Regulação da Expressão Gênica Procariotos

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“ O problema fundamental da química fisiológica e da embriologia é 
entender por que as células dos tecidos não expressam, o tempo 
todo, todas as potencialidades inerentes ao seu genoma” 
François Jacob e Jaques Monod, artigo no Journal Molecular 
Biology, 1961. 
Regulação Gênica 
•  Procariotos 
•  Eucariotos 
Regulação em Procariotos 
Por que regular a expressão gênica? 
•  Evitar gasto de energia; 
•  Divisão, crescimento, síntese, etc; 
•  Proteínas “gerais”; 
•  Proteínas “específicas”; 
•  Repressão de genes “específicos”; 
•  Reconhecimento de sinais. 
Regulação da expressão gênica 
Ø Porque regular ? 
Ø Qual o custo (em termos de energia e recursos) para fazer 
uma proteína? 
Ø Para uma proteína de tamanho médio (300 aminoácidos): 
F 1350 moléculas de ATP 
F 1650 átomos de carbono 
F 540 átomos de nitrogênio 
Escherichia coli tem cerca de 
4000 genes que codi f icam 
aproximadamente 2000 proteínas. 
Imaginem o custo se todas estas 
proteínas fossem produzidas todo 
o tempo! 
Regulação em Procariotos 
•  François Jacob e Jacques Monod 
Nobel em 1965 
Como estudar a regulação gênica? 
Regulação em Procariotos 
Por que bactérias? 
• Tempo de geração curto: 20 min; 
•  Grande número: 109 células por ml; 
•  Mutantes facilmente detectáveis; 
•  Rapidez na resposta a mudanças; 
•  Controle transcricional; 
•  Exemplo: Glicose X Lactose 
Regulação em Procariotos 
Transcrição e tradução acopladas 
Regulação da Expressão Gênica 
ž  Devido o alto custo energético na síntese 
de proteínas, a regulação da expressão 
gênica faz-se necessária para fazer uso 
otimizado da energia disponível, assim 
temos os seguintes pontos potenciais de 
regulação: 
 
1.  Síntese do transcrito de RNA primário 
(transcrição) 
2.  Modificação pós-transcricional 
3.  Degradação do RNA mensageiro 
4.  Síntese de proteína (tradução) 
5.  Modificação pós-traducional 
6.  Endereçamento e transporte de 
proteínas 
7.  Degradação de proteínas 
 
Princípios da Regulação Gênica 
§ A expressão gênica pode ser: 
1. Constitutiva – expressão de produtos 
gênicos que que são continuamente 
expressos na maioria das células. Tais genes 
são expressos constitutivamente e são 
chamados genes constitutivos. Ex.: Moléculas 
de tRNA, moléculas de rRNA, proteínas 
ribossômicas, subunidade de RNA polimerase 
e metabolismo da glicose. 
2. Regulada – os níveis de expressão variam 
em resposta aos sinais moleculares. Nesse 
caso são produtos gênicos necessários para 
o crescimento sob certas condições 
ambientais. Ex. Metabolismo de carboidratos 
(lactose) por procariotos. Nesse caso temos a 
indução e a repressão. 
Regulação em Procariotos 
Genes constitutivos e induzidos 
Princípios da Regulação Gênica 
§ Existem dois processos gerais de regulação 
gênica: 
1. Indução – Processo de ligar a expressão de 
genes em resposta a uma substância 
(indutor) do meio. Os genes são chamados 
de indutíveis e as enzimas de indutíveis. 
Exemplo: enzimas que estão envolvidas nas 
vias catabólicas (degradativas) tais como uso 
da lactose, galactose e arabinose. A indução 
ocorre a nível de transcrição e aumenta a 
taxa de síntese das enzimas portanto é 
diferente de ativação enzimática. 
2. Repressão – Processo de desligar a 
expressão de um gene ou conjunto de genes 
em resposta a um sinal ambiental (repressor). 
Exemplo: enzimas das vias anabólicas 
(biossintéticas) como triptofano. Ocorre 
também a nível transcricional. 
Regulação na Transcrição 
Promotores e proteínas reguladoras 
 
ž  A r e g u l a ç ã o d a e x p r e s s ã o n a 
transcrição é promovida pela alteração 
em como a RNA polimerase interage 
com o promotor. 
 
