El documento resume los principales conceptos de la genética microbiana, incluyendo la estructura y replicación del ADN y ARN, la transcripción y traducción, y la regulación genética. Explica los mecanismos de herencia microbiana a nivel molecular y cubre temas como mutaciones, transferencia horizontal de genes, y aplicaciones de la microbiología.

1. Unidad 4. Genética microbiana
Objetivos
Conocer
-Los mecanismos de la herencia
-La relación entre la estructura y función del gen
-Las diferentes aplicaciones de la microbiología
-Los fundamentos de la regulación genética
Asimilar
La información genética se transmite con gran fidelidad, y las mutaciones
tienen un gran significado evolutivo
Comprender y discutir
Las ventajas e inconvenientes del desarrollo de la Biotecnología

2. UNIDAD IV.- Genética microbiana
Tema 9.-.Principios generales (8h): Introducción. Estructura del
ADN y el ARN. Replicación. Estructura de gen. Transcripción.
Traducción. Regulación. Recombinación. Transferencia
horizontal. Plásmidos. Transposones. Conjugación.
Transformación. Transducción. Estructura de los genomas.
Genomica, transcriptómica y proteómica. Mutaciones. Reparación

3. Términos y conceptos
• genética: estudio de la herencia
• gen: segmento de ADN que
codifica un producto funcional
• genoma: la suma de todo el
material genético de un
organismo o virus o viriones
• haploide – un serie de
genes
• diploide – dos series de
genes
• clon: población de células que
son genéticamente idénticas
• genotipo: serie específica de
genes que posee un organismo o
virus
• fenotipo: serie de características
observables
El ADN como material genético
• se estableció a través de varios
experimentos críticos
– Fred Griffith (1928)
– Oswald T. Avery, C. M.
MacLeod, and M. J. McCarty
(1944)
– Alfred D. Hershey and Martha
Chase (1952)
Experimento de transformación de Griffith con neumococos
Introducción

4. Estructura del ácido nucleíco
El experimento de Alfred D. Hershey y Martha Chase (1952)Introducción
El Dogma central
El ADN como material genético
(continuación)

5. nucleósido = base nitrogenada + azucar
pentosa
Enlace
fosfodiester
Estructura del ADN
• base nitrogenada
– A, T, G, C
• azúcar pentosa
– desoxirribosa
• normalmente una doble hélice
compuesta de dos hebras
complementarias
– reglas de emparejamiento
• A con T
• G con C
las dos cadenas de
polinucleótidos son
antiparalelas
Estructura del ADN y el ARN

6. Estructura del RNA
• bases nitrogenadas
– A, G, C, U (en lugar de T)
• azúcar pentosa
– ribosa
• en general se compone de una sola hebra
– puede enrollarse alrededor de si mismo
• forman estructuras con forma de horquilla
(hair-shaped structures) con apareamiento
de bases complementarias y organización
helicoidal
• reglas de apareamiento
– A con U
– G con C
Tipos de RNA
• Cuatro tipos
– RNA ribosómico (rRNA)
– RNA transferente (tRNA)
– RNA mensajero (mRNA)
– RNA reguladores: Pequeños RNA (snRNA)
-pequeñas moléculas encontradas en el núcleo
eucariota-, aRNA (antisense RNA) y RNAi (RnA
interferente)
• difieren por su estructura y función
Organización del ADN en la célula
círculo cerrado en su
forma extendida
forma
superenrrollada
• en eucariotas
– moléculas lineales
– asociadas con
histonas
– enrolladas en
unidades repetidas
denominadas
nucleosomas
• difiere entre eucariotas y procariotas
• en procariotas
– círculo cerrado en forma superenrrollada
asociado con proteínas básica
Estructura del ADN y el ARN

7. Replicación DNA
• proceso complejo que implica a numerosas enzimas y proteínas
• en general, el proceso es similar en todos los organismos
• semiconservativa
– cada hebra parental es conservada
– las dos hebras parentales se separan y sirven de molde para la síntesis de una
nueva
•en procariotas
-bidireccional
desde un único
origen de
replicación
-replicón
porción del
genoma que
contiene un
origen y se
replica como
una unidad
• en eucariotas
– bidireccional
– múltiples orígenes de replicación
Horquilla de
replicación
las dos horquillas
de replicación se
mueven en
sentido contrario
Replicación

8. Mecanismo del círculo rodante
Replicación DNA (continuación)
• mecanismo del círculo rodante
– se observa durante la replicación de pequeños
genomas circulares
– ej.: la conjungación de algunos plásmidos y la
replicación de algunos virus y viriodes
Replicación

9. Mecanismo de la replicación del ADN
-la mejor conocida es la de Escherichia coli
-se cree que la de eucariotas es similar
-la ADN polimerasa III sintetiza el ADN
Helicasas: desenrollan
las hebras; Girasas:
liberan la tensión del
desenrollamiento
Sintetizado por la primasa
(primosoma) SSB
SSB: proteínas de unión al
ADN monocatenario.
Mantienen separadas las
dos hebras desenrolladas
Cadena conductora: Síntesis continua. La hebra se extiende 5’-> 3’ desde su extremo
Cadena rezagada: Síntesis discontinua.
ADN ligasa: Une los fragmentos de ADN
Movimiento de
la horquilla
Replicación

10. Mecanismos de la ADN polimerasa III Mecanismos de la ADN ligasa
Replicación

11. Modelo hipotético de la actividad
en la horquilla de replicación: el
modelo se recoge en cinco etapas.
1. Las DNA girasa, las helicasas y las
proteínas de unión (SSB) desenrollan
el DNA para producir segmentos
monocatenarios
2. El primosoma sintetiza un cebador de
RNA
3. El replisoma tiene dos complejos de
DNA polimerasa III. Una polimerasa
copia de forma continua la cadena
conductora. La cadena rezagada
forma un lazo a través de la otra
polimerasa para que ambas cadenas
puedan replicarse simultáneamente.
Cuando la DNA polimerasa III se
encuentra con un fragmento de
Okazaki completo libera la cadena
rezagada
4. La DNA polimerasa I elimina el
cebador de RNA y rellena los huecos
con DNA complementario
5. La DNA ligasa sella los huecos y une
los dos fragmentos
1
2
3
4
5
Replicación

