Operon Lac - Regulação gênica em bactérias 😜
Você já parou pra pensar em como uma célula
consegue regular a síntese de proteínas de acordo com a necessidade ou
disponibilidade de certas substâncias?
Bom, sabemos que todas as células de um organismo
apresentam o mesmo DNA, no entanto nem todos os genes desse DNA são
expressos em todas as células e nem ao mesmo tempo. Isso ocorre
devido a um fenômeno que chamamos de regulação gênica, que é o processo pelo
qual uma célula tanto procarionte quanto eucarionte, regula a transcrição do
seu DNA em RNAm.
Antes das
sequências gênicas que serão transcritas em RNA, encontram-se os promotores. Essas
estruturas são Essas estruturas apresentam-se como sequências de DNA
reguladoras às quais se ligam as moléculas de RNA polimerase. Em eucariotos, cada
gene apresenta o seu promotor, porém, em procariotos um mesmo promotor está
associado à uma sequência de genes subsequentes
que serão transcritos em um mesmo RNAm, constituindo o Operon.
Estrutura do Operon Lac
O operon lac apresenta três tipos
de genes contíguos chamados de lacZ (z - beta-galactosidase), lacY (y - permease) e lacA (a
-transacetilase), cujas suas funções são:
· LacZ: gene responsável por
codificar uma enzima (beta-galactosidase) que quebra a lactose em
monossacarídeos, fazendo com que haja a possibilidade desses açúcares
alimentarem a glicose.
· LacY: similar ao lacZ, este
gene codifica um transportador de membrana (lactose permesase) que
funciona como uma “bomba” transmembrana e auxilia na importação da lactose
para dentro da célula.
· LacA: gene responsável por
codificar uma enzima (transacetilase) que liga um grupo químico em particular a
moléculas-alvo. Não é confirmado se essa enzima de fato desempenha alguma
função na quebra da lactose.
Sob o controle de um promotor, os genes já citados são transcritos como
um único RNAm, que é dito
como policistrônico ou poligênicos por
possuírem informação capaz de codificar três proteínas:
beta-galactosidase, permease e transacetilase (figura 1).
Figura 1. Transcrição do operon lac em RNAm. Fonte: Labs ICB.
Logo após a descobertas dos genes presentes
no operon lac, foi constatado um mutante que possuía os
genes para expressar as três proteínas descritas, mas o mesmo não conseguia
fazer esse processo. Jacob e Monod deduziram que “a taxa de
síntese destas proteínas é normalmente governada por um elemento comum
diferente dos genes que especificam sua estrutura”. O gene descrito foi nomeado
como regulador (gene I), sendo que, os mutantes constitutivos possuem
genótipo I-Z+Y+A+ e os selvagens I+Z+Y+A+. O gene I pode codificar um
repressor que está ausente/inativo nos organismos com o gene I-.
A partir de estudos
usando bacterias parcialmente diplóides, através do
fator sexual (F’), observou-se que uma bactéria que possuia o
genoma i+z- e o fator F’i-z+ não era capaz de metabolizar a
lactose – logo, o repressor (produto do gene i) é difundível.
Além
genes lacI, lacZ, lacX e lacA, o operon lac também
contém um conjunto de sequências de DNA reguladoras. Essas são regiões do DNA
às quais proteínas reguladoras podem se ligar, a fim de controlar a transcrição
do operon.
Figura 2. Estruturas que compõem o operon lac. Fonte: Khanacademy.
O DNA do operon lac é composto por (em ordem, da
esquerda para a direita da imagem): sítio de ligação da CAP, promotor, operador,
gene lacZ, gene lacY e gene lacA. Quando ligada a molécula AMPc (AMP cíclico), a proteína ativadora CAP se liga ao sítio de ligação
CAP e faz com que a RNA polimerase se ligue ao promotor. A proteína
repressora lac se liga ao operador e bloqueia a ligação da RNA polimerase
ao promotor e a transcrição do operon. A
molécula repressora, codificada pelo gene lacI,
regula a transcrição do segmento de DNA que codifica para as três enzimas
envolvidas no metabolismo da lactose. Além disso, uma molécula de RNA
mensageiro contendo a informação do DNA determina a síntese das enzimas pela
maquinaria de síntese de proteínas da célula. A função da proteína repressora é
regular a síntese desse RNA mensageiro.
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- O promotor é o sítio de ligação da RNA polimerase, a enzima que realiza a transcrição;
- O operador é um sítio de regulação negativa, no qual ocorre a ligação da molécula repressora, o qual é formado por cerca de 25-30 pares de bases do DNA ao redor do sítio de iniciação da transcrição do gene da beta-galactosidase (Z). O sítio operador O sobrepõe-se parcialmente ao promotor do operon, de modo que a presença da proteína repressora ligada a O funciona como barreira à iniciação da síntese do RNAm pela RNA polimerase. Existem evidências de que a polimerase do RNA se liga à região promotora mesmo na presença do repressor, mas ela não consegue iniciar a síntese do RNAm. Assim, o repressor impede a iniciação da transcrição e não a ligação da polimerase do RNA;
- 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, favorece a transcrição, o que auxilia a RNA polimerase a se ligar ao promotor.
