Mecanismos de regulação gênica em procariotos

1. Expressão gênica e regulação
gênica nos procariotos
Prof. Dr. Silvio G Monteiro

4. Bactérias

6. Estrutura do DNA e
expressão gênica
A estrutura protéica é variada, complexa e difícil de predizer a
partir da seqüência de aminoácidos dos polipeptídeos
Nível de
Estrutura
Definição Comentário
Primária Seqüência linear de aminoácidos do polipeptídeo Grande variação de tamanho
Secundária Trajetória espacial do arcabouço polipeptídico Pode variar localizadamente:
α-hélice, folha β pregueada etc
Terciária Estrutura tridimensional geral do polipeptídeo Pode variar muito:
globular, em barra, em tubo etc
Quaternária Estrutura geral de uma proteína multimérica, ou seja,
com combinação de subunidades
Frequentemente estabilizada
através de pontes dissulfito e
por ligações com ligantes etc

7. Estrutura do DNA e
expressão gênica
A estrutura protéica é variada, complexa e difícil de predizer a
partir da seqüência de aminoácidos dos polipeptídeos
Pontes de hidrogênio na estrutura
secundária do polipetídeo
α-hélice Folha β pregueada

8. Estrutura do DNA e
expressão gênica
A estrutura protéica é variada, complexa e difícil de predizer a
partir da seqüência de aminoácidos dos polipeptídeos
Pontes dissulfeto intra e inter-
cadeias na insulina humana

11. Variantes podem surgir
espontaneamente ou pela
ação de fatores químicos ou
físicos
Mutantes resistentes
crescendo dentro de uma
zona de inibição

12. Isolamento de mutantes
Meio completo Meio mínimo
Plaqueamento em réplica: quando o fenótipo dos mutantes não é facilmente
reconhecível :

13. Conjugação

14. Experimento de
Lederberg & Tatum (1946)
Conjugação

23. Regulação da Expressão Gênica
Procariotos:
Resposta direta a variações nas condições nutricionais (genes
ativados e reprimidos)
Transcrição pode ser acoplada com a tradução (simultânea)
Eucariotos multicelulares:
Limitação na resposta direta às variações nas condições
nutricionais (células estão organizadas em tecidos e orgãos)
Transcrição ocorre em compartimento distinto da tradução
eliminando a possibilidade de acoplamento

26. O número genes bacterianos varia

29. O controle da expressão gênica
 Cada célula humana contém todo material
genético para o crescimento e desenvolvimento
de um humano
 Alguns desses genes deverão ser expressos
sempre
 Há genes que são envolvidos em processos
biquímicos vitais tais com a respiração
 Outros genes não expressos todo o tempo
 Eles são necessitam ser desligados

31. Operons
 Um operon é um grupo
de genes que são
transcritos ao mesmo
tempo
 Eles controlam
processos bioquímicos
importantes.
 São encontrados
somente em
procariotos
Jacob, Monod & Lwoff

33. Operon Lac: ~6000 bp
Operador ocupa 26bp de lacZ

34. Operon Lactose

42. As células normais de E. coli , em presença de
lactose como única fonte de carbono, produzem três
enzimas: beta-galactosidase (hidrolisa a lactose em
galactose e glicose - codificada pelo gene lacZ ),
permease dos galactosídios (favorece a passagem da
lactose através da membrana bacteriana - codificada
pelo gene lacY ) e transacetilase dos tiogalactosídios
(catalisa a transferência de um grupo acetílico da
acetil coenzima A para o acetilador tiogalactosídio -
codificada pelo gene lacA ).

43. Além dos genes responsáveis pela síntese das
enzimas envolvidas na utilização da lactose, existe
um gene (i ) que produz uma substância repressora
destinada a impedir a formação dessas enzimas,
quando elas não são necessárias. Também existe
uma região que funciona como uma sinaleira, que
sinaliza para parar ou prosseguir com a transcrição
(o) e, finalmente, uma região destinada à ligação
com a RNA-polimerase (p ). Os genes z, y e a foram
chamados de estruturais (E); o produtor do
repressor (i), de gene regulador (R); e as regiões O
e P, de operador e promotor, respectivamente. Ao
conjunto promotor-operador-genes estruturais deu-
se o nome de operon.

