Regulação Gênica em Procariotos

Bom dia, queridos alunos! Eu sou o professor Sérgio e, dessa vez, eu trago o assunto Regulação da Expressão Gênica em Procariotos. Então, o que seria regulação da expressão gênica? O conceito básico é que são mecanismos que regulam o processo de transcrição do DNA para sintetizar a RNA. Mas não apenas isso, pois, afinal de contas, o RNA também... gerará uma macromolécula, as proteínas. Então, são mecanismos que regulam a transcrição do DNA para sintetizar RNA e também a tradução desses para gerar proteínas. Então, isso é o conceito de regulação da expressão gênica. Então, nessa figura, nós podemos ver a estrutura de um gene procarioto. Ele é formado por um promotor, uma região gênica na... na qual é reconhecida por uma RNA polimerase, na qual essa RNA polimerase inicia a sua síntese, a sua cópia de uma molécula de RNA. Temos uma região codificadora que vai sintetizar a proteína propriamente dita, que vai sintetizar um RNA mensageiro, um RNA transportador, um RNA ribossomo, que vai gerar um produto gênico capaz de ter uma função biológica. e um terminador. O terminador é uma região gênica na qual a RNA polimerase encerra a sua transcrição. Então, nós podemos ver embaixo que esse RNA, nós estamos mostrando um RNA mensageiro, ele é simultaneamente traduzido em proteína nos procariotos. Então, o DNA é utilizado como molde para sintetizar um RNA e, simultaneamente, esse RNA já vai sendo traduzido em proteína. proteína. Mostrando de forma mais detalhada a organização de um gene prokaryoto, nós podemos ver que esses genes são organizados em operons. Então, o promotor é uma região gênica que está bem próxima de uma outra região chamada de operador. E qual a função do operador? O operador tem a função de ligar ou desligar aquele gene. A função de fazer com que o gene seja expresso em extrema velocidade ou ele seja reprimido com extrema eficiência. Nós podemos ver também que essa região codificadora, ao contrário do que acontece com os genes eucariotos, essa região codificadora expressa mais de uma proteína. Na grande maioria das vezes, proteínas relacionadas, proteínas de uma mesma via metabólica. E também... temos a região terminadora que vai fazer com que haja desligamento da RNA polimerase da sequência de DNA. O conjunto disso promotou ao operador regiões codificadoras com vários genes e terminadoras chamadas de operon. Os prokaryotos apresentam essa estrutura primária, operon, e eles são classificados como organismos policistrônicos. O que significa organismos policistrônicos? São organismos nas quais sintetizam mais de uma proteína regulada pelo mesmo promotor. Os eucariotos são organismos monocistrônicos. Cada região gênica, cada gene é regulado por um único promotor. Aqui nós temos, pelo menos, nessa figura, mostrando pelo menos três genes regulados pelo mesmo promotor. São organismos policistrônicos. Por que regular? Por que será que é interessante a célula regular quais genes serão expressos, em que momento serão expressos? Qual o custo médio em termos de energia e de recursos para sintetizar uma única proteína? Então, nós temos aqui alguns dados. Uma proteína de mais ou menos 300 aminoácidos, uma proteína considerada média. Para sintetizar essa proteína, há necessidade de 1.350 moléculas de ATP. ATP. Além disso, 1650 átomos de carbono e 540 átomos de nitrogênio. Considerando que a E. coli tem cerca de 4 mil genes, que esses 4 mil genes codificam aproximadamente 2 mil proteínas, nós podemos imaginar, então, os custos necessários para que essa célula, para uma única bactéria, pudesse sintetizar, pudesse gastar. se todas as proteínas fossem necessárias. ao mesmo tempo, se todas fossem expressas ao mesmo tempo. Então, a regulação do custo energético já é uma informação que pode dizer por que a célula precisa regular. Outras informações, outras razões pelas quais a célula precisa regular é que as células muitas vezes são submetidas às condições diferentes do ambiente. Um excesso de um determinado... de um determinado... determinado... composto que vai ser metabolizado ou escassez de um composto que precisa ser sintetizado. Então, isso vai fazer com que a célula possa regular quais genes podem ou precisam ser expressos em determinado momento. Outra pergunta é quem, quando e quanto regular. Isso vai ser respondido pela célula. Quem vai ser regulado? Quais são os genes que a célula vai precisar regular? Vai depender de quando. Se a célula está em um momento onde tem bastante nutrientes, se a célula está em um momento onde tem poucos nutrientes, se a célula precisa sintetizar, se a célula precisa catabolizar. Além de quando, quanto? Será que a célula precisa de muito nutriente, muita biosíntese, muitas reações catabólicas, precisa extrair muita energia? Então, isso vai determinar quanto do gene vai ser expresso, em que velocidade vai ser expresso. Os fatores que determinam a quantidade de cada proteína são concentração do RNA mensageiro, muito RNA mensageiro significa muita proteína, pouco RNA mensageiro significa pouca proteína. Então, isso significa se a célula expressar uma grande quantidade de RNA mensageiro, ou se esse RNA mensageiro for degradado em alta velocidade, nós teremos aí um balanço da quantidade de proteínas. Além disso... Nós também, outro fator também que determina a quantidade da proteína é a eficiência da tradução do RNA mensageiro, não só a concentração. Mas será que esse RNA mensageiro é expresso, ou melhor, é sintetizado rapidamente? Será que ele é sintetizado lentamente? Será que a proteína a qual ele gerou um produto vai ser estável? Ela vai permanecer por muito tempo? Ou será que ela vai ser degradada muito rapidamente? Então, esses fatores determinam a quantidade de proteína que uma célula vai ter em determinado momento. Baseado nisso, nós temos dois grupos de genes. Os genes chamados constitutivos, são aqueles genes que são constantemente expressos. Eles independem da condição extracelular. São genes que precisam ser expressos constantemente. E os genes ditos induzíveis. A expressão deles vai variar de acordo com as células. Se tem muito nutriente, se tem pouco nutriente, se tem muito radical livre, se