Em formação

Mecanismo de Trabalho do Operon Triptofano

Mecanismo de Trabalho do Operon Triptofano



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

O operon Trp tem 2 métodos para verificar a presença de triptofano, um indicando a ausência de Trp livre e o outro a ausência de tRNA Trp carregado. Se ambos os métodos mostraram ausência de Trp, há síntese de triptofano. No entanto, a síntese do triptofano envolve 5 enzimas a serem sintetizadas e, geralmente, encontramos todos os aminoácidos em uma proteína, como uma enzima. Portanto, há alta probabilidade de que Trp seja encontrado nessas 5 enzimas. De onde vem esse Trp se não há triptofano livre nem tRNA carregado para Trp?


Você está certo que, se realmente houvesse uma falta completa de Trp, a célula não seria capaz de produzir as enzimas. Mas a célula não precisa esperar até que [Trp] caia até zero - ela pode induzir a expressão do operon quando a concentração fica suficientemente baixa (na prática, há alguma relação contínua entre [Trp] e a expressão). Observe que sempre haverá um pouco de Trp por perto, pois há proteínas constantemente sendo degradadas (e ressintetizadas).

Mas você está no caminho certo - na verdade, há um viés no sentido de reduzir o uso de um determinado aminoácido em enzimas responsáveis ​​pela síntese desse aminoácido. Aqui está o artigo: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1839009/ embora o efeito não seja tão alto para o triptofano.


Mecanismo de Trabalho do Operon do Triptofano - Biologia

Bactérias como E. coli precisa de aminoácidos para sobreviver. Triptofano é um desses aminoácidos que E. coli pode ingerir do meio ambiente. E. coli também pode sintetizar triptofano usando enzimas que são codificadas por cinco genes. Esses cinco genes estão próximos um do outro no que é chamado de triptofanotrp) operon (Figura 1). Se o triptofano estiver presente no ambiente, então E. coli não precisa sintetizá-lo e o interruptor que controla a ativação dos genes no trp operon está desligado. No entanto, quando a disponibilidade de triptofano é baixa, o interruptor que controla o operon é ligado, a transcrição é iniciada, os genes são expressos e o triptofano é sintetizado.

Figura 1. Os cinco genes que são necessários para sintetizar o triptofano em E. coli estão localizados próximos um do outro no trp operon. Quando o triptofano é abundante, duas moléculas de triptofano se ligam à proteína repressora na sequência do operador. Isso bloqueia fisicamente a RNA polimerase de transcrever os genes do triptofano. Quando o triptofano está ausente, a proteína repressora não se liga ao operador e os genes são transcritos.

o trp operon inclui três regiões importantes: a região de codificação, o trp operador e o trp promotor. A região de codificação inclui os genes para as cinco enzimas de biossíntese de triptofano. Pouco antes da região de codificação está o site de início da transcrição . A sequência promotora, à qual a RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição, está antes ou "a montante" do local de início da transcrição. Entre o promotor e o local de início da transcrição está a região do operador.

o trp operador contém o código de DNA para o qual o trp a proteína repressora pode se ligar. No entanto, o repressor sozinho não pode se ligar ao operador. Quando o triptofano está presente na célula, duas moléculas de triptofano se ligam ao trp repressor, que muda a forma da proteína repressora para uma forma que pode se ligar ao trp operador. A ligação do complexo triptofano-repressor no operador impede fisicamente a RNA polimerase de se ligar ao promotor e transcrever os genes a jusante.

Quando o triptofano não está presente na célula, o repressor por si só não se liga ao operador, a polimerase pode transcrever os genes da enzima e o triptofano é sintetizado. Como a proteína repressora se liga ativamente ao operador para manter os genes desligados, o trp operon é dito ser regulado negativamente e as proteínas que se ligam ao operador para silenciar trp expressão são reguladores negativos .


Regulação do gene procariótico

Em bactérias e archaea, proteínas estruturais com funções relacionadas são geralmente codificadas juntas dentro do genoma em um bloco denominado operon e são transcritos juntos sob o controle de um único promotor, resultando na formação de um transcrito policistrônico (Figura 1). Desta forma, a regulação da transcrição de todos os genes estruturais que codificam as enzimas que catalisam as muitas etapas em uma única via bioquímica pode ser controlada simultaneamente, porque ou todos serão necessários ao mesmo tempo, ou nenhum será necessário. Por exemplo, em E. coli, todos os genes estruturais que codificam as enzimas necessárias para usar a lactose como fonte de energia estão próximos uns dos outros na lactose (ou laca) operon sob o controle de um único promotor, o laca promotor. Cientistas franceses François Jacob (1920–2013) e Jacques Monod no Instituto Pasteur foram os primeiros a mostrar a organização de genes bacterianos em operons, por meio de seus estudos sobre a laca operon do E. coli. Por este trabalho, eles ganharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1965. Embora os genes eucarióticos não sejam organizados em operons, os operons procarióticos são excelentes modelos para aprender sobre a regulação gênica em geral. Existem alguns agrupamentos de genes em eucariotos que funcionam de forma semelhante aos operons. Muitos dos princípios podem ser aplicados a sistemas eucarióticos e contribuir para a nossa compreensão das mudanças na expressão gênica em eucariotos que podem resultar em mudanças patológicas, como o câncer.

Figura 1. Em procariotos, genes estruturais de funções relacionadas são frequentemente organizados juntos no genoma e transcritos juntos sob o controle de um único promotor. A região regulatória do operon inclui o promotor e o operador. Se um repressor se liga ao operador, os genes estruturais não serão transcritos. Alternativamente, os ativadores podem se ligar à região reguladora, aumentando a transcrição.

Cada operon inclui sequências de DNA que influenciam sua própria transcrição e estão localizadas em uma região chamada região reguladora. A região regulatória inclui o promotor e a região em torno do promotor, para a qual fatores de transcrição, proteínas codificadas por genes reguladores, podem se ligar. Fatores de transcrição influenciam a ligação de RNA polimerase ao promotor e permitir sua progressão para transcrever genes estruturais. UMA repressor é um fator de transcrição que suprime a transcrição de um gene em resposta a um estímulo externo ao se ligar a uma sequência de DNA dentro da região regulatória chamada operador, que está localizado entre o local de ligação da RNA polimerase do promotor e o local de início da transcrição do primeiro gene estrutural. A ligação do repressor bloqueia fisicamente a RNA polimerase de transcrever genes estruturais. Por outro lado, um ativador é um fator de transcrição que aumenta a transcrição de um gene em resposta a um estímulo externo, facilitando a ligação da RNA polimerase ao promotor. Um indutor, um terceiro tipo de molécula reguladora, é uma pequena molécula que ativa ou reprime a transcrição ao interagir com um repressor ou ativador.

Em procariontes, há exemplos de operons cujos produtos gênicos são necessários de forma bastante consistente e cuja expressão, portanto, não é regulada. Esses operons são expresso constitutivamente, o que significa que eles são transcritos e traduzidos continuamente para fornecer à célula níveis intermediários constantes dos produtos proteicos. Esses genes codificam enzimas envolvidas em funções de manutenção necessárias para a manutenção celular, incluindo replicação, reparo e expressão de DNA, bem como enzimas envolvidas no metabolismo central. Em contraste, existem outros operons procarióticos que são expressos apenas quando necessários e são regulados por repressores, ativadores e indutores.

Pense nisso

  • Quais são as partes na sequência de DNA de um operon?
  • Que tipos de moléculas regulatórias existem?

A. Mecanismos de controle do Lac Operon

No trato digestivo animal (incluindo o nosso), genes do E. coli operon lac regular o uso de lactose como um nutriente alternativo à glicose. Pense em queijo em vez de chocolate! O operon consiste nos genes lacZ, lacY e lacA que foram chamados genes estruturais. Por definição, os genes estruturais codificam proteínas que participam da estrutura celular e da função metabólica. Como já observado, o operon lac é transcrito em um mRNA que codifica as proteínas Z, Y e A.

Vamos examinar mais de perto a estrutura do operon lac e a função das proteínas Y, Z e A (abaixo).

O gene lacZ codifica & beta-galactosidase, a enzima que quebra a lactose (um dissacarídeo) em galactose e glicose. O gene lacY codifica a lactose permease, uma proteína de membrana que facilita a entrada da lactose nas células. O papel do gene lacA (a transacetilase) no metabolismo energético da lactose não é bem compreendido. o Eu gene à esquerda do gene lac Z está um gene regulador (para distingui-lo dos genes estruturais). Genes reguladores codificam proteínas que interagem com sequências regulatórias de DNA associadas a um gene para controlar a transcrição. o operador A sequência que separa os genes I e Z é uma sequência de DNA reguladora da transcrição.

o E. coli O operon lac é geralmente silencioso (reprimido) porque essas células preferem a glicose como fonte de energia e carbono. Na presença de glicose suficiente, um proteína repressora (o produto do gene I) está ligado ao operador, bloqueando a transcrição do operon lac. Mesmo se a lactose estiver disponível, as células não a usarão como uma fonte alternativa de energia e carbono quando os níveis de glicose forem adequados. No entanto, quando os níveis de glicose caem, o operon lac está ativo e os três produtos enzimáticos são traduzidos. Veremos como os níveis de glicose limitantes induzem a transcrição máxima do operon lac por ambos desrepressão e direto indução, levando à transcrição máxima dos genes lac apenas quando necessário (isto é, na presença de lactose e ausência de glicose). Vejamos alguns dos experimentos clássicos que levaram ao nosso entendimento da regulação do gene de E. coli em geral, e do operon lac em particular.

