Conteúdo principal

Operon trp

Como o repressor trp controla a regulação da expressão do gene. Inibição e atenuação.

Pontos Principais:

O operon trp, encontrado nas bactérias E. coli é um grupo de genes que codifica as enzimas biossintéticas do aminoácido triptofano.
O operon trp se expressa (torna-se "ativo") quando os níveis de triptofano estão baixos e é reprimido (torna-se "inativo") quando os níveis estão altos.
O operon trp é regulado pelo repressor trp . Quando ligado ao triptofano, o repressor trp bloqueia a expressão do operon.
A biossíntese do triptofano também é regulada pela atenuação (mecanismo baseado no acoplamento entre transcrição e tradução).

O que é operon trp ?

Bactérias tais como a Escherichia coli (um habitante amigável de nosso intestino) precisam de aminoácidos para sobreviverem—pois, assim como nós, precisam produzir proteínas. Um dos aminoácidos que elas precisam é o triptofano.

Se o triptofano estiver disponível no meio, a E. coli vai usá-lo para formar proteínas. No entanto, a E. coli também pode produzir seu próprio triptofano usando enzimas que são codificadas por cinco genes. Esses cinco genes estão localizados próximos uns aos outros e são chamados de operon trp.

Em resumo, um operon é um conjunto de genes que são transcritos sob o controle de um único promotor, resultando em um longo RNAm que contém sequências codificadoras para vários genes. O operon contém não apenas os genes, mas também as sequências reguladoras de DNA que controlam a sua expressão (incluindo os sítios promotores e de ligação de qualquer proteína repressora ou ativadora).

Para revisar passo a passo as propriedades básicas dos operons, leia o artigo visão geral da regulação gênica em bactérias.

Se o triptofano estiver presente no meio, então as bactérias E. coli não precisam sintetizá-lo, portanto a transcrição dos genes do operon trp fica "inativa". Por outro lado, quando a disponibilidade de triptofano é baixa, o operon é "ativado", os genes são transcritos, as enzimas biossintéticas são produzidas, e mais triptofano é formado.

Estrutura do operon trp

O operon trp possui cinco genes que codificam as enzimas necessárias para a biossíntese do triptofano, juntamente com um promotor (sítio de ligação da RNA polimerase) e um operador (sítio de ligação de uma proteína repressora). Os genes do operon trp são transcritos em um único RNAm.

"Ativando" e "desativando" o operon

O que faz o operador? Esse segmento de DNA é reconhecido por uma proteína reguladora chamada de repressor trp . Quando o repressor se liga ao DNA do operador, ele impede que o operon seja transcrito ao se colocar fisicamente no caminho da RNA polimerase, a enzima da transcrição.

O repressor trp nem sempre se liga ao DNA. Na verdade, ele se liga e bloqueia a transcrição somente quando o triptofano está presente. Neste caso o triptofano se liga às moléculas do repressor alterando-lhes a forma para torná-las ativas. Quando uma pequena molécula como o triptofano é capaz de ativar o repressor, ela é chamada de correpressor.

Por outro lado, quando há pouco triptofano na célula, o repressor trp fica inativo (porque não há triptofano disponível para se ligar e ativá-lo). Não ocorre a ligação com o DNA nem o bloqueio da transcrição, permitindo que o operon trp seja transcrito pela RNA polimerase.

Neste sistema, o repressor trp atua como um sensor e um interruptor. Ele detecta se o triptofano já está presente em níveis elevados, e se sim, alterna o operon para a posição "desligada", impedindo que enzimas biossintéticas sejam produzidas desnecessariamente.

Outra regulação do operon trp : atenuação

Dependendo da disciplina de seu curso ou de sua curiosidade, você pode ter ouvido falar sobre outra forma de regulação do operon trp chamada atenuação.

Assim como a regulação pelo repressor trp, a atenuação é um mecanismo para redução da expressão dos genes do operon trp quando os níveis de triptofano estão altos. No entanto, em vez de bloquear a iniciação da transcrição, a atenuação impede o término da transcrição.

Quando os níveis de triptofano estão elevados, a atenuação faz com que a RNA polimerase pare prematuramente a transcrição do operon trp. Apenas um curto RNAm é fabricado, um que não codifica enzimas da biossíntese do triptofano. A atenuação funciona através de um mecanismo que depende de acoplamento transcrição-tradução (tradução de um RNAm que ainda está em processo de transcrição).

Para entender a atenuação, vamos ampliar a região do operon trp que vimos superficialmente nas seções acima. Essa região se localiza entre o operador e o primeiro gene do operon e é chamada de líder. O líder codifica um pequeno polipeptídeo e também contém uma sequência atenuadora. O atenuador não codifica um polipeptídeo, mas quando transcrito em RNAm, ele possui regiões autocomplementares e pode formar várias estruturas em forma de grampo.

Uma vez que a RNA polimerase começa a transcrever o operon, um ribossomo pode se juntar ao transcrito ainda em formação e iniciar a tradução da região líder. O polipeptídeo codificado pela região líder é curto, de apenas

14

aminoácidos, e inclui dois resíduos de triptofanos (trp). Os triptofanos são importante porque:

Se houver muito triptofano, o ribossomo não precisa esperar muito por um RNAt transportador de triptofano, e rapidamente terminará o polipeptídeo líder.
Se houver pouco triptofano, o ribossomo fará uma parada nos códons trp (esperando por um RNAt transportador de trp) e se atrasará para terminar a tradução do líder.

