Operon Lac

Introdução:

O principal açúcar do leite (lactose) pode ser uma grande fonte de energia para bactérias E. coli, que através do operon lac, um grupo de genes que codificam proteínas, possibilita que a E. coli utilize a lactose como fonte de energia. Esses genes são transcritos como único RNAm. A bactéria só usará a lactose quando houver carência da principal fonte, glicose.

Para ocorrer este processo, são necessárias duas enzimas, beta-galactosidade e permease. A primeira enzima é capaz de quebrar a molécula de lactose transformando-a em galactose e glicose, servindo-as de fonte de energia. A lactose não é capaz de permear a bicamada lipídica sem uma proteína portadora para leva-la do meio extracelular para o intracelular, no caso, este trabalho fica por conta da permease.

Mecanismo de ativação:

Caso haja glicose disponível, a bactéria E. coli vai preferi-la para quebrar a lactose. A glicose requer menos etapas e menos energia para ser quebrada do que a lactose. No entanto, se a lactose for o único açúcar disponível no meio, as E. coli seguem em frente e a utilizam como fonte de energia.

Para utilizar a lactose, a bactéria precisa expressar o operon lac, que codifica as enzimas-chave para a absorção e metabolismo da lactose. De maneira a ser mais eficiente possível, as E. coli devem expressar o operon lac somente se duas condições forem atendidas:

-A lactose está disponível;

-A glicose não está disponível;

Nesse processo, duas proteínas reguladoras estão envolvidas:

-O repressor lac, que atua como um sensor de lactose.

-A proteína ativadora de catabólito (CAP), que atua como um sensor de glicose.

Essas proteínas se ligam ao DNA do operon lac e regulam sua transcrição com base nos níveis de lactose e glicose.

Estrutura do operon lac:

O operon lac consiste principalmente em três genes estruturais, um promotor, um terminador, um regulador, e um operador.

-lacZ codifica a β-galactosidase, uma enzima intracelular que degrada o dissacarídeo lactose em glicose e galactose.

-lacY codifica a permease de β-galactosídeos, uma permease de membrana plasmática que bombeia a lactose para dentro da célula.

-lacA codifica a transacetilase de β-galactosídeos, uma enzima que transfere um grupo acetil de acetil-CoA a beta-galactosídeos.

Apenas lacZ e lacY são necessários para o catabolismo da lactose, enquanto que a função do gene lacA é desconhecida. Estes três genes estão organizados como um operon, isto é, estão dispostos um ao lado do outro na mesma orientação no cromossomo bacteriano e são transcritos como uma única molécula de ARN mensageiro policistrônico.

A transcrição começa quando a ARN polimerase se liga à região promotora, que se localiza justo a montante (5') dos genes. A partir deste ponto, a polimerase sintetiza uma molécula de ARN mensageiro que inclui a região codante dos três.

Além dos três genes lac, o operon contém ainda um conjunto de sequências de DNA reguladoras. Essas  sequências são regiões do DNA cujas proteínas reguladoras podem se ligar, para controlar a transcrição do operon.

-O promotor é o sítio de ligação da RNA polimerase, a enzima que realiza a transcrição.

-O operador é um sítio de regulação negativa que se liga a proteína repressora lac. O operador se sobrepõe ao promotor, e quando o repressor lac está ligado, a RNA polimerase não consegue se ligar ao promotor e dar início à transcrição.

O sítio de ligação CAP é um sítio de regulação positiva no qual se liga a proteína ativadora de catabólitos (CAP). Quando a CAP está ligada a esse sítio, ela favorece a transcrição ajudando a RNA polimerase a se ligar ao promotor.

Como funciona o repressor lac:

O repressor lac é uma proteína que inibe a transcrição do operon lac. Ela faz isso através da ligação com o operador, que se sobrepõe parcialmente ao promotor. Quando ligado, o repressor lac impede que o RNA polimerase faça a transcrição do operon.

Quando a lactose não está disponível, o repressor lac se liga fortemente ao operador, evitando a transcrição pelo RNA polimerase. Porém, quando a lactose está presente, o repressor lac perde sua capacidade de se ligar ao DNA. Assim, ele se desliga do operador, abrindo o caminho para o RNA polimerase fazer a transcrição do operon.

Proteinas Ativadoras de catabólitos (CAP):

Para a RNA polimerase se ligar ao promotor e transcrever o operon necessitam-se da presença da lactose, pois assim o repressor lac perde a capacidade de ligar-se ao DNA. Mas onde entram as CAPS? É sabido que as RNA’s polimerase não se ligam bem sozinhas ao promotor do operon lac, tendo um baixo rendimento nas transcrições. No intuito de aumentar o numero de transcrições, é adicionado a CAP. As caps são proteínas diméricas com duas subunidades idênticas de 22kd, e essas subunidades possuem um domínio de ligação no DNA e a AMPc. Em Bactérias, o AMPc liga-se ao cap, formando um complexo capaz de estimular as transcrições.

Bibliografia:

Nelson, David L.; COX, Michael M. Princípios de bioquímica de Lehninger. Porto Alegre: Artmed, 2011. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.

KHAN ACADEMY. O operon lac. [S. l.], 2016. Disponível em: https://pt.khanacademy.org/science/biology/gene-regulation/gene-regulation-in-bacteria/a/the-lac-operon. Acesso em: 2 maio 2019.

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BECKWITH, Jonathan R. Regulation of the Lac Operon. Science, [S. l.], 5 maio 1967.