Regulación Génica en Procariotas
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN PROCARIOTAS “OPERON LACTOSA Y OPERON TRIPTOFANO”
INTRODUCCION En nuestro recorrido por la Genética hemos averiguado que son los genes, cómo se replic replican an y cómo cómo se transm transmite iten. n. También mbién hemos hemos visto visto que que la infor informac mación ión contenida en los genes se transcribe a AR AR y que el AR mensa!ero se traduce a prote"nas. #e manera que la información contenida en los genes se convierte en prote"nas. $in embargo, a%n no hemos visto de qué manera la célula regula su funcionamiento, es decir, &'ómo decide la célula que prote"nas necesita producir en cada momento y qué cantidad de prote"na es necesario sinteti(ar. )a Regulaci Regulación ón Génica Génica en los procariot procariotas as es una de los pilares pilares de la *iolog"a *iolog"a +olecular y debido a los grandes avances del siglo pasado en curso se ha podido avan avan(a (arr en un larg largo o cami camino no de cono conoci cimi mien ento tos s y de los los comp compor orta tami mien ento tos s Genéticos esta gran familia procariota.
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REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN BACTERIAS En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesaria regular la epresión de los genes adapt-ndola a las necesidades ambientales. Es un principio de econom"a celular el que la epresión de los genes este regulada seg%n las circunstancias celulares. n buen e!emplo de esta situación en bacterias es la regulación de las en(imas implicadas en el metabolismo de los a(%cares. )as bacterias pueden emplear para obtener energ"a distintas fuentes de carbono, como la glucosa, lactosa, galactosa, maltosa y ilosa. Eisten en(imas capaces de introducir cada uno de estos a(%cares en la bacteria y en(imas capaces de romperlos para obtener energ"a. )ógicamente, ser"a un despilfarro energético producir simult-neamente todos los en(imas necesarios para metaboli(ar los diferentes a(%cares mencionados. /or consiguiente, ser"a mucho m-s económico para la célula producir solamente las en(imas necesarias en cada momento, es decir, si en el medio en el que vive la bacteria la principal fuente de carbono es la lactosa, solamente se epresar"an los genes necesarios para metaboli(ar la lactosa, mientras que los otros genes no se epresar"an. /or tanto, es esencial que eista un mecanismo de regulación de la epresión génica, de manera que los genes se epresen cuando sea necesario. )a regulación de la producción de prote"nas 0s"ntesis de prote"nas1 considerando el proceso en su con!unto, puede llevarse a cabo en tres niveles2
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Replicación Transcripción
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Traducción.
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#e los tres niveles de regulación, uno de los me!or conocidos actualmente es la regulación durante la transcripción. Aunque la regulación de la transcripción en eucariontes es m-s comple!a que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. /or tanto, comen(aremos por el estudio de la regulación de la transcripción en bacterias.
SISTEMAS CONSTITUTIVOS Y SISTEMAS ADAPTATIVOS )os genes que codifican para las en(imas necesarias para el metabolismo b-sico celular se epresan de forma constitutiva y adaptativas. Es constitutiva las en(imas que se producen continuamente, sea cual sea la composición qu"mica del ambiente. 3 es adaptativa cuando las en(imas se adaptan al ambiente qu"mico en el que se encuentran.
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SISTEMAS INDUCIBLES Y SISTEMAS REPRENSIBLES Sistemas inducibles: cuando el sustrato sobre el que va actuar la en(ima provoca la s"ntesis del en(ima. Al efecto del sustrato se le denomina inducción positiva. /or e!emplo, en E. coli en ausencia de galactósido 0sustrato1 hay de unas die( unidades de galactosidasa 0en(ima1 por miligramo de materia seca, mientras que en presencia de galactósido se detectan hasta 45.555 unidades de galactosidasa por miligramo de materia seca. Al compuesto que desencadena la s"ntesis del en(ima se le denomina Inductor . Sistemas reprensibles: cuando el producto final de la reacción que catali(a el en(ima impide la s"ntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al compuesto que impide la s"ntesis del en(ima se le denomina correpresor .
