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Regulação gênica em bactérias

Visão geral de operons, sequências de DNA reguladoras e genes reguladores. proteínas ativadoras e repressoras.

Pontos Principais:

  • Genes bacterianos são frequentemente encontrados em operons. Os genes de um operon são transcritos em grupo e possuem um promotor único.
  • Cada operon contém sequências de DNA reguladoras, as quais atuam como sítios de ligação de proteínas reguladoras que promovem ou inibem a transcrição.
  • Proteínas reguladoras muitas vezes ligam-se a pequenas moléculas, as quais podem tornar a proteína ativa ou inativa, alterando sua capacidade de se ligar a DNA.
  • Alguns operons são induzíveis, que significa que podem ser ativados na presença de uma pequena molécula em particular. Outros são repressíveis, que significa que são ativos por padrão, mas podem ser desativados por uma pequena molécula.

Introdução

Temos a tendência de achar que bactérias são simples. No entanto, mesmo a bactéria mais simples tem uma tarefa complexa quando se trata de regulação gênica! As bactérias contidas em seu intestino ou entre seus dentes têm genomas com milhares de genes diferentes. A maioria desses genes codifica proteínas, cada um com sua função própria em processos como metabolismo energético, manutenção da estrutura celular e defesa contra vírus.
Algumas dessas proteínas são requeridas rotineiramente, enquanto outras somente em determinadas circunstâncias. Portanto, as células não expressam todos os genes de seus genomas o tempo todo. Podemos pensar no genoma como um livro de receitas. A célula apenas vai utilizar as receitas (expressar os genes) que se ajustam a suas necessidades atuais.

Como a expressão gênica é regulada?

Existem muitas formas de regulação gênica, isto é, mecanismos para controlar quais genes serão expressos e em que níveis. No entanto, muito da regulação gênica acontece durante a transcrição.
As bactérias têm moléculas reguladoras específicas que controlam se um gene determinado será transcrito em RNAm. Muitas vezes, essas moléculas atuam se ligando ao DNA próximo do gene e promovendo ou bloqueando a enzima da transcrição, RNA polimerase. Vamos analisar mais de perto a maneira como os genes são regulados nas bactérias.

Em bactérias, muitas vezes os genes são encontrados em operons

Em bactérias, genes relacionados são frequentemente encontrados agrupados no cromossomo, do qual podem ser transcritos por um promotor (sítio de ligação da RNA polimerase) como uma unidade. Esse conjunto de genes sob o controle de um único promotor é conhecido como operon. Operons são comuns em bactérias, mas são raros em eucariontes como os seres humanos .
Em geral, um operon contém genes que atuam em um mesmo processo. Por exemplo, um operon bem-estudado, chamado operon lac contém genes que codificam proteínas envolvidas na absorção e no metabolismo de um açúcar em particular, a lactose. Os operons permitem que a célula expresse, com eficiência, conjuntos de genes cujos produtos são requeridos simultaneamente.

Anatomia de um operon

Os operons não são compostos somente por sequências de genes codificadoras. Em vez disso, eles também têm sequências de DNA reguladoras que controlam a transcrição do operon. Tipicamente, essas sequências são sítios de ligação para proteínas reguladoras, que controlam o quanto o operon é transcrito. O promotor, ou sítio de ligação da RNA polimerase, é um exemplo de uma sequência reguladora de DNA.
A maioria do operons apresenta outras sequências de DNA reguladoras além do promotor. Essas sequências são sítios de ligação de proteínas reguladoras que "ativam" ou "desativam" a expressão do operon.
  • Algumas proteínas reguladoras são repressoras que se ligam a segmentos do DNA chamados operadores. Quando ligado a seu operador, o repressor reduz a transcrição (por exemplo, impedindo a RNA polimerase de avançar sobre o DNA).
  • Algumas proteínas reguladoras são ativadores. Quando um ativador se liga a seu sítio de ligação, ele aumenta a transcrição do operon (por exemplo, ajudando a RNA polimerase a se ligar ao promotor).
De onde vêm as proteínas reguladoras? Assim como qualquer outra proteína produzida no organismo, elas são codificadas em genes presentes no genoma bacteriano. Os genes que codificam proteínas reguladoras são, algumas vezes, chamados de genes reguladores.
Muitas proteínas reguladoras podem ser "ativadas" ou "inativadas" por pequenas moléculas específicas. A pequena molécula se liga a proteína, alterando sua conformação e sua capacidade de se ligar a DNA. Por exemplo, um ativador pode se tornar ativo (capaz de se ligar a DNA) somente quando está ligado a uma determinada molécula.

Operons podem ser induzíveis ou repressíveis

Alguns operons estão geralmente inativados, mas podem ser ativados por uma pequena molécula. Essa molécula é chamada de indutor, e do operon é dito ser induzível.
  • Por exemplo, o operon lac é um operon induzível que codifica enzimas para o metabolismo do açúcar lactose. Ele é ativado somente na presença do açúcar lactose (e outros açúcares, preferidos, estão ausentes). O indutor nesse caso é a alolactose, uma forma modificada de lactose.
Outros operons estão geralmente ativados, mas podem ser inativados por uma pequena molécula. A molécula é chamada de co-repressor, e do operon é dito ser repressível.
  • Por exemplo, o operon trp é um operon repressível que codifica enzimas para a síntese do aminoácido triptofano. Esse operon é expresso por padrão, mas pode ser reprimido quando altos níveis de triptofanos estão presentes. O co-repressor nesse caso é o triptofano.
Esses exemplos ilustram um ponto importante: que a regulação gênica permite que bactérias respondam a mudanças no meio através da alteração da expressão gênica (assim modificando o conjunto de proteínas presentes na célula).

Alguns genes e operons são expressos o tempo todo

Muitos genes desempenham funções especializadas e são expressos somente sobre condições determinadas, como descrito acima. No entanto, também existem genes cujos produtos são constantemente requeridos pela célula para manter funções essenciais. Esses genes constitutivos são expressos constantemente sob condições normais de crescimento ("constitutivamente ativados"). Genes constitutivos possuem promotores e outras sequências de DNA reguladoras que asseguram a expressão constante.

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