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Regulacin de la expresin gnica
Para que la informacin gentica almacenada en el DNAsea utilizada por los organismos se requiere que sean
sintetizadas cadenas de RNA complementarias al DNApor medio de un proceso conocido como transcripcin(de scribere=escribiry trans=pasar de uno a otro, eneste caso de una escritura a otra).
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Transcripcin
Fue adoptado por laevolucin para tener unmensajerocapaz de
llevar la informacinalmacenada en el DNAde forma parcializada,ordenada y regulada.
El resultado de latranscripcin es unamolcula de RNAllamada t ranscr i to.
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Inicio
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Transcritos
Cuando sirve como patrn para la sntesis deprotenas se conoce como RNA mensajero oRNAm;
Cuando constituye parte de la estructura delos ribosomas, como RNA ribosomal o RNAr;
Cuando participa en la sntesis de protenascomo adaptador de los aminocidos, comoRNA de transferencia o RNAt; o
Puede tener varias otras actividades como enzimticas, ribozima
o actividades de regulacin de la expresin gentica, RNAde interferencia o RNAi.
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Transcripcin y Superenrollamiento
RNA polimerasa
Burbuja de Transcripcin
Hbrido RNA-DNA
Enrollamiento Desenrollamiento
RNA
5'
3'5'
3'
Direccin de la trancripcin
5'
3'
5'
Superhlices
negativas
Superhlices
positivas
(a)
(b)
Direccin de la trancripcin
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Localizacin de transcritos
DNA
Transcritos de RNA
36 x 103
pb
Genoma de adenovirus, ambas hebras contienen codificacinde protenas. Muchos de los mensajeros se sintetizaninicialmente en forma de un transcrito largo que proviene de dostercios de la longitud del DNA. Este transcrito es modificadoposteriormente.
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7/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
Nomenclatura de las hebras de DNA en latranscripcin
Hebra molde
Hebra menos (-)
Hebra codante
Hebra no molde
Hebra ms (+)
Hebra no codante
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8/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
Ejemplo de complementariedad
(5')CGCTATAGCTGTTT(3')
(3')GCGATATCGACAAA(5')
(5')CGCUAUAGCUGUUU(3')
Hebra de DNA no molde (+)
Hebra de DNA molde (-)
Transcrito de RNA
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9/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
RNA polimerasa
Ncleo de la
enzima
Subunidad s
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10/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
RNA polymerase ofE. co liis a multisubunit protein
Subunit Number Role
a 2 uncertainb 1 forms phosphodiester bondsb 1 binds DNA templates 1 recognizes promoter andfacilitates initiation
abbs abb + sholoenzyme core polymerase sigma factor
Prokaryotic RNA polymerase structure
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11/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
RNA synthesis usually initiated with ATP or GTP (the first nucleotide)
RNA chains are synthesized in a 5 to 3 direction
Termination of some transcripts makes use of the Rho protein, which is a
termination factor that catalyzes the dissociation of the RNA and polymerase
A = T
U = A
A = T
U = A
RNA RNA
Mechanism of RNA synthesis
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12/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
the sigma subunit of RNA polymerase is an initiationfactor
there are several different sigma factors in E. colithatare specific for different sets of genes
sigma factor functions to ensure that RNA polymerasebinds stably to DNA only at promoters
sigma destablizes nonspecific binding to non-promoter DNA
sigma stabilizes specific binding to promoter DNA
this accelerates the search for promoter DNA
The function of sigma factor
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13/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
The function of sigma factor
Ka(M-1)
Any DNA Promoter DNA
(nonspecific) (specific)
Core 2 X 1011
Holo 1 X 107 1013 to 1015
promoters vary in strength by ~two orders of magnitude
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14/69Bioqumica III Prof. Humberto Gonzlez M.
