Sección 3. Genética

AUTOEVALUACION: CAPÍTULO 15. La genética molecular de los procariotas y los virus bacterianos

Cuestionario:

1. Distinga entre los siguientes términos: enzima inducible/enzima represible; operón/promotor/operador; inductor/represor/correpresor; transformación/conjugación/transducción; plásmido/bacteriófago/transposón; plásmido F/plásmido R; célula F+/célula F-/célula Hfr, replicación theta/replicación en círculo rodante; profago/bacteria lisogénica; transducción general/transducción especializada
2. Un cultivo de bacterias se encuentra creciendo en un medio que contiene glucosa y lactosa en cantidades fijas, como únicas fuentes de carbono. Describa la serie de hechos que pueden ocurrir en los operones cuando se metabolizan los azúcares
3. La expresión genética, teóricamente, puede estar regulada a nivel de la transcripción, la traducción o la activación de las proteínas. En el último caso, el polipéptido producido por la síntesis proteínica es una forma inactiva. Sufre alguna modificación estructural (catalizada por enzimas) antes de que pueda desempeñar su función en la célula. ¿Cuáles serían las ventajas de cada tipo de regulación desde el punto de vista de la célula? ¿En qué circunstancias podría un tipo ser más útil que el otro? ¿Cuál es el más económico?
4. 4. Usted está tratando de mapear el DNA de una bacteria nueva extraña, que es de doble cadena y circular, similar al de E. coli. Contiene un plásmido F insertado y puede transferir DNA durante la conjugación. Después de permitir que diferentes cepas de la bacteria se conjuguen de a dos, durante distintos períodos, se interrumpe el proceso. En cada experimento usted prueba si un gen determinado (por ejemplo, met-), que previamente era no funcional en la cepa receptora, ahora lo es en esa cepa, o sea, usted quiere determinar si ha ocurrido la transferencia del gen del cromosoma dador y la posterior recombinación con el cromosoma receptor. Para esto, usted siembra las bacterias receptoras en un medio mínimo y observa si crecen. Solamente crecerán las células que contengan recombinantes genéticos. De los resultados que se muestran más adelante, determine el orden de los genes del cromosoma
   
   

   Crecimiento en medio mínimo

   Dador		Receptor	5 min	10 min	15 min	20 min
   phe+ met-	x	phe- met+	no	no	sí	sí
   met+ leu-	x	met- leu+	sí	sí	sí	sí
   leu+ phe-	x	leu- phe+	no	sí	sí	sí
   leu- phe+	x	leu+ phe-	no	no	sí	sí
   met- pro+	x	met+ pro-	no	no	no	sí

   
   
5. Describa los posibles resultados de la infección de una célula bacteriana por un virus atenuado

Respuestas:

1. Distinga entre los siguientes términos: enzima inducible/enzima represible; operón/promotor/operador; inductor/represor/correpresor; transformación/conjugación/transducción; plásmido/bacteriófago/transposón; plásmido F/plásmido R; célula F+/célula F-/célula Hfr, replicación theta/replicación en círculo rodante; profago/bacteria lisogénica; transducción general/transducción especializada

Una enzima inducible es aquella cuya síntesis es regulada por un inductor; la proteína represora solo impide la transcripción de mRNA pero es inactivada por la presencia de un inductor, por lo cual la transcripción ocurre en presencia de un inductor. Una enzima represible es aquella cuya síntesis es regulada por un correpresor; esto es, la proteína represora sola es inactiva, pero cuando se combina con el correpresor, el operador es bloqueado y la transcripción del mRNA no puede ocurrir.

Un operón comprende al promotor, a los genes estructurales y a otra secuencia de DNA conocida como operador. El operador es una secuencia de nucleótidos situados entre el promotor y el o los genes estructurales.

El promotor es un segmento específico de DNA que precede y es adyacente al operador; este es el sitio de unión de la RNA polimerasa. Un operador es un segmento de DNA cuya función es "el encendido y apagado" del operón; se apaga por la unión de una proteína represora y se enciende por la ausencia o inactivación del represor. El operador es inmediatamente adyacente a los genes estructurales del operador.

