Metabolisme er settet av alle de katabolske og anabole reaksjonene som finner sted inne i en celle og som lar den hente energi fra nedbrytningen av næringsstoffer og å syntetisere nødvendige komponenter med utgangspunkt i enkle molekyler. Tilstrekkelig stoffskiftekontroll er nødvendig for at celler skal unngå sløsing med ressurser, og raskt få tilgang til dem som svar på miljøendringer, samt for å lede tilgjengelig energi bare der og når det er nødvendig. Kontrollen av metabolismen utføres hovedsakelig gjennom kontroll av enzymersom tar del i de enkelte metabolske veier. For å endre hastigheten på enzymatiske reaksjoner, kan man gripe inn på to måter:
En tredje type kontroll er den som virker på translasjonen av mRNAene til de individuelle enzymene, men dette er et ganske sjeldent fenomen siden RNA generelt er ustabile og kortlivede molekyler og cellen ikke har råd til å lagre dem fritt i cytosolen. for mye. lang
Av de to kontrolltypene, allosterisk og transkripsjonell, er den andre den som er adoptert i større grad av prokaryoter . Dette er fordi allosterisk kontroll lar celler variere hastigheten på metabolske veier som svar på umiddelbare og kortsiktige endringer, men er ineffektiv når det er nødvendig å justere hastigheten i henhold til langvarige fenomener, som overgangen fra katalyse av et næringsstoff som ender i katalyse av et mer rikelig alternativt næringsstoff, eller når det er nødvendig å "stenge ned" syntesen av et bestemt stoff fordi det har nådd tilstrekkelig høye konsentrasjoner.
Det er vanligvis tusenvis og tusenvis av gener i genomet til en organisme. Noen gener uttrykkes kontinuerlig; andre bare når det er nødvendig; atter andre, i cellene som gjennomgår differensiering , vil aldri bli uttrykt. De genene hvis proteinprodukter alltid er tilstede inne i cellen sies å være konstitutive . Eksempler er genene som tillater assimilering av næringsstoffer. Andre gener uttrykkes bare under spesielle forhold, og kalles regulert .
Transkripsjonskontrollen av metabolismen virker ved å indusere eller undertrykke transkripsjonen (og dermed oversettelsen ) av de genene som koder for enzymene til de aktuelle metabolske banene, avhengig av cellens behov. Det er to typer kontroll:
De må ikke forveksles med begrepene induksjon og undertrykkelse ! En positiv kontroll kan også undertrykke, mens en negativ kan også indusere transkripsjon av visse gener.
Vi snakker om negativ kontroll når det involverer aktiviteten til spesielle proteiner kalt repressorer . De er allosteriske proteiner , det vil si proteiner som er i stand til å endre konformasjon etter bindingen med bestemte molekyler kalt effektorer eller allosteriske modulatorer . En repressor, i sin aktiverte form, har et bindingssted som gjenkjenner en spesifikk DNA-sekvens kalt operatørstedet . Operatørstedet er plassert i posisjon 3' med hensyn til promoterstedet , den DNA-sekvensen som polymerasen binder seg til for å initiere transkripsjon. Noen ganger er operatørnettstedet delvis lagt over promotørnettstedet. Når repressoren er bundet til operatørstedet, blokkeres RNA-polymerasen av tilstedeværelsen av sistnevnte og er ikke i stand til å fortsette utover promoterstedet, med påfølgende blokkering av transkripsjonen av nedstrømsgener.
Ved undertrykkelse er repressoren til et spesifikt gen eller en gruppe av gener allerede til stede i inaktiv tilstand, og er derfor spredt i cytosolen uten noen gang å kunne binde seg til operatørstedet. Det eller de aktuelle genene blir deretter transkribert og oversatt normalt. Repressoren kan bli aktiv i bindingen med et molekyl som kalles corepressor . Denne bindingen gjør at repressoren nå gjenkjenner operatørstedsekvensen og binder seg til den, og hindrer RNA-polymerasen i å transkribere nedstrømsgenene.
La oss for eksempel se på tilfellet med tryptofanoperonet (Trp-operonet). Normalt syntetiserer prokaryote celler tryptofan selv , med utgangspunkt i enklere forløpere. Syntesen er resultatet av en anabole bane som fortsetter til all tryptofan du trenger er syntetisert. På dette tidspunktet er det nødvendig å stoppe det syntetiske maskineriet, for hvis dette ikke var tilfelle, ville energi og råmateriale vært bortkastet for å skaffe noe som ikke er nødvendig for øyeblikket. Når tryptofan når en viss grensekonsentrasjon, binder det seg til repressoren som igjen binder seg til operatørstedet til tryptofanoperonet . På denne måten slutter vi å produsere enzymene som trengs for å produsere denne aminosyren, som nå finnes i tilstrekkelige mengder. Saken med tryptofanoperonen er et tydelig eksempel på undertrykkelse av sluttproduktet .
