Operón L-arabinosa

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El operón L-arabinosa, también llamado operón ara o araBAD, es un operón necesario para la descomposición del azúcar de cinco carbonos L-arabinosa en Escherichia coli. 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. AraB (ribuloquinasa), AraA (una isomerasa) y AraD (una epimerasa) producidas por estos genes catalizan la conversión de la L-arabinosa en un intermediario de la vía de las pentosas fosfato, la D-xilulosa-5-fosfato.

Los genes estructurales del operón L-arabinosa se transcriben a partir de un promotor común en una única transcripción, un ARNm. La expresión del operón L-arabinosa está controlada como una sola unidad por el producto del gen regulador araC y el complejo proteína activadora de catabolitos (CAP)-AMPc. La proteína reguladora AraC es sensible al nivel de arabinosa y desempeña un papel doble como activador en presencia de arabinosa y como represor en ausencia de arabinosa para regular la expresión de araBAD. La proteína AraC no solo controla la expresión de araBAD sino que también autorregula su propia expresión en niveles elevados de AraC.

Estructura

El operón de L-arabinosa está compuesto por genes estructurales y regiones reguladoras, entre ellas la región operadora (araO1, araO2) y la región iniciadora (araI1, araI2). Los genes estructurales, araB, araA y araD, codifican enzimas para el catabolismo de la L-arabinosa. También hay un sitio de unión CAP al que se une el complejo CAP-cAMP y facilita la represión de catabolitos, lo que da como resultado una regulación positiva de araBAD cuando la célula se ve privada de glucosa.

Estructura del operón de L-arabinose E. coli.

El gen regulador, araC, se encuentra aguas arriba del operón L-arabinosa y codifica la proteína reguladora sensible a la arabinosa AraC. Tanto araC como araBAD tienen un promotor discreto al que se une la ARN polimerasa e inicia la transcripción. araBAD y araC se transcriben en direcciones opuestas desde el promotor araBAD (PBAD) y el promotor araC (PC) respectivamente.

Función

  • araA codifica L-arabinose isomerase, que cataliza la isomerización entre L-arabinose y L-ribulose.
  • araB codifica ribulokinasa, que cataliza la fosforilación de L-ribulose para formar L-ribulose-5-fosfato.
  • araD codifica L-ribulose-5-fosfato 4-epimerasa, que cataliza la epimerización entre L-ribulose 5-fosfato y D-xylulose-5-fosfato.
Vía metabólica de L-arabinosa a través de la acción de tres enzimas, que son codificadas por la araBAD Operón.
Catabolismo de la arabianosa en E. coli
SubstrateEnzyme(s)FunciónReversibleProducto
L- ArabinoseAraAIsomeraseSí.L-Ribulose
L-RibuloseAraBRibulokinasaNoL-ribulose-5-fosfato
L-ribulose-5-fosfatoAraDEpimerasaSí.D-oxilulose-5-fosfato

Tanto la L-ribulosa 5-fosfato como la D-xilulosa-5-fosfato son metabolitos de la vía de la pentosa fosfato, que vincula el metabolismo de los azúcares de 5 carbonos con el de los azúcares de 6 carbonos.

Reglamento

Estructura del monómero AraC

El sistema de la L-arabinosa no solo está bajo el control del activador CAP-cAMP, sino que también está regulado positiva o negativamente a través de 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 del 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. El dominio de dimerización es responsable de la unión a la arabinosa. AraC sufre un cambio conformacional al unirse a la arabinosa, en el que tiene dos conformaciones distintas. La conformación está determinada exclusivamente por la unión del inductor alostérico arabinosa.

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 (araO1).

Regulación negativa de araBAD

Regulación negativa del operón de L-arabinosa a través de la proteína AraC

Cuando no hay arabinosa, las células no necesitan los productos de araBAD para descomponer la arabinosa. Por lo tanto, AraC dimérico actúa como un represor: un monómero se une al operador del gen araBAD (araO2), otro monómero se une a un sitio distante de la mitad del ADN conocido como araI1. Esto conduce a la formación de un bucle de ADN. Esta orientación impide que la ARN polimerasa se una al promotor araBAD. Por lo tanto, se inhibe la transcripción del gen estructural araBAD.

Regulación positiva de araBAD

Regulación positiva de L-arabinose operon a través de araC y CAP/cAMP

La expresión del operón araBAD se activa en ausencia de glucosa y en presencia de arabinosa. Cuando hay arabinosa presente, tanto AraC como CAP trabajan juntos y funcionan como activadores.

Via 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 araO2 y rompe el bucle de ADN. Por lo tanto, es energéticamente más favorable para AraC-arabinosa unirse a dos semisitios de ADN adyacentes: araI1 y araI2 en presencia de arabinosa. Uno de los monómeros se une a araI1, el monómero restante se une a araI2; en otras palabras, la unión de AraC a araI2 es inducida alostéricamente por la arabinosa. Uno de los monómeros AraC se coloca cerca del promotor araBAD en esta configuración, lo que ayuda a reclutar la ARN polimerasa hacia el promotor para iniciar la transcripción.

Via CAP/cAMP (represión de catabolito)

La CAP actúa como activador transcripcional sólo en ausencia del azúcar preferido de E. coli, la glucosa. Cuando la glucosa está ausente, un alto nivel del complejo proteína CAP/cAMP se une al sitio de unión de CAP, un sitio entre araI1 y araO1. La unión de CAP/cAMP es responsable de abrir el bucle de ADN entre araI1 y araO2, aumentando la afinidad de unión de la proteína AraC por araI2 y, por lo tanto, promoviendo que la ARN polimerasa se una al promotor araBAD para activar la expresión de araBAD, necesaria para metabolizar la L-arabinosa.

Autoregulación de araC expresión

Autoregulación 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, araO1, en niveles altos de AraC, lo que bloquea físicamente el acceso de la ARN polimerasa al promotor de araC. Por lo tanto, la proteína AraC inhibe su propia expresión en altas concentraciones.

Uso en sistema de expresión de proteínas

El operón L-arabinosa ha sido objeto de investigación en biología molecular desde 1970 y se ha estudiado ampliamente en sus niveles genético, bioquímico, fisiológico y biotécnico. El operón L-arabinosa se ha utilizado habitualmente en sistemas de expresión de proteínas, ya que el promotor araBAD puede utilizarse para producir una expresión dirigida bajo una regulación estricta. Al fusionar el promotor araBAD con un gen de interés, la expresión del gen objetivo puede ser regulada únicamente por la arabinosa: por ejemplo, el plásmido pGLO contiene un gen de proteína fluorescente verde bajo el control del promotor PBAD, lo que permite que la producción de GFP sea inducida por la arabinosa.

Véase también

  • Operon
  • Catabolismo
  • La represión catabolita

Otros sistemas de operones en E. coli:

  • gal operon
  • gab operon
  • lac operon
  • trp operon

Referencias

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