Promotores de E. co li. 1
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Promotores en E. co li.Resumen
Regin -35 Espaciador Regin -10 Espaciador Inicio del RNA
TTGACA N17 TTAACT N7 A
TTTACA N16 TATGAT N7 A
TTTACA N17 TATGTT N6 A
TTGATA N16 TATAAT N7 A
CTGACG N18 TACTGT N6 A
TTGACA TATAAT
t rp
tRNATyr
lac
recA
ar aB, A, D
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Promotor de E. co li
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Promotores en E. co liconregulacin lejana
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Inhibidores de la transcripcin
+
N
H
Sar
L-Pro L-meVal
D-Val
L-Thr
O
Sar
L-Pro L-meVal
D-Val
L-Thr
O
O OCC
N NH2
OO
CH3 CH3
Acridina
Actinomicina D
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Terminacin de la transcripcin
Una vez que el proceso de transcripcin hacomenzado la burbuja de transcripcin avanza amedida que el RNA es transcrito y se contina hastaque la polimerasa encuentra una secuencia queinduce la disociacin del complejo DNA-RNA y laseparacin de la enzima.
En eucariontes esta secuencia no ha sido bienestudiada, mientras que para los procariontes comoE. colise han reconocido dos tipos de seales de
terminacin que se diferencian por la ausencia opresencia de un factor proteico que parece reconocerdicha seal.
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Terminacin rho independiente
Terminacin independientede rho (r), contiene una
secuencia que induce a laformacin de una horquillaen el transcrito de RNA de 10a 15 nucletidos antes delfinal, seguida por un tramode poliA en la cadena moldeque facilita la disociacin delos elementos de latranscripcin.
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En la terminacindependiente de rno sepresenta el tramo de poliA,aunque s se forma una
horquilla en la que la RNApolimerasa hace una pausa ysi se encuentra la protena rpresente se detiene latranscripcin.
No se conoce a detalle elmecanismo de disociacin,pero en este se produce lahidrlisis de ATP por efectode r.
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Acoplamiento entre trascripcin y traduccin
DNA duplex
5'
3' 5'3'
RNA polimerasa
NH3+
NH3+
Direccin de traduccin
Direccin de transcripcin
Ribosoma
mRNA
5'
mRNA
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Elementos reguladores lejanosen operones bacterianos
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Regulacin de la transcripcinen procariontes.
Muchas protenas bacterias soninducibles su sntesis es regulada dependiendo del estado
nutricional de la clula.
La expresin diferencial de los genesque codifican para esas protenas esta
regulada generalmente a nivel de lainiciacin de la transcripcin
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Regulacin negativa en latranscripcin
OperadorDNA
Promotor
mRNA5' 3'
mRNA5' 3'
(a)La molcula seal( ) origina la disociacin
de la protena reguladora
del DNA
(b)La molcula seal
( ) origina la uninde la protena reguladora
al DNA
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Regulacin positiva en latranscripcin
mRNA5' 3'
mRNA5' 3'
RNA polimerasa
(a)La molcula seal( ) origina la disociacin
de la protena reguladora
del DNA
(b)La molcula seal( ) origina la unin
de la protena reguladora
al DNA
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Modelo general de opern
DNA
Sitio de unin
del activador
Promotor
Sitio de unin
del represor
(operador)
Secuencias reguladoras
A B C
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Opern lac
Jacob y Monod describieron el controltranscripcional del opern de lactosa,que codifica 3 protenas inducibles.
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Opern lac
Es reprimido por unin de la protenarepresora de lac a la secuenciaoperadora.
En presencia de lactosa o otrosinductores, esta represin se levanta yel opern lac se transcribe.
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Opern lac reprimido
mRNA
PI I Z Y AP O
Represor
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Mutaciones del promotor o eloperador
Las mutaciones en el promotor, o en eloperador, actan en cis; esto es slo
afectan la expresin de los genes en lamisma molcula de DNA en que ocurrela mutacin.
Las mutaciones Oc del Opern lac
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Las mutaciones Oc del Opern lacactan en cis
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Mutaciones constitutivas
Las mutaciones en la secuencia de unoperador que resulta en la disminucinde la unin del represor, resultan en una
transcripcin constitutiva.
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Mutaciones
Las mutaciones en una secuenciapromotora, que afectan la afinidad dela unin de la RNA polimerasa pueden
disminuir (mutacin negativa) oincrementar (mutacin positiva) latranscripcin.
