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Tema 10. Regulación y expresión génica en procariotas 1. Regulación genética Distintos genes poseen diferentes niveles de expresión y muchos otros modifican su expresión en función de determinados factores ambientales y circunstancias. Por ejemplo E. Coli tiene 400 genes.Responde a cambios de amabiente alterando con rapidez su bioquímica. Expresando nuevos genes y sintetizando proteínas adecuadas al nuevo ambiente.

1.1 ARNm policistrónico Los genes cuya función está relacionada suelen estar juntos en el mismo cromosoma y forman parte de una misma unidad transcripcional. Se transcriben en una única molécula de ARNm, pero luego se traducen de manera separada.

1.2 Genes según expresión Genes constritutivos: se expresan con independencia del ambiente. Mantenimiento de las funciones celulares básicas. Genes regulados: Se expresan según diferentes circunstancias. Sólo son necesarios en determinados ambientes. Su no expresión fuera de estos ambientes supone un ahorro energético importante y una mayor eficiencia de las bacterias. Genes estructurales: codificantes, sintetizan ARNm y proteínas como productos finales. Genes reguladores: Secuencias trans: Codifican ARNm y proteínas, y se difunden hasta encontrar su lugar diana, en un lugar distinto al lugar donde se sintetizaron, para regular su expresión (proteínas reguladoras). Secuencias Cis: no codificantes, no se transcriben. Afectan sólo al ADN dónde están unidas. Antes del inicio de la transcripción (promotor) o lugares donde se unen las proteínas reguladoras.

2. Niveles de regulación bacterias 2.1 Regulación por subunidades sigma alternativas (Nivel trancripcional) El ambiente hace que se sintetice un determinado factor sigma que se unirá a promotores específicos de genes que expresará, y no se une a otros que dejará de expresarse

2.2 Regulación epigenética bacterias Metilación del ADN: postreplicativa (metil transferasa o metilasas) metil C y metil G. La metilación puede afectar a la unión de las proteínas reguladoras o del ARN polimerasa. Nucleótidos del promotor

2.3 Regulación postraduccional Regulación Alostérica: cambio conformacional de una proteína, por unión reversible de un metabolito a un sitio diferente.Modificaciones covalentes:fosforilación, uridilación, adenilación y proteólisis (degradación de proteínas)

3. Regulación génica en células bacterianas Muchos genes bacterianos que tienen funciones relacionadas se encuentran agrupados y están bajo el control de un único promotor; se transcriben junto a un único ARNm (ARN policistrónico) Operón: grupo de genes bacterianos estructurales que se transcriben juntos (junto con su promotor y las secuencias adicionales que controlan la transcripción). Regula la expresión de los genes estructurales mediante el control de la transcripción. Es el nivel más importante de regulación génica en bacterias. Tipos: Inducibles: transcripción está normalmente no se produce y algo debe ocurrir para inducir la misma (inductor).

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Reprimibles: transcripción normalmente activada y algo debe ocurrir para que se inhiba la misma (represor).

Elementos de un operón: genes estructurales, promotor, operador, gen regulador (tiene su propio promotor que sintetiza una proteína reguladora, que se une a la región operador, ya que no forma parte del operón, encontrándose en otro fragmento de ADN mas o menos alejado). 1. Un operón es un sistema de expresión coordinada de varios genes estructurales que actúan en una misma ruta metabólica. 2. Un gen regulador puede participar controlando transcripción del operón. 3. Los genes estructurales codifican proteínas. 4. Los genes reguladores controlan la transcripción de los genes estructurales. 5. La transcripción está normalmente apagada porque la proteína reguladora es un represor y se une al operador inhibiendo la transcripción. 6. La transcripción se enciende cuando una molécula pequeña (Inductor) se une al represor e impide que éste se una al operador. 7. Los operones inducibles suelen controlar proteínas que llevan acabo procesos de

degradación.

3.1 Regulación/control de la transcripción Hay dos tipos: Control negativo: una proteína reguladora (represor) se une al ADN ( operador, elemento cis) e impide incio la transcripción. Los genes bajo control se están expresando por defecto. Control positivo: una proteína (activador) se une al ADN (operador) y provoca la transcripción.

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4. Operones inducibles negativos La transcripción está normalmente apagada, porque la proteína reguladora es un represor que se al operador inhibiendo la transcripción. Se enciende cuando una molécula pequeña, inductor, se une al represor e impide que éste se una al operador.

