1. REGULACIÓN DEL METABOLISMO.
El metabolismo en los seres vivos es muy flexible y se puede ajustar a la cantidad y
tipo de nutrientes disponibles. Un ejemplo lo podemos obtener de las levaduras, las cuales se
adaptan a las condiciones en que se les mantenga, pues poseen todo el conjunto de enzimas
necesario para sintetizar sus elementos básicos como los aminoácidos y todos los demás
componentes celulares, de tal manera que si crecen en un medio con glucosa como única
fuente de energía, pueden sintetizar todas las moléculas que necesitan, aunque esto implica un
gran gasto en energía. La levadura puede evitarlo si le proporcionamos los aminoácidos y
nutrientes requeridos, ya que economiza el aparato enzimático responsable de la síntesis de
todos los compuestos que necesita para vivir. Los microroganismos regulan su metabolismo,
enfocandose hacia la máxima economía metabólica y, en última instancia, al ahorro de
energía.
Adaptación al ambiente nutricional y físico
A diferencia de las células de plantas y animales, las bacterias se exponen
continuamente a un medio ambiente físico y químico cambiante. Dentro de sus límites, las
bacterias pueden reaccionar a la modificación de su medio ambiente a través de cambios en la
síntesis de proteínas estructurales, proteínas de transporte, las toxinas, las enzimas, etc., qué
las adapta a una situación particular. Por ejemplo, Vibrio cholerae no produce la toxina del
cólera, que causa la diarrea, a menos que esté en el tracto intestinal del humano. Bacillus
subtilis no sintetiza las enzimas para la biosíntesis del triptófano, si puede encontrar este
aminoácido en su medio ambiente. Si E. coli se alimenta de glucosa y lactosa juntas, usará
primero la glucosa porque su uso requiere de dos enzimas menos que utilizar lactosa.
Las bacterias han desarrollado sofisticados mecanismos para la regulación de rutas
catabólicas y anabólicas. Generalmente, las bacterias no sintetizan ninguna enzima para
degradar compuestos a menos que los sustratos para estas enzimas estén presentes en su
ambiente. Por ejemplo, la síntesis de las enzimas que degradan a la lactosa sería un malgasto
de energía, a menos que el sustrato esté disponible. De igual manera, las bacterias han
desarrollado diversos mecanismos para controlar las rutas biosintéticas (anabólicas). Las
células bacterianas paran sus rutas biosintéticas cuando no se necesitan los productos finales
de la ruta metabólica o si estos se obtienen por transporte del ambiente que las rodea. Por
ejemplo, si una bacteria pudiera encontrar un aminoácido preformado, como el triptófano,
detiene la ruta de biosíntesis del triptófano, para conservar energía. Sin embargo, en la vida
bacteriana real, los mecanismos de control para todas estas rutas metabólicas deben ser
reversibles, ya que el ambiente puede cambiar rápidamente y drásticamente.
Condiciones que afectan la formación de enzimas en las bacterias
Las bacterias son capaces de cambiar sus patrones de enzimas para adaptarse a su
ambiente específico. A menudo la concentración de una enzima en una célula bacteriana
depende de la presencia del sustrato de dicha enzima. Las enzimas constitutivas se producen
siempre, independientemente de la composición del medio en que las células crecen. Un
ejemplo son las enzimas que operan durante la glicólisis, ellas están presentes en todo
momento, en aproximadamente la misma concentración. Las enzimas inducibles son la
respuesta de las células a un sustrato particular; ellas sólo se producen cuando se necesitan. En
el proceso de inducción por sustrato, o un compuesto estructuralmente similar al sustrato, se
evoca la formación de la enzima y se le conoce como inductor. Una enzima que se reprime
es aquella cuya síntesis está regulada por la presencia del producto final de una ruta
1

2. metabólica, donde normalmente participa la enzima. En este caso, el producto final se llama
represor de la enzima.
Regulación de las reacciones enzimáticas.
No todas las reacciones enzimáticas ocurren en una célula con la misma magnitud.
Algunos compuestos se necesitan en grandes cantidades y las reacciones involucradas en su
síntesis deben ocurrir, por consiguiente, en grandes cantidades.
