El material genético determina y controla las características estructurales y metabólicas de todos los seres vivos.

Se transmite de una generación a otra.

DNA

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.

Moléculas de DNA circular también seencuentran en las mitocondrias denumerosas células eucariontes y enlos cloroplastos de las plantas.

En eucariontes el material genético consiste enmoléculas lineales de DNA no ramificadas,de diferente longitud pudiendo llegar a serextremadamente largas (megabases) las que seencuentran unidas a un grupo de proteínas

básicasllamadas histonas. Este complejo formado por el

DNA y las proteínas recibe el nombre de cromatina.

La información que contiene el DNA de todos losseres vivos se encuentra almacenada en unidadesestructurales que se conocen con el nombre deGenes.

“fragmento de DNA que contiene la información quecodifica para la síntesis de una cadena polipeptídica

o RNA funcional (tRNA, rRNA, mRNA)”.

La organización de los genes en el DNA presentabastantes 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

En el ADN procarionte los genes que codificanproteínas relacionadas funcionalmente seencuentran agrupados en regiones que

funcionancomo una unidad que se transcribe desde un

sitioúnico y genera un ARNm codificante de

numerosasproteínas.

Cada sección del ARN mensajero representa una

unidad (gen) que instruye al aparato de síntesis de

proteína para la construcción de una proteínaparticular. Este arreglo de genes en serie,

funcionalmente relacionados, se llama operón,porque actúa como una unidad con un solo sitio

deinicio de la transcripción para varios genes.

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.

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

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

codificada en este ARNm.

El orden de los genes en el ADN bacteriano

corresponde al orden de las enzimas que catalizan

lasdistintas etapas de

síntesis del triptófano

E. coli crece en el medio cuando hay glucosa. Pero

sino la hay y si hay lactosa, crece con lactosa.

Jacob y Monod comprobaron que cuando en el medio

había lactosa aumentaba la concentración

intracelular de beta-galactosidasa, además se

producían dos proteínas: permeasa que introduce la

lactosa en el interior de la bacteria y la transacetilasa.

Beta galactosidasa

Lactosa galactosa + glucosa.

Un gen regulador: El gen regulador codifica una proteínareguladora, llamada represor.

Por ejemplo, el represor lac, codificado por elgen lac I, es la proteína reguladora del operón

lac.

Un operador.El operador es la región de DNA en el

operón ala que se une la proteína reguladora.

Un promotor.El promotor es la secuencia de DNA en eloperón reconocida por la RNA polimerasa.El lugar de iniciación para la síntesis del

RNAestá situado inmediatamente tras el

promotor.

Genes estructurales.El operón contiene uno o más genes que

codificanenzimas inducibles. El operón lactosa codifica

lasenzimas necesarias para el metabolismo de lalactosa, incluyendo ß-galactosidasa, ß-

galactósidapermeasa y ß- galactósido transacetilasa.

Z: beta-galactosidasa

Y: permeasa

A: transacetilasa

1. Existen algunos mutantes de E. coli que son incapaces de regular la producción de enzimas y producen, por ejemplo, beta-galactosidasas incluso en ausencia de lactosa, o enzimas para sintetizar triptófano incluso cuando hay triptófano. ¿Qué desventaja tienes estos especímenes comparándolos con normales?

2. ¿Cuál es el beneficio que se puede obtener de

conocer la función especifica de los operones, sobre

todo en el área biotecnológica medica?

3. Según tus conocimientos previos, ¿Cuál es la principal diferencia entre el control génico en procariontes y eucariontes?

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)

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

esténexpresando siempre, codificando para sistemas

enzimáticos que funcionan continuamente.

Genes que se expresan solamente en determinadas

situaciones y que, por consiguiente, codifican para

enzimas que solamente se necesitan en momentos

concretos, codifican para sistemas enzimáticosadaptativos, por su característica de

expresarsesegún las condiciones del medio.

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

Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que 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.

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.

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.

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.

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 promtora y se transcriben los genes del operón 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 ARN-polimerasa no puede unirse a la región promotora y no se

transcriben los genes estructurales del operón trp.

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.

En bacterias, el control génico lepermite a una célula ajustarse acambios de su medio ambientenutricional.En organismos eucariontesmulticelulares, en cambio, el controlde la actividad génica esta relacionadocon un programa genético, quedepende del desarrollo embriológico yde la diferenciación de distintos tejidos.

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);

Regula los ARNm que son traducidos por los ribosomas en el citoplasma (control de traducción);

Controla la vida media del ARNm (control de degradación del ARNm)

Regula la activación e inactivación de proteínas (control de la actividad de las proteínas).

De todas estas etapas de regulación, la primera

es la que resulta más económica para la célula. La

transcripción en los eucariotas difiere de la delos procariotas en varios aspectos.

Separación física entre la transcripción y la traducción (núcleo---citoplasma)

El cromosoma eucarionte difiere en muchos aspectos del cromosoma procarionte

Aún siendo la transcripción el principal punto de regulación, al igual que en procariontes, la expresión de los genes suele estar sometida también a distintos tipos de control post- transcripcional

Mientras que las células procariotas transcriben casi todos sus genes, las células eucariotas eligen qué genes transcribir, dependiendo de señales intra y extra celulares, además de las relaciones que se sostienes con otros tipos celulares.

Cada tipo celular eucariota expresa sólo una fracción de los genes que tiene, esta fracción compromete alrededor del 20% de ellos. Es decir, sólo el 20% de los genes se transcribirá en

ARN y luego se traducirá en proteínas.

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

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.

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.

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. )

Proceso muy exacto, donde los intrones son cortados del ARNm inmaduro por un sistema específico que reconocen secuencias cortas dentro del intrón y que se encuentra cerca de los límites con exones.

Estas secuencias son llamadas "sitio dador"

El corte y empalme esta catalizado por una estructura pequeña, compuesta por

ribonucleoproteínas llamadas spliceosoma, la que reconoce las secuencias en los

intrones y su posterior fijación. Luego hay una secuencia de pasos que

determinan el ligado de los exones

SpliceosomaSpliceosoma

En algunas casos se incluyen ribonucleotidos en

regiones especificas, los que genera un corrimiento de la lectura sintetizando

proteínas diferentes.El ARNm procesado

correctamentese transporta hacia el

citoplasma a través de los poros de la carioteca

Una vez sintetizadas, las proteínas pueden sermodificadas mediante la unión de distintasmoléculas (grupos fosfato, adenilatos, azúcares)Estos agregados permiten regular la acción proteicamuy rápido porque no dependen del proceso desíntesis.Estas modificaciones generalmente le otorgan lafuncionalidad a la proteínas (hormona, enzima)

ResumenResumen