EN ESTA UNIDAD OBSERVAMOS COMO SE DA EL PROCESO DE LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Y COMO ES CONTROLADA POR LOS DIFERENTES FACTORES, COMO LO ES EL OPERON DE LACTOSA Y EL OPERON TRIPTOFANO. ADEMAS DE LAS DIFERENCIAS QUE PRESENTA ESTE PROCESO TANTO EN ORGANISMOS EUCARIOTICOS COMO PROCARIOTICOS.
martes, 29 de mayo de 2012
REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EN ORGANISMOS EUCARIOTICOS
En las células eucariotas, la capacidad de expresar proteínas biológicamente activas resulta de diferentes niveles regulatorios.
La compactación de la cromatina afecta la capacidad de unión de las enzimas y factores transcripcionales de genes específicos. La cromatina se puede dividir en dos clases según su patrón de tinción. La eucromatina se tiñe suavemente y se corresponde con regiones del genoma que están disponibles para la transcripción. Por otro lado, la heterocromatina, se tiñe intensamente y se corresponde a regiones del genoma que están densamente compactadas e inaccesibles para el aparato transcripcional.
Se pueden distinguir dos clases de heterocromatina: la constitutiva y la facultativa. La constitutiva hace referencia a cromosomas o parte de ellos que son heterocromáticos en todas las células de una misma especie, mientras que la facultativa implica zonas de cromosomas que se pueden descompactar tornándose en eucromatina en algunas células de un mismo organismo.
Como la heterocromatina no puede ser transcripta, la expresión génica en los eucariontes se puede reprimir por condensación de eucromatina en heterocromatina. Todavía no se conocen todos los factores que modulan la descompactación de la cromatina. Ciertamente hay proteínas que reconocen secuencias específicas del DNA y una vez unidas, transmiten la señal de descondensación de cerca de 10000 pares de bases correspondientes a un bucle de la cromatina.
Las acetilaciones y desacetilaciones de histonas son modificaciones covalentes frecuentes en estos fenómenos de descompactación cromatínica. Un ejemplo típico de este tipo de regulación ocurre en la acetilación de coactivadores involucrados en las transcripciones genéticas moduladas por las hormonas tiroideas. Las acetilaciones se producen en los residuos de lisina de los extremos aminoterminales de las histonas, reduciendo su carga positiva y por lo tanto su afinidad de unión al ADN cargado negativamente. La desacetilación de las histonas, mediada por desacetilasas provoca el efecto contrario (recompactación).
Secuencias características de organización del DNA como los palíndromes así como la disposición espacial del DNA Z han sido relacionados con señalizaciones para el sitio de inicio de la transcripción.
Modificaciones covalentes del ADN
Metilaciones de residuos de desoxicitidina:
La metilación de los restos de citosina en el ADN, especialmente en los sitios promotores, dificultan la transcripción. Por ejemplo: los genes de globina están más metilados en células no productoras de hemoglobina que en los eritroblastos. Las metilaciones se producen en secuencias específicamente reconocidas ( 5’--- m CpG ---3’) que generalmente se agrupan en “islotes” ricos en GC, con frecuencia dentro o cerca de regiones reguladoras de la transcripción.
La metilación puede inhibir la transcripción de los genes al interferir en la capacidad de los factores de transcripción para reconocer los sitios de unión al ADN o alterando las conformaciones del ADN dificultando la polimerización de la ARN polimerasa. Uno de los ejemplos más espectaculares de la metilación ocurre durante el fenómeno de impresión genómica. Así, el conjunto de cromosomas heredados del progenitor masculino no es funcionalmente equivalente al conjunto de cromosomas heredados de la madre.Existen por lo menos 100 genes sometidos a esta expresión diferencial. Las versiones activas e inactivas de los genes difieren en sus patrones de metilación. Las diferencias en los alelos se originan durante la gametogénesis.
Modificación del número y de la estructura de los genes:
La eliminación total o parcial de genes impide la formación de ARNm y de la proteína correspondiente, los glóbulos rojos son un caso extremo donde una vez sintetizadas las proteínas estructurales y funcionales, la eliminación del núcleo en la etapa de eritroblasto ortocromático produce una célula incapaz de sintetizar toda otra proteína de novo presentando un 90% del contenido proteico total como hemoglobina.