Figura 3. Operon lac e seu funcionamento, Fonte: Princípios de Bioquímica de Leningher.
Legenda da figura 3: (a) O Operon lac. O gene lacI
codifica o repressor Lac. Os genes lac Z,
Y e A codificam b-galactosidase, galactosídeo-permease e tiogalactosídeo-transacetilase,
respectivamente. P é o promotor dos genes lac
e PI é o promotor do gene I.
O1 é o operador principal do operon lac; O2 e O3
são sítios operadores secundários com menor afinidade pelo pelo repressor Lac.
A repetição invertida a que o repressor Lac se liga em O1 é mostrada no
detalhe. (b) O repressor Lac se liga ao operador principal (O1) e a O2
ou O3, aparentemente formando uma alça no DNA. (c) O repressor Lac
(cor salmão) é mostrado ligado a segmentos de DNA descontínuos e curtos (azul e
cor de laranja).
Agora, vamos nos aprofundar um pouco mais nas proteínas repressor Lac e CAP! 😍
O repressor lac
O repressor lac é uma proteína que impossibilita (inibe) a transcrição do operon lac. Isso ocorre devido a sua ligação ao operador, um sítio ativo posterior
ao promotor. Com essa ligação o repressor lac impede que a RNA
polimerase continue com a transcrição do operon lac.
Quando a
lactose não está presente no organismo bacteriano o repressor lac se mantém ligado ao
operador,evitando assim a transcrição
pela RNA polimerase. Toda via, quando a lactose está presente, o
repressor lac perde sua capacidade de se ligar ao DNA. Isso acontece
pois junto com a lactose há também um isômero dela conhecido como alolactose. A
alolactose se liga ao repressor lac fazendo com que este saia da fita de DNA, ou
seja, do sítio operador, deixando assim a passagem da RNA polimerase livre para
se realizar a transcrição do operon lac.
A
alolactose pode ser um exemplo de indutor, uma pequena molécula que ativa
a confecção de um gene ou operon.
CAP - Proteína ativadora de catabólitos
Quando há a presença de lactose, o repressor lac perde a capacidade de ligar-se ao
DNA. Isso abre caminho para a RNA polimerase (enzima responsável pela produção
de RNA) ligar-se ao promotor e transcrever o operon lac
Porém
é visto que a RNA polimerase não se liga muito bem ao promotor do lacoperon,
até consegue se ligar, mas sem eficácia. Porém com o auxílio da proteína
ativadora de catabólitos (CAP), essa situação se altera drasticamente. Tudo isso ocorre devido a CAP se ligar à região
do DNA que precede o promotor, assim auxiliando na ligação da RNA polimerase
com o mesmo, gerando assim uma alta taxa de condução dos níveis de transcrição.
A
CAP nem sempre está ativa (capaz de se ligar ao DNA), ela é regulada pela AMP
cíclico (AMPc), que é um sinalizador produzido pela E. coli somente quando os
níveis de glicose estão baixos, fazendo assim que a CAP só funcione com a falta
de glicose (figura 4), pois como visto anteriormente é muito mais vantajoso para a bactéria usar
como fonte de energia a glicose, devido vários fatores vistos anteriormente.
Esse sinalizador se liga à CAP mudando sua conformação e tornando-a capaz de se
ligar ao DNA e promover a transcrição intensa.
Por agora, ficamos por aqui. Mas logo, logo voltamos com mais conhecimentos sobre o maravilhoso mundo microbiológico.
Um abraço,
Aureus 💛
Referências Bibliográficas 😎
- KHAN ACADEMY BRASIL. O operon lac. Disponível em: <https://pt.khanacademy.org/science/biology/gene-regulation/gene-regulation-in-bacteria/a/the-lac-operon>. Acesso em: 02 Mai. 2019.
- LABS ICB. Controle da expressão gênica em procariontes OPERON LAC. Disponível em: <http://labs.icb.ufmg.br/lbcd/grupo7/iniciar/aulaexp/exp1-2.html>. Acesso em: 02 Mai. 2019.
- Nelson, David L.; COX, Michael M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.
- Regulação gênica em bactéria. Disponível em <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3005481/mod_resource/content/1/BiologiaMolecular_texto08%20%285%29.pdf>. Acesso em 01 Mai. 2019.
- KHAN ACADEMY BRASIL. Operons e regulação de genes em bactérias. 2016. (7m23s). Disponível em: <https://youtu.be/2VEW-Zlu5zg>. Acesso em: 01 mai. 2019.
- KHAN ACADEMY BRASIL. Operon Lac. 2016. (6m19s). Disponível em: <https://youtu.be/7_FrhNHBSW4>. Acesso em: 01 mai. 2019.
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