Organización y regulación de genes en procariotas.
Organización y regulación de genes en procariotas!
Diferentes genes en un organismo están destinados a la síntesis de diferentes proteínas que se necesitan en diferentes momentos.
Se necesitan enzimas específicas en diferentes momentos del ciclo de vida de un organismo. Sin embargo, en todo momento del ciclo de vida, cada célula contiene el mismo conjunto de genes. Por lo tanto, es necesario contar con mecanismos que permitan que solo los genes deseados funcionen en un momento determinado y restrinjan la actividad de otros genes. Ahora se conoce una variedad de mecanismos que regulan la expresión génica a diferentes niveles, incluida la transcripción, el procesamiento del ARNm y la traducción.
Regulación génica en procariotas:
La velocidad de expresión de los genes bacterianos se controla principalmente a nivel de la síntesis de ARNm (transcripción). La regulación puede ocurrir tanto en el inicio como en la terminación de la transcripción del ARNm.
Regulación del operón lac en E. coli:
Jacob y Monod, dos microbiólogos franceses, sobre la base de su investigación sobre E.coli, sugirieron el primer modelo para la regulación de genes llamado modelo de operón en 1961. En esta bacteria, hay tres enzimas que causan la descomposición del azúcar lactosa, B- Galactosidasa, permeasa y transacetilasa.
Cuando las células de E. coli se cultivan en una fuente de carbono distinta de la lactosa, los niveles intercelulares de estas tres proteínas son extremadamente bajos, tal vez 1/1000 de los niveles que alcanzan cuando hay lactosa. Por lo tanto, se dice que la lactosa es un inductor de estas proteínas. Los primeros estudios establecieron que el proceso de inducción implica una síntesis de novo de β-galactosidasa y no la activación de algunas enzimas preexistentes.
Jacob y Monod presentaron un modelo de operón para explicar dicha regulación del gen de la lactosa.
Hay tres genes estructurales en el operón lac que incluyen los siguientes:
(i) el gen lac z (3063 pb) codifica la enzima P galactosidasa, que es activa como tetrámero y divide la lactosa en glucosa y galactosa para ser utilizada en la célula;
(ii) el gen lac y (800 pb) codifica la β galactosa permeasa, que es una proteína unida a la membrana y ayuda en el transporte de metabolitos y
(iii) gen lac a (800 pb) que codifica para p galactosa transacetilasa, una enzima que transfiere un grupo acetilo de acetil-CoA a P galactósidos.
En secuencia con estos genes y adyacentes a ellos, hay un gen operador que no codifica la proteína, pero ejerce el control sobre los tres genes estructurales que permiten la transcripción del ARNm para que las tres enzimas tengan lugar. Esto se llama como gen operador 'o'.
El gen promotor está ubicado justo arriba del operador y proporciona el sitio de unión para la ARN polimerasa que lleva a cabo la transcripción. El gen operador está bajo el control de otro segmento de ADN llamado gen regulador que se encuentra separado del operador y de los genes estructurales.
El regulador parece especificar una proteína llamada represor que se une con el gen operador y la desactiva. Esto evita que las enzimas unidas al promotor progresen a los genes estructurales y, por lo tanto, la transcripción no puede ocurrir. El operador, el promotor y los genes estructurales juntos se denominan operón.
En ocasiones, las sustancias en el citoplasma llamadas sustancias inductoras pueden unirse con las moléculas represoras. En el sistema de Jacob y Monod, se encontró que la lactosa interactúa de esta manera con el represor, uniéndolo y permitiendo que el gen operador "active" los genes estructurales que producen ARNm que determina la síntesis de enzimas que catalizan la descomposición de la lactosa.
A medida que se metaboliza la lactosa, se liberan las moléculas represoras, que se unen al operador y cesa la transcripción de los genes estructurales, es decir, se desactivan. El gen operador por lo tanto sirve como un mecanismo de cambio para todo el grupo de genes estructurales con los que está asociado.
