A expressão gênica é a síntese de uma cadeia polipeptídica de uma proteína funcional com base na informação codificada por um determinado gene. A quantidade de síntese de uma determinada proteína pode ser regulada pela regulação da expressão do gene. A expressão diferencial de genes pode ser alcançada durante as várias etapas da síntese de proteínas. No entanto, a regulação da expressão gênica é diferente em genes eucarióticos e procarióticos. Lac operon é um agrupamento de genes responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose de E. coli. A regulação da expressão do operon lac é alcançada em resposta aos níveis de lactose e glicose no meio. A regulação do operon lac é usada como o principal exemplo de regulação de genes procarióticos em estudos introdutórios de biologia molecular e celular.

Principais áreas cobertas

1. O que é a regulação da expressão gênica - Definição, Regulação da Expressão Gênica 2. O que é o Lac Operon - Definição, Estrutura, Função de Produtos Genéticos 3. Como o Lac Operon é regulado - Repressor Lac, CAP

Termos-chave: proteína ativadora de catabólito (CAP), E. coli, expressão gênica, glicose, operon lac, repressor lac, metabolismo da lactose

O que é a regulação da expressão gênica

A regulação da expressão gênica refere-se a uma ampla gama de mecanismos usados ​​pela célula para aumentar ou diminuir a produção de um produto gênico específico (uma proteína ou um RNA). É alcançado durante várias etapas da síntese de proteínas, conforme descrito abaixo.

1. Nível de replicação - As mutações que ocorrem durante a replicação do DNA podem causar alterações na expressão do gene.
2. Nível transcricional - A transcrição de um determinado gene pode ser controlada por repressores e ativadores.
3. Nível pós-transcricional - A expressão do gene pode ser alcançada durante as modificações pós-transcricionais, como o splicing de RNA.
4. Nível translacional - A tradução de uma molécula de mRNA pode ser controlada por vários processos, como a via de interferência do RNA.
5. Nível pós-tradução - A síntese de uma proteína pode ser regulada no nível pós-tradução, controlando as modificações pós-tradução.

No entanto, a regulação da expressão gênica em procariotos é alcançada principalmente durante o início da transcrição. Envolve os ativadores que regulam positivamente a expressão do gene e os repressores que regulam negativamente a expressão do gene. A regulação da expressão gênica em diferentes etapas da síntese de proteínas é mostrada na figura 1.

Figura 1: Regulação da expressão gênica

O que é Lac Operon

O operon lac refere-se a um agrupamento de genes responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose de E. coli. Portanto, o operon lac é uma unidade funcional do genoma de E. coli. Todos os genes no operon lac são controlados por um único promotor. Portanto, todos os genes do operon são transcritos juntos. Os produtos gênicos são as proteínas responsáveis ​​pelo transporte da lactose para o citosol da célula e pela digestão da lactose em glicose. A glicose é usada na respiração celular para produzir energia na forma de ATP. O operon lac pode estar presente em muitas outras bactérias entéricas também. A estrutura do operon lac é mostrada na figura 2.

Figura 2: Lac Operon

O operon lac é composto por três genes controlados por um único promotor. Esses genes são lacZ, lacY, e lacA. Esses genes são codificados pelas três enzimas envolvidas no metabolismo da lactose, conhecidas como beta-galactosidase, beta-galactosídeo permease e beta-galactosídeo transacetilase, respectivamente. A beta-galactosidase está envolvida na quebra da lactose em glicose e galactose. A beta-galactosídeo permease está embutida na membrana celular, permitindo o transporte da lactose para o citosol. A beta-galactosídeo transacetilase está envolvida na transferência de um grupo acetil de acetil Co-A para beta-galactosídeo. A transcrição do operon lac produz uma molécula de mRNA policistrônica que produz todos os três produtos gênicos a partir de uma única molécula de mRNA. Geralmente, os produtos dos genes lacZ e lacY são suficientes para o catabolismo da lactose.

Além desses três genes, o operon lac é composto por uma série de regiões regulatórias ao qual várias proteínas podem se ligar para controlar a transcrição. As principais sequências regulatórias no operon lac são o promotor, o operador e o sítio de ligação da proteína ativadora catabólica (CAP). o promotor serve como sítio de ligação para a RNA polimerase, a enzima responsável pela transcrição dos genes. o operador serve como um local regulador negativo ao qual o repressor lac se liga. o Local de ligação CAP serve como o sítio regulatório positivo ao qual o CAP se liga.

