Curso de Bioquimica: Regulação da expressão 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 conceito básico é que são mecanismos que regulam o processo de transcrição do DNA para sintetizar RNA mas não apenas isso Pois afinal de contas o RNA também gerará uma moléculas 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 qual é reconhe por uma RNA polimerase na qual essa RNA polimerase inicia a sua síntese a sua cópia de uma 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 ribossômico que vai gerar um produto gênico capaz de ter uma função biológica e um terminador ador é uma região gênica na qual a RNA polimerase ela encerra a sua transcrição então nós podemos ver embaixo que esse RNA

né Nós estamos mostrando o 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 most mostrando de forma mais detalhada a organização da de um gene procarioto nós podemos ver que esses genes eles 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 ele 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 ela 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 promotor operador regiões Quad ificadores com vários genes e terminador é chamada de operon os procariotos eles apresentam essa estrutura primária operon

e eles são classificados como organismos policistrônico policistrônico mais de uma proteína regulado pelo mesmo promotor os eucariotos são organismos monocistronic 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 policistrônico a célula regular quais genes serão expressos Em que momento serão expressos Qual o custo médio em termos de energia de recurso para sintetizar uma única proteína então nós temos aqui alguns dados uma proteína de mais menos 300 aminoácidos uma proteína considerada Média a necessidade de para sintetizar

essa proteína a necessidade de 1350 moléculas de ATP Além disso 16 50 átomos de carbono e 540 átomos de nitrogênio considerando que a ecole tem cerca de 4.000 genes que esses 4000 genes eles codificam aproximadamente 2000 proteínas nós podemos imaginar Então os custos necessários para que essa célula para uma única bactéria pudesse sintetizar se pudesse gastar energia Se todas as proteínas fossem necessári ao mesmo tempo Se todas fossem expressas ao mesmo tempo então o custo a regulação do custo energético já é uma informação que pode dizer por que a célula precisa regular outras informações outras

outras e razões pelas quais a célula precisa regular é que a células a célula muitas vezes são submetidas às condições diferentes do ambiente um excesso de um determinado e de um determinado composto 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 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 no momento onde tem bastante antinutriente se a célula está no 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 biossíntese muita 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 D cada proteína são concentração do RNA mensageiro muito RNA mensageiro significa muita proteína pouco RNA mensageiro significa pouca proteína então is significa se a célula expressar uma grande

continuidade de RNA mensageiro ou se esse RNA mensageiro ele 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 RN mensageiro é expresso ou melhor é sintetizado rapidamente será 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

eles determinam quantidade 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 induzível se tem muito nutriente se tem pouco nutriente se tem muito Radical Livre se tem pouco Radical Livre se precisa sintetizar se se precisa catabolizar são são genes induzível 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 ele 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 tá ligado ele inibe a transcrição Esse controle negativo ele 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 repressor se ligou a 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 ela pode ser induzida transcrição como é que vai ser induzida a transcrição através de uma outra molécula chamada de indutor esse indutor el tem afinidade pelo repressor e quando ligado ao repressor esse complexo repressor mais indutor ele se torna Inativo ele se torna incapaz de se ligar o DNA consequência disso é que a sequência ela 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 corepressor

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 cor repressor esse complexo repressor mais corre repressor sim se liga a região gênica e inibe a transcrição gênica sem esse cor repressor a transcrição gênica ocorre normalmente por isso que é uma regulação negativa ou seja um existe um repressor que inibe essa transcrição mas que ela precisa de um cor repressor ou seja ela vai ser reprimida com quando existe esse sinal molecular chamado

corre pressor a regulação positiva acontece quando o ativador ao se ligar na região gênica a ao a ser transcrita ele facilita transcrição só que ela pode ser induzida a transcrição ou pode ser reprimida a transcrição no caso de indução no caso de transcrição induzida nós temos que o ativador ele se liga Apenas quando existe uma um complexo co indutor ativador sozinho é inativo ativador mais indutor se torna ativo e portanto estimula induz a transcrição do Gene e a regulação positiva eh quando está reprimida quando a transcrição está reprimida é quando o quando o ativador o

