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LOS GENES Y SU FUNCIÓN
DNA y genes
El mensaje genético está escrito en la molécula de DNA en forma de secuencia de bases nitrogenadas.
El mensaje genético se transmite de una generación a la siguiente mediante la REPLICACIÓN del DNA
El mensaje genético se expresa en los caracteres biológicos del organismo mediante la TRASCRIPCIÓN y TRADUCCIÓN.
En sentido amplio, un gen es un fragmento de DNA que contiene una información cuya expresión determina algún aspecto concreto del funcionamiento del organismo.
DNA como material genético Los experimentos de Griffith,
Avery, McLeod y McCarthy (primer mitad del siglo XX) confirmaron el ADN como la molécula portadora de la información genética.
Conclusión: una sustancia química procedente de una célula es capaz de transformar genéticamente otra célula
Experimento de Griffith (1928) Utilizó dos cepas de Streptococus pneumoniae: cepa S (smooth),
con colonias de superficie lisa y letales para los ratones y cepa R no encapsulada (rough), con colonias rugosas y que no mataban a los ratones.
Las cepas S muertas por calor son también inofensivas, excepto cuando se las mezcla con cepa R vivas que producen una infección fatal. Además en los ratones infectados se encuentran células vivas con cápsulas características de la cepa S.
Conclusión: una sustancia química procedente de una célula S muerta es capaz de transformar genéticamente las cepas R vivas y hacerlas letales.
Ese factor que Griffith no supo cual era, fue reconocido más tarde por Avery, Mc Leod y Mc Carthy (1944) como el ADN.
Replicación del DNA
Watson y Crick expusieron la idea inicial de sobre el mecanismo de la replicación.
Las dos cadenas del DNA se
separarían y, frente a cada una de ellas, se colocarían los nucleótidos complementarios formándose el enlace fosfodiéster para dar lugar a una molécula completa.
Cada nueva molécula de ADN tiene una hebra original y una hebra nueva.
Replicación del DNA Según la hipótesis de Watson y Crick (1953) la
replicación del DNA sería semiconservativa.
Sin embargo a priori habrían dos posibilidades: Replicación conservativa. Replicación semiconservativa.
Conservativa Semiconservativa
Replicación del DNA Según la hipótesis de Watson y Crick (1953) la
replicación del DNA sería semiconservativa.
Sin embargo a priori habrían dos posibilidades: Replicación conservativa. Replicación semiconservativa.
Conservativa Semiconservativa
Experimentos de Meselson y Sthal
Meselson y Sthal (1958) realizaron un experimento con cultivos de bacterias que demostraron que la replicación del DNA es semiconservativa
RESULTADOS DEL EXPERIMENTO
Experimento de Meselson y Stahl CONTROL (Centrifugación ADN conocido)
ADN 14N ADN 15N 1ª generación 2ª generación 3ª generación
Descarta el modelo conservativo
Descarta el modelo dispersivo
INTERPRETACIÓN DEL EXPERIMENTO
Cultivo con 15N Cultivo con 14N 1ª generación
2ª generación
3ª generación
ADN 14N y ADN 15N
Mecanismo replicación La replicación o duplicación del DNA requiere:
Un DNA molde. Desoxirribonucleósidos trifosfato de A, T, G y C. Energía (la proporcionan los dNTP) Las enzimas siguientes: • Girasas o topoisomerasas. Desenrollan el DNA.
• Helicasas: Separan las dos hebras del DNA. • Proteínas SSB. Estabilizan el DNA monocatenario en la replicación. • DNA polimerasas. • Primasa. Sintetiza el RNA cebador. • Ligasa. Forma enlaces ester entre los fragmentos adyacentes.
El problema del superenrrollamiento
ADN polimerasas Catalizan la adición de
nucleótidos (dNTP) uno a uno al extremo 3’ de una cadena, siempre en dirección 5’→3’.
