Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Repressore Lac


Molecola del Mese di Marzo 2003

Introduzione
Il DNA è pieno di informazioni. Il nostro DNA contiene le istruzioni per costruire decine di migliaia di proteine ed RNA diversi che compiono tutte le diverse funzioni che ci tengono in vita. Come hanno scoperto cinquanta anni fa Watson e Crick, queste informazioni genetiche sono immagazzinate nel DNA sotto forma di sequenza delle basi azotate adenina, timina, citosina e guanina. Il loro modello del DNA a doppia elica ha mostrato come le informazioni sono lette separando le due catene di DNA e appaiando poi le superfici esposte delle basi con le corrispondenti basi complementari, in questo modo l'adenina si appaia sempre con la timina e la citosina si appaia con la guanina.

Anche altre Informazioni
Le informazioni genetiche codificate nel filamento del DNA non sono affatto 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 sua particolare funzione. Per risolvere questo problema, il nostro DNA contiene anche molte informazioni di tipo regolatorio che specificano quando e dove ogni proteina dovrebbe 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 la superficie 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 il lattosio è raro, 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.
















 

Proteine dell'Operone Lac
Il repressore lac controlla la sintesi di tre proteine.
La beta galattosidasi, (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 glucosio e galattosio.
La galattoside acetil trasferasi, (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 è una proteina trovata nella membrana dei batteri, che serve a trasportare il lattosio all'interno della cellula. La struttura della lattosio permeasi non è ancora stata risolta ed è oggetto di intensi studi. La struttura mostrata qui (grigia, file PDB 1ja5) è un modello di un enzima simile, un trasportatore di zuccheri nell'uomo.


Esplorando la Struttura
La struttura atomica completa dell'intero repressore lac non è attualmente disponibile nel PDB, ma guardando due strutture potete farvi una buona idea di come funziona. Ogni subunità del repressore lac si avvolge per formare una delle tre regioni funzionali.
La prima è il dominio di tetramerizzazione che collega insieme le quattro subunità nel complesso funzionale.
La seconda è il dominio centrale che si lega al lattosio e ad altre molecole simili, come lo zucchero-simile ONPF.
La terza è la porzione di testa che si lega al DNA.
Il file PDB 1tlf (qui a fianco) contiene il dominio di tetramerizzazione e quello centrale, ma è privo delle porzioni di testa. Ci mostra come le quattro subunità sono legate insieme, per formare la struttura piegata.
Il file PDB 1efa (più a destra) è privo del dominio di tetramerizzazione, e contiene solo due subunità. Include però due porzioni di testa legate ad un breve tratto di DNA, e mostra anche come gli zuccheri si legano nella parte più interna della regione centrale.


Queste immagini sono state create con Chime (vedi chimica al computer). Anche voi potete creare immagini simili scaricando i file PDB dell'articolo, decomprimendoli e poi lanciandoli con Internet Explorer (se avete scaricato il plug-in Chime).

Bibliografia

La maggior parte dei libri di testo di Biochimica contengono 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.