Unidad 4 Genetica Bacteriana

Universidad Nacional Autónoma de México

Unidad 4: Genética Bacteriana Microbiología CD. Luis Alejandro Hernández

Característica genéticas de las bacterias •ADN- Watson y Crick •Nucleoide circular, sin membrana•Haploides•Plásmidos•Código Genético: AUG •Cromosoma: episoma

Estructura Básica del ADN

•Es un ácido nucleído que contiene instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y algunos virus, y es responsable de su transmisión hereditaria. 

•  El papel principal de la molécula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información.

• En el ADN, cada vagón es un nucleótido, y cada nucleótido, a su vez, está formado por un azúcar, una base nitrogenada y un grupo fosfato.

Adenina

Timina

Citosina

GuaninaA

C

T

G

Nucleótidos •El ADN es un Polímero de nucleótidos,

esto quiere decir que es un Polinucléotido.

•Estos Grupos actúan como engache de cada vagón a otro.

•Para que la información que contiene el ADN pueda ser utilizada por la maquinaria celular, debe copiarse en primer lugar en unos trenes de nucleótidos, más cortos y con unas unidades diferentes, llamados ARN.

•Las moléculas de ARN se copian exactamente del ADN mediante un proceso denominado transcripción. Una vez procesadas en el núcleo celular, las moléculas de ARN pueden salir al citoplasma  para su utilización posterior

Replicación del ADN

•Es el proceso por el cual se obtienen copias o réplicas idénticas de una molécula de ADN.

•La replicación es fundamental para la transferencia de la información genética de una generación a la siguiente, es la base de la herencia.

•  El mecanismo consiste esencialmente en la separación de las dos hebras de la doble hélice, las cuales sirven de molde para la posterior síntesis de cadenas complementarias a cada una de ellas, que llevará por nombre ARNm.

•  El resultado son dos moléculas idénticas a la original. Este tipo de replicación se denomina semiconservativa debido a que cada una de las dos moléculas resultantes de la duplicación presenta una cadena procedente de la molécula "madre" y otra recién sintetizada.

Bases púricas y pirimídicas.• Cada nucleótido contiene una base nitrogenada.

Estas bases se clasifican en purinas (con dos anillos, uno de cinco y otro de seis átomos) y las pirimidinas (con un solo anillo de seis átomos).

• Bases púricas: están formadas por la condensación de dos ciclos de carbono y nitrógeno. Hay dos bases púricas, la adenina y la guanina, que se encuentran en ambos. (ADN Y RNA)

---> La pirimidina es un compuesto orgánico, con un anillo heterocíclico: dos átomos de nitrógeno sustituyen al carbono en las posiciones 1 y 3.

Tres bases de los ácidos nucleicos (citosina, timina y uracilo) son derivados pirimidínicos. En el ADN, estas bases forman puentes de hidrógeno con sus purinas complementarias.En el ARN, la complementaria de la adenina (A) es el uracilo (U), en vez de la timina (T)

Estructuras básicas del DNA

ESTRUCTURA BÀSICA DEL DNA.

•ADOPTA UNA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE DOBLE HÈLICE.

• LAS CADENAS DE DNA SON MUY LARGAS Y ESTAS ADOPTAN UNA ESTRUCTURA DE SUPENROLLAMIENTO, IMPLICA EL ENROLLAMIENTO DEL EJE DE LA DOBRE HÈLICE SOBRE SI MISMO .

•EL SUPERENROLLAMIENTO ES GRACIAS A LA ACCIÒN DE LAS ENZIMAS TOPISOMERASAS (INTRODUCEN O ELIMINAN VUELTAS SUPERHELICOIDALES)

•LA ESTRUCTURA DEL ADN SIGUE EL MODELO DE WATSON-CRICK

•1 CADENA SIGUE LA DIRECCIÒN 3’ 5’

Y LA COMPLEMENTARIA 5’ 3’

•LA UNIÒN DE UNA BASE CON EL CON EL AZÙCAR (PENTOSA) Y UN GRUPO FOSFATO, FORMA UN NUCLEÒTICO.

