UMA operon consiste em um grupo de genes ordenados sequencialmente que se regulam mutuamente, que codificam proteínas funcionalmente relacionadas e que são encontradas em todo o genoma da bactéria e nos genomas "ancestrais"..
Esse mecanismo regulatório foi descrito por F. Jacob e J. Monod em 1961, fato que lhes rendeu o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina em 1965. Esses pesquisadores propuseram e demonstraram o funcionamento dos operons por meio dos genes que codificam as enzimas exigidas pelo Escherichia coli para o uso de lactose.
Os operons são responsáveis por coordenar a síntese protéica de acordo com as necessidades de cada célula, ou seja, eles só são expressos para gerar proteínas no momento e no local exato em que são solicitados..
Os genes contidos nos operons são geralmente genes estruturais, o que significa que eles codificam enzimas importantes que estão diretamente envolvidas nas vias metabólicas dentro da célula. Podem ser a síntese de aminoácidos, energia na forma de ATP, carboidratos, etc..
Os operons também são comumente encontrados em organismos eucarióticos; entretanto, em contraste com os organismos procarióticos, nos eucariotos a região do operon não é transcrita como uma única molécula de RNA mensageiro..
Índice do artigo
O primeiro avanço importante em relação aos operons feito por François Jacob e Jacques Monod foi enfocar o problema da “adaptação enzimática”, que consistia no aparecimento de uma enzima específica apenas quando a célula estava na presença de um substrato.
Essa resposta das células aos substratos foi observada nas bactérias por muitos anos. No entanto, os pesquisadores se perguntaram como a célula determinava exatamente qual enzima precisava sintetizar para metabolizar aquele substrato..
Jacob e Monod observaram que as células bacterianas, na presença de carboidratos semelhantes à galactose, produziram 100 vezes mais β-galactosidase do que em condições normais. Esta enzima é responsável por quebrar os β-galactosídeos para que a célula os use metabolicamente.
Assim, ambos os pesquisadores denominaram os carboidratos do tipo galactosídeo como "indutores", uma vez que eram os responsáveis por induzir um aumento na síntese de β-galactosidase..
Da mesma forma, Jacob e Monod encontraram uma região genética com três genes controlados de forma coordenada: o gene Z, que codifica a enzima β-galactosidase; o gene Y, que codifica a enzima lactose permease (transporte de galactosídeo); e o gene A, que codifica para a enzima transacetilase, que também é essencial para a assimilação de galactosídeos..
Por meio de análises genéticas subsequentes, Jacob e Monod esclareceram todos os aspectos do controle genético do operon da lactose, concluindo que o segmento dos genes Z, Y e A constitui uma única unidade genética com expressão coordenada, que foi o que eles definiram como "operon".
O modelo de operon foi descrito com precisão em 1965 por Jacob e Monod para explicar a regulação de genes que são transcritos e traduzidos para as enzimas que são necessárias em Escherichia coli a fim de metabolizar a lactose como fonte de energia.
Esses pesquisadores propuseram que os transcritos do gene ou do conjunto de genes que estão localizados consecutivamente são regulados por dois elementos: 1) um gene regulador ou gene repressor 2) e um gene operador ou sequência de operador.
O gene operador é sempre encontrado próximo ao (s) gene (s) estrutural (is) cuja expressão é responsável pela regulação, enquanto o gene repressor codifica uma proteína chamada “repressor” que se liga ao operador e impede sua transcrição..
A transcrição é reprimida quando o repressor está ligado ao gene operador. Desta forma, a expressão genética dos genes que codificam as enzimas necessárias para assimilar a lactose não é expressa e, portanto, não pode metabolizar o referido dissacarídeo..
Atualmente, sabe-se que a ligação do repressor ao operador evita, com mecanismos estéricos, que a RNA polimerase se ligue ao sítio do promotor para que comece a transcrever genes.
O sítio do promotor é o "sítio" que a RNA polimerase reconhece para se ligar e transcrever genes. Como não pode se ligar, não pode transcrever nenhum dos genes da sequência.
O gene operador encontra-se entre uma região genética da sequência conhecida como promotor e os genes estruturais. No entanto, Jacob e Monod não identificaram esta região em seu tempo.
É atualmente conhecido que a sequência completa que inclui o gene ou genes estruturais, o operador e o promotor, é em essência o que constitui um "operon".
Os operons são classificados em apenas três categorias diferentes que dependem da forma como são regulados, ou seja, alguns são expressos continuamente (constitutivos), outros precisam de alguma molécula ou fator específico para serem ativados (induzíveis) e outros são expressos continuamente até que o indutor seja expresso (reprimível).
Os três tipos de operons são:
Operons desse tipo são regulados por moléculas no ambiente, como aminoácidos, açúcares, metabólitos, etc. Essas moléculas são conhecidas como indutores. Se a molécula que atua como um indutor não for encontrada, os genes do operon não são transcritos ativamente.
Em operons induzíveis, o repressor livre se liga ao operador e impede a transcrição dos genes encontrados no operon. Quando o indutor se liga ao repressor, um complexo é formado que não pode se ligar ao repressor e, portanto, os genes do operon são traduzidos.
Esses operons dependem de moléculas específicas: aminoácidos, açúcares, cofatores ou fatores de transcrição, entre outros. São conhecidos como co-compressores e atuam de forma totalmente oposta aos indutores..
Somente quando o corepressor se liga ao repressor, a transcrição para e, portanto, a transcrição dos genes contidos no operon não ocorre. Então, a transcrição de um operon repressível só para com a presença do co-pressor.
Esses tipos de operons não são regulamentados. Eles são constantemente transcritos ativamente e, no caso de uma mutação afetar a sequência desses genes, a vida das células que os contêm pode ser afetada e, em geral, desencadear a morte celular programada..
O exemplo mais antigo e reconhecido da função de um operon é o Operon laca (lactose). Esse sistema é responsável por transformar a lactose, um dissacarídeo, nos monossacarídeos glicose e galactose. Três enzimas atuam neste processo:
- Β-galactosidase, responsável por converter lactose em glicose e galactose.
- Permease de lactose, responsável pelo transporte de lactose do meio extracelular para o interior da célula e
- Transketilase, que pertence ao sistema, mas tem uma função desconhecida
O operon trp (triptofano) de Escherichia coli controla a síntese de triptofano, tendo o ácido corísmico como precursor. Dentro desse operon estão os genes para cinco proteínas que são usadas para a produção de três enzimas:
- A primeira enzima, codificada pelos genes E e D, catalisa as duas primeiras reações da via do triptofano e é conhecida como antranilato sintetase.
- A segunda enzima é o glicerolfosfato e catalisa as etapas posteriores da antranilato sintetase.
- A terceira e última enzima é a triptofano sintetase, responsável pela produção de triptofano a partir do indol-glicerol fosfato e serina (esta enzima é um produto dos genes B e A)
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