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Modulo: Ejecuta métodos de análisis cualitativos,
químicos y microbiológicos con base en las
normas
Sub-modulo: Ejecuta técnicas de identificación
de microorganismos con base en las normas
Facilitador: Ing. Jessica Alicia Acosta Bezada
Equipo: Quistián García Hylary, Ramírez
Arellanos Génesis, Ramírez Hernández Jessica,
Ramos Franco Michelle, Ramos Juárez Mario,
Rangel Osorio Hugo, Rascón Castrejón Lizeth,
Reyes Marcial Luis Diego, Ríos Palacio Selene.
Lugar: Cd. Juárez, Chihuahua
Fecha: Lunes 03 de noviembre del 2014
Genética Bacteriana
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CENTRO BACHILLERATO TECNOLÓGICO INDUSTRIAL Y DE SERVICIOS No. 128
ContenidoIntroducción.............................................................................................................................................................2
Estructura del genoma bacteriano..........................................................................................................................3
Plasmidos.................................................................................................................................................................4
Genes “salterines” de las bacterias.........................................................................................................................8
Replicación del ADN bacteriano..............................................................................................................................9
Expresiones de los genes procariotas (transcripción y traducción)......................................................................11
Regulación de la expresión genética de las bacterias...........................................................................................13
Mutaciones............................................................................................................................................................14
Transferencia de genes entre bacterias................................................................................................................14
Aportaciones de la genética bacteriana a la medicina..........................................................................................15
Conclusiones..........................................................................................................................................................16
Bibliografía.............................................................................................................................................................18
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IntroducciónCualquier organismo está determinado por su material genético y su interacción con el medio ambiente que selecciona, activa, reprime o cambia el material genético.
Las bacterias poseen un genotipo que transmiten por herencia y un fenotipo que depende de las circunstancias que les rodean. Las bacterias sufren variaciones en sus caracteres y son de dos tipos; fenotípicas o adaptaciones y genotípicas (mutaciones, fenómenos de transferencia, elementos transponibles, integrones).
El estudio de la genética bacteriana, atendiendo a los dos aspectos anteriores, permite entender mejor las funciones esenciales de su material genético y las características que rigen su comportamiento, su capacidad de adaptación al medio ambiente, la expresión de mecanismos de virulencia que les permite colonizar, invadir, y dañar células eucariotas, y como consecuencia, el desarrollo de un gran espectro de enfermedades clínicas.
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Estructura del genoma bacterianoToda la información genética esencial para la vida de la bacteria está contenida en una única molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN) de doble cadena y circular, cerrado por enlace covalente. Dicha molécula se denomina cromosoma bacteriano. Muchas bacterias poseen además ADN extracromosómico, también circular y cerrado, denominado ADN plasmídico por estar contenido en los plásmidos. Éstos, portan información génica para muchas funciones que no son esenciales para la célula en condiciones normales de crecimiento.
Estructura y función del genoma bacteriano
El material genético de las bacterias se encuentra en el citoplasma, se le denomina nucleoide, cuerpo nuclear, región nuclear, o cromosoma bacteriano Está compuesto de alrededor de 80% de DNA, 10% de RNA y 10% de proteínas (RNA polimerasa).
En 1963 se logró aislar y extender el cromosoma de E. coli, determinándose que tiene una longitud de 1 mm. Es una tira circular doble y que se encuentra súper enrollado. El termino genoma se refiere al conjunto completo de elementos genéticos (genes) dentro de la célula.
Los procesos genéticos requieren tres tipos de polímeros:
Ácido Desoxirribonucleico (DNA). Ácido Ribonucleico (RNA) Proteínas.
DNA: El cromosoma bacteriano único contiene dos tiras complementarias de DNA que están enrolladas alrededor una de la otra en patrón helicoidal, con los extremos unidos para formar una molécula circular.
Las moléculas de DNA son de doble cadena con bases complementarias. Esta característica le permite a una de las cadenas proporcionar la información para el copiado de la información en la otra cadena. Cada par de bases está compuesto por una purina y una pirimidina.
Las purinas de una cadena forman puentes de hidrogeno con las pirimidinas. El par A-T con 2 uniones puente de H. El par G-C con tres uniones. Cada una de las cuatro bases está unida a una fosfo-2’-desoxiribosa para formar un nucleótido.
La longitud de una molécula de DNA se expresa en miles de pares de bases o en kilobases (kb). El cromosoma de una bacteria, E. coli, es una molécula circular única que contiene alrededor de 4,500,000 pares de bases o 4500 kb. Con una longitud aproximada de 1 mm.
RNA: Existen 3 diferencias entre la química del DNA y la del RNA:
Las macromoléculas del RNA contienen el azúcar ribosa en lugar de desoxirribosa. El RNA tiene la base uracilo en lugar de timina. El RNA no es una molécula de tira doble
Las bacterias contienen 3 tipos de RNA:
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RNAm: (mensajero), su función es copiar el código genético del gen (DNA cromosómico) y llevar este mensaje al sitio de síntesis de proteínas (Ribosomas).
RNAt (transferencia), traducción del mensaje de RNA en una secuencia especifica de aminoácidos. RNA (ribosomal) síntesis de proteínas.
ENZIMAS:
Toposisomerasa II: promueve el superenrollarmiento (DNA girasa) Toposisomerasa I: controla el desenrrollamiento.