Un inductor es una sustancia que incrementa la cantidad de una proteína particular sintetizada por una célula; funciona combinado con un represor, inactivándolo y dejando libre al operador. Entonces la transcripción del mRNA puede comenzar. La transcripción de los genes estructurales depende, frecuentemente, de la actividad del regulador, que puede estar localizado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano. Este gen codifica la proteína llamada represor, que se une al operador. Cuando un represor está unido al operador, obstruye al promotor. En consecuencia, la RNA polimerasa no puede unirse a la molécula de DNA, o, si se une, no puede comenzar su movimiento a lo largo de la molécula. El resultado, en cualquier caso, es el mismo: no hay transcripción del mRNA. Sin embargo, cuando se remueve el represor, la transcripción puede comenzar. Un correpresor es una sustancia que inhibe la síntesis de una proteína particular de la célula; funciona por combinación con el represor que pasa de la forma inactiva a la activa.

En la transformación, las células bacterianas liberan DNA (factor transformador) al ambiente, desde donde puede entrar en otra célula y recombinarse con el DNA originalmente presente.

La transferencia de DNA de una célula a otra por contacto célula a célula se conoce como conjugación. El proceso conocido como transducción es la transferencia del DNA celular de una célula hospedadora a otra por medio de virus.

Aunque el cromosoma bacteriano contiene todos los genes necesarios para el crecimiento y reproducción de la célula, se ha encontrado que virtualmente todos los tipos de bacterias contienen moléculas de DNA adicionales, conocidas como plásmidos. Los plásmidos, que son mucho más pequeños que el cromosoma bacteriano, pueden llevar desde apenas dos genes hasta 30. Al igual que el cromosoma bacteriano, los plásmidos son circulares y autorreplicantes. Algunos se replican en sincronía con el cromosoma y cada célula hija tiene una sola copia del plásmido. Otros se replican asincrónicamente; en consecuencia, una célula puede contener múltiples copias. En el caso de algunos plásmidos pequeños, se han detectado hasta 50 copias en una sola célula. Alternativamente, si el plásmido se replica con menor frecuencia que el cromosoma, algunas células hijas pueden no recibir copia alguna del plásmido. Los virus bacterianos o bacteriófagos consisten esencialmente en una molécula de ácido nucleico encerrada en una cubierta de proteína llamada cápside. No contienen citoplasma, ni ribosomas, ni otra maquinaria celular. Sin embargo, pueden moverse de una célula a otra y pueden también utilizar los sistemas enzimáticos y las organelas del hospedador para replicar su propio ácido nucleico y sintetizar nuevas proteínas de cubierta. La composición de la cubierta proteínica determina la adhesión del virus a la membrana de la célula hospedadora y la entrada posterior del ácido nucleico viral en la célula. El transposón es otro tipo de elemento genético móvil. Son segmentos de DNA integrados al DNA cromosómico y no pasan nunca por una etapa de existencia independiente. Los transposones contienen un gen que codifica una enzima, la transposasa, que cataliza su inserción en un nuevo sitio al azar. Además, en cada extremo tienen una secuencia repetida de nucleótidos. Esta secuencia puede consistir en una repetición directa o en repeticiones invertidas.

Este factor F -o plásmido F- contiene genes que controlan la producción de los pelos F (pili). Los pelos F son estructuras proteínicas largas, con forma de bastón, que se extienden desde la superficie de las células que llevan el plásmido F. Estas células se conocen como células masculinas (dadoras) o células F+. Las células que carecen del plásmido F se conocen como femeninas (receptoras) o células F-. Las células F+ pueden adherirse a las células F- por medio de los pelos y transferirles el plásmido F a través de conexiones entre las células -puentes citoplasmáticos-. La transferencia del factor F confiere a las células receptoras la capacidad de producir pelos F y de transferir el plásmido F, es decir, las células receptoras se transforman en células F+. En un cultivo bacteriano mixto, todas las células F- se transforman rápidamente en células F+. El factor F, al igual que muchos otros plásmidos, puede integrarse al cromosoma bacteriano. Una célula bacteriana que contiene el factor F como parte de su cromosoma, es decir, como episoma, se conoce como célula Hfr, que significa alta frecuencia de recombinación. Durante la conjugación con una célula F-, el propio cromosoma bacteriano que se replica (o una porción de él) puede ser transferido de la célula Hfr a la célula F-. En otras palabras, los genes del cromosoma bacteriano pueden ser transferidos de una célula a otra, dando como resultado una nueva combinación génica en la célula receptora. La conjugación es así, en efecto, una forma de recombinación sexual.