El enzima necesita un cebador (hebra a la que añadir dNTP).
La enzima va añadiendo los nucleótidos (dirección 5´→ 3´) al extremo 3´ del cebador conforme va recorriendo la hebra molde (3´→ 5´).
En procariotas se han descrito la Pol I, Pol II y Pol III.
ADN polimerasas
Las DNA pol son enzimas procesivas: avanzan sobre la hebra molde sin soltarse mientras catalizan la adición de nucleótidos al extremo 3’ de la otra hebra.
Las enzimas que catalizan el proceso de replicación sólo unen nucleótidos en sentido 5’→3’ es por esto que ambas cadenas, al ser antiparalelas, deben de replicarse de manera diferente.
ADN polimerasas
Además, las enzimas no pueden formar cadenas de nuevo, sólo pueden elongar cadenas, es por esto que toda nueva cadena de ADN comienza por un fragmento de ARN, el primer o cebador, pues el ARN sí puede sintetizarse de nuevo. Este primer será posteriormente eliminado. Las DNA polimerasas tienen varios centros activos: uno para la actividad polimerasa y otros para desempeñar una acción exonucleasa (rompe enlaces fosdodiéster).
Replicación del DNA en procariotas En experimentos con procariotas se comprueba que la
replicación es bidireccional, semidiscontinua y tiene un único origen de replicación (ORI C en Escherichia coli).
Horquillas de replicación Formas observadas Interpretación
A los 5 minutos A los 12 minutos
A los 28 minutos A los 48 minutos
1.ª generación 2.ª generación
Punto de crecimiento Hélice de la 2.ª
generación
Punto de crecimiento
Hélice de la 1.ª generación
Horquilla de replicación Horquillas observadas
3’
5’
3’
5’
3’
5’
5’
3’
5’
3’
5’
3’
Punto de inicio
Ninguna polimerasa añade nucleótidos en estos puntos
5’ 5’ 3’ 3’
Origen de replicación Crecimiento
discontinuo Crecimiento
continuo
Horquilla de replicación Las helicasas desenrollan el ADN y las proteínas SSB
mantienen las dos hebra separadas. La tensión generada al desenrollar la doble hélice se
reduce por las topoisomerasas que introducen cortes en la molécula de ADN.
La cadena lider se sintetiza de forma continua. La cadena retrasada se sintetiza de forma discontinua. El descubrimiento de los fragmentos de Okazaki
(pequeños fragmentos de RNA con 1000-2000 nucleótidos de DNA unidos al extremo 3’) dieron la pista sobre como se replica la hebra retrasada.
Horquilla de replicación La primasa sintetiza los ARN cebadores y a
continuación la ADN pol III forma pequeños fragmentos de ADN unidos a este ARN.
Finalmente, en ambas cadenas la ADN pol I elimina los ARN cebadores y rellena los huecos con desoxirribonucleótidos.
Una ligasa une los fragmentos de ADN. La síntesis de las dos cadenas, conductora y retardada,
se produce de forma simultánea en cada horquilla de replicación.
Mecanismo de la replicación
Replisoma Primasa
Replisoma
1. Topoisomerasa 2. Helicasa 3. Proteínas ssb 4. Primasa 5. DNA pol III 6. DNA pol I 7. Ligasa
Complejo del replisoma
Holoenzima DNA polimerasa
Replicación en eucariotas
Los nucleosomas son un obstáculo para el avance de la replicación.
Los octámeros de histonas de la cromatina han de desmontarse y duplicarse para volver a ensamblarse sobre el DNA replicado.
Además para compensar la mayor longitud de las moléculas de DNA hay múltiples orígenes de la replicación.
Las enzimas DNA pol son más complejas y los fragmentos de Okazaki menores (100-200 nucleótidos) que en procariotas.