RNA polimerasa: hace que las dos tiras de DNA se desenrollen de modo que se pueda transcribir la información. RNAt
PlasmidosLos plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico
circular o lineal que se replican y transcriben independientes
del ADN cromosómico. Están presentes normalmente
en bacterias, y en algunas ocasiones en
organismos eucariotas como las levaduras. Su tamaño varía
desde 3 a 10 kb. El número de plásmidos puede variar,
dependiendo de su tipo, desde una sola copia hasta
algunos cientos por célula. Los vectores plasmídicos
permiten clonar ligandos de DNA exógeno de hasta 4 kb ya
que un tamaño mayor a éste dificulta la clonación en estos
vectores. El término plásmido fue presentado por primera vez por el biólogo molecular norteamericano Joshua
Lederberg en 1952.1
Las moléculas de ADN plasmídico, adoptan una conformación tipo doble hélice al igual que el ADN de
los cromosomas, aunque, por definición, se encuentran fuera de los mismos. Se han encontrado plásmidos en
casi todas las bacterias. A diferencia del ADN cromosomal, los plásmidos no tienen proteínas asociadas.
En general, no contienen información esencial, sino que confieren ventajas al hospedador en condiciones de
crecimiento determinadas. El ejemplo más común es el de los plásmidos que contienen genes de resistencia a
un determinado antibiótico, de manera que el plásmido únicamente supondrá una ventaja en presencia de ese
antibiótico.
Hay algunos plásmidos integrativos, es decir, que tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma bacteriano.
Estos rompen momentáneamente el cromosoma y se sitúan en su interior, con lo cual, automáticamente la
maquinaria celular también reproduce el plásmido. Cuando ese plásmido se ha insertado se les da el nombre
de episoma.
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Los plásmidos se utilizan como vectores de clonación en ingeniería genética por su capacidad de reproducirse
de manera independiente del ADN cromosomal así como también porque es relativamente fácil manipularlos e
insertar nuevas secuencias genéticas.
Los plásmidos usados en Ingeniería Genética suelen contener uno o dos genes que les confieren resistencia a
antibióticos y permiten seleccionar clones recombinantes. Hay otros métodos de selección además de la
resistencia a antibióticos, como los basados en fluorescencia o en proteínas que destruyen las células sin uso de
antibióticos. Estos nuevos métodos de selección de plásmidos son de uso frecuente en agrobiotecnología,
debido a la fuerte crítica de grupos ecologistas contra la posibilidad de presencia de antibióticos en los
organismos modificados genéticamente.
RESISTENCIA A LOS ANTIBIÓTICOS
Los plásmidos a menudo contienen genes o paquetes de genes que les confieren una ventaja selectiva, lo que
les da la habilidad de hacer a la bacteria resistente a los antibióticos.
Cada plásmido contiene al menos una secuencia de ADN que sirve como un origen de replicación u ORI (un
punto inicial para la replicación del ADN), lo cual habilita al ADN para ser duplicado independientemente del ADN
cromosomal. Los plásmidos de la mayoría de las bacterias son circulares, pero también se conocen algunos
lineales, los cuales reensamblan superficialmente los cromosomas de la mayoría de eucariotas.
EPÍSOMAS
Un epísoma es un plásmido que puede integrarse por sí mismo al ADN cromosomal del organismo huésped. Por
esta razón, puede mantenerse en contacto por un largo tiempo, ser duplicado en cada división celular
del huésped y volverse parte básica de su mapa genético. Este término no se usa más en plásmidos, debido a
que ahora está claro que una región homologa con el cromosoma elabora un plásmido dentro de un epísoma.
Los plásmidos usados en ingeniería genética son llamados “vectores”. Estos son usados para transferir genes
desde un organismo a otro y típicamente contienen un marcador genético confiriendo un fenotipo el cual puede
ser seleccionado a favor o en contra. La mayoría también contienen un polivinculador o sitio de clonado múltiple
(MCS), el cual es una pequeña región que contiene los sitios de restricción más comúnmente usados,
permitiendo una fácil inserción de fragmentos de ADN en ese lugar.
TIPOS
Una forma de agrupar plásmidos es por su habilidad de transferirse a otra bacteria. Los plásmidos conjugativos
contienen “tra-genes”, los cuales ejecutan complejos procesos de conjugación, como la transferencia sexual de
plásmidos a otra bacteria. Los plásmidos no-conjugativos, son incapaces de iniciar una conjugación, de allí que
ellos pueden transferirse únicamente con la asistencia de los plásmidos conjugativos y lo hacen “por accidente”.
Una clase intermedia de plásmidos son los “movilizables” los cuales llevan solo un subtipo de genes requeridos
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para la transferencia. Ellos pueden “parasitar” un plásmido conjugativo, transfiriéndose a una alta frecuencia solo
en su presencia.
Es posible para plásmidos de diferentes tipos el coexistir en una celular simple.
Siete tipos diferentes de plásmidos han sido encontrados en la E.Coli. Pero normalmente plásmidos relacionados
son incompatibles, en el sentido de que solo uno de ellos sobrevive en la línea celular, debido a la regulación de
las funciones vitales de los plásmidos. Por lo tanto, los plásmidos pueden ser diferenciados de acuerdo a grupos
de compatibilidad.
Otra forma de clasificar plásmidos es por función. Hay 5 clases principales:
Plásmidos de fertilidad: los cuales contienen tra-genes, son capaces de conjugarse.
Plásmidos de resistencia: los cuales contienen genes que pueden constituir resistencia contra
antibióticos o venenos. Históricamente conocidos como Factores R, antes de que se entendiera la
naturaleza de los plásmidos.
Col-plásmidos: los cuales contienen genes que codifican (determinan la producción de) colinas y
proteínas que pueden matar a otra bacteria.
Plásmidos degradativos: los cuales habilitan la digestión de sustancias inusuales como tolueno o ácido
salicílico.
