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10.7. La regulacion de la expresion genica

Regulación de la expresión génica

Tiene que haber mecanismos que regulen la expresión génica, ya que si no, las células estarían sintetizando constantemente grandes cantidades de proteínas.

La cantidad de proteínas que se sintetizan dependen de la cantidad de ARNm que haya en el citoplasma. Como el ARNm sólo dura unos minutos, la cantidad de ARNm sintetizado regulará la cantidad de enzima que se sinteticen.

Se podrá regular la expresión génica, regulando la síntesis de ARNm.

  • En procariotas, ésta depende del sustrato disponible.
  • En eucariotas, depende de las hormonas del medio interno.


La regulación en procariotas

Jacob y Monod, descubrieron en 1961, el modelo llamado operón para explicar cómo se regula la síntesis proteica en las bacterias.

Un operón es una unidad genética funcional formada por un grupo o complejo de genes capaces de ejercer una regulación de su propia expresión por medio de los sustratos con los que interactúan las proteínas codificadas por sus genes.

Todos estos genes están situados en el cromosoma bastante cerca para que la regulación de su expresión se produzca de un modo coordinado.

La regulación de los genes puede ser:

  • Inducible. Sólo se trascriben los genes si está presente una molécula llamada inductor. Se da en procesos catabólicos.
  • Represible. Se expresan los genes, pero dejan de hacerlo si está presente una molécula llamada represor. Se da en procesos anabólicos.

Componentes del modelo del operón

Los componentes del modelo del operón son:

  • Genes estructurales. Son los que codifican las proteínas estructurales y las proteínas enzimáticas.
  • Gen regulador. Codifica la proteína reguladora, que controla la actividad de los genes estructurales. Estas proteínas se denominan represores, y controlan la expresión.
  • Gen promotor. Es la zona donde se fija el enzima ARN-polimerasa y comienza el inicio de la transcripción.
  • Gen operador. Es el lugar donde se fija el represor, bloqueándolo e impidiendo la transcripción de los genes estructurales. Así impide el avance de la ARN-polimerasa.
  • Inductor. Sustrato cuya presencia induce a la expresión de los genes.

El operón lactosa

El operon lactosa, conocido con su abreviatura operón lac de la bacteria Escherichia coli es el más conocido. Se trata de un sistema inducible que está bajo control negativa, de tal forma que la proteína reguladora, codificada por el gen regulador, impide que se expresen los genes estructurales si no está presente el inductor, en este caso la lactosa.

La lactosa es un disacárido que degrada la E. coli como fuente de energía y de carbono, descomponiéndola en glucosa y galactosa. El enzima β-galactosidasa se encarga de la degradación. La regulación se realiza de este modo:

  • Si no hay lactosa en el medio de cultivo de E. coli (sin inductor). El gen regulador sintetiza una proteína represora (represor) que se sitúa sobre el operador y lo bloquea. La ARN polimerasa no se puede unir al ADN y los genes estructurales no se transcriben.
  • Si hay lactosa en el medio de cultivo de E. coli (inductor). Se forma la alolactosa, un derivado de la lactosa que actúa como inductor de la transcripción y no bloquea al operador. La alolactosa se une al represor y forma un complejo represor-inductor inactivo que cambia su conformación y no se une al ADN, lo que permite que la ARN polimerasa pueda unirse al promotor y comenzar la transcripción de los genes estructurales y sintetizar las tres enzimas implicadas en el proceso de degradación de la glucosa.

Así, la bacteria solo sintetiza las enzimas que son necesarias para degradar la lactosa cuando son necesarias, evitando fabricarlas cuando no es necesario.

Operon lactosa

Libretexts. (2022). 3.3: Regulación enzimática. Retrieved from https://espanol.libretexts.org/Biologia/Microbiolog%C3%ADa/Libro%3A_Microbiolog%C3%ADa_%28Kaiser%29/Unit_2%3A_Gen%C3%A9tica_Bacteriana_

y_Control_Qu%C3%ADmico_de_Bacterias/3%3A_Gen%C3%A9tica_Bacteriana/3.3%3A_Regulaci%C3%B3n_enzim%C3%A1tica 

Animación: Operon lactosa.


