10.regulacionenprok

8/19/2019 10.regulacionenprok

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Regulación de la Expresión genética

en Procariótas


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• Cómo la célula controla la síntesis de sus

proteínas?• A pesar de su simplicidad las bacterias tienen en

común con organismos superiores la regulaciónde la expresión genética..Por qué? son oportunistas nutricionales

• !btienen a"úcares# amino$cidos % nucleótidos %a sea delambiente o lo sinteti"an.

&íntesis in'olucra un extra costo de energía así que pre(ieretomarlos del ambiente

Con sistemas de regulación que acoplan la expresióngenética con sistemas sensoriales para detectarcompuestos rele'antes en su ambiente local


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)acterias

• *i(erentes (uentes de Carbono+a"úcares#glucosa# galactosa# xilosa, requierendi(erentes en"imas metabólicas

• -as en"imas permiten la entrada +proteína deimporte, de cada uno de ellos % en"imas que los

cataboli"an• &íntesis de todas las en"imas requiere de un

costo energético alto

• -os ni'eles de proteínas son regulados por

mecanismos que operan durante la trascripción %traducción

• Eucariotas especiali"ación de las célulasExpresión de sólo un grupo de sus proteínas


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• -a célula debe reconocer condicionesambientales en las cuales puede acti'ar oreprimir la trascripción de genes rele'antes

• -a célula necesita acti'ar o desacti'ar latrascripción de un gen o grupo de genes cuandolas en"imas se requieran o no.

• /odelo b$sico Como el metabolismo de la-actosa es genéticamente reguladoRE01-AC2!3 3E0A425A

6ran7ois 8acob % 8acques /onod en 9:;


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0enes estructurales segmentos

codi(icadores de proteínas

Concepto de operon codi(ica mR3A

multigénico# m$s el promotor % la regiónreguladora. 4ranscritos en único mR3A lo que

permite la regulación coordinada de la

síntesis de las proteínas

Concepto de represor>inducción

Acti'adores


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Figure 11-1. Regulation o( te lac operon. 4e I gene continuall% ma@es repressor. 4e repressor binds to teO +operator, region# bloc@ing te R3A pol%merase bound to P +te promoter region, (rom transcribing te

ad=acent structural genes. en lactose is present# it binds to te repressor and canges its sape so tat

te repressor no longer binds to O. 4e R3A pol%merase is ten able to transcribe te Z # Y # and A structural

genes# and te tree en"%mes are produced.


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Figure 11-2. 4e metabolism o( lactose. 4e en"%me b>galactosidase catal%"es a reaction in Bic Bater is added to

te b>galactosidase lin@age to brea@ lactose into separate molecules o( galactose and glucose. 4e en"%me lactose

permease is required to transport lactose into te cell.


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• 8acob % /onod explicaron que la síntesis de en"imaspara el metabolismo de un sustrato responde alproceso de inducción

Cómo una célula sabe que enzimas sintetizar ocómo un sustrato induce la aparición de estas:En el sistema lac, la presencia de lactosa causaa la célula a sintetizar 1000 eces m!s la

betagalactosidasa que en su ausencia 0alactósidos +inductores, inducen la síntesis de ungrupo de en"imas no sólo la βgalactosidasa#también la permeasa % la transacetilasa.

2denti(icaron tres genes controlados

coordinadamente 'ia producción de un mR3A único 2P40 isoprop%l>β>* tiogalactósido que no es

segmentado por la βgalactosidasa# permite elcontrol de la concentración de la en"ima dentro de

la célula


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Figure 11-". &tructure o( 2P40# te inducer o( te lac operon.

4e b>d>tiogalactoside lin@age is not clea'ed b% b>

galactosidase# alloBing manipulation o( te intracellularconcentration o( tis inducer.


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Figure 11-#. 4e I locus is te region

controlling te inducibilit% o( te lac

en"%mes.

• El gen lac I

8acob % /onod lo caracteri"aron a tra'és de un mutante que sinteti"aba todas las

en"imas inclusi'e en ausencia del inductor +2>,

• Expresión constituti'a

• Por primera 'e" se aislo una mutación no con el de(ecto en la acti'idad en"imatica sino en

el control de la producción de la en"ima /utaciones regulatorias

• I es trans actuante: Una copia del gen es suficiente para regular ambas copias del

operador en la célula diploide. Puede regular todos los genes estructurales ya se que

residen en la misma molécula de DA o en otra diferente !en cis o en trans

respecti"amente#


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*iploides parciales se pueden construir con el (actor de (ertilidad 6


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El producto de 2 es una proteína que se puede di(undir en la célula % actuar

en ambos operadores


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*emostración del sitio alostérico en otra mutación de 2