4.1 Operón lactosa (inducible negativo) En E. Coli controla la síntesis de 3 enzimas que permiten utilizar la lactosa como fuente de energía. F. Jacob & J. Monod, 196 analizaron mutaciones que afectaban metabolismo de la lactosa, y encontraron mutaciones en genes estructurales, reguladores, del operador y del promotor. Identificaron que: Forma cis: capaces de controlar expresión de genes sólo cuando se encuentran en la misma proporción de ADN. Forma trans: capaces de controlar expresión de genes en otras moléculas de ADN. Si no hay percusor disponible(lactosa) es un desperdicio para las células sintetizarlas encimas que le metabolizan por lo tanto se regula la síntesis de encimas de forma económica: sólo se sintetizan cuando su sustrato está disponible. Los operones inducibles suelen controlar proteínas que llevan a cabo procesos de degradación.

5. Operones reprimibles negativos Normalmente ocurre la transcripción y se puede inhibir o reprimir. La proteína reguladora (gen regulador) es un represor, pero se sintetiza de forma inactiva y no puede unirse al operador. Por lo que la ARN polimerasa se une al promotor y comienza la transcripción. La transcripción se detiene cuando una molécula pequeña, un correpresor, se une a la proteína reguladora y ésta se une al operador impidiendo la transcripción.

5.1 Operón triptófano En E. Coli controla la biosíntesis del aminoácido triptófano. EL operón triptófano tiene 5 genes estructurales ( E, D, C,B,A) que producen los componentes de tres enzimas que convierten el corismato en triptófano. Posee un promotor y un gen regulador del Trp que codifica un represor que no es capaz de unirse al ADN por si solo. Cuando niveles de Trp son bajos, la ARN polimerasa se une a promotor y transcribe los 5 genes estructurales de un único ARNm, que se traduce luego en enzimas que sintetizan Trp.

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Cuando existe Trp, éste se une al represor inactivo provocando un cambio de conformación que es capaz de unirse al operador, con lo cual la ARN polimerasa no puede unirse al promotor, y los genes estructurales no se pueden transcribir.

6. Regulación por atenuación Charles Yanosfy encontró bacteria smutantes sin represor, y aunque el operón triptófano funciona, aumenta aún más su expresión si se elimina l triptófano del medio. Este segundo nivel se llama atenuación.Se encontraron bacteria smutantes con una delección (30 bases) entre el operador y el primer gen estructural (gen E), que disminuía la tasa de transcripción, no hay represor. La región líder o atenuador que no se traduce a aminoácidos, reconoce a ribosomas y los codones de 14 aa, entre ellos 2trp. La siguiente región puede forman una estructura secundaria palindrómica en forma de lazo u horquilla. Nivel de triptófano alto: traducción de la primera parte del segmento líder del mensajero, impide de alguna manera la transcripción más allá de la estructura secundaria. Nivel de triptófano bajo: disminuye o cesa la traducción del polipéptido sintetizado por la secuencia líder, permitiendo que la ARN polimerasa transcriba el operón completo. La atenuación es un sistema de control genético de una amplia variedad de operones biosintéticos especialmente de aminoácidos en bacterias. Las interacciones entre operones son algo frecuente y hacen muy complejo el entendimiento de la regulación de la expresión génica en los seres vivos. Los sitemas enzimáticos de los seres vivos pueden ser:  Dependientes: la presencia de uno de ellos es necesaria para otro.  Excluyentes: la presencia de uno impide el funcionamiento del otro.  Alternativos: la presencia de uno no depende de la de otro.

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7. Regulacion de la expresión genica Los bacteriófagos son virus que infectan a bacterias. Han desarrollado a lo largo de la evolución mecanismos cad avez más eficientes para poner a su servicio la maquinaria de las células bacterianas a las que infectan, de forma que ponen a su servicio la síntesis de ADN y la síntesis de proteínas y/o sintetizan nuevas ARN polimerasas específicas Diferentes sitemas:  Síntesis de una nueva ARN polimerasa.  Síntesis de subunidades de nueva formación de la ARN polimerasa.  Producción de proteínas activadoras o represoras de los operones del fago. Fago lamda(respuesta lítica o lisogénica) mapa genético en el que se indican las posiciones de mutaciones no letales y letales condicionales; también están señaladas las regiones que contienen genes con funciones relacionadas.

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