No final dos anos 1950 e início dos anos 1960, François Jacob e Jacques Monod estavam estudando o uso de diferentes açúcares como fontes de carbono por E. coli. Eles conheciam aquele tipo selvagem E. coli seria não fazer as proteínas ( beta ) - galactosidase, ( beta ) - galactosídeo permease ou ( beta ) - galactosídeo transacetilase proteínas quando cultivadas em glicose. Claro, eles também sabiam que as células mudariam para lactose para crescimento e reprodução se fossem privadas de glicose! Eles então procuraram e isolaram diferentes mutantes de E. coli que não podiam crescer com lactose, mesmo quando não havia glicose no meio de crescimento. Aqui estão alguns dos mutantes que estudaram:

  1. Um mutante não conseguiu tornar a enzima ( beta ) - galactosidase ativa, mas fez a permease.
  2. Um mutante não conseguiu produzir permease ativa, mas produziu quantidades normais de ( beta ) - galactosidase.
  3. Outro mutante não conseguiu produzir transacetilase. mas ainda pode metabolizar a lactose na ausência de glicose. Daí a incerteza de seu papel no metabolismo da lactose.
  4. Curiosamente, uma cepa mutante não conseguiu produzir nenhuma das três enzimas!

Como os mutantes duplos são muito raros e os triplos ainda mais raros, Jacob e Monod inferiram que a ativação de todos os três genes na presença de lactose era controlada em conjunto de alguma forma. Na verdade, foi essa descoberta que definiu o operon como um conjunto de genes transcritos como um único mRNA, cuja expressão poderia, portanto, ser coordenada de forma eficaz. Posteriormente, eles caracterizaram a proteína repressora produzida pelo gene lacI. Jacob, Monod e Andre Lwoff compartilharam o Prêmio Nobel de Medicina em 1965 por seu trabalho sobre a regulação do gene bacteriano. Agora sabemos que negativo e positivo regulamento do operon lac (descrito abaixo) dependem de duas proteínas reguladoras que, juntas, controlam a taxa de metabolismo da lactose.

1. Regulação Negativa do Lac Operon pela Lactose

Consulte a ilustração abaixo para identificar os jogadores na desrepressão do operon lac.

O produto da proteína repressora do gene I é sempre feito e está presente em E. coli células. A expressão do gene I não é regulamentada! Na ausência de lactose no meio de crescimento, a proteína repressora se liga fortemente ao DNA do operador. Enquanto RNA polimerase está ligado ao promotor e pronto para transcrever o operon, a presença do repressor ligado à sequência do operador próximo ao gene Z bloqueia fisicamente seu movimento para frente. Nessas condições, pouca ou nenhuma transcrição é feita. Se as células são cultivadas na presença de lactose, a lactose que entra nas células é convertida em alolactose. A alolactose se liga ao repressor situado no DNA do operador para formar um complexo de 2 partes, conforme mostrado abaixo.

O repressor alostericamente alterado se dissocia do operador e a RNA polimerase pode transcrever o laca genes de operon conforme ilustrado abaixo

2. Regulação Positiva da Indução de Lac Operon por Ativação de Catabólito

O segundo mecanismo de controle que regula a expressão do operon lac é mediado por CAP (ligado a cAMP proteína ativadora catabólita ou proteína receptora de cAMP). Quando a glicose está disponível, os níveis celulares de cAMP são baixos nas células e o CAP está em uma conformação inativa. Por outro lado, se os níveis de glicose estão baixos, os níveis de cAMP sobem e se ligam ao CAP, ativando-o. Se os níveis de lactose também forem baixos, o CAP ligado ao cAMP não terá efeito. Se a lactose estiver presente e os níveis de glicose estiverem baixos, então a alolactose se liga ao repressor lac, fazendo com que ele se dissocie da região operadora. Nestas condições, o CAP ligado ao cAMP pode ligar-se ao operador em vez da proteína repressora. Neste caso, em vez de bloquear a RNA polimerase, o CAP ligado ao Camp ativado induz uma transcrição do operon lac ainda mais eficiente. O resultado é a síntese de níveis mais elevados de enzimas lac que facilitam o uso celular eficiente da lactose como alternativa à glicose como fonte de energia. Maximal ativação do operon lac em alta lactose e baixa glicose é mostrado abaixo.

CAP ligado a cAMP é um indutor de transcrição. Ele faz isso forçando o DNA na região do operador-promotor a se curvar. E uma vez que dobrar a dupla hélice solta ligações H, torna-se mais fácil para a RNA polimerase encontrar e ligar o promotor na fita de DNA a ser transcrita e hellip, e para a transcrição começar. A curvatura de DNA induzida por cAMP-CAP é ilustrada abaixo.

3. Regulação do Lac Operon pela Exclusão do Indutor e Operadores Múltiplos

Nos últimos anos, camadas adicionais de regulação do operon lac foram descobertas. Em um caso, a capacidade de lac permease para transportar lactose através da membrana celular é regulado. Em outra, foi descoberto que sequências de operadores adicionais interagem com um repressor multimérico para controlar a expressão do gene lac.

A) Regulamentação do uso de lactose por Indutor Exclusão

Quando os níveis de glicose estão altos (mesmo na presença de lactose), o fosfato é consumido para fosforilar os intermediários glicolíticos, mantendo baixos os níveis de fosfato citoplasmático. Nessas condições, EIIAGlc não fosforilado se liga ao permease de lactose enzima na membrana celular, impedindo-a de trazer lactose para dentro da célula.

O papel de EIIA Glc fosforilado e não fosforilado na regulação do operão lac é mostrado abaixo.

Os níveis elevados de glicose bloqueiam a entrada da lactose nas células, evitando efetivamente a formação de alolactose e a desrepressão do operon lac. A exclusão do indutor é, portanto, uma maneira lógica para as células lidarem com uma abundância de glicose, esteja ou não a lactose presente. Por outro lado, se os níveis de glicose são baixos no meio de crescimento, as concentrações de fosfato nas células aumentam o suficiente para que uma quinase específica fosforile o EIIAGlc. O EIIAGlc fosforilado então sofre uma mudança alostérica e se dissocia da permease de lactose, tornando-o ativo para que mais lactose possa entrar na célula. Em outras palavras, o indutor não é & ldquoexcluído & rdquo sob essas condições!

A quinase que fosforila EIIA Glc é parte de um fosfoenolpiruvato (PEP) - fosfotransferase dependente cascata do sistema (PTS). Quando os níveis de glicose extracelular estão baixos, a célula ativa o sistema PTS em um esforço para trazer qualquer glicose que esteja ao redor para dentro da célula. Mas a última enzima na cascata de fosforilação do PTS é a quinase que fosforila EIIA Glc. EIIA Glc fosforilada dissocia-se da permease de lactose, reativando-a, trazendo lactose disponível para a célula a partir do meio.

B) Estrutura da proteína repressora e sequências de operador adicionais

O repressor lac é um tetrâmero de subunidades idênticas (abaixo).

Cada subunidade contém um hélice-volta-hélice motivo capaz de se ligar ao DNA. No entanto, a sequência de DNA do operador a jusante do promotor no operon consiste em um par de repetições invertidas espaçados de tal forma que eles podem interagir apenas duas das subunidades repressoras, deixando a função das outras duas subunidades desconhecida & hellip isto é, até recentemente!

Mais duas regiões de operação foram recentemente caracterizadas no operon lac. Um, chamado O2, está dentro do gene lac z ele mesmo e o outro, chamado O3, está perto do final de, mas dentro do lac I gene. Além de sua localização incomum dentro dos genes reais, esses operadores, que interagem com as duas subunidades repressoras restantes, não foram detectados no início porque as mutações no O2 ou na região O3 individualmente não contribuem substancialmente para o efeito da lactose na desrepressão do operon lac. Apenas a mutação de ambas as regiões ao mesmo tempo resulta em uma redução substancial na ligação do repressor ao operon.

B. Mecanismo de Controle do Operon de Triptofano

Se for amplo triptofano (trp) está disponível, a via de síntese do triptofano pode ser inibida de duas maneiras. Primeiro, lembre-se de como a inibição de feedback por excesso de trp pode inibir alostericamente a via de síntese de trp. Uma resposta rápida ocorre quando o triptofano está presente em excesso, resultando em uma inibição por feedback rápido, bloqueando a primeira das cinco enzimas na via de síntese do trp. o operon trp codifica polipeptídeos que constituem duas dessas enzimas.

Enzima 1 é um multimérico proteína, feita a partir de polipeptídeos codificados pelo trp5 e trp4 genes. Os produtos dos genes trp1 e trp2 constituem Enzima 3. Se os níveis de triptofano celular caírem porque o aminoácido é rapidamente consumido (por exemplo, devido à demanda por proteínas durante o crescimento rápido), E.as células coli continuarão a sintetizar o aminoácido, conforme ilustrado abaixo.

Por outro lado, se o consumo de triptofano diminuir, o triptofano se acumula no citoplasma. O excesso de triptofano se liga ao repressor trp. O repressor ligado ao trp então se liga ao operador trp, bloqueando a RNA polimerase de transcrever o operon. A repressão do operon trp pelo trp é mostrada abaixo.

Neste cenário, o triptofano é um co-repressor. A função de um co-repressor é ligar-se a uma proteína repressora e alterar sua conformação para que ela possa se ligar ao operador.


RESPOSTAS CORRETAS

Nas células "mutantes de códon trp", a transcrição da região de codificação do peptídeo líder continua mesmo na ausência de triptofano, levando à formação do grampo de cabelo atenuador e à terminação precoce (MCQ 6: A MCQ 13: A). Como essas células são incapazes de expressar as enzimas que sintetizam o triptofano, elas não podem sobreviver sem o triptofano exógeno (MCQ 1: B MCQ 8: A). Em células "mutantes da região 3", o grampo de cabelo do terminador não pode se formar. Isso leva a uma maior expressão do trp operon mesmo se o aminoácido estiver presente. Na ausência de triptofano, eles crescem de forma semelhante às células do tipo selvagem (MCQ 9: B MCQ 10: B MCQ 12: B). Expressão desnecessária de trp operon na presença de triptofano diminui a taxa de crescimento dessas células (MCQ 2: B MCQ 3: A MCQ 5: A). Comprimento total trp transcrições de operon e, portanto, complexos cromossomo-polissomo são formados nessas células apenas onde a atenuação não funciona (MCQ 4: B MCQ 7: B MCQ 11: B MCQ 14: A).


