AULA5 -Regulaçao_Procarioto_2015

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Organização gênica e 
genômica em 
organismos procariotos 
Disciplina: Biologia Molecular 
Curso: Ciências Biológicas 
Profa. Dra. Nedenia Stafuzza 
 
 2015 
relativamente mais simples que dos eucariotos, com algumas 
características marcantes: 
 
1. Ausência do complemento diplóide de genes; 
2. Uso de quase todo o genoma na codificação e na regulação 
(praticamente sem a presença de DNA redundante); 
3. Tamanho do gene = tamanho da proteína; 
4. Genes codificando funções relacionadas agrupados em unidades 
transcricionais (operons); 
5. Ocorrência, com frequência aproximadamente igual, de sequências 
codificantes em ambas fitas de DNA; 
6. Existência de unidades genéticas acessórias (plasmídeos) 
Características dos Genomas de Procariotos 
1. Ausência do complemento diplóide de genes 
cromossomo único, formado por uma molécula de DNA circular 
(dupla fita) fechada covalentemente. 
haplóides 
qualquer alteração mutacional no material genético será 
fenotipicamente expressa → pressão da seleção natural 
 
2. Uso de quase todo genoma na codificação e regulação 
genomas de procariotos são geralmente muito menores do que o 
genoma de eucariotos 
 apresentam uma estrutura bastante compacta voltada à 
codificação de proteínas 
genoma de bactérias apresentam 106-107bp, com 1.000-6.000 genes 
compactação genômica pode causar sobreposição gênica 
 uma sequência gênica codifica 2 proteínas diferentes; 
 frequente em genomas virais 
 
Sobreposição pode ocorrer quando: 
1. Um gene é parte de outro: porção inicial (ou final) de um gene pode 
ser utilizada para codificar outra proteína. 
 Ex: gene A do bacteriófago G4 
2. Sequência de DNA é utilizada para codificar 2 proteínas não-
homólogas: mesma sequência de DNA é traduzida em mais de uma 
fase de leitura. 
3. Tamanho do gene corresponde ao tamanho da proteína 
(ausência de íntrons) 
equivalência entre a sequência de nucleotídeos do gene e a 
sequência de aminoácidos da proteína. 
 
 
 
principal diferença entre organização gênica de procariotos e 
eucariotos 
cada códon 3 nt codifica 1 aa 
se proteína possui 50 aa  150 nt 
4. Genes codificando funções relacionadas são agrupados 
em unidades transcricionais 
Operon 
unidade funcional do genoma onde dois ou mais genes que 
codificam produtos com funções relacionadas (mesma via 
metabólica) ocupam posições adjacentes e estão sob controle de uma 
única região reguladora. 
diferentes genes contíguos presentes no operon são co-transcritos 
em um único mRNA → mRNA policistrônico 
5. Ocorrência, com frequência aproximadamente igual, de 
sequências codificantes em ambas fitas de DNA 
Quanto à orientação distribuição gênica ocorre: 
 
Co-orientação da transcrição e tradução 
genes de procarioto são transcritos e traduzidos simultaneamente; 
enzimas envolvidas em um processo não podem atrapalhar o outro; 
 
Distribuição das unidades mais ativas 
perto dos centro de origem da replicação. 
perto da origem da replicação (OriC) se 
encontram os genes mais ativos 
6. Existência de unidades genéticas móveis 
unidades acessórias são consideradas móveis porque são capazes 
de mediar a sua própria transferência para outras bactérias 
 
6.1. Plasmídeos 
6.2. Elementos transponíveis 
 
 6.1. Plasmídeos 
elementos genéticos extra cromossômicos com capacidade de 
replicação autônoma; 
formados por moléculas de DNA fita dupla circulares com tamanho 
variando de 1 a 1000 Kb. 
Funções codificadas por plasmídeos: 
 