ž  Promotores – sít ios geralmente 
encontrados próximo a pontos onde a 
síntese do RNA começa sobre o molde 
de DNA. 
 
• A regulação gênica por indução e repressão 
pode ser feita por dois mecanismos de controles 
tanto positivo como negativos; 
 • Os dois mecanismos envolvem a participação 
de genes reguladores que são genes que 
regulam a expressão de outros genes; 
1. Mecanismo de controle positivo: O produto do 
gene regulador (ativador) é necessário para 
ligar a expressão de um ou mais genes 
estruturais (genes que expressam proteínas 
estruturais); 
2. Mecanismo de controle negativo: O produto do 
gene regulador (repressor) é necessário para 
desligar a expressão de um ou mais genes 
estruturais; 
 
 
ž Um gene é expresso quando a RNA polimerase 
liga-se a seu promotor e sintetiza um transcrito de 
RNA. 
ž O produto do gene regulador atua ligando-se a um 
sítio chamado sítio de ligação da proteína 
reguladora (RBS) adjacente ao promotor dos genes 
estruturais; 
ž Quando o produto do gene regulador está ligado 
ao RBS, a transcrição dos genes estruturais é ligada 
em um sistema de controle positivo e desligada no 
sistema de controle negativo 
 
ž Produtos do gene regulador podem ser: 
1. Ativadores: Ativam a expressão gênica nos 
sistemas de controle positivos; 
2. Repressores: Reprimem a expressão gênica nos 
sistemas de controle negativos; 
ž  Se a proteína reguladora pode ou não se ligar ao 
RBS depende da presença ou ausência de 
moléculas efetoras na célula; Ex.: aminoácidos, 
açúcares. As moléculas efetoras podem ser: 
1. Indutores – Moléculas efetoras envolvidas na 
indução da expressão gênica; 
2. Co-repressores - Moléculas efetoras envolvidas 
na repressão da expressão gênica. 
ž As moléculas efetoras ligam-se aos produtos do 
gene regulador e causam mudanças na estrutura 
tridimensional destas proteínas. 
 
Sistema 
indutível de 
controle 
negativo 
Sistema 
indutível de 
controle 
Positivo 
Sistema 
repressível de 
controle 
negativo 
Sistema 
repressível de 
controle 
positivo 
Complexo ativador-Co-repressor não 
pode ligar no sítio de ligação do regulador 
Regulação na Transcrição 
Operons 
 
ž  Muitos mRNAs de procariotos são policistrômicos 
(genes múltiplos em um único transcrito) e o único 
promotor é considerado o sítio de regulação da 
expressão. 
 
Operon Lac: Um sistema 
sujeito a indução 
ž Metabolismo da lactose em E. 
coli 
ž Jacob e Monod propuseram a 
regulação coordenada de genes 
envolvidos no metabolismo da 
lactose 
ž Na presença de lactose e 
ausência de glicose as bactérias 
expressam enzimas para 
assimilar e metabolizará lactose 
 
Indutor 
ž Operon: Um grupo de genes que constitui uma 
unidade reguladora ou de controle. A unidade 
inclui um operador, um promotor e genes 
estruturais. 
ž Operador: Uma parte de um operon que 
controla a expressão de um ou mais genes 
estruturais servindo como ponto de ligação para 
uma ou mais proteínas reguladoras. 
ž Promotor: Sequência de nucleotídeos do DNA 
onde a RNA polimerase se liga e inicia a 
transcrição. 
Regulação 
em 
Procariotos: 
Operon 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.html 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.html 
Regulação 
em 
Procariotos: 
operon 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
ativo 
Repressor produzido 
pelo gene 
regulador se liga no 
operador 
 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.html 
A RNA polimerase 
não pode ligar-se no 
promotor e fazer a 
transcrição 
Regulação 
em 
Procariotos: 
operon 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
ativo 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.html 
Não haverá a 
produção de mRNA e 
nenhuma proteína 
será formada pelos 
genes estruturais 
Regulação 
em 
Procariotos: 
operon 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
ativo 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.htmlRegulação 
em 
Procariotos: 
operon 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
inativado 
pelo indutor 
Repressor inativado por 
moléculas indutoras 
 