Riboswitches

Proteína repressores e corepressores não são a única maneira pela qual as bactérias controlam a transcrição do gene. Acontece que a regulação do nível de certos metabólitos também pode ser controlada por riboswitches. Um riboswitch é uma seção da região 5'-não traduzida (5'-UTR) em uma molécula de RNA mensageiro (mRNA) que tem um sítio de ligação específico para o metabólito (ou um parente próximo).

  • as purinas adenina e guanina
  • os aminoácidos glicina e lisina
  • mononucleotídeo de flavina (o grupo protético da NADH desidrogenase)
  • S-adenosil metionina (que doa grupos metil para muitas moléculas, incluindo
    • a tampa na extremidade 5 'do RNA mensageiro [Link]
    • para alguns genes faz com que a síntese adicional do mRNA termine antes de formar um produto funcional e
    • para outros genes, aumenta a conclusão da síntese do mRNA.
    • Em ambos os casos, um dos resultados é controlar o nível desse metabólito.

    Alguns riboswitches controlam mRNA tradução em vez de sua transcrição. [Ligação]

    Foi sugerido que esses mecanismos regulatórios, que não envolve nenhuma proteína, são uma relíquia de um "mundo de RNA".


    Relacionando Operons a Temas de Biologia

    Além de desafiar os alunos a raciocinar com modelos e promover a compreensão da função do trp e laca operons, esta atividade promove a reflexão sobre as Grandes Idéias no Quadro de Biologia AP (College Board, 2012). Especificamente, a atividade pode ser usada para ensinar aos alunos a importância da troca de matéria e energia com o meio ambiente e o papel do feedback na manutenção da homeostase - as consequências evolutivas de regular ou não a expressão gênica que os genes armazenam informações sobre os sucessos dos ancestrais de um organismo e que os organismos têm propriedades emergentes complexas devido às interações entre suas partes constituintes.

    Manutenção da homeostase

    Um organismo é mais bem compreendido como um processo dinâmico, como uma chama, em vez de um objeto. Um fluxo constante de matéria e energia é necessário para manter a ordem em face das tendências desordenadas da segunda lei da termodinâmica. A capacidade de manter um equilíbrio dinâmico em face dessas tendências desordenadas é chamada de "homeostase". Para ajudar a manter a homeostase, bactérias gostam E. coli organizam seus genes em operons que permitem respostas rápidas aos desafios colocados por flutuações desordenadas no ambiente. A capacidade de uma coleção de elementos essencialmente "burros", como genes e proteínas, de agir de maneira aparentemente inteligente e manter a homeostase resulta do processo denominado "feedback negativo". O feedback negativo determina se o operon está ligado ou desligado, com base na saída do próprio processo, e é responsável pelos padrões consistentes de comportamento gerados pelos organismos, por meio dos quais eles mantêm vários aspectos de seu metabolismo dentro de intervalos específicos. No feedback negativo, uma pequena mudança causa uma resposta do sistema que tende a neutralizar a mudança, contribuindo assim para a estabilidade do sistema. Por exemplo, se a temperatura do corpo subir muito, um comportamento como o de suor é iniciado para resfriar o corpo e trazer a temperatura de volta ao nível normal.

    O feedback negativo requer um sensor, um mecanismo de controle e um gerador de efeitos. O sensor monitora o nível atual de alguma variável e reporta ao mecanismo de controle. O mecanismo de controle “avalia” o nível atual da variável e direciona a atividade do efetor. Em um ciclo de feedback negativo, o efetor executa uma ação que tende a neutralizar as mudanças, mantendo a estabilidade. Um exemplo de mecanismo homeostático de fácil compreensão é um sistema de aquecimento doméstico. A temperatura de uma casa é mantida durante o tempo frio por um aquecedor que é controlado por feedback negativo. O termostato contém um sensor que monitora a temperatura e um mecanismo de controle que compara a temperatura a um ponto de ajuste e, em seguida, ativa ou desativa um gerador de efeitos (o aquecedor) para causar alterações no sistema. O resultado é uma temperatura estável em casa.

    A ação de um operon está sob o controle do repressor, que desempenha um papel semelhante ao do mecanismo de controle em um termostato. O sensor é o local alostérico no repressor onde o co-pressor ou indutor se liga, alterando a conformação do repressor. O efetor é o sítio de ligação ao DNA da proteína repressora. A Figura 3 ilustra um ciclo de feedback para o trp operon.

    Feedback no trp operon. A caixa em forma de diamante representa um ponto no ciclo de feedback em que uma decisão é tomada. Se os níveis de triptofano estiverem baixos (UMA), a trp operon está sintetizando as enzimas necessárias para fazer triptofano, e o nível de triptofano na célula aumenta. No entanto, se o triptofano já estiver presente em níveis elevados na célula (B), uma molécula de triptofano se ligará ao sítio alostérico do trp proteína repressora, alterando sua forma de modo que o repressor então se liga ao operador bloqueando a transcrição dos genes para a produção de mais triptofano. O nível de triptofano na célula cairá gradualmente à medida que a célula o usa para fabricar proteínas.

    Feedback no trp operon. A caixa em forma de diamante representa um ponto no ciclo de feedback em que uma decisão é tomada. Se os níveis de triptofano estiverem baixos (UMA), a trp operon está sintetizando as enzimas necessárias para fazer triptofano, e o nível de triptofano na célula aumenta. No entanto, se o triptofano já estiver presente em níveis elevados na célula (B), uma molécula de triptofano se ligará ao sítio alostérico do trp proteína repressora, alterando sua forma de modo que o repressor então se liga ao operador bloqueando a transcrição dos genes para a produção de mais triptofano. O nível de triptofano na célula cairá gradualmente à medida que a célula o usa para fabricar proteínas.

    Por padrão, o trp o repressor é inativo e não se liga ao DNA. Se o triptofano não estiver prontamente disponível no ambiente, não haverá nenhum para se ligar à molécula repressora inativa. O operon estará ligado, fazendo com que o triptofano seja sintetizado e o nível suba. Por outro lado, se o triptofano estiver prontamente disponível, o sensor (sítio alostérico do repressor) detectará sua presença e o mecanismo de controle (proteína repressora) ativará o efetor (altera a conformação do sítio de ligação do DNA do repressor), fazendo com que o repressor se ligue a o operador e interrompe a produção até que o nível de triptofano na célula diminua. Um diagrama semelhante pode ser desenhado para o laca operon se o controle de volume CAP for omitido. Incluir CAP tornaria o diagrama um pouco mais complicado, mas pode ser feito. Desenhar um diagrama com base na Figura 4 que também inclui o CAP é sugerido como uma atividade de extensão para alunos mais avançados (consulte a Figura 5).

    Feedback no laca operon. A caixa em forma de diamante representa um ponto no ciclo de feedback em que uma decisão é tomada. Se os níveis de lactose estiverem altos (UMA), uma molécula de alolactose se ligará ao sítio alostérico do laca proteína repressora, alterando sua forma de forma que o repressor não se ligue mais ao operador, liberando o promotor para que a RNA polimerase possa se ligar. Neste caso, o laca o operon é ativado, sintetizando as enzimas necessárias para hidrolisar a lactose, e o nível de lactose na célula cai. No entanto, se não houver lactose na célula (B), a proteína repressora, livre de alolactose, se ligará ao operador e bloqueará a transcrição. O operon está desligado. O nível de lactose aumentará novamente apenas se o hospedeiro consumir lactose.

    Feedback no laca operon. A caixa em forma de diamante representa um ponto no ciclo de feedback em que uma decisão é tomada. Se os níveis de lactose estiverem altos (UMA), uma molécula de alolactose se ligará ao sítio alostérico do laca proteína repressora, alterando sua forma de forma que o repressor não se ligue mais ao operador, liberando o promotor para que a RNA polimerase possa se ligar. Neste caso, o laca o operon é ativado, sintetizando as enzimas necessárias para hidrolisar a lactose, e o nível de lactose na célula cai. No entanto, se não houver lactose na célula (B), a proteína repressora, livre de alolactose, se ligará ao operador e bloqueará a transcrição. O operon está desligado. O nível de lactose aumentará novamente apenas se o hospedeiro consumir lactose.

    o laca operon com CAP. Além da interação operador-repressor, que serve como uma chave liga-desliga para o laca operon, um segundo elemento de controle, o local de ligação do ativador de catabólito, interage com a proteína ativadora de catabólito (CAP) para servir como um controle de volume, ajustando a taxa de transcrição para cima ou para baixo, dependendo do nível de glicose. Quando a glicose e a lactose estão disponíveis, E. coli exibe uma preferência por glicose. A glicose é usada como fonte de energia primária, e o laca os genes do operon são transcritos apenas em um nível baixo. Uma vez que a glicose é totalmente usada, a taxa de transcrição de laca as enzimas aumentam e a célula começa a usar a lactose em uma taxa mais alta. Este aumento na taxa de transcrição é um resultado da ligação do CAP ao sítio de ligação do CAP logo a montante do promotor e dobra do DNA de modo que a RNA polimerase se ligue mais firmemente ao promotor.

    o laca operon com CAP. Além da interação operador-repressor, que serve como uma chave liga-desliga para o laca operon, um segundo elemento de controle, o local de ligação do ativador de catabólito, interage com a proteína ativadora de catabólito (CAP) para servir como um controle de volume, ajustando a taxa de transcrição para cima ou para baixo, dependendo do nível de glicose. Quando a glicose e a lactose estão disponíveis, E. coli exibe uma preferência por glicose. A glicose é usada como fonte de energia primária, e o laca os genes do operon são transcritos apenas em um nível baixo. Uma vez que a glicose é totalmente usada, a taxa de transcrição de laca as enzimas aumentam e a célula começa a usar a lactose em uma taxa mais alta. Este aumento na taxa de transcrição é um resultado da ligação do CAP ao sítio de ligação do CAP logo a montante do promotor e dobra do DNA de modo que a RNA polimerase se ligue mais firmemente ao promotor.