Horquillas de replicación
Características de la replicación
Semiconservativa Bidireccional Semidiscontinua
Replicación en eucariotas Origen de la replicación
Horquilla de replicación
Hebra retardada
Hebra conductora Origen de la replicación
Burbujas de replicación
Hebra conductora
Nucleosomas
Nuevos nucleosomas
Hebra retardada
Fidelidad de la replicación La DNA pol III tiene un sistema de corrección de error:
Actividad exonucleasa 3’→ 5’ que elimina el nucleótido introducido de manera errónea.
La tasa de errores inicial de incorporación de nucleótidos es de: 1/10.000, mientras que la tasa de error real durante la síntesis de las nuevas cadenas: 1/1.000.000.000
Si tras la replicación se detecta un error de apareamiento: Las endonucleasas reconocen el error y rompen el enlace
fosfodiéster La DNA pol I elimina el nucleótido incorrecto y añade el correcto La DNA ligasa sella la muesca
Los errores no originados en la replicación también se reconocen y se corrigen.
Concepto de Gen En sentido amplio, un gen es un fragmento de DNA
que contiene información cuya expresión determina algún aspecto concreto del funcionamiento celular.
En sentido más restringido, un gen es un fragmento de DNA que determina la síntesis de una molécula de RNA o una proteína. Genes estructurales Genes reguladores:
Genes estructurales y reguladores
Genes Estructurales: producen proteínas cuya acción se manifiesta en caracteres del organismo. Supone la transcripción y la traducción del gen.
Genes reguladores: Su expresión no produce directamente ningún carácter del organismo, sino que regulan los procesos de replicación, transcripción o traducción. Pueden producir rRNA, tRNA o moléculas de RNA que se unen
a segmentos del DNA regulando su acción. También pueden producir proteínas reguladoras que se unen a
segmentos del DNA regulando su acción.
Dogma central de la Biología molecular
Dogma central de la Biología Molecular
DNA RNA PROTEÍNAS
Rep
licac
ión
Transcripción Traducción
Transcripción inversa
(Retrovirus)
TRANSCRIPCIÓN
Consiste en la síntesis de ARN a partir de ADN.
El enzima implicado es la RNA polimerasa.
Síntesis de RNA
La primera síntesis del RNA “in vitro” fue lograda por Severo Ochoa, lo que le valió el premio Nobel en 1959.
La enzima descubierta por Ochoa, la Polinucleótido fosforilasa, no es la encargada de la transcripción “in vivo”
La ARN polimerasa fue descubierta en 1960 por Hurwizt y Weis.
Mecanismo de la transcripción
La síntesis de RNA requiere: Un DNA molde
Ribonucleótidos trifosfato de A, U, G y C
Energía (la producen los rNTP)
RNA polimerasa (enzima procesiva)
Transcripción en procariotas
5’ 3’
5’ 3’
5’ 3’
5’ 3’
ARN-polimerasa
ARN
Iniciación
Elongación
Finalización
ARN transcrito completo
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
Promotor
Terminador
Transcripción en procariotas
La RNApol se une en la región promotora (para ello se necesita la subunidad σ).
La RNApol sintetiza el RNA en dirección 5’→3’.
Al final del gen la secuencia de terminación provoca la liberación de la RNApol de la hebra molde.
Los RNAm procariotas suelen ser policistrónicos (un RNAm lleva información para fabricar varias proteínas)
RNAm en procariotas DNA
Imágenes de la Transcripción
Transcripción simultánea de genes por varias moléculas de RNA polimerasa.
Transcripción en eucariotas Existen 3 tipos de RNA polimerasas:
RNA Pol I → transcribe los genes rRNA RNA Pol II → sintetizan mRNA RNA Pol III → sintetiza los tRNA y el rRNA 5S
Para la transcripción del DNA han de desmontarse los nucleosomas (histonas pueden tener papel regulador).
Los RNAm son monocistrónicos.
