Puede llevarse a cabo en los tres niveles: Replicación Transcripción Síntesis de Proteínas Traducción. Celulares Bacterianos

Transcripción

1 Celulares Bacterianos Puede llevarse a cabo en los tres niveles: Replicación Transcripción Síntesis de Proteínas Traducción * Se conoce mejor a nivel de la transcripción Regulación de la iniciación Inducción/Represión Proteínas reguladoras pueden ejercer: Control positivo promueven la transcripción Activadores promueven la transcripción ( RNA pol se una a P) Control negativo inhiben la transcripción Represores bloquean la transcripción (RNA pol no puede unirse a P) Regulación del alargamiento Atenuación Regulación de la terminación 1

2 Sistemas de regulación global Redes de operones Envuelven: Proteínas reguladoras globales Sistemas de transducción de señales formados (two component signal transduction system) Phosphorelay systems Segundos mensajeros - * Cyclic dimeric GMP (c-di-gtp) Factores sigma Ejemplos: Crecimiento diauxético Represión por catabolito Quimiotaxis Quorum sensing Formación de endoesporas Sistemas Constitutivos Genes constitutivos o que guardan la casa housekeeping genes * se están expresando de manera constitutiva o continua Codifican para sistemas enzimáticos constitutivos o enzimas constitutivas Enzimas necesarias para el metabolismo celular básico Sistemas adaptativos Genes adaptativos. Se expresan en determinadas situaciones Codifican para sistemas enzimáticos adaptativos o enzimas inducibles Existen algunos procesos metabólicos que son necesarios para el funcionamiento normal de casi todas las células, de manera que existen una serie de necesidades básicas para el mantenimiento normal de una célula. Los genes que codifican para las enzimas necesarias para el metabolismo básico celular se están expresando continuamente, es decir, se expresan de forma constitutiva o continua. Los genes constitutivos codifican para sistemas enzimáticos constitutivos, que se necesitan siempre para la actividad normal de la célula. 2

3 Frente a los genes constitutivos, nos encontramos con los genes que se expresan solamente en determinadas situaciones y que, por consiguiente, codifican para enzimas que solamente se necesitan en momentos concretos. A este tipo de genes se les llama genes adaptativos y a las enzimas codificadas por ellos, sistemas enzimáticos adaptativos. Se denominan así pensando en que se expresan cuando la célula se adapta a una determinada situación ambiental. Sistemas Represibles Sistemas inducibles cuando el sustrato sobre el cual va a actuar la enzima provoca la formación de la enzima Al sustrato se le llama inductor Al efecto del sustrato se le llama inducción positiva Ej. Galactósido (inductor) Galactosidasa (enzima) Sistema represible cuando el producto final de la reacción que cataliza la enzima impide la síntesis de la misma. Al compuesto que impide la síntesis de la misma se le llama correpresor Al efecto o fenómeno se le llama inducción negativa Estos sistemas corresponden con síntesis o anabolismo Ejs. Operón de triptófano y de histidina 3

4 CONTROL POSITIVO Y CONTROL NEGATIVO Control positivo: Se dice que un sistema está bajo control positivo cuando el producto del gen regulador activa la expresión de los genes, actúa como un activador. 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. Un Operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por elementos de control o genes (promotor y operador) y genes reguladores El promotor es la parte del ADN en donde se pega la ARN polimerasa antes de abrir el segmento de ADN a ser transcripto Un segmento del ADN que codifica para un polipéptido específico se conoce como un gen estructural. 4

5 Un operón consiste en: un operador: controla el acceso de la RNA polimerasa al promotor un promotor: donde la RNA polimerasa reconoce el sitio de inicio de la transcripción un gen regulador: controla el tiempo y velocidad de transcripción de otros genes un gen estructural: codifican las enzimas relacionadas o las proteínas estructurales Elementos que intervienen en la regulación de la expresión génica en bacterias. Elementos del Operón. Elementos de control Moléculas difusibles Genes Estructurales Gen regulador Promotor Operador Proteínas reguladoras Efectores Inductores Codifican para polipéptidos Codifica para proteína reguladora Los operones son inducibles o reprimibles, de acuerdo al mecanismo de control El modelo operón de la regulación de los genes procariotas fue propuesto en 1961 por Francois Jacob y Jacques Monod 5

6 MODELO OPERÓN Descubrimiento Descubierto por Francois Jacob y Jacques Monod E.coli 1965 reciben premio nobel por su descubrimiento Lac Operón Sistema inducible -? Control negativo -? Control positivo Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli, de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias. Jacob y Monod recibieron en 1965 el Premio Nobel pos estas investigaciones Francois Jacob Jacques Monod El Operón lactosa, que abreviadamente se denomina Operón lac, es un sistema inducible. La proteína reguladora, producto del gen regulador, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor. El inductor en este caso es la lactosa 6

