Genética Microbiana

Genética
Microbiana
Tamaño de los genomas
Se puede expresar como
el número de bases por
molécula.
Una molécula con 1000
bases es una Kb de ADN.
Si el ADN es de doble
hélice, se habla de pares
de kilobases (Kpb).
1 vuelta de ADN tiene
aproximadamente 10 pb.
1 Kb tiene 100 vueltas
(0.34mm).
Características del genoma
procariote
•Cromosoma circular.
•105-106 pb.
•Haploide.
• Aproximadamente 90%
codifica para proteínas y el 10%
para regulación.
• Operones poligénicos o
policistrónicos (que tienen
muchos genes estructurales) y
operones monocistrónicos.
Genoma de E. coli 4.64 millones
de pares de bases (4640 kb).
Organización del genoma
procariote
El ADN de E. coli tiene una longitud de 1 mm, unas 400 veces su tamaño.
Se encuentra organizado en dominios (100) supererrollados, estabilizados
cada uno por proteínas específicas.
ADN superenrollado
•Superenrollamiento positivo: la doble hélice está sobrenrollada.
•Superenrollamiento negativo: la doble hélice esta infraenrollada. Torsión
de la doble hélice sobre su eje en sentido opuesto a la doble hélice. Esta
es la forma más común en la naturaleza.
•Topoisomerasas clase I.
•Topoisomerasas clase II.
Superenrollamiento negativo
•ADN-girasa (topoisomerasas clase II), presente en bacterias y muchas
arqueas.
•En bacterias la ADN girasa es inhibida por quinolona (ácido nalidíxico),
fluoroquinolonas (ciprofloxacino) y novobiocina que también parece
inhibir a la ADN girasa en algunas especies de arqueas.
•La Topoisomerasa I elimina el superenrollamiento y regresa la cadena al
estado relajado.
Características del genoma
eucariote
•Cromosoma lineal
•107-109 pb
•Haploide y diploide
• La codificación a proteínas varia
entre el 3% en humanos y 70% en
levaduras .
• Presencia de intrones (regiones
no codificantes) y exones
(regiones codificantes).
Organización del genoma
eucariote
Clases de elementos genéticos
Organismo
Elemento
Tipo de ácido
nucleico
Descripción
Procariotas
Cromosoma
ADN de doble
cadena
Muy largo, normalmente
circular
Eucariotas
Cromosoma
ADN de doble
cadena
Muy largo, lineal
Todos
Plásmido*
ADN de doble
cadena
Molécula extracromosómica
circular o lineal relativamente
corta
Todos
Elemento
transponible
ADN de doble
cadena
Siempre se encuentra inserto
en otra molécula de ADN
Mitocondrias y
cloroplastos
Genoma
ADN de doble
cadena
De longitud media,
normalmente circular
Virus
Genoma
ADN o ARN de
cadena doble o
sencilla
Circular (relativamente) o
lineal
*Los plásmidos son raros en eucariotas.
Brock. Biología de los Microorganismos, 12ª edición, 2009
Dogma Central
Replicación de ADN
• Replicación semiconservativa
Hebra original
Hebra nueva
Enzimas:
• ADN polimerasa(E. coli). Sitetizan en dirección 5’  3’.
I. Replicación en menor grado. Exonucleasa 5’  3’. Elimina al primer.
II. Participa en la reparación del ADN.
III. La enzima principal de la replicación.
IV. Participa en la reparación del ADN.
V. Participa en la reparación del ADN.
• Primasa (RNA polimerasa)
Sintetiza un fragmento corto (cebador o primer) de 11 o 12 nucleótidos de
ARN sobre la cadena de ADN.
Replicación de ADN
• Origen de la replicación (solo uno en procariotas).
• Helicasa de ADN.
• ADN-girasa (topoisomerasa II).
• Proteínas de unión a ADN.
• Holoenzima. Dos DNA-pol III en el replisoma.
• ADN pol I.
• ADN-Ligasa.
Replicación en procariotes
• Replicación bidireccional.
Estructura Theta 
Replicación en
procariotes
• Circulo rodante.
~Plasmidos en Gram positivas.
~Algunos virus.
~Conjugación.