tem pouco radical livre, se precisa sintetizar, se precisa catabolizar. São genes induzíveis. Então, a expressão gênica é regulada por ativadores e também por repressores. Baseado na função dos ativadores e dos repressores, nós... podemos classificar a regulação em dois grandes grupos. Aqueles que fazem um controle positivo, ou seja, quando o ativador está ligado à região gênica na qual ele vai transcrever, ele ativa a transcrição, ele facilita a transcrição. Esse controle positivo pode ser induzido ou ele pode ser reprimido. Também nós temos um controle negativo. na qual existe não um ativador, mas um repressor, que quando ele está ligado, ele inibe a transcrição. Esse controle negativo também pode ser induzido ou ele pode ser reprimido. Vamos ver cada um deles. A regulação negativa. Então, nós temos um exemplo aqui de regulação negativa, na qual um repressor se ligou a um determinado local. da região gênica que iria ser transcrita, e quando esse repressor está ligado, ele inibe a transcrição. Repressor ligado significa ausência de transcrição. Só que essa regulação negativa pode ser induzida à transcrição. Como é que vai ser induzida à transcrição? Através de uma outra molécula chamada de indutor. Esse indutor tem afinidade pelo repressor, e quando ligado ao repressor, esse complexo, o que? Repressor mais indutor, ele se torna inativo, ele se torna incapaz de se ligar ao DNA. Consequência disso é que... A sequência pode ser transcrita normalmente. Então, a regulação é negativa, mas a transcrição foi induzida pela presença de um indutor. Regulação negativa, agora reprimida, com a transcrição reprimida por um cor-repressor. Como é que acontece isso? O repressor é sintetizado, ele é capaz de se ligar... a região gênica que vai ser transcrita, mas não de forma isolada. Ele precisa se ligar antes a um correpressor. Esse complexo, repressor mais correpressor, sim, se liga à região gênica e inibe a transcrição gênica. Sem esse correpressor, a transcrição gênica ocorre normalmente. Por isso que é uma regulação negativa, ou seja, existe um repressor que inibe essa transcrição, mas que ela precisa de um correpressor. corre pressur, ou seja, ela vai ser reprimida quando existe esse sinal molecular chamado corre pressur. A regulação positiva acontece quando o ativador, ao se ligar na região gênica a ser transcrita, ele facilita a transcrição. Só que ela pode ser induzida a transcrição ou pode ser reprimida a transcrição. No caso de transcrição induzida, nós temos que o ativador se liga apenas quando existe um complexo com o indutor. O ativador sozinho é inativo, ativador mais indutor se torna ativo e, portanto, estimula, induz a transcrição do gene. E a regulação positiva, quando está reprimida, quando a transcrição está reprimida, é quando o ativador... O ativador sozinho se liga na região gênica ao qual vai transcrever, mas, quando complexado com o cor-repressor, torna esse ativador inibido. Então, é uma regulação positiva, porque o ativador vai estimular, vai induzir, vai facilitar a transcrição, mas ela foi reprimida pela presença de uma molécula cor-repressora. Um dos exemplos... de regulação da expressão de genes em prokaryotos é o operonlac. O operonlac é uma região gênica responsável pela síntese de moléculas que vão metabolizar a lactose dentro de bactérias. A gente tem um exemplo de uma bactéria que usa o operonlac, que é a Echerichia coli. Esse controle do operonlac pode ser um controle negativo, ou seja, existe um repressor, uma molécula que vai reprimir, a transcrição do gene, e um controle positivo, ou seja, que vai estimular a repressão do gene. O controle positivo é realizado pelo complexo da proteína CAP, que é a proteína ativadora de catabólico, catabólito, ligado ao AMP cíclico. Então, nós temos a estrutura do operonlac. O operonlac é formado por um promotor, ao qual a RNA... a polimerase vai se ligar. Uma outra região gênica é chamada de lac-I, que vai sintetizar uma proteína repressora. Uma outra região chamada região O, essa região O é a região operadora na qual o repressor vai se ligar e vai regular a expressão dos genes lac-Z, responsável pela síntese da galactosidase. Uma enzima que vai quebrar a ligação entre a galactose e a glicose na lactose. O LAC-I, que vai sintetizar, vai ser responsável pela expressão da proteína permease, uma proteína de membrana que vai facilitar a entrada de lactose na membrana, no citoplasma da bactéria. E o LAC-A, que vai expressar uma... transacetilase responsável pela transferência de grupamentos acetil-CoA no metabolismo da lactose. Então, esse operon funciona com a expressão constitutiva de repressor, e esse repressor irá se ligar na região operadora, fazendo com que os genes lacZ, lacI ou lacA sejam ou não expressos. Aqui nós estamos vendo um exemplo do contorno. controle negativo do operon-lac, na ausência de lactose. Então, na ausência de lactose, o que vai acontecer? A região gênica lac-I vai... expressar uma proteína repressora. Essa proteína repressora vai se ligar na região gênica O e mesmo com a polimerase ligada, mesmo com a RNA polimerase ligada no promotor, essa transcrição vai ser bloqueada. Então, com o repressor ligado na região O, não há transcrição dos genes Z, Y e A. E por que não há? Porque não há lactose. Esses genes são responsáveis pelo metabolismo, pela degradação da lactose. Se não há lactose, não há necessidade de sintetizar, de se gastar energia de forma irregular. Aqui embaixo nós podemos ver o operon-lac na presença de lactose. Então, o repressor também vai ser sintetizado, lembre-se que ele é sintetizado constitutivamente. Mas na presença de lactose, lactose vai ser um cor-repressor, a lactose vai ser uma molécula que vai se ligar nesse repressor e vai inibir esse repressor, fazendo com que esse repressor não mais se ligue na região O. A consequência disso é que a polimerase, ao se ligar no promotor, vai promover a expressão dos genes Z, Y e A. Por que isso vai acontecer? Porque existe lactose. e esses genes vão metabolizar a lactose. Então, há necessidade de serem expressos para que haja o metabolismo da lactose existente. Além do controle negativo, o operon de lactose também tem