Regulação da Expressão Gênica em Procariotos

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Leonardo Vinícius Ribeiro Moreira 
BBPM II - Genética 
 
Esses seres possuem um genoma haploide, 
com: 
 DNA dupla fita e circular; 
 Cromossomo único; 
Além disso, qualquer mutação em seu 
material genético será expressa. 
Os procariotos possuem um genoma 
menor que o de um eucarioto e 
praticamente todo esse genoma é 
codificado ou tem uma função 
reguladora. 
Ademais, os procariotos possuem um 
genoma compactado, com sobreposição 
de genes. Com isso, uma sequência 
codifica duas proteínas diferentes. 
 
Os procariotos também têm ausência de 
íntrons e o tamanho do gene é igual ao 
tamanho da proteína. 
As bactérias têm moléculas reguladoras 
específicas que controlam se um gene 
determinado será transcrito em RNAm. 
Muitas vezes, essas moléculas atuam se 
ligando ao DNA próximo do gene e 
promovendo ou bloqueando a enzima da 
transcrição, RNA polimerase. Em bactérias, 
genes relacionados são frequentemente 
encontrados agrupados no cromossomo, 
do qual podem ser transcritos por um 
promotor (sítio de ligação da RNA 
polimerase) como uma unidade. Esse 
conjunto de genes sob o controle de um 
único promotor é conhecido como 
óperon. 
 
Cada um desses cinco genes codifica uma 
enzima diferente, e todas essas enzimas 
são necessárias para sintetizar o 
aminoácido triptofano a partir de 
moléculas mais simples. Os genes são 
transcritos como uma única molécula de 
RNA, uma característica que possibilita que 
sua expressão seja coordenada. Os 
conjuntos de genes transcritos como uma 
única molécula de mRNA são comuns em 
bactérias. Cada um desses conjuntos é 
denominado óperon, porque sua 
expressão é controlada por uma 
sequência reguladora denominada 
operador (em verde), situado dentro do 
promotor. 
Para que ocorra a expressão gênica, 
necessita-se de alguns genes, como: 
Genes estruturais: são constitutivos e 
sintetizados em velocidade e quantidade 
constantes, como por exemplo, tRNA, 
rRNA, proteínas ribossomais, subunidades 
de RNA polimerase, enzimas de 
manutenção celular. 
Genes regulatórios: genes que regulam a 
expressão gênica. 
 
 
Leonardo Vinícius Ribeiro Moreira 
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A bactéria E. coli tem sua expressão 
metabólica dependente do ambiente. Se 
a glicose está presente, a bactéria utiliza a 
glicose para produzir energia (ATP). No 
caso, se a glicose está ausente, a bactéria 
utiliza outros açucares, como lactose e 
maltose. Mas que isso aconteça, é 
necessária uma regulação gênica. 
No material genético há muitas 
informações, mas apenas parte dessa 
informação é expressa em determinado 
tempo e dependendo do tipo celular. 
Quando o ambiente muda, novos genes 
são expressos e proteínas necessárias são 
sintetizadas. 
Nos óperons existem algumas regiões, nas 
quais se encontram: 
1. Gene regulador: codifica a proteína 
reguladora, que controla a expressão dos 
genes estruturais de um óperon. 
 Proteína Reguladora Ativadora: 
estimula a transcrição (proteína 
positiva); 
 Proteína Reguladora Repressora: 
inibe a transcrição (proteína 
negativa). 
2. Promotor: sítio de ligação da RNA 
polimerase; 
3. Indutor: agente ambiental que 
desencadeia a transcrição do óperon; 
4. Operador: sítio de ligação da proteína 
ativadora/repressora, que permite/impede 
a ligação da RNA polimerase ao promotor; 
5. Genes estruturais: genes codificantes. 
O controle pela proteína reguladora pode 
se dar de duas formas: 
Controle negativo: a proteína reguladora é 
repressora, ligando-se ao DNA e inibindo a 
transcrição. 
Controle positivo: a proteína reguladora é 
uma ativadora, estimulando a transcrição. 
Além disso, os óperons podem ser 
considerados de dois tipos, sendo eles: 
Óperons induzíveis: transcrição 
normalmente está desligada e algo 
precisa acontecer para induzir a 
transcrição (ligá-la); 
Óperons reprimíveis: a transcrição está 
normalmente ligada e algo deve 
acontecer para reprimir a transcrição 
(desliga-la). 
Em um óperon induzível negativo, o gene 
regulador codifica um repressor ativo que 
se liga com facilidade ao operador. Como 
o sítio do operador se sobrepõe ao sítio do 
promotor, a ligação dessa proteína ao 
operador bloqueia fisicamente a ligação 
da RNA polimerase ao promotor e impede 
a transcrição. Para que a transcrição 
ocorra, algo deve intervir para impedir a 
ligação do repressor no sítio do operador. 
Esse tipo de sistema é chamado de 
induzível, por que a transcrição está 
normalmente desligada (inibida) e tem de 
ser ligada (induzida). 
A transcrição é ligada quando uma 
pequena molécula, um indutor, liga-se ao 
repressor. As proteínas reguladoras têm 
frequentemente dois sítios de ligação: um 
que se liga ao DNA e outro que se liga a 
uma pequena molécula como um indutor. 
A ligação do indutor (precursor V) altera o 
formato do repressor, evitando que ele se 
ligue ao DNA. 
 
