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AREA: CIENCIAS

SECTOR: BIOLOGÍA

NIVEL: IV MEDIO DIFERENCIADO

CLASE: ESTRUCTURA Y REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

PROFESOR: JULIO RUIZ A.

DEFINICIÓN MOLECULAR DE GEN

SECUENCIA COMPLETA DE NUCLEÓTIDOS NECESARIOSPARA LA SÍNTESIS DE UN PRODUCTO GÉNICO FUNCIONAL

POLIPÉPTIDO RNA m

que puede ser

REGIONES DECONTROL

PROBLEMA A INVESTIGAR:

¿EXISTE ALGUNA RELACIÓN ENTRE LOS GENES Y LAS ENZIMAS?

ENZIMA: PROTEÍNA QUE INTERVIENE EN EL METABOLISMO PARA LA SÍNTESIS DE OTRAS MOLÉCULAS ESPECÍFICAS.

¿QUÉ SON LAS ENZIMA

EXPERIMENTO DE GEORGE BEADLE Y EDWARD L. TATUM NEUROSPORAS

OBJETIVO DELEXPERIMENTO: Demostrar la relación que hay entre un gen y una enzima.

MATERIAL D EXPERIMENTACIÓN: EXPERIMENTO DE GERGE BEADLE Y EDWARD TATUM

Utilizaron como material de investigación, neurosporas.

Las Neurosporas normales del punto de vista nutricional son prototrófica: crece en un medio de cultivo mínimo: con algunas sales.

Hongo moho del pan

Neurosporas o esporas del moho del pan

A diferencia del humano, las neurosporas, tienen todas las enzimas para la síntesis

de la vit B6, aminoácidos, etc

¿QUÉ SON LAS NEUROSPORAS?

HIPÓTESIS

Si todas las sustancias orgánicas que necesitan para vivir las neurosporas (aminoácidos, glúcidos, vitaminas, lípidos) son sintetizadas a partir de las iniciales

Entoces, «deben tener algún gen que codifique la información para la síntesis de una enzima que dirija los procesos metabólicos para la síntesis de los nutriente que necesitan estas esporas: vit B6, aminoácidos, etc.»

PRIMERA PARTE DEL EXPERIMENTO:

• Irradiaron con rayos X y luz ultravioletas las neurosporas.

• ¿Con qué propósito?

• Para modificar la estructura de los genes, esto es, producir mutaciones.

ILUSTRACIÓN EXPERIMENTO

SEGUNDA PARTE EXPERIMENTO:

Se les proporcionó a las esporas una por una las sustancias esenciales para su supervivencia, hasta ver cual conseguía normalizar el desarrollo de la neurospora perturbada.

EN UN MEDIOENRIQUECIDO

ESPORAS EN UNMEDIO DE CULTIVO

EXPERIMENTO DE G. BEADLE Y E. TATUM

NO CRECENEN UN MEDIOMÍNIMO

glycina serina alamina Con prolina

CRECENTransferidas a medios mínimos con un aminoácido conocido, previamente irradiadas con rayos X

Otros aminoácidos

NO CRECEN CRECEN

NO CRECEN

EN SÍNTESIS:

¿QUÉ RESULTADOS OBTUVIERON?:

• Algunas de las neurosporas irradiadas no podían vivir en el medio de cultivo mínimo a menos que se le proporcionaran una determinada vitamina, aminoácidos y otro suplemento nutritivo.

• A estos organismos incapaces de sintetizar ciertas sustancias orgánicas, especialmente aminoácidos se les llamó auxótrofos.

NEUROSPORA NORMAL

SIN COMPLEMENTO

CRECE: sintetiza arginina,citrulina y

ornitina

NEUROSPORA IRRADIADA: mutante A

Complementoarginina

Crece solo si se agrega arginina o citrulina. No

sintetiza arginina por defecto ez 1. Necesita gen B para

sintetizar citrulina

Crece solo si se agrega arginina: no sintetiza este

aa, defecto en ez 2. Necesita gen A

NEUROSPORA IRRADIADA: mutante B

Arginina o citrulina

ornitina citrulinaarginina

Ez A

Gen B gen A

Ez B

Fundamentales para síntesis proteínas

LOS GENES Y LAS VIAS METABÓLICAS

CONCLUSIONES

• En varias series de experimentos, demostraron que las mutaciones causaron cambios en las enzimas específicas implicadas en las rutas Metabólicas

• Estos experimentos, publicados en 1941 los llevaron a proponer un vínculo directo entre los genes y las reacciones enzimáticas conocida como la hipótesis “Un gen, una enzima”.