Cadena
continua
Cadena
discontinua
Replisoma
Esta compuesto por:
Dos copias de ADN-pol III,
• Una helicasa y una primasa
(primosoma),
• Proteínas de unión a ADNss.
Proteína que mantiene
juntas a las ADN-pol III y a la
helicasa.
La ADN-girasa elimina el
superenrrollamiento.
Nature Reviews Molecular Cell Biology 3, 859-870 (November 2002)
Transcripción
Promotores y Factor Sigma
•Promotores: sitios en el ADN
que reconoce la ARN
polimerasa para iniciar las
transcripción.
•Factor sigma: cadena
sencilla (SS) un factor de
inicio de la transcripción en
procariontes que permite la
unión específica de la ARN
polimerasa al promotor de
un gen.
•Hay diferentes factores
sigma que son activados en
respuesta a diversas
condiciones ambientales.
Transcripción en eucariotes
Síntesis de
proteínas
Elementos genéticos no
cromosómicos
•Plásmidos: DNA de doble cadena
circular, capaces de la replicación
autónoma. Existen plásmidos lineales
en Borrelia burgdorferi y
Actinomicetos.
•Elementos transponibles: Fragmentos
de ADN que cambian de lugar en el
genoma de un organismo. Presentes
en eucariontes y procariontes.
En procariontes hay 3 tipos:
~Secuencias de inserción
~Transposones
~Virus especiales
Plásmidos
•Tamaño: de 1Kpb a 1Mpb.
•Están presentes en determinado
número de copias por célula
(1-3 ó más de 100)
•En Gram negativas se replican
de modo similar al cromosoma.
Replicación bidireccional
alrededor del círculo, aunque
algunas lo hacen unidireccional.
•En Gram positivas se replican
por el mecanismo de círculo
rodante, también algunas Gram
negativas y arqueas.
Plásmidos
•Episomas: pueden integrase al
cromosoma y se replican bajo el
control de este.
•Plásmidos conjugativos: los que
dirigen su propia transferencia
mediante el contacto entre células.
La región tra contiene genes que
codifican para transferencia y
replicación.
•Plásmidos no conjugativos: que no
pueden transferirse por sí mismos a
otra célula.
•Plásmidos crípticos: que solo se
sabe que se replican, no se sabe
qué otra función tienen.
Plásmido F (de fertilidad) de E. coli
Verde obscuro: genes de replicación.
Verde claro: genes de transferencia conjugativa.
Amarillo: elementos transponibles.
Fenotipos conferidos por plásmidos
Fenotipo
Organismos procariotas
Producción de antibióticos
Streptomyces
Conjugación
Amplio rango de bacterias
Funciones metabólicas
Degradación de octano, alcanfor y naftaleno
Degradación de herbicidas
Formación de acetona y butanol
Utilización de lactosa, sacarosa, citrato o urea
Producción de pigmentos
Producción de vesículas de gas
Pseudomonas
Alcaligenes
Clostridium
Enterobacterias
Erwinia, Staphylococcus
Halobacterias*
Resistencia
Resistencia a antibióticos
Resistencia a metales pesados
Amplio rango de bacterias
Amplio rango de bacterias
Virulencia
Formación de tumores en plantas
Nodulación y fijación simbiótica de nitrógeno
Producción de bacteriocina y resistencia
Invasión de células animales
Coagulasa, hemolisina, enterotoxina
Toxinas y cápsula
Enterotoxina, antígeno K
Agrobacterium
Rhizobium
Amplio rango de bacterias
Salmonella, Shigella, Yersinia
Staphylococcus
Bacillus anthracis
Escherichia
*Arqueobacteria.
Brock. Biología de los Microorganismos, 12ª edición, 2009
Plásmido conjugativo con
multirresistencia
Molecular structure of a circular,
conjugative multiresistance
plasmid from an Enterococcus
faecalis isolated from a raw
fermented sausage.
The molecule is made up of a
part originating from
Streptococcus (blue symbols)
and Enterococcus (black
symbols). Antibiotic resistance
genes are in white; the segment
responsible for conjugative
resistance transfer is indicated.
Insertion elements are shown as
boxes: they are potent tools to
excise and to insert genes into
DNA.