OPERÓN Es un grupo de genes estructurales cuya epresión est- regulada por los mismos elementos de control 0promotor y operador1 y genes reguladores. )os principales elementos que constituyen un operón son los siguientes2 Los genes estructurales: llevan información para poli péptidos. $e trata de los genes cuya epresión est- regulada. El promotor (P): se trata de un elemento de control que es una región del A# con una secuencia que es reconocida por la AR polimerasa para comen(ar la transcripción. $e encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales. El operador (O): se trata de otro elemento de control que es una región del A# con una secuencia que es reconocida por la prote"na reguladora. El operador se sit%a entre la región promotora y los genes estructurales. El gen regulador (i): secuencia de A# que codifica para la prote"na reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. El gen regulador est- cerca de los genes estructurales del operón pero no est- inmediatamente al lado. Proteína reguladora2 prote"na codificada por el gen regulador. Est- prote"na se une a la región del operador. Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la epresión de los genes.
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EL OPERÓN LACTOSA: CONTROL NEGATIVO Es un sistema inducible que est- ba!o control negativo, de manera que la prote"na reguladora, producto del gen regulador i , es un represor que impide la epresión de los genes estructurales en ausencia del inductor. El inductor del sistema es la lactosa. 'omo veremos m-s adelante, el operón lac también est- ba!o control positivo, ya que eiste otra prote"na que estimula la transcripción de los genes estructurales. )os genes estructurales del operón lactosa son los siguientes2 •
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El gen z+: codifica para la bgalactosidasa que catali(a la hidrolisis de la lactosa en glucosa m-s galactosa. El gen !+: codifica para la galactósido permeasa que transporta b6 galactósidos al interior de la célula bacteriana. El gen a+: codifica para la tiogalactósido transacetilasa que catali(a la transferencia del grupo acetil del acetil 'oen(ima A al 7689 de un aceptor tiogalatósido. Este gen no est- relacionado con el metabolismo de la lactosa.
)as cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor 0la lactosa1, la prote"na represora producto del gen i se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la AR6polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales.
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$in embargo, en presencia del inductor 0la lactosa1, este se une a la prote"na reguladora que cambia su conformación y se suelta de la región operadora de!ando acceso libre a la AR6polimerasa para que se una a la región promotora y se transcriban los genes estructurales. /or consiguiente, la presencia del inductor hace que se epresen los genes estructurales del operón, necesarios para metaboli(ar la lactosa.
También es conveniente recordar que los tres genes estructurales del operón lactosa se transcriben !untos en un mismo ARm, es decir que los AR mensa!eros de bacterias suelen ser policistrónicos, poligénicos o multigénicos . $in embargo, en eucariontes los mensa!eros suelen ser monocistrónicos o monogénicos, es decir, corresponden a la transcripción de un solo gen estructural.
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En la siguiente tabla se muestra la epresión de los genes del operón lactosa en ausencia y en presencia del inductor 0lactosa1 en una bacteria normal i+ p o z++!+. $: ; significa que se epresan, 8 ; significa que no se epresan.
OPERÓN LACTOSA: CONTROL POSITIVO 'omo ya he mencionado anteriormente, el operón lactosa también est- su!eto a un control de tipo positivo, de manera que eiste una prote"na que estimula la transcripción de los genes estructurales. En los sistemas de control negativo eiste una prote"na que impide la transcripción de los genes estructurales, en los sistemas de control positivo eiste una prote"na activadora que estimula la transcripción de los genes. En principio eisten cuatro tipos de sistemas posibles de regulación de la epresión génica2
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Tipo 42 :nducible, control negativo 0operón lactosa y operón galactosa1 Tipo <2 :nducible, control positivo 0operón arabinosa y operón maltosa1
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Tipo =2 Represible, control negativo 0operón triptófano y operón histidina1
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Tipo >2 Represible, control positivo 0no se han descrito1
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/or supuesto, un operón pude estar su!eto a m-s de un tipo de control, como sucede en el caso del operón lactosa que est- ba!o control negativo e!ercido por la proteína represora y ba!o control positivo e!ecutado por una proteína activadora por catabolitos (CAP) también llamada proteína activadora del AMP cíclico (CRP) . El control positivo del operón lactosa como veremos est- estrechamente relacionado con la Represión catabólica .