El RNAm ha de procesarse (maduración)
Los genes estructurales poseen intrones (secuencias que han de ser procesadas)
ARN nucleolar y 5S
ADN
Núcleo
Nucléolo
Proteínas ribosómicas
Nucleoplasma
Citosol
ARN nucleolar 45 S
ARNm
ARN 28 S
ARN 5,8 S
ARN 5 S
Subunidad ribosómica
de 60 S
Subunidad ribosómica
de 40 S
Ribosoma de 80 S
RNA mono y policistrónico
Maduración del RNAm eucariota Adición de la “caperuza” al extremo 5’.
Se añade una guanosina trifosfato invertida y metilada en el N 7 (m7 Gppp), que lo protege de una degradación prematura (por enzimas exonucleasas) y constituye la señal de inicio en la síntesis de proteínas.
Adición de la cola poli-A al extremo 3’. Se añade una cola de 150/200 nucleótidos de ácido poliadenílico
También es un estabilizador frente a las exonucleasas. Se eliminan los intrones: “Splicing”.
Son secuencias transcritas pero que no contienen información para la síntesis de proteínas.
Maduración del RNA en eucariotas Promotor
5’ 3’
5’
3’
5’
3’
ARN
Unidad de transcripción
Iniciación 3’ 5’
3’
5’
3’
5’
m7-Gppp
Capucha 5' Elongación
ARN-polimerasa
m7-Gppp
Maduración del RNA en eucariotas
5’
3’
3’
5’ Finalización
PoliA-polimerasa
m7-Gppp
Capucha 5' OH
ARN heterogéneo nuclear
Cola de poli-A OH
Maduración RNAm: Splicing
El RNA se une a unas proteínas (Ribozimas: snRNA) que hacen que el intrón adopte forma de bucle.
El RNA se escinde enzimáticamente (con pérdida de los intrones) y se suelda de nuevo.
Maduración del RNA en eucariotas 5’ 3’ Maduración
3’ 5’
Exón 1 Intrón Exón 2
RNPpn
Proteína
Espliceosoma
5’ 3’
Intrón
ARNm Exón 1 Exón 2
Los snRNP son RIBOZIMAS: moléculas de RNA que catalizán reacciones químicas.
Splicing
Hibridación DNA-RNAm
T A C G A A C C G T T G C A C A T C
A U G C U U G G C A A C G U G
1- Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación que se encuentran en el ADN.
ARNpolimerasa
Transcripción
T A C G A A C C G T T G C A C A T C
A U G C U U G G C A A C G U G
2. Alargamiento: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5'→3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-GTP en el extremo 5‘ con función protectora.
m-GTP
ARNpolimerasa
Transcripción
A U G C U C G U G
3- Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a la región terminadora del gen finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una poliA-polimerasa añade una serie de nucleótidos con adenina, la cola poliA, y el ARN, llamado ahora ARNm precursor, se libera.
m-GTP
poliA-polimerasa
U A G A A A A A
ARNm precursor
Transcripción
ARNm
precursor
AAAAAA AUG UAG
cola
4. Maduración (cont.): El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. En el proceso de maduración un sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y las ARN-ligasas unen los exones, formándose el ARNm maduro.
ARNm
maduro
Cabeza
Transcripción
Diferencias entre Transcripción y Replicación
La transcripción es selectiva: únicamente se transcriben algunas regiones del DNA.
En la transcripción se copia una sola hebra del DNA, la hebra molde. Hay genes que se transcriben de una hebra y otros, de la contraria.
La transcripción es reiterativa: un gen puede transcribirse muchas veces.
Traducción Consiste en la síntesis de proteínas según las
instrucciones del mRNA. La clave del proceso es descifrar la
información contenida en la secuencia de nucleótidos del mRNA para determinar la secuencia de aminoácidos de la proteína.
El código que relaciona la secuencia de bases del mRNA con la secuencia de aas en las proteínas es el código genético.
El código genético
CRICK demostró que los aas están codificados por tripletes de tres bases nitrogenadas en la cadena de RNAm; son los codones.
