OPERON: DESCOBERTA, MODELO, CLASSIFICAÇÃO, EXEMPLOS - BIOLOGIA - 2025

Um operon consiste em um grupo de genes ordenados sequencialmente que regulam uns aos outros, que codificam proteínas que são funcionalmente relacionadas e que são encontradas em todo o genoma de bactérias e 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 para o enzimas requeridas pela Escherichia coli para a utilização da lactose.

Diagrama gráfico de uma fita de DNA com os genes que compõem o operon da lactose (Promotor, Operador, lacZ, lacY, lacA e terminador) (Fonte: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Os operons são responsáveis ​​por coordenar a síntese protéica de acordo com as necessidades de cada célula, ou seja, só se expressam para gerar proteínas no momento e no local exato onde são solicitadas.

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; no entanto, em contraste com os organismos procarióticos, nos eucariotos a região do operon não é transcrita como uma única molécula de RNA mensageiro.

Descoberta

O primeiro avanço importante em relação aos operons de François Jacob e Jacques Monod foi abordar o problema da "adaptação enzimática", que consistia no surgimento 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. Essa enzima é responsável por quebrar os β-galactosídeos para que a célula os use metabolicamente.

Portanto, os dois pesquisadores chamaram de "indutores" os carboidratos do tipo galactosídeo, uma vez que eram responsáveis ​​por induzir um aumento na síntese da 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 para a enzima lactose permease (transporte de galactosídeo); e o gene A, que codifica a enzima transacetilase, também essencial para a assimilação dos 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 definiram como "operon".

Modelo 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 necessárias em Escherichia coli para metabolizar a lactose como fonte de energia..

Esses pesquisadores propuseram que os transcritos do gene ou do conjunto de genes que se localizam consecutivamente são regulados por dois elementos: 1) um gene regulador ou gene repressor 2) e um gene ou sequência operadora.

O gene operador está sempre localizado próximo ao (s) gene (s) estrutural (is) cuja expressão ele é responsável por regular, 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.

Diagrama funcional do operon da lactose através de seus diferentes elementos de controle. Este é o operon “modelo” utilizado por professores de biologia para ensinar o funcionamento desses genes (Fonte: Tereseik. Trabalho derivado da imagem G3pro. Tradução para o espanhol de Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

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 os 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 fica 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.

Sabe-se agora que a sequência completa que inclui o gene ou genes estruturais, o operador e o promotor, é em essência o que constitui um "operon".

Classificação de operons

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 é expresso (reprimível).

Os três tipos de operons são:

Operon induzível

Operons deste tipo são regulados por moléculas no ambiente, como aminoácidos, açúcares, metabólitos, etc. Essas moléculas são conhecidas como indutores. Se a molécula que atua como indutora não for encontrada, os genes do operon não são transcritos ativamente.

Em operons indutíveis, o repressor livre se liga ao operador e impede a transcrição dos genes encontrados no operon. Quando o indutor se liga ao repressor, forma-se um complexo que não consegue se ligar ao repressor e, assim, os genes do operon são traduzidos.

Operon Reprimível

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 reprimível apenas para com a presença do co-pressor.

Operon constitutivo

Esses tipos de operons não são regulamentados. São constantemente transcritos ativamente e, caso alguma mutação afete a sequência desses genes, a vida das células que os contêm pode ser afetada e, em geral, desencadear a morte celular programada.

Exemplos

O exemplo mais antigo e amplamente reconhecido da função de um operon é o operon lac (lactose). Esse sistema é responsável por transformar a lactose, um dissacarídeo, nos monossacarídeos glicose e galactose. Três enzimas atuam neste processo:

- β-galactosidase, responsável pela conversão da lactose em glicose e galactose.

- Lactose permease, responsável pelo transporte da lactose do meio extracelular para o interior da célula e

- Transcetilase, 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 seu precursor. Dentro deste 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 subsequentes para 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)

Referências

1. Blumenthal, T. (2004). Operons em eucariotos. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD e Santana Calderón, A. (2000). Princípios da genética. Princípios da genética.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operons. Cellular and molecular life sciences, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Isolamento de DNA de operon lac puro. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT & Griffiths, AJ (1976). Uma introdução à análise genética. WH Freeman and Company.