um controle positivo. E esse controle positivo acontece quando há diminuição da glicose. Lembrem-se que nenhuma célula vai metabolizar nenhum carboidrato se tiver glicose. Então, se tiver glicose, ela não vai metabolizar a lactose. Mas na ausência de glicose, ou quando a glicose estiver muito baixa, essa glicose baixa vai estimular a atividade da adenilato ciclase, que, consequentemente, vai quebrar o ATP e produzir AMP cíclico. Então, lembre-se que glicose baixa é sinônimo de alto AMP cíclico. Esse AMP cíclico vai se complexar com a proteína chamada CAP, que é a proteína ativadora de catabólico. catabólito. Esse complexo CAP-AMP cíclico se liga na região próxima ao promotor da polimerase, na região do operonlac, e vai induzir a RNA polimerase a transcrever os genes. Então, se houver diminuição de glicose, a RNA polimerase do operonlac é induzida a transcrever os genes que vão metabolizar a lactose, já que a ausência de glicose tem que haver uma alternativa. para a célula adquirir energia. Então, nós temos aqui uma figura mostrando algumas situações. Então, se houver diminuição de glicose, o que essa glicose vai fazer? Aumentar a concentração de AMP cíclico. Esse AMP cíclico vai se complexar com a proteína CAP e vai se ligar na região indutora da transcrição da lactose. Mas se houver... baixa glicose e também não houver lactose. Se não houver lactose, o repressor está ligado aqui na região operadora. A consequência disso é que não vai haver expressão, mesmo com a quantidade baixa de glicose, não vai haver expressão dos genes que vão metabolizar lactose, porque não há lactose. Entretanto, nessa situação, se for adicionada a lactose, a lactose se liga ao repressor, desliga esse repressor aqui da região operadora, O que a RNA polimerase vai fazer? Vai transcrever os genes que vão metabolizar lactose. Mas só vai transcrever os genes que vão metabolizar lactose porque existe, além da ausência do repressor, a presença do indutor. Esse indutor aqui é o AMP cíclico ligado à proteína CAP. Outra situação, se houver aumento, uma alta quantidade de glicose, se houver alta quantidade de glicose, nós não teremos AMP. em P cíclico, consequentemente, esse complexo não será formado. Nós temos aqui a ausência do indutor da expressão do operonlac. Nesse caso, nós não temos lactose também, então o repressor está ligado. Não há expressão nessa situação. Mesmo adicionando lactose, o repressor foi desligado, mas não há um indutor. Então, mesmo nessa situação, nós não temos expressão do gene, porque é alta a quantidade de glicose. E as células sempre preferem metabolizar a glicose a qualquer outro carboidrato. Então, quando há alta glicose, mesmo na pré-referência, Na presença de lactose, a célula não expressa os genes que irão metabolizar a lactose. Outro exemplo também de regulação da expressão gênica é o operon-trip. O operon-trip também é encontrado na E. coli. E esse operon é responsável pela biosíntese de moléculas, de proteínas, de enzimas que participam da via biosintética do triptofano. O triptofano é um aminoácido essencial, os seres humanos não conseguem sintetizar, mas micro-organismos e plantas conseguem sintetizar. Então, tem uma via metabólica para a síntese do triptofano. Vamos ver como é regulada essa via do triptofano na E. coli. Essa é a representação do operon-trip na E. coli. Nós temos aqui uma região chamada TRPR. responsável pela biosíntese de uma molécula repressora. Também temos o promotor e o operador ligados, são sequências adjacentes, e a sequência codificadora de cinco enzimas que irão sintetizar o triptofano. E aqui é a região terminadora. A regulação do operon triplo acontece de duas formas. Ou ela é regulada por repressão ou é regulada por atenuação. Vamos ver como é que acontece a regulação por repressão inicialmente. Então, o repressor é sintetizado constitutivamente, entretanto, esse repressor não consegue se ligar no operador de forma isolada, ele precisa se complexar com um cor-repressor. E qual é esse cor-repressor? É o próprio triptofano. Então, se o triptofano estiver em altos níveis, o triptofano vai se ligar no cor-repressor, então, o... complexo repressor mais correpressor se liga no operador e isso impede que haja transcrição dos genes responsáveis pela biosíntese do triptofano isso faz muito sentido se há muito triptofano pra que sintetizar mais triptofano pra que gastar energia na biosíntese e também na expressão das enzimas da via biosintética com muito triptofano a inibição da via biosintética do triptofano. Além disso, nós temos outra forma de regulação, que é a regulação por atenuação. Então, nós podemos ver aqui que as enzimas responsáveis pela biosíntese do triptofano começam a ser expressas aqui no nucleotídeo 162, 163. É a partir daqui que começa a biosíntese do triptofano. a biosíntese das enzimas que vão participar da via metabólica, da via biosintética do triptofano. Antes disso, a célula, a E. coli, sintetiza uma região gênica que vai sintetizar, vai ser responsável pela síntese de um outro peptídeo chamado de peptídeo líder. Lembrando que em procariotos a transcrição e a tradução acontecem simultaneamente. À medida que esse RNA mensageiro foi transcrito, ele já vai sendo traduzido em proteína. Esse peptídeo líder é dividido em quatro partes, representadas aqui na figura. Parte 1, parte 2, a parte 3 e a parte 4. Na região 1 do peptídeo líder, nós temos dois triptofanos adjacentes, dois triptofanos seguidos. Isso faz com que a polimerase, ou melhor, O ribossomo, quando vai sintetizar esse polipeptídeo, esse peptídeo, ele encontra uma região na qual ele pode passar rapidamente ou pode passar lentamente, dependendo da quantidade disponível de triptofano na célula. Se tiver muito triptofano, muito facilmente esse triptofano vai se ligar no RNA transportador e ele vai ser levado para a síntese de proteína. Se ele chegar rapidamente... e o ribossomo passa rapidamente por essa região, ele vai passar pela região 1, vai passar pela região 2. Vejam só que interessante, gente, esse processo de atenuação. A região 2 e a região 3 são regiões complementares. Elas podem formar grampos, podem formar alças complementares, assim como a região 