Genes de virulência: só são patogênicas bactérias que possuem o 
plasmídeo portador desse gene; 
Função bactericida: codificam proteínas que matam outras 
bactérias ou impedem sua replicação; 
Conferem resistência a antibióticos (ampicilina, estreptomicina, 
canamicina, tetraciclina, cloranfenicol, sulfonamida, etc.) e outros 
agentes como, por exemplo, metais pesados (mercúrio); 
Conjugativos: capazes de mediar a sua transmissão para outras 
células 
 6.2. Elementos de transposição 
elementos genéticos móveis constituídos por genes que codificam 
enzimas conhecidas como transposases 
 catalisam a inserção do próprio elemento ou uma cópia dele 
em um novo sítio genômico, evento chamado de transposição 
inserção de TEs pode afetar a integridade de suas sequências alvo, 
(inativando genes) 
podem transportar genes 
de resistência 
Regulação da Expressão 
Gênica em Organismos 
Procariotos 
Composição de um gene: 
 
Promotor: sítio no DNA onde se liga a RNA polimerase; 
Operador: sítios de ligação no DNA à proteínas intensificadoras ou 
repressoras da transcrição. Localizam-se próximos à região promotora 
Terminador: sequência nt que determina o desligamento da RNA 
polimerase da fita de DNA molde ao final do processo de transcrição; 
Região codificadora: codifica a sequência de aa da proteína ou a 
sequência do RNA estável 
 Definição Molecular do Gene 
 
“sequência completa de ácidos nucleicos necessária para a 
síntese de um produto gênico funcional “ 
Proteína RNA 
Gene regulador: controle da transcrição 
 Regulação da expressão gênica 
 
 ligar/desligar um gene ou um grupo de genes 
 reconhecer condições extracelulares 
Ativar Reprimir 
 Quando os genes são expressos? 
 
 
 Constitutivos: síntese de mRNA em quantidade constante, 
independente do estado metabólico do organismo; 
tRNA, rRNA, proteínas ribossomais, DNA polimerase, RNA 
polimerase e proteínas de manutenção celular 
 
Resposta: hormônios, vitaminas, temperatura, etc. 
 aumentam/diminuem a síntese de mRNA em reposta ao meio 
genes induzíveis: vias degradativas 
genes repressíveis: vias biossintéticas 
Eucariotos: genes podem serem expressos de acordo com o sexo, a 
fase do desenvolvimento e/ou o tipo celular 
Procariotos 
Oportunistas nutricionais 
 -obtêm açucares, aminoácidos e nucleotídeos necessários 
para o metabolismo ou produzem por vias enzimáticas 
Dispêndio de energia 
reconhecer sinais extracelulares indicadores 
ligar e desligar (ativar/reprimir) genes 
Sistema 
Repressão-Ativação 
 REPRESSÃO de genes  proteínas desnecessárias 
 ATIVAÇÃO de genes  proteínas necessárias 
Diferentes níveis de regulação da expressão gênica em 
organismos procariotos 
 
 transcrição (Maioria) 
 tradução 
 pós-traducional 
 
Operon 
genes organizados em unidades de 
regulação; 
conjunto de genes estruturais adjacentes codificantes de mRNA 
(policistrônico), com apenas uma região reguladora adjacente que 
afeta a transcrição de todos os genes estruturais 
Adaptado de: http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio101/chap15/chap15.htm 
gene regulador promotor operador genes estruturais 
Repressor/Ativador 
RNApol 
DNA 
mRNA 
proteínas 
Organização de um operon 
 
 Gene regulador: controla a expressão dos genes estruturais de 
um operon através da proteína reguladora que ele codifica. 
Proteína reguladora: controla a expressão transcricional dos 
genes estruturais de um operon. 
 