En las células bacterianas, las reacciones enzimáticas pueden ser reguladas por dos
modos, que no están relacionados: 1) control o regulación de actividad de la enzima
(inhibición por retroalimentación o inhibición por producto final), qué principalmente opera
para regular las rutas biosintéticas; y 2) control o regulación de la síntesis de una enzima que
incluye, represión por producto final que regula rutas biosintéticas, y la inducción de enzimas
y la represión catabólica que regulan rutas degradativas, principalmente.
El proceso de inhibición por retroalimentación regula la actividad de enzimas
preexistentes en las células. Los procesos de represión por producto final, la inducción de la
enzima y la represión catabólica están involucrados en el control de la síntesis de enzimas.
Estos últimos procesos pueden ser de control positivo o control negativo. La represión por
producto final y la inducción de enzimas son mecanismos de control negativo, que conlleva a
una disminución en la transcripción de proteínas. La represión catabólica es considerada una
forma de control positivo, porque genera un aumento en la transcripción de proteínas.
Cuadro 1.Puntos de regulación para varios procesos metabólicos. Las bacterias ejercen un control de su
metabolismo para cada posible inicio de la codificación de una proteína a nivel del genoma que pone en código
para una proteína y en la terminación de las modificaciones en la proteína después de que se produce. Por
ejemplo, la variación en la estructura del gen puede variar la actividad o producción de una proteína, así como las
modificaciones de una proteína puede alterar o puede cambiar su actividad. Uno de los sitios más importantes
para el control del metabolismo a nivel genético es la regulación de la transcripción. A este nivel, en los
mecanismos del control positivos (por ejemplo la represión catabólica), una proteína reguladora puede aumentar
la proporción de transcripción de un gen, mientras en los mecanismos de control negativo (por ejemplo inducción
de enzimas o represión por producto final) una proteína reguladora puede disminuir la proporción de
transcripción de un gen.
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3. Proteínas alostéricas.
La regulación cambiando la actividad de las enzimas ya formadas, usualmente
involucra niveles de control modulados por proteínas con alostericidad.
Una proteína alostérica es aquella que tiene un sitio activo (catalítico) y un sitio
alostérico (efector). En una enzima alostérica, el sitio activo se une al sustrato de la enzima y
lo convierte a producto. Cuando un efector negativo ocupa el sitio alostético, la configuración
del sitio activo cambia, de tal manera que no es reconocido por su sustrato, esto es, la enzima
está inactiva, es decir, la molécula del efector disminuye la actividad de la enzima. Hay una
situación alterna cuando la unión el efector transforma el sitio activo, ayudando a la enzima a
una transformación del estado inactivo al activo. Algunas enzimas alostéricas son
multicomponentes tienen varios sitios a ser ocupados por varias moléculas efectoras, que
modulan la actividad de la enzima dentro de un rango de condiciones.
Algunas proteínas alostéricas no son las enzimas, no obstante tienen un sitio activo y un
sitio alostérico. Las proteínas reguladoras que controlan rutas metabólicas que involucran
represión por producto final, inducción de enzimas y represión catabólica son proteínas
alostéricas.
Inhibición por retroalimentación.
La inhibición por retroalimentación (o inhibición por producto final) es un mecanismo
para la inhibición de enzimas sintetizadas relacionadas, principalmente, con la regulación de
rutas biosintéticas, por ejemplo las rutas involucradas en la síntesis de aminoácidos. Tales
rutas, normalmente, involucran muchos pasos enzimáticos, y el producto final es consumido
en muchos pasos a partir de la degradación del sustrato inicial. Por este mecanismo, el
producto final es capaz de retroalimentar al primer paso de la ruta y regular su propia
biosíntesis.
En la inhibición por retroalimentación, el producto final de una ruta biosintética inhibe
la actividad de la primera enzima que es única en la ruta, controlando de esta manera la
concentración de producto final. La primera enzima en la ruta es una enzima alostérica. Su
sitio alostérico se une al producto final de la ruta (por ejemplo un aminoácido) alterando su
sitio activo para que no pueda efectuar la reacción enzimática que inicia la ruta. Las demás
enzimas en la ruta permanecen activas, pero ellos no tienen sus sustratos. La ruta permanece
inactiva mientras las cantidades adecuadas del producto final estén presentes. Si el producto
final se agota o desaparece, la inhibición se libera, la enzima recobra su actividad, y el
organismo puede reasumir la síntesis del producto final. Así, E. coli creciendo en un medio
mínimo, cuando pasa a leche o algún otro medio rico en los factores de crecimiento, deja de
sintetizar cualquiera de los metabolitos esenciales que directamente pueda obtener del nuevo
medio ambiente.
