O operon lac

Prévia do material em texto

O operon lac
Regulação de genes para metabolizar a lactose. Lac repressor, proteína ativadora de catabólito e AMPc.
Pontos Principais:
· O operon lac da E. coli contém genes envolvidos no metabolismo da lactose. Ele é expresso somente quando a lactose está presente e a glicose ausente.
· Dois reguladores "ligam" e "desligam" o operon em resposta aos níveis de lactose e glicose: o repressor lac e a proteína ativadora de catabólito (CAP).
· O repressor lac atua como um detector de lactose. Ele normalmente bloqueia a transcrição do operon, mas para de atuar como repressor quando a lactose está presente. O repressor lac detecta a lactose indiretamente, através do isômero alolactose.
· A proteína ativadora de catabólito (CAP) atua como um detector de glicose. Ela ativa a transcrição do operon, mas somente quando os níveis de glicose estão baixos. A CAP detecta a glicose indiretamente, através da molécula "com fome de sinalizar" AMPc (AMP cíclico).
Introdução
Lactose: é o que há para jantar! Enquanto isso pode não nos parecer apetitoso (lactose é o principal acúcar do leite, e você provavelmente não vai querer comê-la pura), ela pode ser uma excelente refeição para bactérias E. coli. No entanto, elas somente vão devorar a lactose quando outros açúcares melhores – como a glicose – não estiverem disponíveis.
Nesse contexto, o que exatamente é o operon lac? O operon lac é um operon, ou grupo de genes com um único promotor (transcrito na forma de um único RNAm). Os genes do operon codificam proteínas que permitem que as bactérias utilizem a lactose como fonte de energia.
O que faz o operon lac ser ativado?
Bactérias E. coli podem quebrar a lactose, mas esse não é o combustível favorito delas. Se houver glicose disponível, elas provavelmente vão preferi-la. A glicose requer menos etapas e menos energia para ser quebrada do que a lactose. No entanto, se a lactose for o único açúcar disponível, as E. coli seguem em frente e a utilizam como fonte de energia.
Para utilizar a lactose, a bactéria precisa expressar o operon lac, o qual codifica as enzimas-chave para a absorção e metabolismo da lactose. De maneira a ser mais eficiente possível, as E. coli devem expressar o operon lac somente se duas condições forem atendidas:
· A lactose está disponível, e
· A glicose não está disponível
Como os níveis de lactose e glicose são detectados, e como alterações nos níveis afetam a transcrição do operon lac? Duas proteínas reguladoras estão envolvidas:
· Uma, o repressor lac atua como um sensor de lactose.
· A outra, a proteína ativadora de catabólito (CAP), atua como um sensor de glicose.
Essas proteínas se ligam ao DNA do operon lac e regulam sua transcrição com base no níveis de lactose e glicose. Vamos examinar como funciona.
Estrutura do operon lac
O operon lac contém três genes: lacZ, lacY e lacA. Esses genes são transcritos como um único RNAm, sob o controle de um promotor.
Os genes do operon lac são específicos para proteínas que ajudam a célula a utilizar a lactose. O lacZ codifica uma enzima que quebra a lactose em monossacarídeos (açúcar simples) que podem alimentar a glicólise. Similarmente, lacY codifica um transportador de membrana que ajuda a trazer a lactose para dentro da célula. 
Além dos três genes, o operon lac também contém um conjunto de sequências de DNA reguladoras. Essas são regiões do DNA às quais proteínas reguladoras podem se ligar, para controlar a transcrição do operon.
· O promotor é o sítio de ligação da RNA polimerase, a enzima que realiza a transcrição.
· O operador é um sítio de regulação negativa ao qual se liga a proteína repressora lac. O operador se sobrepõe ao promotor, e quando o repressor lac está ligado, a RNA polimerase não consegue se ligar ao promotor e dar início à transcrição.
· O sítio de ligação CAP é um sítio de regulação positiva no qual se liga a proteína ativadora de catabólitos (CAP). Quando a CAP está ligada a esse sítio, ela favorece a transcrição ajudando a RNA polimerase a se ligar ao promotor.
O repressor lac
O repressor lac é um proteína que reprime (inibe) a transcrição do operon lac. Ela faz isso através da ligação com o operador, o qual se sobrepõe parcialmente ao promotor. Quando ligado, o repressor lac impede que a RNA polimerase faça a transcrição do operon. [De onde vem o repressor lac?]
Quando a lactose não está disponível, o repressor lac se liga firmemente ao operador, evitando a transcrição pela RNA polimerase. No entanto, quando a lactose está presente, o repressor lac perde sua capacidade de se ligar ao DNA. Ele se desliga do operador, abrindo o caminho para a RNA polimerase fazer a transcrição do operon.
Essa mudança no repressor lac é causada pela pequena molécula alolactose, um isômero (versão rearranjada) da lactose. Quando a lactose está disponível, algumas de suas moléculas serão convertidas em alolactose dentro da célula. A alolactose se liga ao repressor lac alterando-lhe a conformação para que não possa mais ficar ligado ao DNA.
A alolactose é um exemplo de indutor, uma pequena molécula que ativa a expressão de um gene ou operon. O operon lac é considerado um operon induzido, pois geralmente está inativo (reprimido), mas pode ser ativado na presença do indutor alolactose.