 Ativadora: é uma proteína reguladora positiva que estimula a 
transcrição de um operon. 
 Repressora: é uma proteína reguladora negativa que inibe a 
transcrição de um operon. 
 Promotor: região reguladora do DNA localizado antes dos genes 
estruturais de um operon. É o sítio de ligação da RNA polimerase 
para iniciar a transcrição. 
Indutor: agente ambiental que desencadeia a transcrição do 
operon. Geralmente é a molécula, ou uma forma relacionada àproteína que o operon atua. 
 Operador: região reguladora do DNA, geralmente localizada entre 
o promotor e os genes estruturais do operon. É o sítio de ligação 
da proteína reguladora do tipo repressora. Uma vez ligado 
ocorre a interferência da ligação da RNA pol. no promotor. 
 
 Sítio de ligação da proteína ativadora: sítio de ligação da 
proteína reguladora do tipo ativadora 
 Genes estruturais: genes que codificam as proteínas de um 
operon. 
Modificado de Griffiths et al., 2011. Introduction to Genetic Analysis. 9th edition. 
Ativador 
Regulação Positiva Regulação Negativa 
Transcrição 
Transcrição 
Sem 
Transcrição 
Sem 
Transcrição 
Sem ativador Sem repressor 
Sítio de ligação 
do ativador 
Sítio de ligação 
do ativador 
Griffiths et al., 2011. Introduction to Genetic Analysis. 9th edition. 
Proteínas reguladoras apresentam 2 sítios de ligação 
 
1.Domínio de ligação ao DNA 
 
2.Sítio alostérico: ajusta o domínio de ligação ao DNA em dois 
modos: funcional ou não funcional 
  ligação do efetor altera a conformação do domínio ligação 
 
Circuitos Básicos de Controle da Transcrição 
NEGATIVO 
proteína reguladora 
repressor 
início transcrição 
impede a 
transcrição gênica 
ligação DNA-repressor 
POSITIVO 
proteína reguladora 
ativador 
início transcrição 
estimula a 
transcrição gênica 
 ligação DNA-ativador 
a) Negativo 
a) Positivo 
Griffiths et al., 2011. Introduction to Genetic Analysis. 9th edition. 27 
REPRESSÃO 
desligar genes em 
resposta ao meio 
vias anabólicas 
(biossíntese) 
ex. operon triptofano 
INDUÇÃO 
ligar genes em 
resposta ao meio 
vias catabólicas 
(degradativas) 
ex. operon lactose, 
galactose e arabinose 
Circuitos Básicos de Controle da Transcrição 
Tipos de Sistemas Reguladores da Transcrição 
1. Operons com indução negativa 
2. Operons com repressão negativa 
3. Operons com indução positiva 
4. Operons com repressão positiva 
Repressão 
Positivo Indução 
Negativo 
29 
desligar 
ligar 
Prot. repressora 
Prot. ativadora 
1. Operons com indução negativa 
proteína reguladora é um repressor; 
ligação da proteína reguladora ao operador inibe a transcrição 
 
Em um operon com indução negativa o que acontece? 
O gene regulador produz uma proteína repressora que se liga ao 
operador; 
ligação desta proteína ao operador bloqueia fisicamente a ligação da 
RNA pol ao promotor e impede a transcrição; 
sistema induzível: transcrição está normalmente desligada (inibida) 
Quando a transcrição é ligada? 
indutor se liga ao repressor, alterando sua forma e impedindo que 
se ligue ao DNA. 
 
 
 
 
 
 
 
operon com controle de indução negativa regula a síntese de 
enzimas economicamente: síntese ocorre somente quando o 
substrato (indutor) está disponível. 
EFETOR 
 ALOSTÉRICO 
Proteínas reguladoras 
 
 2 sítios ligação s 
Reconhece molécula indutora Reconhece a sequência 
DNA-alvo 
2. Operons com repressão negativa 
Alguns operons com controle negativo sofrem repressão, 
significando que: 
transcrição normalmente está ligada e deve ser desligada ou 
reprimida; 
proteína reguladora é um repressor sintetizada em uma forma 
inativa e não consegue se ligar ao operador. 
como não há repressor ligado ao operador, a RNA polimerase se 
liga no promotor e a transcrição dos genes estruturais ocorre. 
Então, como a transcrição é desligada? 
molécula chamada de co-repressor se liga ao repressor tornando-o 
capaz de se ligar ao operador; 
operons que sofrem repressão também são econômicos: as enzimas 
são sintetizadas somente quando necessárias. 
 