ativador sozinho ele se liga na no no na região gênica que a qual vai transcrever mas quando complexado com corre torna esse ativador inibido então a regulação positiva porque o ativador ele vai estimular Vai induzir Vai facilitar a transcrição mas ela foi reprimida pela presença de uma molécula corre um dos exemplos de regulação da expressão de genes em procariotos é o operon laac o onac é uma região gênica responsável pela síntese de moléculas que vão metabolizar a lactose dentro de bactérias a gente tem um exemplo aí de uma bactéria que usa o operon laac que

é a ierich Colin Esse controle do operon lque ele 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 o controle positivo é realizado pelo Complexo da proteína Cap que é a proteína ativadora de catabólico catabólitos temos aí a estrutura do operon laac o operon laac ele é formado por um promotor ao qual a DNA A RNA polimerase vai se ligar uma outra região gênica chamada de laqui que vai sintetizar uma proteína repressora uma outra

região chamada região o essa região o ou região operadora na qual o repressor vai se ligar e vai regular a expressão dos genes Lax 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 eh sintetizar vai ser responsável pela expressão da proteína permease uma proteína de membrana que Vai facilitar a entrada de lactose na na membrana na no citoplasma da bactéria e o laque a que vai expressar uma trans atilas responsável pela transferência de grupamentos acetilcoa no metabolismo da lactose Então

esse operon ele funciona com ativa com a expressão constitutiva de repressor e esse repressor irá se ligar na região operadora fazendo com que os genes lac Z lac i ou lac a sejam Ou não expressos Aqui nós estamos vendo um exemplo do controle negativo do operon laac na ausência de lactose então na ausência de lactose o que que vai acontecer o eh a região gênica aqui vai expressar uma proteína repressora essa proteína repressora vai se ligar na região gênica o e mesmo com a polimerase ligada mesmo com a RN a polimerase ligada no promotor essa

transcrição ela vai ser bloqueada então com o repressor ligado na região o não há transcrição do genes z y e a E por que não há porque não há lactose esses genes eles são responsáveis pelo metabolismo pela degradação da lactose se não há lactose Não há necessidade de sintetizar de se gastar energia eh de forma eh irregular aqui embaixo nós podemos ver eh 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 corre repressor né 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 na no promotor ele vai promover a expressão dos genes Z yia por que isso vai acontecer Porque existe lactose esses genes vão metabolizar 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 a 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 ela vai estimular a atividade da dilato ciclase que consequentemente vai quebrar o ATP produzir a mp cíclico então lembrem-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 catabólitos esse complexo Cap a cíclico se liga na região próxima ao promotor da polimerase na região do

operon laac e vai induzir a RNA polimerase a transcrever os genes Então se houver diminuição de glicose a RNA polimerase do operon L é induzida a transcrever os genes que vão metabolizar a lactose já que a ausência de glicose Tem que haver uma alternativa para célula adquirir energia então nós temos aqui uma figura mostrando algumas situações Então se houver diminuição de glicose o que 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 tá ligado aqui na região operadora consequência disso é que não vai haver expressão mesmo na com uma quantidade baixa de glicose não vai haver expressão dos genes que vão metabolizar lactose por 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 que a RNA polimerase vai fazer Vai transcrever os genes que vão metabolizar a lactose mas só vai transcrever gênes que vão metabolizar a lactose Porque

