Aula_9_-_Regula_o_da_Express_o_G_nica_em_Procariotos

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RegulaRegulaçção da Expressão Gênica ão da Expressão Gênica 
A Regulação Gênica
Todas as células de um organismo
contêm todos os genes de seu genoma
Então, por que as células são tão
diferentes ???
RegulaRegulaçção da transcrião da transcriççãoão
principal nível de controle da regulação
Como a célula controla a síntese de suas 
proteínas?
Cada tipo de célula é programada para 
expressar apenas algumas de suas proteínas
� As células precisam ser capazes de ligar ou desligar a 
transcrição de cada gene específico ou grupo de genes
� As células devem ser capazes de reconhecer as 
condições ambientais nas quais devem ativar ou reprimir 
a transcrição de genes relevantes
Circuitos de controle
Genes Constitutivos – são expressos o tempo todo
Genes Induzíveis – sua expressão depende da presença
ou ausência da substância indutora
Genes Repressíveis – são normalmente ativos, mas sua
atividade pode ser inibida pela presença de uma
substância repressora
Regulação Gênica em Procariontes
���� promotor e RNA-polimerase � determina início transcrição
cada gene um promotor
���� operadores e proteínas ativadoras e repressoras
Genes: ligação proteína ativadora ao sítio alvo � transcrição começa
REGULAÇÃO POSITIVA
Genes: impedir ligação proteína repressora � transcrição começa
REGULAÇÃO NEGATIVA
Regulação Gênica em Procariontes
As conseqüências diferentes da ligação do ativador e do 
repressor ao operador no DNA
Regulação Gênica em Procariontes
• Ocorrem dois tipos de controle transcricional:
• Controle positivo: uma proteína regulatória atua
como um ativador, estimulando a transcrição;
• Controle negativo: uma proteína regulatória atua
como um repressor, inibindo a transcrição.
Regulação Gênica em Procariontes
COMO OS ATIVADORES E REPRESSORES (PROTEÍNAS 
REGULADORAS) REGULAM TRANSCRIÇÃO?
Proteína ativadora
� ajuda fisicamente orientar RNA pol. ao promotor
Proteína repressora
�interfere fisicamente na ligação RNA pol. ao seu promotor
�impede o movimento da RNA pol. ao longo da cadeia de DNA
início da transcrição – controle positivo
bloqueio início transcrição – controle negativo
Regulação Gênica em Procariontes
O modelo operon: grupos genes que são
transcritos juntos como uma única
molécula de mRNA policistrônica
A Regulação da Expressão Gênica
em Procariontes e suas novidades …
Operon: unidade genética de expressão coordenada
OPERONS
� Grupos de genes arranjados de forma consecutiva (lado a lado) no genoma 
e sujeitos ao controle de uma única região reguladora (promotor único e 
operador) – formam unidade de expressão gênica
� Genes do operon estão envolvidos em uma mesma rota metabólica – p. ex., 
degradação de açúcares: lactose, galactose, glicose, xilose→ regulados em 
conjunto.
� Surgiram para criar situação ótima para eficiência energética da célula, 
além de garantir presença do RNA de todos os constituintes de uma mesma 
via.
Regulação Gênica em Procariontes
Estrutura de um Operon
- Formado por 3 elementos
� promotor – ligação da RNA polimerase
� operador – ligação de proteínas regulatórias (ativadoras ou repressoras) 
ou seja, fatores de transcrição
� genes estruturais – vão gerar as proteínas e cujas expressões são 
controladas
- Genes do operon em um único transcrito - RNA policistrônico
- tradução de cada seção do RNA policistrônico pode ocorrer de 
forma independente
Gene 1 Gene 2 Gene 3 OperadorPromotor
Estrutura de um Operon
Tipos de Operon
Operon Induzível negativo
Tipos de Operon
Operon Repressível negativo
Os conceitos básicos de regulação metabólica 
de procariotos foram descobertos em E. coli
Idéia chave:
Proteínas não são sintetizadas quando não 
necessárias!!!
