Regulação Metabólica

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PRINCIPAIS MECANISMOS DE REGULAÇÃO 
 A maioria dos genes bacterianos é transcrita em RNA mensageiro (RNAm), o qual, 
por sua vez, é traduzido em proteína. 
 A quantidade de proteína sintetizada pode ser regulada tanto no nível da transcrição, 
por meio da variação da quantidade de RNAm produzido, quanto no nível da tradução, 
pelos RNAm traduzidos ou não. 
 
 Após a tradução, outros processos reguladores, como inibição por retroalimentação, 
modificações covalentes, degradação e interações com outras proteínas, podem 
regular a atividade de algumas proteínas. 
 Para monitorar os níveis de expressão gênica correspondentes a proteínas 
específicas, genes repórteres podem ser utilizados. Genes repórteres codificam um 
produto proteico que é facilmente detectado e, portanto, pode ser fundido com outros 
genes ou elementos reguladores para monitorar a expressão gênica. A proteína 
verde fluorescente (GFP), que emite uma fluorescência verde brilhante quando é 
exposta a um comprimento de onda específico, é comumente utilizada para monitorar 
a expressão gênica. 
PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO AO DNA 
 Para um gene ser transcrito, a RNA-polimerase deve reconhecer um promotor 
específico no DNA e, então, dar início às suas atividades. 
 Pequenas moléculas frequentemente assumem a regulação desse processo; 
entretanto, elas raramente o fazem diretamente. Em vez disso, elas geralmente 
influenciam as ligações de certas proteínas, denominadas proteínas reguladoras, 
para locais específicos do DNA. 
 A maioria das proteínas de ligação ao DNA interage com o ácido nucleico de maneira 
sequência-específica. A especificidade é conferida por interações entre as cadeias 
laterais de aminoácidos específicos das proteínas com as bases e o esqueleto 
açúcar-fosfato do DNA. 
 Devido ao seu tamanho, o sulco maior do DNA consiste no principal local de ligação 
proteica. 
 
As proteínas de ligação ao DNA são, em geral, homodiméricas, ou seja, elas são compostas 
por duas subunidades polipeptídicas idênticas, cada uma subdividida em domínios – 
regiões da proteína com estrutura e função específicas. Cada subunidade possui um 
domínio que interage especificamente com uma região do sulco maior do DNA. 
 
As proteínas de ligação ao DNA de procariotos e eucariotos possuem vários classes de 
domínios proteicos, os quais são fundamentais na ligação de muitas dessas proteínas ao 
DNA. 
 Uma das mais comuns é denominada estrutura hélice-volta-hélice. O motivo hélice-
volta-hélice consiste em dois segmentos de uma cadeia polipeptídica com estruturas 
secundárias do tipo a-hélice, conectadas por uma pequena sequência, que forma a 
“volta”. A primeira hélice consiste na hélice de reconhecimento, a qual interage 
especificamente com o DNA. A segunda hélice, a hélice estabilizadora, estabiliza a 
primeira hélice, por meio de interações hidrofóbicas com ela. A volta que conecta as 
duas hélices consiste em três resíduos de aminoácidos, sendo o primeiro 
normalmente uma glicina. 
 O reconhecimento de sequências é realizado por interações não covalentes, incluindo 
ligações de hidrogênio e forças de van der Waals entre a hélice de 
reconhecimento da proteína e os grupos químicos específicos na sequência de pares 
de bases no DNA. 
Dois outros tipos de domínios proteicos são comumente encontrados em proteínas que se 
ligam ao DNA. 
 Um deles, o dedo-de-zinco, é frequentemente encontrado em proteínas reguladoras 
eucarióticas e, como o próprio nome indica, é uma estrutura proteica que se liga ao 
íon zinco. 
 O outro domínio proteico comumente encontrado em proteínas de ligação ao DNA 
corresponde ao zíper de leucina, resíduos de leucina regularmente espaçados que 
funcionam como duas hélices de reconhecimento na orientação correta, a fim de se 
ligar ao DNA. 
 Em alguns casos, a proteína de ligação ao DNA é a que catalisa uma reação 
específica no DNA, como a transcrição. 
CONTROLE NEGATIVO DA TRANSCRIÇÃO: REPRESSÃO E INDUÇÃO 
A transcrição corresponde à primeira etapa no fluxo de informação biológica; por essa razão, 
consiste em um ponto onde a expressão gênica é afetada de maneira relativamente fácil. 
 Em geral, as enzimas que catalisam a síntese de um produto específico não são 
sintetizadas quando o produto se encontra presente no meio em quantidades 
suficientes. 
 Em Escherichia coli e muitas outras bactérias, as enzimas envolvidas na síntese do 
aminoácido arginina são sintetizadas apenas quando a arginina se encontra ausente 
no meio de cultura; um excesso de arginina reprime a síntese dessas enzimas. Esse 
evento é denominado repressão enzimática. 
 
 A indução enzimática, conceitualmente, consiste em um processo oposto à 
repressão enzimática. Na indução enzimática, uma enzima é sintetizada somente 
quando seu substrato se encontra presente. 
 
 A substância que induz a síntese de uma enzima é denominada indutor, ao passo 
que aquela que reprime sua síntese é denominada correpressor. Essas substâncias, 
que geralmente correspondem a pequenas moléculas, são coletivamente 
denominadas efetores. 
 Ao se ligar ao seu efetor, a proteína repressora se torna ativa, ligando-se, então, a 
uma região específica do DNA próxima ao promotor do gene, chamado de operador. 
 