Plásmidos virulentos: los cuales convierten la bacteria en un patógeno.
Los plásmidos pueden pertenecer a más de uno de estos grupos funcionales.
Los plásmidos solo pueden coexistir como una o más copias en cada bacteria, debido a la división celular
pueden perderse en una de las bacterias segregadas.
Algunos plásmidos incluyen un sistema de adición o “Sistema de Muerte Postsegregacional” (PSK:
Postsegregational Killing System). Ellos producen en conjunto un veneno de larga vida y un antídoto de vida
corta. Las células hija que retienen una copia del plásmido sobreviven, mientras que una célula hija que falla al
integrar el plásmido muere o sufre una reducida tasa de crecimiento debido al veneno que obtuvo de la célula
padre. Este es un ejemplo de plásmidos como el ADN replicante.
APLICACIONES
Los plásmidos sirven como una importante herramienta en laboratorios de genética e ingeniería bioquímica,
donde son comúnmente usados para multiplicar (hacer muchas copias de) o como genes particulares expresos.
Muchos plásmidos están disponibles comercialmente para dichos usos.
El gen a ser replicado se inserta en copias de un plásmido el cual contiene genes que hacen células resistentes
a un antibiótico en particular. En el paso siguiente el plásmido es insertado en la bacteria por medio de un
proceso llamado transformación. Luego, la bacteria es expuesta a un antibiótico particular. Solo la bacteria que
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toma copias del plásmido sobrevive al antibiótico debido a que el plásmido lo hace resistente. En particular, los
genes protectores son expresados (usados para hacer proteína) y la proteína expresada evita la acción del
antibiótico. De esta forma, los antibióticos actúan como un filtro que seleccionan únicamente la bacteria
modificada. Ahora, estas bacterias pueden ser cultivadas en largas cantidades, cosechadas y el plásmido de
interés puede ser aislado.
Otro uso importante de los plásmidos es fabricar grandes cantidades de proteínas. En este se deja crecer la
bacteria que contiene el plásmido que encierra al gen de interés. Solo como la bacteria produce la proteína que
le confiere si resistencia a los antibióticos, este también puede ser usado para producir proteínas en grandes
cantidades desde el gen insertado. Esta es una forma barata y fácil de producir genes o proteínas que este
codifica de forma masiva, como por ejemplo insulina, o inclusive antibióticos.
EXTRACCIÓN DEL ADN PLASMÍDICO
En el maxiprep se cultivan volúmenes mucho más grandes de bacterias en suspensión. Esencialmente, este es
un escalado de la preparación mini-prep, el cual es seguido por una purificación adicional. Esto resulta en una
cantidad relativamente grande (0,5 -1 mg) de ADN plásmido muy puro.
En los últimos tiempos muchos kits comerciales han sido creados para realizar la extracción plasmídica a varias
escalas, purezas y niveles de automatización.
CONFORMACIONES
El ADN plásmido puede aparecer en uno de cinco conformaciones, las cuales (para un tamaño dado) corren a
diferentes velocidades en un gel durante electroforesis. Las conformaciones se muestran abajo en orden de
movilidad electroforética (velocidad para un voltaje dado), del más lento al más rápido:
Mellado abierto circular: el ADN tiene un solo corte filamentario.
Lineal: ADN tiene terminales libres, ya sea porque los filamentos fueron cortados o porque el ADN era
linear in vivo. Usted puede modelar este como un cordón que no se ha conectado así mismo.
Circular relajado: ADN que interactúa completamente con ambos filamentos sin cortar, pero que ha sido
enzimáticamente “relajado”. Usted puede modelar este dejando un cordón relajado y luego conectándolo
a sí mismo.
Superespiral desnaturalizado: ADN como el ADN superespiral o superenrollado (ver más abajo), pero
que tiene regiones sin unir que lo hacen ligeramente menos compacto; esto resulta de una excesiva
alcalinidad durante la preparación del plásmido.
ADN superespiral: Es un ADN totalmente intacto con los filamentos sin cortar, y con forma de remolino,
resultando en una forma compacta.
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La tasa de migración de pequeños fragmentos lineales es directamente proporcional al voltaje aplicado (en el
caso de voltajes bajos). En el caso de altos voltajes, grandes fragmentos migran continuamente a diferentes
tasas. Por lo tanto, la resolución del gel decrece con el incremento del voltaje.
A un bajo voltaje determinado, la migración de un pequeño fragmento lineal de ADN está en función de su
longitud. Fragmentos lineales largos (de 20kb) migran a cierta tasa sin importar la longitud. Esto es debido a que
las moléculas “reptan” desde el centro de la molécula siguiendo el sentido de la matriz de gel.
La digestión restrictiva se usa frecuentemente para analizar fragmentos purificados de plásmidos. Estas enzimas rompen específicamente el ADN en ciertas secuencias cortas.