    É essencial que os alunos entendam como os organismos empregam feedback negativo para manter a homeostase e regular a expressão gênica. No entanto, a terminologia usada nesta atividade (sensor, efetor, e mecanismo de controle) pode adicionar um nível de detalhe incômodo para alguns alunos. A critério dos instrutores, esses termos e as Figuras 3, 4 e 5 podem ser omitidos da discussão e os alunos ainda podem aprender os fundamentos do feedback negativo.

    Evolução e informações de amplificação

    A manutenção adequada da homeostase tem implicações de curto prazo para o organismo individual porque a falha em manter a homeostase provavelmente resultará na morte do organismo. Mas também há implicações de longo prazo para a espécie. Os organismos que perecem porque não conseguem manter a homeostase não se reproduzirão e seus genes serão perdidos do pool genético, alterando a composição genética da população.

    As consequências evolutivas do bom funcionamento do trp e laca operons tornam-se aparentes quando se considera os custos e benefícios de transcrever os genes no operon em condições variadas. Por exemplo, se não houver triptofano presente no ambiente, faz sentido que o operon esteja ligado e produzindo triptofano, porque o triptofano é um bloco de construção básico para muitas das proteínas de que a célula precisa para funcionar. No entanto, se já houver uma abundância de triptofano presente no ambiente, então faz sentido que a célula bacteriana aproveite a vantagem inesperada, em vez de desperdiçar energia e recursos produzindo uma molécula que está prontamente disponível com pouco ou nenhum custo para a célula. A fabricação das cinco proteínas necessárias para a síntese do triptofano, seguida da síntese do próprio triptofano, consumiria uma quantidade considerável de energia e matérias-primas que poderiam ser utilizadas de forma mais produtiva para outra finalidade. A falha em usar os recursos com sabedoria em um ambiente onde eles são limitados diminuirá o sucesso reprodutivo, de modo que os organismos com mutações que os impedem de regular a expressão do gene serão provavelmente eliminados pela seleção natural.

    Uma análise de custo-benefício semelhante pode ser feita para o laca operon. O estado padrão do laca operon está desligado, então nenhuma das enzimas para o processamento da lactose é sintetizada a menos que a fonte de energia potencial, lactose, esteja realmente presente. Em termos de sobrevivência do organismo face à competição por recursos limitados, isso faz todo o sentido porque evita que a célula desperdice energia e recursos, produzindo uma abundância de enzimas que não contribuiriam para a sobrevivência e o sucesso reprodutivo do organismo.

    Do ponto de vista da história evolutiva de E. coli e seus hospedeiros, o fato de que os elementos genéticos descritos nesses operons ainda existem é uma consequência dos sucessos reprodutivos da luta de seus ancestrais para sobreviver em seus ambientes. Os genes que permitem seletivamente E. coli fazer triptofano para a biossíntese e usar a lactose como fonte de energia são produtos da seleção natural que agem sobre os ancestrais de E. coli. Além disso, as bactérias residem no trato digestivo dos animais, de modo que as escolhas alimentares de seus hospedeiros também desempenharam um papel na evolução dos operons, visto que o triptofano e a lactose devem estar periodicamente presentes nas dietas dos hospedeiros antes que pudesse haver sido seleção para os operons. Os operons representam informações armazenadas sobre a história de sucessos enquanto as gerações anteriores lutavam para sobreviver em condições variadas nas entranhas de seus hospedeiros.

    Interações e propriedades emergentes do amp

    Os sistemas vivos são organizados hierarquicamente e novas propriedades surgem em cada nível superior como resultado das interações entre as partes no nível inferior. O surgimento de propriedades de nível superior aparentemente intencionais a partir de elementos “burros” interagindo em um nível inferior é um conceito difícil para os alunos entenderem (Resnick, 1996 Chi, 2005). Em particular, o comportamento organizado emergindo de uma coleção de moléculas que se movem aleatoriamente pode parecer muito improvável para estudantes cujos modelos mentais de comportamento molecular não vão além do modelo da bola de bilhar da teoria cinética. Ao contrário das moléculas de um gás, que se movem aleatoriamente, ricocheteando umas nas outras em um redemoinho caótico de atividade, as moléculas das células são restringidas, até certo ponto, em suas interações por atrações intermoleculares fracas e transitórias entre suas superfícies. As superfícies moleculares podem ter regiões polares, eletricamente carregadas ou hidrofóbicas. Em vez de colidir e ricochetear aleatoriamente, as interações entre as superfícies das proteínas e outras moléculas fornecem um mecanismo que faz com que as moléculas se agregem de maneiras específicas e resultem em comportamentos emergentes. Como Jacob (1976, p. 304) observou, “Toda uma série de estruturas biológicas - polímeros, membranas e organelas intracelulares - têm, portanto, sua própria lógica interna, uma lógica que não é exatamente a dos cristais tridimensionais, mas muito pouco diferente. Todas essas estruturas podem exercer uma função química apenas através de sua superfície. ”

    Antes da revolução do século 20 que levou à biologia molecular, o comportamento aparentemente intencional dos sistemas vivos deu origem a várias formas de vitalismo - a crença de que as explicações dos seres vivos exigiam alguns princípios acima e além das leis da física e da química. Essas noções foram abandonadas por biólogos que entendem que sistemas de elementos interagindo podem produzir comportamento aparentemente intencional como resultado das restrições colocadas em suas interações por regras específicas - neste caso, as regras da química, feedback negativo e seleção natural. A maioria das funções biológicas surgem de interações entre muitos componentes de proteínas (Alberts, 1998 Hartwell et al., 1999). O foco da biologia celular mudou de uma preocupação com moléculas de proteína única para um foco em complexos moleculares que realizam as funções da célula (Hartwell et al., 1999). Os complexos moleculares se automontam espontaneamente a partir de seus componentes protéicos individuais como resultado de suas interações superficiais.

    Esta tendência de pensar em sistemas de moléculas interagindo para gerar comportamentos complexos é simplesmente uma continuação e extensão das idéias que Jacob e Monod desenvolveram para explicar o laca operon. Contemplando um diagrama do metabolismo celular, Monod observou: “Mesmo se a cada etapa cada enzima realizasse seu trabalho perfeitamente, a soma de suas atividades só poderia ser o caos se não estivessem de alguma forma interligadas de modo a formar um sistema coerente” (1971, p. 62). A rede interligada de moléculas no trp e laca operons formam sistemas coerentes que resultam em comportamento responsivo e aparentemente inteligente por parte de E. coli.


    Regulação da expressão gênica em procariontes | Regulação do gene

    A transcrição do gene é regulada em bactérias por meio de um complexo de genes denominado operon. Essas são unidades de transcrição nas quais vários genes, com funções relacionadas, são regulados juntos. Outros genes também ocorrem em operons que codificam proteínas regulatórias que controlam a expressão gênica. Os operons são classificados como indutíveis ou repressíveis.

    Sistema indutível e reprimível:

    A β galactosidase em E. coli é responsável pela hidro e tímida da lactose em glicose e galactose.

    Se a lactose não for fornecida às células de E. coli, a presença de β galactosidase dificilmente será detectada. Mas assim que a lactose é adicionada, a produção da enzima β galactosidase aumenta. A enzima cai tão rapidamente quanto o substrato (lactose) é removido.

    Essas enzimas, cuja síntese pode ser induzida pela adição do substrato, são conhecidas como enzimas induzíveis e o sistema genético responsável pela síntese de tal enzima é chamado de sistema induzível. O substrato cuja adição induz a síntese de uma enzima é o indutor.

    Em alguns outros casos, a situação é inversa. Por exemplo, quando nenhum aminoácido é fornecido de fora, as células de E. coli podem sintetizar todas as enzimas necessárias para a síntese de diferentes aminoácidos. No entanto, se um determinado aminoácido, por exemplo, histidina, é adicionado, a produção da enzima sintetizadora de histidina diminui.

    Em tal sistema, a adição do produto final de biossina e shítese verifica a síntese das enzimas necessárias para a biossíntese. Essas enzimas, cuja síntese pode ser verificada pela adição do produto final, são enzimas reprimíveis e o sistema genético é conhecido como sys & shytem repressíveis. O produto final, cuja adição verifica a síntese da enzima é o co-repressor.

    Uma classe de moléculas chamadas repressores são encontradas nas células e esses repressores verificam a atividade dos genes. Um repressor ativo pode ser desativado adicionando um indutor, enquanto um repressor inativo e tímido pode ser ativado adicionando um co-repressor.

    Modelo Operon:

    Uma hipótese para explicar a indução e repressão da síntese enzimática foi inicialmente proposta por Jacob e Monod. O esquema proposto por eles é denominado Modelo de Operon.

    Isso consiste nos componentes:

    Estes estão diretamente relacionados com a síntese de proteínas celulares. Eles produzem os mRNAs por meio da transcrição e determinam a sequência de aminoácidos nas proteínas sintetizadas. Todos os genes estruturais sob um operon podem formar uma longa molécula de mRNA poicistrônica ou poligênica.

    Ele está localizado ao lado do gene estrutural. Ele determina se os genes estruturais devem ser reprimidos pela proteína representante, um produto do gene regulador. O gene operador é o local de ligação da proteína repressora e repressora, a última se liga à forma do operador e evita um complexo operador-repressor. Quando o repressor se liga ao operador, a transcrição dos genes estruturais não pode ocorrer.

