• Definir o termo regulação no que se refere aos genes
  • Objectivos de aprendizagem
• Expressão dos genes
  • A regulação dos genes torna as células diferentes
  • Como é que as células "decidem" quais os genes a ativar?
  • Em resumo: Expressão dos genes
• Regulação de genes procarióticos e eucarióticos
  • Evolução da regulação dos genes

Definir o termo regulação no que se refere aos genes

Para que uma célula funcione corretamente, as proteínas necessárias têm de ser sintetizadas na altura certa. Todas as células controlam ou regulam a síntese de proteínas a partir de informação codificada no seu ADN. O processo de ativação de um gene para produzir ARN e proteínas chama-se expressão genética Quer se trate de um organismo unicelular simples ou de um organismo multicelular complexo, cada célula controla quando e como os seus genes são expressos. Para que isto aconteça, tem de haver um mecanismo que controle quando um gene é expresso para produzir ARN e proteína, qual a quantidade de proteína que é produzida e quando é altura de deixar de produzir essa proteína porque já não é necessária.

A regulação da expressão genética conserva energia e espaço. Seria necessária uma quantidade significativa de energia para que um organismo expressasse todos os genes a todo o momento, pelo que é mais eficiente em termos energéticos ativar os genes apenas quando são necessários. Além disso, a expressão de apenas um subconjunto de genes em cada célula poupa espaço, porque o ADN tem de ser desenrolado da sua estrutura firmemente enrolada para transcrever eAs células teriam de ser enormes se todas as proteínas fossem expressas em todas as células a toda a hora.

O controlo da expressão genética é extremamente complexo e as falhas neste processo são prejudiciais para a célula e podem levar ao desenvolvimento de muitas doenças, incluindo o cancro.

Objectivos de aprendizagem

• Discutir por que razão cada célula não exprime todos os seus genes
• Comparar a regulação dos genes procarióticos e eucarióticos

Expressão dos genes

Para que uma célula funcione corretamente, as proteínas necessárias têm de ser sintetizadas na altura certa. Todas as células controlam ou regulam a síntese de proteínas a partir de informação codificada no seu ADN. O processo de ativação de um gene para produzir ARN e proteínas chama-se expressão genética Quer se trate de um organismo unicelular simples ou de um organismo multicelular complexo, cada célula controla quando e como os seus genes são expressos. Para que isto aconteça, tem de haver um mecanismo que controle quando um gene é expresso para produzir ARN e proteína, qual a quantidade de proteína que é produzida e quando é altura de deixar de produzir essa proteína porque já não é necessária.

A regulação da expressão genética conserva energia e espaço. Seria necessária uma quantidade significativa de energia para que um organismo expressasse todos os genes a todo o momento, pelo que é mais eficiente em termos energéticos ativar os genes apenas quando são necessários. Além disso, a expressão de apenas um subconjunto de genes em cada célula poupa espaço, porque o ADN tem de ser desenrolado da sua estrutura firmemente enrolada para transcrever eAs células teriam de ser enormes se todas as proteínas fossem expressas em todas as células a toda a hora.

O controlo da expressão genética é extremamente complexo e as falhas neste processo são prejudiciais para a célula e podem levar ao desenvolvimento de muitas doenças, incluindo o cancro.

A regulação dos genes torna as células diferentes

Regulação dos genes Graças à regulação genética, cada tipo de célula do seu corpo tem um conjunto diferente de genes activos - apesar de quase todas as células do seu corpo conterem exatamente o mesmo ADN.tipo de célula exclusivamente especializado para fazer o seu trabalho.

Por exemplo, uma das funções do fígado é remover substâncias tóxicas como o álcool da corrente sanguínea. Para isso, as células hepáticas expressam genes que codificam subunidades (pedaços) de uma enzima chamada álcool desidrogenase. Esta enzima decompõe o álcool numa molécula não tóxica. Os neurónios no cérebro de uma pessoa não removem toxinas do corpo, por isso mantêm estes genes não expressos, ou "desligados".Da mesma forma, as células do fígado não enviam sinais usando neurotransmissores, por isso mantêm os genes dos neurotransmissores desligados (Figura 1).