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EL OPERÓN TRIPTÓFANO El operón triptófano 0operón trp1 es un sistema de tipo represible, ya que el amino-cido triptófano 0'orrepresor1 impide la epresión de los genes necesarios para su propia s"ntesis cuando hay niveles elevados de triptófano. $in embargo, en ausencia de triptófano o a niveles muy ba!os se transcriben los genes del operón trp. )os elementos del operón trp son en esencia seme!antes a los del operón lactosa.
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 ARN-polimerasa puede unirse a región promotora y se transcriben los genes del operon triptófano.
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Regulación Génica en Procariotas 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.
/or tanto, la diferencia esencial entre el operón lac 0inducible1 y el operón trp 0represible1, es que en este %ltimo el represor del triptófano solamente es capa( de unirse al operador cuando previamente estunido al trp.
EL OPERÓN TRIPTÓFANO: REGULACIÓN POR ATENUACIÓN 'uando 3anofs?y anali(ó mutantes que afectaban al gen trp" que codifica para la prote"na represora y que continuaban produciendo ARm del 8peron trp a%n en presencia de triptófano, observó que la eliminación del triptófano del medio produc"a un aumento casi de 45 veces en la producción del ARm del 8peron trp, incluso aunque el represor estuviera inactivo. 3anofs?y identificó la región del A# responsable de este aumento en la producción del ARm del 8peron trp. #emostró que estos mutantes ten"an una deleción entre el operador y el primer gen estructural, el gen E .
La secuencia atenuadora se encuentra en la región líder
3anofs?y aisló el AR6m multigénico del operón trp y secuenció la región del etremo @ encontrando una región l"der del 475 bases que no se traduce a amino-cidos. Esta secuencia se encuentra antes del primer triplete que se transcribe. 'uando anali(ó la secuencia correspondiente en el mutante que siempre produce niveles m-imos de trp, detectó una deleción de una =5 bases Ingeniería Biotecnológica
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que se etend"a desde la posición 4=5 a la 475. 3anofs?y llamó atenuador a la región del A# inactivada por la deleción, ya que su presencia conduce aparentemente a disminuir la tasa de transcripción. 3anofs?y comprobó utili(ando mutantes trp" que incluso en presencia de altos niveles de trp, que deber"an hacer que la región atenuadora redu!era en 45 veces la tasa de transcripción, se segu"an transcribiendo las primeras 4>4 bases de la región l"der del AR6m del operón trp, aunque el AR6m de longitud normal solo aparec"a a un nivel 45 veces menor. #e forma, en presencia de altos niveles de trp las primeras 4>4 bases se transcriben al m-imo, pero por el mecanismo de atenuación que tiene lugar en esa región, solamente uno de cada 45 ARm se transcribe hasta el final. /or consiguiente, la región atenuadora act%a como una región terminadora de la transcripción en presencia de triptófano, mientras que en ausencia de triptófano el atenuador se desactiva y todas las moléculas de ARm se completan. )a región l"der del operón triptófano se caracteri(a por tener una sede de reconocimiento para los ribosomas y los codones de 4> amino-cidos, entre ellos dos residuos de triptófano. Adem-s, la siguiente región puede formar una estructura secundaria palindrómica en forma de la(o u horquilla. 'uando los niveles de triptófano son altos, la traducción de la primera parte del segmento l"der del mensa!ero impide de alguna manera la transcripción m-s all- de la estructura secundaria. 'uando los niveles de triptófano son ba!os disminuye o cesa la traducción del polipéptido sinteti(ado por la secuencia l"der, permitiendo que la AR polimerasa transcriba el operón completo. Aunque no se conoce la forma en la que tiene lugar la terminación anticipada, es posible que los ribosomas que traducen la región l"der produ(can la desaparición de la estructura secundaria de la segunda parte de la región l"der y se produ(ca el reconocimiento de esta región por el factor B de terminación.
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BIBLIOGRAFIA •
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'onceptos fundamentales de Genética, /ag. @@C Debgraf"a. http2FFF.ucm.esinfogeneticagrupod8peron8peron.htm8peron H<5triptH'=H*=fano
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