Genes “salterines” de las bacteriasUn transposón o elemento genético transponible es una secuencia de ADN que puede moverse de manera autosuficiente a diferentes partes del genoma de una célula, un fenómeno conocido como transposición. En este proceso, se pueden causar mutaciones y cambio en la cantidad de ADN del genoma. Anteriormente fueron conocidos como "genes saltarines" y son ejemplos de elementos genéticos móviles ("genes saltarines" o transposones, como los denominó McClintock)
De todo el ADN que compone la célula de un organismo, una gran proporción está constituida por elementos móviles llamados transposones. Estos elementos móviles han acompañado a los organismos vivos durante su evolución contribuyendo decisivamente a los cambios genéticos. En
general se estima que una gran proporción del ADN basura (no codificante) está formada por o procede de transposones.Esto es así porque los mecanismos de transposición pueden arrastrar consigo fragmentos aledaños a la secuencia que se transpone. Además, la integración del transposón, a pesar de producirse en lugares más o menos definidos, puede ocasionar cambios o mutaciones en dichos lugares. Por lo tanto, los transposones son una fuente de variabilidad genética. Existen diferentes clases de transposones atendiendo al mecanismo de transposición. Los de clase I, también llamados retrotransposones, se mueven dentro de genoma siendo transcritos primero a ARN y después retrotranscritos a ADN mediante actividades transcriptasa inversa. Esta clase de transposones pueden tener un origen retroviral y, dado que se copian para transponerse, producen como resultado final el aumento de la información genética (transposición no conservativa).Por su parte, los de clase II o transposones ADN se mueven “saltando” de una localización a otra sin copiarse en el proceso, mediante una actividad transposasa específica Desde su descripción se ha sospechado la existencia de alguna relación entre el fenómeno de la transposición y la aparición de algunas patologías, aunque no se ha acabado de definir completamente esta relación en ningún caso hasta la fecha.
Clasificación:
Existe una amplia diversidad de elementos genéticos móviles y pueden ser clasificados en base a su contenido y
su estrategia y mecanismo de transposición.
Según contenido
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Transposón simple, secuencia de inserción o elemento de inserción (IS): contienen una secuencia central con información para la transposasa, una enzima necesaria para la transposición, y en los extremos una secuencia repetida en orden inverso. Esta secuencia repetida en orden inverso no es necesariamente idéntica, aunque muy parecida. Cuando un transposón simple se integra en un determinado punto del ADN aparece una repetición directa de la secuencia diana (5-12 pb).
Transposón compuesto (Tn): contienen un elemento de inserción (IS) en cada extremo en orden directo o inverso y una región central con la transposasa que además suele contener información de otro tipo. Por ejemplo, los factores de transferencia de resistencia (RTF), poseen información en la zona central para resistencia a antibióticos como elcloranfenicol, la kanamicina, la tetraciclina, dándole una ventaja selectiva a las bacterias que lo posean.
Replicación del ADN bacterianoEl genoma completo de una célula, sea procariota o eucariota, debe replicarse con exactitud una vez por cada división celular. Por lo tanto, la iniciación de la replicación compromete a la célula a una división posterior. Si se inicia la replicación, la división consiguiente no debe ocurrir hasta que se haya completado la replicación y, de hecho el final de la replicación puede disparar la división celular.
Las bacterias, a diferencia de las células eucariotas, son capaces de replicar su ADN a lo largo de todo su ciclo celular.Se denomina replicón a cada unidad de replicación del ADN que contiene todos los elementos requeridos para regular este proceso.
El cromosoma bacteriano se replica a partir de un único origen que se mueve linealmente hasta completar la duplicación total de la molécula, por lo que constituye un replicón. Esto facilita la regulación que está centrada en la etapa de iniciación; una vez que la replicación del cromosoma se inicia en su origen, todo el cromosoma será duplicado. Los plásmidos, constituyen replicones independientes del cromosoma, generando una replicación por ciclo celular que se coordina con la replicación genómica (plásmidos unicopia) o permitir varias replicaciones por ciclo (plásmidos multicopia).
El sitio de ADN que se está duplicando, se llama horquilla de replicación. La replicación puede ser unidireccional o bidireccional, según se formen una o dos horquillas en el origen.
Generalmente, los cromosomas bacterianos tienen replicación bidireccional, mientras que algunos plásmidos pueden replicarse unidireccionalmente. En la replicación unidireccional, una horquilla sale del origen y progresa a lo largo del ADN. En la bidireccional, se forman dos horquillas que se alejan del origen en direcciones opuestas hasta que se encuentran completando la duplicación. Esto permite a la bacteria duplicar su ADN más rápido que si el proceso fuera unidireccional, pudiendo replicar más de mil pb por segundo. Es importante destacar que, aunque la velocidad de replicación es muy elevada, la fidelidad de la misma también es grande, siendo la frecuencia de mutaciones espontáneas del orden de una cada 107 a 1011 pb replicadas.
La replicación es semiconservativa porque cada molécula de ADN posee una cadena del ADN original y una nueva. Esto resalta la importancia de la complementariedad de bases en la estructura del ADN (ver figura de replicación de ADN bacteriano).
Las enzimas encargadas de catalizar el proceso de replicación, se denominan ADN polimerasas. Si bien en E. coli se conocen tres tipos distintos, la responsable de la mayoría de los procesos de replicación es la polimerasa III, mientras que las polimerasas I y II cumplen principalmente funciones de reparación de rupturas o de errores en las moléculas de ADN.
También participan otras enzimas, como las helicasas responsables de “desenrollar” el ADN en el origen o cerca de él, paso indispensable para iniciar la replicación.
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Replicación del ADN. El proceso de replicación del ADN es semiconservativo, ya que cada nueva molécula posee una hebra sintetizada “de novó” apareada a su complementaria proveniente de la molécula que le dio origen. El proceso genera dos moléculas de ADN idénticas.
Esquemáticamente, podemos decir que la replicación consta de tres fases: iniciación, elongación y terminación. La primera se produce desde el origen del replicón donde se forma la o las horquillas de replicación, gracias a la acción de las helicasas que “desenrollan” el ADN.