    Esses genes sintetizam repressor. O repressor pode ser um repressor ativo ou um repressor inativo. Repressor pro & shytein tem um site ativo para reconhecimento do operador e outro site ativo para indutor. Na ausência de uma proteína indutora, o repressor se liga ao gene ope & shyrator e bloqueia o caminho da RNA poli & shymerase. Assim, os genes estruturais são incapazes de transcrever o mRNA e, conseqüentemente, a sinítese de proteínas não ocorre.

    Na presença de um indutor, a proteína repressora se liga ao indutor para formar um complexo indutor-repressor. O repressor quando se liga ao indutor sofre uma mudança e se torna ineficaz e, como resultado, ele não pode se ligar ao gene operador e a proteína syn & shythesis é possível.

    O local real da iniciação da transcrição e da timidez é conhecido como gene promotor, que fica à esquerda do gene operador. Acredita-se que a RNA polimerase se liga e se move a partir do local do promotor.

    O efetor é uma pequena molécula (açúcar ou aminoácido) que pode ser ligada a uma proteína reguladora e determinará se o repressor se ligará ao operador ou não. No operon induzível, essas moléculas efetoras são chamadas de indutor. No operon repressível, essas moléculas efetoras são chamadas de co-repressor.

    Operon induzível:

    O operon mais conhecido é o operon lac. O operon lac exerce o controle positivo e negativo e tímido. O controle negativo é no sentido de que o operon é normalmente & # 8220on & # 8221 mas é mantido & # 8220off & # 8221 pelo gene regulador, isto é, os genes não podem se expressar, a menos que seja necessário.

    O repressor lac exerce controle negativo. O controle positivo é aquele em que o gene regulador vai estimular a produção da enzima. A proteína ativadora catabólica (CAP) facilita a transcrição, por isso exerce e evita o controle positivo. Duas proteínas únicas estão, portanto, envolvidas na regulação do operon lac, que são o repressor lac e o CAP.

    A lactose é uma molécula de dissacarídeo. A fim de utilizar a lactose como uma fonte de carbono e energia, as moléculas de lactose devem ser transportadas do ambiente extracelular para o teto e, em seguida, sofrer hidrólise em glicose e galac & shytose. Essas reações são catalisadas por três enzimas. O operon lac consiste em três genes estruturais (lac Z, Y, A) que codificam essas três enzimas (Fig. 17.2).

    gene lac Z - codifica a enzima β galactosidase que quebra a lactose em galactose e glicose

    gene lac Y - codifica para permease que transporta lactose para a célula

    gene lac A - codifica a transacetilase que transfere o grupo acetila da acetil CoA para a galactose.

    Controle Negativo do Operon lac:

    lac repres & shysor é sintetizado através da atividade do gene lac I denominado gene regulador. Este repressor é uma proteína alostérica

    (i) Que pode ligar o DNA lac no local do operador, ou

    (ii) Isso pode se ligar ao indutor.

    Na ausência de indutor, o sítio de ligação ao DNA do repressor é funcional. A proteína repressora se liga ao DNA no local do operador do locus lac e bloqueia a transcrição dos genes lac pela RNA polimerase. Assim, a sin e shítese da enzima lac é inibida (Fig. 17.3A).

    A lactose não é o verdadeiro indutor do operon lac. Ele se liga ao repressor para aumentar sua afinidade pelo operador. Por outro lado, a proteína ligada ao repressor inativo é a alolactose. Enquanto a β galactosidase quebra a lactose em glicose e galactose, uma reação colateral transforma a galactose em alolactose e galactobiose.

    Esta alolactose previne o efeito anti-indutor de lac I lac lac da lactose. Quando a alolactose (indutor) se liga ao repressor, ele muda a forma do sítio de ligação do DNA, tornando o repressor inativo e liberado do sítio do operador. Assim, a transcrição e a timidez dos genes lac são possíveis.

    Controle Positivo do Operon lac:

    É um mecanismo regulador adicional que permite ao operon lac detectar a presença de glicose, uma fonte de energia alternativa e preferida à lactose. Se a glicose e a lactose estiverem presentes, as células usarão a glicose primeiro e não usarão a energia, dividindo a lactose em seus açúcares componentes.

    A presença de glicose na célula desliga o operon lac por um mecanismo chamado repressão catabólica, que envolve uma proteína reguladora chamada proteína ativadora catabólica (CAP). CAP se liga a uma sequência de DNA a montante do promotor lac e aumenta a ligação e o afastamento da RNA polimerase e a transcrição do operon é aumentada (Fig. 17.3B).

    CAP apenas se liga na presença de um derivado de ATP denominado adenosina monofos & tímido cíclico (cAMP), cujos níveis são influenciados pela glicose. A enzima adenilato ciclase cata & timidamente a formação de cAMP e é inibida pela glicose. Quando a glicose está disponível para a célula, a adenilato ciclase é inibida e os níveis de cAMP são baixos.

    Nestas condições, o CAP não se liga a montante do promotor e o lac ope & shyron é transcrito a um nível muito baixo. Por outro lado, quando a glicose está baixa, a adenilato ciclase não é inibida, o cAMP é mais alto e o CAP se liga, aumentando o nível de transcrição do operon.

    Se a glicose e a lactose estiverem presentes juntas, o operon lac só será transcrito em um nível baixo. No entanto, quando a glicose é usada, a repressão catabólica terminará e a transcrição do operon lac aumenta, permitindo que a lactose disponível seja usada.

    Operon Reprimível:

    O operon trp consiste nos seguintes componentes:

    (i) Genes estruturais (trp E, D, C, B e A):

    Este operon contém cinco genes estruturais que codificam enzimas envolvidas na biossíntese e na análise do aminoácido triptofano. Os genes são expressos como um único mRNA transcrito de um promotor a montante.

    (ii) Gene promotor (trp P):

    É a região promotora que é o local de ligação para a RNA polimerase.

    (iii) Gene do operador (trp O):

    É a região operadora que se liga ao repressor.

    É a região líder que é feita de 162 nucleotídeos antes do primeiro gene estrutural trp E. Ela tem quatro regiões, a região 1 tem o códon para tryp e shitofano, as regiões 2, 3 e 4 regulam a síntese de mRNA dos genes estruturais.

    A expressão do operon é regulada pelo nível de triptofano na célula (Fig. 17.4). Um gene regulador a montante do operon trp codifica uma proteína chamada repressor trp. Essa proteína se liga a uma sequência de DNA chamada operador trp, que fica logo abaixo do promotor trp, sobrepondo-se parcialmente a ele.

    Quando o triptofano está presente na célula, ele se liga à proteína repressora trp, permitindo que se ligue à sequência do operador trp, obstruindo a ligação da RNA polimerase ao promotor trp e evitando a transcrição do operon.

    Na ausência de triptofano, o repressor trp é incapaz de se ligar ao operador trp e a transcrição do operon prossegue. O triptofano, o produto final das enzimas codificadas pelo operon trp, age assim como um co-repressor com a proteína repressora trp e inibe sua própria síntese pela inibição do produto final.

    A atenuação é um mecanismo regulador alternativo que permite o ajuste fino e o afastamento da expressão do operon trp e de outros operons (operon phe, his, leu, thr). A sequência de mRNA transcrita entre o trp promo & shyter e o primeiro gene trp é capaz de formar uma grande estrutura de haste-alça que não influencia a transcrição ou uma alça de haste menor que atua como terminador da transcrição (Fig. 17.5).

    A posição relativa das sequências não permite a formação de ambos os laços de haste ao mesmo tempo. A atenuação depende do fato de que a transcrição e a timidez e a tradução estão ligadas, ou seja, os ribossomos se ligam aos mRNAs conforme eles estão sendo transcritos e começam a traduzi-los em proteínas.

    A ligação dos ribossomos ao mRNA trp influencia qual das duas voltas da haste pode se formar e, assim, determina se a terminação ocorre ou não (Fig. 17.5).

    Uma curta região de codificação a montante da região de haste-alça contém códons de triptofano que são traduzidos antes dos genes estruturais. Quando os níveis de triptofano são adequados, a RNA polimerase transcreve a região líder seguida de perto por um ribossomo que evita a formação e inibição da alça da haste maior, permitindo que a alça termi e shynator formem a transcrição final.

    Se não houver tripto e shifano, a transcrição é iniciada, mas não posteriormente terminada porque o ribossomo está paralisado, a RNA polimerase avança e o grande tronco-laço se forma. A formação do loop ter & shyminator é bloqueada e a transcrição do operon continua. Quando o triptofano está presente em níveis intermediários, algumas transcrições terminam e outras não.

    A atenuação, portanto, permite que a célula sintetize triptofano de acordo com seus requisitos exatos. No geral, o repressor trp determina se o operon está ativado ou desativado e a atenuação determina o quão eficientemente ele é transcrito.

    A sequência do mRNA sugere que o bloqueio do ribossomo influencia a terminação no atenuador. A capacidade do ribossomo de proliferar na região líder pode controlar a transição entre essas estruturas. A estrutura determina se o mRNA pode fornecer os recursos necessários para a terminação ou não.

    Quando o triptofano está presente, os ribossomos são capazes de sintetizar o peptídeo líder. Eles continuarão ao longo da seção líder do mRNA até o códon UGA, que fica entre as regiões 1 e 2. Ao progredir até este ponto, os ribossomos se estendem sobre a região 2 e evitam o emparelhamento de bases.

    O resultado é que a região 3 está disponível para emparelhar com a região 4, gerando o grampo de cabelo termi & shynator. Nessas condições, portanto, a RNA polimerase termina no atenuador.

    No entanto, quando não há triptofano, ribo e shysomes iniciam a tradução do peptídeo líder, mas param nos códons trp que estão na região 1. Assim, a região 1 não pode emparelhar com a região 2. Se isso acontecer, mesmo enquanto o próprio mRNA está sendo sintetizada, as regiões 2 e 3 serão emparelhadas antes da região 4 ser transcrita.