12. Algunos datos curiosos sobre la replicación
∀ ≥ 30 proteínas se requieren para replicar el cromosoma de E. coli
• se realiza con gran precisión
– frecuencia de error = 10-9
o 10-10
por base replicada
– gracias a la actividad de comprobación y corrección de la ADN polimerasa I y III
• es muy rápida
– en procariotas de 750 a 1,000 pares de bases/s
– en eucariotas de 50-100 pares de bases/s
Replicación

13. Estructura del Gen
• gen
– secuencia lineal de nucleótidos con unos puntos determinados de inicio (el tsp) y
de terminación (el terminador)
– codifica un polipéptido, un tRNA, un rRNA o snRNA o algún otro tipo
• cistrón – gen que codifica un polipeptido
• Marco de lectura (ORF)
– organización de codones tal que pueden ser leídos de forma que dan lugar a un
producto genético
5’
5’
3’
3’
N-terminal C-terminal
Transcripción
Traducción
Estructura del gen

14. Promotor: secuencia de
nucleótidos que sirve de
reconocimiento y unión a
la RNA polimerasa
Sentido de la RNA polimerasa
Región codificante: región que especifica la secuencia de
aminoácidos en un polipéptido
Hebra molde: hebra
que contiene la
información
codificante y dirige la
síntesis de RNA
Estructura del gen
Estructura de un promotor
tsp
Estructura del gen

15. transcripción
Región líder: secuencia 5’ que es
transcrita pero no es traducida
Secuencia Shine-Dalgarno o secuencia de unión
a los ribosomas: sitio de reconocimiento del
ribosoma
Región remolque: secuencia 3’ que es
transcrita pero no es traducida
Terminador: señal de la terminación de la transcripción
Estructura del gen
Estructura del gen

16. La transcripción de DNA produce 4 tipos de RNA
tRNA, rRNA, mRNA y RNA reguladores
frecuentemente da como
resultado mRNA poligénico
(policistrónico)
Catalizado por un única RNA
polimerasa compuesta por el núcleo del
enzima (α2ββ′) y un factor sigma que
dirige el núcleo central al promotor.
Los terminadores procariotas son de dos tipos:
•dependientes del factor rho (no tienen poli U y a
menudo no forman hairpin
•hairpin + 6 uridinas
Transcripción en procariotas:
Diferentes factores sigma
permiten a la RNA
polimerasa reconocer
diferentes promotores
Transcripción

17. exón intrón
Maduración del RNA
“RNA splicing”
monogénico
RNA nuclear
heterogéneo
5′ cap of eucaryotic mRNA
Transcripción en eucariotas
• Tiene varias RNA polimerasas
• mRNA monogénico
• Los promotores contienen tres elementos comunes
– la caja TATA~ 30 bases antes del inicio de la transcripción
– la caja CAAT~ 75 bases antes del inicio de la transcripción
– la caja GC ~ 90 bases antes del inicio de la transcripción
Transcripción

18. La maduración del Pre-RNA se produce en un
complejo de gran tamaño que se denomina
partícula procesadora (spliceosome) que
contiene el pre-RNA, snRNAs y proteínas
Algunas moléculas de rRNA sufren un proceso
de automaduración y constituyen lo que se
denomina Ribozimas: Moléculas de RNA con
actividad catalítica.
Transcripción

19. El Código genético
• Forma en la que se almacenan en el genoma las instrucciones genéticas para las
síntesis de polipéptidos
• colinearidad:
– la secuencia de pares de bases de ADN corresponde a secuencias de
aminoácidos en el polipéptido codificado
• los codones codifican para aminoácidos específicos (en general 20
aminoácidos salvo algunos casos en los que emplean seleniocisteina,
seleniometionina o pirrolisina –en algunas arqueas)
• se emplea un código de 3 bases combinando las 4 que componen el RNA (A,
U, G, C)
• 64 combinaciones posibles (43
) (61 tripletes con sentido para aminoácidos y
3 sin sentido o codones de terminación)
• los aminoácidos son codificados por más de un codón
Traducción

20. biotecnología ya que cuando se transfiere un gen de un organismo a otro el gen solo
será interpretado si el organismo receptor posee los codones necesarios
•el código genético está degenerado es
decir existen hasta 6 codones diferentes
para un determinado aminoácido
•el código genético es casi universal
•el de la tabla se aplica a casi todos los
procariotas (bacterias y arqueas)
•en los genes mitocondriales de plantas y
microorganismos UGA codifica triptófano en
lugar de terminación. Este mismo codón
puede codificar seleniocisteina
•en algunas arqueas UAG codifica
pirrolisina
•algunos ciliados (como Paramecium) y la
bacteria Mycoplasma tienen códigos
ligeramente diferentes
•todos los organismos no emplean los
mismos codones es decir no tienen los 61
tRNAs necesarios para interpretar el código
completo
•La diferencia en el uso de codones de un
organismo a otro es muy importante en
• a veces la secuencia de nucleótidos del mRNA puede ser alterada en lo que se
denomina RNA editing (en plantas el codón nuclear CGG es convertido en UGG)
Traducción

21. Balanceo (Wobble)
Se denomina a la flexibilidad en las reglas de apareamiento
• perdida del apareamiento entre bases
– la tercera posición del codón es menos importante que la primera o segunda
posición
• evita que las células tengan que sintetizar tantos tRNA diferentes
• minimiza el efecto de las
mutaciones
• La inosina (I) es un
nucleósido que puede
aparearse con la
adenosina, la citosina y el
uracilo
• La inosina se obtiene
mediante la desaminación
de la adenina (otra forma
de edición del tRNA)
Traducción

22. El ribosoma
• procariotas
– 70S ribosomas = subunidades 30S + 50S
• eucariotas
– 80S ribosomas = subunidades 40S + 60S
– los ribosomas mitocondriales y cloroplásticos se asemejan a los ribosomas
procariotas
El ribosoma 70S
permite alinear el
ribosoma con el
mRNA uniéndose a
la RBS
otros rRNAs –
pueden tener un
papel catalítico
20 nm
Traducción