A total of 58 potential genes are
present. (© M. Teuber)
http://www.accessscience.com/popup.aspx?figID=YB030595FG0020&id=YB030595&name=figure
Elementos
transponibles en
bacterias
•Secuencias de inserción
(IS). Segmentos cortos de
ADN, aproximadamente
1000 nucleótidos, solo
contienen la información
genética que la necesaria
para moverse de un lugar a
otro.
•Transposones (Tn). Son más
grandes y tienen genes
adicionales. Se replican
como parte del ADN.
•Bacteriófago Mu. Que es a
la vez un virus y un
transposón.
Elementos de Inserción
•Secuencia de Inserción o Elemento de Inserción (IS): los transposones
simples contienen una secuencia central con información para la
transposasa y en los extremos una secuencia repetida en orden inverso
de entre 10 y 50 pb.
•Esta secuencia repetida en orden inverso no es necesariamente
idéntica, aunque muy parecida.
•Cuando un transposón simple se integra en un determinado punto del
ADN aparece una repetición directa de la secuencia diana (5-12 pb).
Transposones compuestos
Contienen un elemento
de inserción (IS) en
cada extremo en orden
directo o inverso y una
región central que
además suele contener
información de otro
tipo. Por ejemplo, los
factores de
transferencia de
resistencia (RTF), poseen
información en la zona
central para resistencia
a antibióticos.
http://www.mun.ca/biochem/courses/3107/Topics/Mobile_elements.html
Transposones conservativos
Elementos Tn5
Transposones
replicativos
Elementos Tn3
•La transposición es hecha por un
proceso que involucra la replicación del
elementos transponible.
•La transposasa codificada en el
elemento participa en la interacción del
elemento y el potencial sitio de inserción.
•Durante la interacción el elemento es
replicado y una copia es insertada en un
nuevo sitio y la otra permanece en el sitio
original con la participación de la enzima
resolvasa.
Bacteriofago Mu
•Su genoma es lineal, con un tamaño variable de 38-39 Kb.
•Los productos de los genes a y b codifican para la proteína A
(transposasa) y para la proteína B (resolvasa).
•La expresión de los genes es reprimida por el producto del gen c. La
transposición requiere de dos secuencias terminales de Mu, attL y attR
(algunas veces llamado MuL y MuR).
Bacteriofago Mu
•El DNA viral incluye, además del genoma del virus, DNA bacteriano en los
extremos. El fragmento del genoma bacteriano es variable, en el extremo
izquierdo puede tener una longitud de 50-150 bases y en el derecho de
1000 a 2000 bases.
•Se produce la escisión del fago del cromosoma bacteriano. Primero se
produce un corte a la izquierda que incluye parte del DNA bacteriano
adyacente, comienza a encapsidarse y una vez llenada la cabeza del
virus se produce el segundo corte a la derecha y también tiene DNA
bacteriano (1000-2000 bases).
•En el fragmento extra
derecho del cromosoma
bacteriano puede incluirse
un gen completo de la
bacteria con lo que al
infectar a otra célula
puede introducir un gen de
una bacteria a otra.
Elementos genéticos móviles
Los factores de
virulencia pueden
estar codificados en
elementos genéticos
móviles.
Nature Reviews Microbiology 2, 123-140 (February 2004)
Transferencia horizontal de
genes en bacterias
Nature Reviews Microbiology 4: 36–45, 2006
Mecanismos de transferencia
Conjugación
Transferencia de material genético por contacto célula-célula.
Plásmido conjugativo F o factor de fertilidad.
•100kb.
•Replicación autónoma.
•Formación del pili sexual.
•Funciones de conjugación.
•Contiene secuencias de inserción.
•Episoma.
•Una a tres copias.
Región tra (E. coli)
Aproximadamente 25 genes.
14 corresponden a la formación del pili sexual
•TraA corresponde a la pilina.
•En la punta TraN y TraG interactúan con OmpA.
•TraD forma el poro.
•TraY (proteína de unión a ADN) se une a oriT y permite la unión de TraI.
•TraI endonucleasa/helicasa desenrolla y guía la transferencia.