Ambos sistemas (com indução e com repressão) são formas 
de controle negativo → proteína reguladora é um repressor 
3. Operons com indução positiva 
transcrição normalmente está desligada → proteína reguladora 
(ativadora) é produzida na forma inativa; 
transcrição ocorre quando um indutor se liga na proteína 
reguladora, tornando-a ativa. 
4. Operons com repressão positiva 
transcrição normalmente está ligada e deverá ser reprimida; 
proteína reguladora é produzida na forma ativa que se liga ao DNA e 
estimula a transcrição; 
transcrição será inibida quando a substância se ligar ao ativador 
tornando-o incapaz de se ligar no DNA. Assim a transcrição não é 
estimulada. 
tipo de 
controle 
tipo de 
proteína 
reguladora 
normalmente 
a transcrição 
está... 
efeito da 
proteína 
reguladora 
ação do 
substrato ou do 
indutor 
Indução 
Negativa 
Repressor 
Ativo 
Desligada Inibe a 
Transcrição 
substrato torna o 
repressor inativo 
Repressão 
Negativa 
Repressor 
Inativo 
Ligada Inibe a 
Transcrição 
substrato torna o 
repressor ativo 
Indução 
Positiva 
Ativador 
Inativo 
Desligada Estimula a 
Transcrição 
substrato torna o 
ativador ativo 
Repressão 
Positiva 
Ativador 
Ativo 
Ligada Estimula a 
Transcrição 
substrato torna o 
ativador inativo 
Exemplos operons 
OPERON LAC 
Sistema 
induzível 
OPERON ARA 
Sistema 
induzível 
OPERON TRP 
Sistema 
repressível 
 OPERON lac (Operon Lactose) 
Sistema induzível com controle negativo 
Griffiths et al., 2011. Introduction to Genetic Analysis. 9th edition. 
 Operon lac (Operon Lactose) 
 
gene I: gene regulador que codifica proteína repressora; 
sítio P: sítio no DNA ao qual se liga a RNA polimerase para o início 
da transcrição - promotor; 
sítio O: sítio do DNA ao qual se liga o repressor – operador 
genes estruturais: 
lacZ: -galactosidase (lactose = glicose + galactose) 
lacY: permease (transporta lactose para a célula) 
lacA: transacetilase (transfere grupo acetil de acetilCoA para 
galactosidases) 
Indutor ►► lactose 
http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio101/chap15/chap15.htm 
Na ausência da Lactose... 
http://www.sumanasinc.com/webcontent/anisamples/majorsbiology/lacoperon.html 
Na presença da Lactose... 
proteína repressora é alostericamente alterada, não se ligando no 
operador → mRNA é sintetizado; 
gene regulador (lacI) é constitutivo, portanto, a proteína repressora 
está sempre disponível; 
a célula “percebe” a necessidade para a expressão do operon lac 
pela presença ou ausência do indutor. 
bactéria não utilizará lactose (ou outro açúcar) enquanto a glicose 
estiver presente no meio; 
quando a glicose está disponível, genes que participam no 
metabolismo de outros açúcares terão sua transcrição reprimida, 
um fenômeno denominado REPRESSÃO CATABÓLICA 
operon Lac tem um nível adicional de controle (controle positivo) 
que faz com que não seja eficientemente transcrito na presença de 
glicose, mesmo se a lactose também estiver presente. 
 