23. Los genes que codifican los genes del
tRNA tienen región promotora, líder,
codificante, espaciadora y remolque
La región líder,
espaciadora y remolque se
eliminan durante la
maduración
Los genes que codifican los genes del
rRNA también tienen región promotora,
líder, codificante, espaciadora y remolque
las regiones espaciadoras y de remolque
pueden codificar moléculas de tRNA
Genes que codifican tRNA y rRNA
Precursor tRNA
Traducción

24. Síntesis de proteínas (iniciación, elongación y terminación)
• traducción
– la secuencia de nucleótidos del mRNA se traduce en una secuencia polipeptídica
• el sentido de la síntesis es N terminal → C-terminal
• el sitio de traducción es el ribosoma que puede formar complejos polirribosómicos:
mRNA y varios ribosomas
tRNA y activación de los aminoácidos (AAs)
• unión del aminoácido al tRNA
• catalizado por las aminoacil tRNA sintetasas
complementario
al codón del
mRNA
lugar de unión del
aminoácido
Los brazos D y Ψ
tienen pirimidinas
poco frecuentes
– en general hay, como mínimo, uno para cada AA
– en algunos casos un mismo aminoacil tRNA sintetasa es
bifuncional
bas cargan inicialmente la forma ácida y luego la
inan
a misma aminoacil tRNA sintetasa puede activar
támico y glutamina
a aminoacil tRNA sintetasa puede activar tanto
pártico como asparragina
Traducción

25. ↓ resto del tRNA
aminoácido
tRNA y activación de los aminoácidos
(AAs) (Continuación)
Glutamil tRNA sintetasa unida al tRNA y al ATP
Traducción
extremo 3’ del tRNA

26. Iniciación de la síntesis de proteínas
• implica a las subunidades ribosomales y a numerosas moléculas adicionales
– aminoacil-tRNA iniciador
• N-formilmetionina-tRNA – es el tRNA iniciador bacteriano
• eucariotas y arqueas emplean metionina-tRNA
– factores de iniciación (IFs)
• Posicionan adecuadamente el ribosoma
en el extremo 5’ del mRNA
Traducción
initiation
codon
Codón de
iniciación
Elongación de la cadena polipeptídica
• Sitios de unión al tRNA en los ribosomas
– sitio P (sitio peptidil o donador): une al tRNA iniciador o al peptidil-tRNA creciente
– sitio A (sitio aminoacil): une el aminoacil-tRNA que se incorpora
– sitio E (sitio de salida): al que se une brevemente el tRNA saliente
• ciclo de elongación
– adición secuencial de aminoácidos a la cadena polipeptidica
– tiene tres fases
• unión del aminoacil t-RNA
• reacción de transpeptidación
• translocación
– implica numerosos factores de elongación (EFs)

27. Reacción de transpeptidación
Traducción

28. Transpeptidación: Catalizado por la peptidil transferasa (localizada en la 50S). El
péptido crece en un aminoácido y se transfiere al sitio A
Traducción

29. Translocación
• el peptidil t-RNA se desplaza del sitio
A al sitio P
• el ribosoma desplaza un codón a lo
largo del mRNA para que un nuevo
codón se sitúe en el sitio A
• el tRNA vacío abandona el sitio P
con ayuda de una translocasa (EF-G)
Traducción

30. Terminación de la síntesis de proteínas
• tiene lugar en alguno de los siguientes
codones de terminación
– UAA, UAG, and UGA
– UAA es el más frecuente
• tres factores de liberación (RFs)
– ayudan a reconocer los codones de
terminación
• dominios
– regiones del polipéptido estructuralmente
independientes
– separadas unas de otras por porciones de
polipéptidos menos estructuradas
• en eucariotas
– los dominios se pliegan independientemente y
correctamente después de su síntesis
– los chaperones moleculares no son importantes
• en procariotas
– el polipéptido no se pliega hasta que se sintetiza el
polipéptido completo
– los chaperones moleculares son importantes
Plegamiento de proteínas – eucariotas versus
procariotas
Traducción

31. Plegamiento de la proteína y
chaperomes moleculares
• Chaperones moleculares
– ayudan al
plegamiento del
polipéptido naciente
– protegen a la célula
contra el daño térmico
• ej.:.HSP, heat-
shock proteins
– ayudan en el
transporte de las
proteínas a través de
la membrana
Traducción
Impiden que el polipéptido se pliegue
inadecuadamente durante su síntesis
Permite la
liberación
de DnaK y
DnaJ
Permiten el plegamiento final

32. Maduración de proteínas
• eliminación de una parte del polipéptido antes del plegamiento
– inteinas – porción eliminada
– exteinas – porción que permanece en la proteína
Traducción
• Fueron descubiertas en 1990 en el gen de una
ATPasa vacuolar de Saccharomyces cerevisiae
• Actualmente se han identificado más de 100 en los
3 dominios de los seres vivos

33. Regulación
Regulación
•Control de los elementos y procesos celulares.
•A corto plazo (segundos) los seres vivos pueden modificar la actividad de
numerosos componentes celulares a través de modificación covalente de
proteínas (modificación postraduccional). Esto no modifica la cantidad de
proteínas sino su actividad.
•Ej: fosforilación de proteínas
•También, a corto plazo, puede alterar la estabilidad de las proteínas aumentando
la degradación de proteínas frente a su síntesis
•Ej.: activando la proteolisis
•A largo plazo pueden modificar la expresión de los genes, la estabilidad de los
transcritos, y la traducción
•Ej: Regulación genética
Observación: Los genes y operones se escriben en minúscula y cursiva y los
productos de su expresión en mayúscula normal
Ej.:el gen lacZ codifica la proteína LacZ

34. Tipos de expresión del mRNA:
• Constitutiva: No hay control sobre su expresión, los genes (denominados constitutivos) se expresan igual en cualquier circunstancia independientemente de las
condiciones ambientales. Algunos de estos genes codifican enzimas constitutivos
• Adaptativa: Se controla su expresión, los genes están regulados. Pueden dar lugar a enzimas inducibles y a enzimas reprimibles
Regulación
• enzimas inducibles
– su nivel se eleva en presencia de un inductor
• pequeña molécula, en general un sustrato de una ruta catabólica en la que participa el enzima. De esta forma solo se inducen cuando son necesarios
• enzimas reprimibles
– su disminuye en presencia de un co-represor
• en general, es el producto final de una ruta en la que el enzima participa
• Ventajas
– regulación de la expresión génica (la síntesis de un determinado mRNA)
– permite conservar la energía y materia prima
– mantiene el balance entre las diversas proteínas celulares
– permite la adaptación, a largo plazo, a los cambios en el entorno
Regulación de la síntesis de mRNA
• Desventajas
– requiere el desarrollo y mantenimiento de sistemas reguladores

