Organização e Regulação de Genes em Procariontes

Organização e Regulação de Genes em Procariontes!

Genes diferentes em um organismo são destinados à síntese de diferentes proteínas que são necessárias em momentos diferentes.

Enzimas específicas são necessárias em diferentes momentos do ciclo de vida de um organismo. No entanto, em todos os momentos do ciclo de vida, cada célula contém o mesmo conjunto de genes. Portanto, é necessário ter mecanismos que permitam que apenas os genes desejados funcionem em um determinado momento e restrinjam a atividade de outros genes. Sabe-se agora uma variedade de mecanismos que regulam a expressão de genes em diferentes níveis, incluindo a transcrição, processamento de mRNA e tradução.

Regulação Genética em Procariontes:

A taxa de expressão de genes bacterianos é controlada principalmente ao nível da síntese de ARNm (transcrição). A regulação pode ocorrer tanto no início como na terminação da transcrição do mRNA.

Regulação do lac operon em E. coli:

Jacob e Monod, dois microbiologistas franceses, com base em suas investigações sobre E.coli, sugeriram o primeiro modelo de regulação gênica chamado de modelo de operon em 1961. Nesta bactéria, existem três enzimas que causam a quebra da lactose do açúcar, B- galactosidase, permease e transacetilase.

Quando as células de E. coli são cultivadas em uma fonte de carbono diferente da lactose, os níveis intercelulares dessas três proteínas são extremamente baixos - talvez 1/1000 dos níveis atingidos quando a lactose está presente. A lactose é, portanto, dito ser um indutor dessas proteínas. Estudos iniciais estabeleceram que o processo de indução envolve uma síntese de novo de β-galactosidase e não a ativação de algumas enzimas pré-existentes.

Jacob e Monod apresentaram um modelo de operon para explicar tal regulação do gene da lactose.

Existem três genes estruturais no operon lac que incluem o seguinte:

(i) o gene lac z (3063 pb) codifica a enzima P galactosidase, que é activa como um tetrâmero e quebra a lactose em glucose e galactose para ser utilizada na célula;

ii) o gene lacy (800 pb) codifica para a β galactose-permease, que é uma proteína ligada à membrana e ajuda no transporte de metabolitos e

(iii) gene lac a (800 pb) que codifica para p-galactose transacetilase, uma enzima que transfere um grupo acetil de acetil-CoA para P galactosides.

Em sequência com esses genes e adjacente a eles, há um gene de operador que não codifica para proteína, mas exerce controle sobre os três genes estruturais, permitindo a transcrição de mRNA para que as três enzimas ocorram. Isso é chamado de operador de gene 'o'.

O gene promotor está localizado imediatamente a montante do operador e fornece o local de ligação para a RNA polimerase que realiza a transcrição. O gene do operador está sob o controle de outro segmento de DNA chamado de gene regulador, que está separado do operador e dos genes estruturais.

O regulador parece especificar uma proteína chamada repressor que se liga ao gene do operador e o torna inativo. Isso impede que as enzimas ligadas ao promotor progridam para os genes estruturais e, portanto, a transcrição não pode ocorrer. O operador, promotor e genes estruturais juntos são chamados de operon.

Ocasionalmente, substâncias no citoplasma chamadas substâncias indutoras podem se ligar às moléculas repressoras. No sistema de Jacob e Monod, descobriu-se que a lactose interage dessa maneira com o repressor, ligando-a e permitindo que o gene operador "ligue" os genes estruturais que então produzem mRNA que determina a síntese de enzimas que catalisam a quebra da lactose.

À medida que a lactose é metabolizada, as moléculas repressoras são liberadas, que se ligam ao operador e a transcrição dos genes estruturais cessa, ou seja, eles são "desligados". O gene do operador serve, assim, como um mecanismo de troca para todo o grupo de genes estruturais com o qual está associado.

O Repressor:

Repressores produzidos por genes reguladores são proteínas que se ligam aos respectivos genes do operador e tem quatro subunidades idênticas que se unem para formar dois sulcos simétricos. Aparentemente, os repressores pertencem ao grupo de proteínas alostéricas que mudam de forma na interação com moléculas específicas.