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Regulacin en trans
Los represores y los activadoresactan en trans; esto es, afectan a la
expresin de los genes que regulan sinimportar en qu molcula de DNAestn localizados en la clula.
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Accin trans del Opern lac
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El inductor produce incrementoen la transcripcin del opern.
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X-Gal
5-bromo-4-chloro-3-indolyl-b-D-galactoside
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Induccin del opern lac
PI I Z Y AP O
PI I Z Y AP O
DNA
mRNA
Alolactosa
(o IPTG)
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Activacin de la transcripcin del opernlac
5'-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGGCACCCCA
GGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTG
GAATTGTGAGCGTGATAACAATTTCACAC
Sitio CAP
Regin -35 Regin -10
Operador
Sitio de unin a la RNA polimerasa
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Estructura tridimensional delhomodmero CAP
DNA
Motivo de unin al DNA
cAMP
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Control positivo de la transcripcin
Una protena reguladora promuevela unin de laRNA polimerasa, de manera que se incrementa lasntesis del mRNA.
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Efectos combinados de glucosa y lactosaen la expresin del opern lac
P O
P O
P O
P O
Deficiencia
de glucosa,
abundancia
de cAMP
Abundancia
de glucosa,
deficiencia
de cAMP
Deficiencia de lactosa Abundancia de lactosa
RNA polimerasa
mRNA
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Opern ara
ar aC ar aB ar aA ar aD
Genes estructurales
Sitios de Regulacin
ar aO2 ar aO1 ar aI
PC PBAD
Sitio de unin de CAPar aC mRNA
Represor
Activador
L-Arabinosa
ar aBAD mRNA
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Regulacin del opern ara (1)
araCaraO2
araO1 PC
araI
Sitio de unin de CAP
PBAD
araBAD
RNA
polimerasa
araC mRNA
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Regulacin del opern ara(2)
araO2
araC
araO1
araI
araBAD
PBAD
PC
Protenas
AraC
Sitio de unin de CAP
Glucosa a niveles altosarabinosa a niveles bajos
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araC
araO2
PCaraI
PBAD
araBAD
RNA
polimerasa
ara
BAD mRNA
CAP-cAMP
Glucosa a niveles bajosarabinosa a niveles altos
arabinosa
Protena AraC
Regulacin del opern ara(3)
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Opern de triptofano
Trp
Represor
Trp
P Ot rpR
Gua (trpL) Atenuador
trpE trpD trpC trpB trpA
RepresormRNA
Regin reguladora Genes estructurales
mRNAatenuadoaltos niveles detriptofano
trpmRNAbajos nivelesde triptofano
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Regulacin del opern t rp
5'
mRNA
Pptidolder
MKAIFVLKGWWRTS
Ribosoma
Estructura
atenuadora
RNA
polimerasa
DNACodones Trp
UUU 3'
Pptido
lder
1 23
4
2
1
34
Genes estructurales
DNA RNA
polimerasa
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Secuencia gua de t rpL
Pptido gua
M K A I F V L K G W W R T S - PARO
Polipptido
TrpE
1
2
4
3
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Apareamiento del atenuador
Par 3:4
Par 2:3
Ot i d
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Otros mecanismos deatenuacin
Las BacteriaGram positivas (B. subtilis) utilizan laatenuacin.
El mecanismo es independientede la traduccin.
Utiliza una protena que se une al RNA cuando existeun efector.
El efector puede ser el aminocido regulado perotambin su aminoacil-tRNA.
La protena se llamaprotena trp de atenuacin(en elcaso del triptofano).
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Otros sistemas de atenuacin
Operones de la biosntesis de pirimidinas (E. colitraduccional y B. subtilis con protena de atenuacin).
Atenuacin traduccional. La traduccin del pptidolder previene la traduccin del siguiente gen en unmensajero policistrnico.
Genes de resistencia a antibiticos en Gram
positivas.
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Redes de control global
Sistemas que regulan muchos genessimultneamente en respuesta a una seal ambientalespecfica.
Los sistemas de control global pueden incluir ms deun reguln.
Moduln es un grupo de genes que puedenresponder a una protena reguladora comn inclusocuando son de diferentes regulones.
