REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA EN PROCARIOTES Repaso eucariontes https://www.youtube.com/watch?v=T707gEGUasg

La regulación de la expresión de los genes se establece de la necesidad de controlar la actividad de las enzimas o de las proteínas en general, en momentos precisos de la vida de la célula.

Regulación de la expresión génica Genes constitutivos: Se expresan a nivel constante. Genes regulables: Genes inducibles o reprimibles en respuesta a condiciones del ambiente.

Genes constitutivos Existen una serie de genes que se expresan constantemente, denominados genes constitutivos, el producto de su expresión son moléculas necesarias de forma continua en todos los momentos de existencia de la célula o del organismo.

Genes regulables Hay genes que, dependiendo de la situación, se transcriben mucho o poco, diciéndose que su expresión es regulable. Constituye esta regulación una forma de: 1) Adaptabilidad: las bacterias, al ser organismos unicelulares y, por tanto, de interacción directa con el medio, han de responder a diferentes medios de crecimiento, ya que la supervivencia celular depende de su capacidad de adaptación a diferentes circunstancias ambientales. 2) Economía: una célula no sintetiza más que aquello que necesita y en las cantidades que necesita. Por ejemplo: si una bacteria se crece en un medio con lactosa, utiliza lactosa como fuente de C, sintetizando así la enzima que metaboliza esa lactosa, pero no sintetizará el enzima en ausencia de sustrato.

Regulación a nivel de: • Transcripción • Traducción Genes regulables DNA mRNA PROTEÍNA Regulación a nivel de: • Transcripción • Traducción Transcripción ¿Nombres? Traducción

Regulación transcripcional Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos mecanismos Aumenta el número de transcritos Resultando en un aumento en la cantidad de proteína Regulación transcripcional

Los genes se expresan con diferente eficiencia y se regulan por distintos mecanismos B B B B B B B B Regulación traduccional B B B B B B B B

En bacterias, el principal nivel de regulación es el transcripcional GEN CON Regulación positiva (+) El gen “se enciende” (se empieza a transcribir o se transcribe más) GEN CON Regulación negativa (-) El gen “se apaga” (no se transcribe o se transcribe menos)

En bacterias los genes están organizados en OPERONES por lo que la expresión es coordinada DNA RNA polimerasa

Componentes de un operón DNA RNA polimerasa P: promotor de los genes estructurales E1, E2, E3 y E4 R: gen regulador (codifica una proteína represora que regula la transcripción de los genes estructurales) O: operador (secuencia reconocida por la proteína represora que impide la transcripción) Un operón es un conjunto de genes, localizados consecutivamente en el DNA, que obedece a las mismas señales de encendido o apagado.

Los operones están formados por genes estructurales y una región de control

El modelo del Operón lac F. Jacob J. Monod A. Lwoff Expresión inducible

La lactosa es hidrolizada por la -galactosidasa para generar glucosa y galactosa Alolactosa La b galactosidasa también convierte parte de la lactosa en alolactosa

La síntesis de la b-galactosidasa se induce cuando hay lactosa en el medio La -galactosidasa se encuentra en niveles muy bajos dentro de la célula si no hay lactosa en el medio. Su producción se induce cuando se agrega lactosa al medio y se elimina la glucosa de éste.

Los operones están formados por genes estructurales y una región de control Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

Cuando no hay lactosa en el medio, el operón lac está apagado El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a

Cuando hay lactosa en el medio, el represor se disocia del operador y los genes z, y, a pueden ser transcritos El inductor se une al represor y éste ya no se une al DNA. La RNA polimerasa reconoce al promotor y transcribe los genes estructurales

b Galactosidasa Permeasa Transacetilasa El inductor se une al represor y entonces éste ya no se une al DNA, permitiendo la transcripción El represor unido al sito operador previene la transcripción de los genes z, y, a Operón reprimido Operón inducido b Galactosidasa Permeasa Transacetilasa

Genes estructurales: Gen lac z: codifica la enzima β-galactosidasa, que cataliza la reacción de hidrólisis de la lactosa en glucosa y galactosa. Gen lac y: codifica la proteína galactósido permeasa, cuya función es facilitar el transporte de la lactosa al interior de la bacteria colocándose en la membrana plasmática y formando un carrier. Gen lac a: codifica la enzima tiogalactósido transferasa, que cataliza la transferencia del grupo acetil del acetil Coenzima A al 6-OH de un aceptor tiogalactósido. Este gen no está relacionado con el metabolismo de la lactosa.