Sistema de Secreción tipo IV
Nature Reviews Microbiology 1, 137-149 (November 2003)
Transferencia por conjugación
F-
F+
F+
F-
F+
F+
F+
Modelo del círculo rodante.
Células Hfr
(High frequency of recombination)
•Integración del
plásmido F para formar
la cepa Hfr
•Ruptura del cromosoma
Hfr en el origen de la
transferencia.
Conjugación en otras células
•Plásmidos autotransmisibles.
•No hay presencia de pili
sexual.
•Se ha demostrado en
Streptococcus,
Enterococcus, Bacillus,
Clostridium y Streptomyces.
•Agrobacterium tumefaciens
transfiere parte del plásmido
Ti a plantas (T-DNA) a la
planta donde se producen
auxinas y citocinas
(producen un tumor), y
opinas (derivados de aa),
que sirven como fuente de
energía a A. tumefaciens.
Transformación
Involucra la adquisición de AND
libre del medio extracelular, y la
competencia genética es la
habilidad de llevar a cabo la
transformación.
Experimento de Griffith con
Streptococcus pneumoniae.
http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/
Competencia
Natural
•Streptococcus pneumoniae. Durante
el crecimiento se produce la proteína
CSP (competence-estimulating
peptide), se forma el translocasoma
que incluye la endonucleasa EndA
que degrada una cadena y facilita la
entrada de una hebra.
•Bacillus subtillis. Las células producen
un péptido, bajo ciertas condiciones
de estrés (alta densidad celular) la
acumulación induce la competencia
en las células.
•Bacterias Gram negativas
Haemophilus influenzae y Neisseria sp.
El transporte ocurre cuando
secuencias específicas DUS (DNA
uptake sequences ) son detectadas
por receptores.
Inducida
•Electroporación
•CaCl2 y bajas temperaturas.
SSTII y competencia
Nature Reviews Microbiology 2, 241-249 (March 2004)
Transformación
natural
Figure 2 | The natural transformation of
recipient bacteria and selection of
transformants. The steps involved in this
process include the release of extracellular
DNA into the environment and the uptake
of DNA into the cytoplasm of the recipient
bacterial cell that has developed a
regulated physiological state of
competence. Following uptake, for the
transferred DNA to persist it must integrate
into the bacterial genome through
homologous recombination or by
sequence-independent, illegitimate
recombination. Plasmids that succeed in
reconstituting a replication-proficient form
do not need to integrate into the host
genome. Modified with permission from REF.
159 © (1998) Blackwell Publishing, and REF.
160 © (1998) Elsevier
Nature Reviews Microbiology 3, 711-721 (September 2005)
Transducción
Experimento de Hershey-Chase.
Transferencia de marcadores
genéticos bacterianos de una
célula a otra por medio de
bacteriófagos.
Transducción generalizada
(cualquier fragmento) y
especializada (secuencias
específicas).
http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/
Ciclo lítico y lisogénico de un
bacteriófago
Transducción generalizada
Bacteriófago p22
Transducción especializada
Bacteriofago l
Recombinación
La recombinación es el
proceso por el que la
información genética se
ve redistribuida, tras la
transferencia de material
genético externo al
interno.
La recombinación permite
intercambiar grandes
conjuntos de genes,
suministrando una fuente
de variación y selección
para la evolución, más
rápida que la mutación.
http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/17transforma.htm
Recombinación homóloga
Implica la ruptura física y posterior unión de hebras de ADN de forma tal
que se intercambia el contenido de ADN resultando en dos hebras
distintas.
• Ocurre en zonas con alta homología en sitios distintos del genoma.
• Permite reparar cromosomas dañados durante la replicación
(mantenimiento de información).
• Depende de la intervención de un equipo enzimático característico,
en el que la proteína RecA (o equivalente) es central en el proceso.
Mecanismo de recombinación
homóloga
•Ruptura de la hebra
(endonucleasa).
•Proteínas de unión a ADNss.
• Invasión del extremo 3’OH en
zonas de homología (helicasa).
•RecBCD en E. coli (endonucleasa
y helicasa).
•Unión de RecA (invasión).
• Movimientos de la horquilla de
recombinación.
• Intermediario de Holliday.
• Resolución de la cruz de Holliday
por resolvasas (cortan y pegan).