Otro caso es la recombinación somática de la línea germinal de los linfocitos B. En este tipo particular de regulación de la expresión de genética, los genes codificantes de las cadenas pesadas y livianas de la inmunoglobulinas sufren un rearreglo independiente de la presencia del antígeno. Allí, se produce el corte y empalme al azar de diversos fragmentos génicos de manera irreversible que dan origen al variado repertorio de las inmunoglobulinas.
Por otra parte, la presencia de genes en tandem, implica la presencia de de múltiples copias de un gen que aumentan la capacidad de producción de la proteína requerida en grandes cantidades. Es el caso de los genes codificantes de histonas y ARN 5S.
La regulación génica se puede regular también en función de la disponibilidad del DNA incrementando el número de copias de un gen accesible. Este mecanismo de regulación se conoce como amplificación génica. Una forma de amplificación es la repetición sucesiva de la replicación de una secuencia específica del ADN. Este fenómeno se observó en la amplificación de ciertos genes cuyos productos son necesarios para el desarrollo de algunos insectos y anfibios. Como ejemplo puede citarse el ARN ribosómico en la rana Xenopus laevis, donde los gnes que codifican los ARN r 5.8 S, 18S y 28 S se amplifican de 500 a 2 millones de copias.
CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
Constituye uno de los modos más importantes de regulación de la expresión proteica en eucariontes. En esta categoría están incluídos los promotores, la presencia de secuencias regulatorias potenciadoras (enhancers), y la interacción entre múltiples proteínas activadoras o inhibidoras que actúan mediante su unión a secuencias específicas de reconocimiento al ADN.Las regulaciones pueden ser de tipo CIS o TRANS.
Cuando el elemento regulador transcripcional es parte de la cadena polinucleotídica donde se localiza el gen a regular, se denomina regulador CIS. Evidentemente se tratan de secuencias especiales del ADN (promotores y enhancers).
Cuando los elementos regulatorios son de naturaleza y origen diferente a la secuencia genética a controlar, la regulación es de tipo TRANS (aquí se incluyen a los factores de transcripción generales, histoespecíficos y todas las proteínas regulatorias con capacidad de unión al ADN).
lunes, 28 de mayo de 2012
OPERON TRIPTOFANO
El Operón Triptófano regula la transcripción de las enzimas que intervienen en una vía anabólica. Las cinco enzimas que regula este Operón pertenecen a la vía anabólica del aminoácido Triptófano. Es más que innecesaria la síntesis de un aminoácido, por parte de la célula, cuando la misma contiene cantidades suficientes de él. Cuando la concentración de Triptófano es la adecuada el represor inactivo, codificado por el gen regulador, se une a otra molécula que le confiere la capacidad para acoplarse al operador.
Al estar el operador ocupado, la ARN polimerasa no podrá formar el Complejo Promotor Abierto, por lo tanto, la síntesis de las enzimas intervinientes en la vía anabólica del Triptófano no son producidas. El co-represor, molécula que confiere la activación del represor, es nada más ni nada menos que el Triptófano.
Es sumamente lógico que lo sea, ya que cuando hay una alta concentración de Triptófano, no es necesario gastar energía en sintetizarlo. Si la concentración de mencionado aminoácido es baja, el represor no podrá unirse al co-represor, por tal motivo el represor no adquirirá la capacidad de unirse al operador.
Al encontrarse el operador libre, la ARN polimerasa podrá iniciar la transcripción de los genes estructurales, obteniéndose las enzimas necesarias para poder sintetizar este aminoácido esencial.
OPERON LACTOSA
El Operón lactosa, que abreviadamente se denomina Operón lac, es un sistema inducible que está bajo control negativo, de manera que la proteína reguladora, producto del gen regulador i, es un represor que impide la expresión de los genes estructurales en ausencia del inductor. El inductor del sistema es la lactosa. Como veremos más adelante, el operón lac también está bajo control positivo, ya que existe otra proteína que estimula la transcripción de los genes estructurales.
Los genes estructurales del operón lactosa son los siguientes:
- El gen z+: codifica para la b-galactosidasa que cataliza la hidrolisis 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 tiogalatósido. Este gen no está relacionado con el metabolismo de la lactosa.