    Isso obriga a região 4 a permanecer em uma forma de cadeia única. Na ausência do grampo terminador, a RNA polimerase continua a transcrição pelo atenuador.

    O operon ara (arabinose) de F. coli con & shytains:

    (i) Três genes estruturais (ara A, ara B e ara D) & # 8211 que codificam três enzimas diferentes (isomerase, quinase, epimerase) para o metabolismo da arabinose; três genes estruturais são co-transcritos em um único mRNA.

    (ii) gene promotor (PMAU) - que inicia a transcrição.

    (iii) Gene regular (ara C) - a proteína reguladora deste gene ara C.

    (iv) Gene promotor (Pc) - Inicia a transcrição de são C.

    Dois promotores PMAU e Pc estão situados a 100 pares de nucleotídeos na mesma região indutora e iniciam a transcrição em direções opostas.

    A indução do operon ara depende dos efeitos regulatórios positivos de duas proteínas, a proteína ara C e CAP (a proteína ativadora de catabólitos de ligação de cAMP), os locais de ligação dessas duas proteínas estão localizados em uma região chamada ara I que está situada entre os três genes estruturais (ara B, ara A e ara D) e o gene regulador (ara C) (Fig. 17.6A).

    A proteína ara C atua como um regulador negativo (um repressor) da transcrição dos genes estruturais ara B, ara A e ara D do PMAU promotor na ausência de arabinose e AMP cíclico (cAMP). Mas atua como um regulador positivo (um ativador) da transcrição desses genes do PMAU promotor quando arabinose e cAMP estão presentes.

    Dependendo da presença ou ausência de moléculas efetoras como arabinose e cAMP, o produto do gene regulador ara C pode exercer um efeito positivo ou negativo na transcrição dos genes estruturais ara B, ara A e ara D (Fig. 17.6B).

    Regulação pós-transcricional da expressão gênica em procariotos:

    A regulação gênica também pode ocorrer em procariontes no momento da tradução.

    Regulação autógena da tradução:

    Existem vários exemplos em que uma proteína ou RNA regula sua própria produção. Várias proteínas funcionam como repressores, ligam-se ao sítio de ligação do ribossomo (ou sequência SD-Shine-Dalgarno) ou códon de iniciação do mRNA. Nestes casos, o mRNA permanece intacto, mas não pode ser traduzido. Existem alguns outros sistemas onde o mRNA pode ser degradado pela ligação da proteína nas sequências específicas curtas de mRNA.

    Regulação por RNA anti-sentido:

    O controle translacional da síntese de proteínas pode ser exercido usando RNA que é complementar ao mRNA, este RNA complementar formará híbridos RNA-mRNA e evitará que o mRNA seja traduzido. Esses tipos de RNAs são chamados de RNA anti-sentido ou micRNA (mic = RNA complementar interferente do mRNA).

    Repressão da tradução:

    A repressão da tradução ocorre das seguintes formas:

    (a) Uma molécula repressora-efetora pode reconhecer e sincronizar e se ligar a uma sequência específica ou a uma estrutura secundária específica (envolvendo a região SD e o códon AUG), bloqueando assim a iniciação da tradução através do bloqueio da região ribossômica de ligação e tímido.

    (b) Uma molécula repressora-efetora pode se ligar a um operador (não envolvendo a região SD e o códon AUG), estabilizando assim uma estrutura secundária inibitória de mRNA.

    (c) Uma molécula efetora (uma endonuclease) pode inibir a iniciação da tradução por clivagem endonucleolítica da região SD.

    Ativação da tradução:

    Alguns efetores ou ativadores positivos causam a ativação da trans & shylation ao desestabilizar as estruturas secundárias inibitórias no mRNA por meio de bind & shying simples ou por clivagem endonucleolítica. A tradução de certos genes pode ser influenciada por outros genes & # 8211 o fenômeno é chamado de acoplamento trans & shylational.

    Em alguns casos, o produto final de uma via biossintética específica se acumula e esse acúmulo pode interromper a síntese dessa substância. O produto final atua por meio da transformação alostérica da primeira enzima da via biossintética (Fig. 17.7).


    Regulação do gene em procariontes | Genética

    A regulação gênica refere-se ao controle da taxa ou maneira pela qual um gene é expresso. Em outras palavras, a regulação gênica é o processo pelo qual a célula determina (por meio de interações entre DNA, RNA, proteínas e outras substâncias) quando e onde os genes serão ativados e quanto produto gênico será produzido.

    Assim, a expressão do gene é controlada por um complexo de numerosos genes reguladores e proteínas regulatórias. A regulação gênica foi estudada em procariotos e eucariotos. Em procariotos, o modelo de operon de regulação gênica é amplamente aceito.

    Esse modelo de regulação gênica foi proposto por Jacob e Monod em 1961, pelo qual eles receberam o Prêmio Nobel em 1965. O operon se refere a um grupo de genes intimamente ligados que, juntos, codificam várias enzimas de uma determinada via bioquímica.

    Em outras palavras, o operon é uma unidade de expressão e regulação do gene bacteriano, incluindo genes estruturais e elementos de controle no DNA reconhecidos pelo (s) produto (s) do gene regulador. Assim, o operon é um modelo que explica o mecanismo liga-desliga da síntese de proteínas de uma maneira sistemática. Os principais pontos do modelo de operon de regulação gênica são apresentados a seguir.

    (i) Desenvolvido por:

    Em procariotos, o modelo de operon de regulação gênica foi desenvolvido por Jacob e Monod em 1961, pelo qual eles receberam o prêmio Nobel em 1965. Agora, esse modelo de regulação gênica é amplamente aceito.

    (ii) Organismo usado:

    O modelo de operon foi desenvolvido trabalhando com a região da lactose [região lac] da bactéria E. coli do intestino humano. A regulação gênica foi estudada para degradação da lactose do açúcar.

    (iii) Genes envolvidos:

    No modelo de operon de regulação gênica, quatro tipos de genes viz:

    (iv) O gene regulador está envolvido.

    Além disso, moléculas repressoras, co-repressoras e indutoras também estão envolvidas.

    (4) Enzimas envolvidas:

    Quatro tipos de enzimas estão envolvidos na regulação gênica de procariotos. Estes são beta-galactosidase, galactosidase permease, transacetilase e RNA polimerase. A beta-galactosidase catalisa a quebra da lactose em glicose e galactose.

    A galactosidase permease permite a entrada de lactose do meio na célula bacteriana. A enzima transacetilase transfere um grupo acetil da acetil coenzima A para a beta galactosidase. A enzima mRNA polimerase controla o on-off da transcrição.

    Tipos de Operon na regulação do gene:

    Nos procariontes, os operons são de dois tipos, viz., Indutíveis e repressíveis. O exemplo de um operon induzível é o operon da lactose, que contém genes que codificam enzimas responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose.Um exemplo de operon reprimível é o operon Trp, que codifica enzimas responsáveis ​​pela síntese do aminoácido triptofano (trp para abreviar).

    A. Operon induzível:

    Uma enzima cuja produção é aumentada pela adição do substrato no meio de cultura é chamada de enzima induzível, e tal sistema é chamado de sistema induzível. O exemplo de um operon induzível é o operon da lactose, que contém genes que codificam enzimas responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose.

    Nas bactérias, operon se refere a um grupo de genes intimamente ligados que agem juntos e codificam as várias enzimas de uma via bioquímica específica.

    O modelo do operon lac de E. coli se parece com este:

    Existem três genes estruturais do operão lac, isto é, lac Z, lac Y e lac A. A principal função dos genes estruturais é controlar a síntese de proteínas através do ARN mensageiro. A função desses genes é a seguinte.

    Ele codifica a enzima beta-galactosidase, que catalisa a quebra da lactose em glicose e galactose.

    Ele codifica a enzima galactosidase permease, que permite a entrada da lactose do meio na célula bacteriana.

    Ele codifica a enzima transacetilase, que transfere um grupo acetil da acetil coenzima A para a beta galactosidase.

    Os três genes estruturais acima estão sob o controle do gene promotor [designado P]. No promotor, a RNA polimerase se liga ao DNA e se prepara para iniciar a transcrição. A principal função do gene promotor é iniciar a transcrição de mRNS.

    O outro elemento regulador em um operon é o operador (designado O). Este é o elemento que determina se os genes do operon são transcritos ou não. A principal função do gene operador é controlar a função dos genes estruturais.

    Isso é denominado I. É expresso o tempo todo, ou constitutivamente, e desempenha um papel importante na função do operon. Este é o gene lac I, que codifica uma proteína chamada repressor lac. O repressor lac tem dois domínios ou regiões funcionais: um que se liga ao DNA da região operadora e outro que se liga à lactose.

    Quando o repressor se liga ao operador, impede que a RNA polimerase avance ao longo do operon, e a transcrição não ocorre. A regulação do operon depende de regular se o repressor se liga ou não ao operador. A função do gene regulador é dirigir a síntese do repressor, uma molécula de proteína. Sua função difere na presença e ausência de lactose, conforme discutido abaixo.

    Quando a lactose é ausente:

    Quando a lactose está ausente no ambiente, os eventos acontecem dessa forma. O gene lac I é transcrito [constitutivamente, isto é, continuamente] e o mRNA é traduzido, produzindo o repressor lac. O repressor se liga ao operador e bloqueia a RNA polimerase.

    Quando a RNA polimerase é bloqueada, não há transcrição. Assim, as enzimas para o metabolismo da lactose não são sintetizadas, porque não há lactose para metabolizar. Assim, quando a lactose está ausente, as enzimas que metabolizam a lactose não são produzidas.

