OPERÓ: DESCOBRIMENT, MODEL, CLASSIFICACIÓ, EXEMPLES - BIOLOGIA - 2025

Un operó consisteix en un grup de gens ordenats consecutivament qual es regulen entre si, que codifiquen proteïnes que estan relacionades funcionalment i els quals es troben al llarg de l'genoma dels bacteris i dels genomes "ancestrals".

Aquest mecanisme de regulació va ser descrit per F. Jacob i J. Monod el 1961, fet que els va valer el premi Nobel de Fisiologia i Medicina el 1965. Aquests investigadors van proposar i van demostrar el funcionament dels operons a través dels gens que codifiquen per a les enzims requerides per Escherichia coli per a la utilització de la lactosa.

Esquema gràfic d'una cadena d'ADN amb els gens que comprèn a l'operó lactosa (Promotor, operador, lacZ, Lacy, laca i terminador) (Font: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Els operons s'encarreguen coordinar la síntesi de proteïnes d'acord amb les necessitats de cada cèl·lula, és a dir, que només s'expressen per generar unes proteïnes en el moment i en el lloc exacte on són requerides.

Els gens continguts dins dels operons són, en general, gens estructurals, el que vol dir que codifiquen per enzims importants involucrades de manera directa en les vies metabòliques dins de la cèl·lula. Aquestes poden ser la síntesi d'aminoàcids, d'energia en forma d'ATP, de carbohidrats, etc.

Els operons també solen trobar-se als organismes eucariotes, però, en contrast amb els organismes procariotes, en els eucariotes la regió de l'operó no es transcriu com una sola molècula d'ARN missatger.

descobriment

El primer avanç important pel que fa als operons realitzat per François Jacob i Jacques Monod va ser enfocar el problema de la "adaptació enzimàtica", que consistia en l'aparició d'un enzim específic només quan la cèl·lula es trobava en presència d'un substrat.

Tal resposta de les cèl·lules als substrats s'havia observat en els bacteris des de feia molts anys enrere. No obstant això, els investigadors es preguntaven com la cèl·lula determinava exactament què enzim havia de sintetitzar per metabolitzar aquest substrat.

Jacob i Monod van observar que les cèl·lules bacterianes, en presència de carbohidrats de tipus galactosa, produïen 100 vegades més β-galactosidasa que en condicions normals. Aquest enzim és la que s'encarrega de descompondre els β-galactosa perquè la cèl·lula els aprofiti metabòlicament.

Així doncs, tots dos investigadors van cridar als carbohidrats de tipus galactosa com "inductors", ja que els mateixos s'encarregaven d'induir un increment en la síntesi de β-galactosidasa.

Així mateix, Jacob i Monod van trobar una regió genètica amb tres gens que es controlaven de forma coordinada: el gen Z, codificant per l'enzim β-galactosidasa; el gen I, codificant per l'enzim lactosa permeasa (transport dels galactosa); i el gen A, el qual codifica per l'enzim transacetilasa, que també és essencial per a l'assimilació dels galactosa.

Mitjançant anàlisis genètiques posteriors Jacob i Monod van aclarir tots els aspectes de l'control genètic de l'operó lactosa, concloent que el segment de gens Z, I i A constitueix una sola unitat genètica amb expressió coordinada, que va ser el que van definir com "operó".

Model de operó

El model de l'operó va ser descrit amb precisió per primera vegada el 1965 per Jacob i Monod per explicar la regulació dels gens que es transcriuen i tradueixen per els enzims que es requereixen en Escherichia coli per tal de metabolitzar a la lactosa com a font d'energia.

Aquests investigadors van proposar que les transcripcions de el gen o del conjunt de gens que se situen de forma consecutiva es regulen per dos elements: 1) un gen regulador o gen repressor 2) i un gen operador o seqüència operadora.

El gen operador sempre es troba a la banda de l'o els gens estructurals l'expressió s'encarrega de regular, mentre que el gen repressor codifica per a una proteïna anomenada "repressor" que s'uneix a l'operador i impedeix la seva transcripció.

La transcripció és reprimida quan el repressor està unit a el gen operador. D'aquesta manera l'expressió genètica dels gens que codifiquen als enzims necessàries per assimilar la lactosa no són expressades i, per tant, no pot metabolitzar dit disacàrid.