• Esta hipótesis, afirma que los genes codifican información para sintetizar proteínas con actividad enzimática.

• Un gen específico codifica para la síntesis de una sola enzima las que participan en una las cadenas de reaccione químicas.

• E. Tatun Recibió en 1958 el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, que compartió con G. Beadle y Joshua Lederberg, por sus trabajos sobre los bloqueos metabólicos controlados por genes

GENES Y EXPRESIÓN GÉNICADNA eucarita y procariota.swf

¿EN QUÉ CONSISTE LA TRANSCRIPCIÓN DE UN GEN?

Expresión génica consta de do procesos:

Transcripción: síntesis de ARN m a partir de un molde de ADN.

• Traducción: Síntesis de proteínas a partir de un molde de ARN m.

• Además del ARN m, participa el ARN t como decodificador del primero.

PROCARIOTA EUCARIOTA

GENES PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

¿QUÉ DIFERENCIAS PUEDES RECONOCER?

ALGUNAS DIFERENCIAS

Son más simples Son más complejos

Carecen de intrones Poseen intrones y exones

La transcripción produce un mRNApara la síntesis de más de una proteína

No hay procesamiento del transcrito,a partir de éste, se sintetizan dos o más proteínas diferentes

Transcripción compleja, se transcribe unproducto primario que puede ser procesado a dos o más mRNA monocistrónicos, según los sitios de corte y empalme

La trascripción produce un único mRNA Inicial monocistrónico, que es traducido a una proteína específica

Las secuencias codificadoras están densamente organizadas a lo largo

del DNA

Las secuencias intrónicas no codificanpara mRNA, ni tienen función regulatoria o funcional.

ALGUNAS DIFERENCIAS

SISTEMA DE ORGANIZACIÓN, EXPRESIÓN Y REGULACIÓN

PROCARIOTA

SISTEMA DE ORGANIZACIÓN, EXPRESIÓN Y REGULACIÓN

EUCARIOTA

OPERON PROMOTOR

. Grupos de genes que codifican para proteínas relacionadas se agrupan en unidades conocidas como operón

. Consta de: un operador, un promotor, un regulador y un gen estructural

1. . Sistema formado: • El promotor• Los intensificadores• Los silenciadores.• Los factores de transcripción, etc

ESTRUCTURA GENES PROCARIOTAS: MODELO DEL OPERON.

Este modelo fue planteado por los biólogos franceses: Francois y Jacque Monod, en 1960.

ESTRUCTURA GENES PROCARIOTAS:

Genes estructuralesRegulador

SISTEMA OPERÓN

OPERÓN: DISPOSICIÓN DE GENES DEDICADOS A UN ÚNICO FIN METABÓLICO: SINTESIS DE ENZIMAS PARA FORMAR AMINOÁCIDOS

Este modelo del operón de la regulación de los genes procariotas fue propuesto en 1961 por Francois Jacob y Jacques Monod

Genes estructuralesRegulador

ESTRUCTURASISTEMA OPERÓN

Parte del ADN donde se fija la enzima ARN polimerasa la que copia los genes estructurales mRNA

Se le unen proteínas específicas para activarlo o reprimirlo y así, se controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor

El gen regulador codifica para una proteína que se pega al operador, obstruyendo al promotor (y por lo tanto a la transcripción), de los genes estructurales. De esta forma, regula a todo el operón

Es decir, donde la ARN polimerasa reconoce el sitio de inicio de la transcripción

codifican para la síntesis de 3 enzimas involucradas en una vía metabólica.

1 2 3

Codón de término

No se transcriben

LOS INTERREPTURES GENÉTICOS

Proteínas que puedenactivar e inhibir un gen

Son

Proteína represoralambda (cl) Proteína cro

Bloquean la síntesis de otra enzima, permitiendo dos estados

Estado I o profago

El represor lambda ocupa al operador: bloquea síntesis de represor y activa su propia síntesis

Estado II o lítico

La proteína cro ocupa un lugar diferente en el operador, bloqueado la síntesis del represor y activando su propia síntesis.