Figura 1. Diferentes células têm diferentes genes "activados".

Existem muitos outros genes que são expressos de forma diferente entre as células do fígado e os neurónios (ou quaisquer dois tipos de células num organismo multicelular como o seu).

Como é que as células "decidem" quais os genes a ativar?

Há muitos factores que podem afetar os genes que uma célula expressa. Diferentes tipos de células expressam diferentes conjuntos de genes, como vimos acima. No entanto, duas células diferentes do mesmo tipo também podem ter padrões de expressão de genes diferentes, dependendo do seu ambiente e estado interno.

Em termos gerais, podemos dizer que o padrão de expressão génica de uma célula é determinado por informações provenientes tanto do interior como do exterior da célula.

• Exemplos de informações de no interior a célula: as proteínas que herdou da sua célula-mãe, se o seu ADN está danificado e a quantidade de ATP que possui.
• Exemplos de informações de no exterior a célula: sinais químicos de outras células, sinais mecânicos da matriz extracelular e níveis de nutrientes.

Como é que estas pistas ajudam uma célula a "decidir" quais os genes a expressar? As células não tomam decisões no sentido em que tu ou eu o faríamos. Em vez disso, têm vias moleculares que convertem a informação - como a ligação de um sinal químico ao seu recetor - numa alteração da expressão genética.

Um fator de crescimento é um sinal químico de uma célula vizinha que dá instruções a uma célula-alvo para crescer e se dividir. Poderíamos dizer que a célula "percebe" o fator de crescimento e "decide" dividir-se, mas como é que estes processos ocorrem realmente?

Figura 2. Fator de crescimento que estimula a divisão celular

• A célula detecta o fator de crescimento através da ligação física do fator de crescimento a uma proteína recetora na superfície da célula.
• A ligação do fator de crescimento faz com que o recetor mude de forma, desencadeando uma série de eventos químicos na célula que activam proteínas chamadas factores de transcrição.
• Os factores de transcrição ligam-se a determinadas sequências de ADN no núcleo e provocam a transcrição de genes relacionados com a divisão celular.
• Os produtos destes genes são vários tipos de proteínas que fazem com que a célula se divida (impulsionam o crescimento celular e/ou empurram a célula para a frente no ciclo celular).

Este é apenas um exemplo de como uma célula pode converter uma fonte de informação numa alteração da expressão génica. Existem muitos outros, e compreender a lógica da regulação génica é uma área de investigação em curso na biologia atual.

A sinalização dos factores de crescimento é complexa e envolve a ativação de uma variedade de alvos, incluindo factores de transcrição e proteínas de factores de não transcrição.

Em resumo: Expressão dos genes

• A regulação genética é o processo de controlo dos genes do ADN de uma célula que são expressos (utilizados para produzir um produto funcional, como uma proteína).
• Diferentes células de um organismo multicelular podem expressar conjuntos de genes muito diferentes, mesmo que contenham o mesmo ADN.
• O conjunto de genes expressos numa célula determina o conjunto de proteínas e ARNs funcionais que esta contém, conferindo-lhe as suas propriedades únicas.
• Em eucariotas como os humanos, a expressão génica envolve muitos passos e a regulação génica pode ocorrer em qualquer um desses passos. No entanto, muitos genes são regulados principalmente ao nível da transcrição.

Mostrar referências

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Regulação de genes procarióticos e eucarióticos

Para compreender a regulação da expressão génica, é necessário compreender primeiro como é que um gene codifica uma proteína funcional numa célula. Este processo ocorre tanto nas células procarióticas como nas eucarióticas, mas de formas ligeiramente diferentes.