El código genético es universal.
Existen 64 codones, dado que solamente hay 20 aas, se deduce que varios tripletes codificarán para un mismo aa: se dice que el código genético está degenerado.
Código genético
Ejemplo de codificación de un péptido con 6 aas.
TRADUCCIÓN En la traducción intervienen:
Los ribosomas, El RNAm y el RNAt, Los aminoácidos Diversos enzimas: Las aminoacil-tRNA sintetasas y la ribozima
peptidiltransferasa.
Formación de los aminoacil-ARNt Son resultado de la unión de los aminoácidos al RNAt
Activación del aminoácido: Aa + ATP aa-AMP + Ppi
1º FASE
Aminoacil-RNAt
Transferencia del aminoácido activado: aa-AMP + tRNA aa-tRNA + AMP
2º FASE
Mecanismo de la traducción El proceso de traducción consta de 3 fases:
Fase de iniciación: el RNAm se une con la subunidad menor del ribosoma sobre el codón de iniciación (AUG). También se une el RNAt-Met y posteriormente la subunidad mayor del ribosoma.
Fase de elongación: el ribosoma avanza sobre el RNAm recorriéndolo en sentido 5’- 3’ y la cadena polipeptídica se va alargando.
Fase de terminación: cuando el ribosoma encuentra un codón de terminación se desprende la cadena polipeptídica y se separan las subunidades del ribosoma y el RNAm.
Mecanismo de la traducción En los ribosomas pueden distinguirse tres sitios activos
o locus: Locus P (centro peptidil): Se coloca el primer Aminoacil-tRNA. Locus A (centro aceptor): Se sitúan los siguientes Aminoacil-
tRNA. Locus E (centro de salida): Se sitúa el tRNA a punto de
liberarse del ribosoma. El movimiento de las 2 subuds. del ribosoma necesita
energía obtenida con la hidrólisis del GTP. En cambio, los enlaces peptídicos se realizan sin
consumo de energía por la adecuada situación espacial de los aminoácidos.
1er aminoácido
ARNt Anticodón
Codón
ARNm
Subunidad menor del ribosoma
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
U A C
Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y el ARNm se desplaza hasta llegar al codón AUG, que codifica el principio de la proteína. Se les une entonces el complejo formado por el ARNt-metionina (Met). La unión se produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que transporta la metionina (Met).
5’ 3’
U G C U U A C G A U A G
Subunidad menor del ribosoma
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A U A C
Elongación I: A continuación se une la subunidad mayor del ribosoma. El complejo ARNt-glutamima (Gln) [ARNt-Gln] se sitúa enfrente del codón correspondiente (CAA). El centro activo del ribosoma al que se une el complejo ARNt-Gln se le llama región aminoacil (A).
5’ 3’
G U U U G C U U A C G A U A G
(i)
ARNm AAAAAAAAAAA
P A
A U G C A A U A C
Elongación II: Se forma el enlace peptídico entre el grupo carboxilo de la metionina (Met) y el grupo amino del segundo aminoácido, la glutamina (Gln). La formación de este enlace la cataliza la peptidiltransferasa
5’
G U U U G C U U A C G A U A G
3’
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación III: El ARNt del primer aminoácido, la metionina (Met) se libera.
5’
G U U U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación IV: El ARNm se traslada, quedando el ribosoma sobre el siguiente triplete.
5’ 3’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación V: Entrada del complejo ARNt-Cys, correspondiente al tercer aminoácido, la cisteína (Cys).
5’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VI: Unión del péptido Met-Gln (Metionina-Glutamina) a la cisteína (Cys).
5’
G U U U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VII: Se libera el ARNt correspondiente al segundo aminoácido, la glutamina (Glu).
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
(i)
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación VIII: El ARNm corre hacia la otra posición, quedando el complejo ARNt3-Cys-Glu-Met en la región peptidil del ribosoma.