 
CONTROLE POSITIVO: ATIVAÇÃO 
 A região do DNA que corresponde ao local do ativador não é denominada operador, 
sendo, em vez disso, denominada local de ligação do ativador. 
 
 
 Quando mais de um óperon está sob o controle de uma única proteína reguladora, 
esses óperons são, em geral, chamados de regulon. 
 
CONTROLE GLOBAL E O ÓPERON LAC 
Os mecanismos reguladores que respondem aos sinais ambientais, regulando a expressão 
de muitos genes diferentes, são denominados sistemas de controle global. 
 Glicose, quando disponível, é a primeira fonte a ser utilizada. 
Uma consequência da repressão catabólica é o fato de ela promover duas fases 
exponenciais de crescimento, uma situação chamada de crescimento diáuxico. Quando 
duas fontes de energia utilizáveis se encontram disponíveis, as células utilizam inicialmente 
a melhor fonte de energia para seu crescimento. O crescimento é interrompido quando a 
melhor fonte acaba, contudo, após uma fase lag, o crescimento é retomado a partir da outra 
fonte de energia. 
 
 As proteínas do óperon lac, incluindo a enzima b-galactosidase, são necessárias para 
a utilização de lactose, sendo induzidas por sua presença. Além disso, sua síntese é 
controlada pela repressão catabólica. Enquanto houver glicose no meio, o óperon lac 
não é expresso e a lactose não é utilizada. 
Apesar de seu nome, a transcrição é controlada por uma proteína ativadora na repressão 
catabólica, consistindo, na realidade, em uma forma de controle positivo. A proteína 
ativadora é denominada proteína receptora de AMP cíclico (CRP, cyclic AMP receptor 
protein). 
Um gene que codifica uma enzima reprimível pelo catabólito é somente expresso quando a 
proteína CRP se liga ao DNA, na região promotora. Isso permite que a RNA-polimerase se 
ligue ao promotor. CRP é uma proteína alostérica que se liga ao DNA somente após sua 
associação com uma pequena molécula, denominada adenosina monofosfato cíclico. 
 O AMP cíclico é uma molécula essencial em muitos sistemas de controle metabólico, 
tanto em procariotos quanto em eucariotos. Por ser derivado de um precursor de 
ácido nucleico, é um nucleotídeo regulador. 
 Quando a glicose entra na célula, a concentração de AMP cíclico é diminuída, a 
proteína CRP se torna incapaz de se ligar ao DNA, e a RNA-polimerase deixa de se 
ligar aos promotores dos óperons sujeitos à repressão catabólica. 
 
Para que os genes lac sejam transcritos, dois requisitos devem ser preenchidos: 
(1) a concentração de AMP cíclico deve ser alta o suficiente para permitir a ligação da 
proteína CRP ao local de ligação de CRP (controle positivo); 
(2) a lactose, ou outro indutor adequado, deveestar presente, de forma que o repressor de 
lactose (proteína LacI) não bloqueie a transcrição ao se ligar ao operador (controle negativo). 
 Se essas duas condições forem cumpridas, a célula sinaliza a ausência de glicose e 
a presença de lactose; então, e somente então, se inicia a transcrição do óperon lac. 
RNAS REGULADORES: PEQUENOS RNAS E RNA ANTISSENSO 
 Moléculas de RNA que não são traduzidas, a fim de originar proteínas, são 
coletivamente conhecidas como RNAs não codificadores (RNAnc). 
A maneira mais frequente pela qual moléculas de RNA regulador exercem seus efeitos dá-
se pelo pareamento de bases com outras moléculas de RNA, geralmente RNAm, exibindo 
regiões complementares em sua sequência. 
 Alguns sRNA irão se parear aos seus RNAm-alvo, modificando a sua estrutura 
secundária para bloquear o local de ligação ao ribossomo (RBS) anteriormente 
acessível ou para liberar um RBS anteriormente bloqueado, permitindo o acesso do 
ribossomo. Esses dois eventos diminuem ou aumentam, respectivamente, a 
expressão da proteína codificada pelo RNAm-alvo. 
 Os outros dois mecanismos de interação do sRNA afetam a estabilidade do RNAm; 
a ligação do sRNA ao seu alvo pode aumentar ou diminuir a degradação do transcrito 
pelas ribonucleases bacterianas, modulando, assim, a expressão proteica. 
 Um aumento na degradação de um RNAm previne a síntese de novas moléculas 
proteicas codificadas por esse RNAm. Além disso, o aumento na estabilidade do 
RNAm desencadeará níveis maiores da proteína correspondente na célula. 
 
 Pequenos RNA, os quais são produzidos pela transcrição de fitas não molde dos 
mesmos genes que originam os seus RNAm-alvo, são denominados pequenos RNA 
antissenso e são, portanto, complementares na sequência de bases. 
 A transcrição do RNA antissenso é intensificada em situações em que seus genes-
alvo devem ser inativados. 
 Hfq e proteínas similarmente funcionais são denominadas chaperonas de RNA; elas 
auxiliam pequenas moléculas de RNA, incluindo muitos sRNA, a manterem suas 
estruturas corretas. 
 Pequenos RNA nem sempre funcionam afetando um RNAm.