Step 1 
 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.html 
Regulação 
em 
Procariotos: 
operon 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
inativado 
pelo indutor 
Com o repressor 
inativado pelo indutor a 
RNA polimerase liga-se 
ao promotor 
 
Step 2 
 
http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/GR/GR.Operons.html 
Regulação 
em 
Procariotos: 
operon 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
inativado 
pelo indutor 
Step 3 
 
 RNA polimerase transcreve 
o mRNA dos genes 
estruturais e a tradução 
resulta na síntese de uma 
proteína ativa 
 
Operon 
repressível 
de controle 
negativo 
Indutível 
Repressível 
Repressível 
Indutível 
• A diferença entre um operon indutível e 
repressível é que o repressor livre liga-se ao 
operador de um operon indutível, enquanto o 
complexo repressor-efetor liga-se ao operador de 
um operon repressível. 
• Assim um operon indutível é desligado na 
ausência do efetor (indutor) e o operon 
repressível é ligado na ausência da molécula 
efetora (co-repressor) 
Operon Lac: Mecanismo de regulação gênica 
desenvolvido por Jacob e Monod em 1961 para uso 
da lactose por E. coli. Este operon é indutível de 
controle negativo 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac ou da lactose 
Promotor 
para o gene 
regulador 
Gene 
regulador 
Promotor 
para genes 
estruturais 
 
Operador 
Gene estrutural 
para β-
galactosidase 
 
Gene estrutural para 
β-galactosídeo 
permease 
 
Gene estrutural 
para β- -
galactosídeo 
transacetilase 
 
Z y A 
Regulação em Procariotos: Operon Lac 
Bloqueando a transcrição 
Regulação em 
Procariotos: 
Operon Lac 
indutível de 
controle 
negativo com 
repressor 
inativado pelo 
indutor e o 
gene é 
transcrito 
Indutor do 
operon lac 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Como não ocorre a ativação do operon lac pela 
lactose? 
• O operon lac é indutível de controle negativo 
explicando a indução de biossíntese de enzimas 
envolvidas no uso da lactose quando esta é adicionada 
ao meio no qual a E. coli está crescendo. 
• Entretanto a presença de glicose impede a indução do 
operon lac. Isso se chama repressão catabólica que é 
a redução mediada pela glicose nas taxas de 
transcrição de operons que especificam enzimas 
envolvidas em vias catabólicas como do operon lac. 
• A repressão catabólica do operon lac é mediada por 
uma proteína reguladora chamada de CAP (proteína 
ativadora do catabolismo) e uma pequena molécula 
efetora chamada de cAMP (Adenosina monofosfato 
cíclico) 
• Altas concentrações de glicose diminui a 
concentração intracelular de cAMP pois a glicose 
impede a ativação da enzima adenilato ciclase que 
produz cAMP a partir do ATP. 
•  Com a redução do cAMP a CAP não se liga no 
promotor do operon da lac e e com isso a RNA 
polimerase não pode ligar no promotor e transcrever os 
genes que metabolizam a lactose sendo portanto um 
exemplo de regulação gênica repressível de controle 
positivo. 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac – cAMP (Adenosina-
Monofosfato Cíclico) 
Regulação 
em 
Procariotos 
Operon 
Lac – CAP 
(cAMP 
Receptor 
Protein) 
Regulação em Procariotos: Operon Lac – cAMP 
Lactose + altas concentrações de glicose: 
redução do cAMP a CAP não se liga no 
promotor do operon e não transcreve os 
genes para metabolismo da lactose 
Regulação em Procariotos: Operon Lac – cAMP 
CAP 
CAP 
Lactose + baixas concentrações de glicose e alta concentração 
de cAMP: O operon lac transcreve os genes para metabolismo 
da lactose 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Regulação em Procariotos 
Operon Lac 
Controle indutível 
positivo do 
operon lac