16.2: Regulação do gene procariótico

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Habilidades para desenvolver

Descreva as etapas envolvidas na regulação do gene procariótico
Explicar o papel dos ativadores, indutores e repressores na regulação gênica

O DNA dos procariontes é organizado em um cromossomo circular superenrolado na região nucleóide do citoplasma celular. As proteínas que são necessárias para uma função específica, ou que estão envolvidas na mesma via bioquímica, são codificadas juntas em blocos chamados operons. Por exemplo, todos os genes necessários para usar a lactose como fonte de energia são codificados um ao lado do outro no operon lactose (ou lac).

Nas células procarióticas, existem três tipos de moléculas reguladoras que podem afetar a expressão dos operons: repressores, ativadores e indutores. Os repressores são proteínas que suprimem a transcrição de um gene em resposta a um estímulo externo, enquanto os ativadores são proteínas que aumentam a transcrição de um gene em resposta a um estímulo externo. Finalmente, os indutores são moléculas pequenas que ativam ou reprimem a transcrição, dependendo das necessidades da célula e da disponibilidade do substrato.

A viagem Operon: Um Repressor Operon

Bactérias como a E. coli precisam de aminoácidos para sobreviver. O triptofano é um desses aminoácidos que a E. coli pode ingerir do meio ambiente. A E. coli também pode sintetizar triptofano usando enzimas codificadas por cinco genes. Esses cinco genes estão próximos um do outro no que é chamado de operon triptofano (trp) (Figura\(\PageIndex{1}\)). Se o triptofano estiver presente no ambiente, a E. coli não precisará sintetizá-lo e o interruptor que controla a ativação dos genes no operon trp é desligado. No entanto, quando a disponibilidade de triptofano é baixa, a chave que controla o operon é ativada, a transcrição é iniciada, os genes são expressos e o triptofano é sintetizado.

O operon trp tem um promotor, um operador e cinco genes chamados TrPE, TrPD, TrPC, TrPB e TrPA que estão localizados em ordem sequencial no DNA. A RNA polimerase se liga ao promotor. Quando o triptofano está presente, o repressor trp se liga ao operador e impede que a RNA polimerase passe pelo operador; portanto, a síntese de RNA é bloqueada. Na ausência de triptofano, o repressor se dissocia do operador. A RNA polimerase agora pode passar pelo operador e a transcrição começa. — Figura\(\PageIndex{1}\): Os cinco genes necessários para sintetizar o triptofano em *E. coli* estão localizados próximos um do outro no operon *trp*. Quando o triptofano é abundante, duas moléculas de triptofano se ligam à proteína repressora na sequência do operador. Isso impede fisicamente que a RNA polimerase transcreva os genes do triptofano. Quando o triptofano está ausente, a proteína repressora não se liga ao operador e os genes são transcritos.

Uma sequência de DNA que codifica proteínas é chamada de região codificadora. As cinco regiões codificadoras das enzimas de biossíntese de triptofano são organizadas sequencialmente no cromossomo do operon. Pouco antes da região de codificação está o site de início da transcrição. Esta é a região do DNA à qual a RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição. A sequência do promotor está a montante do local de início da transcrição; cada operon tem uma sequência dentro ou perto do promotor à qual as proteínas (ativadores ou repressores) podem se ligar e regular a transcrição.

Uma sequência de DNA chamada sequência do operador é codificada entre a região promotora e o primeiro gene codificador de trp. Esse operador contém o código de DNA ao qual a proteína repressora pode se ligar. Quando o triptofano está presente na célula, duas moléculas de triptofano se ligam ao repressor trp, que muda de forma para se ligar ao operador trp. A ligação do complexo triptofano-repressor ao operador impede fisicamente que a RNA polimerase se ligue e transcreva os genes a jusante.

Quando o triptofano não está presente na célula, o repressor por si só não se liga ao operador; portanto, o operon está ativo e o triptofano é sintetizado. Como a proteína repressora se liga ativamente ao operador para manter os genes desligados, o operon trp é regulado negativamente e as proteínas que se ligam ao operador para silenciar a expressão do trp são reguladoras negativas.