Una de las rutas bacterianas mas estudiadas es la ruta de biosíntesis del triptófano
(Figura 1). La ruta de biosíntesis del triptófano se regula por inhibición por retroalimentación.
El triptófano es la molécula efectora para la enzima alostérica a. Cuando el producto final de
la ruta (el triptófano) se une a la enzima a, la enzima se inactiva y ya no puede unirse a la
glutamina y al corismato para formar antranilato. Si el triptófano se separa de la enzima, la
síntesis del triptófano continua. La biosíntesis del triptófano, también se regula a un nivel
genético, por los procesos de represión y atenuación.
En el caso de inhibición por retroalimentación, el triptófano, es un efector negativo de
la enzima, ya que cuando se liga a la enzima a, está se inactiva.
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4. Figura 1. Ruta de biosíntesis del triptófano en E. coli.
Si una ruta metabólica se ramifica, permitiendo la síntesis de dos aminoácidos, cada
producto final (aminoácido) puede controlar su propia síntesis sin afectar la del otro (Figura
2). Por ejemplo, prolina y arginina son sintetizadas a partir del ácido glutámico. Cada
aminoácido puede regular la primera enzima de su propia síntesis sin afectar la otra, rama, por
ejemplo un sobrante de arginina, no inhibirá la síntesis de prolina.
Figura 2. Regulación de una ruta metabólica ramificada por el proceso de inhibición por retroalimentación.
Operón.
En las bacterias, los genes para funciones relacionadas con un proceso metabólico, con
frecuencia se localizan adyacentes entre sí y se transcriben como una molécula de ARNm
(ARN poliscistrónico). Este ARNm contiene secuencias interpuestas cortas no codificadoras.
Este acomodo de genes se conoce como un operón. Por lo tanto, el ARNm simple puede
producir varias proteínas relacionadas rápidamente en la traducción. La función del operón es
regular la expresión genética en bacterias.
Figura 3. Organización de un operón.
El sitio operador controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor; el sitio
promotor es donde la ARN polimerasa reconoce el punto de inicio de la transcripción; el gen
regulador controla el tiempo y velocidad de transcripción de otros genes; y gen estructural que
codifica para la síntesis de enzimas o proteínas estructurales.
Las proteínas conocidas como represores, se pueden unir al operador y evitar la
transcripción. Este tipo de control puede funcionar como control positivo o negativo.
En el control negativo el operón se transcribe en condiciones normales, pero es
detenido por el enlace de un co – represor con un apo – represor ya presente para formar un
represor activo que tiene la transcripción.
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5. En el control positivo, por lo general el operón no se transcribe sino por la unión de un
coactivador con el apo – activador que favorece la combinación para unir al operón que inicia
la transcripción.
Figure 4. Control negativo y control positivo de operones.
Represión de enzimas.
La represión de enzimas es una forma de regulación negativa de la transcripción
bacteriana. En este proceso una proteína reguladora provoca la represión de síntesis del
ARNm provocando una disminución de la síntesis de enzimas.
Aunque la inhibición por retroalimentación detiene la síntesis del producto final de una
ruta metabólica, aún así existe un poco de pérdida de energía y carbono, ya que la célula
continúa fabricando enzimas las cuales no tiene que usar. En el proceso de represión de
enzimas se previene la síntesis de las enzimas relacionadas con la síntesis de ese producto
final. En el caso de la ruta de biosíntesis del triptófano (Figura 1), el producto final (triptófano)
sirve como un efector que puede apagar la síntesis de las enzimas a, b, c, d, y e que están
relacionadas con la biosíntesis del triptófano. Esto produce un ahorro de muchas moléculas de
ATP que deberían gastarse durante la síntesis de proteínas, y conserva a los precursores del
aminoácido para la síntesis de otras proteínas. El proceso de represión es más lento que la
inhibición por retroalimentación (qué actúa inmediatamente), ya que las enzimas pre-
existentes son diluidas como resultado de la división celular.