O operon Lac de E. coli
E. coli conserva suas energias não produzindo 
as proteínas Lac quando não é necessário 
metabolizar lactose, p. ex., quando há outra 
fonte de açúcar disponível, como glicose
glicose
lactose
1. Indução catabólica - O substrato (lactose) induz a 
expressão gênica
2. Repressão catabólica – quando a glucose é a fonte
primária de carbono
Jacob e Monod, 1961
Regulação da expressão das enzimas necessárias para 
o metabolismo de lactose E. coli
O operon Lac de E. coli
como um Sistema Induzível
Metabolismo da lactose em bactéria
Operon Lac
� lactose deve estar presente (controle negativo)
� glucose não esteja presente (controle positivo) 
Expressão enzimas metabólicas glucose - duas condições tem 
que ser satisfeitas:
Operon Lac
� síntese β-galactosidade não será induzida até toda glucose usada
� célula usa qq glicose existente antes de metabolizar mais lactose
� Glucose � supressão da indução operon lac
Indução da síntese de ββββ-galactosidase
Operon Lac
Modelo simplificado do operon lac
Operon Lac
Genes:
Lac Z → β-galactosidase: cliva a lactose em glicose + galactose
Lac Y → permease: facilita a entrada de lactose na célula
Lac A → transacetilase: acetila lactose não hidrolisada para ser 
eliminada da célula
Operon Lac
Transcritos em única molécula multigênica de RNA policistrônico
Operon Lac
Operon Lac
A proteína repressora
(decodificada pelo gene I) 
regula o operon lac
Proteína Repressora
Operon Lac – controle negativo
DNA
Repressão
Operon Lac – controle negativo
Sítio de ligação à Lactose vazio:
O Repressor se liga ao operator – a transcrição é inibida
Proteína Repressora
Operon Lac – controle negativo
Sítio de ligação à Lactose ocupado:
O Repressor não se liga ao operator - ocorre a transcrição
DNA
Proteína Repressora
Operon Lac – controle negativo
Resposta a presença de Lactose (indutor)
Operon Lac – controle negativo
O Operon Lac regula o Metabolismo de Lactose
Operon Lac – controle negativo
Numa visão mais detalhada da
estrutura funcional do Operon Lac …
Operon Lac
O Operador se sobrepõe ao Promotor na extremidade
5’ do primeiro gene estrutural do operon
Operon Lac
Relembrando: promotores de E. coli…
Operon Lac
Operon Lac
Operon Lac
Operon Lac
Operon Lac
Operon Lac
OBS: cada gene no 
transcrito policistrônico
tem seus códons de início e 
término a serem utilizados
na tradução
Operon Lac
Se ambas estão presentes, quem é mais
eficiente metabolicamente??
Se a glicose esta presente o operon lac é
reprimido mesmo na presença de lactose
Lactose X Glicose
Operon Lac – controle positivo
Por que a glicose tem que estar ausente para 
transcrição dos genes do operon lac?
Se tem glicose por que metabolizar 
lactose gastando energia a toa?
Operon Lac – controle positivo
A região promotora lac tem dois sítios de ligação:
1) RNA polymerase binding site
2) CAP-binding site (for catabolite activator 
protein), como um exemplo de controle positivo
da regulação da expressão gênica
Operon Lac – controle positivo
cAMP-CAP: Facilita ligação da RNA Polimerase ao
promotor lac
Quando a glucose está ausente, os níveis de cAMP são altos e o 
complexo cAMP-CAP se liga a região promotora, aumentando a 
eficiência da ligação da RNA polimerase e da transcrição. 