El verdadero inductor del sistema es la Alolactosa y no la lactosa de manera que la β-galactosidasa transforma la lactosa en Alolactosa. En los estudios del operón lactosa se utiliza como inductor un análogo sintético de la lactosa que es el Isopropil tiogalactósido (IPTG). El IPTG no necesita ser transportado por la galactósido permeasa para entrar en la bacteria.
Las cepas normales de E. coli son inducibles, de manera que en ausencia del inductor (la lactosa), la proteína represora producto del gen i se encuentra unida a la región operadora e impide la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora y, como consecuencia, no se transcriben los genes estructurales.
En presencia del inductor (la lactosa), este se une a la proteína reguladora que cambia su conformación y se suelta de la región operadora dejando acceso libre a la ARN-polimerasa para que se una a la región promotora y se transcriban los genes estructurales. Por consiguiente, la presencia del inductor hace que se expresen los genes estructurales del operón, necesarios para metabolizar la lactosa.
Es conveniente recordar que los tres genes estructurales del operón lactosa se transcriben juntos en un mismo ARNm, es decir que los ARN mensajeros de bacterias suelen ser policistrónicos, poligénicos o multigénicos. Sin embargo, en eucariontes los mensajeros suelen sen monocistrónicos o monogénicos, es decir, corresponden a la transcripción de un solo gen estructural.
En la siguiente tabla se muestra la expresión de los genes del operón lactosa en ausencia y en presencia del inductor (lactosa) en una bacteria normal i+ p o z+y+a+. SI = significa que se expresan, NO = significa que no se expresan.
Bacteria normal
|
Expresión de los genes estructurales del Operón lactosa
| |||||
| Ausencia de inductor (Sin lactosa) | Presencia de inductor (Con lactosa) | |||||
| Genotipo | z+ | y+ | a+ | z+ | y+ | a+ |
| i+ p o z+y+a+ | NO | NO | NO | SI | SI | SI |
El conocimiento profundo del funcionamiento del operón lactosa se obtuvo gracias a la obtención de mutantes que afectaban a los genes estructurales, a los elementos de control (promotor y operador) y al gen regulador. Además, también fue muy importante el estudio del operón lactosa en bacterias diploides parciales o merocigotos.
REGULACION DE LA TRANSCRIPCION EN ORGANISMOS PROCARIOTICOS
En las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesario regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. Es un principio de economía celular el que la expresión de los genes este regulada según las circunstancias celulares. Un buen ejemplo de esta situación en bacterias es la regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares. Las bacterias pueden emplear para obtener energía distintas fuentes de carbono, como la glucosa, lactosa, galactosa, maltosa, ramnosa y xilosa. Existen enzimas capaces de introducir cada uno de estos azúcares en la bacteria y enzimas capaces de romperlos para obtener energía. Lógicamente, sería un despilfarro energético producir simultáneamente todos los enzimas necesarios para metabolizar los diferentes azúcares mencionados. Por consiguiente, sería mucho más económico para la célula producir solamente las enzimas necesarias en cada momento, es decir, si en el medio en el que vive la bacteria la principal fuente de carbono es la lactosa, solamente se expresarían los genes necesarios para metabolizar la lactosa, mientras que los otros genes no se expresarían. Por tanto, es esencial que exista un mecanismo de regulación de la expresión génica, de manera que los genes se expresen cuando sea necesario.
La regulación de la producción de proteínas (síntesis de proteínas) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en tres niveles:
- Replicación
- Transcripción
- Traducción.
De los tres niveles de regulación, uno de los mejor conocidos actualmente es la regulación durante la transcripción. Aunque la regulación de la transcripción en eucariontes es más compleja que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. Por tanto, comenzaremos por el estudio de la regulación de la transcripción en bacterias.
NIVELES DE REGULACION DE LA EXPRESION GENETICA
La regulación genética comprende todos aquellos procesos que afectan la acción de un gen a nivel de traducción o transcripción, regulando sus productos funcionales.
1) CONFORMACION Y ESTRUCTURA DEL ADN
Compactación diferencial de la cromatina
La compactación de la cromatina afecta la capacidad de unión de las enzimas y factores transcripcionales de genes específicos. La cromatina se puede dividir en dos clases según su patrón de tinción. La eucromatina se tiñe suavemente y se corresponde con regiones del genoma que están disponibles para la transcripción. Por otro lado, la heterocromatina, se tiñe intensamente y se corresponde a regiones del genoma que están densamente compactadas e inaccesibles para el aparato transcripcional.
