La genética molecular de los procariotas y de los virus bacterianos
La transcripción
y su regulaciónElementos genéticosmóvilesEstrategias derecombinaciónRepresentación esquemática de la replicación bidireccional del DNA en el cromosoma procariótico.
Capítulo 15. La genética molecular de los procariotas y de los virus bacterianos
La transcripción y su regulación
La replicación del DNA § comienza en un sitio particular del cromosoma y ocurre bidireccionalmente (replicación theta). La transcripción § consiste en la síntesis de una molécula de mRNA § usando como molde una de las hebras del DNA.
La replicación comienza en una secuencia de nucleótidos específica, conocida como el origen de replicación. Los puntos de origen y terminación de la replicación se indican en rojo y en negro, respectivamente, y la cadena de DNA recién sintetizada se muestra en rojo. 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 rezagada §. Cuando el cromosoma bacteriano circular se está replicando, forma una estructura que se asemeja a la letra griega theta; así, su replicación se conoce como replicación theta.
El proceso de transcripción comienza cuando la enzima § RNA polimerasa se acopla al DNA en el sitio específico conocido como promotor §. La molécula de RNA polimerasa se une estrechamente al promotor y hace que la doble hélice de DNA se abra, iniciándose la transcripción. La cadena de RNA en crecimiento permanece brevemente unida por puentes de hidrógeno al DNA molde, (sólo 10 o 12 ribonucleótidos están unidos al DNA en cualquier instante dado) y luego se desprende como una cadena simple.
Un segmento de DNA que codifica un polipéptido §se conoce como gen estructural §. Frecuentemente, los genes estructurales que codifican polipéptidos con funciones relacionadas se presentan juntos formando una sucesión en el cromosoma § bacteriano. Estos grupos funcionales podrían incluir, por ejemplo, dos cadenas polipeptídicas que juntas constituyen una enzima particular o tres enzimas que trabajan en una única vía enzimática. Los grupos de genes que codifican esas moléculas suelen transcribirse en una única cadena de mRNA. Estos mRNA se conocen con el nombre de mRNA policistrónicos § mientras que, los que poseen información para un único polipéptido, se denominan monocistrónicos §. Así, un grupo de polipéptidos que la célula necesite al mismo tiempo pueden ser sintetizados juntos, constituyendo una manera simple y eficiente de controlar su coexpresión.
Esquema del proceso de transcripción en los procariotas
En los procariotas §, la transcripción a menudo da como resultado una molécula de mRNA con secuencias que codifican varias cadenas polipeptídicas diferentes (mRNA policistrónico). Las secuencias están separadas por codones de terminación y de iniciación. En este diagrama, los codones de terminación y de iniciación son contiguos pero, en algunos casos, pueden estar separados por hasta 100 a 200 nucleótidos. El extremo 5' de la molécula de mRNA tiene una secuencia conductora corta y el extremo 3' tiene una secuencia cola; ninguna de estas secuencias codifica proteínas. La traducción generalmente comienza en el extremo conductor de la molécula de mRNA, mientras que el resto de la molécula aún está siendo transcripta.
La molécula de mRNA recién sintetizada tiene una corta secuencia "guía" en su extremo 5', la secuencia de Shine-Dalgarno, que es la que se une al ribosoma §. La región codificadora de la molécula es una secuencia lineal de nucleótidos que dicta con precisión la secuencia lineal de aminoácidos en cadenas polipeptídicas determinadas. Puede haber varios codones de terminación e iniciación dentro de la molécula de mRNA, marcando el fin de un gen estructural y el comienzo del siguiente, respectivamente. Cada uno de los codones de iniciación tiene que estar precedido por un sitio de unión al ribosoma. Una secuencia adicional de nucleótidos en el extremo 3' se conoce como "cola". Los ribosomas se acoplan a la molécula de mRNA aun antes de que la transcripción se haya completado.
La regulación implica interacciones entre el ambiente químico de la célula y proteínas reguladoras especiales, codificadas por genes reguladores. Por ejemplo, las células de E. coli abastecidas con el disacárido § lactosa como fuente de carbono y energía, requieren de la enzima beta-galactosidasa para escindir ese disacárido. Las células que crecen en un medio con lactosa fabrican aproximadamente 3.000 moléculas de beta-galactosidasa. Sin embargo, en ausencia de lactosa hay un promedio de una molécula de enzima por célula. En conclusión, la presencia de lactosa provoca la induccción de la producción de las moléculas de enzima necesarias para degradarla. Se dice, entonces, que estas enzimas son inducibles.