35. Tipos de regulación genética
• Control del inicio de la transcripción
– Regulación negativa
– Regulación positiva
• Control de la terminación de la transcripción
– Atenuación
– Antiterminación
• Control de la traducción
• Control de la estabilidad del transcripto
• Regulación con factores sigma
• Regulación con RNA antisentido
• Otros tipos
– Metilación de ADN
– Superenrrollamiento del ADN
Regulación

36. Control negativo
Un operón
promotor operador
• el objetivo es sintetizar el
enzima de una ruta solo cuando
el sustrato de la ruta está
disponible
en general un
sustrato de la ruta.
Inactiva al represor
Genes estructurales
Genes estructurales
Control negativo de una ruta catabólica
1. Genes transcritos
2. Genes no transcritos
Represor
activo
Represor
inactivoInductor
• la presencia de una proteína
reguladora (el represor) en el
lugar de regulación (el operador
disminuye la síntesis de mRNA
• proteínas represoras
– existen en forma
activa e inactiva
– inductores y
correpresores
modifican la
actividad del
represor
• se ejercen sobre el
operador
Regulación (Control del inicio de la trasncripción)

37. Control negativo
(continuación)
en general un producto
final de una ruta. Activa al
represor
promotor operador
Genes estructurales
Genes no transcritos
Control negativo de una ruta biosintética
Un operón
Genes estructurales
Genes transcritos
• el objetivo es sintetizar
el enzima de una ruta
solo cuando el producto
final de la ruta no está
disponible
Regulación (Control del inicio de la transcripción)

38. Control positivo
• la presencia de una proteína reguladora (activador)
en la región reguladora promueve la transcripción
• ej., operón lactosa
– regulada por la proteína CAP (proteína
activadora del catabolismo) y el AMP cíclico
(cAMP)
• CAP también se denomina CRP (proteína
receptora de cAMP)
CAP: puede
funcionar tanto como
controlador positivo
como negativo
reconoce y
se une a la
región
reguladora
del operón
lac
Regulación (Control del inicio de la trasncripción)

39. en nivel de cAMP depende de las
condiciones ambientales
Control positivo de una ruta biosintética
• se ejerce sobre el
promotor
Regulación (Control del inicio de la trasncripción)

40. Sistemas globales de regulación
• afecta a numerosos genes y rutas simultáneamente
• regulón
– colección de genes o operones controlados por
una proteína reguladora común. Ej. El regulón
CRP
Represión por catabolito
• tiene lugar cuando el operón está controlado por
otro catabolito distinto al sustrato inicial de la ruta
• permite el empleo preferente de un nutriente
frente a otro cuando ambos están disponibles
– una fuente de carbono frente a otra (glucosa
frente a lactosa)
– un fuente de nitrógeno frente a otra (amonio
frente a nitrato)
• ej., represión por catabolito de la lactosa y otros operones por glucosa
– la glucosa, a través del sistema fosfotransferasa, inhibe una adenilato ciclasa (enzima que
sintetiza cAMP) y disminuye los niveles de cAMP, esto bloquea la unión de la proteína CAP al
operón de la lactosa y disminuye las síntesis de mRNA y,en consecuencia la de proteína.
– En ausencia de glucosa el cAMP aumenta y la proteína CAP activa la transcripción de
numerosos operones lac, gal ara.
La lactosa no se
consume hasta que
toda la glucosa ha sido
consumida
Crecimiento en el que el
organismo cambia de
estrategia metabólica
Regulación (Control del inicio de la trasncripción)

41. Regulación del operón gal
El operón gal de E. coli consiste en 3 genes estructurales: GalE, GalT y GalK que son
transcritos desde dos promotores solapados PG1 y PG2 . La regulación es compleja ya
que GalE (una epimerasa que convierte UDP-glucosa en UDP-galactosa) es necesaria
para la formación de UDP-galactosa para biosíntesis de la pared celular incluso cuando
no emplea galactosa como fuente de carbono.
Igual que el operón lac, el operón gal es controlado por CAP-cAMP. Este regulador se
une en la región -35 activado las transcripción desde PG1 e inhibiendo la transcripción
desde PG2.
Cuando las células crecen en
glucosa (no se forma complejo CAP-
cAMP) la transcripción tiene lugar
desde PG2.
El represor del operón es GalR, que a
gran concentración, forma tetrámeros
que se unen a los dos operadores y
reprime por completo la transcripción.
A baja concentración, GalR forma
dímeros que se unen a un solo
operador y permiten la actividad del
promotor PG2
Regulación (Control del inicio de la trasncripción)

42. Atenuación
• regulación de la transcripción modificando el comportamiento de los ribosomas
– el avance de los ribosomas depende de la presencia de los aminoácidos necesarios en la
traducción. Si estos no están presentes la traducción no avanza.
• observado en bacterias en las que la transcripción y la traducción se simultanean (la
traducción de un mRNA tiene lugar a medida que éste es sintetizado)
– el avance de la transcripción depende de las estructura del mRNA que se está
sintetizando. La formación de una horquilla de terminación provoca la terminación de la
transcripción. En presencia de ribosomas la estructura puede ser distinta.
• operón que codifica las enzimas para la ruta
biosintética del triptófano
• esta regulado por una proteína represora,
TrpR, bajo el control del triptófano como
correpresor
•el objetivo es no iniciar la transcripción si el
triptófano ya está disponible
• también está regulado por atenuación
• el objetivo es terminar la transcripción si el
triptófano ya está disponible
ej.: el operón triptófano en Escherichia coli
Regulación (Control de la terminación de la trasncripción)

