quinta-feira, 2 de maio de 2019

Operon Lac - Regulação gênica em bactérias

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.
Figura 2. Operon Lac. Fonte: Princípios de Bioquímica de Lehningher
 



  • promotor é o sítio de ligação da RNA polimerase, a enzima que realiza a transcrição;
  • 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;
  • 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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