En la célula Hfr que se conjuga, ocurre una ruptura en la secuencia del factor F integrado al cromosoma y comienza la replicación en círculo rodante. Conducida por su extremo 5', una sola cadena de DNA pasa de la célula Hfr a la célula F-. Puede entonces ocurrir recombinación entre el cromosoma de la célula receptora y porciones del cromosoma de la célula dadora, y el nuevo material reemplazar al viejo en el cromosoma de la célula receptora. La replicación theta es el proceso por el cual el cromosoma bacteriano y los plásmidos normalmente se replican. La replicación comienza en una secuencia de nucleótidos específica, conocida como el origen de replicación. A medida que las dos horquillas de replicación se alejan del origen en direcciones opuestas, la DNA polimerasa añade nucleótidos, uno por uno, al extremos 3' de las cadenas adelantada y de los fragmentos de Okazaki de la cadena retrasada. Cuando el cromosoma bacteriano circular se está replicando, forma una estructura que se asemeja a la letra griega theta, por eso se conoce como replicación theta.

Desde el comienzo de los estudios realizados sobre bacteriófagos, se advirtió que una infección viral podía brotar súbitamente en una colonia de células bacterianas aparentemente no infectadas. Estas células se denominaron bacterias lisogénicas por su capacidad, en determinado momento, de generar un ciclo de lisis celular que se extiende a las células vecinas. Se descubrió que la lisogenia es producto de la capacidad de ciertos virus para establecer una relación a largo plazo con la célula hospedadora -ciclo lisogénico-, permaneciendo latentes durante muchas generaciones celulares antes de iniciar un ciclo de infección. Estos virus se conocieron con el nombre de bacteriófagos atenuados. El DNA de los fagos atenuados puede integrarse en sitios específicos del cromosoma del hospedador, replicándose junto con el cromosoma, de la misma manera en que lo hace el plásmido F. Estos bacteriófagos integrados se conocen como profagos. Los profagos se separan espontáneamente del cromosoma hospedador alrededor de una vez cada 10.000 divisiones celulares, desencadenando un ciclo lítico.

El proceso conocido como transducción es la transferencia del DNA celular de una célula hospedadora a otra por medio de virus. En el curso de un ciclo lítico, los virus explotan los recursos de la célula hospedadora. Durante el ciclo lítico de muchos virus, el DNA del hospedador se fragmenta; cuando estos virus dejan la célula, parte de ellos pueden contener fragmentos de DNA del cromosoma del hospedador. Dado que la cantidad de DNA que puede empaquetarse dentro de la cubierta proteica es limitada, estos virus, al incorporar DNA del hospedador, pierden parte o toda la información genética propia que necesitan. Aunque pueden ser capaces de infectar a una nueva célula hospedadora, no son capaces de completar un ciclo lítico. Sin embargo, los genes que llevan de su hospedador previo pueden incorporarse al cromosoma del nuevo hospedador. Dependiendo de qué genes sean transferidos, estas recombinaciones pueden detectarse. Este proceso es llamado transducción general, dado que virtualmente cualquier gen puede ser transferido por este mecanismo. En el caso de los virus atenuados, cuando los profagos se separan del cromosoma del hospedador para iniciar un ciclo lítico pueden, de igual modo, llevar un fragmento del cromosoma del hospedador. E1 cromosoma de cada fago recién formado consistirá entonces tanto en DNA del hospedador como en DNA viral. En esta situación, el DNA del hospedador no es tomado al azar, como en el caso de los fagos no atenuados, sino que está muy específicamente restringido a las porciones del cromosoma hospedador contiguas al sitio de inserción del profago. Así, este proceso se conoce como transducción especializada o restringida.

2. Un cultivo de bacterias se encuentra creciendo en un medio que contiene glucosa y lactosa en cantidades fijas, como únicas fuentes de carbono. Describa la serie de hechos que pueden ocurrir en los operones cuando se metabolizan los azúcares