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Alguns óperons com controle negativo são 
reprimíveis, o que significa que a 
transcrição ocorre normalmente e tem de 
ser desligada, ou reprimida. A proteína 
reguladora nesse tipo de óperon também 
é uma repressora, mas é sintetizada em 
uma forma inativa que não pode se ligar 
por si só ao operador. Como nenhum 
repressor se liga ao operador, a RNA 
polimerase se liga com facilidade ao 
promotor e ocorre a transcrição dos genes 
estruturais. 
Algo precisa acontecer para ativar o 
repressor e desligar a transcrição. Uma 
pequena molécula chamada de 
correpressor liga-se ao repressor e o torna 
capaz de se ligar ao operador. O produto 
(U) da reação metabólica é o correpressor. 
Como o nível do produto U está elevado, 
ele está disponível para se ligar ao 
repressor e ativá-lo, evitando a transcrição. 
Com o óperon reprimido, as enzimas G, H e 
I não são sintetizadas e não é mais 
produzido U a partir de T. Entretanto, 
quando todo o produto U for usado, o 
repressor não é mais ativado pelo produto 
U e não pode se ligar ao operador. A 
inativação do repressor possibilita a 
transcrição dos genes estruturais e a síntese 
das enzimas G, H e I, resultando na 
conversão do precursor T no produto U. 
Como os óperons induzíveis, os óperons 
reprimíveis são econômicos: as enzimas são 
sintetizadas apenas se forem necessárias. 
Os óperons reprimíveis controlam as 
proteínas responsáveis pela biossíntese das 
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moléculas necessárias na célula, como os 
aminoácidos. Para esses tipos de óperons, 
o controle reprimível faz sentido porque a 
célula sempre precisa do produto 
produzido pela proteína. Assim, esses 
óperons estão normalmente ligados e são 
desligados quando há quantidades 
adequadas do produto já existente. 
Com o controle positivo, uma proteína 
reguladora é um ativador: ela se liga ao 
DNA (em geral em um sítio diferente do 
operador) e estimula a transcrição. O 
controle positivo pode ser induzível ou 
reprimível. 
Em um óperon induzível positivo, a 
transcrição está desligada por que a 
proteína reguladora (uma ativadora) é 
produzida na forma inativa. A transcrição 
ocorre quando um indutor se liga à 
proteína reguladora, liberando o regulador 
ativo. Do ponto de vista lógico, o indutor 
será o precursor da reação controlada 
pelo óperon de modo que as enzimas 
necessárias seriam sintetizadas apenas 
quando houvesse o substrato para sua 
reação. 
Em um óperon positivo reprimível, a 
proteína reguladora é produzida em uma 
forma que se liga com facilidade ao DNA, 
o que significa que a transcrição ocorre 
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normalmente e tem de ser reprimida. A 
transcrição é inibida quando um substrato 
se fixa ao ativador e o deixa incapaz de se 
ligar ao DNA de modo que a transcrição 
não é mais estimulada. Aqui, o produto (P) 
da reação controlada pelo óperon seria 
logicamente a substânciareprimida, 
porque ela seria econômica para a célula 
para evitar a transcrição dos genes que 
possibilitam a síntese de P quando já existe 
produto P. 
 