Proteína ativadora de catabólitos (CAP)
Quando a lactose está presente, o repressor lac perde a capacidade de ligar-se ao DNA. Isso abre caminho para a RNA polimerase ligar-se ao promotor e transcrever o operon lac . Parece que chegamos ao fim da história, certo?
Não é bem assim... Como podemos constatar, a RNA polimerase sozinha não se liga muito bem ao promotor do operon lac. Até consegue fazer algumas transcrições, mas não vai fazer muito ao menos que tenha a ajuda extra da proteína ativadora de catabólitos (CAP). A CAP se liga à região do DNA que precede o promotor do operon lac e auxilia na ligação da RNA polimerase ao promotor, conduzindo altos níveis de transcrição.
De onde vem a CAP?
A CAP nem sempre está ativa (capaz de se ligar ao DNA). Ao contrário, ela é regulada por uma pequena molécula chamada AMP cíclico (AMPc). O AMPc é um sinalizador produzido pela E. coli quando os níveis de glicose estão baixos. O AMPc se liga a CAP, mudando sua conformação e tornando-a capaz de se ligar ao DNA e promover a transcrição. Sem o AMPc, a CAP não consegue se ligar ao DNA, portanto fica inativa.
Como o AMPc é produzido e como ele reporta os níveis de glicose?
A CAP somente está ativa quando os níveis de glicose estão baixos (níveis de AMPc estão altos). Logo, o operon lac só pode ser transcrito em altos níveis quando a glicose está ausente. Essa estratégia garante que a bactéria somente ative o operon lac e comece a utilizar a lactose depois que tenha utilizado toda a fonte de energia preferida (glicose).
Afinal, quando o operon lac realmente é ativado?
O operon lac será expresso em altos níveis somente se duas condições forem atendidas:
· A glicose deve estar indisponível: quando a glicose está indisponível, o AMPc se liga a CAP, tornando-a capaz de se ligar ao DNA. A CAP ligada auxilia a RNA polimerase a ligar-se ao promotor do operon lac.
· A lactose deve estar disponível: se a lactose está disponível, o repressor lac vai se soltar do operador (pela ligação da alolactose). Isso permite que a RNA polimerase percorra o DNA e transcreva o operon.
Estes dois eventos combinados – a ligação do ativador e a liberação do repressor – permite que a RNA polimerase se ligue fortemente ao promotor, abrindo um caminho livre para a transcrição. Isso leva a intensa transcrição do operon lac e a produção das enzimas necessárias à utilização da lactose.
Resumindo
Agora que já vimos todas as partes isoladas do operon lac, vamos juntar o que aprendemos para observar como o operon reage diante de uma variedade de diferentes condições (presença ou ausência de glicose e lactose).
· Glicose presente, lactose ausente: Não ocorre transcrição do operon lac. Isso porque o repressor lac permanece ligado ao operador, impedindo a transcrição pela RNA polimerase. Além disso, os níveis de AMPc estãobaixos em função dos níveis altos de glicose, portanto a CAP está inativa e não é capaz de se ligar ao DNA.
· Glicose presente, lactose presente: ocorre um nível baixo de transcrição do operon lac. O repressor lac é liberado do operador porque o indutor (alolactose) está presente. No entanto, os níveis de AMPc estão baixos, pois há glicose presente. Logo, a CAP se mantém inativa e não é capaz de se ligar ao DNA, portanto a transcrição acontece em um nível baixo, fraco.
· Glicose ausente, lactose ausente: Não ocorre transcrição do operon lac. Os níveis de AMPc estão altos, pois a glicose está ausente. No entanto, o repressor lac também estará ligado ao operador (em razão da ausência de alolactose), atuando como uma barreira à RNA polimerase e impedindo a transcrição.
· Glicose ausente, lactose presente: Ocorre intensa transcrição do operon lac. O repressor lac se solta do operador, pois o indutor está presente (allolactose). Os níveis de AMPc estão altos, já que não há glicose. Portanto, a CAP está ativa e se liga ao DNA. A CAP auxilia a RNA polimerase a se ligar ao promotor, permitindo altos níveis de transcrição.
Resumo das respostas do operon lac
	Glicose
	Lactose
	Ligação da CAP
	Ligação do repressor
	Nível de transcrição
	+
	-
	-
	+
	Não há transcrição
	+
	+
	-
	-
	Nível baixo de transcrição
	-
	
	+
	+
	Não há transcrição
	-
	+
	+
	-
	Transcrição intensa
Referências:
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2002). Prokaryotic DNA-binding proteins bind specifically to regulatory sites in operons. In Biochemistry (5th ed., section 31,1). New York, NY: W. H. Freeman. Acessado em http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/.
Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protein) at the right time and place. In BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (pp. 9-13).
Inducer. (2015, August 11). Retrieved Saturday, April 16 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Inducer.
Kovach, T. K. (2014, February 26). Jacob-Monod: The lac operon. In Gene control. Retrieved from https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/gene-control/v/jacob-monod-the-lac-operon.
OpenStax College, Biology. (2015, September 29). Prokaryotic gene regulation. In OpenStax CNX. Acessado em http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9,87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription. In Campbell biology (10th ed., pp. 361-365). San Francisco, CA: Pearson.