43. ej.: el operón
triptófano en
Escherichia coli
región líder del operón
Estructura del mRNA en ausencia de ribosomas. Los segmentos
1 y 2 y 3 y 4 se aparean
Región líder entre el operador y el primer gen estructural trpE:
contiene un atenuador y la secuencia de un péptido líder
AtenuadorSecuencia del péptido lider
Codones de triptófano (Trp)
• Se basa en la capacidad que
tiene el RNA de la región líder de
formar tres estructuras
secundarias de RNA (los
segmentos numerados (1, 2, 3,4)
contienen secuencias
complementarias):
•la pausa de transcripción
•La horquilla formada por los segmentos 1
y 2 arresta momentáneamente la
transcripción
•el antiterminador alternativo
•La horquilla formada por los segmentos 2
y 3 impide la formación del terminador
•el terminador de transcripción
•La horquilla formada por los segmentos 3
y 4 y la secuencia poli-U forman un
terminador de transcripción
En presencia de ribosomas y Trp el
péptido líder se sintetiza hasta su
codón de terminación. Debido a la
presencia de ribosomas los
segmentos 1 y 2 no se aparean. Los
segmentos 3 y 4 si se aparean y
forma un terminador de
transcripción
Terminador
independiente de Rho
Regulación (Control de la
terminación de la transcripción)

44. Se transcribe el operón
No se transcribe el operón
No se transcribe el operón
No se traduce el mRNA
Triptófano disponible para formar
trp-tRNA
Ausencia de triptófanoAusencia de triptófano
Un ribosoma sintetiza el
péptido líder y se
detiene en el codón de
terminación
Un ribosoma se detiene en los
codones para trp en la región 1 y
obliga a la región 2 a unirse con
la 3. La región 4 permanece
monocatenaria y no se forma el
sitio de terminación
Regulación (Control de la
terminación de la transcripción)

45. Regulación (Control de la terminación de la transcripción)

46. Yanofsky C (2000) Transcription
attenuation: once viewed as a novel
regulatory strategy. J Bacteriol. 182:1-8.
Transcripción de la región líder del
operón trp de E. coli.
Las parejas de números 1:2, 2:3, y 3:4
corresponden a las parejas de segmentos de
RNA que forman estructuras secundarias (la
estructura de pausa inicial de la transcripción
(1:2), el antiterminador (2:3), y el terminador
(3:4)).
Cuando la RNA polimerasa se une al promotor
trp e inicia la transcripción, la polimerasa se
detiene en el loop de pausa 1:2. Si un ribosoma
no se une rápidamente al mRNA (un indicador
de limitaciones en la síntesis de proteínas)
entonces se forma un terminador con los
segmentos 3:4 y la RNA polimerasa es
desprendida léntamente
La unión de un ribosoma al complejo en pausa
también desprende la RNA polimerasa.
•Si hay un adecuado suministro de Trp el
ribosoma continua hasta el codón de
terminación del péptido líder. Esto bloquea la
formación del antiterminador 2:3 y se forma el
terminador 3:4, parando la transcripción.
•Si no hay Trp el ribosoma continua hasta el
codón Trp-Trp. Esto impide la formación del
loop 1:2, lo que favorece la formación del
antiterminador.
Regulación (Control de la terminación de la transcripción)

47. Control de la traducción
Un ejemplo es el del gen pyrC que codifica
la dihidroorotasa, un enzima de la
biosíntesis de piridina.
• Los niveles del enzima varían hasta 10
veces en función de la disponibilidad de
piridina sin que para ello se modifiquen
los niveles de mRNA
• La transcripción puede comenzar en
cualquiera de los siguientes 4
nucleótidos: 5’ CCGG 3’
• Cuando las pirimidinas están en exceso
se inicia por la citosina 2 y se permite la
formación de un bucle que impide la
unión de los ribosomas a la RBS
• Cuando las pirimidinas no están en
exceso la transcripción comienza por
Guanina 4. Entonces no se forma el
bucle y los ribosomas se pueden unir
Regulación

48. Regulación con factores sigma y control de la esporulación
Regulación
• diferentes factores sigma reconocen diferentes promotores
• sustitución de los factores sigma modifican la expresión de los genes
y operones
Ej. Bacillus subtilis factores sigma y esporulación
• se sintetizan solo cuando la célula cambia de un crecimiento
vegetativo a esporulación
• da lugar a la trascripción de genes relacionados con la esporulación
Ciclo de la formación
de esporas de Bacillus
sp.
Muerte programada de la
célula madre en el desarrollo
de la esporulación de
B. subtilis.
Las señales ambientales e internas son integradas al
nivel de Spo0A, que activa la cascada de los factores
sigma de esporulación. El factor sigma terminal K
controla el final de la esporulación –la formación del
cortex, la cubierta y la expresión de las autolisinas CwlC
and CwlH-

49. RNA antisentido y el control de las porinas
Regulación
• RNA antisentido (antisense RNA)
– tiene secuencias complementarias a algunos componentes del mRNA necesarios
para su expresión (RNA diana)
– se une al RNA diana e inhibe su función
Ej.: Porinas (proteínas de la membrana externa)
• diferentes porinas son producidas bajo diferentes condiciones
– E. coli sintetiza la proteína OmpC cuando crece en el intestino y la porina OmpF
en ambientes diluidos
• El RNA antisentido micF se une al mRNA que se traducirá en OmpF y bloquea su
traducción cuando la bacteria está en el intestino

50. Altuvia, Shoshy and Wagner, E. Gerhart H. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 9824-9826
Regulación
Regulación de RNAs diana a través de OxyS (recuadro izquierdo) y DsrA (recuadro
derecho).Los RNAs diana se muestran en azul y el antisentido en rojo. Las regiones de
interacción se muestran en verde (no se guarda proporcionalidad en los tamaños). Los signos
positivos y negativos indican activación e inhibición respectivamente. RBS indica la posición
aproximada del sitio de unión a los ribosomas. Hfq es el factor Q del huésped. Los pares de
círculos anaranjados representan los ribosomas.

51. Sistema de fosfotransferencia de dos componentes
• Ej.: Esporulación en Bacillus subtilis
• Ej.: Quimiotaxis en Escherichia coli
• la transferencia de grupos fosforilo
controla la transcripción de genes y la
actividad de proteínas
• En el sistema de dos componentes el
primer componente percibe una señal
en su extremo N-terminal y se
autofosforila en su extremo C terminal.
El segundo componente regula su
respuesta en función del fosfato que le
transfiere el primer componente
Regulación
La activación de las
quinasas A y B inicia un
sistema de
fosfotransferencia de dos
componentes que activa al
regulador de la
transcripción Spo0A

52. • Ej.: Quimiotaxis en E. coli
Sistema de fosfotransferencia de dos componentes (continuación)
Regulación
El sistema de quimiotaxis
está diseñado para
controlar la rotación
flagelar en dirección
contraria (ccw) o a favor
(cw) de las agujas del reloj.

