă monocistronic, de la propriul promotor (PC), ce se suprapune parțial

peste PBAD. Transcrierea de la cei doi promotori are loc în direcții opuse.

‐ Secvențe reglatoare

Operatorul ara O1, se află în regiunea promotorului PC; la acest operator se ataşează proteina Ara

C, modulându‐şi propria expresie genică;

Operatorul ara O2, se află în regiunea codificatoare a genei ara C; prin ataşarea proteinei Ara C la

acest operator este represată transcrierea genelor structurale de la

promotorul PBAD;

Secvențele ara I1 şi ara I2 sunt secvențe reglatoare cu rol dual; şi la acestea se ataşează tot

proteina Ara C;

Secvența la care se ataşează proteina CAP activată în prealabil de AMPc.

ara Aara A ara Gara Gara Dara D ara Eara E ara Fara F tt

PPBADBADPPCC

ara Bara Btt

CAPCAP‐‐cAMPcAMP

transcriere policistronicătranscriere policistronicătranscriere monocistronicătranscriere monocistronică

ara Cara C

ara Oara O22 ara Oara O11 ara Iara I11 ara Iara I22

traduceretraducere

Ara CAra C

Ara CAra CAra CAra C

arabinozăarabinoză

R e p r e s i eR e p r e s i e ActivareActivare

traduceretraducere

Ara AAra A Ara BAra B Ara DAra D Ara Ara EE Ara Ara FF Ara Ara GG

PPCC PPBADBAD

ActivareActivare

ara Aara A ara Gara Gara Dara D ara Eara E ara Fara F tt

PPBADBADPPCC

ara Bara Btt

CAPCAP‐‐cAMPcAMP

transcriere policistronicătranscriere policistronicătranscriere monocistronicătranscriere monocistronică

ara Cara C

ara Oara O22 ara Oara O11 ara Iara I11 ara Iara I22

traduceretraducere

Ara CAra C

Ara CAra CAra CAra CAra CAra C

arabinozăarabinoză

R e p r e s i eR e p r e s i e ActivareActivare

traduceretraducere

Ara AAra A Ara BAra B Ara DAra D Ara Ara EE Ara Ara FF Ara Ara GG

PPCC PPBADBAD

ActivareActivare

Schema operonului ARA.

Transportul arabinozei din exteriorul celulei către citoplasmă este realizat de proteinele Ara E, Ara F

şi, respectiv, Ara G, prin două sisteme, relativ independente unul de celălalt:

‐ proteina Ara E are o rată de transport scăzută, dar afinitate ridicată pentru arabinoză

‐ complexul proteic Ara F – Ara G are o rată de transport ridicată, dar afinitate scăzută

2

Ara AAra A Ara BAra B Ara DAra D

LL‐‐arabinozăarabinoză LL‐‐ribulozăribuloză LL‐‐ribulozoribulozo‐‐55‐‐fosfatfosfat DD‐‐xilulozoxilulozo‐‐55‐‐fosfatfosfat

CaleaCalea

pentozopentozo‐‐fosfafosfațțilorilor

Ara AAra A Ara BAra B Ara DAra D

LL‐‐arabinozăarabinoză LL‐‐ribulozăribuloză LL‐‐ribulozoribulozo‐‐55‐‐fosfatfosfat DD‐‐xilulozoxilulozo‐‐55‐‐fosfatfosfat

CaleaCalea

pentozopentozo‐‐fosfafosfațțilorilor

Transformările metabolice ale L‐rabinozei până la D‐xilulozo‐5‐fosfat.

Ara A = izomerază; Ara B = ribulokinază; Ara D = epimerază.

Exprimarea celor 6 gene structurale ale operonului ARA (ara B .... ara G) este reglată funcție de

prezența sau absența arabinozei din mediu.

A. Când în mediu NU există arabinoză

În această situație, transcrierea celor 6 gene structurale (de la promotorul PBAD) este represată, acest

lucru realizându‐se prin două mecanisme simultane.

1. Represie bazată pe funcționarea proteinei Ara C ca represor

Represia este realizată prin ataşarea a câte un dimer de proteină Ara C la regiunile operator ara O2 şi,

respectiv, ara I1. Cei doi dimeri se atrag formând un tetramer, între care molecula de ADN se

curbează formând o buclă de represie (similar cu bucla de represie formată de proteina Lac I la

operonul LAC). În acest mod este restricționat accesul ARN polimerazei la promotorul PBAD.