El Operon lac se activa para poder utilizar a la lactosa como fuente de carbono Genes estructurales Gen regulador

Normalmente, hay una expresión baja del operón lac lo que permite que haya un poco de b-galactosidasa en la célula

La lactosa es convertida a alolactosa por la b galactosidasa La lactosa es convertida a alolactosa por la b galactosidasa. La alolactosa es el inductor del operón lac.

Activador CRP. cAMP receptor protein Aún en ausencia del represor, la activación del operón lac requiere la participación de un activador: CRP o CAP Activador CRP. cAMP receptor protein También se le llama CAP: Catabolite Activator Protein. CRP une cAMP Este activador regula la expresión con base en los niveles de glucosa presentes en el sistema Si los niveles de glucosa son altos, hay poco cAMP. Si los niveles de glucosa son bajos, hay mucho cAMP.

Cuando los niveles de cAMP se incrementan, éste se une a la CRP El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa y causa un giro en el DNA que facilita la unión de la RNA polimerasa al promotor, activándolo.

El complejo CRP-cAMP se une al promotor del operón de lactosa facilitando la unión de la RNA polimerasa al promotor e incrementando 50 veces la transcripción

¿Cómo se regula el operón lac cuando hay glucosa en el medio? – lactosa Represor RNApol Regulación negativa No se transcribe

Regulación del operón de lactosa Regulación Negativa Cuando hay glucosa y no hay lactosa, el represor está activo y el operón está apagado, no hay transcripción y no hay b galactosidasa

¿Qué le pasa al operón lac en presencia de lactosa aún cuando exista glucosa? inductor (lactosa) RNApol Debido a la presencia de lactosa el represor se inactiva, por lo que el operón se transcribe, aunque a un nivel bajo (transcripción basal). La célula prefiere usar la glucosa que otro azúcar

Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos Cuando hay lactosa y hay glucosa los niveles de cAMP son bajos. La síntesis del mRNA lac es pobre.

¿Qué le pasa al operón lac cuando hay lactosa en el medio y no hay glucosa? Activador Regulación positiva La transcripción es alta

Regulación positiva. Inducción. Cuando hay lactosa y la glucosa es baja, los niveles de cAMP son altos. El cAMP se une con la CRP que activa a la RNApol para transcribir al operón lac. Por lo tanto, se sintetiza mucho mRNA lac.

¿Qué le pasa al operón lac cuando no hay glucosa ni tampoco lactosa? Como el represor está unido al promotor RNApol ¡No hay transcripción! Aunque los niveles de cAMP sean altos y el activador esté presente....

Regulación negativa En presencia de glucosa y ausencia de lactosa En presencia de lactosa y ausencia de glucosa

Regulación positiva + lactosa [glucosa] [AMPc]

El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es decir aquel en el cual la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa) induce la transcripción de los genes estructurales. El operón lac también se encuentra bajo control positivo. Cuando en el medio hay glucosa, la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de cAMP, el cual tiene influencia en la activación del operón lac. El cAMP actúa uniéndose a una proteína fijadora de cAMP denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando la concentración de este complejo es alta (poca glucosa), el CAP-cAMP se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora para la RNA polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón. Para que se exprese el operón lac deben darse dos condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja.

Operón de triptófano Este operón incluye cinco genes de enzimas involucradas en la biosíntesis de triptófano. Bajo control del promotor (Ptrp) y del operador (Otrp)

El represor se une a triptófano y este complejo se une al operador reduciendo la transcripción 70 veces aproximadamente.

Sin triptófano en el medio El Operón Trp De manera normal, Escherichia coli está expresando su operón Trp. En este caso el represor codificado por el gen regulador, es inactivo.

¿Qué ocurre cuando hay triptófano en el medio? Complejo Represor-Corepresor El triptófano (correpresor) se une al represor, activándolo. Ahora el represor se puede unir al operador impidiendo la transcripción del operón trp. Regulación negativa

Comparación entre Operón Lac y Operón Trp Operón inducible, se expresa en presencia de lactosa. Operón reprimible, se expresa en ausencia de triptófano. La lactosa es el inductor El triptófano es el co-represor El represor se sintetiza en forma activa. Actúa solo. El represor se sintetiza en forma inactiva. Actúa en presencia del co-represor. Sus enzimas participan en un vía catabólica Sus enzimas participan en una vía anabólica