El represor:
Los represores producidos por genes reguladores son proteínas que se unen a los genes operadores respectivos y tienen cuatro subunidades idénticas que se unen para formar dos surcos simétricos. Aparentemente, los represores pertenecen al grupo de proteínas alostéricas que cambian su forma en la interacción con moléculas específicas.
Dado que el represor se une reversiblemente a ambos, el ADN lac y el inductor de la alolactosa, parece tener dos sitios de unión distintos. En ausencia de inductor, el sitio de unión al ADN está activo y el represor se une al ADN lac.
Pero cuando la alolactosa se une a la molécula represora, el sitio de unión al ADN cambia a un estado inactivo, y el represor ya no puede unirse al ADN lac. La unión del represor al ADN lac previene la transcripción de los genes lac, mientras que su liberación del ADN lac (después de su interacción con el inductor) permite su transcripción.
Los efectores o inductores:
La afinidad de la unión del represor al operador está regulada por el inductor o co-represor, moléculas pequeñas también llamadas efectores. Un efector aparente es el compuesto que parece actuar como efector cuando está presente en una concentración suficiente.
En muchos casos, un efector aparente puede ser cambiado por la célula a otro compuesto que actúa como el efector; tal efector es conocido como el efector real. Por ejemplo, la lactosa es el efector aparente del operón lac en E. coli, pero el efector real es la alolactosa.
Control negativo:
En el control negativo, la asociación de una proteína específica (represora) con el ADN del operador evita la transcripción del operón. Se cree que la transcripción se evita debido a un cambio en la configuración del ADN del operador, de modo que la ARN polimerasa no puede realizar su función.
Dado que la regulación de la acción génica en un sistema de este tipo se logra mediante la prevención de la transcripción por parte de un represor, se conoce como control negativo. El sistema de control negativo se agrupa en dos categorías, (i) inducible y (ii) reprimible.
Control negativo inducible:
En este sistema, la producción de enzimas comienza solo en presencia de un inductor (efector), generalmente el sustrato de la vía metabólica en cuestión. En ausencia de inductor, la producción de enzimas está bloqueada, es decir, los genes del operón están reprimidos. El operón lac de E. coli es un operón inducible, y muchos otros operones relacionados con la utilización de sustratos muestran la inducción.
Control negativo reprimible:
En este sistema, el operón es normalmente funcional, es decir, deprimido, y las enzimas en cuestión y producidas por la célula. La presencia de un co-represor (efector) generalmente el producto final de la ruta biosintética en cuestión detiene la producción de enzimas, es decir, reprime el operón.
Los operones relacionados con las rutas biosintéticas, por ejemplo, la síntesis de histidina, triptófano y muchos otros aminoácidos, etc., muestran un control negativo reprimible. El gen regulador en este sistema produce un represor inactivo que no puede unirse al gen operador.
El represor inactivo, también conocido como aporpresor, se convierte en un represor activo solo cuando se une a la molécula efectora. El represor activo une el gen operador y evita la transcripción del operón.
Control positivo:
En el control positivo de la transcripción, la asociación de una proteína específica, denominada activador a un segmento de ADN en el gen promotor o a la ARN polimerasa, permite la transcripción del operón. Se cree que el efecto promotor del activador se debe a su efecto sobre la configuración del ADN en la región del iniciador de la transcripción, que luego se vuelve más favorable para la acción de la ARN polimerasa. El control positivo también es inducible o reprimible.
Control positivo inducible:
En este sistema, el activador está en un estado inactivo y no puede unirse al ADN promotor. El activador se une al promotor solo después de que interactúa con un inductor específico que produce un activador activo. Los operones sensibles catabólicos de E. coli, por ejemplo, las enzimas que producen el operón para la degradación de arabinosa (ara) y galactosa (gal), proporcionan ejemplos de dicho control.
Control positivo reprimible:
En este sistema, el activador se une al gen promotor que permite la transcripción del operón. Una interacción con el efector, un corepressor, cambia la configuración del activador para que no pueda unirse al promotor causando una represión del operón.