•Productos: parches o empalmes.
Mecanismo de recombinación
homóloga
•RecA se une a una simple hebra y una doble hebra.
•La formación de una triple hélice permite identificar la región de
homología
Recombinación específica
(no-homóloga)
•Recombinación específica legítima
(conservativa)
~Requiere cortas secuencias de
homología (sitio-específica), que son
reconocidas por proteínas específicas.
~Es independiente de RecA.
~Típica la integración de fagos en sitios
concretos del genoma de bacterias
hospederas.
•Recombinación específica ilegítima: fenómenos de transposición
~No depende de homologías.
~Es independiente de RecA.
~El elemento transponible codifica para la transposasa.
~Muchos elementos transponibles (pero no todos) poseen un mecanismo
replicativo.
Aplicaciones de la genética
microbiana
Modificación de
plantas
Producción de insulina
Mutación
Es una modificación heredable en la secuencia de bases del genoma.
•Mutaciones
espontáneas. Se dan
manera natural por
radiaciones, radicales
de oxígeno y por
replicación.
•Mutaciones
inducidas. Son
generalmente
producidas por
mutágenos o agentes
físicos.
Fenotipos
bacterianos
Utilización de fuentes de carbono
y energía. Capacidad de las
bacterias para utilizar
determinados sustratos como
galactosa (gal-/gal+),
lactosa (lac-/lac+), etc.
Las cepas silvestres son protótrofas
(crecimiento en medio mínimo), se
pueden identificar mutantes
auxótrofas incapaces de sintetizar
algún metabolito esencial, por lo que
este debe ser añadido al medio
como biotina (bio-), arginina(arg-),
metionina (met-), etc.
Resistencia/Susceptibilidad.
Capacidad de crecen en
presencia de inhibidores, como
antibióticos como estreptomicina
(strR/strS), ampicilina (ampR/ampS),
kanamicina (kanR/kanS), etc.
Otras características como
morfología colonial y pruebas
bioquímicas también se emplean.
Mutaciones
•Mutaciones puntuales. Un par de bases remplaza a otro.
Transiciones, una pirimidina (o purina) es substituida por otra. C por T ó A por G.
Transversiones, una pirimidina es remplazada por una purina o viceversa. C(T)
por A o G ó bien A(G) por C o T.
Mutaciones silenciosas. Proteínas completas con aa iguales.
Mutaciones de cambio de sentido. Proteínas completas con aa incorrectos.
Mutaciones sin sentido. Terminación temprana por aparición de un triplete de
terminación.
Mutaciones polares. Ocurren en un operón por una mutación sin sentido, afecta
la síntesis de proteínas alejadas.
•Mutaciones por inserción. Adición de bases a una secuencia.
•Mutaciones por deleción. Pérdida de bases en un secuencia.
Mecanismos de reparación de
los fotoproductos del ADN
Mecanismos pre replicativos
• Reparación fotoenzimática
(fotorreactivación)
• Reparación por escisión y resíntesis
Mecanismos post replicativos
• Reparación posterior a la replicación
• Reparación por recombinación
• Reparación inducible propensa a error
(SOS)
Fotorreactivación
•Sistema de reparación directa de los
daños producidos por la luz UV (200300nm). La luz UV produce dímeros de
pirimidinas, fundamentalmente dímeros
de Timinas.
Moat, 2003
•El enzima Fotoliasa codificada por el
gen phr reconoce en la oscuridad los
dímeros de Timina y se une a ellos, y
cuando se expone a la luz (mediante un
fotón) deshace el dímero de Timinas.
Nature 421, 436-440 (23 January 2003)
Reparación por escisión de
nucleótidos
•La Endonucleasa UvrABC es
una escilnucleasa codificada
por los genes uvrA, uvrB y uvrC
que corta el ADN.
•La Helicasa II de ADN separa
las dos hélices y retira 12
nucleótidos.
•La ADN polimerasa I rellena el
hueco producido por la
Helicasa II y la Ligasa sella los
extremos.
http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Mutacion/mutacion.htm
Reparación post replicativa
•Reparación posterior a
la replicación
•Reparación por
recombinación
Nature 421, 436-440 (23 January 2003)
Reparación de apareamientos
incorrectos
La reparación de
apareamientos
incorrectos posterior a la
replicación requiere la
existencia de un sistema
que sea capaz de realizar
las siguientes operaciones:
•Reconocer las bases mal
apareadas.
