TEMA 4 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

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1 TEMA 4 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS Necesidad de regular la expresión génica Control positivo y negativo. Sistemas enzimáticos inducibles y represibles El operón lac de E. coli Elementos que lo componen Funcionamiento del sistema ALFREDO DE BUSTOS RODRÍGUEZ 1

2 TEMA 4 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS Necesidad de regular la expresión génica Control positivo y negativo. Sistemas enzimáticos inducibles y represibles El operón lac de E. coli Elementos que lo componen Funcionamiento del sistema 2

3 ADN Gen Proceso de expresión de la información genética codificada en el ADN a través del m para dar lugar a una proteína. Cadena molde de ADN m Palabras del código de tripletes Traducción en los ribosomas Proteína met val leu ser Aminoácidos 3

4 Medio Externo Sacarosa Lactosa Sacarosa Lactosa ADN Expresión génica Enzimas Enzimas Sacarosa Lactosa Bacteria 4

5 Genes y elementos reguladores Gen: cualquier secuencia de ADN que se transcriba a una molécula de. Genes estructurales: codifican proteínas que se emplean en el metabolismo o en la biosíntesis, o que desempeñan un papel estructural en las células. Genes reguladores: cuyos productos, ya sea o proteínas, interactúan con otras secuencias y afectan su transcripción o traducción. Elementos reguladores: secuencias de ADN que no se transcriben pero que tienen un papel muy importante durante la regulación de la expresión. 5

6 TEMA 4 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS Necesidad de regular la expresión génica Control positivo y negativo. Sistemas enzimáticos inducibles y represibles El operón lac de E. coli Elementos que lo componen Funcionamiento del sistema 6

7 ADN Gen La transcripción es el principal punto de regulación de la expresión génica. Cadena molde de ADN m Palabras del código de tripletes Traducción en los ribosomas Proteína met val leu ser Aminoácidos 7

8 en procariotas (a) Componentes de la transcripción polimerasa ADN Subunidad sigma (σ) Gen Punto de inicio de la transcripción (b) Unión al molde e inicio de la transcripción Cadena acompañante Primer nucleótido Cadena molde Cadena acompañante Cadena molde naciente Heteroduplex Inserción de ribonucleótido Ribonucleótidos trifosfato (rntp) inicio de la transcripción (c) Elongación de la cadena Cadena acompañante Cadena molde Cadena de Disociación de σ Transcrito de Ribonucleótidos trifosfato (rntp) 8

9 Operón Genes estructurales polimerasa Promotor Operador Gen a Gen b Gen c m Traducción Proteínas (enzimas) Ruta metabólica Precursor X Productos intermedios Producto Y Un operón es un sistema de expresión coordinada de varios genes estructurales que actúan en una misma ruta metabólica. 9

10 Promotor polimerasa Gen regulador polimerasa Elementos en cis Elemento regulador Operón Genes estructurales Promotor Operador Gen a Gen b Gen c m m Traducción Traducción Proteínas (enzimas) Proteína reguladora Elemento en trans Ruta metabólica Precursor X Productos intermedios Producto Y Un gen regulador puede participar controlando la transcripción del operón. 10

11 En presencia de la proteína reguladora m Proteína reguladora (activador) En ausencia de la proteína reguladora Control positivo de la transcripción por parte de la proteína reguladora. 11

12 En presencia de la proteína reguladora Proteína reguladora (represor) En ausencia de la proteína reguladora Control negativo de la transcripción por parte de la proteína reguladora. m 12

13 Sistema inducible negativo Sin sustrato polimerasa Genes estructurales Promotor Regulador Promotor Operador Gen d Gen e Gen f y traducción No hay transcripción Proteína reguladora activa Con sustrato El precursor actúa como inductor polimerasa Operador Proteína reguladora activa y traducción Proteína reguladora inactiva y traducción Ruta bioquímica Sustrato Precursor Productos intermediarios Producto final Esquema de un sistema inducible negativo. 13

14 Sin sustrato Sistema reprimible negativo polimerasa Genes estructurales Promotor Regulador Promotor Operador Gen g Gen h Gen i y traducción Proteína reguladora inactiva ( represor) y traducción Proteína reguladora inactiva (represor) Ruta bioquímica Precursor Productos intermediarios Producto final (correpresor) Con sustrato Correpresor polimerasa La polimerasa no se puede unir al promotor Proteína reguladora inactiva (represor) y traducción Proteína reguladora activa (represor) No hay transcripción Esquema de un sistema reprimible negativo. 14

