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Repressore Lac |
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Molecola del mese di marzo 2003 Nei batteri il repressore lac controlla l'espressione dei geni che codificano gli enzimi che usano lattosio  IntroduzioneIl DNA è pieno di informazioni. Il nostro DNA contiene le istruzioni per costruire decine di migliaia di proteine e di RNA che compiono tutte le diverse funzioni che ci tengono in vita. Queste informazioni genetiche sono immagazzinate nel DNA sotto forma di sequenze di basi azotate adenina, timina, citosina e guanina. Le informazioni del DNA sono lette dalla RNA polimerasi (mdm 4/2003) separando le due catene e appaiando poi le basi azotate esposte su una catena con le corrispondenti basi complementari dell'RNA, nelle quali però al posto della timina si trova uracile. Anche altre informazioni Le informazioni genetiche codificate nel filamento del DNA non sono le uniche informazioni che il DNA contiene. Un semplice insieme di codici di proteine non sarebbe affatto utile, perché ognuna delle nostre cellule farebbe in continuazione tutte le 30.000 proteine codificate nel DNA. Ma le cellule del cervello non hanno bisogno di sintetizzare emoglobina, e i globuli rossi non hanno bisogno di sintetizzare recettori dell'acetilcolina. Ogni cellula ha bisogno di poter controllare la sintesi delle sue proteine così da costruire solamente quelle necessarie per la sue particolari funzioni. Per risolvere questo problema, il nostro DNA contiene anche molte informazioni di tipo regolatorio che specificano quando e dove ogni proteina può essere costruita. Diversamente dalle informazioni genetiche, queste informazioni regolatorie sono lette senza svolgere il DNA a doppia elica. Al contrario, un esercito di proteine regolatorie scorre lungo le scanalature del DNA a doppia elica, leggendo le parti esposte delle basi azotate e cercando le istruzioni adatte. Alcune di queste proteine, quando trovano le istruzioni adatte, si legano al DNA e bloccano la produzione delle proteine che sono codificate in quell'area. Altri regolatori aumentano la produzione di proteine, inducendo la RNA polimerasi a cominciare la sua funzione di trascrivere RNA messaggero. Nel nucleo è tutto un turbinare di queste proteine regolatorie, perchè controllano la produzione delle proteine che sono necessarie in quel momento e bloccano la sintesi delle proteine che non lo sono. Bloccare il DNA Il repressore lac fa parte della prima rete regolatoria che è stata scoperta, l'operone lac. Questo si trova nei batteri, dove controlla la produzione di tre proteine che sono coinvolte nel metabolismo del lattosio. La sua azione è molto semplice. È un tetramero costituito da quattro identiche subunità che normalmente si legano strettamente ad una regione specifica nel DNA batterico, chiamata operatore, che è vicino ad una regione che codifica tre proteine che metabolizzano il lattosio. Quando è legato lì, blocca la produzione delle proteine, ma quando il repressore lac si lega al lattosio e a zuccheri simili, cambia forma e non può più legare il DNA. A questo punto la RNA polimerasi è libera di trascrivere il gene, e le proteine vengono sintetizzate. Quando c'è poco lattosio, le proteine codificate dall'operone lac non vengono sintetizzate perché non sono necessarie. Quando il batterio incontra una fonte di lattosio, lo zucchero si lega al repressore lac che non può più ostacolare la produzione degli enzimi. La sintesi comincia rapidamente usando lo zucchero stesso come fonte di energia. Infine, quando il lattosio si è esaurito, il repressore lac perde gli zuccheri ai quali era legato, e torna a bloccare la produzione delle proteine che ora non sono più necessarie. Un cappio al DNA La struttura cristallina del repressore lac mostra che questo ha una forma piegata, e tutte e quattro le porzioni che legano il DNA puntano nella stessa direzione. Basandosi su questa struttura, i ricercatori hanno proposto che quando tutte e quattro le subunità sono legate contemporaneamente al DNA, questo risulta piegato a forma di cappio come è mostrato nella figura qui sotto ricostruita al computer. . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . .  Proteine dell'operone Lac  Il
repressore lac controlla la sintesi di tre proteine. La beta galattosidasi mostrata qui a fianco (rosa e gialla, file PDB 1bgl) è l'enzima che realizza il primo stadio nel metabolismo del lattosio, lo taglia a metà e libera gli zuccheri semplici che lo costituiscono, glucosio e galattosio. La galattoside acetil transferasi (gialla e verde, file PDB 1krv) è un altro enzima che agisce sugli zuccheri, ma il suo ruolo nel metabolismo del lattosio non è del tutto chiaro. La lattosio permeasi (rossa, file PDB 4oaa) è una proteina trovata nella membrana dei batteri, che serve a trasportare il lattosio all'interno della cellula. Esplorando la struttura La struttura atomica completa dell'intero repressore lac non è attualmente disponibile nel PDB, ma guardando le due prossime strutture potete farvi un'idea di come funziona. Nel repressore lac vi sono tre regioni funzionali. La prima è il dominio di tetramerizzazione che collega insieme le quattro subunità del dominio centrale. La seconda contiene le quattro subunità del dominio centrale che si legano al lattosio e ad altre molecole simili. La terza è il dominio di testa che si lega al DNA. La struttura mostrata qui sotto (file PDB 1tlf) contiene il dominio di tetramerizzazione e quello centrale, ma è priva del dominio di testa e quindi non si lega al DNA. Ci permette di capire come le quattro subunità sono legate insieme, per formare la struttura piegata. Nei quattro domini centrali è legato ONPF (sfere colorate), una molecola simile al lattosio. . . . .  La struttura mostrata qui sotto (file PDB 1efa) contiene due domini centrali che, in basso, con i loro domini di testa, legano un breve tratto di DNA. In questa struttura mancano, in alto, i domini di tetramerizzazione. Nei domini centrali sono legate due molecole simili al lattosio. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .  Il dominio di testa riconosce il tratto voluto di DNA inserendo due brevi tratti ad alfa elica nelle scanalature del DNA e leggendo le basi azotate sfiorandole lateralmente. Questa tecnica assomiglia a quella adottata dai domini a dita di zinco (mdm 3/2007). Nella figura qui sotto è mostrato un particolare di questo riconoscimento dove si vedono gli amminoacidi delle due alfa eliche entrare nella scanalatura secondaria (a sinistra) e in quella principale (a destra) e interagire con le basi azotate del DNA bersaglio. . . . . . . 
 BibliografiaOgni buon libro di testo di Biochimica contiene le informazioni fondamentali sul sistema dell'Operone Lac. Lewis, M., Chang, G., Horton, N.C., Kercher, M.A., Pace, H.C., Schumacher, M.A., Brennan, R.G., and Lu, P. (1996): Crystal Structure of the Lactose Operon Repressor and Its Complexes with DNA and Inducer. Science 271, pp. 1247-1254. |
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