Os organismos procarióticos são organismos unicelulares que não possuem um núcleo celular, pelo que o seu ADN flutua livremente no citoplasma da célula. Para sintetizar uma proteína, os processos de transcrição e tradução ocorrem quase em simultâneo. Quando a proteína resultante já não é necessária, a transcrição pára. Consequentemente, o principal método para controlar o tipo de proteína e a quantidade de cada proteínaA expressão de um gene numa célula procariótica é regulada pela transcrição do ADN. Todos os passos subsequentes ocorrem automaticamente. Quando é necessária mais proteína, ocorre mais transcrição. Por isso, nas células procarióticas, o controlo da expressão dos genes é feito sobretudo ao nível da transcrição.

As células eucarióticas, pelo contrário, têm organelos intracelulares que aumentam a sua complexidade. Nas células eucarióticas, o ADN está contido no núcleo da célula e aí é transcrito em ARN. O ARN recém-sintetizado é depois transportado do núcleo para o citoplasma, onde os ribossomas traduzem o ARN em proteínas. Os processos de transcrição e tradução são fisicamenteA regulação da expressão génica pode ocorrer em todas as fases do processo (Figura 1). A regulação pode ocorrer quando o ADN se desenrola e se solta dos nucleossomas para se ligar aos factores de transcrição ( epigenética ), quando o ARN é transcrito (nível transcricional), quando o ARN é processado e exportado para o citoplasma depois de ter sido transcrito ( pós-transcricional ), quando o ARN é traduzido em proteína (nível translacional), ou depois de a proteína ter sido produzida ( pós-translacional nível).

Figura 1. A transcrição e a tradução procarióticas ocorrem simultaneamente no citoplasma e a regulação ocorre a nível transcricional. A expressão dos genes eucarióticos é regulada durante a transcrição e o processamento do ARN, que ocorrem no núcleo, e durante a tradução das proteínas, que ocorre no citoplasma. Pode ocorrer uma regulação adicional através de modificações pós-traducionais deproteínas.

As diferenças na regulação da expressão génica entre procariotas e eucariotas estão resumidas na Tabela 1. A regulação da expressão génica é discutida em pormenor nos módulos seguintes.

Quadro 1: Diferenças na Regulação da Expressão Génica em Organismos Procarióticos e Eucarióticos
Organismos procarióticos	Organismos eucariotas
Falta de núcleo	Contém núcleo
O ADN encontra-se no citoplasma	O ADN está confinado ao compartimento nuclear
A transcrição do ARN e a formação de proteínas ocorrem quase simultaneamente	A transcrição do ARN ocorre antes da formação da proteína e tem lugar no núcleo. A tradução do ARN em proteína ocorre no citoplasma.
A expressão dos genes é regulada principalmente ao nível da transcrição	A expressão dos genes é regulada a vários níveis (epigenético, transcricional, nuclear, pós-transcricional, translacional e pós-tradução)

Evolução da regulação dos genes

As células procarióticas só podem regular a expressão dos genes através do controlo da quantidade de transcrição. Com a evolução das células eucarióticas, a complexidade do controlo da expressão dos genes aumentou. Por exemplo, com a evolução das células eucarióticas, surgiu a compartimentação de importantes componentes celulares e processos celulares. Formou-se uma região nuclear que contém o ADN. Transcrição e traduçãoAssim, tornou-se possível controlar a expressão dos genes através da regulação da transcrição no núcleo, mas também através do controlo dos níveis de ARN e da tradução das proteínas presentes fora do núcleo.

Alguns processos celulares surgiram da necessidade de o organismo se defender. Processos celulares, como o silenciamento de genes, desenvolveram-se para proteger a célula de infecções virais ou parasitárias. Se a célula pudesse desligar rapidamente a expressão genética durante um curto período de tempo, seria capaz de sobreviver a uma infeção quando outros organismos não o conseguiriam.sobreviver, e foi capaz de transmitir este novo desenvolvimento à descendência.