Inicialmente, el nivel de glucosa y lactosa en el medio es alto. La lactosa se une con el represor inactivo y el operador del operón lac está en la posición "encendido". Sin embargo, con altos niveles de glucosa, el operón lac permanece reprimido, aunque haya lactosa en la célula. El intermediario de este proceso regulatorio es el cAMP. En presencia de glucosa, el nivel de cAMP en la célula bacteriana es bajo; como consecuencia, el CAP no puede formar un complejo y unirse al sitio CAP del promotor. La RNA polimerasa no puede unirse eficientemente en su sitio promotor. Los genes que codifican para las proteínas involucradas en el metabolismo de la lactosa (beta galactosidasa, una proteína de transporte y la transacetilasa) no se transcriben, las proteínas no se sintetizan y la célula no puede usar lactosa como fuente de energía. En cambio, usa la glucosa disponible. A medida que la glucosa es utilizada, sin embargo, el nivel de cAMP aumenta en la célula y el CAP forma un complejo con el cAMP y se une al sitio CAP del promotor del operón lac. Como el operador está en posición "encendido", la RNA polimerasa se une a su sitio en el promotor, los genes del operón son transcriptos y las proteínas requeridas para el metabolismo de la lactosa son sintetizadas. Entonces la célula pasa a usar lactosa como fuente de energía. A medida que la lactosa es utilizada, su concentración baja y el represor está libre de la inactivación. Entonces el represor se une al operador; e impide nuevas transcripciones desde el operón. Cuando las proteínas previamente sintetizadas son degradadas o la maltosa es insuficiente, la célula no puede usar lactosa como fuente de energía. Si no hay nueva adición al medio de móleculas que proveen energía, la célula muere.

3. La expresión genética, teóricamente, puede estar regulada a nivel de la transcripción, la traducción o la activación de las proteínas. En el último caso, el polipéptido producido por la síntesis proteínica es una forma inactiva. Sufre alguna modificación estructural (catalizada por enzimas) antes de que pueda desempeñar su función en la célula. ¿Cuáles serían las ventajas de cada tipo de regulación desde el punto de vista de la célula? ¿En qué circunstancias podría un tipo ser más útil que el otro? ¿Cuál es el más económico?

La regulación de la síntesis de proteínas a nivel de la transcripción, el primer paso en la síntesis de proteínas, es más eficiente para la célula cuando la proteína es raramente necesitada. Esta regulación previene a la célula de usar su energía y materia prima en sintetizar mRNA que no será utilizado. La regulación a nivel de la traducción frena la síntesis de proteínas cuando hay una abundante cantidad de esta proteína particular pero, como el mRNA está ya formado y disponible, la célula debe reasumir la síntesis rápidamente si es necesitada. Esta regulación es más eficiente cuando la proteína es necesitada por la célula con cierta frecuencia, aunque no todo el tiempo. La regulación a nivel de la activación de proteínas significa que la proteína está constantemente disponible para la célula. Generalmente se produce por una reacción enzimática que remueve una porción de la cadena de aminoácidos. Esta regulación es ventajosa en proteínas, como las digestivas, que son necesitadas en gran frecuencia y en un corto tiempo. La regulación a nivel de la transcripción es el proceso más económico.

4. Usted está tratando de mapear el DNA de una bacteria nueva extraña, que es de doble cadena y circular, similar al de E. coli. Contiene un plásmido F insertado y puede transferir DNA durante la conjugación. Después de permitir que diferentes cepas de la bacteria se conjuguen de a dos, durante distintos períodos, se interrumpe el proceso. En cada experimento usted prueba si un gen determinado (por ejemplo, met-), que previamente era no funcional en la cepa receptora, ahora lo es en esa cepa, o sea, usted quiere determinar si ha ocurrido la transferencia del gen del cromosoma dador y la posterior recombinación con el cromosoma receptor. Para esto, usted siembra las bacterias receptoras en un medio mínimo y observa si crecen. Solamente crecerán las células que contengan recombinantes genéticos. De los resultados que se muestran más adelante, determine el orden de los genes del cromosoma

La secuencia lineal de los genes en el cromosoma es: met-leu-phe-pro

5. Describa los posibles resultados de la infección de una célula bacteriana por un virus atenuado

Un virus atenuado es, por definición, un virus que está latente en una célula por ciertas generaciones antes de iniciar un nuevo ciclo de infección. Un fago atenuado puede permanecer libre en la célula o se puede integrar al cromosoma, replicándose con él. Cuando el bacteriófago que permanece libre en la célula finalmente inicia el ciclo lítico, algunos pueden acarrear fragmentos de DNA de la célula hospedadora con ellos (transducción general). Cuando un profago inicia un ciclo lítico puede acarrear segmentos de DNA adyacentes al sitio en el que el fago estaba insertado (transducción especializada).

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