15 Sin sustrato Sistema inducible positivo polimerasa Genes estructurales Promotor Regulador Promotor Operador Gen j Gen k Gen l y traducción Proteína reguladora inactiva No hay transcripción Con sustrato Proteína reguladora inactiva polimerasa y traducción Proteína reguladora inactiva Proteína reguladora activa El precursor actúa como inductor Ruta bioquímica Precursor y traducción J K L Productos intermediarios Producto final Esquema de un sistema inducible positivo. 15

16 Sistema reprimible positivo Sin sustrato polimerasa Genes estructurales Promotor Regulador Promotor Operador Gen m Gen n Gen ñ y traducción Proteína reguladora activa y traducción M N Ñ Con sustrato Proteína reguladora activa El producto final se une a la proteína reguladora polimerasa Ruta bioquímica Precursor Productos intermediarios Producto final y traducción Proteína reguladora inactiva Proteína reguladora inactiva No hay transcripción Esquema de un sistema reprimible positivo 16

17 TEMA 4 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS Necesidad de regular la expresión génica Control positivo y negativo. Sistemas enzimáticos inducibles y represibles El operón lac de E. coli Elementos que lo componen Funcionamiento del sistema 17

18 Medio externo Lactosa extracelular Permeasa Membrana celular β-galactosidasa Citoplasma celular Lactosa β-galactosidasa Galactosa Glucosa Alolactosa β-galactosidasa Degradación de la lactosa en el interior celular. 18

19 Operón Lac Promotor Gen regulador (laci) Promotor (lacp) Operador (laco) Genes estructurales lacz lacy laca Promotor Gen regulador (laci) Promotor (lacp) Operador (laco) Genes estructurales lacz lacy laca Sitio de unión al operador Proteína reguladora No hay transcripción Sitio de unión a la lactosa polimerasa El operón lac es un ejemplo de sistema inducible negativo. 19

20 Promotor Operador polimerasa Cadena no molde del ADN Región -35 Región -10 Sitio de iniciación de la transcripción Represor unido al operador En el operón lac, el operador se superpone con el promotor. 20

21 Promotor Gen regulador (laci) Promotor (lacp) Operador (laco) Genes estructurales Si hay transcripción Proteína reguladora (inactiva) Traducción Lactosa (Alolactosa) β-galactosidasa Permeasa Transacetilasa La presencia de alolactosa induce la transcripción de los genes del operón lac. 21

22 Lactosa β-galactosidasa Alolactosa Lactosa extracelular Permeasa Membrana celular β-galactosidasa β-galactosidasa Galactosa Glucosa Degradación de la lactosa en el interior celular. Promotor Gen regulador (laci) Promoto r (lacp) Operado r (laco) Genes estructurales Si hay transcripción Proteína reguladora (inactiva) Traducción Alolactosa β-galactosidasa Permeasa Transacetilasa Promotor Gen regulador (laci) Promotor (lacp) Operador (laco) Genes estructurales lacz lacy laca Sitio de unión al operador Proteína reguladora No hay transcripción Sitio de unión a la lactosa polimerasa 22

23 Poca glucosa ATP ATP ATP ATP ATP ATP Adenil ciclasa polimerasa lacp laco lacz lacy laca Operón lac y traducción Enzimas β-galactosidasa Permeasa Transacetilasa Lactosa Galactosa Glucosa ATP ATP Adenil ATP ATP ATP ATP ciclasa Mucha glucosa polimerasa lacp laco lacz lacy laca Poca transcripción Represión por catabolito: el operón lac es regulado por los niveles de glucosa presentes en el medio. 23

24 ADN 1. Remodelación de la cromatina 2. Regulación de la transcripción Diferentes niveles posibles de regulación durante la expresión del material genético en eucariotas. Pre-m (transcrito primario) 3. Regulación del procesamiento del m Cap Núcleo m polia 4. Regulación del transporte Membrana nuclear Poro nuclear Citoplasma Producto proteico Traducción 6. Regulación de la traducción Ribosoma 5. Degradación del m 7. Modificación y actividad de la proteína 24

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