The lac Operon – an inducible system

O primeiro sistema de controle para a produção de enzimas trabalhou ao nível molecular descrevendo o controle das enzimas que são produzidas em resposta à presença da lactose de açúcar na célula E. coli. O trabalho foi realizado por Jacob e Monod, pelos quais receberam o Prêmio Nobel. O seguinte é o caminho que leva à produção de glicose e galactose.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

Proteínas everais envolvidas no metabolismo da lactose na célula de E. coli.Elas são:

  • ß-galactosidase – converte lactose em glicose e galactose
  • ß-galactoside permease – transporta lactose para a célula
  • ß-galactoside transacetylase – função desconhecida

Pesquisa com este sistema foi grandemente adicionada pela disponibilidade de mutantes constituintes. Um mutante constituinte é aquele em que o geneproduto é produzido continuamente, ou seja, não há controle sobre sua expressão. Nestes mutantes, as proteínas acima foram produzidas o tempo todo em comparação com o tipo selvagem onde as proteínas só apareceram na presença de lactose. Juntos eles formam um ópero. A estrutura genética do ópero é a seguinte.

Circuito de controle para o operon lac

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
gene do operon lac Função do gene

I

Gene para proteína repressora

P

Promotor

O

Operador

lac Z

Gene para ß-galactosidase

lac Y

Gene para ß-galactoside permease

lac A

Gene para ß-galactoside transacetylase

Operon – um conjunto de genes estruturais que são expressos como um grupo e o seu promotor e operador associado

Como é que o sistema funciona? Sem lactose na célula, a proteína repressora se liga ao operador e impede a leitura da RNA polimerase nos três genes estruturais. Com a lactose na célula, a lactose liga-se ao repressor. Isto provoca uma mudança estrutural no repressor e perde a afinidade para o operador. Assim, a RNA polimerase pode então ligar-se ao promotor e transcrever os genes estruturais. Neste sistema a lactose age como uma molécula efetor-molécula.

Molécula afetiva – uma molécula que interage com o repressor e afeta a afinidade do repressor para o operador

Com a informação acima, podemos agora prever o efeito que vários mutantes terão na expressão do gene do operon lac.

Gene mutante lac Fenótipo Mutante

I-

expressão constitutiva porque o operador nunca está fechado

O-

expressão constitutiva porque a proteína repressora não se pode ligar

P-

sem expressão do operon porque a RNA polimerase não consegue ligar

lac Z-

sem produção de glicose ou galactose a partir da lactose

lac Y-

nenhuma indução porque a lactose não será levada para a célula

Catabolite Repressão da laca Operon

Lactose não é a fonte preferida de carboidratos para E. coli. Se a lactose e a glicose estiverem presentes, a célula usará toda a glicose antes de ligar o operon lácico. Este tipo de controle é chamado de repressão catabolita. Para prevenir o metabolismo da lactose, existe um segundo nível de controle da expressão gênica. O promotor do operon lac tem dois locais de ligação. Um local é o local onde a RNA polimerase se liga. O segundo local é o local de ligação de um complexo entre a proteína catabolite ativadora (CAP) e a AMP cíclica (cAMP). A ligação do complexo CAP-cAMP ao local do promotor é necessária para a transcrição do operon lac. A presença deste complexo está intimamente associada com a presença de glicose na célula. À medida que a concentração de glicose aumenta, a quantidade de AMPc diminui. À medida que o AMPc diminui, a quantidade de complexo diminui. Esta diminuição no complexo inactiva o promotor, e o operon lac é desligado. Como o complexo CAP-cAMP é necessário para a transcrição, o complexo exerce um controle positivo sobre a expressão do operon lac.