De esta forma se constituye una porción monocatenaria de ADN que estará en condiciones de formar un complejo con proteínas de unión al ADN, encargadas de estabilizar la cadena sencilla, evitando la formación de puentes de hidrógeno. Se sintetiza un corto oligonucleótido de ARN con un grupo 3´ oxidrilo libre, que actuará como cebador o primer, en el cual la ADN polimerasa agrega los nucleótidos
La elongación consiste en el avance de la horquilla de replicación, conforme se van agregando nucleótidos a la nueva cadena, siguiendo un orden establecido por las reglas de complementariedad de bases (A con T y C con G), entre la cadena “molde” y la nueva. En esta etapa participa fundamentalmente la ADN polimerasa III
Todas las polimerasas conocidas agregan nucleótidos en dirección 5´- 3´para el crecimiento de la cadena y requieren una cadena de ADN molde, un cebador y los nucleótidos. (Ver figura 4).
La terminación se produce después de que ambas horquillas de replicación han atravesado la mitad del cromosoma en direcciones opuestas y se encuentran en la región terminal del genoma. En esta región, existen secuencias de ADN que actúan como bloqueadores para el avance de las horquillas, por lo tanto se asegura que la replicación termine en esa pequeña porción del genoma.
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Expresiones de los genes procariotas (transcripción y traducción)La expresión génica es el proceso por medio del cual todos los organismos procariotas y células eucariotas transforman la información codificada por los ácidos nucleicos en las proteínas necesarias para su desarrollo y funcionamiento.
Los controles que actúan sobre la expresión de genes (es decir, el capacidad de un gen para producir una proteína biológicamente activa) son mucho más complejo en eucariotas que en procariotas. Una diferencia importante es la presencia en eucariotas de la membrana nuclear, lo que impide la realización simultánea transcripción y traducción que se produce en procariotas. Considerando que, en procariotas, el control transcripcional de inicio es el principal punto de reglamento, en eucariotas la regulación de la expresión génica está controlada casi al equivalente de muchos puntos diferentes.
En la expresión genética se dan seis pasos para la transformación del gen hasta la obtención de una proteína final.
Transcripción
Procesado del ARNm
Traducción
Procesado de la proteína
Traslación y colocación de la coenzima a la proteína
Pero en este caso solo se hablara de la expresión genética en las células procariotas, entonces estos seis pasos se convierten en solo tres:
Replicación
Transcripción
Traducción
Lo siguiente se explica de una manera corta y sencilla.
Entre los organismos procariotas como las bacterias cuyo genoma es muy pequeño los genes se organizan en forma de operones como se describió en la historia de la genética. Es decir que varios genes involucrados en la misma ruta metabólica se transcriben juntos y son controlados por el mismo promotor y la regulación del mismo.
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El operón con el que se ejemplifica esto es el Operón lactosa que posee dos tipos de control de su expresión. El control negativo y positivo.
El siguiente esquema representa al operón lactosa.
El control negativo se debe a que la proteína que regula al promotor impidiendo la transcripción es una proteína represora.
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En el caso del control positivo es una proteína reguladora positiva la que controla al sistema. Es una proteína que se une al AMPc que aumenta ante la baja de glucosa en el medio y aumenta la tasa de transcripción.
Para poder entender de una manera sencilla y divertida este proceso, se puede consultar el siguiente link:
https://www.youtube.com/watch?v=rVJgAGNCVp8
Regulación de la expresión genética de las bacteriasEn las bacterias, a pesar de ser organismos unicelulares, también es necesario regular la expresión de los genes adaptándola a las necesidades ambientales. Es un principio de economía celular el que la expresión de los genes este regulada según las circunstancias celulares. Un buen ejemplo de esta situación en bacterias es la regulación de las enzimas implicadas en el metabolismo de los azúcares. Las bacterias pueden emplear para obtener energía distintas fuentes de carbono, como la glucosa, lactosa, galactosa, maltosa, ramnosa y xilosa. Existen enzimas capaces de introducir cada uno de estos azúcares en la bacteria y enzimas capaces de romperlos para obtener energía. Lógicamente, sería un despilfarro energético producir simultáneamente todos los enzimas necesarios para metabolizar los diferentes azúcares mencionados. Por consiguiente, sería mucho más económico para la célula producir solamente las enzimas necesarias en cada momento, es decir, si en el medio en el que vive la bacteria la principal fuente de carbono es la lactosa, solamente se expresarían los genes necesarios para metabolizar la lactosa, mientras que los otros genes no se expresarían. Por tanto, es esencial que exista un mecanismo de regulación de la expresión génica, de manera que los genes se expresen cuando sea necesario.
La regulación de la producción de proteínas (síntesis de proteínas) considerando el proceso en su conjunto, puede llevarse a cabo en tres niveles:
o Replicación
o Transcripción
o Traducción.
De los tres niveles de regulación, uno de los mejor conocidos actualmente es la regulación durante la transcripción. Aunque la regulación de la transcripción en eucariontes es más compleja que en bacterias, muchos de sus aspectos son similares. Por tanto, comenzaremos por el estudio de la regulación de la transcripción en bacterias.
