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.
CONTROLE da expressão gênica em procariontes. [S. l.], [21-]. Disponível em: http://labs.icb.ufmg.br/lbcd/grupo7/iniciar/aulaexp/exp1-2.html. Acesso em: 2 maio 2019.
BECKWITH, Jonathan R. Regulation of the Lac Operon. Science, [S. l.], 5 maio 1967.