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

ara Oara O22 ara Iara I11

ara Iara I22

PP BAD

BAD

PPcc

Tetramer de Ara CTetramer de Ara C

Buclă de Buclă de represierepresie

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC


ara Iara I22

PP BAD

BAD

PPcc


AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC

AraCAraC


ara Iara I22

PP BAD

BAD

PPcc


Buclă de Buclă de represierepresie

Represia operonului ARA prin formarea tetramerului de Ara C şi închiderea buclei de

represie.

2. Proteina activator CAP este inactivă

Ca şi la operonul LAC, şi de altfel, la majoritatea operonilor implicați în utilizarea unor surse

alternative de carbon, şi în cazul operonului ARA fixarea subunității CTD a ARN polimerazei la

promotorul PBAD necesită intervenția proteinei CAP, activată în prealabil prin ataşarea unei molecule

de AMPc. Atâta timp însă cât în celulă concentrația de glucoză este suficient de mare, concentrația

AMPc este mică, în favoarea ATP. Ca atare, proteina CAP nu este activată, iar transcrierea de la

promotorul PBAD nu poate fi inițiată.

B. Când în mediu există numai arabinoză

În această situație transcrierea genelor structurale ale operonului ARA trebuie activată. Activarea

acestui proces este realizată prin două mecanisme simultane:

3

1. activare cu ajutorul proteinei Ara C

Ca majoritatea operonilor bacterieni, şi operonul ARA este exprimat chiar şi în stare represată, dar la

un nivel bazal (cu o rată foarte scăzută), nivel ce asigură totuşi intrarea unei cantități mici de

arabinoză în celulă. Arabinoza are o afinitate chimică ridicată pentru dimerul de Ara C şi se ataşează

la acesta, desfăcând tetramerul de Ara C. Astfel este desfăcută şi bucla de represie, iar ARN

polimeraza are acces la promotorul genelor structurale (PBAD).

Procesul merge chiar mai departe: odată ataşată o moleculă de arabinoză, dimerul de Ara C îşi

schimbă conformația sterică şi se ataşează la cele două regiuni reglatoare duale ara I1 şi ara I2,

determinând fixarea mai stabilă a subunității (sigma) a ARN polimerazei la cele două secvențe

hexamerice din promotorul PBAD.

În acest mod, proteina Ara C devine din proteină represor, proteină activator al transcrierii genetice,

dovedindu‐se a fi o proteină reglator cu funcții duale.

2. activare cu ajutorul proteinei CAP

Cel de‐al doilea mecanism implică activarea proteinei CAP prin legarea cAMP. Astfel, atunci când

scade concentrația celulară de glucoză, creşte concentrația de AMP, respectiv cAMP. Creşterea

concentrației de cAMP determină activarea proteinei CAP (cu formarea complexelor cAMP~CAP) care

se ataşează la molecula de ADN şi fixează şi subunitatea ‐CTD a ARN polimerazei la situsul UP din

promotorul PBAD. Astfel este activată inițierea transcrierii celor 6 gene structurale ale operonului ARA

(ara B … ara G).

TTGACATTGACA TATAATTATAATara Iara I11UPUP ara Iara I22

aa‐‐NTDNTD

aa‐‐CTDCTD

Ara CAra C Ara CAra CCAPCAP‐‐cAMPcAMP

‘‘

arabinoarabinozăză

XXXX XXTTGACATTGACA TATAATTATAATara Iara I11UPUP ara Iara I22

aa‐‐NTDNTD

aa‐‐CTDCTD


‘‘


XXXX XXTTGACATTGACA TATAATTATAATara Iara I11UPUP ara Iara I22

aa‐‐NTDNTD

aa‐‐CTDCTD


‘‘



aa‐‐NTDNTD

aa‐‐CTDCTD


‘‘



aa‐‐NTDNTDaa‐‐NTDNTD

aa‐‐CTDCTDaa‐‐CTDCTD

Ara CAra CAra CAra CAra CAra C Ara CAra CAra CAra CAra CAra CCAPCAP‐‐cAMPcAMPCAPCAP‐‐cAMPcAMP

‘‘‘‘


XXXX XX

Reprezentarea schematizată a ataşării ARN polimerazei şi a proteinelor implicate în transcrierea genetică de la promotorul PBAD. Pentru simplificarea imaginii, molecula ADN este reprezentată drept, deşi ataşarea acestor proteine determină o curbare semnificativă a regiunii promotorului. X = zone de interacțiune proteină – proteină.

operonul ara

Documents