Los genes para la biosíntesis del triptófano en Escherichia coli están organizados en el
cromosoma bacteriano en el operon del triptófano (operon trp). Un operon es un conjunto
de genes que son controlados por los mismos elementos, que se transcriben y traducen
coordinadamente. El operon trp consiste en una región promotora (P), la región operadora (O)
5

6. una región atenuadora (A), y los cinco genes estructurales para las enzimas involucradas en la
biosíntesis del triptófano (Trp A-E) (ver Figura 5 y cuadro 2).
Figura 5. Organización genética del operon trp y sus elementos de control.
Cuadro 2. Operon trp y sus elementos de control.
R = Gen regulador, codifica para el represor de trp. Un represor activo se liga a una secuencia
específica de nucleótidos en la región del operador y bloquea la unión de la ARN polimerasa al
promotor para comenzar la transcripción.
O = Operador es la secuencia específica de nucleótidos del ADN al cual se une el represor activo.
P = Promotor, si el represor se une al operador, impide que la ARN polimerasa se una al promotor, y
por consiguiente, ninguno de los genes estructurales será transcrito y no habrá síntesis de enzimas.
A = Atenuador es la secuencia del ADN que queda entre el operador y los genes estructurales de la
biosíntesis del trp. El atenuador es una barrera que la ARN polimerasa debe cruzar para transcribir los
genes para la biosíntesis del triptófano. En la presencia de trp, la mayoría de las moléculas de ARN
polimerasa se separan del ADN antes de transcribir los genes estructurales. En la ausencia de trp, la
ARN polimerasa puede cruzar la región del atenuador para transcribir los genes del trp con éxito.
Trp A, B, C, D, E = Genes de Trp, son los genes estructurales para enzimas involucradas en la
biosíntesis del triptófano.
Trp = triptófano, producto final de ruta metabólica. Cuando se combina con la proteína del represor la
activa, por lo que el trp es un corepresor.
El operon trp se regula por un gen regulador (Trp L), localizado corriente arriba del
promotor del trp. El producto del gen R, el represor trp, es una proteína alostérica que se
regula por el triptófano. El represor se produce constitutivamente en cantidades pequeñas en
una forma inactiva. Cuando el represor se combina con el triptófano se activa y se enlaza al
sitio del operador, bloqueando la transcripción de los genes estructurales. En la ausencia de
triptófano, se transcriben los genes para la biosíntesis del triptófano (ver Figura 6).
Figura 6a. Operon trp activo. En la ausencia de trp, el represor inactivo no puede unirse al operador para bloquear
la transcripción. La célula debe sintetizar el aminoácido.
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7. Figura 6b. Represión del operon trp. En la presencia de triptófano, el operon trp es reprimido, debido a que el trp
activa al represor. La transcripción es bloqueada porque el represor activo se una al ADN y previene el
enlazamiento de la ARN polimerasa.
El operon trp es un ejemplo de control negativo, el triptófano actúa como correpresor e
inhibe la transcripción.
Inducción de enzimas.
En algunos casos, los metabolitos o sustratos pueden encender los genes inactivos para
que ellos se transcriban. En el proceso de inducción de enzimas, el sustrato o un compuesto
estructuralmente similar al sustrato, dispara la formación de enzima(s) qué normalmente están
relacionadas con la degradación del sustrato. A las enzimas así activadas se les denomina
enzimas inducibles y a la sustancia que las activa inductor. Las enzimas inducibles se
sintetizan como una respuesta a la presencia de su sustrato y, en cierto sentido, sólo se
producen cuando se necesitan. De esta manera, la célula no gasta energía en la síntesis de
enzimas que no necesita.
Un caso bien conocido y estudiado es la inducción de las enzimas involucras en la
degradación de lactosa por E. coli. Sólo en la presencia de lactosa, la bacteria sintetiza las
enzimas necesarias para utilizar la lactosa como fuente de carbono y de energía para su
crecimiento. Se requieren dos enzimas para la hidrólisis de la lactosa: la lactosa permeasa que
transporta activamente el azúcar al interior de la célula y la β-galactosidasa para cortar la
lactosa en glucosa y galactosa. Los genes para estas enzimas forman parte del operon de
lactosa (operon lac) en el cromosoma bacteriano (Figura 7).
Figura 7. El operon lac y sus elementos de control.