Qual a importância de o ribossomo traduzir o líder rápida ou lentamente? Como mencionado acima, o líder é seguido por uma região atenuadora, que (na sua forma de RNAm) pode se parear com ela mesma para formar diferentes estruturas na forma de grampo. Uma dessas estruturas contém um sinal para terminação da transcrição, enquanto a outra não encerra a terminação (de fato, impede a formação da estrutura de grampo de terminação).

Se o ribossomo traduzir lentamente, ele pausará, e essa pausa leva a formação do anti-terminador (grampo não terminador). Esse grampo evita a formação do terminador e permite que a transcrição continue.
Níveis baixos de trp: quando não há muito triptofano disponível na célula, o ribossomo fica parado nos códons trp enquanto traduz o polipeptídeo curto no início do líder. Esta parada faz com que as regiões 2 e 3 se associem entre si na forma de grampo de cabelo. Este grampo, chamado de grampo antiterminador, impede a formação do grampo terminador (emparelhamento das regiões 3 e 4). A terminação não ocorre e a RNA polimerase continua transcrevendo, produzindo uma transcrição que inclui os genes trpE-trpA.
Se o ribossomo traduzir rapidamente, ele se soltará do RNAm depois de traduzir o peptídeo líder. Isso permite que se formem um grampo terminador e outro grampo associado, fazendo a RNA polimerase se desvincular e terminando a transcrição.
Altos níveis de trp: o ribosoma não para nos códons do trp enquanto sintetiza o polipeptídeo líder porque o trp é abundante (e portanto, há no entorno abundância de tRNAs trp-carreadores). Em vez disso, o ribossoma rapidamente sintetiza o polipeptídeo líder, atinge o códon de parada e desprende o mRNA. Isso deixa as regiões 1 e 2 livres para o pareamento, nesse ponto as regiões 3 e 4 também irão se parear e formar um grampo de cabelo exterminador. O grampo de cabelo exterminador provoca o destacamento da RNA polimerase a partir do DNA e da transcrição, finalizando aterminação. É produzido apenas um mRNA curto que é a região líder; os genes trpE-trpA nunca são transcritos.

O mecanismo pode ser complexo, mas o resultado é bastante simples. Quando o triptofano está abundante, o ribossomo se move rapidamente ao longo do líder, forma-se o grampo terminador e a transcrição do operon trp cessa. Quando o triptofano está escasso, o ribossomo se move lentamente ao longo do líder, forma-se o grampo não terminador e a transcrição do operon trp continua.

Em outras palavras, a lógica da atenuação é a mesma da regulação pelo repressor trp. Em ambos os casos, altos níveis de triptofano na célula reprimem a expressão do operon. Isso faz sentido, já que altos níveis de triptofano significam que a célula não precisa fazer mais enzimas biossintéticas para a produção adicional de triptofano.

Explore além da Khan Academy

Quer saber mais sobre o operon trp? Confira esta atividade interativa do LabXchange.

LabXchange é uma plataforma on-line gratuita de educação científica criada na Faculdade de Artes e Ciências de Harvard e apoiada pela Fundação Amgen.

Créditos:

Esse artigo é uma adaptação de "Regulação gênica procariótica," por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Acesse gratuitamente o artigo original em http://cnx.org/contents/76b4a074-d223-4ad9-8d9e-4114c74f492c@5.

O artigo adaptado está autorizado sob a licença CC BY-NC-SA 4.0

Referências:

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1143. Disponível em: http://dx.doi.org/10.1261/rna.620507.
Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1144. Disponível em: http://dx.doi.org/10.1261/rna.620507.

Referências:

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). How genetic switches work. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Disponível em: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26872/

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2002). Prokaryotic DNA-binding proteins bind specifically to regulatory sites in operons. In Biochemistry (5th ed., section 31.1). New York, NY: W. H. Freeman. Acessado em http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/.

Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protein) at the right time and place. In BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (pp. 9-13).

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Additional examples of control: Attenuation. In An introduction to genetic analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Disponível em: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22103/.

Gutierrez, R. (2009). Bio41 week 9 — Molecular biology Lectures 4-6. In Stanford Bio41.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Bacterial transcription initiation. Molecular Cell Biology (4th ed., section 10.2). New York, NY: W. H. Freeman. Disponível em: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21612/.

McClean, P. (1997). The trp operon - A repressible system. In Prokaryotic gene expression. Disponível em: https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc431/prokaryo/prokaryo3.htm.

OpenStax College, Biology. (2015, September 29). Prokaryotic gene regulation. In OpenStax CNX. Acessado em http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). The trp operon is controlled by the trp repressor. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 311-312). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription. In Campbell biology (10th ed., pp. 361-365). San Francisco, CA: Pearson.

Szouter, P. (2013). Lecture 17 - Prokaryotic regulation. In BIOL 202 Genetics. Disponível em http://www.discoveryandinnovation.com/BIOL202/notes/lecture17.html.

Tryptophan synthase. (2016, January 31). Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Tryptophan_synthase. Acesso em: 17 abril 2016

Trp operon. (2016, February 11). Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Trp_operon. Acesso: 17 abril 2016.

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1141-1154. http://dx.doi.org/10.1261/rna.620507.

Quer participar da conversa?

Entrar

Classificar por:

Nenhuma postagem por enquanto.

Você entende inglês? Clique aqui para ver mais debates na versão em inglês do site da Khan Academy.

Biologia AP

Curso: Biologia AP > Unidade 4