53. Regulación
Mazurie et al. Genome Biology 2005 6:R35
doi:10.1186/gb-2005-6-4-r35
Representación de las rutas de
regulación
• Las relaciones entre elementos se
indican con líneas
• Si uno regula positivamente (activa) al
otro se indica con una flecha
• Si inhibe, la línea termina en una recta
• Las líneas onduladas indican
transformación o síntesis
• La regulación no transcripcional se indica
con líneas discontinuas

54. Transferencia genética horizontal
• transferencia de genes de un
organismo maduro e
independiente (donador) a
otro (receptor)
• exogenote
– DNA que es transferido
al receptor
• endogenote
– genoma del receptor
• merozigoto
– célula receptora que es
temporalmente diploide
como resultado del
proceso de transferencia
Transferencia genética horizontal
Tipos principales de transferencia
genética horizontal
Transferencia genética vertical
•Es la que ocurre desde los ascendientes
a los descendientes mediante replicación

55. Tipos de plásmidos bacterianos
• pequeñas moléculas de ADN de doble hebra que, en general, son circulares
• son replicones
tienen su propio origen de replicación
– pueden existir en una sola copia o en múltiples copias
• curado
– se denomina a la eliminación de un plásmido
– puede ser espontánea o inducida mediante tratamientos que inhiben la replicación de
plásmido pero no la reproducción del huésped
• Episomas: plásmidos que pueden existir tanto integrados en el cromosoma como sin integrar
• Plásmidos conjugativos: tiene genes que codifican los pili y pueden transferir copias de ellos
mismos a otras bacterias durante la conjugación
• Plásmidos suicidas: no tienen un replicón que funcione en el huésped final
• Plásmidos de expresión de proteínas
• Plásmidos de clonación de fragmentos de ADN
• Plásmidos de resistencia (antibióticos, metales, etc)
• Plásmidos Col (codifican colicinas – un tipo de bacteroicinas, proteínas que destruyen otras
bacterias)
• Otros (de virulencia, metabólicos)
Plásmidos bacterianos
Plásmidos bacterianos

56. Recombinación microbiana y plásmidos
Recombinación: proceso en el que una o
más moléculas de ácidos nucleicos se
reorganizan o combinan para producir una
nueva secuencia de nucleótidos
•en eucariotas frecuentemente tiene lugar
como resultado del entrecruzamiento
durante la meiosis
Recombinación

57. • Recombinación bacteriana: varios tipos
de recombinación
– recombinación general
– recombinación específica de sitio
integración de genomas víricos
– recombinación replicativa (por
transposición)
• tipo de recombinación más común
• intercambio recíproco entre parejas
de cromosomas homólogos
• el resultado de la ruptura y unión de
la hebra de ADN da lugar al
entrecruzamiento
Recombinación
Recombinación general:
puede ser recíproca o no recíproca
Recombinación general recíproca

58. Recombinación

59. • incorporación de una hebra
simple de DNA en el cromosoma
para formar un heteroduplex
• se ha propuesto que ocurre
durante la transformación
bacteriana
Recombinación
Recombinación general no recíproca

60. Elementos transponibles
-Transposición: movimiento de fragmentos de ADN en el genoma
-Elementos transponibles (transposones): segmentos de ADN que contienen los genes
necesarios para la transposición
-muy extendidos en bacterias, arqueas y eucariotas
Tipos de elementos transponibles
• secuencias de inserción (elementos IS): contienen solo los
genes que codifican los enzimas necesarios para la
transposición (se denominan con la letra IS seguida de un
número, ej.. IS5)
• ej., transposasa
Effectos:
• mutaciones en regiones
codificantes: ej., deleción de
material genético
• modifica la traducción la
transcripción
• activación de genes
• generación de nuevos plásmidos.
Ej. Plásmidos de resistencia
Elementos transponibles
IR= Secuencias inversamente repetidas
• Transposones compuestos: llevan genes
adicionales a los necesarios para la
transposición. Se denominan Tn seguido de
un número, Ej. Tn524)
– Transposones conjugativos: además de los
genes para la transposisción tienen genes para
la conjugación

61. Integronesintegrones
Se diferencian de los transposones en: (i) no tienen secuencias repetidas en los
extremos como las secuencias IS y, (ii) los elementos contienen una integrasa
específica de sitio como la que se encuentra en los fagos y no tiene numerosas
productos genéticos asociados con la transposición.
Los integrones son elementos móviles de ADN que pueden capturar genes
(generalmente de resistencia a antibióticos con su propio lugar de integración attC).
Se componen de un gen integrasa (int) próximo a un lugar de recombinación (attI
site) y un promotor (Pant). Según el tipo de integrasa se diferencian 3 clases de
integrones
La organización de los integrones de clase I se muestra a continuación. Los genes
aadB, oxa2, aadA2 y oxa 2 se van integrando secuencialmente.

62. Conjugación bacteriana: transferencia de ADN mediante contacto directo entre células
Cruce F+
x F-
• F+
= donador, contiene el factor F (formación de pilus y transferencia de plásmido)
• F-
= receptor, no contiene el factor F
• El factor F se replica mediante el mecanismo del círculo rodante y el duplicado se transfiere al receptor
• el recipiente se convierte en F+
• el donador permanece como F+
Conjugación

63. Conjugación Hfr
• Cepa Hfr: donador que contiene el factor F integrado en el cromosoma
• tanto los genes plasmídicos como los cromosómicos son transferidos
• Debido a que la ruptura antes de la conjugación tiene lugar en el gen F, la cepa
receptora no se convierte en F+
(salvo que se transfiera todo el cromosoma)
• Además de para la transferencia de genes, la conjugación permite mapear (determinar la organización) d
Conjugación
Conjugación bacteriana: transferencia de ADN mediante contacto
directo entre células