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• $a mutacion I % afecta la region de enlace al DA del

represor& de manera que no enla'a a este !DA# y

permite la transcripcion inclusi"e en ausencia del

inductor

• $a mutacion I s !superrepresor# afecta la region del

represor que enla'a el inductor y reprime la transcripcion

inclusi"e en presencia del inductor


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Figure 11-$. A simpli(ied lac operon model. 4e tree genes

Z # Y # and A are coordinatel% expressed. 4e product o( te I

gene# te repressor# bloc@s te expression o( te Z # Y # and A

genes b% interacting Bit te operator +O,. 4e inducer can

inacti'ate te repressor# tereb% pre'enting interaction Bit

te operator. en tis appens# te operon is (ull%

expressed


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Figure 11-%. 4e recessi'e nature o( I mutations demonstrates tat te

repressor is trans acting. Altoug no acti'e repressor is s%ntesi"ed (rom

te I gene# te Bild>t%pe +I D, gene pro'ides a (unctional repressor tat bindsto bot operators in a diploid cell and bloc@s lac operon expression +in te

absence o( an inducer,.


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Figure 11-&. 4e dominance o( I s mutations is due to te inacti'ation o( te

allosteric site on te -ac repressor. 2n an I sI D diploid cell# none o( te lac

structural genes are transcribed# e'en in te presence o( an inducer. 2n contrast

Bit te Bild>t%pe repressor# te I s repressor lac@s a (unctional lactose>binding

site +te allosteric site, and tus is not inacti'ated b% an inducer. 4us# e'en in

te presence o( an inducer# te I s repressor binds irre'ersibl% to all operators in

a cell# tereb% bloc@ing transcription o( te lac operon


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-a mutación !c a(ecta solo a los genes estructurales en el mismo

cromosoma: cis actuante


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Figure 11-'. ODOc etero"%gotes demonstrate tat operators are cis acting. )ecause arepressor cannot bind to Oc operators# te lac structural genes lin@ed to an Oc operator are

expressed e'en in te absence o( an inducer. FoBe'er# te lac genes ad=acent to an OD

operator are still sub=ect to repression.


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• -a especi(icidad del represor es su reconocimiento

del operador# descrito por 8acob % /onod• -as mutaciones en el operador son cis actuantesque signi(ica ad%acente.+trans a tra'és,

• -a acti'idad del represor indica que esta es unasecuencia trans actuante. Acción de un producto

di(usible +a tra'és,. Cis reconocimiento de unasecuencia

• Ambas mutaciones +2> % !c, son constituti'as

• El segmento !GHA constitu%e una unidad genética

de expresion coordinada ba=o un Control 3egati'odel represor


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• Represor constituidos por I monómeros idénticos con I sitios para

enla"ar 2P40. / JKLLL

• *3asa permitió identi(icar la secuencia del operador 9M> N< bp antes delgen G +El represor protege bases especí(icas en el operador,

• Reconocimiento especí(ico represor>operador# que puede ser a(ectada

por una simple substitución de una base

• alter 0ilbert % )enno /uller Fill# 9:;;.


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• /utaciones polares

Algunas mutaciones en G o H demostraron

ser polares es decir a(ectan los genes

corriente aba=o +doBnstream, en el operon• E=. /utación G resulta no sólo en una (unción nula

de este gen sino también de H % A

• E=. /utación en H es polar sobre A pero no en G

• Resultan de codones de terminación que causan

que los ribosomas se separen del transcrito


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Represión cat$bolica del operon lac

control positi'o

• Para maximi"ar la e(iciencia de energía# dos condicionesambientales tienen que ser satis(ecas para que lasen"imas del operon lac sean expresadas

-actosa debe estar presente en el ambiente

0lucosa no puede estar presente. -a célula capturam$s energía de la degradación de la glucosa que deotras a"úcares# es m$s e(iciente para la céluladegradarla que a lactosa

• -a represión de la transcripción del operon lac enpresencia de glucosa es un e=emplo de represióncatabólica . 1n producto +catabolito, del catabolismo dela lactosa +glucosa, pre'iene la inducción del operon lacpor la lactosa


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Figure 11-11. Catabolite control o( te lac operon.

