CLASE: ESTRUCTURA Y REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

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1 CLASE: ESTRUCTURA Y REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA
AREA: CIENCIAS SECTOR: BIOLOGÍA NIVEL: IV MEDIO DIFERENCIADO CLASE: ESTRUCTURA Y REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA PROFESOR: JULIO RUIZ A.

2 DEFINICIÓN MOLECULAR DE GEN
SECUENCIA COMPLETA DE NUCLEÓTIDOS NECESARIOS PARA LA SÍNTESIS DE UN PRODUCTO GÉNICO FUNCIONAL que puede ser POLIPÉPTIDO RNA m REGIONES DE CONTROL

3 PROBLEMA A INVESTIGAR:
¿EXISTE ALGUNA RELACIÓN ENTRE LOS GENES Y LAS ENZIMAS? ¿QUÉ SON LAS ENZIMA ENZIMA: PROTEÍNA QUE INTERVIENE EN EL METABOLISMO PARA LA SÍNTESIS DE OTRAS MOLÉCULAS ESPECÍFICAS.

4 EXPERIMENTO DE GEORGE BEADLE Y EDWARD L. TATUM NEUROSPORAS
OBJETIVO DELEXPERIMENTO: Demostrar la relación que hay entre un gen y una enzima.

5 MATERIAL D EXPERIMENTACIÓN: EXPERIMENTO DE GERGE BEADLE Y EDWARD TATUM
Utilizaron como material de investigación, neurosporas. Las Neurosporas normales del punto de vista nutricional son prototrófica: crece en un medio de cultivo mínimo: con algunas sales.

6 ¿QUÉ SON LAS NEUROSPORAS?
Neurosporas o esporas del moho del pan A diferencia del humano, las neurosporas, tienen todas las enzimas para la síntesis de la vit B6, aminoácidos, etc Hongo moho del pan

7 HIPÓTESIS Si todas las sustancias orgánicas que necesitan para vivir las neurosporas (aminoácidos, glúcidos, vitaminas, lípidos) son sintetizadas a partir de las iniciales Entoces, «deben tener algún gen que codifique la información para la síntesis de una enzima que dirija los procesos metabólicos para la síntesis de los nutriente que necesitan estas esporas: vit B6, aminoácidos, etc.»

8 PRIMERA PARTE DEL EXPERIMENTO:
Irradiaron con rayos X y luz ultravioletas las neurosporas. ¿Con qué propósito? Para modificar la estructura de los genes, esto es, producir mutaciones.

9 ILUSTRACIÓN EXPERIMENTO

10 SEGUNDA PARTE EXPERIMENTO:
Se les proporcionó a las esporas una por una las sustancias esenciales para su supervivencia, hasta ver cual conseguía normalizar el desarrollo de la neurospora perturbada.

11 EXPERIMENTO DE G. BEADLE
EN SÍNTESIS: EN UN MEDIO ENRIQUECIDO ESPORAS EN UN MEDIO DE CULTIVO EXPERIMENTO DE G. BEADLE Y E. TATUM NO CRECEN MÍNIMO glycina serina alamina Con prolina CRECEN Transferidas a medios mínimos con un aminoácido conocido, previamente irradiadas con rayos X Otros amino ácidos

12 ¿QUÉ RESULTADOS OBTUVIERON?:
Algunas de las neurosporas irradiadas no podían vivir en el medio de cultivo mínimo a menos que se le proporcionaran una determinada vitamina, aminoácidos y otro suplemento nutritivo. A estos organismos incapaces de sintetizar ciertas sustancias orgánicas, especialmente aminoácidos se les llamó auxótrofos.

13 LOS GENES Y LAS VIAS METABÓLICAS
NEUROSPORA NORMAL SIN COMPLEMENTO CRECE: sintetiza arginina,citrulina y ornitina Crece solo si se agrega arginina: no sintetiza este aa, defecto en ez 2. Necesita gen A NEUROSPORA IRRADIADA: mutante A Complemento arginina Crece solo si se agrega arginina o citrulina. No sintetiza arginina por defecto ez 1. Necesita gen B para sintetizar citrulina NEUROSPORA IRRADIADA: mutante B Arginina o citrulina Ez B Ez A arginina ornitina citrulina Fundamentales para síntesis proteínas Gen B gen A