Control de la transcripción de los gene procariotas

Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez

TIPOS DE CONTROL

REPRESIÓN ACTIVACIÓN

El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad

Todo esto determinado en procariotas para ajustar la maquinaria bioquímica a los requerimientos nutricionales

REPRESIÓN


REPRESIÓN



REPRESIÓN



REPRESIÓN ACTIVACIÓN



REPRESIÓN


ACTIVACIÓN



REPRESIÓN



ACTIVACIÓN



REPRESIÓN



ACTIVACIÓN



REPRESIÓN



ACTIVACIÓN



REPRESIÓN


El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a baja velocidad


ACTIVACIÓN



REPRESIÓN

CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN LOS PROCARIOTAS.Operón Lac.swf

• Lo que hoy se sabe al respecto, sobre el control de le expresión génica en procariotas, proviene de investigaciones, en la bacteria Escherichia coli.

• En 1960 Fracois y Jaques Monod, observaron que cuando se cultivaban E. coli en un medio carente de lactosa, se reprime la síntesis de mRNA lac, para que la energía no se desperdicie sintetizando enzimas que la célula no puede utilizar.

• En un medio que la bacteria tiene tanto lactosa como glucosa, la bacteria metaboliza preferentemente glucosa.

• La lactosa se metaboliza a gran velocidad, sólo cuando la lactosa está presente y la glucosa se encuentra en mínima concentración.

• Este ajuste metabólico se logra reprimiendo la trancripción del operón lac hasta que la lactosa esté presente, y la síntesis de solo niveles bajos de mRNA lac hasta que la concentración de glucosa caiga a niveles bajos.

• La transcripción de los genes estucturales, es controlada por el operón lac y por la proteína CAP.

CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR INDUCCIÓN DEL OPERÓN LAC.

se realiza

Por inactivación del represor: se separa inductor del operador

Activación del represor: inductor se une al operador

Ausencia de lactosa y presencia de glucosa

En presencia de lactosa y ausencia de glucosa

ocurre en ocurre en

REPRESOR INACTIVO O REPRIMIDO

Inductor: Alolactosa, se une al represor para inactivarloRepresor

inactivo

EN PRESENCIA DE LACTOSA LA E. COLI, FORMA UN PRODUCTO INTEMEDIO: ALOLACTOSA (INDUCTOR), SE UNE AL REPRESOR Y LO DESACTIVA, PERMITIENDO LA FIJACIÓN DE LA ENZIMA AL OPERADOR PARA QUE TRANSCRIBA LOS GENES ESTRUCTURALES.

Inductor alolactosase separó del represor

por lo tanto,represor se activa:se une al operador

ARN polimersaEs bloqueada por el represor activado

Todo esto opera en ausencia de lactosa: el represor, se activa y se une al operador lac bloqueando la transcripción de los genes estructurales por parte de la enzima ARN polimerasa para no sintetizar las enzimas que actúan en el metabolismo de la lactosaOperón Lac.swf

REPRESOR ACTIVADO

No hay transcripción genes

estructurales

EN SÍNTESIS:1 EN PRESENCIA DE LACTOSA LA E. COLI,

FORMA UN PRODUCTO INTEMEDIO: ALOLACTOSA (INDUCTOR)

2 INDUCTOR, SE UNE AL REPRESOR, ÉSTE SE SEPARA DEL OPERADOR.

3 LA EZ ARN POLI SE FIJA AL PROMOTOR PARA TRASCRIBIR GENES ESTRUCTURALES.

4 SE SINTETIZAN LAS ENZIMAS PARA METABOLIZAR LA LACTOSA.

5 EN AUSENCIA DE LACTOSA (PRESENCIA DE GLUCOSA), OCURRE EL PROCESO CONTRARIO

CONTROL DE INTERRUPTOR GÉNICO POR REPRESIÓN DEL OPERÓN TRIPTOFANO: OPERÓN ACTIVADO

Proteína correpresora triptofano, separada del represor

Represor se inactiva: no se une al operador

Enzima ARN poli queda libre para transcribir los genes estructurales

ASÍ, EL OPERÓN TRIP, QUEDA ACTIVADO PARA QUE LA ARN POLI, TRANSCRIBA LOS GENES ESTRUCTURALES NECESARIOS PARA SINTETIZAR LAS ENZIMAS QUE ACTÚAN A SU VEZ EN LA SÍNTESIS DEL TRIPTOFANO