Operon Lac – controle positivo
Quando a glucose (catabólito) está presente, os níveis de cAMP são
baixos e CAP não pode se ligar ao promotor; consequentemente a 
ligação da RNA polimerase e da transcrição diminuem
Repressão Catabólita do Operon Lac
Operon Lac – controle positivo
Operon Lac – controle positivo
Repressão Catabólita do Operon Lac
Controle catabólico do Operon lac. Sistema de repressão 
catabólica contribui para a ativação seletiva do operonlac
Controle negativo e positivo do operon Lac pelo repressor Lac e 
a proteína ativadora do catabolismo (CAP), respectivamente
↑↑↑↑ Glicose 
↓↓↓↓ Lactose
↑↑↑↑ Glicose 
↑↑↑↑ Lactose 
Expressão Basal
Sem Expressão
↓↓↓↓ Glicose 
↑↑↑↑ Lactose
Expressão 
aumentada
↓↓↓↓ Glicose 
↓↓↓↓ Lactose 
Expressão
cAMP
Operon Lac
TODOS OS NÍVEIS DE MODULAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO
↑↑↑↑ Glicose 
↑↑↑↑ Lactose 
Expressão
Basal 
CAP RNA Pol
cAMP ↓↓↓↓ Glicose 
↑↑↑↑ Lactose 
↑↑↑↑↑
Expressão
↑↑↑↑ Glicose 
↓↓↓↓ Lactose 
Expressão
O mecanismo da
ativação transcricional
cAMP-CAP
Operon Lac – controle positivo
Comparação do controle positivo e negativo
Controle negativo: indutor-repressor operon lac - expressão bloqueada
Controle positivo: sistema CAP-cAMP - expressão operon lac requer 
presença sinal ativador
Proteínas regulatórias
� proteína ativadora – CAP
� proteína repressora – repressor Lac (LacI) 
� molécula efetora indutora – lactose 
� molécula efetora co-repressora – não tem
� molécula co-ativadora – cAMP
Operon Lac – funcionamento
O Triptofano é um amino ácido sintetizado pelas enzimas do 
operon trp. Se o triptofano está presente no meio, ele atua
como um co-repressor, bloqueando a transcrição dos genes 
envolvidos na via metabólica da formação desse aminoácido.
O Operon trp (triptofano)
O Operon trp (triptofano)
Caracterizem esse operon:
Positivo ou negativo? Induzível ou repressível?
O Operon trp (triptofano)
Atenuador: causa terminação prematura da transcrição
dependentemente das concentrações de triptofano no meio
O Operon trp (triptofano)
Mapa da região ara
Operon de enzimas (codificadas pelos genes araB, araA
e araD) envolvidas no metabolismo açúcar arabinose
Região iniciadora (ara I) : contêm sítio operador e promotor
onde se inicia a transcrição
Ara C: ausência de arabinose - repressora
presença de arabinose – ativadora
O Operon Ara (arabinose)
Controle duplo do operon ara: Controle positivo e negativo
O Operon Ara (arabinose)
transcrição reprimida
araC age como repressora
transcrição ativada
araC age como ativadora
Sem arabinose, araC se liga a araO e 
araI– bloqueia promotor e impede ligação 
da RNA Pol
Proteína ativadora (araC) está ligada a 
arabinose e ara I – ativa RNA Pol
O Operon Ara (arabinose)
Operon lac, ara e trp
Operon lac – sistema indutível. Está SEMPRE desligado a não ser que um 
indutor (lactose) esteja disponível no ambiente para induzir a expressão dos 
genes do seu metabolismo. LacI (proteína regulatória) é desligada do operador 
na presença de lactose – estimula transcrição pelo promotor ara.
Operon ara – sistema reprimível e indutível. Dependendo de onde a 
proteína reguladora (AraC) está ligada e se o indutor (arabinose) está presente 
ou não no meio: a expressão pelo promotor ara pode estar inibida (AraC ligada 
a araO e araI na ausência de arabinose) ou estimulada (AraC ligada a araI na 
presença de arabinose).
Operon trp – sistema reprimível. Está SEMPRE ligado a não ser que um 
indutor (triptofano) esteja em excesso no ambiente e não seja mais necessária 
a biossíntese desse aminoácido. Proteína R (proteína regulatória) liga-se ao 
operador na presença de excesso de triptofano – reprime transcrição pelo 
promotor trp.
Possible target in control of gene expression