Desde el punto de vista de la expresión genética, los operones bacterianos se pueden dividir en dos grandes tipos:
Operones de expresión constitutiva (es decir, aquellos que se transcriben permanentemente, independientemente de las condiciones ambientales). Por ejemplo, operones para las ADN- y ARN-polimerasas;operones para las proteínas de las c. t. e.; operones para las proteínas ribosómicas, etc.Operones cuya expresión está regulada en función de las condiciones ambientales. Dentro de esta categoría, se distinguen a su vez: operones de expresión inducible; operones de expresión reprimible
En principio, por su modo la regulación puede ser de dos tipos:
Inducción: síntesis de ciertos enzimas debida a la presencia en el medio de sustratos metabolizables adecuados, o en términos más generales, por la existencia de determinados estímulos ambientales (no necesariamente de tipo nutricional). Ejemplo típico: la producción de b -galactosidasa es inducible en determinadas bacterias cuando en el medio aparece un azúcar de tipo b -galactósido (como la lactosa)Represión: desconexión rápida de la ruta biosintética de un determinado compuesto, cuando éste aparece aportado en el medio de la bacteria. Ejemplo típico: si E. coli crece en ausencia de triptófano
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(Trp), la ruta para su biosíntesis está funcionando hasta que ese aa. aparezca en el medio. La represión no siempre tiene que ver con estímulos nutricionales: se pueden desconectar genes para evitar que su expresión interfiera con otros procesos que ya están en curso en la célula.
En resumen, y en relación con el modo de expresión genética que subyace a sustancias relacionadas con el metabolismo, la norma general es que:
La inducción permite el ajuste rápido para el uso de sustratos metabolizables;
La represión permite el ajuste para la síntesis de una sustancia que interviene como intermediario metabólico.
MutacionesUna mutación es un cambio heredable en la secuencia de bases de los ácidos nucleicos que constituyen el genoma de un organismo; ésta se produce en condiciones naturales con baja frecuencia y se deben fundamentalmente a errores en los procesos de replicación del ADN. Además de las mutaciones espontáneas, pueden ocurrir mutaciones inducidas, provocadas por agentes mutagénicos (químicos, físicos o biológicos) que proporcionan una herramienta para introducir cambios en el genoma bacteriano en el laboratorio.
La mayoría de estos errores o alteraciones introducidos en el genoma, son corregidos por los mecanismos de reparación del ADN, pero algunos escapan a la corrección y pueden originar cambios heredables que proporcionan una diversidad genética. Dada la baja frecuencia de mutaciones, solo los microorganismos con alta tasa de crecimiento, pueden alcanzar cifras suficientemente altas como para que sean detectables. Las mutaciones en las bacterias, frecuentemente afectan propiedades fácilmente reconocibles como pueden ser requerimientos nutricionales, morfología o resistencia antibiótica.
Algunas mutaciones pueden conferir al mutante una ventaja frente a la cepa que le dio origen, bajo ciertas condiciones ambientales, de manera que la progenie de dicha célula mutante es capaz de superar el crecimiento de la cepa original y sustituirla. Este es el caso de las mutaciones que confieren resistencia a los antibióticos, en las que el mutante resistente se seleccionará en un ambiente en el que las bacterias estén expuestas al antibiótico en cuestión. Este tipo de mutaciones se denominan selectivas.
En cambio, frente a una mutación no selectiva la bacteria no adquiere beneficios en relación a su progenitor. Las mutaciones puntuales, son aquellas que implican un cambio en una única base; pueden provocar que se cambie un aminoácido por otro en el producto proteico (mutación por cambio de sentido). Otras veces no se traducen en ningún cambio (mutación silenciosa), dado que como sabemos existe más de un codón para cada aminoácido.
También puede suceder que el codón se convierta en una señal de terminación (mutación sin sentido) y en ese caso se traducirá una proteína incompleta no funcional. Las deleciones y las inserciones producen cambios más notorios en el ADN, provocando la pérdida o la incorporación de cualquier número de pares de bases.
Muchas mutaciones que originan un producto proteico defectuoso, pueden ser suprimidas por un segundo evento de mutación en otro sitio del genoma (mutaciones supresoras), restaurándose el fenotipo original.
Transferencia de genes entre bacteriasLa transferencia horizontal de genes (HGT, por sus siglas en inglés) consiste en la transmisión del genoma o parte de éste de un organismo a otro que no forma parte de su descendencia. Por el contrario, el tipo de transferencia habitual, o transferencia vertical de genes, es la que se da desde un ancestro a su descendencia, como ocurre por ejemplo en la reproducción sexual.
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Desde hace tiempo se conoce la importancia del proceso de HGT en procariotas, como en el caso de la conjugación bacteriana, descubierto a mediados del siglo pasado, en la que una célula transfiere información genética a otra diferente con la mediación de plásmidos. Estos procesos son muy importantes como fuente de variación genética, equivalentes en cierto modo a la recombinación cromosómica de los organismos con reproducción sexual. Sin embargo, la HGTen bacterias iría más allá, dado que también se produce transferencia genética entre especies alejadas filogenéticamente, lo cual permite la formación de genomas extraordinariamente heterogéneos y dinámicos.
Sin embargo, en los últimos años se han acumulado evidencias de que este proceso puede ser mucho más generalizado de lo que se pensaba en un principio, no estando reducido a ciertos tipos de bacterias. La transferencia horizontal de genes parece haber tenido una gran importancia en todos los grupos de seres vivos, incluyendo plantas superiores y animales, al menos en las primeras etapas de la evolución. Hoy sabemos que gran parte del genoma humano está constituido por ADN vírico, incorporado al material genético de la célula.
El papel de la HGT en la evolución es uno de los puntos más activos de discusión en biología evolutiva. Desde aquellos que la consideran una fuente más de variación genética, hasta algunos investigadores que creen que nos hallamos ante un nuevo paradigma biológico, que no se limitaría a completar la nueva síntesis evolutiva, sino incluso a sustituirla en buena parte.
Aportaciones de la genética bacteriana a la medicinaBIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA.
La biotecnología consiste en el aprovechamiento de sistemas biológicos naturales para obtener productos de utilidad para el ser humano. No se trata de una técnica nueva; desde hace siglos se vienen realizando cruces selectivos en plantas y animales para conseguir un determinado fenotipo o se han utilizado las propiedades bioquímicas de los microorganismos para obtener alimentos.