45. Operon lac
 O operon lac consiste de 3 genes
envolvidos no processamento da lactose
 Um desses gene é para a enzima β-
galactosidase
 Ela hidrolisa a lactose em glicose e
galactose

46. Adaptando ao meio
 E. coli pode usar glicose (monosacarídeo),
ou lactose(disacarídeo)
 Entretanto, ela primeiro precisa hidrolizar
(digeri) a lactose
 Mas a bactéria prefere usar glicose
quando pode

47. 4 situações são possíveis
1. Glicose presente e lactose ausente  a E. coli não
produz β-galactosidase.
2. Glicose presente e lactose presente  a E. coli não
produz β-galactosidase.
3. Glicose ausente e lactose ausente  a E. coli não
produz β-galactosidase.
4. Glicose ausente e lactose presente  a E. Coli
produz β-galactosidase.

48. O controle do operon lac

50. 1. Lactose ausente
 Uma proteína repressora é continuamente sintetizada. O
sítio na sequência do DNA próximo ao operon lac, é o
Sítio do operator
 A protéina repressora bloqueia o Promotor impedindo
a RNA polimerase de iniciar a transcrição
Gene
Regulator
Operon lac
Sítio
Operator
z y a
DNA
I
O
Proteína
repressora
RNA polimerase
Bloqueio

51. 2. Lactose presente
 Uma pequena quantitade de um açúcar allolactose é
formada dentro da bactéria. Ela se fixa na proteína
repressora num outro sítio ativo (sítio alostérico)
 Isso causa uma mudança na forma da proteína
repressora. Liberando o operador. A RNA polimerase
pode se ligar ao promotor
z y a
DNA
I O

52. 2. Lactose presente
 Uma pequena quantitade de um açúcar allolactose é
formada dentro da bactéria. Ela se fixa na proteína
repressora num outro sítio ativo (sítio alostérico)
 Isso causa uma mudança na forma da proteína
repressora. Liberando o operador. A RNA polimerase
pode se ligar ao promotor
Promotor
z y a
DNA
I O

53. 3. Glicose e Lactose presentes
 Isto explica como o operon lac é transcrito
somente quando a lactose está presente
 MAS….. Isso não explica por quê o
operon não é transcrito quando ambos
estão presentes.

54.  Quando glicose e lactose estão presentes a
RNA polimerase pode se ligar no promotor mas
a sua ligação é instável e falha
Promotor
z y a
DNA
I O
Proteína repressora
removida
RNA polimerase

55. 4. Glicose ausente e Lactose presente
 Outra proteína é necessária, uma proteína ativadora.
Isso estabiliza a RNA polimerase.
 A proteína ativadora somente trabalha quando a glicose
está ausente
 Nesta via a E. coli somente produz enzimas para
metabolizar outros açúcares na ausência de glicose
Promotor
z y a
DNA
I O
Transcrição
Proteína
ativadora

56. Resumo
Carbohidratos Proteína
ativadora
Proteína
Repressora
RNA
polimerase
Operon lac
+ GLICOSE
+ LACTOSE
Não se liga
ao DNA
Se desliga do
operator
Falha na
ligação do
promotor
Sem
transcrição
+ GLICOSE
- LACTOSE
Não se liga
ao DNA
Liga-se ao
operator
Bloqueiada
pelo repressor
Sem
transcrição
- GLICOSE
- LACTOSE
Se liga ao
DNA
Liga-se ao
operator
Bloqueiada
pelo repressor
Sem
transcrição
- GLICOSE
+ LACTOSE
Se liga ao
DNA
Se desliga do
operator
Se liga ao
promotor
Transcrição

64. O AMP cíclico funciona como um
alarmônio, um sinal de alarme que
a célula usa para responder ao
estresse ambiental ou nutricional.

67. OPERON LAC
http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/lacOperon/index.htm

85. Operon lac
Operon lac
X
Merozigoto ou diplóide parcial

89. Genótipo
-Galactosidase Permease
Sem Lac Lactose Sem Lac Lactose
I+ P+ O+ Z- Y+ / I- P+ O+ Z+ Y-
- + - +
I+ P- Oc Z- Y+ / I- P+ Oc Z+ Y-
+ + - -
I- P+ Oc Z+ Y- / I- P+ O+Z- Y+
+ + + +
Is P+ O+ Z+ Y+ / I+ P+ O+ Z- Y+
- - - -
I- P+ Oc Z+ Y- / I+ P+ O+ Z- Y+
+ + - +