existe além da ausência do repressor a presença do indutor esse indutor aqui é o Amp cíclico ligado à proteína cá outra situação se houver aumento uma alta quantidade de glicose se houver alta quantidade de glicose nós não teremos a mp cíclico consequentemente esse complexo não será formado nós temos aqui a ausência do indutor da expressão do operon lac nesse caso nós não temos lactose também então o repressor Tá 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 a alta quantidade de glicose e as células sempre preferem metabolizar glicose a qualquer outro carboidrato então quando a alta glicose mesmo 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 encontrado na ecole e esse esse operon ele é responsável pela biossíntese de moléculas de proteínas de enzimas que participam da via biossintética do triptofano triptofano é um aminoácido essencial os seres humanos não conseguem sintetizar mas microrganismos e plantas conseguem sintetizar então tem uma via

metabólica paraa síntese do triptofano vamos ver como é regulado Essa Via eh do triptofano na ecole Esse é a essa é representação do operon Trip na ecole nós temos aqui uma região chamada trp responsável pela biossíntese 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 a região terminadora a regulação do operon Trip acontece de duas formas ou ela é regulada por repressão ou é regulada por atenu vamos ver como é que acontece a regulação por repressão

inicialmente então o repressor ele é sintetizado constitutivamente entretanto esse repressor não consegue se ligar no operador de forma isolada ele precisa se complexar com um corre e qual é esse corre é o próprio triptofano Então se triptofano estiver em Altos níveis o triptofano vai se ligar no corre o Complexo repressor Mais qual repressor se liga no operador e isso impede Que haja transcrição dos genes responsáveis pela biossíntese do triptofano isso faz muito sentido se há muito triptofano para que sintetizar mais triptofano para que gastar energia na biossíntese e também na expressão das enzimas da Via

biossintética então com muito triptofano a inibição da via biossintética do do triptofano Além disso nós temos uma outra forma de regulação que é regulação por atenuação então nós podemos ver aqui que as enzimas responsáveis pela biossíntese do triptofan Elas começam a ser serem expressas aqui no nucleotídeo 162 163 é a partir daqui que começa a biossíntese do triptofano a biossíntese das enzimas que vão participar da Via metabólica da via biossintética do triptofano antes disso a célula a a ecola ela sintetiza uma região gênica que vai sin vai ser responsável pela síntese de um outro peptídio

chamado de peptídio líder lembrando que em procariotos a transcrição e a tradução elas acontecem simultaneamente Então à medida que esse RNA mensageiro ele foi transcrito El já vai sendo traduzido em proteína esse peptídio Líder ele é dividido em quatro partes representados aqui na figura parte um parte dois a parte TR e a parte 4 na região um do peptídeo líder Nós temos dois triptofanos eh adjacentes dois triptofanos seguidos isso faz com que a polimeras Ou melhor o ribossomo quando vai sintetizar esse polipeptídeo esse peptídeo ele encontre 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 paraa síntese de Proteína Se ele chegar rapidamente e a o ribossomo passar rapidamente por essa região ele vai passar pela região um vai passar pela região dois Vejam só que interessante Gente esse processo de atenuação a região dois e a região TRS são regiões complementares então elas podem formar grampos podem formar alças complementares assim como a região 3 e a região 4 então a região TR ela

pode se ligar com a 2 ou a a região TRS pode ser ligar com a 4 se o ribossomo passar rapidamente pela e pela 2 ele impede que a 2 se ligue com a TR mas não impede que a 3 se ligue com a 4 então A TR e a 4 vão formar um grampo um grampo que vai ser intransponível para o ribossomo 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 da transcrição do Gene então RNA polimerase se desliga do DNA e e termina sua transcrição e por que 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 ele Vai demorar um pouco nessa região um 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 dois e três se anel não a três e a quatro região dois e três vão se anelar quando o triptofano chegar o ribossomo ele vai transcrever o vai traduzir o restante da proteína ao chegar nesse grampo 2 e TR ele não vai encontrar dificuldade nenhuma em ultrapassar vai ultrapassar o grampo 2 e TR não houve formação do três e do quatro então isso não impede a tradução do restante da proteína consequência disso é que todas as proteínas responsáveis pela biossíntese do triptofano elas S serão serão expressas e será sintetizada isso aconteceu porque