3 e a região 4. Então, a região 3 pode se ligar com a 2, ou a região 3 pode se ligar com a 4. Se o ribossomo passar rapidamente pela 1 e pela 2, Ele impede que a 2 se ligue com a 3, mas não impede que a 3 se ligue com a 4. Então, a 3 e a 4 vão formar um grampo, um grampo que vai ser intransponível para o ribossomo. A consequência disso é que o ribossomo, ao chegar no grampo formado pelas regiões 3 e 4, ele para a tradução da proteína. A parada da tradução da proteína é o sinal para que haja também parada da... transcrição do gene. Então, a RNA polimerase se desliga do DNA e termina a sua transcrição. E por que termina a transcrição? Porque os genes que ela estava transcrevendo vão ser responsáveis por sintetizar triptofano. Mas se tem triptofano em abundância na célula, não há necessidade de se gastar energia sintetizando mais triptofano. Entretanto, se houver uma quantidade muito baixa de triptofano, O ribossomo vai demorar um pouco nessa região 1, porque a raridade do triptofano vai fazer com que haja uma lentidão na síntese do RNA transportador ligando o seu triptofano. Essa lentidão vai fazer com que as regiões 2 e 3 se anelem, não a 3 e a 4. Região 2 e 3 vão se anelar. Quando o triptofano chegar, o ribossomo vai traduzir o restante da proteína. Ao chegar nesse grampo 2 e 3, ele não vai encontrar dificuldade nenhuma em ultrapassar. Vai ultrapassar o grampo 2 e 3. Não houve formação do 3 e o 4, então isso não impede a tradução do restante da proteína. A consequência disso é que todas as proteínas responsáveis pela biosíntese do triptofano serão expressas e serão sintetizadas. Isso aconteceu porque há ausência ou diminuição na concentração do triptofano. Então, mais uma vez aqui, altos níveis de triptofano. O que vai acontecer? O ribossomo vai passar pela região 1 e 2 rapidamente. Quando chegar na região 3 e 4, ele vai observar que houve a formação de um grampo. Esse grampo vai ser intransponível. Isso vai ser um sinal para que a RNA polimerase se desligue do molde e aí não há mais tradução dessa proteína. Já abaixo, os níveis de triptofano. O ribossomo vai... demorar um pouco na região 1, isso vai dar tempo para que as regiões 2 e 3 se anelem, formando esse grampo alternativo. Quando o triptofano chegar, ele vai ultrapassar a região 2 e 3 desse grampo facilmente, não houve formação nem do grampo 3 com 4, e todo o restante da transcrição vai prosseguir com a síntese de todas as enzimas responsáveis pela via de biosíntese do triptofano. Outros... Regiões atenuadoras existem para diversos outros aminoácidos, como, por exemplo, o operon da histidina. Nós temos uma região de peptídeo líder rica em histidina. Isso demora muito também a formação dos grampos, impedindo ou não a expressão dos genes responsáveis pela biosíntese da histidina. Assim como fenioalanina, nós temos aqui o peptídeo líder da fenioalanina. São regiões ricas em fenioalanina, da treonina ricas em treonina. Leucina ricas em leucina. Nós temos esse peptídeo líder responsáveis pela biossíntese da leucina, valina e isoleucina, que são regiões ricas nesses aminoácidos. Então, nós podemos ver que muitos micro-organismos utilizam a atenuação para regular os níveis de quais moléculas elas precisam sintetizar. Outro operon também importante dos micro-organismos é o operon da arabinose. A arabinose expressa enzimas responsáveis pelo metabolismo desse outro carboidrato, da arabinose. Então, na ausência de glicose, nós temos também a necessidade, ou melhor, os micro-organismos precisam utilizar uma alternativa energética, no caso aqui, podem utilizar a arabinose. A arabinose possui um gene regulador, também um operador, possui também a... as enzimas responsáveis pelo metabolismo da arabinose, que é a ribulose quinase, a arabinose isomerase e a ribulose 5-fosfato isomerase. Como é que acontece isso? Então, o controle positivo da arabinose. Na ausência da arabinose, é expressa uma proteína chamada proteína ARA-C. Essa proteína ARA-C se liga, ou melhor dizendo, na presença de arabinose. Essa proteína ARAC se liga com a própria arabinose e esse complexo proteína C, o ARAC, mais a arabinose, se ligam na região I. Isso é um indutor da expressão gênica. Essa ligação induz a expressão, facilita, portanto, a ligação da RNA polimerase e a expressão de todas as enzimas responsáveis pela biossíntese, ou melhor, responsáveis pelo metabolismo da arabinose. Na presente arabinose, essas enzimas precisam ser expressas. Lembrando que, se houver glicose, ela vai ser inibida. Inibida por quê? porque há necessidade não só da ligação desse indutor, mas também a ligação da proteína CAP com o AMP ciclo. Então, na presença de arabinose e a ausência de glicose, nós temos que a biossíntese, que é a expressão das enzimas responsáveis pelo metabolismo da arabinose, elas são induzidas. Já na ausência da arabinose, nós não temos arabinose, se liga na proteína C, a proteína C se liga à região I e também se liga à região O. formando esse grampo, formando essa alça. Essa alça torna a transcrição bloqueada, ela impede a transcrição desse operon. Então, as diferenças básicas entre a expressão de prokaryotos em relação à expressão dos eukaryotos é que os prokaryotos precisam de respostas diretas à variação das condições nutricionais. Os genes são ativados e são reprimidos. de acordo com a necessidade imediata das condições ambientes. Outra diferença é que a transcrição pode ser acoplada com a tradução. Transcrição e tradução acontecem simultaneamente. Isso favorece os processos de atenuação. Já os eucariotos multicelulares apresentam limitação na resposta direta, as variações nas condições nutricionais, uma vez que... as células estão organizadas em tecidos, estão organizadas em órgãos, e há uma dificuldade muito maior de responder diretamente às condições nutricionais. Além disso, a transcrição ocorre em um compartimento e a tradução acontece em outro compartimento. Isso impede o acoplamento e a possibilidade dos mecanismos de atenuação. Então é isso, pessoal. Espero que vocês tenham gostado dessa videoaula. Se vocês tiverem alguma sugestão, alguma crítica... pode postar aqui nesse mesmo canal tem um bom dia e até a próxima vídeo aula

