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Estructura y regulación génica. Profesora Marcela Saavedra A. Material genético . El material genético determina y controla las características estructurales y metabólicas de todos los seres vivos. Se transmite de una generación a otra. DNA. Material genético en procariontes.
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Estructura y regulación génica Profesora Marcela Saavedra A.
Material genético • El material genético determina y controla las características estructurales y metabólicas de todos los seres vivos. • Se transmite de una generación a otra. • DNA
Material genético en procariontes El cromosoma procariota es un filamento simple, continuo (circular) de ADN de cadena doble, con una anchura de 2 nanómetros. En Escherichia coli contiene 4,7 millones de pares de bases y cuando se extiende completamente alcanza una longitud de 1 milímetro. Una célula de E. coli mide menos de 2 micrómetros, por lo que el cromosoma es una 500 veces mayor que la misma célula. Dentro de la célula, el cromosoma se halla plegado formando una masa irregular llamada nucleoide.
DNA extra nuclear Moléculas de DNA circular también se encuentran en las mitocondrias de numerosas células eucariontes y en los cloroplastos de las plantas.
Material genético en eucariontes En eucariontes el material genético consiste en moléculas lineales de DNA no ramificadas, de diferente longitud pudiendo llegar a ser extremadamente largas (megabases) las que se encuentran unidas a un grupo de proteínas básicas llamadas histonas. Este complejo formado por el DNA y las proteínas recibe el nombre de cromatina.
Genes La información que contiene el DNA de todos los seres vivos se encuentra almacenada en unidades estructurales que se conocen con el nombre de Genes. “fragmento de DNA que contiene la información que codifica para la síntesis de una cadena polipeptídica o RNA funcional (tRNA, rRNA, mRNA)”.
Organización de los genes en el DNA La organización de los genes en el DNA presenta bastantes diferencias en procariontes y eucariontes. Ejemplo: serie de enzimas que sintetizan el aminoácido triptófano
Organización de los genes procariontes En el ADN procarionte los genes que codifican proteínas relacionadas funcionalmente se encuentran agrupados en regiones que funcionan como una unidad que se transcribe desde un sitio único y genera un ARNm codificante de numerosas proteínas.
Cada sección del ARN mensajero representa una unidad (gen) que instruye al aparato de síntesis de proteína para la construcción de una proteína particular. Este arreglo de genes en serie, funcionalmente relacionados, se llama operón, porque actúa como una unidad con un solo sitio de inicio de la transcripción para varios genes.
Operón Triptófano Es un segmento continuo del cromosoma de E. coli, que contiene 5 genes, los cuales codifican las enzimas necesarias para las distintas etapas de la síntesis de triptófano.
Transcripción El operón entero es transcrito desde un sitio del ADN y origina un largo y continuo ARNm.
Traducción La traducción de este ARNm empieza en cinco sitios distintos de inicio, uno para cada enzima distinta codificada en este ARNm. El orden de los genes en el ADN bacteriano corresponde al orden de las enzimas que catalizan las distintas etapas de síntesis del triptófano
El modelo operón fue propuesto por Jacob, Monod y Wollman basado en sus estudiosgenéticos y bioquímicos sobre las mutaciones de E. colique requieren lactosa.
Beta galactosidasa Lactosa galactosa + glucosa. E. coli crece en el medio cuando hay glucosa. Pero sino la hay y si hay lactosa, crece con lactosa. Jacob y Monod comprobaron que cuando en el medio había lactosa aumentaba la concentración intracelular de beta-galactosidasa, además se producían dos proteínas: permeasa que introduce la lactosa en el interior de la bacteria y la transacetilasa.
Componentes del operón Lac • Un gen regulador: El gen regulador codifica una proteína reguladora, llamada represor. Por ejemplo, el represor lac, codificado por el gen lac I, es la proteína reguladora del operón lac.
Componentes del operon Lac • Un operador. El operador es la región de DNA en el operón a la que se une la proteína reguladora.
Componentes del operón Lac • Un promotor. El promotor es la secuencia de DNA en el operón reconocida por la RNA polimerasa. El lugar de iniciación para la síntesis del RNA está situado inmediatamente tras el promotor.
Componentes del operón Lac • Genes estructurales. El operón contiene uno o más genes que codifican enzimas inducibles. El operón lactosa codifica las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa, incluyendo ß-galactosidasa, ß-galactósida permeasa y ß- galactósido transacetilasa.
Genes del operón Lac • Z: beta-galactosidasa • Y: permeasa • A: transacetilasa
Actividad • Existen algunos mutantes de E. colique son incapaces de regular la producción de enzimas y producen, por ejemplo, beta-galactosidasas incluso en ausencia de lactosa, o enzimas para sintetizar triptófano incluso cuando hay triptófano. ¿Qué desventaja tienes estos especímenes comparándolos con normales?