Como o Lac Operon é regulado

A regulação da expressão gênica em genes procarióticos ocorre por meio de operons induzíveis em que diferentes tipos de proteínas se ligam, ativando ou reprimindo a transcrição do operon com base nos requisitos da célula. O operon lac é um operon induzível. Permite o uso da lactose, um dissacarídeo, na produção de energia, convertendo-a em glicose que pode ser prontamente utilizada na respiração celular, quando a glicose não está disponível para a célula. O operon lac é regulado nos estados “desligar” e “ligar” com base na presença de glicose na célula. O repressor lac é responsável pelo modo "desligar" do operon lac, enquanto CAP é responsável pelo modo "ligar" do operon lac.

Lac Repressor

O repressor lac refere-se a um sensor de lactose, que bloqueia a transcrição do operon lac na presença de glicose. O uso da glicose na respiração celular requer menos etapas na produção de energia quando comparado à lactose. Conseqüentemente, quando a glicose está disponível na célula, ela é prontamente quebrada nas vias celulares para produzir energia. Além disso, quando a glicose é utilizada na respiração, o uso da lactose para o primeiro propósito deve ser evitado, a fim de se obter a máxima eficiência da respiração celular. Nessa situação, o bloqueio da transcrição do operon lac é obtido pela ligação do repressor lac à região do operador do operon lac. Geralmente, a região da operadora se sobrepõe à região do promotor. Portanto, quando o repressor lac se liga à região operadora, a RNA polimerase é incapaz de se ligar à região promotora, pois a região promotora completa não está disponível. Quando a glicose está prontamente disponível na célula e a lactose não está disponível, o repressor lac se liga fortemente à região do operador, inibindo a transcrição do operon lac. A regulação do operon lac é mostrada na figura 3.

Figura 3: Regulação do Lac Operon

Proteína ativadora de catabólito (CAP)

A proteína CAP refere-se a um repressor de glicose que ativa a transcrição do operon lac. Quando a glicose da célula se esgota e a lactose está prontamente disponível no citosol, o repressor lac perde sua capacidade de se ligar ao DNA. Portanto, ele flutua para fora da região do operador, tornando a região do promotor disponível para a ligação à RNA polimerase. Quando a lactose está disponível, algumas das moléculas são convertidas em alolactose, um pequeno isômero da lactose. A ligação da alolactose ao repressor lac causa seu afrouxamento da região operadora. Portanto, a alolactose atua como um indutor, desencadeando a expressão do operon lac. Além disso, o operon lac também é considerado um operon induzível.

No entanto, a RNA polimerase sozinha é incapaz de se ligar perfeitamente à região do promotor. Portanto, o CAP auxilia na forte ligação da RNA polimerase ao promotor. Liga-se ao sítio de ligação CAP a montante do promotor. A ligação do CAP ao DNA é regulada por uma pequena molécula conhecida como AMP cíclico (cAMP). O cAMP serve como o sinal de fome feito por E. coli na ausência de glicose. A ligação do cAMP ao CAP altera a conformação do CAP, permitindo a ligação do CAP ao sítio de ligação do CAP do operon lac. No entanto, o cAMP está presente na célula quando os níveis de glicose estão muito baixos dentro da célula. Portanto, a ativação do operon lac só pode ser alcançada quando a glicose não está disponível para a célula. Em conclusão, a ativação do operon lac pode ser alcançada quando a glicose não está disponível e a lactose está disponível dentro da célula. Quando tanto a glicose quanto a lactose estão ausentes na célula, o repressor lac permanece ligado ao operon lac, impedindo a transcrição do operon.

Glicose	Lactose	Mecanismo	Regulamento
Ausente	Presente	CAP se liga ao sítio de ligação CAP	Expressão do operon lac
Presente	Ausente	O repressor lac liga-se à região do operador	Supressão do operon lac

Conclusão

O operon lac é um operon induzível onde as proteínas requeridas pelo metabolismo da lactose estão presentes em grupos de genes. Portanto, a transcrição do operon lac produz uma molécula de mRNA policistrônica capaz de sintetizar vários produtos gênicos. O operon lac é expresso apenas na ausência de glicose e na presença de lactose dentro da célula para a respiração celular. O repressor lac liga-se à região operadora do operon lac quando a glicose está prontamente disponível e a lactose não. O CAP se liga ao operador do operon lac, auxiliando na transcrição quando a glicose não está disponível e a lactose está prontamente disponível. Conseqüentemente, a célula torna-se capaz de utilizar a lactose na respiração celular para produzir energia.

Cortesia de imagem:

1. “Gene expression control” Por ArneLH - Trabalho próprio (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia 2. “Lac operon1” (Domínio público) via Commons Wikimedia 3. “Lac operon” (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia

Referência:

1. “Regulação do gene procariótico”. Lumen / Boundless Biology, disponível aqui. 2. “O operon lac.” Khan Academy, disponível aqui. 3. “Lac Operon: Regulation of Gene Expression in Prokaryotes.” Biology, Byjus Classes, 21 de novembro de 2017, Disponível aqui.