gerará uma macromolécula, as proteínas. Então, são mecanismos que regulam a transcrição do DNA para sintetizar RNA e também a tradução desses para gerar proteínas. Então, isso é o conceito de regulação da expressão gênica. Então, nessa figura, nós podemos ver a estrutura de um gene procarioto.

Ele é formado por um promotor, uma região gênica na... na qual é reconhecida por uma RNA polimerase, na qual essa RNA polimerase inicia a sua síntese, a sua cópia de uma molécula de RNA. Temos uma região codificadora que vai sintetizar a proteína propriamente dita, que vai sintetizar um RNA mensageiro, um RNA transportador, um RNA ribossomo, que vai gerar um produto gênico capaz de ter uma função biológica.

e um terminador. O terminador é uma região gênica na qual a RNA polimerase encerra a sua transcrição. Então, nós podemos ver embaixo que esse RNA, nós estamos mostrando um RNA mensageiro, ele é simultaneamente traduzido em proteína nos procariotos. Então, o DNA é utilizado como molde para sintetizar um RNA e, simultaneamente, esse RNA já vai sendo traduzido em proteína.

proteína. Mostrando de forma mais detalhada a organização de um gene prokaryoto, nós podemos ver que esses genes são organizados em operons. Então, o promotor é uma região gênica que está bem próxima de uma outra região chamada de operador. E qual a função do operador?

O operador tem a função de ligar ou desligar aquele gene. A função de fazer com que o gene seja expresso em extrema velocidade ou ele seja reprimido com extrema eficiência. Nós podemos ver também que essa região codificadora, ao contrário do que acontece com os genes eucariotos, essa região codificadora expressa mais de uma proteína.

Na grande maioria das vezes, proteínas relacionadas, proteínas de uma mesma via metabólica. E também... temos a região terminadora que vai fazer com que haja desligamento da RNA polimerase da sequência de DNA. O conjunto disso promotou ao operador regiões codificadoras com vários genes e terminadoras chamadas de operon. Os prokaryotos apresentam essa estrutura primária, operon, e eles são classificados como organismos policistrônicos.

O que significa organismos policistrônicos? São organismos nas quais sintetizam mais de uma proteína regulada pelo mesmo promotor. Os eucariotos são organismos monocistrônicos. Cada região gênica, cada gene é regulado por um único promotor.

Aqui nós temos, pelo menos, nessa figura, mostrando pelo menos três genes regulados pelo mesmo promotor. São organismos policistrônicos. Por que regular? Por que será que é interessante a célula regular quais genes serão expressos, em que momento serão expressos? Qual o custo médio em termos de energia e de recursos para sintetizar uma única proteína?

Então, nós temos aqui alguns dados. Uma proteína de mais ou menos 300 aminoácidos, uma proteína considerada média. Para sintetizar essa proteína, há necessidade de 1.350 moléculas de ATP.

ATP. Além disso, 1650 átomos de carbono e 540 átomos de nitrogênio. Considerando que a E. coli tem cerca de 4 mil genes, que esses 4 mil genes codificam aproximadamente 2 mil proteínas, nós podemos imaginar, então, os custos necessários para que essa célula, para uma única bactéria, pudesse sintetizar, pudesse gastar. se todas as proteínas fossem necessárias.

ao mesmo tempo, se todas fossem expressas ao mesmo tempo. Então, a regulação do custo energético já é uma informação que pode dizer por que a célula precisa regular. Outras informações, outras razões pelas quais a célula precisa regular é que as células muitas vezes são submetidas às condições diferentes do ambiente. Um excesso de um determinado... de um determinado...

determinado... composto que vai ser metabolizado ou escassez de um composto que precisa ser sintetizado. Então, isso vai fazer com que a célula possa regular quais genes podem ou precisam ser expressos em determinado momento.

Outra pergunta é quem, quando e quanto regular. Isso vai ser respondido pela célula. Quem vai ser regulado?

Quais são os genes que a célula vai precisar regular? Vai depender de quando. Se a célula está em um momento onde tem bastante nutrientes, se a célula está em um momento onde tem poucos nutrientes, se a célula precisa sintetizar, se a célula precisa catabolizar.

Além de quando, quanto? Será que a célula precisa de muito nutriente, muita biosíntese, muitas reações catabólicas, precisa extrair muita energia? Então, isso vai determinar quanto do gene vai ser expresso, em que velocidade vai ser expresso.

Os fatores que determinam a quantidade de cada proteína são concentração do RNA mensageiro, muito RNA mensageiro significa muita proteína, pouco RNA mensageiro significa pouca proteína. Então, isso significa se a célula expressar uma grande quantidade de RNA mensageiro, ou se esse RNA mensageiro for degradado em alta velocidade, nós teremos aí um balanço da quantidade de proteínas. Além disso...

Nós também, outro fator também que determina a quantidade da proteína é a eficiência da tradução do RNA mensageiro, não só a concentração. Mas será que esse RNA mensageiro é expresso, ou melhor, é sintetizado rapidamente? Será que ele é sintetizado lentamente?

Será que a proteína a qual ele gerou um produto vai ser estável? Ela vai permanecer por muito tempo? Ou será que ela vai ser degradada muito rapidamente? Então, esses fatores determinam a quantidade de proteína que uma célula vai ter em determinado momento. Baseado nisso, nós temos dois grupos de genes.

Os genes chamados constitutivos, são aqueles genes que são constantemente expressos. Eles independem da condição extracelular. São genes que precisam ser expressos constantemente. E os genes ditos induzíveis.

A expressão deles vai variar de acordo com as células. Se tem muito nutriente, se tem pouco nutriente, se tem muito radical livre, se tem pouco radical livre, se precisa sintetizar, se precisa catabolizar. São genes induzíveis. Então, a expressão gênica é regulada por ativadores e também por repressores. Baseado na função dos ativadores e dos repressores, nós...

podemos classificar a regulação em dois grandes grupos. Aqueles que fazem um controle positivo, ou seja, quando o ativador está ligado à região gênica na qual ele vai transcrever, ele ativa a transcrição, ele facilita a transcrição. Esse controle positivo pode ser induzido ou ele pode ser reprimido. Também nós temos um controle negativo. na qual existe não um ativador, mas um repressor, que quando ele está ligado, ele inibe a transcrição.