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación IX: Entrada del complejo ARNt-Leu correspondiente al 4º aminoácido, la leucina.
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G
A A U
Leu
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación X: El RNAt-Leu se une al codon UUA.
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A C G A A U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación XI: Unión del péptido Met-Gln-Cys con el 4º aminoácido, la leucina (Leu). Liberación del ARNt de la leucina. El ARNm se desplaza a la 5ª posición
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A A U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación XII: Entrada del ARNt de la leucina, el 5º aminoácido, la arginina (ARNt-Arg).
5’
U G C U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
A A U G C U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A
Elongación XIII: Unión del péptido Met-Gln-Cys-Leu con el 5º aminoácido, la arginina (Arg). Liberación del ARNt de la leucina (Leu). El ARNm se desplaza a la 6ª posición, se trata del un codón de finalización o de stop.
5’
U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
G C U
AAAAAAAAAAA P A
A U G C A A 5’
U G C U U A C G A U A G
ARNm 3’
Arg-Leu-Cys-Gln-Met
G C U
Finalización I: Liberación del péptido o proteína. Las subunidades del ribosoma se disocian y se separan del ARNm.
AAAAAAAAAAA
Finalización II: Después unos minutos los ARNm son digeridos por las enzimas del hialoplasma.
5’
ARNm 3’
A U G C A A U G C U U A C G A U A G
Polirribosomas
Procesamiento de las proteínas
El polipéptido formado ha de sufrir transformaciones (plegamientos, unión a otros polipéptidos, eliminación de algunos aas…) hasta convertirse en la proteína funcional.
La cadena polipétidica puede perder algunos aas del extremo n-terminal.
La maduración de las proteínas es paralela a su traslocación al Retículo Endoplásmico Rugoso (RER).
Regulación génica Los mecanismos de regulación que genes han
expresarse en un momento u otro y en qué células del organismo. Es más eficiente la
regulación de la transcripción que la de la traducción, porque los efectos de la activación o de la represión del gen se amplifican en poco tiempo.
Teoría del Operón
Jacob y Monod describieron un mecanismo de regulación de la transcripción en procariotas (les valió el premio Nobel en 1965).
Este modelo se ha mostrado válido para numerosos genes en todos los organismos, y fue deducido del estudio la síntesis del triptófano en Escherichia coli.
Operon Trip
La biosíntesis del trip tiene lugar en 5 reacciones enzimáticas sucesivas.
Las 5 enzimas que catalizan dichas reacciones son codificadas por 5 genes estructurales que se agrupan consecutivamente en el DNA bacteriano.
Este agrupamiento recibe el nombre de operón.
Operon Trip El operador es una secuencia de ADN (en la región
promotora) donde se une una proteína represora que impide la unión de la RNApol y por tanto la transcripción.
La proteína represora es producida en su forma inactiva por un gen regulador que no forma parte del operón.
La proteína represora puede estar en 2 conformaciones: activa se une al operador, impidiendo la transcripción de los
genes estructurales inactiva que no puede unirse al operador
Regulador
Operón reprimible
Operador Gen a Gen c Gen b
ARNm
Represor inactivo
triptófano
Vía metabólica del triptófano
enzimas
Operón Triptófano: sistema represible
Si no hay triptófano el represor está en su forma inactiva. Los genes estructurales de la vía de síntesis se transcriben y se traducen, con lo que se sintetiza el trip necesario.
Regulador
Operón reprimible
Operador Gen a Gen c Gen b
ARNm
Represor inactivo
triptófano
Vía metabólica del triptófano
enzimas
Represor activo
En presencia de demasiado triptófano, este se une al represor y lo activa. El represor se une al operador, impidiendo que la transcripción y traducción de los genes a, b y c ocurra, con lo que la vía de síntesis se paraliza.