Correpresor, se une al represor

Se une al aperador

ARN poli, bloqueada para transcribir los genes estructurales

CONTROL DE INTERRUPTOR GÉNICO POR REPRESIÓN DEL OPERÓN TRIPTOFANO: OPERÓN ACTIVADO

ASÍ, EL OPERÓN TRIP, QUEDA DESACTIVADO PARA QUE LA ARN POLI, NOTRANSCRIBA LOS GENES ESTRUCTURALES NECESARIOS PARA SINTETIZAR LAS ENZIMAS QUE ACTÚAN A SU VEZ EN LA SÍNTESIS DEL TRIPTOFANO

EN SÍNTESIS Operón TRIPTOFANO.swf

1 EL CORREPRESOR TRIPTOFANO, SE UNE AL REPRESOR, ESTE SE ACTIVA, SE UNE AL OPERADOR, LA EZ ARN POLI, NO PUEDE COPIAR LOS GENES ESTRUCTURALES.

2 EL CORREPRESOR, SE SEPARA DEL REPRESOR, ÉSTE, SE

INACTIVA (SE SEPARA DELOPERADOR) 3 LA EZ. ARN POLI, SE UNE AL OPERADOR

PARA COPIAR LOS GENES ESTRUCTURALES.

4. Los operones inducibles y represibles son ambos desconectados por proteínas represoras codificadas por genes reguladores.

5. El represor se une al DNA en el operador y evita, de esta forma, que la RNA polimerasa inicie la transcripción.

6. El experimento de Jacques- Monod fue muy importante por que constituyó el primer modelo propuesto para explicar la regulación de la transcripción en procariontes: MODELO DEL OPERÓN.

¿CÓMO SW COTROLA LA EXPRESIÓN DE LOS GENES?

Se puede lograr de muchas formas

Regulando el momento y la frecuencia de la transcripción de genes específicos: control transcripcional

Controlando el modo de procesamiento de los transcritos del ARNm:control de procesamiento del ARN

Seleccionando los ARMm maduros que serán mandado a los ribosomas para ser exportados al citoplasma: control del transporte de ARN

Controlando los ARNm que van a ser traducidos: control traduccional

Desestabilizando selectivamente algunas moléculas de ARNm:Control de la degradación de los ARNm

Activando o desactivando de modo selectivo las proteínas sintetizadas:Control de la actividad proteica.

¿Qué caracteriza el control transcripción tanscripcional en eucariotas?f

Es más compleja la transcripción que en procariotas:

Intervienen varias RNA polimerasas: Poli I, Poli II, Poli III

Actúan numerosas proteínas reguladoras, llamadas factores de trascripción.

El DNA está asociado a proteínas llamadas histonas (ejerncen control)

Los genes presenta secuencias codificantes llamadas exones y secuencias no codificantes denominadas intrones.

¿ Qué caracteriza el control transcripcional en eucariotas? continuación

B. El control génico está más relacionado con la regulación de programa genético, para desarrollo embriológico y la diferenciación celular (en procariotes, para ajustes nutricionales).

C. El genoma contiene información para fabricar miles de proteínas y mRNA diferentes, producto de la expresión de una fracción de genes, dependiendo de las señales recibidas del medio externo.

D. Al igual que en procariotas, la regulación de la expresión génica se hace principalmente al inicio de la transcripción.

¿en que difiere la transcripción de los genes eucariotas de los procariotas?

1. Las enzimas ARN poli no pueden iniciar la transcripción por si misma.

2. Requieren de la presencia de una serie de enzima llamadas factores de transcripción (FT)

3. Los FT deben unirse al promotor antes que la transcripción pueda iniciarse.

4. El ensamblaje consta de varias etapas con lo que la velocidad de transcripción puede aumentar o disminuir como respuesta a señales de regulación

5. Muchas de esta proteínas reguladoras, actúan influyendo en estas etapas.

¿en que difiere la transcripción de los genes eucariotas de los procariotas?