64. Transformación
• toma de ADN (desnudo) del medio ambiente e
incorporación en un receptor de forma heredable
• célula competente
– capaz de tomar ADN
• puede ser una forma importante de intercambio genético
en la naturaleza
Transformación artificial
• transformación realizada en el laboratorio con especies que
normalmente no son competentes (ej., E. coli)
• numerosas técnicas son empleadas para hacer las células
competentes de forma transitoria. Ej.: tratamiento con
Cl2Ca, hace las células más permeables al DNA
Transformación

65. Transducción • transferencia de genes bacterianos con virus
• Fagos virulentos
– se reproducen empleando el ciclo de vida lítico
• Fagos atemperados
– se reproducen empleando el ciclo lisogénico
Ciclos de vida del fago Lambda
forma integrada del genoma viral
bacteria que contiene un
profago
Transducción

66. Transducción generalizada
• cualquier parte del genoma bacteriano puede ser transferido
• tiene lugar durante el ciclo lítico
• durante el ensamblado viral, los fragmentos del ADN del huésped son erróneamente
empaquetados en el fago
– partícula de transducción generalizada
Transducción especializada
• también denominada restricted transduction
• llevada a cabo por fagos atemperados que establecen el ciclo lisogénico
• solo una porción específica del genoma bacteriano es transferida
• tiene lugar cuando el profago es cortado incorrectamente
Transducción

67. Organización de los genes en cromosomas
Genes procariotas versus eucariotas
• procariotas (y virus)
– la información codificante está generalmente contigua
• eucariotas
– la mayoría de los genes tienen secuencias codificantes
interrumpidas por secuencias no codificantes
• exones – secuencias codificantes
• intrones – secuencias no codificantes
• en la mayor parte de los organismos las pautas de lectura (ORFs ) no se solapan
• algunas bacterias y algunos virus tienen genes solapados
Levadura (Saccharomyces cerevisiae)
Escherichia coli
Fago X174
Estructura de los genomas

68. En los procariotas numerosos genes se organizan el operones. Todos los genes de un
operon se transcriben desde un promotor en un único mRNA. Se muestra el operón tuf-
s10 de Borrelia burgdorferi ( enfermedad de Lyme)
En eucariotas los genes no forman operones y contienen intrones. Ej.: Receptor de la
hormona de crecimiento
Estructura de los genomas

69. Genómica microbiana Genómica
• estudio de la organización molecular de los
genomas, su contenido de información, y los
productos genéticos que codifica
• dividido en 3 áreas
– genómica estructural
• naturaleza física de los genomas
– genómica funcional
• como funciona un genoma
– genómica comparativa
• compara los genomas de diferentes
organismos
• numerosos genomas han sido completados.
Actualmente (26.3.2007)
– 748 bacterianos
– 41 de arqueas
– 139 de eucariotas
• su examen ha permitido formular numerosas
hipótesis sobre los genomas microbianos
Descubrimientos interesantes
• el génoma mínimo
– basado en el análisis del genoma de Mycoplasma genitalium
• el más pequeño de los genomas procariotas
• ~108-121 genes no son necesarios para el crecimiento en el laboratorio
• ~265-350 genes necesarios para el crecimiento en el laboratorio
• la mayor parte de los genes identificados tienen función desconocida (proteínas
hipotéticas)
– ej., Mycoplasma genitalium: 22% tienen función desconocida
– e.g., Haemophilus influenzae: > 40% tienen función desconocida
– e.g., Methanococcus jannaschii: 66% tienen función desconocida
– e.g., E. coli: ~2500 de 4288 genes tienen función desconocida
Genómica

70. Patrones generales
• a pesar de la conservación en las secuencias de proteínas, la organización de los
genomas es muy variable
• la transferencia horizontal de genes parece haber sido muy importante en la
evolución de las bacterias y las arqueas
Genómica funcional (determina como funcionan los genomas)
• las 3 aproximaciones más comunes se abordan a través de proyectos OMA y son:
– Genómica: secuenciación y anotación de genoma (identificación de genes y fases codantes)
– Transcriptómica: estudio de la expresión genética al nivel de RNA
– Proteómica: estudio de la expresión genética al nivel de proteínas
Genómica
DNA chips
• Permiten el estudio masivo de la
expresión de genes al nivel del RNA
(el transcriptoma)

71. • DNA microarrays (DNA chips)
– soporte sólido (ej. vidrio) que tiene anclado ADN en
matrices (puntos) muy ordenadas (las sondas)
• Este ADN consiste en la secuencia parcial y
complementaria del RNA o cDNA de un gen con el que
puede hibridar
• incubado con mRNA o cDNA (dianas), que hibridan con
el ADN anclado al soporte
– Este RNA está marcado con fluorocromos
– Los genes que se expresan se iluminan en el chip
Genómica
Estudio masivo de la expresión de genes,
RNA.
ADN diana (cDNA) con
marcadores
fluorescentes
Sondas de
ADN
Soporte de vidrio
Chip de ADN con el ADN diana hibridado

72. • proteoma
– la colección completa de
proteínas que produce un
microorganismo
• Proteómica: estudio del
proteoma
• una aproximación frecuente es la
electroforesis en dos
dimensiones
• Las proteínas pueden
identificarse posteriormente
mediante espectroscopía de
masas (MALDI TOF)
Estudio masivo de la expresión de genes,
Proteínas
MALDI-TOF: Matrix Assisted Laser
Desorption/Ionization-Time of Flight)
Espectrometría de masas mediante
ionización-desorción por láser
asistida por matriz acoplada a un
analizador de tiempo de vuelo
Genómica

73. Genómica en el diseño de vacunas
• Diferentes aproximaciones al diseño de vacunas,
consecuencia de la introducción continua de una serie
de nuevas tecnologías. Los progresos realizados en
inmunología molecular y biotecnología en las últimas
dos décadas han desplazado las vacunas clásicas
basadas en células enteras de patógenos muertos (a)
hacia vacunas con subunidades. La aplicación de la
tecnología del ADN recombinante ha dado como
resultado la producción de vacunas atenuadas vivas (b)
mediante la inactivación de los genes responsables de
la patogenicidad. La manipulación del ADN ha
revolucionado la posibilidad de clonar, purificar, y crear
subunidades antigénicas para eliminar los efectos
tóxicos al mismo tiempo que se mantiene la
inmunogenicidad de la proteína (c). Además, bacterias
y virus atenuados o no patógenas pueden ser
manipulados para que expresen proteínas de otro
organismo (d). La posibilidad de obtener la secuencia
completa de un organismo marca el comienzo de la era
genómica que abre nuevas perspectivas en el diseño
de vacunas. La totalidad de los antígenos potenciales
de un organismo puede ser identificada en el genome
mediante análisis in silico. Los antígenos potenciales
son clonados, purificados y sometidos a un análisis
inmunológico. El proceso completo da lugar a la
identificación de un número reducido de candidatos de
vacunas. (e).
• Trends in Biotechnology (2005) 23 (2):57-108
Genómica