¿Cuál es el beneficio que se puede obtener de conocer la función especifica de los operones, sobre todo en el área biotecnológica medica? • Según tus conocimientos previos, ¿Cuál es la principal diferencia entre el control génico en procariontes y eucariontes?
Regulación génica En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesario regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. • Economía celular en la expresión de genes • Obtención de energía de distintas fuentes
Regulación génica La regulación de la producción de proteínas (síntesis) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en las tres etapas del dogma. En el proceso influyen proteínas reguladoras que pueden actuar como controles negativos (inhibiendo) o controles positivos (estimulando la transcripción)
Genes constitutivos Necesidades básicas para el mantenimiento normal de una célula implica la expresión continua de genes, con el fin de sintetizar proteínas necesarias (metabolismo). Su regulación conlleva que se estén expresando siempre, codificando para sistemas enzimáticos que funcionan continuamente.
Genes regulados Genes que se expresan solamente en determinadas situaciones y que, por consiguiente, codifican para enzimas que solamente se necesitan en momentos concretos, codifican para sistemas enzimáticos adaptativos, por su característica de expresarse según las condiciones del medio.
Sistemas inducibles y represibles • Sistemas inducibles:cuando el sustrato sobre el que va actuar la enzima provoca la síntesis del enzima. Al efecto del sustrato se le denomina inducción positiva. Ej. Lactosa Inductor • Sistemas represibles: cuando el producto final de la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa Ej. Triptófano Correpresor
Operón Lac sin Inductor Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor (la lactosa), la proteína represora producto del gen I se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales.
Operón Lac con Inductor En presencia del inductor (la lactosa), este se une a la proteína reguladora que cambia su conformación y se suelta de la región operadora dejando acceso libre a la ARN-polimerasa para que se una a la región promotora y se transcriban los genes estructurales. Por consiguiente, la presencia del inductor hace que se expresen los genes estructurales del operón, necesarios para metabolizar la lactosa.
para recordar…. Los tres genes estructurales del operón lactosa se transcriben juntos en un mismo ARNm, es decir que los ARN mensajeros de bacterias suelen ser policistrónicos, poligénicos o multigénicos.
Operón triptófano • Genes estructurales: cinco genes en el siguiente orden trpE-trpD-trpC-trpB-trpA. Las enzimas codificadas por estos cinco genes estructurales actúan en la ruta metabólica de síntesis del triptófano en el mismo orden en el que se encuentran los genes en el cromosoma. • Elementos de control: promotor (P) y operador (O). • Gen regulador (trpR): codifica para la proteína reguladora. Este gen se encuentra en otra región del cromosoma bacteriano aunque no muy lejos del operón. • Correpresor: triptófano.
Operón triptófano sin Correpresor En ausencia de triptófano, o cuando hay muy poco, la proteína reguladora producto del gen trpR no es capaz de unirse al operador de forma que la ARN-polimerasa puede unirse a la región promtora y se transcriben los genes del operón triptófano.
Operón triptófano con Correpresor En presencia de triptófano, el triptófano se une a la proteína reguladora o represora cambiando su conformación, de manera que ahora SI puede unirse a la región operadora y como consecuencia la ARN-polimerasa no puede unirse a la región promotora y no se transcriben los genes estructurales del operón trp.
en síntesis…. Por tanto, la diferencia esencial entre el operón lac (inducible) y el operón trp (represible), es que en este último el represor del triptófano solamente es capaz de unirse al operador cuando previamente está unido al trp.
Recordar… En bacterias, el control génico le permite a una célula ajustarse a cambios de su medio ambiente nutricional. En organismos eucariontes multicelulares, en cambio, el control de la actividad génica esta relacionado con un programa genético, que depende del desarrollo embriológico y de la diferenciación de distintos tejidos.
Regulación en eucariontes • Una célula eucariota regula las proteínas que sintetiza; • Regula el momento y la frecuencia con que un determinado gen es transcrito (control transcripcional); • Controla el procesamiento del ARNm transcrito (control de procesamiento de ARNm); • Regula las moléculas de ARNm que son exportadas del núcleo al citoplasma (control de transporte del ARNm);
Regula los ARNm que son traducidos por los ribosomas en el citoplasma (control de traducción); • Controla la vida media del ARNm (control de degradación del ARNm) • Regula la activación e inactivación de proteínas (control de la actividad de las proteínas). De todas estas etapas de regulación, la primera es la que resulta más económica para la célula. La transcripción en los eucariotas difiere de la de los procariotas en varios aspectos.