Link para o aprendizado

Assista a este vídeo para saber mais sobre o trp operon.

Proteína ativadora de catabólitos (CAP): um regulador ativador

Assim como o operon trp é regulado negativamente pelas moléculas de triptofano, existem proteínas que se ligam às sequências do operador que atuam como um regulador positivo para ativar e ativar genes. Por exemplo, quando a glicose é escassa, a bactéria E. coli pode recorrer a outras fontes de açúcar para obter combustível. Para fazer isso, novos genes para processar esses genes alternativos devem ser transcritos. Quando os níveis de glicose caem, o AMP cíclico (cAMP) começa a se acumular na célula. A molécula cAMP é uma molécula sinalizadora que está envolvida no metabolismo da glicose e da energia na E. coli. Quando os níveis de glicose diminuem na célula, o acúmulo de cAMP se liga à proteína ativadora de catabólitos reguladora positiva (CAP), uma proteína que se liga aos promotores de operons que controlam o processamento de açúcares alternativos. Quando o cAMP se liga à CAP, o complexo se liga à região promotora dos genes necessários para usar as fontes alternativas de açúcar (Figura\(\PageIndex{2}\)). Nesses operons, um sítio de ligação ao CAP está localizado a montante do local de ligação à RNA polimerase no promotor. Isso aumenta a capacidade de ligação da RNA polimerase à região promotora e a transcrição dos genes.

O operon lac consiste em um promotor, um operador e três genes chamados lacZ, LaCy e LaCa que estão localizados em ordem sequencial no DNA. Na ausência de cAMP, a proteína CAP não se liga ao DNA. A RNA polimerase se liga ao promotor e a transcrição ocorre em uma taxa lenta. Na presença de cAMP, um complexo Cap-CAMP se liga ao promotor e aumenta a atividade da RNA polimerase. Como resultado, a taxa de síntese de RNA é aumentada. — Figura\(\PageIndex{2}\): Quando os níveis de glicose caem, a *E. coli* pode usar outros açúcares como combustível, mas deve transcrever novos genes para isso. Conforme os suprimentos de glicose se tornam limitados, os níveis de cAMP Este cAMP se liga à proteína CAP, um regulador positivo que se liga a uma região operadora a montante dos genes necessários para usar outras fontes de açúcar.

The lac Operon: um indutor operon

O terceiro tipo de regulação gênica em células procarióticas ocorre por meio de operons induzíveis, que possuem proteínas que se ligam para ativar ou reprimir a transcrição, dependendo do ambiente local e das necessidades da célula. O operon lac é um operon indutível típico. Conforme mencionado anteriormente, a E. coli é capaz de usar outros açúcares como fontes de energia quando as concentrações de glicose são baixas. Para isso, o complexo proteico Camp-CAP serve como um regulador positivo para induzir a transcrição. Uma dessas fontes de açúcar é a lactose. O operon lac codifica os genes necessários para adquirir e processar a lactose do ambiente local. O CAP se liga à sequência de operadores a montante do promotor que inicia a transcrição do operon lac. No entanto, para que o operon lac seja ativado, duas condições devem ser atendidas. Primeiro, o nível de glicose deve ser muito baixo ou inexistente. Em segundo lugar, a lactose deve estar presente. Somente quando a glicose estiver ausente e a lactose estiver presente, o operon lac será transcrito (Figura\(\PageIndex{3}\)). Isso faz sentido para a célula, porque seria um desperdício energético criar as proteínas para processar a lactose se a glicose fosse abundante ou a lactose não estivesse disponível.

Conexão artística

O operon lac consiste em um promotor, um operador e três genes chamados lacZ, LaCy e LaCa. A RNA polimerase se liga ao promotor. Na ausência de lactose, o repressor lac se liga ao operador e impede que a RNA polimerase transcreva o operon. Na presença de lactose, o repressor é liberado do operador e a transcrição prossegue em um ritmo lento. A ligação do complexo Camp-CAP ao promotor estimula a atividade da RNA polimerase e aumenta a síntese de RNA. No entanto, mesmo na presença do complexo Camp-CAP, a síntese de RNA é bloqueada se o repressor se ligar ao promotor. — Figura\(\PageIndex{3}\): A transcrição do operon *lac* é cuidadosamente regulada para que sua expressão ocorra somente quando a glicose é limitada e a lactose está presente para servir como uma fonte alternativa de combustível.