Por el contrario, la presencia de un nutriente determinado puede inhibir la transcripción de un grupo de genes estructurales. La E. coli, como otras bacterias, puede sintetizar cada uno de sus aminoácidos a partir de amoníaco y de una fuente de carbono. Los genes estructurales que codifican las enzimas necesarias para la biosíntesis del aminoácido triptófano, por ejemplo, están agrupados y se transcriben en una única molécula de mRNA. Este mRNA es producido continuamente por células en crecimiento si el triptófano no está presente. En presencia de triptófano, se detiene la producción de las enzimas. Estas enzimas, cuya síntesis se reduce en presencia de los productos de las reacciones que catalizan, se denominan represibles.
Enzimas inducibles y represibles.
- La velocidad de síntesis de beta-galactosidasa, una enzima inducible producida por E. coli, se incrementa dramáticamente cuando se añade lactosa al medio de crecimiento circundante. En tanto la lactosa sea abundante en el medio, la producción de enzima continúa a su velocidad máxima. Sin embargo, cuando se elimina la lactosa del medio, la velocidad de síntesis de beta-galactosidasa cae inmediatamente.
- En ausencia de un sustrato esencial, como el aminoácido triptófano, las enzimas requeridas para su producción se sintetizan a velocidad máxima. Sin embargo, si se añade triptófano al medio, la síntesis de estas enzimas se reprime rápidamente.
Un medio principal de regulación genética en las bacterias es el sistema operón §. Un operón comprende al promotor §, a los genes estructurales § y al operador §.
Los genes estructurales del operón codifican un grupo de proteínas funcionalmente relacionadas y se transcriben como una sola molécula de mRNA. La transcripción es controlada por secuencias en el promotor y en el operador, adyacentes a los genes estructurales y capaces de unir proteínas específicas. El promotor contiene un sitio de unión para la RNA polimerasa y puede contener un sitio de unión para el complejo CAP-AMP cíclico §. El operador es el sitio de unión para un represor, proteína codificada por otro gen, el regulador, que puede estar localizado a cierta distancia en el cromosoma bacteriano. El operador se puede superponer con el promotor, con el primer gen estructural, o con ambos; cuando el represor se une a la molécula de DNA en el sitio operador, la RNA polimerasa no puede iniciar la transcripción del mRNA. Cuando el represor no está presente, la RNA polimerasa puede unirse al DNA y comenzar su movimiento a lo largo del cromosoma, permitiendo que ocurra la transcripción y la síntesis de proteínas.
El operón lac es un ejemplo de un operón inducible. Pasa de "desconectado" a "conectado" cuando un inductor se une al represor y lo inactiva. Otros operones, como el operón trp, son represibles. Estos pasan de "conectado" a "desconectado" por la acción de un correpresor, que se une a un represor inactivo. Éste activa al represor y se une al operador. Tanto la inducción como la represión son formas de regulación negativa.
La regulación positiva de algunos operones la suministra la unión del complejo CAP-cAMP. Por ejemplo, cuando hay glucosa en la célula, los niveles de AMP cíclico son bajos y el complejo CAP-cAMP no se forma. Cuando la glucosa se agota, aumentan los niveles de cAMP y se forman complejos CAP-cAMP que se unen luego al promotor. Con la lactosa presente (y el represor así inactivado) y el complejo CAP-cAMP en su lugar, la RNA polimerasa también se une al promotor y ocurre la transcripción desde el operón.
Modelo esquemático de un sistema de operón.
En un operón, la síntesis de proteínas está regulada por interacciones que involucran a un represor y a un inductor o bien a un represor y a un correpresor.
- En los sistemas inducibles, como el operón lac, la molécula del represor es activa, hasta que se combina con el inductor (en este caso, alolactosa).
- En los sistemas represibles, como el operón trp, el represor se activa sólo cuando se combina con el correpresor.
Los operones inducibles y represibles son ambos desconectados por proteínas represoras codificadas por genes reguladores. El represor se une al DNA en el operador y evita, de esta forma, que la RNA polimerasa inicie la transcripción.
En los operones inducibles, el inductor contrarresta el efecto del represor uniéndose a él y manteniéndolo en una forma inactiva. Así, cuando el inductor está presente, el represor ya no puede unirse al operador y pueden proseguir la transcripción y la traducción.
En los operones represibles, en ausencia del correpresor, el represor se encuentra inactivo. En este estado, la transcripción y la traducción ocurren permanentemente. En presencia de un correpresor, se forma un complejo represor-correpresor y el represor se activa. Así puede unirse al operador bloqueando la transcripción.
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