Det stikk motsatte fenomenet oppstår i tilfellet med laktoseoperonet ( Lac operon ). For de fleste prokaryoter er glukose den mest fordelaktige og enkleste energikilden. Gener som koder for enzymer som brukes i nedbrytning av glukose, uttrykkes konstitutivt. Noen ganger, på grunn av mangel på glukose, finner cellene seg imidlertid nødt til å bruke andre energikilder, for eksempel laktose . Det er et disakkarid som består av glukose og galaktose .
For å kunne brukes, må laktose først bringes inn i cytosolen ved hjelp av en spesiell membrantransportør , β-galaktosid-permease , og splittes i to av et annet enzym, β-galaktosidase . Det er også et annet enzym, β-galaktosid transacetylase . Disse tre enzymene er kodet av de respektive lacY- , lacZ- og lacA-genene .
De er ikke alltid tilstede i en bakteriecelle. Det ville ikke være fornuftig å syntetisere dem hvis laktose ikke er tilstede eller hvis det fortsatt er glukose å bruke. Faktisk, som standard, er Lac-operon-repressoren i en aktivert form og, knyttet til operonets operatørsted, forhindrer transkripsjonen av de tre genene som koder for de nevnte enzymene, noe som ville være helt ubrukelig under disse forholdene. Men når det er nødvendig å bryte ned laktosen, fordi kanskje glukosen er knapp eller nesten helt fraværende, så må repressoren kunne fjernes. Det er et derivat av laktose, allolaktose , som trenger inn i cytosolen og binder seg til repressoren. Bindingen med allolaktosen, som fungerer som en induser , modifiserer allosterisk dette proteinet og får det til å løsne fra operatørstedet. På dette tidspunktet kan transkripsjonen av genene som er nødvendige for assimilering av laktose, av RNA-polymerasen, foregå normalt. Lac-operonet gir et tydelig eksempel på substratinduksjon .
Positiv transkripsjonskontroll innebærer intervensjon av spesielle allosteriske regulatoriske proteiner, kalt aktivatorer , som i sin aktive form fremmer transkripsjonen av visse gener eller grupper av gener. Også i dette tilfellet skilles det mellom henholdsvis undertrykkelse og induksjon dersom proteinet i sin aktive form undertrykker eller fremmer transkripsjonsaktiviteten til RNA-polymerasen.
Lac-operonet gir også eksempler på positiv kontrollundertrykkelse og induksjon . Vi har sagt at i fravær av glukose og i nærvær av laktose, settes det i gang en transkripsjonsmekanisme som fører til syntese av enzymer som er nyttige for å bryte ned dette alternative næringsstoffet. Men hva om glukose og laktose er tilstede samtidig? Når cellen må velge, foretrekker den først å konsumere all glukosen den har til rådighet, og deretter begynne å bruke laktosen. Glukose er lettere å bryte ned og gir høyere energiutbytte. Men hvis laktose også er tilstede, som induserer transkripsjonen av genene til Lac-operonen (ved å fjerne repressoren), hvordan kan den ikke brytes ned sammen med glukose? Svaret ligger i en annen kontrollmekanisme, kalt katabolittundertrykkelse . Når Lac operon-repressoren fjernes og glukose er tilstede i miljøet, observeres faktisk en veldig svak transkripsjon av genene til dette operonet. Promotoren er faktisk en svak promoter, som sammenlignet med andre promotere har lav affinitet for RNA-polymerase. Et annet protein, kalt CRP ( cAMP Receptor Protein ), må komme ham til unnsetning. Imidlertid må dette proteinet først aktiveres ved binding til et bestemt molekyl, syklisk 3', 5'-AMP eller mer enkelt cAMP .
Imidlertid er konsentrasjonen av cAMP omvendt proporsjonal med konsentrasjonen av glukose, av en enkel grunn. Det syntetiseres av enzymet adenylatcyklase med utgangspunkt i (PiogAMP gruppetranslokasjon ). Glukose konkurrerer deretter med AMP om fosfat. Jo høyere glukosekonsentrasjon, jo lavere cAMP-konsentrasjon. Dette er rimelig ved at det er å foretrekke å bruke glukose først og deretter laktose.
Når glukosenivået faller, øker konsentrasjonen av cAMP. Dette binder seg til CRP og aktiverer det. Det aktiverte CRP har høy affinitet både for RNA-polymerase og for et bestemt sted, lokalisert litt lenger oppstrøms for promoterstedet. CRP bringer deretter promoterstedet og polymerasen nær hverandre, og favoriserer transkripsjonen av nedstrømsgener. På denne måten økes transkripsjonen av disse induserbare operonene enormt. Det er nok å si at det bare er 3 β-galaktosidasemolekyler i en E. coli -celle dyrket i et medium som inneholder glukose og laktose, mens de blir over 3000 hvis laktose blir den eneste energikilden.