En la actualidad, gracias a la manipulación genética de las bacterias, se han podido obtener sustancias químicas de interés para el ser humano, proteínas que se usan como vacunas o drogas para curar determinadas enfermedades.
La ingeniería genética es una rama de la biotecnología que consiste en modificar las características hereditarias de un organismo en un sentido predeterminado mediante la alteración de su material genético. Suele utilizarse para conseguir que determinados microorganismos como bacterias o virus, aumenten la síntesis de compuestos, formen compuestos nuevos, o se adapten a medios diferentes. Además, tiene otras aplicaciones muy importantes para los seres humanos y abre un futuro de inmensas posibilidades aunque no exento de prevenciones. Tres son las grandes áreas de aplicación de la ingeniería genética:
Obtención de productos biológicos: Genes humanos pueden ser introducidos en bacterias para que éstas produzcan enormes cantidades de una determinada sustancia. Por ejemplo, algunas hormonas, como la insulina o la hormona del crecimiento, usadas para el tratamiento de enfermedades.
Mejora animal y vegetal en ganadería y agricultura: Genes manipulados pueden ser introducidos en animales y plantas para así modificar algunos de sus productos, hacerlos resistentes a enfermedades, insecticidas o herbicidas.
Terapia génica: consiste en la aportación de un gen funcionan te a las células que carecen de esta función, con el fin de corregir una alteración genética o enfermedad adquirida. La terapia génica se divide en dos categorías. La primera es la alteración de las células germinales, lo que origina un cambio permanente de todo el organismo y generaciones posteriores. El segundo tipo de terapia génica, terapia somática celular, es análoga a un trasplante de órgano. En este caso, uno o más tejidos específicos son objeto, mediante tratamiento directo o extirpación del tejido, de la adición de un gen o genes terapéuticos en el laboratorio, junto a la reposición de las
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células tratadas en el paciente. Se han iniciado diversos ensayos clínicos de terapia genética somática celular destinados al tratamiento de cánceres o enfermedades sanguíneas, hepáticas, o pulmonares.
La ingeniería genética consiste en la manipulación del ácido desoxirribonucleico, o ADN. En este proceso son muy importantes las llamadas enzimas de restricción producidas por varias especies bacterianas. Las enzimas de restricción son capaces de reconocer una secuencia determinada de la cadena de unidades químicas (bases de nucleótidos) que forman la molécula de ADN, y romperla en dicha localización. Los fragmentos de ADN así obtenidos se pueden unir utilizando otras enzimas llamadas ligasas. Por lo tanto, las enzimas de restricción y las ligasas permiten romper y reunir de nuevo los fragmentos de ADN. También son importantes en la manipulación del ADN los llamados vectores, partes de ADN que se pueden autor replicar (generar copias de ellos mismos) con independencia del ADN de la célula huésped donde crecen. Estos vectores permiten obtener múltiples copias de un fragmento específico de ADN, lo que hace de ellos un recurso útil para producir cantidades suficientes de material con el que trabajar. El proceso de transformación de un fragmento de ADN en un vector se denomina clonación, ya que se producen copias múltiples de un fragmento específico de ADN. Otra forma de obtener muchas copias idénticas de una parte
Determinada de ADN es la reacción en cadena de la polimerasa, de reciente descubrimiento. Este método es rápido y evita la clonación de ADN en un vector.
Conclusiones1) Quistián García Hylary: Las bacterias son microorganismos con una gran capacidad de adaptación a
diferentes condiciones ambientales. Para comprender de dónde proviene esta capacidad es importante conocer sus bases genéticas, con esto nos referimos a que hay que conocer como está organizada la información genética, como realizan y regulan su expresión y que mecanismos de variación génica poseen. La capacidad infecciosa de las bacterias patógenas se basa en que estas bacterias poseen la información génica necesaria para colonizar los tejidos del huésped, invadirlos y producir sustancias tóxicas que causarán la enfermedad.Las bacterias sufren dos tipos de variaciones en sus caracteres, fenotípicos y genotípicos, el estudio de estos dos tipos de variación permite entender mejor las funciones de su material genético y las características que dictan su comportamiento, su capacidad de adaptación, la expresión de mecanismos de virulencia que les permite colonizar, invadir, y dañar células eucariotas, entre muchas otras cosas.
2) Ramírez Arellanos Génesis: La transferencia horizontal de genes es un fenómeno bien establecido. Ha sucedido a lo largo de la evolución hasta nuestros días. Es un fenómeno regulado por los límites naturales que existen entre especies, y por mecanismos que rompen e inactivan el material genético que es extraño para una especie.Desafortunadamente, la ingeniería genética ha creado una gran variedad de construcciones genéticas artificiales, diseñadas para cruzar todas las barreras entre especies e invadir todos los genomas. Aunque las construcciones son básicamente las mismas en todas las aplicaciones de la ingeniería genética, algunas de las construcciones genéticas artificiales son las que vienen de los desechos y residuos de organismos transgénicos en uso contenido, porque pueden incluir construcciones que contienen genes de cáncer, de virus infecciosos y células de laboratorios de investigación donde se trabaja con células cancerosas y con fármacos para su cura, o virus y bacterias patógenas.Todas estas construcciones genéticas artificiales, que nunca han existido en la naturaleza, constituyen una amenaza a toda la biosfera. Estas nunca hubieran existido si no hubiera sido por la ingeniería genética.
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Hay una necesidad urgente de establecer un sistema regulatorio que prevenga el escape de estas construcciones genéticas al medio ambiente, y que se prohíba la creación de aquellas que son las más peligrosas.