La inducción de enzimas es similar a la represión por producto final, donde un gen
regulador, un promotor, y un operador actúan, con la diferencia de que el represor lac sólo
está activo en ausencia de la molécula del inductor (lactosa). En presencia de lactosa, el
represor no se liga a la región del operador, transcribiéndose los genes para transporte e
7

8. hidrólisis de la lactosa. En ausencia de lactosa, el represor está activo y se une al operador, no
existiendo transcripción de genes para metabolizar lactosa (Figura 8). La función de los
componentes y elementos del control se muestran en el cuadro 3.
Figura 8. Inducción de la enzima. La inducción (o derepression) del operon lac.
Cuadro 3. Componentes funcionales y reguladores del operon del lac
Lac R o Lac I= gen regulador que codifica para la proteína represora. Lac I es el sitio adyacente al
promotor del operon. El represor activo, en ausencia de lactosa, se liga en la región del operador y
bloquea la unión de la ARN polimerasa al promotor evitando el inicio de la transcripción.
O = Operador es la secuencia específica de nucleótidos del ADN al cual se une el represor activo.
P = Promotor es la secuencia del ADN al cual se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción.
(El sitio del promotor del operon lac, está dividido en dos regiones, una región corriente arriba sitio
CAP, y una región corriente abajo, sitio de interacción de la ARN polimerasa. El sitio CAP se
relaciona con la represión catabólica del operon lac). Si la proteína represora se une al operador, se
impide la unión de la ARN polimerasa con el promotor y en consecuencia no hay transcripción. Bajo
estas condiciones no se sintetizan las enzimas relacionadas con la utilización de lactosa.
Lac Z, Y y A = Los genes estructurales del operon lac. Lac Z codifica para la β-galactosidasa; Lac Y
codifica para la permeasa de la lactosa; Lac A codifica para una transacetilasa cuya función no es
conocida.
Lac = La lactosa es la molécula que funciona como inductor. Cuando la lactosa se une a la proteína
represora, la inactiva; el operon es dereprimido y la transcripción de los genes para la utilización de
lactosa ocurre.
El operon lac es otro ejemplo de control negativo.
Represión catabólica.
La inducción de la enzima se considera una forma de control negativo, porque el efecto
de la molécula reguladora (represor activo) es disminuir la transcripción. La represión
catabólica es un tipo de control positivo de la transcripción, ya que una proteína
reguladora provoca un aumento en la velocidad de transcripción de un operón. El
proceso se descubrió en E. coli y el efecto de la glucosa, la cual reprime la síntesis de ciertas
enzimas inducibles, aunque el inductor de la ruta metabólica estuviera presente en el medio. El
descubrimiento fue hecho durante el estudio de la regulación del operon lac en E. coli. Si la
glucosa es degradada por enzimas constitutivas y la lactosa es, inicialmente, degradada por
enzimas inducibles, ¿qué pasaría si la bacteria fuera crecida en cantidades limitantes de
glucosa y lactosa? En la figura 9 se muestra el crecimiento diaúxico de la bacteria, mostrando
dos fases distintas de crecimiento. En la primera fase de crecimiento exponencial, las bacterias
8

9. utilizan la glucosa como una fuente de energía hasta que se agota. Después de una segunda
fase lag, la lactosa se utiliza durante una segunda fase de crecimiento exponencial.
Figura 9. Curva de crecimiento diaúxico de E. coli bajo concentraciones limitantes de una mezcla de glucosa y
lactosa.
Durante el período de utilización de glucosa, no se utiliza la lactosa porque las células
son incapaces de transportar e hidrolizar al disacárido de lactosa. La glucosa, siempre se
metaboliza primero que otros azúcares. Sólo después de que la glucosa es completamente
utilizada se degrada la lactosa. El operon de lactosa se reprime aunque la lactosa (inductor)
esté presente. La razón es que la glucosa es una mejor fuente de energía que la lactosa, debido
a que su utilización requiere dos enzimas menos.
Una vez que la glucosa se termina, se sintetizan las enzimas para utilizar la lactosa. La
fase lag durante el crecimiento diaúxico representa el tiempo requerido para la inducción
completa del operon lac y la síntesis de las enzimas necesarias para la utilización de la lactosa
(permeasa y β-galactosidasa). La disponibilidad de la glucosa reprime a las enzimas para la
utilización de la lactosa, este tipo de represión se conoce como represión catabólica.