BASES NITROGENADAS.

ADENINA PÙRICAS. GUANINA

CITOSINAPIRIMÌDICAS TIMINA URACILO (RNA)

REPLICACIÒN.

•CONDUCE A LA FORMACION DE DOS MOLÈCULAS HIJAS.

•ES BIDIRECCIONAL Y SEMICONSERVADORA.

ENZIMAS UTILIZADAS EN LA REPLICACIÒN

FUNCIÒN

ADN POLIMERASAS O GIRASAS

SEPARAN LAS HEBRAS

POLIMERASAS III SÌNTESIS DE NUEVAS HEBRAS

POLIMERASA I Y II CUMPLEN FUNDAMENTALMENTE ROLES

EN LA REPARACIÒN DE RUPTURAS O ERRORES EN LAS MOLÈCULAS DE ADN

HELICASA DESENROLLAN LAS ESTRUCTURA DEL ADN

LIGASA UNE A LOS FRAGMENTOS SINTETIZADOS

FASES DE LA REPLICACIÒN

INICIACIÒN. •LA DOBLE HÈLICE SE ABRE Y EL

PROCESO COMIENZA EN LA HORQUILLA DE REPLICACIÒN.

•ENTRA LA ACCIÒN DE LA HELICASA•EL DESENROLLAMIENTO SE VERÀ

FAVORECIDO POR LA ACCIÒN DE LA TOPOISOMERASA II

ELONGACIÒN •CONSISTE EN EL AVANCE LA

HORQUILLA DE LA REPLICACIÒN.•SE VAN AGREGANDO

NUCLEÒTIDOS.•PARTICIPA LA POLIMERASA III

•LOS NUCLEÒTIDOS SE VAN AGREGANDO EN DIRECCIÒN 5’ 3’

TERMINACIÒN

•SE PRESENTA CUANDO AMABAS ORQUILLAS DE REPLICACIÒN HAN ATRAVESADO LA MITAD DEL CROMOSOMA EN DIRECCIONES OPUESTAS Y SE ENCUENTRA EN LA REGIÒN TERMINAL DEL GENOMA

•ENTRA LA LIGASA UNIENDO LOS PEQUEÑOS FRAGMENTOS.

Estructura básica del ARN

4. Estructura básica del RNA

•PARA LA OPTENCIÒN DEL RNA SE REALIZA EN LA CÈLULA EL PASO EL TRASNCRIPCIÒN, GRACIAS AL RNA POLIMERASA.

•TIPOS DE RNA RNAm. CONTIENE LA SECUENCIA

COMPLEMENTARIA CODIFICADA POR EL DNA.

•RNAt (transferencia) DECODIFICA LA SECUENCIA DEL RNAm Y LA TRADUCE A UNA SECUENCIA CORRECTA DE AMINOÀCIDOS.

•RNAr (ribosal) . ▫COMPONENTE ESTRUCTURA DE LOS

RIBOSOMAS. ▫POSICIONA LAS MOLECULAS DE RNAt

EN EL RIBOSOMA

Dogma Central de la Biología Molecular

• Es un concepto que ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de la herencia genética. Propone que existe una unidireccionalidad en la expresión de la información contenida en los genes de la célula.

• Replicación, Transcripción y Traducción son los tres fenómenos sobre los que versa el Dogma Central de la Biología Molecular

Replicación• El DNA funciona como

una molécula de almacenamiento, guardando la información genética durante la vida de un organismo celular y permitiendo que ésta información se duplique (durante la reproducción celular) y pase a su progenie.

Transcripción • Éste proceso de síntesis

de RNA se denomina transcripción, porque la secuencia de bases del DNA se esta escribiendo en una bases RNA.

• consiste en convertir la información contenida en el ADN en un formato “legible” para la maquinaria celular de síntesis de proteínas, el ARN.

• Da lugar a tres tipos de ARN: mensajero, de transferencia y ribosómico.