Em E. coli, o operon trp está ativado por padrão, enquanto o operon lac está desativado. Por que você acha que esse é o caso?

Se a glicose estiver ausente, o CAP pode se ligar à sequência do operador para ativar a transcrição. Se a lactose estiver ausente, o repressor se liga ao operador para impedir a transcrição. Se algum desses requisitos for atendido, a transcrição permanecerá desativada. Somente quando ambas as condições são satisfeitas, o operon lac é transcrito (Tabela\(\PageIndex{1}\)).

Tabela\(\PageIndex{1}\): Sinais que induzem ou reprimem a transcrição do Operon lac
Glicose	O CAP se liga	Lactose	Ligações repressoras	Transcrição
+	-	-	+	Não
+	-	+	-	Alguns
-	+	-	+	Não
-	+	+	-	sim

Link para o aprendizado

Assista a um tutorial animado sobre o funcionamento do lac operon aqui.

Resumo

A regulação da expressão gênica em células procarióticas ocorre no nível transcricional. Há três maneiras de controlar a transcrição de um operon: controle repressivo, controle ativador e controle induzível. O controle repressivo, tipificado pelo operon trp, usa proteínas ligadas à sequência do operador para impedir fisicamente a ligação da RNA polimerase e a ativação da transcrição. Portanto, se o triptofano não for necessário, o repressor está ligado ao operador e a transcrição permanece desligada. O controle ativador, caracterizado pela ação da CAP, aumenta a capacidade de ligação da RNA polimerase ao promotor quando a CAP está ligada. Nesse caso, baixos níveis de glicose resultam na ligação do cAMP ao CAP. O CAP então se liga ao promotor, o que permite que a RNA polimerase se ligue melhor ao promotor. No último exemplo — o operão lac — duas condições devem ser atendidas para iniciar a transcrição. A glicose não deve estar presente e a lactose deve estar disponível para que o operon lac seja transcrito. Se a glicose estiver ausente, o CAP se liga ao operador. Se a lactose estiver presente, a proteína repressora não se liga ao seu operador. Somente quando ambas as condições forem atendidas, a RNA polimerase se ligará ao promotor para induzir a transcrição.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{3}\): Em E. coli, o operon trp está ativado por padrão, enquanto o operon lac está desativado. Por que você acha que esse é o caso?

Resposta: O triptofano é um aminoácido essencial para a produção de proteínas, então a célula sempre precisa ter algumas à mão. No entanto, se houver bastante triptofano presente, é um desperdício produzir mais e a expressão do receptor trp é reprimida. A lactose, um açúcar encontrado no leite, nem sempre está disponível. Não faz sentido criar as enzimas necessárias para digerir uma fonte de energia que não está disponível; portanto, o operão lac só é ativado quando a lactose está presente.

Glossário

ativador: proteína que se liga a operadores procarióticos para aumentar a transcrição

proteína ativadora de catabólitos (CAP): proteína que se complica com o cAMP para se ligar às sequências promotoras de operons que controlam o processamento de açúcar quando a glicose não está disponível

operon induzível: operon que pode ser ativado ou reprimido dependendo das necessidades celulares e do ambiente circundante

falta operon: operon em células procarióticas que codifica genes necessários para processamento e ingestão de lactose

regulador negativo: proteína que impede a transcrição

operador: região do DNA fora da região promotora que se liga a ativadores ou repressores que controlam a expressão gênica em células procarióticas

operon: coleção de genes envolvidos em uma via que são transcritos juntos como um único mRNA em células procarióticas

regulador positivo: proteína que aumenta a transcrição

repressor: proteína que se liga ao operador de genes procarióticos para impedir a transcrição

site de início da transcrição: local no qual a transcrição começa

trp operon: série de genes necessários para sintetizar triptofano em células procarióticas

triptofano: aminoácido que pode ser sintetizado por células procarióticas quando necessário