U6. 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

Estructura Theta

• Replicación bidireccional.

Replicación en

procariotes

~Plasmidos en Gram positivas.

~Algunos virus.

~Conjugación.

• Circulo rodante.

Cadena

continua

Cadena

discontinua

Replisoma

Nature Reviews Molecular Cell Biology 3, 859-870 (November 2002)

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.

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 plásmidosFenotipo Organismos procariotas

Producción de antibióticos Streptomyces

Conjugación Amplio rango de bacterias

Funciones metabólicasDegradación de octano, alcanfor y naftalenoDegradación de herbicidasFormación de acetona y butanolUtilización de lactosa, sacarosa, citrato o urea

Producción de pigmentosProducción de vesículas de gas

PseudomonasAlcaligenesClostridiumEnterobacterias

Erwinia, StaphylococcusHalobacterias*

Resistencia Resistencia a antibióticosResistencia a metales pesados

Amplio rango de bacteriasAmplio rango de bacterias

VirulenciaFormación de tumores en plantasNodulación y fijación simbiótica de nitrógenoProducción de bacteriocina y resistenciaInvasión de células animalesCoagulasa, hemolisina, enterotoxinaToxinas y cápsula

Enterotoxina, antígeno K

AgrobacteriumRhizobiumAmplio rango de bacteriasSalmonella, Shigella, YersiniaStaphylococcusBacillus anthracis

Escherichia

*Arqueobacteria.

Brock. Biología de los Microorganismos, 12ª edición, 2009

Plásmido conjugativo con

multirresistenciaMolecular 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 conservativosElementos Tn5

Transposones

replicativosElementos 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

Nature Reviews Microbiology 2, 123-140 (February 2004)

Los factores de

virulencia pueden

estar codificados en

elementos genéticos

móviles.

Nature Reviews Microbiology 4: 36–45, 2006

Transferencia horizontal de genes en bacterias

Mecanismos de transferencia

ConjugaciónTransferencia 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)

•Ruptura del cromosoma

Hfr en el origen de la

transferencia.

•Integración del

plásmido F para formar

la cepa Hfr

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

http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/

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.

CompetenciaNatural

•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

naturalFigure 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

http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/

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).

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.

•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

Mecanismo de recombinación

homóloga

Recombinación específica

(no-homóloga)

•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.

•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.

Aplicaciones de la genética

microbiana

Modificación de

plantas

Producción de insulina

Mutación

•Mutaciones

espontáneas. Se dan

manera natural por

radiaciones, radicales

de oxígeno y por

replicación.

•Mutaciones

inducidas. Son

generalmente

producidas por

mutágenos o agentes

físicos.

Es una modificación heredable en la secuencia de bases del genoma.

Fenotipos

bacterianosUtilización de fuentes de carbono

y energía. Capacidad de las

bacterias para utilizar

determinados sustratos como

galactosa (gal-/gal+),

lactosa (lac-/lac+), 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.

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.

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 polales. 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 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)

Mecanismos de reparación de

los fotoproductos del ADN

Fotorreactivación•Sistema de reparación directa de los

daños producidos por la luz UV. La luz UV

produce dímeros de pirimidinas,

fundamentalmente dímeros de Timinas.

•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.

Moat, 2003Nature 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 ADN-

polimerasa-I, que sintetiza ADN nuevo

usando como molde la cadena

complementaria intacta del dúplex.

•Ligación e isomerización espontáneas, que

produce la estructura de Holliday.

•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.http://www.abcam.com/index.html?pag

econfig=resource&rid=10760&pid=10026

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.

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 enzimase 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 dedegradar 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 sele 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 síntesisde 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 OperónUn 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 expresiónestá regulada. Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, sonpoligénicos o policistrónicos. Hay algunos operones bacterianos que tienen un solo geneestructural. 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 secuenciaque es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentrainmediatamente antes de los genes estructurales.

•El operador (O) se trata de otro elemento de control que es una región del ADN con unasecuencia que es reconocida por la proteína reguladora. El operador se sitúa entre la regiónpromotora y los genes estructurales.

•El gen regulador (i) secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce lasecuencia de la región del operador. El gen regulador está cerca de los genes estructurales deloperón pero no está inmediatamente al lado.

•Proteína reguladora. Proteína codificada por el gen regulador. Está proteína se une a la regióndel 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 b-

galactósidos al interior de la célula bacteriana.

•El gen a+. Codifica para la tiogalactósido transacetilasa 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, sino en el metabolismo de ciertos b-

galactósidos diferentes a la lactosa.

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

Operón Lux

Operón Lux

Vibrio fischeri