•Determinar cual de las
dos bases es la incorrecta.
•Eliminar la base
incorrecta y sintetizar.
http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Mutacion/mutacion.htm
Reparación por recombinación
•Cuando la ADN-polimerasa-III
bacteriana se encuentra, en la cadena
que está usando como molde, con un
dímero de pirimidina, deja de replicar esa
zona, y salta unos 1000 nucleótidos más
adelante para seguir la replicación y deja
una mella de unos 1000 nucleótidos.
•Esta discontinuidad (llamada mella post
replicativa) se puede rellenar por el
mecanismo de reparación por
recombinación general, recurriendo a la
proteína RecA, que verifica una
recombinación con la hebra parental
homóloga intacta.
http://www.mun.ca/biochem/courses/3107/Topics/Repair.html
Mecanismo de la reparación
por recombinación
•Numerosas unidades de
proteína RecA recubren la
zona de cadena sencilla de la
mella post-replicativa,
formando estructuras
helicoidales.
•La proteína RecA promueve
emparejamiento homólogo de
la cadena sencilla a la que
recubre con la doble cadena
hermana intacta.
•Se produce un intercambio
recíproco de cadenas.
Mecanismo de la reparación
por recombinación
•El extremo 3'-OH libre de la cadena
dañada sirve de cebador a la ADNpolimerasa-I, que sintetiza ADN nuevo
usando como molde la cadena
complementaria intacta del dúplex.
•Ligación e isomerización espontáneas, que
produce la estructura de Holliday.
http://www.abcam.com/index.html?pag
econfig=resource&rid=10760&pid=10026
•Resolución de los dos sobrecruzamientos
por sendas roturas y religaciones, lo cual
genera dos dobles hélices ininterrumpidas.
Como se ve en la figura, uno de estos
dúplex lleva el dímero de pirimidina, y el
otro es una doble cadena intacta, aunque
parte de ella contiene ADN de nueva
síntesis.
Reparación SOS
•Cuando la ADN polimerasa III
encuentra un dímero de Timina (T)
producido por luz UV no sabe que
nucleótido poner saltando la región y
dejando un hueco.
•Como consecuencia esa región
queda como ADN de hélice sencilla.
•Debido a que la luz UV produce
muchos dímeros de Timina, se produce
un bloqueo en la replicación y para
evitar que la célula muera y pueda
replicarse se dispara el sistema de
emergencia SOS.
Reparación SOS
•El ADN de hélice sencilla activa a la
proteína RecA que a su vez
interacciona con la proteína LexA. La
proteína LexA es un represor de los
genes uvrA, uvrB, uvrD, sulA y sulB.
Todos estos genes tienen en el
promotor una secuencia denominada
caja SOS.
•La proteína LexA normalmente
impide la transcripción o expresión de
los genes citados anteriormente, pero
cuando interacciona con la proteína
RecA deja de impedir la expresión de
estos genes, pudiéndose sintetizar las
proteínas correspondientes y reparar
los daños producidos por la luz UV.
Reparación SOS
Control de la Transcripción
•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. Al compuesto que desencadena la síntesis del enzima
se le denomina Inductor.
Los sistemas inducibles se corresponden a procesos catabólicos de
degradación, por ejemplo, el operón lactosa, el operón arabinosa, el
operón maltosa. Se trata de sistemas enzimáticos encargados de
degradar la lactosa, arabinosa, maltosa, etc.
•Sistemas represibles. cuando el producto final de la reacción que cataliza
el enzima impide la síntesis de la misma. Este fenómeno recibe el nombre
de inducción negativa. Al compuesto que impide la síntesis del enzima se
le denomina correpresor.
Los sistemas represibles se corresponden con procesos síntesis o
Anabolismo, por ejemplo el operón triptófano y el operón histina. Se trata
de las rutas metabólicas que conducen a la síntesis de triptófano y síntesis
de histidina.