Se pueden distinguir dos clases de heterocromatina: la constitutiva y la facultativa. La constitutiva hace referencia a cromosomas o parte de ellos que son heterocromáticos en todas las células de una misma especie, mientras que la facultativa implica zonas de cromosomas que se pueden descompactar tornándose en eucromatina en algunas células de un mismo organismo.
Como la heterocromatina no puede ser transcripta, la expresión génica en los eucariontes se puede reprimir por condensación de eucromatina en heterocromatina. Todavía no se conocen todos los factores que modulan la descompactación de la cromatina. Ciertamente hay proteínas que reconocen secuencias específicas del DNA y una vez unidas, transmiten la señal de descondensación de cerca de 10000 pares de bases correspondientes a un bucle de la cromatina.
Las acetilaciones y desacetilaciones de histonas son modificaciones covalentes frecuentes en estos fenómenos de descompactación cromatínica. Un ejemplo típico de este tipo de regulación ocurre en la acetilación de coactivadores involucrados en las transcripciones genéticas moduladas por las hormonas tiroideas. Las acetilaciones se producen en los residuos de lisina de los extremos aminoterminales de las histonas, reduciendo su carga positiva y por lo tanto su afinidad de unión al ADN cargado negativamente. La desacetilación de las histonas, mediada por desacetilasas provoca el efecto contrario (recompactación).
Secuencias características de organización del DNA como los palíndromes así como la disposición espacial del DNA Z han sido relacionados con señalizaciones para el sitio de inicio de la transcripción.
2) CONTROL TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
Constituye uno de los modos más importantes de regulación de la expresión proteica en eucariontes. En esta categoría están incluídos los promotores, la presencia de secuencias regulatorias potenciadoras (enhancers), y la interacción entre múltiples proteínas activadoras o inhibidoras que actúan mediante su unión a secuencias específicas de reconocimiento al ADN.
Las regulaciones pueden ser de tipo CIS o TRANS.
Cuando el elemento regulador transcripcional es parte de la cadena polinucleotídica donde se localiza el gen a regular, se denomina regulador CIS. Evidentemente se tratan de secuencias especiales del ADN (promotores y enhancers).
Cuando los elementos regulatorios son de naturaleza y origen diferente a la secuencia genética a controlar, la regulación es de tipo TRANS (aquí se incluyen a los factores de transcripción generales, histoespecíficos y todas las proteínas regulatorias con capacidad de unión al ADN).
3)- CONTROL POST-TRANSCRIPCIONAL DE LA EXPRESION GENETICA
Aunque el inicio de la transcripción es el sitio primario de la regulación de la expresión de genes, la síntesis del transcripto primario no es el único momento en que las células controlan la producción adecuada de proteínas.
http://med.unne.edu.ar/catedras/bioquimica/expresion.htm
http://med.unne.edu.ar/catedras/bioquimica/expresion.htm
INTRODUCCION
Los organismos multicelulares complejos están compuestos de diferentes tejidos cuyas características individuales dependen de las proteínas específicas expresadas por sus tipos celulares. La diferenciación, el desarrollo y la funcionalidad de los tejidos específicos dependen del conjunto de proteínas selectivamente expresadas por cada célula. Estas proteínas expresadas en forma diferencial pueden funcionar como componentes estructurales de las células, enzimas reguladoras del metabolismo, factores de transcripción, receptores celulares, componentes intracelulares de señalización, etc.
La expresión incorrecta de tales proteínas, su expresión en lugares equivocados, a destiempo, o la producción en cantidades anormales de proteínas específicas o de proteínas de función anómala subyace a toda patología celular de base genética.
Por consiguiente el conocimiento de los mecanismos de regulación de la expresión proteica en eucariontes contribuirá al conocimiento de las bases moleculares de diversas patologías.
En las células eucariotas, la capacidad de expresar proteínas biológicamente activas resulta de diferentes niveles regulatorios
http://med.unne.edu.ar/catedras/bioquimica/expresion.htm
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