14 CONCLUSIONES En varias series de experimentos, demostraron que las mutaciones causaron cambios en las enzimas específicas implicadas en las rutas Metabólicas Estos experimentos, publicados en 1941 los llevaron a proponer un vínculo directo entre los genes y las reacciones enzimáticas conocida como la hipótesis “Un gen, una enzima”. Esta hipótesis, afirma que los genes codifican información para sintetizar proteínas con actividad enzimática. Un gen específico codifica para la síntesis de una sola enzima las que participan en una las cadenas de reaccione químicas. E. Tatun Recibió en 1958 el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, que compartió con G. Beadle y Joshua Lederberg, por sus trabajos sobre los bloqueos metabólicos controlados por genes

15 GENES Y EXPRESIÓN GÉNICADNA eucarita y procariota.swf

16 ¿EN QUÉ CONSISTE LA TRANSCRIPCIÓN DE UN GEN?

17 Expresión génica consta de do procesos:
Transcripción: síntesis de ARN m a partir de un molde de ADN. Traducción: Síntesis de proteínas a partir de un molde de ARN m. Además del ARN m, participa el ARN t como decodificador del primero.

18 DEL PUNTO DE VISTA EVOLUTIVO: ¿QUÉ TIPOS
DE GENES EXISTEN?

19 GENES PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS
¿QUÉ DIFERENCIAS PUEDES RECONOCER?

20 Poseen intrones y exones
ALGUNAS DIFERENCIAS Son más simples Son más complejos Carecen de intrones Poseen intrones y exones La trascripción produce un único mRNA Inicial monocistrónico, que es traducido a una proteína específica La transcripción produce un mRNA para la síntesis de más de una proteína Transcripción compleja, se transcribe un producto primario que puede ser procesado a dos o más mRNA monocistrónicos, según los sitios de corte y empalme No hay procesamiento del transcrito, a partir de éste, se sintetizan dos o más proteínas diferentes Las secuencias codificadoras están densamente organizadas a lo largo del DNA Las secuencias intrónicas no codifican para mRNA, ni tienen función regulatoria o funcional.

21 ALGUNAS DIFERENCIAS PROMOTOR OPERON . Sistema formado:
SISTEMA DE ORGANIZACIÓN, EXPRESIÓN Y REGULACIÓN PROCARIOTA SISTEMA DE ORGANIZACIÓN, EXPRESIÓN Y REGULACIÓN EUCARIOTA PROMOTOR OPERON . Sistema formado: El promotor Los intensificadores Los silenciadores. Los factores de transcripción, etc . Grupos de genes que codifican para proteínas relacionadas se agrupan en unidades conocidas como operón . Consta de: un operador, un promotor, un regulador y un gen estructural

22 EXPRESIÓN Y REGULACIÓN
DE LOS GENES PROCARIOTAS

23 ESTRUCTURA GENES PROCARIOTAS: MODELO DEL OPERON.
Este modelo fue planteado por los biólogos franceses: Francois y Jacque Monod, en 1960.

24 ESTRUCTURA GENES PROCARIOTAS:

25 SISTEMA OPERÓN Genes estructurales Regulador OPERÓN: DISPOSICIÓN DE GENES DEDICADOS A UN ÚNICO FIN METABÓLICO: SINTESIS DE ENZIMAS PARA FORMAR AMINOÁCIDOS Este modelo del operón de la regulación de los genes procariotas fue propuesto en 1961 por Francois Jacob y Jacques Monod

26 ESTRUCTURA SISTEMA OPERÓN No se transcriben Genes estructurales 1 2 3
Codón de término Genes estructurales 1 2 3 Regulador Es decir, donde la ARN polimerasa reconoce el sitio de inicio de la transcripción codifican para la síntesis de 3 enzimas involucradas en una vía metabólica. Parte del ADN donde se fija la enzima ARN polimerasa la que copia los genes estructurales mRNA Se le unen proteínas específicas para activarlo o reprimirlo y así, se controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor El gen regulador codifica para una proteína que se pega al operador, obstruyendo al promotor (y por lo tanto a la transcripción), de los genes estructurales. De esta forma, regula a todo el operón

27 LOS INTERREPTURES GENÉTICOS
Son Proteínas que pueden activar e inhibir un gen Proteína represora lambda (cl) Proteína cro Bloquean la síntesis de otra enzima, permitiendo dos estados Estado I o profago Estado II o lítico El represor lambda ocupa al operador: bloquea síntesis de represor y activa su propia síntesis La proteína cro ocupa un lugar diferente en el operador, bloqueado la síntesis del represor y activando su propia síntesis.