Operón Lac
El operón Lac está formado por 3 genes estructurales que regulan la síntesis de las enzimas que intervienen en el catabolismo de la lactosa en Escherichia coli.
Este es un operón inducible, lo que permite la síntesis de proteínas enzimáticas solamente cuando son necesarias (si hay lactosa que deba ser catabolizada).
La cantidad de las enzimas del operón lac aumenta cerca de 1000 veces, tan sólo 2 minutos después de la aparición de lactosa.
Regulador
Operón LAC
Operador Gen x Gen a Gen y
ARNm
Represor activo
Si no hay lactosa los Genes no se transcriben
Operón Lac: sistema inducible
Si no hay lactosa el represor está en su forma activa, y los genes estructurales no se transcriben, con lo que la célula no tendrá los enzimas para metabolizarla.
Regulador Operador Gen x Gen a Gen y
ARNm
Represor
Transcripción
Traducción
Enzimas para metabolizar la lactosa
Lactosa
Represor inactivo
Operón LAC
Si hay lactosa, se une al represor y lo inactiva. El operador, al estar libre, desencadena la transcripción de los genes x, y, a, con lo que se sintetizarán las enzimas para metabolizar la lac. Cuando haya desaparecido la lac el represor volverá a su estado activo y dejarán de transcribirse los genes x, y, y a.
Concepto de gen
La genética molecular nos ha mostrado que los genes son fragmentos de DNA capaces de determinar la síntesis de moléculas de RNA y de proteínas, o bien de regular el funcionamiento de otros genes.
La genética mendeliana tradicional postula que un gen es un factor hereditario que determina un carácter del organismo.
¿CÓMO DETERMINAN LOS CARACTERES DE UN ORGANISMO EL RNA Y LAS PROTEÍNAS?
Experimentos de Beadle y Tatum
Postularon la hipótesis un gen-un enzima (les valió el premio Nobel en 1958) Obtuvieron mutantes por irradiación del Hongo
Neurospora crassa La forma silvestre del hongo es capaz de crecer en
un medio mínimo. El moho, es capaz de sintetizar todos los compuestos
necesarios para sus funciones vitales (agua, azúcar, sales minerales y biotina, vitamina del grupo B).
Los mutantes que crecen en presencia de arginina no pueden sintetizar algunos de los compuestos intermediarios de la ruta de síntesis de este aa.
En la síntesis de arg se dan varias reacciones, catalizadas por las enzimas a, b, c, producidas por los genes 1,2,3
Sustancias del medio mínimo → ornitina → citrulina → arginina ↑ ↑ ↑ Enzima a b c ↑ ↑ ↑ Genes 1 2 3
El primer mutante puede vivir en un medio suplementado con ornitina, aunque no tenga arg.
El segundo mutante no puede vivir en un medio mínimo enriquecido con ornitina, pero sí en un medio que contenga citrulina, aunque no contenga arginina.
El tercer mutante no puede vivir más que en medios que contengan arginina.
Sustancias del medio mínimo → ornitina → citrulina → arginina ↑ ↑ ↑ Enzima a b c ↑ ↑ ↑ Genes 1 2 3
Un gen – un enzima
Estos experimentos demostraron que los caracteres de un organismo (en este caso la dependencia de un determinado nutriente) son debidos a la presencia de las enzimas adecuadas para catalizar determinadas reacciones químicas, y la presencia de las enzimas se debe a la acción de los genes.
Un gen – un enzima – una reacción química – un carácter
Un gen – un enzima
Otro ejemplo que lo pone de manifiesto es el albinismo
dioxifenilalanina
El proteoma
Es el conjunto de proteínas que puede producir un organismo. Lo estudia la proteómica.
Es mayor que el número de genes, por lo que es necesario conocerlo para comprender el funcionamiento de un organismo.
El principio un gen – un enzima, es una simplificación.
Proteoma Hay más proteínas que genes:
Splicing alternativos Modificaciones postraduccionales Genes polimórficos