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Controle da expressão gênica em procariontes - Operon LAC

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Controle da expressão gênica em procariontes
Operon LAC
Um dos elementos essenciais na regulação gênica é a rapidez com que os genes se ativam ou desativam, em consequência a mudanças ambientais repentinas (fatores como temperatura, pH e outros organismos no ambiente podem mudar com rapidez). O microorganismo deve estar pronto a se adaptar imediatamente a essas mudanças. Esse tipo de regulação de curto prazo é chamado de sistema operon lac.
O gene regulador sintetiza um repressor que inibe o gene operador. Assim, quando o gene regulador está funcionando, as proteínas não são sintetizadas pelos respectivos genes estruturais, que somente funcionam quando o regulador é "desligado" pela inativação do repressor por um metabólito específico denominado indutor.
Quando o operon lac é induzido, são sintetizadas três enzimas: permease, E-galactosidase e transacetilase, que metabolizam a lactose, facilitam sua entrada na bactéria e degradam os produtos tóxicos da digestão da lactose. Os genes estruturais para as três enzimas estão reciprocamente próximos, no cromossomo da E. coli, na seguinte ordem: lac Z (E-galactosidase), lac Y (permease) e lac A (transacetilase). Junto a esse grupo de genes estruturais, encontram-se o gene operador (O), o promotor (P) e, a alguma distância, o gene repressor (I). Esse gene transcreve um mRNA que é traduzido em uma proteína repressora. No estado repressor ou não induzido, essa proteína liga-se a um sítio específico do gene O, impedindo também a conexão da RNA-polimerase ao promotor e, consequentemente, a transcrição dos genes estruturais do operon lac. No estado indutor, a lactose, funcionando como indutor, liga-se à proteína repressora, impedindo-a de unir-se ao gene O. Na ausência dessa ligação, a RNA-polimerase junta-se ao promotor (P) e ocorre a transcrição dos genes estruturais lac Z, lac Y e lac A, com a subsequente tradução do mRNA nas três enzimas. A regulação, seja indutiva ou repressiva, pode estar sob controle negativo ou positivo. No controle negativo a expressão gênica sempre ocorre, a menos que seja impedida por alguma molécula reguladora. No controle positivo, ao contrário, a transcrição somente ocorre se uma molécula reguladora estimular diretamente a produção de RNA.
Na ausência de glicose e presença de lactose, o complexo CRP-cAMP se liga ao promotor, estimulando a transcrição, ao mesmo tempo que o repressor Lac será desligado do operador pela ação da alolactose. Na presença de glicose, o complexo CRP-cAMP não se forma e, conseqüentemente, não ocorre a transcrição. Mas para que a transcrição ocorra também é necessária a presença da lactose, que, através de seu derivado alolactose, irá deslocar o repressor Lac do operador. O complexo CRP-cAMP precisa estar presente no seu sítio de ligação para que o promotor do Operon Lac seja ativado. O complexo exerce um controle positivo na transcrição do Operon Lac, oposto ao efeito observado para a proteína repressora. Somente o complexo se liga ao promotor. Na ausência de cAMP, a proteína CRP não se liga. 
A glicose inibe a atividade da enzima adenilato-ciclase, responsável pela síntese de cAMP, de modo que, na presença de glicose, os níveis de cAMP serão baixos e com isso não haverá formação do complexo com a proteína CRP e a conseqüente ligação ao promotor, mantendo o Operon Lac inativo. Desse modo, quando existir lactose e glicose, a glicose será utilizada primeiro, e a lactose só será utilizada quando os níveis de glicose baixarem e houver produção de cAMP. Em adição, a presença da lactose é necessária para produzir a alolactose, que é a molécula que permitirá o desligamento do repressor Lac do operador.
Os operons catabólitos indutíveis foram colocados sobre controle duplo, pois possuem promotores de ligação acima da região do operon (provavelmente enfraquecido durante a evolução) para tornar operons dependentes de uma proteína auxiliar que inicia eficientemente a transcrição. O indutor específico atua em um só operon enquanto que o complexo CAP-AMPc é capaz de afetar muitos. Operons controlados em conjunto pelo AMPc são membros de um circuito regulador global, dentre eles: genes heat-shock (que são ativados por uma subunidade sigma diferente da RNA polimerase quando há altas temperaturas) e genes SOS (que codificam enzimas de reparo após dano no DNA).

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