Traducción• La traducción es el

proceso mediante el cual se produce la síntesis de proteínas, ocurre en el citoplasma.

• En la traducción, el ARN mensajero se decodifica para producir un polipéptido específico de acuerdo con las reglas especificadas por el código genético.

Control de la expresión genética

Generalidades de la regulación genética en bacterias

Son mecanismos desarrollados por los microorganismos que activan o desactivan los genes en función de las necesidades metabólicas.

Debe existir un sistema de regulación ya que el genoma completo de todas las células no se están transcribiendo continuamente, por lo cual se regula la transcripción, lo que mantiene la eficiencia genética.

Los genes estructurales están organizados en grupos controlados por un solo sitio de regulación, en conjunto estos genes constituyen lo que se denomina Operón.

Modelo de Operón

•Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa enE. coli, de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias. Jacob y Monod recibieron en 1965 el Premio Nobel pos estas investigacionesFrancois JacobJacques Monod

Regulación Bacteriana

P: promotor de los genes estructurales E1 ... E4 R: gen regulador (codifica una proteína represora que regula la

transcripción de los genes estructurales) O:operador (secuencia reconocida por la proteína represora que impide la

transcripción)

Regulación en bacteria

• Los operones inducibles como los reprimibles pueden estar bajo control positivo ó negativo.

• Se han investigado tanto los operones inducibles como los reprimibles, representados por los complejos génicos lac y trp respectivamente

• Control positivo: La transcripción no se produce hasta que la molécula reguladora estimule la producción de RNA

• Control Negativo: La expresión genética se produce hasta que es desconectada por algún tipo de regulador.

Genes estructurales del operón lac

En el metabolismo de la lactosa hay tres genes implicados: Lac Z, Lac Y, Lac A

Gen Lac Z: Especifica la secuencia de aminoácidos de la enzima β galactosidasa, que convierte la lactosa en glucosa y galactosa.

Gen Lac Y: Especifica la estructura primaria de la β galactosidasa permeasa, enzima que facilita la entrada de lactosa en la célula bacteriana.

Gen Lac A: codifica la enzima transacetilasa.

Así un operón es una agrupación de

genes cuya expresión esta

controlada por una región única denominada

operador

Genes estructurales del operón lac

El Operon lac funciona para la utilización de lactosa comofuente de carbono

Operón Lac

• La estrecha unión condujo a describir que los tres genes se transcriben como una sola unidad, lo que resulta en lo que se denomina mRNA policistrónico.

• Los tres genes se regulan coordinadamente ya que un solo mensajero sirve de base para la traducción de los tres productos génicos.

En ausencia de Glucosa , los niveles de cAMP aumentan y no se produce represión

Formación de cAMP a partir de ATP

La unión de CAP depende de monofosfato

de adenosina ciclico (cAMP)

Para que se produzca la unión CAP debe estar

unido a cAMP cAMP depende de la enzima adenil ciclasa

En presencia de Glucosa

•Al estar presente la glucosa, la acción de adenil ciclasa provoca disminución de nivel de AMPc

•Al no forma el complejo cAMP-CAP la RNA polimerasa no tienen afinidad para unirse al DNA promotor

•Una fuente preferencial de carbono (como es la glucosa) el mecanismo de regulación positiva del operón lac se inactiva.

En presencia de glucosa, los niveles de cAMP decrecen y se produce la represión por catabolito

Represión por catabolito del operón lac(Elección del mejor azúcar a metabolizar)

Glucosa Lactosa AMPc Transcripción

Expresión de b-galactosidasa

Presencia Ausencia No hay No hay Basal (poco)

Ausencia Ausencia No hay No Hay Basal (poco)

Presencia Presencia Poca cantidad

Basal(bajo nivel de expresión)

Basal (poco) hasta que se acaba la glucosa y entonces aumenta

Ausencia Presencia Gran cantidad

Alta Alta

Mutaciones

Mutaciones

•Es un cambio heredable en la secuencia de bases de los ácidos nucleíco contenidos en el genoma de un organismo.