ausência ou diminuição na concentração do do triptofano então mais uma uma vez aqui ó altos níveis de triptofano que que vai acontecer o ribossomo ele vai passar pela região 1 e dois rapidamente quando chegar na região 3 e 4 ele vai observar que houve a formação de um grampo esse grampo ele 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 baixa os níveis de triptofano e o ribossomo ele vai demorar um pouco P na região um isso vai dar

tempo para que as regiões dois e TR se anel formando esse grampo alternativo quando o triptofano chegar ele vai ultrapassar a região 2 e TR esse grampo facilmente não houve formação nem do do grampo 3 com4 e todo o restante da transcrição vai prosseguir com a síntese de todas as enzimas responsáveis pela via e de biossíntese do triptofano outras regiões atenuadores existem para diversos outros e aminoácidos como por exemplo operon da istidina nós temos uma região de peptideo líder rica em istidina se demora muito também a formação dos grampos impedindo ou não a a expressão

dos genes responsáveis pela biossíntese do do da istidina assim como feni alanina nós temos aqui o peptídeo líder da fen alanina são regiões ricas em fen alanina da treonina ricas em treonina leucina ricas em leucina nós temos esse peptideo Líder responsáveis pela biossíntese da leucina valina e isoleucina que são regiões ricas nesses aminoácidos então nós podemos ver que muitos microorganismos utilizam atenuação para regular os níveis de quais moléculas elas precisam sintetizar outro eh outro operon também importante dos microorganismos é o operon da arabinose então a arabinose ela expressa enzimas responsáveis pelo metabolismo desse outro carboidrato

da arabinose então na ausência de glicose nós temos também a necessidade ou melhor os microorganismos precisam utilizar uma alternativa energética no caso aqui podem utilizar arabinose a arabinose ela possui um gene regulador também um operador possui também eh a os as enzimas responsáveis pelo metabolismo da arabinose que é a ribulose quinase a arabinose isom e a ribulose cin fosfato isomerase como é que acontece isso então controle positivo da arabinose na ausência da arabinose na ausência da arabinose é expressa uma proteína chamada proteína arac essa proteína ara C ela se liga ou melhor dizendo na presença

de arabinose na presença de arabinose essa proteína arac se liga com a própria arabinose e esse complexo proteína C oou ara C mais arabinose se ligam na região i isso é um indutor da expressão gênica esse a ligação induz a expressão facilita portanto a ligação da RNA polimerase e expressão de todas as enzimas responsáveis pela biossíntese ou melhor responsáveis pelo metabolismo da arabinose na presente de arabinose essas enzimas essas enzimas precisam ser expressas Lembrando que se houver glicose ela vai ser inibida inibida por quê Porque a necessidade não só da ligação desse indutor mas também

a ligação da proteína Cap com o Amp CC então na presença de arabinose e ausência de glicose nós temos que a biossíntese do da que a expressão das enzimas responsáveis pelo metabolismo da arabinose elas são induzidas já na ausência de arabinose nós não temos arabinose se ligando a proteína C A proteína C se liga a região i e também se liga a região o formando esse grampo formando essa alça essa alça torna a transcrição ou melhor torna a transcrição bloqueada ela impede a transcrição desse operon Então as diferenças básicas entre a expressão de procariotos em

relação à expressão dos eucariotos é que os procariotos precisam de respostas diretas à variação das condições nutricionais o 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 eles acontecem simultaneamente isso favorece os processos de atenuação já os eucariotos multicelulares apresentam limitação na resposta direta às variações Nas condições nutricionais uma vez que as células elas 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 num compartimento e a tradução acontece em outro compartimento isso impede o acopl a possibilidade dos mecanismos de atenuação Então é isso Pessoal espero que vocês tenham gostado dessa vídeoaula se vocês tiverem alguma sugestão alguma crítica podem postar aqui nesse mesmo canal Tenha um bom dia e a até a próxima vídeoaula