 OPERON lac (Operon Lactose) 
Controle positivo – Repressão Catabólica: escolha do melhor açúcar 
quebra da glicose modula os níveis de um importante constituinte 
celular, o monofosfato cíclico de adenosina (cAMP); 
cAMP é um sinal intracelular dos níveis de glicose: em baixos 
níveis de glicose, cAMP é sintetizado a partir de ATP como um sinal 
intracelular para regular (ativar) a transcrição de operons; 
a concentração de cAMP é inversamente proporcional ao nível de 
glicose disponível. 
cAMP é o efetor alostérico da proteína ativadora do catabolismo 
(CAP). A ligação do cAMP à CAP, permite que a mesma se ligue ao 
promotor do operon lac (sítio de ligação à CAP), levando ao aumento 
da afinidade enzimática pelo promotor.Complexo liga-se ao promotor 
a) Níveis de glicose regulam níveis de cAMP 
b) Complexo cAMP-CAP ativa a transcrição 
 glicose 
 glicose 
Adaptado de: Griffiths et al., 2011. Introduction to Genetic Analysis. 9th edition. 
Griffiths et al., 2011. Introduction to Genetic Analysis. 9th edition. 
Efeito do nível de glicose na expressão do Operon lac 
GLICOSE Nível cAMP LACTOSE OPERON lac 
presente baixo ausente Sem mRNA 
presente baixo presente 
Síntese lenta de 
mRNA 
ausente alto ausente Sem mRNA 
ausente alto presente 
Síntese rápida de 
mRNA 
 Operon ara (Operon Arabinose) 
Sistema com Controle Duplo: Positivo e Negativo 
 
gene C: proteína ativadora; 
sítio O: sítio operador; 
sítio I: sítio promotor; 
genes estruturais: envolvidos no metabolismo de arabinose 
araB 
araA 
araD 
Controle Positivo 
Sistema com Controle Positivo 
gene C produz uma proteína ativadora 
 
se liga ao I (sítio de ligação da proteína ativadora) favorecendo a 
ligação da RNA polimerase, ativando a transcrição 
Na presença do açúcar Arabinose 
Controle Negativo 
Sistema com Controle Negativo 
proteína produzida pelo gene C (ativadora) assume uma 
conformação diferente 
reprime o Operon Ara 
se liga ao I (promotor) e O (operador) formando uma 
alça impedindo a transcrição 
indutor ARABINOSE 
Na ausência do açúcar Arabinose 
 Operon Trp (Operon Triptofano) 
Sistema Repressor de Controle Negativo 
gene R: codifica uma proteína repressora; 
sítio P: promotor; 
sítio O: operador; 
sítio L: sequência líder envolvida com o sistema de regulação 
baseado na atenuação; 
genes estruturais: codificam enzimas para a biossíntese de 
triptofano 
TrpE 
TrpD 
TrpC 
TrpB 
TrpA 
Sistema Repressor de Controle Negativo 
síntese de triptofano é desligada quando há seu excesso no meio; 
triptofano funciona como um co-repressor; 
 na ausência do triptofano a RNA polimerase se liga ao promotor e 
transcreve os genes estruturais; 
 na presença do triptofano, o complexo co-repressor/repressor liga-se 
ao operador impedindo que a RNA polimerase se ligue ao promotor; 
http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio101/chap15/chap15.htm 
Procariotos Ativação e 
repressão 
Genes 
Depende meio externo 
(fisiológicas e nutricionais) 
Resposta direta a 
condições 
ambientais 
Eucariotos 
Resposta direta a 
condições 
ambientais 
Ativação e 
repressão 
Genes X 
Células em meios uniformes - ação coordenada entre: 
sinais que provocam mudança da expressão; 
 resposta a esses sinais e mecanismo de reposta 
Genes podem ainda serem expressos em apenas um estágio do 
desenvolvimento, ou em resposta a uma infecção viral, por exemplo. 
http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120080/bio27.swf 
http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/lacOperon/movie.htm 
http://www.csam.montclair.edu/~smalley/LacOperon.mov 
http://schools.tdsb.on.ca/rhking/departments/science/bio/genetics_notes/pr
otein_synth/5_lac_negative.mov