La glucosa reprime un gran número de enzimas inducibles en diferentes bacterias, al
reprimir operones inducibles, mediante el impedimento de la síntesis del AMP cíclico
(cAMP), un nucleótido requerido para iniciar la transcripción de muchos sistemas enzimáticos
inducibles, incluido el operon lac.
El papel de cAMP es complicado, éste se requiere para activar una proteína alostérica
llamada CAP (proteína del activador catabólico), al unirse al sitio promotor CAP y estimular
la unión de ARN polimerasa para iniciar la transcripción. La transcripción eficiente de los
genes del operon lac no sólo se requiere lactosa, sino que cAMP debe estar disponible para
unirse al CAP, para que éste se una al ADN y facilitar la transcripción. En la presencia de
glucosa, la actividad de la adenilato ciclasa (AC) se bloquea. AC es utilizado para sintetizar
cAMP a partir de ATP. Además, si los niveles de cAMP están bajos, CAP está inactiva y la
transcripción no ocurre. En la ausencia de glucosa, los niveles de cAMP son altos, CAP es
activada por cAMP, y la transcripción ocurre (en la presencia de lactosa).
Muchos promotores controlados positivamente, como el promotor lac, no son
totalmente funcionales en la sola presencia de la ARN polimerasa y requieren la activación por
CAP. CAP es codificado por un gen regulador separado, y está presente en niveles
constitutivos. CAP sólo es activo en presencia de cAMP. La unión de cAMP a CAP causa un
cambio conformacional en la proteína que le permite unirse al promotor cerca del sitio de
unión de la ARN polimerasa. CAP puede interactuar con la ARN polimerasa para aumentar la
transcripción del operon en cerca de 50 veces. El control positivo del operon lac se ilustra en
la figura 10.
Como una forma de represión catabólica, el efecto de glucosa sirve como una función
útil en las bacterias: requiere que las células usen la mejor fuente de energía disponible. Para
muchas bacterias, la glucosa es el más común y fácil sustrato utilizable para el crecimiento.
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10. Así, él inhibe indirectamente la síntesis de enzimas que metabolizan fuentes de energía más
pobres.
Figura 10. Represión catabólica es el control positivo del operon lac. El efecto es un incremento en la velocidad
de la transcripción. En este caso, la proteína CAP es activada por cAMP para unirse al operon lac y facilitar la
unión de la ARN polimerasa al promotor para transcribir los genes para la utilización de lactosa.
Operón con control positivo. Operón Arabinosa.
El operón de arabinosa está relacionada con la degradación de arabinosa a xilulosa-5-
fosfato, se constituye por los genes de los enzimas del metabolismo de la arabinosa y tiene una
regulación positiva por un activador (araC)..
Figura 11. Esquema del operón de arabinosa.
El gen araC codifica para la proteína reguladora C, que es un activador, cuando se une
a la arabinosa. El operón también es sensible a la glucosa, ya que si la concentración de
glucosa es baja, habrá más CAP – cAMP, con lo que se activará la transcripción. Si la
concentración de glucosa es alta, pasará lo contrario. El CAP – cAMP es tambien activador.
Existen tres lugares de unión de la proteína C marcados en la figura 11: araO1 es donde se une
proteína C para autorregularse, inhibiendo su propia síntesis, ya que impide la transcripción
del gen araC; araI y araO2 actúan de manera conjunta en la regulación del promotor BAD.
En presencia de arabinosa, la proteína C estimulará la síntesis de los productos
codificados por los genes BAD. Si no hay proteína C, se estimulará la sítntesis de ésta. Si no
hay arabinosa, se formará un bucle que impedirá que la ARN polimerasa llegue a cualquiera
de los promotores, y además impide la unión del CAP – cAMP.
En resumen, habrá transcripción si hay arabinosa, proteína C y Cap – cAMP. Si no hay
arabinosa, la proteína C se unirá a araI y a araO2, con lo que se formará el bucle represor, por
lo que no habrá síntesis. La formación del bucle depende de la presencia de arabinosa.
Modificado de Kenneth Todar University of Wisconsin-Madison Department of Bacteriology.
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