3) Ramírez Hernández Jessica: Cualquier organismo está determinado por su material genético y su interacción con el medio ambiente que selecciona, activa, reprime o cambia el material genético. Las bacterias poseen un genotipo que transmiten por herencia y un fenotipo que depende de las circunstancias que les rodean. Las bacterias sufren variaciones en sus caracteres y son de dos tipos; fenotípicas o adaptaciones y genotípicas (mutaciones, fenómenos de transferencia). El estudio de la genética bacteriana permite entender mejor las funciones esenciales de su material genético y las características de su comportamiento, su capacidad de adaptación en el medio ambiente, sus mecanismos de virulencia que les permite colonizar, invadir, y dañar células eucariotas, y como consecuencia, el desarrollo de enfermedades.La genética bacteriana nos ayuda a caracterizar los microorganismos desde el punto de vista clínico, y de esta manera asegurar el uso racional, seguro y eficaz de medicamentos.
4) Ramos Franco Michelle: En Conclusión seria que en esta práctica lo que aprendí o más bien se podría decir lo que entendí fue de cómo se desarrolla y crecen las bacterias y se generan en nuestro cuerpo es decir cómo está organizada la información genética, como realizan y regulan su expresión y que mecanismos de variación génica poseen.Y además sobre la capacidad infecciosa de las bacterias patógenas radica en que poseen la información génica necesaria para colonizar los tejidos del huésped, invadirlos y/o producir sustancias tóxicas que causarán la enfermedad.
5) Ramos Juárez Mario:6) Rangel Osorio Hugo: Como conclusión en la genética existen diversas aplicaciones y como cada ser
vivo las bacterias tienen material genético en el que se hereda información, además pienso que es muy importante conocer la composición de las bacterias ya que pienso que existe una posibilidad de que en un futuro sea utilizado en la elaboración de antibióticos.
7) Rascón Castrejón Lizeth: Cualquier organismo está determinado por su material genético y su interacción con el medio ambiente que selecciona, activa, reprime o cambia el material genético. Las bacterias son microorganismos con una extraordinaria capacidad de adaptación a diferentes condiciones ambientales. Para comprender la esencia de esta capacidad es importante conocer las bases de su genética, es decir cómo está organizada la información genética, como realizan y regulan su expresión, que mecanismos de variación génica poseen. Entre otras, la capacidad infecciosa de las bacterias patógenas, radica en que poseen la información génica necesaria para colonizar los tejidos de un huésped, invadirlos y/o producir sustancias tóxicas que en definitiva causarán la enfermedad. Las bacterias poseen un genotipo que transmiten por herencia y un fenotipo que depende de las circunstancias que les rodean. Las bacterias sufren variaciones en sus caracteres y son de dos tipos; fenotípicas o adaptaciones y genotípicas (mutaciones, fenómenos de transferencia, elementos transponibles, integrones). El estudio de la genética bacteriana, atendiendo a los dos aspectos anteriores, permite entender mejor las funciones esenciales de su material genético y las características que rigen su comportamiento, su capacidad de adaptación al medio ambiente, la expresión de mecanismos de virulencia que les permite colonizar, invadir, y dañar células eucariotas, y como consecuencia, el desarrollo de un gran espectro de enfermedades clínicas.
8) Reyes Marcial Luis Diego: Dentro de la vida existen muchos procesos que la hacen posible, las células son la vida más pequeña y a la vez la más extraordinaria. Y esta pequeñísima porción de vida es lo que hace que algo más grande surja, tal vez un ave, un ser humano, una pequeña mariposa, o una gran ballena gris.
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La genética me parece algo sumamente complicado de entender, pero es algo mágico que conlleva demasiadas cosas y trabalenguas, que deben ser utilizados para describir ciertos procesos, procesos incontables y realmente cautivadores. Estos como los que se describen en esta investigación, son llevados a cabo en segundos y demasiadas veces para ser tal vez contadas.Pero esto es todo lo que el hombre ha encontrado para entender un poco de lo que conlleva la vida y cómo es posible la misma. En fin toda esta investigación trasluce lo que es y cómo se conforma la genética dentro de las células procariotas y como algo tan pequeño realiza demasiadas y variadas tareas para asegurar su supervivencia y la de otros.Es difícil imaginarse algo como esto, pero no algo imposible, y es esto, lo cautivador de la vida misma.
9) Ríos Palacios Selene: La genética es la ciencia que se ocupa de la herencia. Por lo tanto, es el estudio de los mecanismos por los cuales diferentes características se transmiten de padres a descendientes (progenie) gen. Los genes son determinantes genéticos y así controlan la herencia y determinan las propiedades del organismo. Los genes son unidades funcionales de los cromosomas. Síntesis de los componentes de proteínas y enzimas de una célula es regulada por genes. ADN es responsable tanto de la función de genes y la replicación. Por herencia replicación o la estabilidad de un tipo que se mantiene. Un organismo que contiene un gen normal se conoce como "tipo salvaje". Los genes pueden mutar rara vez (el cambio), resultando en variaciones heredables llamados mutaciones. El organismo modificado se llama un mutante. Genotipo. Es el determinante genético de una célula. Fenotipo. Esto es las manifestaciones estructurales y fisiológicas del organismo debido a un genotipo particular. Genoma. Genoma es todo el conjunto de genes y por lo tanto es la totalidad de la información genética en un organismo.Por lo tanto este tipo de ciencia estudia el cien por ciento de la herencia de los organismos vivos y en este caso en un enfoque microbiológico hacia el cual la investigación es extensa y laboriosa.
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