4e operon is inducible b% lactose to te maximal

le'els Ben cA/P and CAP (orm a complex. +a,

1nder conditions o( ig glucose# a glucose

brea@doBn product inibits te en"%me aden%late

c%clase# pre'enting te con'ersion o( A4P into

cA/P. +b, 1nder conditions o( loB glucose# tere is

no brea@doBn product# and tere(ore aden%late

c%clase is acti'e and cA/P is (ormed. +c, en

cA/P is present# it acts as an allosteric e((ector#

complexing Bit CAP. +d, 4e cA/P>CAP complex

acts as an acti'ator o( lac operon transcription b%

binding to a region Bitin te lac promoter. +CAP#

catabolite acti'ator proteinO cA/P# c%clic adenosine

monopospate.,

Catabolite actiator

protein.Codi(icada por

el gen crp


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•CAP enla"a una secuencia especí(ica en el *3A e incrementa la a(inidad de la R3A polimerasa por el

promotor lac

• Ambas secuencias tiene en común su simetria rotacional doble +rotational tBo(old s%mmetr%,. &i se rota

la secuencia 9KL en el plano de la o=a# la secuencia de las bases resaltadas ser$ la misma


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• Palindrome: A nucleotide sequence on a DNA

molecule in which the same sequence is foundon each strand, but in the opposite direction,leading to the formation of a repetitiousinversion.

•Ingenetics,dyad symmetry (diada) refers totwo areas of aDNA strand whose base pair

sequences areinverted repeats of each other.

They are often described aspalindromes.For

example, the following shows dyad symmetrybetween sequences GAATAC and GTATTCwhich are reverse complements of each other.

http://en.wikipedia.org/wiki/Geneticshttp://en.wikipedia.org/wiki/DNAhttp://en.wikipedia.org/wiki/Inverted_repeathttp://en.wikipedia.org/wiki/Palindromeshttp://en.wikipedia.org/wiki/Palindromeshttp://en.wikipedia.org/wiki/Inverted_repeathttp://en.wikipedia.org/wiki/DNAhttp://en.wikipedia.org/wiki/Genetics


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en CAP binds te promoter# it creates a bend greater tat :L degrees in te

*3A.

El dobles en el *3A puede a%udar al enlace de la R3A polimerasa


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-a secuencia de bases muestra que la R3A pol % CAP enla"an ad%acentemente


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&umario del

!peron lac


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)ases de la regulación de la transcripción

procariotica

• -a regulación de la transcripción depende dedos tipos de interacción *3A>proteínas Represor Regulación negati'a

• 2nter(iere con el enlace de la R3A polimerasa a su promotor

o bien impide su mo'imiento

Acti'ador Regulación positi'a• A%uda a unir la R3A polimerasa a su promotor para iniciar la

transcripción

Ambos# la prote*nas reguladoras % sus sitios deenlace +enetic sitces interruptor genético/• Control e(iciente de los cambios en la expresión genética

que ocurre en respuesta a condiciones ambientales


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Figure 11-1". Comparison o( positi'e and

negati'e control. 4e basic aspects o( negati'eand positi'e control are depicted. +a, 2n negati'e

control# an acti'e repressor +encoded b% te (

gene in te example soBn ere, bloc@s gene

expression o( te A ) * operon b% binding to an

operator site +O,. An inacti'e repressor alloBs

gene expression. 4e repressor can be

inacti'ated eiter b% an inducer or b% mutation.

+b, 2n positi'e control# an acti'e (actor is required(or gene expression# as soBn (or te + Y Z

operon ere. &mall molecules can con'ert an

inacti'e (actor into an acti'e one# as in te case

o( c%clic A/P and te CAP protein. An inacti'e

positi'e control (actor results in no gene

expression. 4e acti'ator binds to te control

region o( te operon# termed I in tis case. +4e

positions o( bot O and I Bit respect to te

promoter# P # in te tBo examples are arbitraril%

draBn


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• El represor % acti'ador deben existir en

dos (ormas 1na que enlace el *3A % otra que no

• *3A binding domain

• &itio alostérico

2nteractúan con e(ectores alostéricos

• Ambos deben reconocer cuando las

codiciones ambientales son apropiadas

para su acción


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Figure 11-1#. 4e e((ects o( allosteric e((ectors on te

*3A>binding acti'ities o( acti'ators and repressors


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Figure 11-1$. /ap o( te ara region. 4e )# A# and D genes togeter Bit

te I and O sites constitute te ara operon

Control dual Regulación positi'a % negati'a del operon

Arabinosa


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Figure 11-1%. *ual control o( te ara operon. +a, 2n te presence o( arabinose# te AraC protein binds to te araI region and# Ben bound to cA/P#

te CAP protein binds to a site ad=acent to araI. 4is binding stimulates te transcription o( te ara)& araA& and araD genes. +b, 2n te absence o(

arabinose# te AraC protein binds to bot te araI and araO regions# (orming a *3A loop. 4is binding pre'ents transcription o( te ara operon