28 El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a baja velocidad
El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad ACTIVACIÓN Control de la transcripción de los gene procariotas Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez REPRESIÓN Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Control de la transcripción de los gene procariotas Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez Controlando la transcripción de un gen, la célula puede regular que proteínas produce y con que rapidez TIPOS DE CONTROL ACTIVACIÓN ACTIVACIÓN ACTIVACIÓN ACTIVACIÓN ACTIVACIÓN ACTIVACIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN REPRESIÓN El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad El mRNA y las proteínas codificadas son sintetizadas a alta velocidad Todo esto determinado en procariotas para ajustar la maquinaria bioquímica a los requerimientos nutricionales Todo esto determinado en procariotas para ajustar la maquinaria bioquímica a los requerimientos nutricionales Todo esto determinado en procariotas para ajustar la maquinaria bioquímica a los requerimientos nutricionales Todo esto determinado en procariotas para ajustar la maquinaria bioquímica a los requerimientos nutricionales Todo esto determinado en procariotas para ajustar la maquinaria bioquímica a los requerimientos nutricionales

29 CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN LOS PROCARIOTAS.Operón Lac.swf
Lo que hoy se sabe al respecto, sobre el control de le expresión génica en procariotas, proviene de investigaciones, en la bacteria Escherichia coli. En 1960 Fracois y Jaques Monod, observaron que cuando se cultivaban E. coli en un medio carente de lactosa, se reprime la síntesis de mRNA lac, para que la energía no se desperdicie sintetizando enzimas que la célula no puede utilizar. En un medio que la bacteria tiene tanto lactosa como glucosa, la bacteria metaboliza preferentemente glucosa. La lactosa se metaboliza a gran velocidad, sólo cuando la lactosa está presente y la glucosa se encuentra en mínima concentración. Este ajuste metabólico se logra reprimiendo la trancripción del operón lac hasta que la lactosa esté presente, y la síntesis de solo niveles bajos de mRNA lac hasta que la concentración de glucosa caiga a niveles bajos. La transcripción de los genes estucturales, es controlada por el operón lac y por la proteína CAP.

30 CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR INDUCCIÓN DEL OPERÓN LAC.
se realiza Activación del represor: inductor se une al operador Por inactivación del represor: se separa inductor del operador ocurre en ocurre en Ausencia de lactosa y presencia de glucosa En presencia de lactosa y ausencia de glucosa

31 REPRESOR INACTIVO O REPRIMIDO
Inductor: Alolactosa, se une al represor para inactivarlo Represor inactivo EN PRESENCIA DE LACTOSA LA E. COLI, FORMA UN PRODUCTO INTEMEDIO: ALOLACTOSA (INDUCTOR), SE UNE AL REPRESOR Y LO DESACTIVA, PERMITIENDO LA FIJACIÓN DE LA ENZIMA AL OPERADOR PARA QUE TRANSCRIBA LOS GENES ESTRUCTURALES.

32 por lo tanto,represor se activa: se une al operador
REPRESOR ACTIVADO ARN polimersa Es bloqueada por el represor activado No hay transcripción genes estructurales Inductor alolactosa se separó del represor por lo tanto,represor se activa: se une al operador Todo esto opera en ausencia de lactosa: el represor, se activa y se une al operador lac bloqueando la transcripción de los genes estructurales por parte de la enzima ARN polimerasa para no sintetizar las enzimas que actúan en el metabolismo de la lactosaOperón Lac.swf

33 EN SÍNTESIS: 1 EN PRESENCIA DE LACTOSA LA E. COLI, FORMA UN PRODUCTO INTEMEDIO: ALOLACTOSA (INDUCTOR) 2 INDUCTOR, SE UNE AL REPRESOR, ÉSTE SE SEPARA DEL OPERADOR. 3 LA EZ ARN POLI SE FIJA AL PROMOTOR PARA TRASCRIBIR GENES ESTRUCTURALES. 4 SE SINTETIZAN LAS ENZIMAS PARA METABOLIZAR LA LACTOSA. 5 EN AUSENCIA DE LACTOSA (PRESENCIA DE GLUCOSA), OCURRE EL PROCESO CONTRARIO

34 Represor se inactiva: no se une al operador
CONTROL DE INTERRUPTOR GÉNICO POR REPRESIÓN DEL OPERÓN TRIPTOFANO: OPERÓN ACTIVADO Proteína correpresora triptofano, separada del represor Represor se inactiva: no se une al operador Enzima ARN poli queda libre para transcribir los genes estructurales ASÍ, EL OPERÓN TRIP, QUEDA ACTIVADO PARA QUE LA ARN POLI, TRANSCRIBA LOS GENES ESTRUCTURALES NECESARIOS PARA SINTETIZAR LAS ENZIMAS QUE ACTÚAN A SU VEZ EN LA SÍNTESIS DEL TRIPTOFANO