    Quando a lactose está presente:

    Quando a lactose está presente no ambiente, os eventos ocorrem de forma diferente. Uma pequena quantidade de lactose entra na célula e afeta a regulação do operon. O repressor lac ainda é sintetizado. O repressor pode se ligar à lactose.

    Após se ligar à lactose, o repressor sofre uma mudança conformacional (mudança de forma). As moléculas que mudam de forma quando se ligam a outra molécula são chamadas de moléculas alostéricas. Com essa mudança, o repressor lac é incapaz de se ligar à região do operador. Portanto, a RNA polimerase não é bloqueada e é capaz de transcrever os genes do operon.

    As enzimas codificadas por esses genes são produzidas. A lac permease transporta mais lactose para a célula e a beta-galactosidase cliva a lactose em glicose e galactose. Isso pode ser posteriormente metabolizado por outras enzimas, produzindo energia para a célula.

    A lactose, portanto, é capaz de induzir a síntese das enzimas necessárias ao seu metabolismo (evitando a ação do repressor). Como tal, a lactose é o indutor do operon lac. Assim, quando a lactose está ausente, as enzimas que metabolizam a lactose não são produzidas e, quando a lactose está presente, essas enzimas são produzidas.

    Mutações do Lac Operon:

    As mutações podem afetar a regulação do operon lac de diferentes maneiras, conforme indicado abaixo:

    (i) Mutação do gene lac I de tal forma que o repressor codificado não se liga mais à lactose. Nesse caso, o repressor se ligaria ao operador independentemente da presença ou ausência de lactose, e o operon nunca seria transcrito em níveis elevados.

    (ii) Mutação do gene lac I de tal forma que o repressor não mais se liga ao operador. Nesse caso, o operon nunca seria reprimido e a transcrição seria realizada continuamente. Isso é conhecido como transcrição constitutiva.

    (iii) Mutação na região do operador de tal forma que o repressor de tipo selvagem não a reconhece (o repressor reconhece a sequência de DNA específica da legião de operadores): Neste caso, não haverá ligação do repressor ao operador, e a transcrição continuará continuamente.

    Repressão Catabólica:

    A expressão do operon lac também pode ser regulada de outra maneira. A glicose é preferível à lactose como fonte de energia. Portanto, se a glicose estiver presente no ambiente, a transcrição é reduzida ou o operon lac é regulado para baixo.

    A transcrição do operon lac requer outra proteína, chamada proteína ativadora catabólica (abreviação CAP). Esta proteína CAP liga-se ao promotor lac e aumenta a transcrição. Mas isso ocorre apenas depois que o CAP se liga a uma pequena molécula chamada AMP cíclico (cAMP).

    Sem cAMP, CAP não se ligará ao promotor e não ocorrerá transcrição. Nos exemplos anteriores envolvendo o operão lac, podemos assumir que o cAMP estava presente e o complexo CAP-cAMP estava ligado ao promotor.

    O cAMP é produzido por uma enzima chamada adenil-ciclase. Na presença de glicose no ambiente, a adenil-ciclase é inibida e a produção de cAMP cai. Assim, não há cAMP para se ligar a CAP. Nesta situação, o CAP não se liga ao promotor lac e não ocorre transcrição lac.

    Dessa forma, a bactéria não produz enzimas para o metabolismo da lactose quando elas não são necessárias devido à presença de glicose. A beta-galactosidase quebra a lactose em glicose e galactose. Quando uma quantidade suficiente de lactose é metabolizada, a glicose (um dos produtos) se acumula e causa a repressão do operon lac.

    Méritos do Modelo Operon na Regulação Genética:

    1. É um modelo muito simples, mas informativo, de regulação gênica em procariotos.

    2. É um modelo muito bem conhecido de regulação gênica em procariotos.

    3. Este modelo é baseado em resultados empíricos e foi estudado em diferentes procariontes.

    4. Este modelo é de dois tipos, a saber:

    B. Operon Reprimível:

    Uma molécula de proteína que impede a transcrição é chamada de repressor e o processo de inibição da transcrição é chamado de repressão. Os operons reprimíveis são regulados pelo produto final da via metabólica e não por um reagente na via metabólica (como a lactose no operon lac).

    Um exemplo de operon reprimível é o operon Trp. Este codifica enzimas que são responsáveis ​​pela síntese do aminoácido triptofano (trp para breve). O operon trp é regulado pelo trp, que é o produto da via metabólica.

    No operon trp, o repressor trp só se liga ao operador quando o trp está presente, (oposto ao repressor lac). O repressor liga-se ao trp e sofre uma mudança conformacional [mudança de forma]. Essa mudança na forma permite que ele se ligue ao operador, bloqueando a transcrição. Como o trp é necessário para a repressão, ele é referido como um co-repressor neste sistema (em oposição à lactose ser um indutor).

    Quando trp está ausente, o repressor não se liga ao operador e ocorre a transcrição. Assim, se houver bastante trp ao redor [e não for necessário mais], a transcrição será bloqueada. Se não houver trp ao redor [precisa ser sintetizado], ocorre a transcrição. Em outras palavras, permite a produção de enzimas para a síntese de trp.

    Os operons repressíveis são organizados da mesma maneira que os operons induzíveis: há genes estruturais sob o controle de um promotor e operador, e há um gene que codifica um repressor.

    A mutação afetará a regulação do gene da seguinte forma:

    (i) mutação no gene repressor de forma que ele não se ligue mais ao trp Quando o repressor não se liga ao trp, não haverá alteração em sua estrutura e ele não se ligará ao operador e ocorrerá a transcrição.

    (ii) mutação no gene repressor de forma que ele não se ligue mais ao repressor: em tal situação a transcrição ocorrerá.

    (iii) mutação no operador de forma que não mais se ligue ao repressor: nessa situação também ocorrerá a transcrição.

    Mecanismo de Regulação Genética:

    O mecanismo de regulação gênica é de dois tipos, a saber:

    (1) Regulamentação negativa, e

    O mecanismo de regulação do gene no operon de E. coli e no operon do triptofano são discutidos abaixo:

    1. Controle Negativo:

    O primeiro interruptor no operon lac de E. coli é a proteína repressora. No controle negativo, a transcrição é controlada pela proteína repressora, que é uma proteína alostérica. A proteína repressora se liga à região operadora e impede a transcrição. Impede a transcrição, bloqueando a RNA polimerase. Assim, quando o repressor está vinculado ao operador, a transcrição é desligada.

    Assim, o interruptor liga-desliga da síntese de proteínas é governado pela posição livre ou ocupada do gene operador. Quando o operador está livre, a transcrição ocorre e quando o gene do operador é bloqueado, a transcrição é impedida. Se um isômero de lactose [alolaptose] estiver presente, ele se ligará à proteína repressora e mudará sua forma. O repressor alterado não se liga ao operador e, portanto, permite a transcrição.

    2. Controle Positivo:

    O segundo switch no operon lac de E. coli, é a proteína ativadora catabólita [CAP]. O CAP é uma proteína alostérica. O CAP se liga ao DNA e a uma pequena molécula chamada adenosina monofosfato cíclica [cAMP]. O CAP apenas se liga à região do promotor e estimula a transcrição quando o cAMP se liga ao sítio alostérico.

    A concentração de cAMP é controlada pelas concentrações de ATP. O baixo ATP leva a alto cAMP e alto ATP leva a baixo cAMP. Se E. coli está crescendo com glicose, haverá alto [ATP] e amp baixo [cAMP]. Se nenhuma glicose estiver presente, haverá um baixo [ATP] e amp alto [cAMP]

    Na ausência de glicose, [cAMP] é alto, liga-se ao CAP, que se liga à região do promotor e estimula a transcrição. Se houver glicose, [cAMP] é baixo. não se liga ao CAP, que não pode se ligar ao promotor e não permite a transcrição.

    Operon de triptofano:

    O operon triptofano [em curto operon trp] é regulado pelo trp, que é o produto da via metabólica. O operon trp contém genes que produzem 5 enzimas na via biossintética para a produção do aminoácido triptofano.

    No operon trp, o controle negativo está associado a uma proteína repressora. No entanto, a proteína repressora só se liga ao gene operador quando um efetor alostérico está ligado a ele. O triptofano é um efetor alostérico, que também é chamado de co-repressor no operon trp, a transcrição é controlada pela posição livre ou ocupada do repressor.

    Se a proteína repressora não se ligar ao gene operador, a transcrição ocorrerá. Se o triptofano estiver presente, não há necessidade de sintetizar enzimas. Em tal situação, o triptofano se liga à proteína repressora e ambos [trp e repressor] se ligam ao gene operador, impedindo a transcrição. Quando trp está ausente, o repressor não se liga ao operador e a transcrição ocorre.

    No controle negativo, a proteína repressora se liga ao DNA e interrompe a transcrição. No controle positivo, a proteína ativadora se liga ao DNA e estimula a transcrição. No sistema induzível, o efetor alostérico se liga e libera a proteína repressora do DNA, resultando na transcrição. No sistema repressível, o efetor alostérico se liga e faz com que a proteína repressora se ligue ao DNA, impedindo a transcrição.


    4. Observações finais

    Desenvolvemos um modelo matemático do trp sistema regulador de operon. Neste modelo, os seguintes mecanismos regulatórios são considerados: repressão, inibição por feedback da antranilato sintase pelo triptofano e atenuação transcricional. No entanto, alguns outros recursos são ignorados ou simplificados. Os mais importantes para nossa consideração são: Apenas uma das enzimas que participam da via catalítica da síntese do triptofano é considerada (antranilato sintase). Um único tipo de molécula repressora (o produto final do trpR operon) é levado em consideração. A concentração total (ativo + inativo) do repressor é considerada constante, apesar do fato de que o trpR operon é o feedback regulado negativamente pelo ativo TrpR, e, portanto, a síntese do trp o aorepressor aumenta quando o triptofano é limitante do crescimento. A taxa de produção de antranilato sintase é considerada metade da TrpE. Essas suposições simplificadoras são particularmente delicadas em condições de baixa concentração de triptofano, porque a síntese de moléculas aorepressoras é aumentada e a produção de trp polipeptídeos é afetado porque alguns deles têm Trp resíduos. Embora existam suposições mais simplificadoras (explicadas na Seção 2), consideramos que elas não afetam o comportamento do modelo como os anteriores. Atenção especial foi dada à estimativa dos parâmetros do modelo.