Esse controle negativo também pode ser induzido ou ele pode ser reprimido. Vamos ver cada um deles. A regulação negativa. Então, nós temos um exemplo aqui de regulação negativa, na qual um repressor se ligou a um determinado local. da região gênica que iria ser transcrita, e quando esse repressor está ligado, ele inibe a transcrição.

Repressor ligado significa ausência de transcrição. Só que essa regulação negativa pode ser induzida à transcrição. Como é que vai ser induzida à transcrição?

Através de uma outra molécula chamada de indutor. Esse indutor tem afinidade pelo repressor, e quando ligado ao repressor, esse complexo, o que? Repressor mais indutor, ele se torna inativo, ele se torna incapaz de se ligar ao DNA.

Consequência disso é que... A sequência pode ser transcrita normalmente. Então, a regulação é negativa, mas a transcrição foi induzida pela presença de um indutor.

Regulação negativa, agora reprimida, com a transcrição reprimida por um cor-repressor. Como é que acontece isso? O repressor é sintetizado, ele é capaz de se ligar... a região gênica que vai ser transcrita, mas não de forma isolada. Ele precisa se ligar antes a um correpressor.

Esse complexo, repressor mais correpressor, sim, se liga à região gênica e inibe a transcrição gênica. Sem esse correpressor, a transcrição gênica ocorre normalmente. Por isso que é uma regulação negativa, ou seja, existe um repressor que inibe essa transcrição, mas que ela precisa de um correpressor. corre pressur, ou seja, ela vai ser reprimida quando existe esse sinal molecular chamado corre pressur.

A regulação positiva acontece quando o ativador, ao se ligar na região gênica a ser transcrita, ele facilita a transcrição. Só que ela pode ser induzida a transcrição ou pode ser reprimida a transcrição. No caso de transcrição induzida, nós temos que o ativador se liga apenas quando existe um complexo com o indutor. O ativador sozinho é inativo, ativador mais indutor se torna ativo e, portanto, estimula, induz a transcrição do gene.

E a regulação positiva, quando está reprimida, quando a transcrição está reprimida, é quando o ativador... O ativador sozinho se liga na região gênica ao qual vai transcrever, mas, quando complexado com o cor-repressor, torna esse ativador inibido. Então, é uma regulação positiva, porque o ativador vai estimular, vai induzir, vai facilitar a transcrição, mas ela foi reprimida pela presença de uma molécula cor-repressora. Um dos exemplos... de regulação da expressão de genes em prokaryotos é o operonlac.

O operonlac é uma região gênica responsável pela síntese de moléculas que vão metabolizar a lactose dentro de bactérias. A gente tem um exemplo de uma bactéria que usa o operonlac, que é a Echerichia coli. Esse controle do operonlac pode ser um controle negativo, ou seja, existe um repressor, uma molécula que vai reprimir, a transcrição do gene, e um controle positivo, ou seja, que vai estimular a repressão do gene.

O controle positivo é realizado pelo complexo da proteína CAP, que é a proteína ativadora de catabólico, catabólito, ligado ao AMP cíclico. Então, nós temos a estrutura do operonlac. O operonlac é formado por um promotor, ao qual a RNA...

a polimerase vai se ligar. Uma outra região gênica é chamada de lac-I, que vai sintetizar uma proteína repressora. Uma outra região chamada região O, essa região O é a região operadora na qual o repressor vai se ligar e vai regular a expressão dos genes lac-Z, responsável pela síntese da galactosidase.

Uma enzima que vai quebrar a ligação entre a galactose e a glicose na lactose. O LAC-I, que vai sintetizar, vai ser responsável pela expressão da proteína permease, uma proteína de membrana que vai facilitar a entrada de lactose na membrana, no citoplasma da bactéria. E o LAC-A, que vai expressar uma... transacetilase responsável pela transferência de grupamentos acetil-CoA no metabolismo da lactose.

Então, esse operon funciona com a expressão constitutiva de repressor, e esse repressor irá se ligar na região operadora, fazendo com que os genes lacZ, lacI ou lacA sejam ou não expressos. Aqui nós estamos vendo um exemplo do contorno. controle negativo do operon-lac, na ausência de lactose.

Então, na ausência de lactose, o que vai acontecer? A região gênica lac-I vai... expressar uma proteína repressora.

Essa proteína repressora vai se ligar na região gênica O e mesmo com a polimerase ligada, mesmo com a RNA polimerase ligada no promotor, essa transcrição vai ser bloqueada. Então, com o repressor ligado na região O, não há transcrição dos genes Z, Y e A. E por que não há? Porque não há lactose.

Esses genes são responsáveis pelo metabolismo, pela degradação da lactose. Se não há lactose, não há necessidade de sintetizar, de se gastar energia de forma irregular. Aqui embaixo nós podemos ver o operon-lac na presença de lactose.

Então, o repressor também vai ser sintetizado, lembre-se que ele é sintetizado constitutivamente. Mas na presença de lactose, lactose vai ser um cor-repressor, a lactose vai ser uma molécula que vai se ligar nesse repressor e vai inibir esse repressor, fazendo com que esse repressor não mais se ligue na região O. A consequência disso é que a polimerase, ao se ligar no promotor, vai promover a expressão dos genes Z, Y e A.

Por que isso vai acontecer? Porque existe lactose. e esses genes vão metabolizar a lactose. Então, há necessidade de serem expressos para que haja o metabolismo da lactose existente.

Além do controle negativo, o operon de lactose também tem um controle positivo. E esse controle positivo acontece quando há diminuição da glicose. Lembrem-se que nenhuma célula vai metabolizar nenhum carboidrato se tiver glicose.