•Deleción •Inserción•Inversión •Corrida de lectura (frameshift)•Transición •Translocación

Deleción

•Esta es la pérdida de uno o varios nucleótidos del DNA.

•Ejemplo: CGTACGTA por CTACGTA

Inserción

• Es la adición de uno o varios nucleótidos en la molécula del DNA. Si la inserción es de un nucleótido donde no altera el amino ácido a ser codificado, la mutación pasa desapercibida.

•Ejemplo : CGTACGTA por CGGGTACGTA

Inversión

•Es el cambio de posición de varios nucleótidos en la molécula. Se altera la información genética.

•Ejemplo:

CGTACGTA por CGCATGTA

Corrida de lectura (frameshift)

•Aquí se inserta o se pierde uno o varios nucleótidos, como resultado toda la información del gen se pierde ya que se sustituyen unos amino ácidos por otros.

•Ejemplo:•CGT ACG TAC GTA por CGA CGT ACG

TAC

Transición y Transversión

•Purina por purina y pirimidina por pirimidina.

•Purina por pirimidina y pirimidina por purina o viceversa.

Translocación

•Esta mutación ocurre cuando segmentos de nucleótidos se separan y se unen en otro lugar del cromosoma.

Mecanismos de transferencia Genética

Transformación

•Consiste en la obtención por parte de una célula receptora de un fragmento de DNA y la incorporación de esta molécula al cromosoma de esta célula en una forma heredable.

•En la transformación natural, el DNA procede de una bacteria donante.

•Es un proceso al azar, y puede ocurrir entre bacterias de la misma o diferentes especies.

Transformación

•Cualquier porción del genoma de la célula donante puede incorporarse, siempre y cuando sea igual o similar a la de la célula huésped.

•El DNA de la célula donante debe tener las siguientes características: ser de doble hélice, similar al DNA de la célula receptora, de bajo peso molecular y de tamaño pequeño

Transducción •Es la transferencia de genes de una

bacteria a otra por medio de un virus. •La incorporación de genes bacterianos al

interior de la cápsida de un fago se produce a consecuencia de errores cometidos durante el ciclo duplicativo del virus.

•Cuando el virus que contiene estos genes infecta a una nueva bacteria, éste tienen la capacidad de transferirlos al cromosoma de ésta.

Generalizada

•Ocurre durante el ciclo lítico (ciclo donde el fago rompe la bacteria) de los fagos y es capaz de transferir cualquier parte del genoma bacteriano.

•Durante la fase de ensamblaje viral, fragmentos del cromosoma bacteriano pueden quedar en la cápsida viral.

•Cuando este fago infecta a una nueva bacteria, el material puede ser transferido al cromosoma bacterial. La cantidad de DNA bacteriano trasportado depende principalmente del tamaño de la cápsida del virus

Especializada •  La partícula viral modificada transporta

porciones específicas del genoma bacteriano. •Este proceso es possible debido a un error

durante el ciclo lisogénico. Esto ocurre cuando se induce a un fago a abandonar el cromosoma de la célula huésped observándose en ocasiones una excisión incorrecta.

•Esto hace que el fago se lleve uno de los 2 genes localizados en sus extremos (Bio y Gal). El genoma viral resultante contiene porciones del cromosoma bacteriano justo al lado del sitio de la integración.

Conjugación

•La conjugación consiste en la unión de dos bacterias de la misma o diferentes especies para la transferencia del material genético.

•Las bacterias se unen por medio de un puente citoplasmático por el cual pasa el plásmido F (plásmido de congujación) a la célula receptora. Este proceso sólo se da entre una bacteria que contenga el plásmido (F+) y otra sin el plásmido (F-).

Conjugación•El plásmido de conjugación puede intergrarse

al cromosoma bacterial, lo que se conoce como Hfr ("High Frecuency Recombination").

•Esto es debido a que cuando está integrado al cromosoma bacterial es muy grande y el puente citoplasmático se rompe antes de que pase completamente por él.

•Bajo ciertas circunstancias el plásmido F puede contener otros genes diferentes a los de conjugación