7 El gen z+: codifica para la β-galactosidasa que cataliza la hidrólisis de la lactosa en glucosa más galactosa. El gen y+: codifica para la galactósido permeasa que transporta β-galactósidos al interior de la célula bacteriana El gen a+: codifica para la tiogalactósido transacetilasa que cataliza la transferencia del grupo acetil del acetil Coenzima A al 6-OH de un aceptor tiogalatósido. Este gen no está relacionado con el metabolismo de la lactosa El verdadero inductor del sistema es la Alolactosa y no la lactosa de manera que la β-galactosidasa transforma la lactosa en Alolactosa. Operón lactosa en ausencia de lactosa (control negativo) Proteína represora reprime la expresión de los genes estructurales Cuando no hay lactosa en el medio, la proteína represora se encuentra unida al operador impidiendo la transcripción de los genes para las enzimas que metabolizan la lactosa. 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. 7

8 Cuando hay lactosa en el medio (intestinos de un mamífero durante la lactancia), ésta funciona como inductor, se une al represor cambiando su forma lo que evita que se pueda unir al operador, de este modo la polimerasa puede transcribir los genes correspondientes. Este operón lac sólo se activa cuando hay lactosa en el medio. Operón lactosa en presencia de lactosa (Operón inducible) Los tres genes estructurales del operón lactosa se transcriben juntos en un mismo mrna, es decir que los RNA mensajeros de bacterias suelen ser policistrónicos, poligénicos o multigénicos. Sin embargo, en eucariontes los mensajeros suelen sen monocistrónicos o monogénicos, es decir, corresponden a la transcripción de un solo gen estructural Operón lactosa: mrna multigénico o policistrónico (los 3 genes se estructurales se transcriben juntos) 8

9 El operón lactosa también está sujeto a un control de tipo positivo, de manera que existe una proteína que estimula la transcripción de los genes estructurales. En los sistemas de control negativo existe una proteína que impide la transcripción de los genes estructurales, en los sistemas de control positivo existe una proteína activadora que estimula la transcripción de los genes. * CAP En principio existen cuatro tipos de sistemas posibles de regulación de la expresión génica: Tipo 1: Inducible, control negativo (operón lactosa y operón galactosa) Tipo 2: Inducible, control positivo (operón arabinosa y operón maltosa) Lactosa Tipo 3: Represible, control negativo (operón triptófano y operón histidina) Tipo 4: Represible, control positivo (no se han descrito) Se le llama también represión catabólica o represión por catabolito Componentes: CAP (Proteína Activadora por Catabolito)o proteína activadora del AMP cíclico (CRP) estimula la transcripción de los genes estructurales del Lac Operon camp estimula a CAP Adenilato ciclasa convierte el ATP en camp Efecto: Glucosa camp no se transcriben los operones de otros azúcares Lactosa camp = CAP-cAMP = CAP activada y se estimula la transcripción de los genes estructurales del Lac Operón Operones Represible El operón triptófano (operón trp) es un sistema de tipo represible, ya que el aminoácido triptófano (Correpresor) impide la expresión de los genes necesarios para su propia síntesis cuando hay niveles elevados de triptófano. Sin embargo, en ausencia de triptófano o a niveles muy bajos se transcriben los genes del operón trp. 9

10 Cuando un producto del metabolismo, el triptófano por ejemplo, está en cantidades suficientes la bacteria puede dejar de fabricar las enzimas que los sintetizan. En este sistema, el producto funciona como correpresor uniéndose al represor y de este modo detiene la síntesis proteica. Elementos de control P O Gen regulador trpr Genes estructurales (5) trpe trpd trpc trpb trpa Correpresor: triptófano Orden de los genes estructurales del operón triptófano y ruta de síntesis del triptófano Los genes estructurales del operón triptófano se encuentran en el mismo orden que actúan los productos codificados por ellos en la ruta biosintética del triptófano (ver el siguiente esquema). 10

11 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 RNApolimerasa puede unirse a la región promotora y se transcriben los genes del operón triptófano Operón triptófano: en ausencia de triptófano Operón triptófano: en presencia de triptófano 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 RNApolimerasa no puede unirse a la región promotora y no se transcriben los genes estructurales del operón trp. 11

12 Tanto la represión como la inducción son ejemplos de control negativo, dado que la proteína represora detiene (" turn off ") la transcripción. La lactosa, el azúcar de la leche, es hidrolizada por la enzima betagalactosidasa. Esta enzima es inducible: solo se produce en grandes cantidades cuando la lactosa, el sustrato sobre el cual opera, esta presente. En cambio, las enzimas para la síntesis del aminoácido triptófano se producen continuamente a menos que el triptófano este presente en el medio de cultivo, se dice en este caso que las enzimas sintetizadoras de triptófano están reprimidas. La secuencia atenuadora se encuentra en la región líder Secuencia de bases de la región atenuadora y comienzo de la secuencia del gen trpe Estructura secundaria de la región líder 12

13 Porción que se traduce de la región líder del operón triptófano Porciones que se traducen de las regiones líder de los operones de Fenilalanina (a) e Histidina (b) Crecimiento Diauxético 13

14 CAP Catabolite Activator Protein o CRP cyclic AMP receptor protein ATP Adenilato ciclasa cataliza la conversión de ATP en camp camp AMP cíclico Glucosa regula los niveles de camp 14

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17 Regulación por Riboswitch (sensory RNA) Regulación por small RNA (srna) Antisense RNA Envuelve la interacción de varios operones Regulones Modulones Regulación por factores sigma 17