Control Positivo y control Negativo
•Control positivo. Se dice que un sistema está bajo control positivo
cuando el producto del gen regulador activa la expresión de los genes,
actúa como un activador.
•Control negativo. Se dice que un sistema está bajo control negativo
cuando el producto del gen regulador reprime o impide la expresión de
los genes, actúa como un represor.
The Nobel Prize in Physiology or Medicine
1965 was awarded jointly to François Jacob,
André Lwoff and Jacques Monod "for their
discoveries concerning genetic control of
enzyme and virus synthesis".
François Jacob
Jacques Monod
Elementos del Operón
Un Operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por los mismos
elementos de control (promotor y operador) y genes reguladores.
•Los genes estructurales llevan información para polipéptidos. Se trata de los genes cuya expresión
está regulada. Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, son
poligénicos o policistrónicos. Hay algunos operones bacterianos que tienen un solo gene
estructural. Los operones eucarióticos suelen contener un sólo gen estructural siendo
monocistrónicos.
•El promotor (P) se trata de 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.
•El operador (O) se trata de 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.
•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.
•Proteína reguladora. Proteína codificada por el gen regulador. Está proteína se une a la región
del operador.
•Inductor. Sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.
Operón Lac
Genes
estructurales
•El gen z+. Codifica para la b-galactosidasa que cataliza la hidrólisis de
la lactosa en glucosa más galactosa.
•El gen y+. Codifica para la galactósido permeasa que transporta bgalactósidos al interior de la célula bacteriana.
•El gen a+. Codifica para la tiogalactósido
transferencia del grupo acetil del acetil
aceptor tiogalactósido. Este gen no
metabolismo de la lactosa, sino en el
galactósidos diferentes a la lactosa.
transacetilasa que cataliza la
Coenzima A al 6-OH de un
está relacionado con el
metabolismo de ciertos b-
Operón Lac
Sin lactosa
Operón Lac
Con lactosa (alolactosa)
Efecto de la glucosa
•AMPc
•CRP (Receptora de AMPc o proteína
activadora de catabolitos)
En un medio sin glucosa pero con
lactosa los niveles de AMPc son altos.
La proteína CRP tiene sitios de unión
para el ADN y para el AMPc. El
complejo AMPc-CAP se une a una
zona cercana al promotor lac, y
favorece la unión de la ARN
polimerasa al promotor, aumentando
la transcripción hasta 50 veces. Se ha
demostrado que el AMPc y la CAP
contribuyen a al iniciación de la
transcripción, ayudando al
reconocimiento del sitio de iniciación
por la ARN polimerasa.
Mutantes
•Mutantes constitutivos. Son aquellos en los que siempre se expresan o
transcriben los genes del operón lactosa, independientemente de si está o
no está presente el inductor.
•Mutantes del Promotor (OO). Estos mutantes presentan una alteración en
la secuencia de bases nitrogenadas de la región promotora, como
consecuencia la ARN-polimerasa no reconoce la secuencia promotora y,
por consiguiente, no se produce la transcripción de los genes estructurales.
•Los mutantes que afectan a la adenilato ciclasa, enzima que transforma
el ATP en AMPc, muestran niveles muy bajos de expresión de los genes del
operón lactosa, debido a que los niveles de AMPc son muy bajos en
ausencia de glucosa.
•Los mutantes que afectan a la proteína CRP o CAP también presentan
niveles muy bajos de expresión de los genes del operón lactosa en
ausencia de glucosa.
Operón de Triptófano
•El operón triptófano (operón trp) es un sistema de tipo represible, ya que
el aminoácido triptófano (Correpresor) impide la expresión de los genes
necesarios para su propia síntesis cuando hay niveles elevados de
triptófano. Sin embargo, en ausencia de triptófano o a niveles muy bajos
se transcriben los genes del operón trp.
•Genes estructurales. existen cinco genes estructurales en el siguiente
orden trpE-trpD-trpC-trpB-trpA.
•Elementos de control. promotor (P) y operador (O). El promotor y el
operador están al lado de los genes estructurales y en el siguiente orden:
P O 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.
Operón de Triptófano
•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 de Triptófano
Operón de Triptófano
Sin triptófano
Operón de Triptófano
Con triptófano