 
O óperon lac é um exemplo de óperon 
induzível negativo. As enzimas beta 
galactosidase, permease e transacetilase 
são codificadas por genes estruturais 
adjacentes no óperon lac da E. coli e têm 
um promotor em comum (lacP). 
 A beta galactosidase é codificada 
pelo gene lacZ; 
 A permease pelo gene lacY; 
 A transacetilase pelo gene lacA. 
Quando o meio no qual a E. coli cresce 
não tem lactose, são produzidas algumas 
moléculas de cada proteína. Se a lactose 
for adicionada ao meio e a glicose estiver 
ausente, a taxa de síntese de todas as três 
proteínas aumenta simultaneamente 
cerca de mil vezes dentro de 2 a 3 min. Essa 
explosão na síntese de proteínas é o 
resultado da transcrição de lacZ, lacY e 
lacA e exemplifica a indução 
coordenada, a síntese simultânea de 
várias proteínas, estimulada por uma 
molécula específica, o indutor. 
A RNA polimerase se liga ao promotor e se 
desloca na molécula de DNA, 
transcrevendo os genes estruturais. 
Quando o repressor está ligado ao 
operador, a ligação da RNA polimerase é 
bloqueada, impedindo a transcrição. 
Quando há lactose, parte dela é 
convertida em alolactose, que se liga ao 
repressor e faz com que o repressor seja 
liberado do DNA. Havendo lactose, então, 
o repressor é inativado, a ligação da RNA 
polimerase não é mais bloqueada, ocorre 
a transcrição de lacZ, lacY e lacA e as 
proteínas lac são produzidas. 
OBS: a repressão nunca desliga 
completamente a transcrição do óperon 
lac. Mesmo com o repressor ativo ligado ao 
operador, existe um nível reduzido de 
transcrição e são sintetizadas algumas 
moléculas de beta galactosidase, 
permease e transacetilase. Quando a 
lactose aparece no meio, a permease 
existente transporta um pouco de lactose 
para a célula. As poucas moléculas de 
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beta galactosidase encontradas 
convertem parte da lactose em 
alolactose, que induz a transcrição. 
 
 
Quando há pouca glicose no meio, 
aumenta-se a concentração de cAMP e, 
consequentemente, aumenta-se a 
transcrição do óperon lac. Da mesma 
forma, quando existe muita glicose, 
diminui-se a concentração de cAMP e 
também a transcrição do óperon lac. 
 
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Em muitos casos, a atividade de um único 
promotor é controlada por vários 
reguladores transcricionais diferentes. O 
óperon Lac em E. coli, por exemplo, é 
controlado tanto pelo repressor Lac 
quanto pelo ativador CAP recentemente 
discutido. O óperon Lac codifica proteínas 
requeridas para importar e digerir o 
dissacarídeo lactose. Na ausência de 
glicose, a bactéria produz cAMP, que ativa 
CAP a ligar genes que possibilitam à célula 
usar fontes alternativas de carbono – 
incluindo lactose. Contudo, seria um 
desperdício se a CAP induzisse a expressão 
do óperon Lac se a própria lactose não 
estivesse disponível. Portanto, o repressor 
Lac desliga o óperon na ausência de 
lactose. Esse arranjo possibilita que a região 
controladora do óperon Lac integre dois 
sinais diferentes, de maneira que o óperon 
somente é altamente expresso quando 
 
 
duas condições são encontradas: a glicose 
tem que estar ausente e a lactose tem que 
estar presente. 
 
 
 
 
 
Quando a glicose está disponível, os 
genes que participam do metabolismo 
dos outros açúcares são reprimidos, em 
um fenômeno conhecido como repressão 
catabólica. 
O controle positivo é obtido por meio da 
ligação de uma proteína dimérica 
chamada proteína catabólica ativadora 
(CAP). 
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Desligada 
 
Repressor ativo 
 
Inibir a 
transcrição 
Substrato/indutor 
torna o repressor 
inativo 
 
Ligada 
 
Repressor inativo 
 
Inibir a 
transcrição 
 
Produto torna o 
repressor ativo 
 
Desligada 
 
Ativador inativo 
 
Estimula a 
transcrição 
 
Substrato torna o 
ativador ativo 
 
Ligada 
 
Ativador ativo 
 
Inibir a 
transcrição 
 
Produto torna o 
ativador inativo