35 Correpresor, se une al represor
CONTROL DE INTERRUPTOR GÉNICO POR REPRESIÓN DEL OPERÓN TRIPTOFANO: OPERÓN ACTIVADO ARN poli, bloqueada para transcribir los genes estructurales Correpresor, se une al represor Se une al aperador ASÍ, EL OPERÓN TRIP, QUEDA DESACTIVADO PARA QUE LA ARN POLI, NOTRANSCRIBA LOS GENES ESTRUCTURALES NECESARIOS PARA SINTETIZAR LAS ENZIMAS QUE ACTÚAN A SU VEZ EN LA SÍNTESIS DEL TRIPTOFANO

36 EN SÍNTESIS Operón TRIPTOFANO.swf
1 EL CORREPRESOR TRIPTOFANO, SE UNE AL REPRESOR, ESTE SE ACTIVA, SE UNE AL OPERADOR, LA EZ ARN POLI, NO PUEDE COPIAR LOS GENES ESTRUCTURALES. 2 EL CORREPRESOR, SE SEPARA DEL REPRESOR, ÉSTE, SE INACTIVA (SE SEPARA DELOPERADOR) 3 LA EZ. ARN POLI, SE UNE AL OPERADOR PARA COPIAR LOS GENES ESTRUCTURALES.

37 Los operones inducibles y represibles son ambos desconectados por proteínas represoras codificadas por genes reguladores. El represor se une al DNA en el operador y evita, de esta forma, que la RNA polimerasa inicie la transcripción. 6. El experimento de Jacques- Monod fue muy importante por que constituyó el primer modelo propuesto para explicar la regulación de la transcripción en procariontes: MODELO DEL OPERÓN.

38 ¿CÓMO SW COTROLA LA EXPRESIÓN DE LOS GENES?
Se puede lograr de muchas formas Regulando el momento y la frecuencia de la transcripción de genes específicos: control transcripcional Controlando el modo de procesamiento de los transcritos del ARNm: control de procesamiento del ARN Seleccionando los ARMm maduros que serán mandado a los ribosomas para ser exportados al citoplasma: control del transporte de ARN Controlando los ARNm que van a ser traducidos: control traduccional Desestabilizando selectivamente algunas moléculas de ARNm: Control de la degradación de los ARNm Activando o desactivando de modo selectivo las proteínas sintetizadas: Control de la actividad proteica.

39 ¿Qué caracteriza el control transcripción tanscripcional en eucariotas
¿Qué caracteriza el control transcripción tanscripcional en eucariotas?f Es más compleja la transcripción que en procariotas: Intervienen varias RNA polimerasas: Poli I, Poli II, Poli III Actúan numerosas proteínas reguladoras, llamadas factores de trascripción. El DNA está asociado a proteínas llamadas histonas (ejerncen control) Los genes presenta secuencias codificantes llamadas exones y secuencias no codificantes denominadas intrones.

40 ¿ Qué caracteriza el control transcripcional en eucariotas
¿ Qué caracteriza el control transcripcional en eucariotas? continuación El control génico está más relacionado con la regulación de programa genético, para desarrollo embriológico y la diferenciación celular (en procariotes, para ajustes nutricionales). El genoma contiene información para fabricar miles de proteínas y mRNA diferentes, producto de la expresión de una fracción de genes, dependiendo de las señales recibidas del medio externo. Al igual que en procariotas, la regulación de la expresión génica se hace principalmente al inicio de la transcripción.

41 ¿en que difiere la transcripción de los genes eucariotas de los procariotas?
Las enzimas ARN poli no pueden iniciar la transcripción por si misma. Requieren de la presencia de una serie de enzima llamadas factores de transcripción (FT) Los FT deben unirse al promotor antes que la transcripción pueda iniciarse. El ensamblaje consta de varias etapas con lo que la velocidad de transcripción puede aumentar o disminuir como respuesta a señales de regulación Muchas de esta proteínas reguladoras, actúan influyendo en estas etapas.