Estimuln es un grupo de genes que responden a lamisma seal ambiental
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Factores sigma alternativos
Factor sigma es la subunidad de la RNA polimerasaque reconoce al promotor.
La mayora de genes de E. coliresponden a s70.
La cantidad del factor sigma alternativo regula larespuesta del E. colisistema global.
En E. colihay 7 factores sdiferentes.
B. subtilis tiene un factor sms.
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DNA Repressor Repressor + Inducer
lac operator 2 X 1013 2 X 1010
All other DNA 2 X 106
2 X 106
___________________________________________________
Specificity1 107 104
___________________________________________________
1Specificity is the ratio of(Kafor binding to operator DNA) / (Kafor binding to random DNA)
Affinity of lac repressor for DNA (M-1)
Al i t d t l l b l
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Algunos sistemas de control globalen Escher ichia co l i.
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Quorum sensing(percepcin del quorum)
Seal regulatoria controlada por la densidad depoblacin.
Cada bacteria sintetiza una lactona de homoserinaacilada (AHL).
La AHL difunde hacia el exterior de la clula sin
problema. Se alcanza un concentracin intracelular alta de AHL
cuando hay alta densidad celular.
AHL se une a una protena activadora y enciendegenes.
Sistema luciferasa bacteriana, genes de produccin debiofilms (pelculas) en P. aeruginosa, enStaphylococcus aureus produce varias protenasvirulentas.
T d i d l i
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Transduccin de seales y sistemasreguladores de dos componentes
La seal externa no es transmitidadirectamente a la protena reguladora.
La seal es detectada primero por un sensor
La seal se transmite en una forma diferentehacia el sistema regulador en un procesollamado transduccin de seales.
Componentes del sistema
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Componentes del sistemaregulador
Protena detectora especfica localizadaen la membrana. Generalmente una
quinasa detectora.Protena reguladora de respuesta
especfica.
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Quinasa detectora
Enzima de membranaplamtica que Fosforilacompuestos
Detecta la seal ambientalen la superficie externa y sefosforila a s misma en unresiduo de histidina
Este fosfato se transmite ael regulador de respuestaintracelular.
El regulador de respuestaintracelular es una protenaque controla la trascripcinunindose al DNA.
Si t l d d d t l
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Sistemas reguladores de dos componentes en laregulacin de la transcripcin de E. co l i
Sistema Sealambiental
Quinasa
sensora
Regulador
de larespuesta
Actividad del
regulador de larespuestaa
Sistema Arc O2 ArcB ArcA Represor/Activador
Nitrato ynitrito
Nitrato ynitrito
NarXyNarQ
NarL Activador/represor
regulacinanaerobia
(Nar)
NarP Activador/represor
Utilizacinde nitrgeno
(Ntr)
NH4+ NR II, el
producto deglnL
Nri, elproducto de
glnG
Activa la RNApolimerasa a nivelde promotores que
requiren s54
Reguln Pho Fosfatoinorgnico
PhoR Phob Activador
Reguln deporina
Presinosmtica
EnvZ OmpR Activador/Represor
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fin
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Quimiotaxis
Movimiento de acercamiento o alejamientobacteriano de un compuesto qumico particular
No es una respuesta a gradientes espacialesde
una sustancia sinogradientes temporales Sienten el cambio en concentracin de un compuesto fuera de la
clula a intervalos
Sistema de dos componentes para sentir este cambioy regulan el movimiento flagelar.
Protenas involucradas en
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Protenas involucradas enquimiotaxis
Protenas sensoras: Aceptoras de grupos metilo(MCPs)
En E. coli se han identificado cinco MCPs
Todas son transmemebranales
Las MCPs se unen directamente a un compuesto oindirectamente a una protena periplasmtica
Se disparan una serie de reacciones que afectan la
rotacin del flagelo. Rotacin antihorario, la clula continua, rotacin horario, la bacteria
da un viraje.
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Quimiotxis en E. co li
CheW y CheA protenascitoplsmicas,
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La mayora de sistemas de regulacin controlan latranscripcin mediante protenas reguladoras.
Existen RNAs reguladores (antisentido)
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