6. Las proteínas reguladoras pueden actuar aun cuando estén unidas a mucha distancia del promotor.

7. Un mismo promotor puede ser regulado por un número grande de proteínas dispersas en el ADN

ORGANIZACIÓN GENERAL DE UN GEN EUCARIOTA COMPLEJO DE TRANSCRIPCION Y ENHANCERS.swf

PROMOTOR

secuenciaTATA: reconoce proteína

del mismo nombre

Secuencias de reconocimiento de proteínas reguladoras a distancia del promotor

Secuencia reguladora

Secuencia codificadoraproteína: exones- intrones

PROMOTOR

PARTE DEL GEN DONDE SE ENSAMBLAN LOS FACTORES GENERALES DE TRANSCRIPCIÓN Y LA ENZIMA ARN POLIMERASA II

TAMBIEN SE ENSAMBLAN PROTEÍNAS REGULADORAS PARA CONTROLAR LA VELOCIDAD DE LA TRANSCRIPCIÓN

es

REGULAR LA EXPRESIÓN DEL GEN

todo esto para

Factores generales de transcripción o basales

ARN poli IIProteína TATA

coactivadores

activadores

RELACIÓN ENTRE EL PROMOTOR Y LAS PROTEÍNAS REGULADORAS (FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN

¿¿Qué son los factores de trascripción? (FT)

Son proteínas reguladoras, controlan específicamente la expresión de cada gen según la situación fisiológica de la célula, debido a que son capaces de:

a) Fijarse al DNA cerca de sus genes diana.

b) Activar o bloquear la transcripción de los genes diana modificando el funcionamiento de la RNA pol, que por si misma no puede iniciar la transcripción.

c) Responder a señales procedentes del exterior o del interior de la célula.

TIPOS DE FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN

BASALESCOACTIVADORES

ACTIVADORES REPRESORES

¿POR QUÉ LOS FT SON OBJETOS DE TANTAS INVESTIGACIONES HOY EN DÍA?

• son objeto de muchas investigaciones por que pueden tener aplicaciones médicas, por ejemplo en estudios con el virus del SIDA (VIH).

• Si se encontrara un agente inhibidor que reconociese a ese factor de transcripción del VIH y no factores de transcripción humanos, se podría detener la replicación de virus.

• También podría tener aplicaciones oncológicas.

TFIID

La transcripción se inicia con el reconocimiento de la proteína de la TBP (tatabBinding Protein) del factor HFIID de la secuencia TATA del promotor

Inicio de la transcripción

Una vez unido el TFIID a la secuencia TATA facilita el ensamblaje

de de los FGT y la Poli II

ETAPA SIGUIENTE

COACTIVADORES

El ensamblaje de los FGT y la Poli II, facilita la inserción de otras proteínas reguladoras: las co activadoras

dominio de reconocimiento de DNA

Dominio de reconocimiento de la maquinaria transcriptota

Proteínas activadoras génicas, tienen dos dominios de recocimiento: para reconocer secuencia reguladora de DNA y de la maquinaria de transcripción

PROTEÍNAS ACTIVADORAS

Proteína activadora se une con su sitio de reconocimiento al DNA y la maquinaria transcriptora respectivamente

De esta forma, estas proteínas activan la transcripción del gen, aumentando la velocidad de dicho proceso, actuando de diferentes formas.

dominio de reconocimiento

zona reguladora

PROTEÍNAS REPRESORAS

Estas proteínas al unirse con su dominio de reconocimiento al DNA, impiden la transcripción.

TRANSCRIPCIÓN REPRIMIDA DEL GEN. COMPLEJO DE TRANSCRIPCION Y ENHANCERS.swf

A diferencia de los represores procariotas, no actúan compitiendo con la polimerasa por unirse con el DNA, no está claro como reprimen la transcripción. ¿cómo actuarían?

Compiten con las activadoras por unirse con la secuencia reguladora del DNA

Ambas se unen al DNA, pero el represor impide que el activador se una con la maquinaria transcriptora

El represor, interactúa con los FGT, para impedir que el ensamblaje de éstos continúen

EN SÍNTESIS: LA TRANSCRIPCIÓN DE LOS GENES EUCARIOTAS PUDE REGULARSE: Control de la expresión génica en eucariotas.flv

a) Cambiando la estructura de la cromatina dirigida por activadores o represores.

b) Regulando los niveles de factores de transcripción y/o su actividad de inductores o represores de la transcripción.

c) Por influencia de activadores o represores sobre el ensamblaje de la RNA poli II junto con el resto de los factores de transcripción.

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