Regulación génica en procariotas y

eucariotasCuarto Electivo

Material genético

El material genético (ADN) determina y controla las características estructurales y metabólicas de todos los seres vivos.Se transmite de una generación a otra.

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.

ADN extra nuclearMoléculas 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.

ADN en eucariontes

Genes La información que contiene el ADN de todos los seres vivos se encuentra almacenada en unidadesestructurales que se conocen con el nombre de Genes.

“fragmento de ADN que contiene la información que codifica para la síntesis de una cadena polipeptídica o RNA funcional (tRNA, rRNA, mRNA)”.

Genes

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

Bacterias Levaduras

Codificadas en secuenciascontinuas

Genes ubicados en cromosomas distintos

Bajo una misma regiónreguladora

Region reguladora en cada cromosoma

Procariontes Eucariontes

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 del operonEl operón entero es transcrito desde un sitio delADN y origina un largo y continuo ARNm.

Traducción La traducción de este ARNm empieza en cinco sitiosdistintos de inicio, uno para cada enzima distintacodificada 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

¿Qué es el Operón?

Sistema de regulación de la expresión génica encontrado en procariotas que afecta a genes dedicados a un objetivo metabólico y que se encuentran situados de forma contigua en el ácido desoxirribonucleico (ADN).

El operón está formado por varios genes estructurales que se transcriben como una unidad bajo el control de varios componentes reguladores, denominados operador, represor y promotor.

Los genes estructurales son los que codifican las proteínas estructurales y enzimáticas.

Los principales elementos que constituyen un operón

1.Los genes estructurales: -Llevan información para traducir proteínas (polipéptidos). -Se trata de los genes cuya expresión está regulada. -Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, son poligénicos o policistrónicos. -Dichos genes estructurales tienen la información necesaria para traducir 3 proteínas: Beta-galactosidasa, permeasa y la transacetilasa.

2.El promotor (P): Es un elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra P.

3.El operador (O):Otro elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la proteína reguladora. El operador se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra O.

4.El gen regulador (i): Secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. El gen regulador está cerca de los genes estructurales del operón pero no está inmediatamente al lado. Abreviadamente se le denomina gen i.

5.Proteína reguladora: Proteína codificada por el gen regulador. Esta proteína se une a la región del operador.

6.Inductor: Sustrato o compuesto cuya presencia/ausencia induce la expresión del resto de los genes que conforman el operón. Puede actuar activando la expresión, denominándose “activador”, o bien reprimiendo, llamándose “represor”.

• El operón lactosa, que abreviadamente se denomina Operón lac,

• Es un sistema inducible que está bajo control negativo, de manera que la proteína reguladora, producto del gen regulador i, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor.

• El inductor del sistema es la lactosa. • El operón lac también está bajo control positivo,

ya que existe otra proteína que estimula la transcripción de los genes estructurales.

Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor (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.

Operon lac en ausencia de lactosa

Operon lac en presencia de lactosa

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.

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 lalactosa, incluyendo ß-galactosidasa, ß-galactósida permeasa y ß- galactósido transacetilasa.

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(sistema represible)

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 promotora 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.

Regulación génica en procariontes. 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

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 determinadassituaciones y que, por consiguiente, codifican paraenzimas que solamente se necesitan en momentosconcretos, codifican para sistemas enzimáticosadaptativos, por su característica de expresarsesegún 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

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.

REGULACIÓN GÉNICA EN EUCARIONTES

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)

La estructura básica de los genes eucariontes presenta las siguientes características:1. Secuencias promotoras o promotor constituidas

por: TATA BOX, CAAT BOX, GC BOX.2. Secuencias potenciadoras o enhancers.3. Secuencia TAC4. Exones5. Intrones6. Secuencia de acoplamiento para la cola de poli A.7. Codón TTA que indica el final de la traducción.

1.Promotor: secuencias que sirven de reconocimiento para los distintos tipos de ARN polimerasa existentes en eucariontes. Contienen varias regiones diferenciadas:

TATA box (Caja TATA) : secuencia de 7 nucleótidos (TATAAAA) ubicada a 30 pares de bases antes del inicio de la transcripción.

CAAT box, (Caja CAT): secuencia GGC CAAATC ubicada a 90 pares de bases del inicio de la transcripción a la cual se unen los factores de la transcripción.

GC box. (Caja rica en GC):secuencia ubicada a 110 pares de bases antes del inicio de la transcripción. Se asocia también a la unión de factores de la transcripción.

2. Secuencias potenciadoras o enhancers: regiones del DNA que aumentan la eficiencia del promotor cuando se unen a ellas factores de transcripción que las activan. Su localización es variable.

3. Exones. Corresponde a las secuencias codificantes.4. Intrones. Corresponde a las secuencias no codificantes

5. Secuencia trailer (acoplamiento para la cola de poli A): corresponde a la secuencia AATAAAAA la cual es necesaria para el agregado de la cola de poli A en el extremo 3´ del transcrito.

6. Secuencia TAC que en el ARNm corresponde a la secuencia que señala el inicio de la traducción

¿Cuál es la secuencia de inicio en el ARNm?

7. Codón TTA que señala el final de la traducción.

Componentes del gen eucarionte

Elementos reguladores• Se requiere una variedad de proteínas en la

regulación de la expresión génica. • Para poder iniciar la transcripción, la ARN

polimerasa requiere que un grupo de factores generales de transcripción (proteínas) , se ensamblen en la región promotora del gen.

• Esto permite la unión de la ARN polimerasa y la posterior transcripción.

• Algunas de estas proteínas tienden a activar el gen y otras a desactivarlo.

Factores deTranscripción

A modo de organización de los procesos deregulación se identifican las siguientes etapas de regulación:

1. Controles transcripcionales 2. Controles postranscripcionales 3. Controles postraduccionales

Control transcripcional eucariota Por medio de la regulación del inicio de la transcripción

se puede elegir qué genes “encender” (activar) o “apagar” (inhibir) en un momento determinado.

Hay regiones de ADN que están siempre apagadas y cuyos genes no se transcriben nunca.

Uso de secuencias reguladoras que permiten la unión de factores de transcripción, que se unen a regiones cercanas al promotor, facilitando o impidiendo la transcripción.

Control post- transcripcional

Un casquete de metil-guanina (CAP) al extremo 5’ de la molécula.

Una cola de poli-A al extremo 3’ al terminar la transcripción.

Se produce remoción de intrones y unión de exones en el ARNm antes de dejar el núcleo.

Este proceso es conocido como empalme o "splicing"( Del inglés corte y empalme. )

Ejemplo de maduración de ARNm

Control post- traduccional Una vez sintetizadas, las proteínas pueden ser modificadas mediante la unión de distintas moléculas (grupos fosfato, adenilatos, azúcares)

Estos agregados permiten regular la acción proteica muy rápido porque no dependen del proceso de síntesis.

Estas modificaciones generalmente le otorgan la funcionalidad a la proteínas (hormona, enzima)

Resumen