Definição de “Expressão Gênica”: é o processo em que a
informação codificada por um determinado gene (sequências de nucleotídeos do
DNA), é decodificada em uma proteína. Teoricamente, a regulação em qualquer uma
das etapas desse processo pode levar a uma expressão gênica diferencial. Ela ocorre em duas etapas bem distintas: a produção do RNAm (chamado de transcrição) e
a síntese da proteína (chamado de tradução).
Com a definição clara do termo “expressão gênica”, podemos falar sobre a dessa expressão nos procariotos! Muitos estudantes sentem grande dificuldade nesse assunto, mas vocês verão que acaba sendo muito interessante quando você o compreende. Vamos aos estudos!
A regulação da expressão gênica foi estudada extensivamente
em procariotos, especialmente Escherichia
coli. Assim, compreendeu-se a evolução dos mecanismos genéticos altamente
eficientes para regular a transcrição de genes específicos, conforme a
necessidade da célula.
François Jacob e
Jacques Monod estudaram os genes envolvidos no metabolismo da lactose (Operon
lac) e do triptofano (Operon trp) na E. coli,
e viram que as bactérias respondem a mudanças em seu ambiente e se adaptam a
ele, produzindo “enzimas adaptativas” (ou facultativas) somente em presença de
determinados substratos químicos. Em experimentos mais recentes, foi descoberto
um sistema que inibe a síntese de enzimas em resposta a moléculas presentes no
meio ambiente.
Uma dessas enzimas é a β-galactosidase, que é produzida pela E. coli quando há o carboidrato lactose
presente no meio. A β-galactosidase vai quebrar a lactose em galactose e glicose,
e estes monossacarídeos fornecerão energia para a bactéria. Se não houver
lactose no meio, a E. coli não produz
a enzima β-galactosidase. É evidente que a expressão gênica, ou seja, a
produção de proteínas como esta enzima, requer gasto de energia. A célula,
sabiamente, poupa a produção de β-galactosidase se não houver necessidade pelo
fato de não haver lactose para sofre o catabolismo. Esse é um exemplo de
regulação da expressão gênica em procariotos.
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Fig 1: catabolismo da lactose. |
Além disso, as bactérias também regulam atividades gênicas
que estejam relacionadas com a divisão celular e com diversas atividades
celulares cuja regulação independe do ambiente – incluindo a replicação, a recombinação
e a reparação de seu DNA.
Ok! Vimos anteriormente que François Jacob e Jacques Monod estudaram
o operon. Mas o que é operon?
Operons são sequências lineares de DNA que as células
procariontes possuem. Trata-se de um controlador do anabolismo (síntese) de
enzimas pelos procariotos. Nesta postagem vamos tratar do Operon lactose
(Operon lac).
O operon lac é composto basicamente por:
Ø
Região Reguladora:
·
uma sequência promotora.
·
um gene operador.
Ø
Genes estruturais:
·
lacZ (gene da β-galactosidase).
·
lacY (gene da permease).
·
lacA (gene da transacetilase).
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Fig 2: esquema do Operon lac. Em amarelo, o gene repressor que será comentado mais adiante. |
Dentro da região reguladora, como descrito acima, encontramos
duas regiões:
Ø
Sequência promotora (promotor)
É o sítio de ligação da RNA polimerase para a formação do
mRNA. Ele determina então, onde se inicia a transcrição.
Ø
Gene operador
É a região na qual se liga uma proteína repressora (expressa
pelo gene repressor I, representado à montante ao promotor, mas que não é parte
do operon lac) da expressão dos genes estruturais lacZ, lacY e lacA. Quando há
a ligação dessa proteína repressora no operador, há inibição da ligação da RNA
polimerase na sequência promotora. Então, a função da proteína repressora é
justamente reprimir a ligação da RNA polimerase, e consequentemente, reprimir a
transcrição e expressão dos genes estruturais à jusante. Falaremos mais dela
posteriormente.
É importante ressaltar que nenhum dos genes envolvidos no
controle da expressão gênica (descritos acima) sintetizam alguma molécula, ou
seja, codifica alguma enzima necessária para o metabolismo da lactose. Quem
codifica essas enzimas são os chamados genes estruturais.
Ø
Genes estruturais
Em procariotos, pode haver um ou mais genes estruturais que
atuam como modelos para as proteínas. Na operon lac da E. coli, existem três desses genes estruturais: lacZ, lacY e lacA. Como
já mencionado, cada um desses genes é capaz de codificar uma proteína, sendo
que o gene laca que codifica a transacetilase não participa do metabolismo da
lactose. Os três genes estruturais do operon lac são transcritos de uma só vez
em um único mRNA policistrônico, o qual é simultaneamente traduzido por vários
ribossomos nas três enzimas codificadas pelo operon.
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Fig 3: expressão dos genes estruturais. |
Havíamos falado que a função da proteína repressora era
inibir a expressão dos genes estruturais, ligando-se no operador, certo? Mas
não é somente isso. Ela também tem a capacidade de se ligar à lactose quando a mesma
estiver presente no meio. Assim, ao invés de reprimir, ela atua como indutora
da expressão gênica. Está confuso?