74. Mutaciones y su base química
• mutaciones
– cambio estable y heredable en la secuencia de nucleótidos
– puede tener o no algún efecto sobre el fenotipo de un organismo, de hecho la
mayor parte de las mutaciones son neutras en ese sentido
Mutaciones y mutagénesis
• las mutaciones pueden clasificarse, de forma no excluyente, según su efecto en el fenotipo
– mutaciones morfológicas
• cambia la morfología de la célula o la colonia
– mutaciones letales
• matan al organismo
– mutaciones condicionales
• se expresan solo bajo ciertas condiciones (ej.. alta temperatura)
– mutaciones bioquímicas
• cambio en la capacidad metabólica de un organismo
• auxotrofos
– tienen mutaciones en una ruta biosintética
– no pueden sintetizar el producto de una ruta
– requiere el producto de esa ruta como nutriente en medios de cultivos mínimos
• El término auxotrofo se contrapone al término prototrofo (denominación que se aplica a cepas que pueden crecer en medio mínimo, sin suplementos)
– mutaciones de resistencia
• resistencia a patógenos , productos químicos y antibióticos
Mutaciones

75. Cómo tienen lugar las mutaciones
• espontáneamente
– se desarrollan en ausencia de agentes externos
– suelen ocurrir al azar
• mutación dirigida (adaptativa)
– mutaciones que son el resultado de la hipermutación seguida de selección
• inducida
– desarrollada tras la exposición a un mutágeno
Mutaciones espontáneas
• Son el resultado de :
– errores en la replicación del ADN
– daño del ADN
– inserción de transposones
Mutaciones inducidas
• provocada por agentes químicos o físicos que dañan o alteran le química del ADN o
que interfieren con los mecanismos de reparación de ADN
Mutaciones

76. Detección y aislamiento de mutantes
• las mutaciones son poco frecuentes (1 de cada 107
a 1011
células)
• para encontrar mutantes se necesitan métodos de detección sensibles y/o métodos
que aumentan la frecuencia de mutación
Mutaciones
Tratamiento de
células de E. coli
con un mutágeno
como la
nitrosoguanidina Soporte Superficie de
tercio pelo
esterilizada
Inoculación de
una placa con
medio completo e
incubación. Tanto
las bacterias de
tipo salvaje como
los supervivientes
mutantes
formarán colonias
Placa maestra
(medio completo)
Réplica
(medio completo)
Réplica
(medio sin lisina)
Los auxótrofos de
lisina no crecen
Todas crecen

77. Selección de mutantes
• empleo de condiciones
ambientales en las que puede
crecer el mutante deseado
– ej, selección de revertientes
desde auxotrofía a prototrofía
Mutaciones
Tratamiento de auxotrofos de
lisina (Lys-
) con un mutágeno
como la nitrosoguanidina o la
radiación UV para producir
revertientes
Siembra en un medio mínimo
(carente de lisina)
Incubación
Solo crecen los prototrofos
capaces de sintetizar lisina

78. Test de carcinogenicidad
• se basa en la observación de que
la mayor parte de los
carcinógenos son también
mutágenos
• el test de mutagenicidad se
emplea para identificar
compuestos potencialmente
carcinogénicos
– e.g., Test de Ames
• tasa de reversión en presencia de un
carcinogeno potencial > tasa de
reversión en ausencia de un
carcinogeno potencial
•entonces, si el agente es un
mutágeno puede ser carcinógeno
Mutaciones
Cultivo de auxótrofos de
histidina de Salmonella
Medio completo con una
pequeña cantidad de
histidina
Medio completo
con una pequeña
cantidad de
histidina
Medio completo con
un agente mutágeno
y una pequeña
cantidad de histidina
Medio completo co
un agente mutágen
y una pequeñ
cantidad de histidin
Revertientes
espontáneos
Revertientes inducidos por e

79. Reparación de ADN
Reparación de ADN
Sobre la cadena de ADN se muestra los
principales lugares en los que se daña el ADN.
Las depurinaciones (pérdida de las purinas) se
indica con flechas rojas. Los sitios que pueden
sufrir un ataque hidrolítico se indican con flechas
verdes y los que pueden sufrir una oxidación se
indican con flechas azules
• Comprobación de la lectura
(proofreading)
– corrección de errores en el
apareamiento de bases realizado
durante la replicación
– los errores son corregidos por la
ADN polimerasa
• otros mecanismos reparan
apareamientos incorrectos y el ADN
dañado, estos son:
Reparación por escisión de una hebra, la otra se usa como molde
Eliminación de lesiones (Fotoreactivación de dímeros de timina)
Reparación postreplicativa (la metilación de ADN permite distinguir
cadenas nuevas y viejas)
Reparación por recombinación:
• repara el ADN en ambas hebras
• implica la recombinación con una molécula no dañada
– en células que se dividen rápidamente otra copia de cromosoma
esta disponible
• La proteían RecA cataliza la recombinación

80. Reparación SOS
• sistema de reparación inducible
• se emplea para reparar daños grandes que paran la replicación, dando
lugar a numerosas brechas
– La proteína RecA inicia la reparación mediante recombinación
– La proteína RecA actúa también como una proteasa, destruyendo
una proteína represora y así aumentando la proporción de enzimas
de reparación por excisión
Reparación de ADN
Proceso de reparación SOS: En ausencia de daños, los genes de reparación se expresan en E. coli a
niveles bajos debido a la unión de la proteína represona LexA en sus operadores (O). Cuando la proteína
RecA se une a una región dañada, destruye la proteína LexA y los genes de reparación se expresan de