Esquema de funcionament de l'operó lactosa a través dels seus diferents elements de control. Aquest és l'operó "model" utilitzat pels professors de biologia per ensenyar el funcionament d'aquests gens (Font: Tereseik. Obra derivada d'imatge de G3pro. Traducció a l'espanyol d'Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

En l'actualitat se sap que la unió de l'repressor a l'operador evita, amb mecanismes estèrics, que l'ARN polimerasa s'uneixi a el lloc promotor perquè comenci a transcriure els gens.

El lloc de l'promotor és el "lloc" que reconeix l'ARN polimerasa per unir-se i transcriure els gens. A el no poder unir-se no pot transcriure cap dels gens de la seqüència.

El gen operador es troba entre una regió genètica de la seqüència coneguda com a promotor i els gens estructurals. No obstant això, Jacob i Monod no van identificar aquesta regió en la seva època.

Actualment se sap que la seqüència completa que inclou a el gen o gens estructurals, a l'operador i al promotor, és en essència el que constitueix un "operó".

Classificació dels operons

Els operons es classifiquen només en tres categories diferents que depenen de la forma en què es regulen, és a dir, alguns s'expressen de forma contínua (constitutiu), altres necessiten alguna molècula o factor específic per a activar-(induïbles) i altres s'expressen contínuament fins que l'inductor s'expressa (reprimible).

Els tres tipus de operons són:

operó induïble

Els operons d'aquest tipus es regulen per molècules en l'ambient com aminoàcids, sucres, metabòlits, etc. Aquestes molècules són conegudes com a inductors. Si no es troba la molècula que actua com a inductor els gens de l'operó no es transcriuen activament.

En els operons induïbles, el repressor lliure s'uneix a l'operador i evita la transcripció dels gens que es troben al operó. Quan s'uneix l'inductor a l'repressor, es forma un complex que no pot unir-se a l'repressor i per tant es tradueixen els gens de l'operó.

operó reprimible

Aquests operons depenen d'unes molècules específiques: aminoàcids, sucres, cofactors o factors de transcripció, entre d'altres. Aquestes són conegudes com correpresores i actuen de forma totalment oposada als inductors.

Només quan el correpressor s'uneix amb el repressor, la transcripció s'atura i així la transcripció dels gens continguts en l'interior en l'operó no passa. Llavors la transcripció d'un operó reprimible només s'atura amb la presència de l'correpressor.

operó constitutiu

Aquest tipus de operons no es regulen. Es transcriuen constantment de forma activa i, en cas que alguna mutació que afecti la seqüència d'aquests gens, la vida de les cèl·lules que els contenen es pot veure afectada i, en general, desencadenar la mort cel·lular programada.

exemples

El primer i més reconegut exemple de la funció d'un operó és el Operón lac (lactosa). Aquest sistema s'encarrega de transformar a la lactosa, un disacàrid, en els monosacàrids glucosa i galactosa. En aquest procés actuen tres enzims:

- La β-galactosidasa, encarregada de convertir la lactosa en glucosa i galactosa.

- La lactosa permeasa, encarregada de transportar la lactosa des del medi extracel·lular cap a l'interior de la cèl·lula i

- La transcetilasa, que pertany a sistema, però posseeix una funció desconeguda

El operó trp (triptòfan) d'Escherichia coli controla la síntesi de triptòfan, tenint com a precursor a l'àcid corísmico. Dins d'aquest operó es troben els gens per a cinc proteïnes que s'utilitzen per a la producció de tres enzims:

- El primer enzim, codificada pels gens E i D, catalitza les dues primeres reaccions de la via de l'triptòfan i es coneix com antranilato sintetasa

- La segona enzim és la glicerolfosfato i catalitza els passos posteriors a la antranilato sintetasa

- La tercera i última enzim és la triptòfan sintetasa, encarregada de produir el triptòfan a partir d'indol-glicerol fosfat i serina (aquest enzim és producte dels gens B i A)

referències

1. Blumenthal, T. (2004). Operons in eukaryotes. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, & Santana Calderón, A. (2000). Principles of genetics. Principis de genètica.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operons. Cellular and molecular life sciences, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Isolation of pure lac operon DNA. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, & Griffiths, AJ (1976). An introduction to genetic analysis. WH Freeman and Company.