É o seguinte: a proteína repressora possui dois sítios de
ligação. Um para que ocorra a ligação com o operador, e outro para que ocorra a
ligação com a lactose. Se houver lactose disponível no meio, haverá a formação
do completo proteína repressora+lactose (tratamos aqui como “complexo” já que a
lactose não é metabolizada por essa proteína).
Quando a lactose liga-se na
proteína repressora, há modificação alostérica (conformacional) no seu outro
sítio de ligação ao operador. Portanto, ela fica incapaz de se ligar ao
operador, e o mesmo não inibe a ligação da RNA polimerase ao promotor. Ocorre
então a transcrição e consequente expressão gênica. Quando toda a lactose
presente na célula tenha sido catabolizada, a proteína repressora se liga ao
operador e desliga o operon.
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Fig 4: esquema completo de todos os componentes e participantes do sistema Opeon lac. |
E se não houver lactose no meio, como a
proteína repressora se comporta?
Ocorre que não há modificação alostérica, e a proteína
repressora se liga normalmente no operador. Assim, o operador regula o
promotor, inibindo que haja a transcrição e tradução.
Agora, vejamos a seguinte situação: a bactéria está em um
ambiente que já contém grandes quantidades de glicose e gactose. Desta maneira,
considerando que a glicose é a fonte de carbono preferida da E. coli, não seria interessante gastar
energia para obter o que ela já tem, mesmo que esteja disponível no meio a
lactose.
Devemos falar então de mais um componente molecular, chamado
de proteína ativadora de catabólito (CAP – do inglês: catabolite activation protein), envolvida na efetiva repressão do
Operon lac. A CAP exerce controle positivo sobre o Operon lac, e é uma proteína
auxiliar, e ajuda a RNA polimerase a se ligar no promotor. Entretanto, ela só
se promove este auxílio se houver grandes concentrações de um constituinte
celular denominado adenosina monofosfato cíclico (cAMP), que é formado a partir
do ATP. O cAMP se liga à CAP causando uma modificação alostérica nesta
proteína, e complexo CAP+cAMP pode então auxiliar à ligação da RNA polimerase
ao promotor. Este mecanismo ocorre na ausência de glicose, pelo seguinte fato:
Se não há glicose, consequentemente a
célula está com pouco ATP. Bioquimicamente, a baixa do ATP provoca o aumento de
AMP, e por isso há grandes quantidades de cAMP para que se ligue à CAP. O
complexo formado então permite que a transcrição se inicie, porque ajuda a RNA
polimerase a se ligar ao promotor. Certo?
Mas... voltando à situação de muita glicose e galactose.
Neste caso, há muita produção de ATP, e pouco AMP. Assim, haverá também pouco
cAMP, e então não há a formação do complexo CAP+cAMP. Desta forma, a RNA
polimerase não consegue se ligar ao promotor, e é aí que ocorre a diminuição da
transcrição e da tradução, já que a célula não precisa produzir enzimas que
degradam a lactose e culminaria no aumento ainda mais de glicose. Seria um
trabalho sem necessidade, e a célula compreende isso.
Vamos retomar tudo de uma maneira bem simples:
Na presença da lactose:
Ø
Lactose se liga à proteína repressora.
Ø
A proteína repressor é inativada (sofre modificação
alostérica).
Ø
O gene operador fica desbloqueado.
Ø
A enzima RNA polimerase liga-se ao promotor.
Ø
Os genes estruturais são transcritos.
Ø
Ocorre a expressão gênica (síntese das enzimas para o
metabolismo da lactose).
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Fig 5: Operon na presença de lactose. |
Na ausência da lactose:
Ø
O gene regulador I determina a síntese da proteína repressor.
Ø
A proteína repressora se liga ao operador e bloqueia o promotor.
Ø
A enzima RNA polimerase não se liga ao promotor.
Ø
Os genes estruturais não são transcritos.
Ø
Não ocorre a síntese das três enzimas.
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Fig 6: Operon na ausência de lactose. |
Regulação adicional:
Na presença de glicose:
Ø
cAMP não se liga à proteína CAP.
Ø
Não há auxílio para a ligação da RNA polimerase ao promotor.
Ø
Há diminuição da transcrição e tradução.
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Fig 7: Operon na presença de glicose. |
Na ausência de glicose:
Ø
cAMP se liga à proteína CAP e promove modificação alostérica.
Ø
Há auxílio para a ligação da RNA polimerase ao promotor.
Ø
Há aumento da transcrição.
Ø
Ocorre a síntese das três enzimas.
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Fig 8: Operon na ausência de glicose. |
Como na maioria das postagens para auxílio às disciplinas,
trago a vocês vídeos de revisão. Espero que tenha ajudado! Qualquer dúvida,
deixe nos comentários!
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biomedemacao@gmail.com
Fontes:
Ruberti, M. Regulação da Expressão Gênica em Procariontes - Sistema
Operon da lactose. 2013.
Vídeos do youtube, citados acima.
Ótimo, perfeito! Ajudou bastante!
ResponderExcluirGente muito obrigada pela ajuda! Parabéns pelo texto muito bem elaborado!
ResponderExcluirMaravilhoso. Parabéns
ResponderExcluirperfeitooo muito bommm!!!
ResponderExcluirMaterial muito bom, com explanação clara.
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