    A comparação das simulações do modelo com os resultados experimentais revela que, apesar das suposições simplificadoras, o modelo reproduz qualitativamente a resposta dinâmica da atividade enzimática da natureza, trpL29, e trpL75 culturas mutantes de E. coli quando eles são deslocados de um mínimo mais triptofano para um meio mínimo. Conforme visto nas Figs. 2–4, os valores de estado estacionário são recuperados para todas as cepas. Os tempos de relaxamento também são reproduzidos qualitativamente pelo modelo. No entanto, o tempo de relaxamento previsto pelo modelo é maior que o real no caso da cepa selvagem. Melhor concordância é observada para o trpL29 cepa mutante. No trpL75 resultados experimentais da cepa mutante, um solavanco é observado antes que o estado estacionário seja alcançado. O modelo também prevê um solavanco, mas é menor e tem duração mais curta. Todas essas diferenças entre os experimentos e os resultados do modelo podem ser causadas por suposições simplificadoras ou uma estimativa deficiente de alguns parâmetros.

    As mutações do trpL29 e trpL75 cepas foram simuladas modificando os parâmetros kp e b, respectivamente. Esses valores de parâmetros alterados podem ser verificados comparando as condições experimentais de estado estacionário com as do modelo. O modelo prevê para o trpL75 mutante que, em um meio com alto teor de triptofano, a atenuação da transcrição no estado estacionário é 4,9 vezes maior do que para a cepa selvagem. Este resultado está de acordo com os dados experimentais de Zurawski et al. (19), que observou um incremento de 5 vezes. Os mesmos autores também relatam a taxa de síntese de TrpE enzima em condições de alto triptofano. Esta taxa é 0,5 e 0,33 vezes maior do que a cepa selvagem para o trpL29 e trpL75 cepas mutantes, respectivamente. O modelo prevê taxas iguais a 0,12 e 0,023 vezes a da cepa selvagem para o trpL29 e trpL75 Deformação. Embora esses valores do modelo não concordem quantitativamente com os experimentais, eles estão na mesma direção qualitativa.

    Em conclusão, embora as comparações relatadas aqui não sejam suficientes para afirmar que o presente modelo é preciso em todos os detalhes, os resultados são suficientemente encorajadores para nos levar a buscar outras fontes de dados para comparação. Trabalhos futuros significariam uma cooperação interativa entre experimento e teoria para obter melhores estimativas de parâmetros, para testar a resposta dinâmica do modelo em diferentes circunstâncias e para melhorar a formulação do modelo.


    16.2 Regulação do gene procariótico

    Nesta seção, você explorará a seguinte questão:

    • O que são operons e quais são os papéis dos ativadores, indutores e repressores na regulação dos operons e da expressão gênica?

    Conexão para Cursos AP ®

    A regulação da expressão gênica em células procarióticas ocorre no nível transcricional. Dito de forma simples, se uma célula não transcreve a mensagem do DNA em mRNA, a tradução (síntese de proteínas) não ocorre. Os genes bacterianos são frequentemente organizados em vias ou processos comuns chamados operons para uma regulação mais coordenada da expressão. Por exemplo, em E. coli, os genes responsáveis ​​pelo metabolismo da lactose estão localizados juntos no cromossomo bacteriano. (O modelo de operon inclui vários componentes, portanto, ao estudar como o operon funciona, é útil consultar um diagrama do modelo. Consulte a Figura 16.3 e a Figura 16.4.) O operon inclui um gene regulador que codifica uma proteína repressora que se liga para o operador, o que impede a RNA polimerase de transcrever o (s) gene (s) de interesse. Um exemplo disso é visto nos genes estruturais para o metabolismo da lactose. No entanto, se o repressor for inativado, a RNA polimerase liga-se ao promotor e ocorre a transcrição dos genes estruturais.

    Existem três maneiras de controlar a transcrição de um operon: controle induzível, controle reprimível e controle ativador. o laca operon é um exemplo de controle induzível porque a presença de lactose “ativa” a transcrição dos genes para seu próprio metabolismo. o trp O operon é um exemplo de controle reprimível porque usa proteínas ligadas à sequência do operador para prevenir fisicamente a ligação da RNA polimerase. Se o triptofano não for necessário para a célula, os genes necessários para produzi-lo são desligados. O controle do ativador (tipificado pela ação da proteína ativadora do catabólito) aumenta a capacidade de ligação da RNA polimerase ao promotor. Certos genes são continuamente expressos por meio desse mecanismo regulatório.

    As informações apresentadas e os exemplos destacados na seção apoiam os conceitos delineados na Grande Ideia 3 do AP ® Biology Curriculum Framework. Os objetivos de aprendizagem listados na Estrutura do Currículo fornecem uma base transparente para o curso AP ® Biologia, uma experiência laboratorial baseada em investigação, atividades instrucionais e questões do exame AP ®. Um objetivo de aprendizagem mescla o conteúdo exigido com uma ou mais das sete práticas científicas.

    Grande Ideia 3 Os sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.
    Compreensão Duradoura 3.B A expressão da informação genética envolve mecanismos celulares e moleculares.
    Conhecimento Essencial 3.B.1 A regulação gênica resulta na expressão gênica diferencial, levando à especialização celular
    Prática de Ciências 1.4 O aluno pode usar representações e modelos para analisar situações ou resolver problemas qualitativa e quantitativamente
    Objetivo do aprendizado 3.21 O aluno pode usar representações para descrever como a regulação gênica influencia os produtos e funções celulares.
    Conhecimento Essencial 3.B.2 Uma variedade de transmissões de sinais intercelulares e intracelulares medeiam a expressão gênica.
    Prática de Ciências 1.4 O aluno pode usar representações e modelos para analisar situações ou resolver problemas qualitativa e quantitativamente.
    Objetivo do aprendizado 3.23 O aluno pode usar representações para descrever mecanismos de regulação da expressão gênica.

    Apoio ao Professor

    Ao discutir os operons com os alunos, desafie-os a pensar sobre o que aconteceria se houvesse uma mutação genética que interrompesse a função de uma das proteínas que controlam a transcrição do operon. Por exemplo, se a proteína repressora no laca O operon tem uma mutação que o impede de se ligar à lactose, então o repressor permanecerá ligado ao operador e impedirá a transcrição do operon mesmo na presença de lactose. Este vídeo descreve dois outros exemplos de mutações no laca operon.

    Apresente a regulamentação da transcrição no laca operon usando recursos visuais como este vídeo.

    O DNA dos procariotos é organizado em um cromossomo circular superenrolado na região nucleóide do citoplasma da célula. Proteínas que são necessárias para uma função específica, ou que estão envolvidas na mesma via bioquímica, são codificadas juntas em blocos chamados operons. Por exemplo, todos os genes necessários para usar a lactose como fonte de energia são codificados lado a lado na lactose (ou laca) operon.

    Em células procarióticas, existem três tipos de moléculas reguladoras que podem afetar a expressão de operons: repressores, ativadores e indutores. Repressores são proteínas que suprimem a transcrição de um gene em resposta a um estímulo externo, enquanto os ativadores são proteínas que aumentam a transcrição de um gene em resposta a um estímulo externo. Finalmente, indutores são pequenas moléculas que ativam ou reprimem a transcrição, dependendo das necessidades da célula e da disponibilidade de substrato.

    O trp Operon: Um Operon Repressor

    Bactérias como E. coli precisa de aminoácidos para sobreviver. O triptofano é um desses aminoácidos que E. coli pode ingerir do meio ambiente. E. coli também pode sintetizar triptofano usando enzimas que são codificadas por cinco genes. Esses cinco genes estão próximos um do outro no que é chamado de triptofano (trp) operon (Figura 16.3). Se o triptofano estiver presente no ambiente, então E. coli não precisa sintetizá-lo e o interruptor que controla a ativação dos genes no trp operon está desligado. No entanto, quando a disponibilidade de triptofano é baixa, o interruptor que controla o operon é ligado, a transcrição é iniciada, os genes são expressos e o triptofano é sintetizado.

    Uma sequência de DNA que codifica proteínas é chamada de região codificadora. As cinco regiões de codificação para as enzimas de biossíntese de triptofano são organizadas sequencialmente no cromossomo no operon. Imediatamente antes da região de codificação está o local de início da transcrição. Esta é a região do DNA à qual a RNA polimerase se liga para iniciar a transcrição. A sequência do promotor está a montante do local de início da transcrição, cada operão tem uma sequência dentro ou perto do promotor à qual as proteínas (ativadores ou repressores) podem se ligar e regular a transcrição.

    Uma sequência de DNA chamada sequência de operador é codificada entre a região do promotor e o primeiro trp gene codificador. Este operador contém o código de DNA ao qual a proteína repressora pode se ligar. Quando o triptofano está presente na célula, duas moléculas de triptofano se ligam ao trp repressor, que muda de forma para se ligar ao trp operador. A ligação do complexo repressor de triptofano no operador impede fisicamente a RNA polimerase de se ligar e transcrever os genes a jusante.

    Quando o triptofano não está presente na célula, o repressor por si só não se liga ao operador, portanto, o operon está ativo e o triptofano é sintetizado. Como a proteína repressora se liga ativamente ao operador para manter os genes desligados, o trp operon é regulado negativamente e as proteínas que se ligam ao operador para silenciar trp expressão são reguladores negativos.


    Assista o vídeo: Trp operon Attenuation Animation (Agosto 2022).