Então, se tiver glicose, ela não vai metabolizar a lactose. Mas na ausência de glicose, ou quando a glicose estiver muito baixa, essa glicose baixa vai estimular a atividade da adenilato ciclase, que, consequentemente, vai quebrar o ATP e produzir AMP cíclico. Então, lembre-se que glicose baixa é sinônimo de alto AMP cíclico. Esse AMP cíclico vai se complexar com a proteína chamada CAP, que é a proteína ativadora de catabólico. catabólito.

Esse complexo CAP-AMP cíclico se liga na região próxima ao promotor da polimerase, na região do operonlac, e vai induzir a RNA polimerase a transcrever os genes. Então, se houver diminuição de glicose, a RNA polimerase do operonlac é induzida a transcrever os genes que vão metabolizar a lactose, já que a ausência de glicose tem que haver uma alternativa. para a célula adquirir energia.

Então, nós temos aqui uma figura mostrando algumas situações. Então, se houver diminuição de glicose, o que essa glicose vai fazer? Aumentar a concentração de AMP cíclico. Esse AMP cíclico vai se complexar com a proteína CAP e vai se ligar na região indutora da transcrição da lactose. Mas se houver...

baixa glicose e também não houver lactose. Se não houver lactose, o repressor está ligado aqui na região operadora. A consequência disso é que não vai haver expressão, mesmo com a quantidade baixa de glicose, não vai haver expressão dos genes que vão metabolizar lactose, porque não há lactose. Entretanto, nessa situação, se for adicionada a lactose, a lactose se liga ao repressor, desliga esse repressor aqui da região operadora, O que a RNA polimerase vai fazer? Vai transcrever os genes que vão metabolizar lactose.

Mas só vai transcrever os genes que vão metabolizar lactose porque existe, além da ausência do repressor, a presença do indutor. Esse indutor aqui é o AMP cíclico ligado à proteína CAP. Outra situação, se houver aumento, uma alta quantidade de glicose, se houver alta quantidade de glicose, nós não teremos AMP. em P cíclico, consequentemente, esse complexo não será formado.

Nós temos aqui a ausência do indutor da expressão do operonlac. Nesse caso, nós não temos lactose também, então o repressor está ligado. Não há expressão nessa situação.

Mesmo adicionando lactose, o repressor foi desligado, mas não há um indutor. Então, mesmo nessa situação, nós não temos expressão do gene, porque é alta a quantidade de glicose. E as células sempre preferem metabolizar a glicose a qualquer outro carboidrato.

Então, quando há alta glicose, mesmo na pré-referência, Na presença de lactose, a célula não expressa os genes que irão metabolizar a lactose. Outro exemplo também de regulação da expressão gênica é o operon-trip. O operon-trip também é encontrado na E.

coli. E esse operon é responsável pela biosíntese de moléculas, de proteínas, de enzimas que participam da via biosintética do triptofano. O triptofano é um aminoácido essencial, os seres humanos não conseguem sintetizar, mas micro-organismos e plantas conseguem sintetizar.

Então, tem uma via metabólica para a síntese do triptofano. Vamos ver como é regulada essa via do triptofano na E. coli.

Essa é a representação do operon-trip na E. coli. Nós temos aqui uma região chamada TRPR.

responsável pela biosíntese de uma molécula repressora. Também temos o promotor e o operador ligados, são sequências adjacentes, e a sequência codificadora de cinco enzimas que irão sintetizar o triptofano. E aqui é a região terminadora.

A regulação do operon triplo acontece de duas formas. Ou ela é regulada por repressão ou é regulada por atenuação. Vamos ver como é que acontece a regulação por repressão inicialmente.

Então, o repressor é sintetizado constitutivamente, entretanto, esse repressor não consegue se ligar no operador de forma isolada, ele precisa se complexar com um cor-repressor. E qual é esse cor-repressor? É o próprio triptofano. Então, se o triptofano estiver em altos níveis, o triptofano vai se ligar no cor-repressor, então, o... complexo repressor mais correpressor se liga no operador e isso impede que haja transcrição dos genes responsáveis pela biosíntese do triptofano isso faz muito sentido se há muito triptofano pra que sintetizar mais triptofano pra que gastar energia na biosíntese e também na expressão das enzimas da via biosintética com muito triptofano a inibição da via biosintética do triptofano.

Além disso, nós temos outra forma de regulação, que é a regulação por atenuação. Então, nós podemos ver aqui que as enzimas responsáveis pela biosíntese do triptofano começam a ser expressas aqui no nucleotídeo 162, 163. É a partir daqui que começa a biosíntese do triptofano. a biosíntese das enzimas que vão participar da via metabólica, da via biosintética do triptofano.

Antes disso, a célula, a E. coli, sintetiza uma região gênica que vai sintetizar, vai ser responsável pela síntese de um outro peptídeo chamado de peptídeo líder. Lembrando que em procariotos a transcrição e a tradução acontecem simultaneamente. À medida que esse RNA mensageiro foi transcrito, ele já vai sendo traduzido em proteína.

Esse peptídeo líder é dividido em quatro partes, representadas aqui na figura. Parte 1, parte 2, a parte 3 e a parte 4. Na região 1 do peptídeo líder, nós temos dois triptofanos adjacentes, dois triptofanos seguidos. Isso faz com que a polimerase, ou melhor, O ribossomo, quando vai sintetizar esse polipeptídeo, esse peptídeo, ele encontra uma região na qual ele pode passar rapidamente ou pode passar lentamente, dependendo da quantidade disponível de triptofano na célula. Se tiver muito triptofano, muito facilmente esse triptofano vai se ligar no RNA transportador e ele vai ser levado para a síntese de proteína. Se ele chegar rapidamente...

e o ribossomo passa rapidamente por essa região, ele vai passar pela região 1, vai passar pela região 2. Vejam só que interessante, gente, esse processo de atenuação. A região 2 e a região 3 são regiões complementares. Elas podem formar grampos, podem formar alças complementares, assim como a região 3 e a região 4. Então, a região 3 pode se ligar com a 2, ou a região 3 pode se ligar com a 4. Se o ribossomo passar rapidamente pela 1 e pela 2, Ele impede que a 2 se ligue com a 3, mas não impede que a 3 se ligue com a 4. Então, a 3 e a 4 vão formar um grampo, um grampo que vai ser intransponível para o ribossomo. A consequência disso é que o ribossomo, ao chegar no grampo formado pelas regiões 3 e 4, ele para a tradução da proteína.