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5ías metabólicas % ni'eles adicionales de

regulación Atenuación

•El control coordinado de genes en bacterias es

ampliamente distribuido +operones,

•*egración de a"úcares• Para la síntesis de moléculas esenciales# también los

genes que codi(ican estas en"imas estan organi"adas

en operones % completan con el mR3A multigénico

• Adem$s en casos donde la secuencia catalítica esconocida# a% una congruencia entre el orden de los

genes en el operon en el cromosoma % el orden de sus

productos en la 'ía metabólica


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El operon lac es un e=emplo de sistema inducible enel sentido de que la síntesis de una en"ima es

inducida en presencia de su sustrato &istemas represibles también existen cuando un

exceso del producto lle'a a la desacti'ación de lasen"imas que lo sinteti"an

• &íntesis de tripto(ano• 0rupo de < genes estructurales +8acob % /onod,

• e di(erencia del operon ac en que el represorsólo enlazar! el operador sólo cuando este esenlazado por el tripto(ano

• 6eedbac@ inibition la primera en"ima de la 'íametabólica es inibida por el tripto(ano


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Figure 11-1&. 4e cromosomal order o( genes in te trp operon o( ,. coli and te sequence o( reactions catal%"ed b% te

en"%me products o( te trp structural genes. 4e products o( genes trpD and trp, (orm a complex tat catal%"es speci(ic

steps# as do te products o( genes trp) and trpA. 4r%ptopan s%ntetase is a tetrameric en"%me (ormed b% te products

o( trp) and trpA. 2t catal%"es a tBo>step process leading to te (ormation o( tr%ptopan. +PRPP# posporibos%l

p%ropospateO C*RP# 9>+o>carbox%pen%lamino,>9>deox%ribulose pospate., +A(ter &. 4anemura and R. F. )auerle#

-enetics :


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• !tro sistema de control di(erente al mecanismo de

represor>operador tenuación

3os mecanismos de regulación transcripcional para la s*ntesis

de triptó(ano 4 otros amino!cidos:

Control global del operon para la expresión del mR3A reresor>trp

1na m$s a(inado Atenuación después de la iniciación de la

transcripción

• Analisis de mutantes trp R> en presencia de triptó(ano# se produce trp mR3AO

eliminación de tripto(ano incremento 9L 'eces mR3A

• El represor estaba inacti'o % no podía participar del

mecanismo de control# no podía ocurrir laderepresion en el operador debido a estos ba=os

ni'eles de triptó(ano


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• Hano(s@i aisló un mutante constituti'o quesinteti"aba estos mismos ni'eles inclusi'e en

presencia de triptó(ano *eleción en una región entre el operador % el

gen trp E

&ecuencio el mR3A del operon triptó(ano

Q &ecuencia lider de 9;L bpQ /utación desde la base 9JL a la 9;L

Q -a denominó Atenuador# su presenciareduce la rata de la transcripción cuando el

triptó(ano esta presente


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Figure 11-1'. 4e leader sequence# soBing te attenuator segment o( te trp operon#

along Bit te beginning o( te trp, structural sequence +soBing te amino acid

sequence o( te trp, pol%peptide,. +A(ter 0. &. &tent and R. Calendar# olecular-enetics& Nd ed. Cop%rigt S 9:MK b% . F. 6reeman and Compan%. )ased on

unpublised data pro'ided b% Carles Hano(s@%.,


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Figure 11-15. *iagram o( te trp operon soBing te promoter +P ,# operator +O,#

and attenuator + A, control sites and te genes (or te leader sequence +$, and

te en"%mes o( te tr%ptopan patBa% +, # D# * # )# and A,. +A(ter -. &tr%er#

)ioc/emistry& It ed. Cop%rigt S 9::< b% -ubert &tr%er.,


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11-20. /odel (or attenuation in te trp operon. +a, Proposed secondar% structures in ,. coli terminated trp leader R3A. 6our regions can base

pair to (orm tree stem>and>loop structures. +b, en tr%ptopan is abundant# segment 9 o( te trp mR3A is (ull% translated. &egment N enters

te ribosome +altoug it is not translated,# Bic enables segments J and I to base pair. 4is base>paired region someoB signals R3A

pol%merase to terminate transcription. 2n contrast# Ben tr%ptopan is scarce +c,# te ribosome is stalled at te codons o( segment 9. &egment N

interacts Bit segment J instead o( being draBn into te ribosome# and so segments J and I cannot pair. Consequentl%# transcription continues.

+A(ter *. -. !xender# 0. GuraBs@i# and C. Hano(s@%# Proceedings of t/e ational Academy of 0ciences& M;# 9:M:#


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6actores sigmas alternati'os regulan mucos grupos de genes

•)acterias gramD requieren expresión coordinada de grupo

de genes separados locali"ados en el genoma para

producir cambios (isiológicos % mor(ológicos dram$ticos

•e=. Esporulación en )acillus subtilis

•-a expresión de distintos (actores sigmas permite la

transcripción coordinada de di(erentes grupos de genes o

regulones por una sola R3A polimerasa


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