REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

Transcripción

1 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS

2 LOS GENES DE UN ORGANISMO NO SE EXPRESAN TODOS NI TAMPOCO CONSTANTEMENTE, EXISTEN MECANISMOS DE REGULACIÓN transcripción traducción ADN ARN Proteína replicación

3 Regulación de la Expresión Génica en Procariotas La regulación génica esta relacionada con las necesidades metabólicas. Los genes codifican para proteínas con función relacionada se organizan en grupos (policistronico) y se encuentran bajo un control coordinado. La regulación puede darse en la etapa de transcripción o en la traducción

4 Regulación de la Expresión Génica en Procariotas Las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también necesitan regular la expresión de sus genes, adaptándola a las necesidades ambientales. Regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares.

5 Cromosoma Bacteriano

6 REGULACIÓN EN PROCARIOTAS El nivel de expresión es regulado por señales ambientales. La transcripción es regulada por elementos en el DNA y proteínas que interactúan con ellos Típicamente se regula la etapa de iniciación Las bacterias tienen vías catabólicas para distintas azucares, si se expresaran todas seria un gasto energético enorme e innecesario. El cambio en la expresión demanda solo unos minutos

7 REGULACIÓN EN PROCARIOTAS

8 TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN ACOPLADA EN PROCARIOTAS

9 REGULACIÓN EN PROCARIOTAS Describen el Modelo genético del Operon Lactosa Francois Jacob Jacques Monod 1965 PREMIO NOBEL EN MEDICINA

10 OPERÓN Jacob, Monod y Wollman basado en sus estudios genéticos y bioquímicos sobre las mutaciones de E. coli que requieren lactosa. ES UN GRUPO DE GENES ESTRUCTURALES, CUYA EXPRESIÓN ESTÁ REGULADA POR LOS MISMOS ELEMENTOS DE CONTROL(PROMOTOR Y OPERADOR). ES UNAUNIDAD GENÉTICA DE EXPRESIÓN REGULADA COORDINADAMENTE.

11 COMPONENTES DEL OPERÓN PROMOTOR GENES ESTRUCTURALES P O G E G E G E OPERADOR PROMOTOR: secuencia en el ADN que es reconocida por la ARNpol antes de iniciar la transcripción OPERADOR: secuencia en el ADN que interacciona con las molecular represoras GEN ESTRUCTURAL: aquellos que codifican enzimas de una vía metabólica

12 ELEMENTOS QUE INTERACTÚAN CON EL OPERÓN GEN REGULADOR I P O G E G E G E PROTEINA REGULADORA GEN REGULADOR (I): codifica para una proteína represora REPRESOR: proteína reguladora de la expresión génica que al unirse al ADN inhibe la transcripción. Ejerce un control negativo. ACTIVADOR: proteína reguladora de la expresión génica que se une al ADN y promueve la transcripción. Ejerce un control positivo. MOLECULAS DIFUSIBLES: proteínas reguladoras, efectores e inductores.

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14 OPERÓN LACTOSA

15 GENES ESTRUCTURALES OPERÓN LAC lacy laca tiogalactósido transacetilasa (detoxificación) lacz

16 PARTES DEL OPERÓN LAC

17 OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO EL SISTEMA ESTA REPRIMIDO, NO HAY TRANSCRIPCION

18 OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO

19 OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO EL SISTEMA ESTA DESREPRIMIDO POR ACCION DEL INDUCTOR

20 OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO

21 EL CONOCIMIENTO DEL OPERON LAC FUE GRACIAS AL ESTUDIO DE MUTANTES QUE AFECTABAN GENES ESTRUCTURALES, A LOS ELEMENTOS DE CONTROL (PROMOTOR Y OPERADOR) Y AL GEN REGULADOR. MUTANTE GENES ESTRUCUTRALES Los primeros mutantes que fueron aislados afectaban a los genes estructurales (z, y, a). Los mutantes en estos genes dan lugar a alteraciones en la estructura de las enzimas. Mutante Z - Mutante Y - Mutante A - MUTANTE I S Afecta al gen de la proteína represora modificando la región de la proteína encargada de unirse al inductor. La proteína represora mutante se une al operador pero no es capaz de reconocer al inductor. Se trata de un mutante que está siempre reprimido en el que no se expresan los genes estructurales. SUPERREPRESOR MUTANTE DEL PROMOTOR P - Estos mutantes presentan una alteración en la secuencia de la región promotora, como consecuencia la ARN-polimerasa no reconoce la secuencia promotora y, por consiguiente, no se produce la transcripción de los genes estructurales.

22 MUTANTES CONSTITUTIVOS Son aquellos en los que siempre se expresan o transcriben los genes del operón lactosa, independientemente de si está o no presente el inductor MUTANTE I - Altera la estructura de la proteína represora de manera que ya no es capaz de unirse a la región operadora. Se produce la transcripción de los genes estructurales en ausencia de inductor (lactosa). MUTANTE O C Alteración en la secuencia del Operador, que tiene como consecuencia que la proteína reguladora ya no sea capaz de unirse al operador. De esta manera la región promotora queda asequible para la ARN polimerasa y se produce la transcripción de los genes estructurales en ausencia de inductor (lactosa). MUTANTE I Q Mutación en el promotor del gen regulador que codifica para la proteína represora (iq). No aparece proteína represora y, por tanto, siempre se están expresando los genes estructurales, tanto en ausencia como en presencia del inductor.