A parada da tradução da proteína é o sinal para que haja também parada da... transcrição do gene. Então, a RNA polimerase se desliga do DNA e termina a sua transcrição. E por que termina a transcrição? Porque os genes que ela estava transcrevendo vão ser responsáveis por sintetizar triptofano.

Mas se tem triptofano em abundância na célula, não há necessidade de se gastar energia sintetizando mais triptofano. Entretanto, se houver uma quantidade muito baixa de triptofano, O ribossomo vai demorar um pouco nessa região 1, porque a raridade do triptofano vai fazer com que haja uma lentidão na síntese do RNA transportador ligando o seu triptofano. Essa lentidão vai fazer com que as regiões 2 e 3 se anelem, não a 3 e a 4. Região 2 e 3 vão se anelar. Quando o triptofano chegar, o ribossomo vai traduzir o restante da proteína. Ao chegar nesse grampo 2 e 3, ele não vai encontrar dificuldade nenhuma em ultrapassar.

Vai ultrapassar o grampo 2 e 3. Não houve formação do 3 e o 4, então isso não impede a tradução do restante da proteína. A consequência disso é que todas as proteínas responsáveis pela biosíntese do triptofano serão expressas e serão sintetizadas. Isso aconteceu porque há ausência ou diminuição na concentração do triptofano. Então, mais uma vez aqui, altos níveis de triptofano.

O que vai acontecer? O ribossomo vai passar pela região 1 e 2 rapidamente. Quando chegar na região 3 e 4, ele vai observar que houve a formação de um grampo. Esse grampo vai ser intransponível.

Isso vai ser um sinal para que a RNA polimerase se desligue do molde e aí não há mais tradução dessa proteína. Já abaixo, os níveis de triptofano. O ribossomo vai...

demorar um pouco na região 1, isso vai dar tempo para que as regiões 2 e 3 se anelem, formando esse grampo alternativo. Quando o triptofano chegar, ele vai ultrapassar a região 2 e 3 desse grampo facilmente, não houve formação nem do grampo 3 com 4, e todo o restante da transcrição vai prosseguir com a síntese de todas as enzimas responsáveis pela via de biosíntese do triptofano. Outros...

Regiões atenuadoras existem para diversos outros aminoácidos, como, por exemplo, o operon da histidina. Nós temos uma região de peptídeo líder rica em histidina. Isso demora muito também a formação dos grampos, impedindo ou não a expressão dos genes responsáveis pela biosíntese da histidina. Assim como fenioalanina, nós temos aqui o peptídeo líder da fenioalanina.

São regiões ricas em fenioalanina, da treonina ricas em treonina. Leucina ricas em leucina. Nós temos esse peptídeo líder responsáveis pela biossíntese da leucina, valina e isoleucina, que são regiões ricas nesses aminoácidos.

Então, nós podemos ver que muitos micro-organismos utilizam a atenuação para regular os níveis de quais moléculas elas precisam sintetizar. Outro operon também importante dos micro-organismos é o operon da arabinose. A arabinose expressa enzimas responsáveis pelo metabolismo desse outro carboidrato, da arabinose. Então, na ausência de glicose, nós temos também a necessidade, ou melhor, os micro-organismos precisam utilizar uma alternativa energética, no caso aqui, podem utilizar a arabinose. A arabinose possui um gene regulador, também um operador, possui também a...

as enzimas responsáveis pelo metabolismo da arabinose, que é a ribulose quinase, a arabinose isomerase e a ribulose 5-fosfato isomerase. Como é que acontece isso? Então, o controle positivo da arabinose. Na ausência da arabinose, é expressa uma proteína chamada proteína ARA-C.

Essa proteína ARA-C se liga, ou melhor dizendo, na presença de arabinose. Essa proteína ARAC se liga com a própria arabinose e esse complexo proteína C, o ARAC, mais a arabinose, se ligam na região I. Isso é um indutor da expressão gênica. Essa ligação induz a expressão, facilita, portanto, a ligação da RNA polimerase e a expressão de todas as enzimas responsáveis pela biossíntese, ou melhor, responsáveis pelo metabolismo da arabinose.

Na presente arabinose, essas enzimas precisam ser expressas. Lembrando que, se houver glicose, ela vai ser inibida. Inibida por quê?

porque há necessidade não só da ligação desse indutor, mas também a ligação da proteína CAP com o AMP ciclo. Então, na presença de arabinose e a ausência de glicose, nós temos que a biossíntese, que é a expressão das enzimas responsáveis pelo metabolismo da arabinose, elas são induzidas. Já na ausência da arabinose, nós não temos arabinose, se liga na proteína C, a proteína C se liga à região I e também se liga à região O.

formando esse grampo, formando essa alça. Essa alça torna a transcrição bloqueada, ela impede a transcrição desse operon. Então, as diferenças básicas entre a expressão de prokaryotos em relação à expressão dos eukaryotos é que os prokaryotos precisam de respostas diretas à variação das condições nutricionais.

Os genes são ativados e são reprimidos. de acordo com a necessidade imediata das condições ambientes. Outra diferença é que a transcrição pode ser acoplada com a tradução.

Transcrição e tradução acontecem simultaneamente. Isso favorece os processos de atenuação. Já os eucariotos multicelulares apresentam limitação na resposta direta, as variações nas condições nutricionais, uma vez que...

as células estão organizadas em tecidos, estão organizadas em órgãos, e há uma dificuldade muito maior de responder diretamente às condições nutricionais. Além disso, a transcrição ocorre em um compartimento e a tradução acontece em outro compartimento. Isso impede o acoplamento e a possibilidade dos mecanismos de atenuação.

Então é isso, pessoal. Espero que vocês tenham gostado dessa videoaula. Se vocês tiverem alguma sugestão, alguma crítica... pode postar aqui nesse mesmo canal tem um bom dia e até a próxima vídeo aula

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