Uma vez que o repressor se liga, de forma reversível, ao DNA de lac e à alolactose indutora, parece ter dois sítios de ligação distintos. Na ausência de indutor, o sítio de ligação ao ADN é activo e o repressor liga-se ao ADN de lac.

Mas quando a alolactose se liga à molécula repressora, o local de ligação do DNA é alterado para um estado inativo, e o repressor não pode mais se ligar ao DNA lac. A ligação do repressor ao DNA lac impede a transcrição dos genes lac, enquanto a sua liberação do DNA lac (após sua interação com o indutor) permite a sua transcrição.

Os Effectors ou Inducers:

A afinidade da ligação do repressor ao operador é regulada pelo indutor ou co-repressor, moléculas pequenas também chamadas de efetores. Um efector aparente é o composto que parece actuar como efector quando presente numa concentração suficiente.

Em muitos casos, um efetor aparente pode ser alterado pela célula para outro composto que atua como efetor; tal efetor é conhecido como o efetivo efetivo. Por exemplo, a lactose é o efetor aparente do operão lac em E. coli, mas o efetivo efetivo é a alolactose.

Controle negativo:

No controle negativo, a associação de uma proteína específica (repressora) com o DNA do operador impede a transcrição do operon. Acredita-se que a transcrição seja prevenida devido a uma mudança na configuração do DNA do operador, de modo que a RNA polimerase é incapaz de realizar sua função.

Uma vez que a regulação da ação do gene em tal sistema é alcançada pela prevenção da transcrição por um repressor, é conhecido como controle negativo. O sistema de controle negativo é agrupado em duas categorias, (i) indutível e (ii) repressível.

Controle Negativo Indutível:

Neste sistema, a produção de enzima começa apenas na presença de um indutor (efetor), geralmente o substrato da via metabólica envolvida. Na ausência de indutor, a produção de enzimas é bloqueada, ou seja, os genes do operon são reprimidos. O lac operon de E. coli é um operão indutível, e muitos outros operons preocupados com a utilização do substrato mostram indução.

Controle Negativo Repressível:

Nesse sistema, o operon é normalmente funcional, isto é, deprimido, e as enzimas envolvidas e produzidas pela célula. A presença de um co-repressor (efetor) geralmente o produto final da via biossintética em questão interrompe a produção da enzima, ou seja, reprime o operon.

Os operões preocupados com as vias biossintéticas, por exemplo, a síntese de histidina, triptofano e muitos outros aminoácidos, etc., mostram controle negativo repressível. O gene regulador neste sistema produz um repressor inativo que é incapaz de se ligar ao gene do operador.

O repressor inativo, também conhecido como aporepressor, torna-se um repressor ativo somente quando se liga à molécula efetora. O repressor ativo liga o gene do operador e impede a transcrição do operon.

Controle Positivo:

No controle positivo da transcrição, a associação de uma proteína específica, denominada ativadora a um segmento de DNA no gene promotor ou à RNA polimerase, possibilita a transcrição do operon. Acredita-se que o efeito promotor do ativador seja devido ao seu efeito na configuração do DNA na região do iniciador da transcrição, que então se torna mais favorável para a ação da RNA polimerase. O controle positivo também é indutível ou repressível.

Controle Positivo Indutivo:

Neste sistema, o ativador está em um estado inativo e é incapaz de se ligar ao DNA promotor. O ativador liga-se ao promotor somente depois que ele interage com um indutor específico que produz um ativador ativo. Os operons sensitivos catabólicos de E. coli, por exemplo, as enzimas produtoras de operons para a degradação de arabinose (ara) e galactose (gal) fornecem exemplos de tal controle.

Controle Positivo Reprimível:

Neste sistema, o ativador se liga ao gene promotor permitindo a transcrição do operon. Uma interação com o efetor, um compressor de núcleo, altera a configuração do ativador de modo que ele não seja capaz de se ligar ao promotor causando uma repressão do operon.