23 TAMBIÉN FUE MUY IMPORTANTE EL ESTUDIO DEL OPERÓN LACTOSA EN BACTERIAS DIPLOIDES PARCIALES O MERODIPLOIDES. Los PLÁSMIDOS son moléculas de ADN extracromosómico circular o lineal que se replican y transcriben independientes del ADN cromosómico. Están presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en organismos eucariotas como las levaduras. En general, no contienen información esencial, sino que confieren diferentes ventajas al hospedador. Ej: genes de resistencia a un determinado antibiótico (el plásmido únicamente supondrá una ventaja en presencia de ese antibiótico). Su tamaño varía desde 3 a 10 kb. El número de plásmidos puede variar, dependiendo de su tipo, desde una sola copia hasta algunos cientos por célula.

24 OPERÓN LACTOSA: DIPLOIDES PARCIALES O MERODIPLOIDES EN ESTE EJEMPLO LA DIPLOIDIA SE PRESENTA EN LOS GENES DEL OPERON LAC Y EN EL GEN REGULADOR

25 ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN CIS

26 ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN CIS

27 ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN TRANS

28 ELEMENTOS QUE ACTÚAN EN TRANS

29 GENES ESTRUCTURALES

30 EJERCIO PRACTICO Plásmido

31 EJERCICIO PRACTICO Diploides parciales Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa Ausencia de inductor (Sin lactosa) Presencia de inductor (Con lactosa) Genotipo z+ y+ a+ z+ y+ a+ i+ P O z+y+a+/ i+ P O C z+y+a+ i+p O z+y+a+/ i- P O z+y+a+ SI SI SI SI SI SI NO NO NO SI SI SI

32 OPERÓN LAC: REGULACIÓN POSITIVA Algunos operones bacterianos poseen promotores débiles que requieren proteínas auxiliares activadoras. La transcripción no ocurre (o en todo caso ocurre a un nivel basal bajo), a no ser que la proteína activadora se una a zonas del ADN cercanas al promotor. Regulación positiva CAP-cAMP Glucosa Adenilato Ciclasa INACTIVA ATP AMPc

33 OPERÓN LAC: REGULACIÓN POSITIVA Regulación positiva CAP-cAMP Glucosa Adenilato Ciclasa ACTIVA ATP AMPc

34 OPERÓN LAC: REGULACIÓN POSITIVA

35 OPERÓN LAC: REGULACIÓN POSITIVA

36 REGULACIÓN DEL OPERÓN LAC Dos tipos de regulación: REGULACIÓN NEGATIVA: depende de los niveles de lactosa. Si este azúcar esta presente en el medio, el sistema se desreprime. REGULACIÓN POSITIVA: depende de los niveles de glucosa. En ausencia de glucosa, aumenta la síntesis de camp por acción de la adenilato ciclasa. Para que el Operón lac pueda transcribirse con un máximo rendimiento requiere que se cumplan dos condiciones simultáneamente: Debe existir el inductor exógeno (la lactosa), que inactiva el mecanismo de regulación negativa. No debe haber en el medio una fuente más rica de azúcar, como la glucosa (que libera la "represión catabólica" por el mecanismo de regulación positiva através de CAP)

37 OPERÓN TRIPTOFANO

38 OPERON TRIPTOFANO Es un operon biosintético para la producción del triptofano, cuando la célula lo requiera y no tenga disponibilidad en el medio El triptófano se sintetiza en 5 etapas sucesivas que requieren de una enzima determinada, las que se ubican adyacentemente en el cromosoma de E. coli.

39 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA ELEMENTOS DEL OPERÓN ELEMENTOS DE CONTROL CORREPRESOR GENES ESTRUCTURALES GEN REGULADOR PROMOTOR OPERADOR TRIPTOFANO CODIFICAN POLIPÉPTIDOS CODIFICA LA PROTEÍNA REPRESORA

40 Operon Triptofano

41 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA SIN TRP CON TRP CON TRP REGULACION NEGATIVA CON TRP

42 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA SISTEMA REPRESIBLE: el producto final de la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al compuesto que impide la síntesis de la enzima se lo denomina CORREPRESOR (Triptofano). Los sistemas represibles se corresponden con procesos de síntesis o anabólicos. CONTROL NEGATIVO: se dice que un sistema está bajo control negativo cuando el producto del gen regulador reprime o impide la expresión de los genes, actúa como un REPRESOR.

43 OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO in

44 OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO

45 OPERÓN TRIPTOFANO: CONTROL NEGATIVO Baja concentración de Trp Alta concentración de Trp

46 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación La ATENUACIÓN es un mecanismo de control que se da en ciertos operones de rutas biosintéticas (sobre todo de aminoácidos), por el cual la transcripción puede terminar prematuramente en una zona denominada atenuador, antes de alcanzar al primer gen estructural de ese operón.

47 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación Con traducción

48 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación Sin traducción

49 Operón Triptofano: Regulación por Atenuación ALTOS NIVELES DE TRP BAJOS NIVELES DE TRP SIN TRADUCCION CON TRADUCCION

50 Comparación entre los Operónes Lactosa y Triptófano OPERÓN LACTOSA OPERÓN INDUCIBLE, SE EXPRESA EN PRESENCIA DE LACTOSA. OPERÓN TRIPTÓFANO OPERÓN REPRIMIBLE, SE EXPRESA EN AUSENCIA DE TRIPTÓFANO. LA LACTOSA ES EL INDUCTOR EL REPRESOR SE SINTETIZA EN FORMA ACTIVA. ACTÚA SOLO ENZIMA PARTICIPAN EN UN VÍA CATABÓLICA EL TRIPTÓFANO ES EL CO REPRESOR EL REPRESOR SE SINTETIZA EN FORMA INACTIVA. ACTÚA EN PRESENCIA DEL CO REPRESOR ENZIMA PARTICIPAN EN UNA VÍA ANABÓLICA

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