42 ¿en que difiere la transcripción de los genes eucariotas de los procariotas?
Las proteínas reguladoras pueden actuar aun cuando estén unidas a mucha distancia del promotor. Un mismo promotor puede ser regulado por un número grande de proteínas dispersas en el ADN

43 ORGANIZACIÓN GENERAL DE UN GEN EUCARIOTA COMPLEJO DE TRANSCRIPCION Y ENHANCERS.swf
Secuencias de reconocimiento de proteínas reguladoras a distancia del promotor Secuencia reguladora Secuencia codificadora proteína: exones- intrones secuencia TATA: reconoce proteína del mismo nombre PROMOTOR

44 PROMOTOR es PARTE DEL GEN DONDE SE ENSAMBLAN LOS FACTORES GENERALES DE TRANSCRIPCIÓN Y LA ENZIMA ARN POLIMERASA II TAMBIEN SE ENSAMBLAN PROTEÍNAS REGULADORAS PARA CONTROLAR LA VELOCIDAD DE LA TRANSCRIPCIÓN todo esto para REGULAR LA EXPRESIÓN DEL GEN

45 Factores generales de transcripción o basales
RELACIÓN ENTRE EL PROMOTOR Y LAS PROTEÍNAS REGULADORAS (FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN activadores ARN poli II Proteína TATA coactivadores Factores generales de transcripción o basales

46 ¿¿Qué son los factores de trascripción? (FT)
Son proteínas reguladoras, controlan específicamente la expresión de cada gen según la situación fisiológica de la célula, debido a que son capaces de: Fijarse al DNA cerca de sus genes diana. Activar o bloquear la transcripción de los genes diana modificando el funcionamiento de la RNA pol, que por si misma no puede iniciar la transcripción. Responder a señales procedentes del exterior o del interior de la célula.

47 TIPOS DE FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN
BASALES COACTIVADORES ACTIVADORES REPRESORES

48 ¿POR QUÉ LOS FT SON OBJETOS DE TANTAS INVESTIGACIONES HOY EN DÍA?
son objeto de muchas investigaciones por que pueden tener aplicaciones médicas, por ejemplo en estudios con el virus del SIDA (VIH). Si se encontrara un agente inhibidor que reconociese a ese factor de transcripción del VIH y no factores de transcripción humanos, se podría detener la replicación de virus. También podría tener aplicaciones oncológicas.

49 Inicio de la transcripción
TFIID La transcripción se inicia con el reconocimiento de la proteína de la TBP (tatabBinding Protein) del factor HFIID de la secuencia TATA del promotor

50 Una vez unido el TFIID a la secuencia TATA
ETAPA SIGUIENTE Una vez unido el TFIID a la secuencia TATA facilita el ensamblaje de de los FGT y la Poli II

51 COACTIVADORES El ensamblaje de los FGT y la Poli II, facilita la inserción de otras proteínas reguladoras: las co activadoras

52 PROTEÍNAS ACTIVADORAS
dominio de reconocimiento de DNA Dominio de reconocimiento de la maquinaria transcriptota Proteínas activadoras génicas, tienen dos dominios de recocimiento: para reconocer secuencia reguladora de DNA y de la maquinaria de transcripción

53 Proteína activadora se une con su sitio de reconocimiento al DNA y la maquinaria transcriptora respectivamente

54

55 De esta forma, estas proteínas activan la transcripción del gen, aumentando la velocidad de dicho proceso, actuando de diferentes formas.

56 PROTEÍNAS REPRESORAS zona reguladora dominio de reconocimiento Estas proteínas al unirse con su dominio de reconocimiento al DNA, impiden la transcripción.

57 TRANSCRIPCIÓN REPRIMIDA DEL GEN. COMPLEJO DE TRANSCRIPCION Y ENHANCERS
TRANSCRIPCIÓN REPRIMIDA DEL GEN. COMPLEJO DE TRANSCRIPCION Y ENHANCERS.swf Compiten con las activadoras por unirse con la secuencia reguladora del DNA Ambas se unen al DNA, pero el represor impide que el activador se una con la maquinaria transcriptora El represor, interactúa con los FGT, para impedir que el ensamblaje de éstos continúen A diferencia de los represores procariotas, no actúan compitiendo con la polimerasa por unirse con el DNA, no está claro como reprimen la transcripción. ¿cómo actuarían?

58 EN SÍNTESIS: LA TRANSCRIPCIÓN DE LOS GENES EUCARIOTAS PUDE REGULARSE: Control de la expresión génica en eucariotas.flv Cambiando la estructura de la cromatina dirigida por activadores o represores. Regulando los niveles de factores de transcripción y/o su actividad de inductores o represores de la transcripción. Por influencia de activadores o represores sobre el ensamblaje de la RNA poli II junto con el resto de los factores de transcripción.

59 FIN