La regulación en eucariotas

El punto principal de regulación de la transcripción es, tanto en procariotas como en eucariotas, es el inicio de la transcripción.

Las principales diferencias en la regulación de la transcripción, respecto a los procariotas son:

  • La activación de la transcripción se produce por la unión del ADN a determinados factores de transcripción.
  • Predomina la regulación positiva, aunque también existen elementos de regulación negativa.
  • La transcripción se produce en el núcleo y la traducción, en el citoplasma.

La expresión génica en células eucariotas está regulada a varios niveles: el grado de condensación de la cromatina, la transcripción y la maduración del ARNm. Además, la eucromatina y la heterocromatina (diferentes estados de condensación del ADN) desempeñan un papel principal en la diferenciación celular.

Grado de condensación de la cromatina:

  • Eucromatina: La cromatina menos compacta, facilita el acceso a los genes.
  • Heterocromatina: La cromatina más densa y compacta, dificulta el acceso y silencia genes.

Práctica: La célula decide qué genes expresar abriendo o cerrando la cromatina según sus necesidades.

Transcripción

  • Factores de transcripción dirigen la actividad de la ARN polimerasa, a enzima encargada de la transcripción del ADN.
  • Regula qué genes se transcriben y en qué cantidad.

Práctica: Imagina la transcripción como copiar información de un libro; algunos capítulos se copian más que otros.

Maduración del ARNm

  • Eliminación de intrones y unión de exones para formar un ARNm funcional.
  • Afecta la estabilidad y eficiencia de la traducción.

Práctica: Similar a editar un video, eliminamos partes innecesarias y juntamos las esenciales para obtener un producto final.

Grado de condensación del ADN en la diferenciación celular

  • Eucromatina y heterocromatina: Determinan la identidad celular.
  • Cada célula sigue su propia "partitura" genética.

Práctica: Si una célula es una orquesta, el grado de condensación del ADN es la partitura única que define su función en la sinfonía del organismo.

Resumiendo, el grado de condensación de la cromatina (eucromatina/heterocromatina) es como el interruptor de encendido y apagado de la expresión génica en una célula. Este interruptor afecta la transcripción y la maduración del ARNm, lo que, a su vez, guía la diferenciación celular, dando lugar a la variedad y especialización de las células en un organismo multicelular.

Relación entre la expresión génica y la especialización celular

Las características de cada tipo de célula dependen directamente de la expresión génica. Los genes, que son segmentos específicos del ADN, contienen las instrucciones necesarias para producir proteínas y realizar funciones celulares particulares.

Expresión génica: ejecución de instrucciones genéticas

Cada célula contiene el mismo ADN, con el mismo conjunto de instrucciones genéticas, pero no todas las instrucciones se llevan a cabo al mismo tiempo. La expresión génica implica activar o desactivar ciertos genes para traducir la información genética en acciones concretas, determinando así la función y las características específicas de cada célula.

Variabilidad en la expresión génica: adaptación celular

La variabilidad en la expresión génica permite que diferentes tipos de células respondan de manera única a su entorno y desempeñen funciones especializadas. Aunque todas las células comparten la misma información genética, la activación selectiva de genes específicos crea diversidad funcional entre tipos celulares.

Repasando la regulación de la expresión génica

Pregunta

Según Jacob y Monod, ¿qué modelo fue propuesto para explicar la regulación de la síntesis proteica en bacterias?

Respuestas

Modelo de inducción.

Modelo del operón.

Modelo estructural.

Modelo represivo.

Retroalimentación

Pregunta

¿Cuál es la función del gen promotor en el modelo del operón?

Respuestas

Codificar proteínas enzimáticas.

Fijar la ARN-polimerasa y comenzar la transcripción.

Bloquear el operador.

Regular la expresión génica.

Retroalimentación

Pregunta

¿Qué sucede en el operón lactosa si no hay lactosa presente en el medio de cultivo?

Respuestas

Se sintetizan las enzimas sin restricciones.

El represor bloquea el operador y los genes no se transcriben.

La alolactosa se une al represor formando un complejo activo.

La ARN polimerasa se une al promotor sin problemas.

Retroalimentación

Pregunta

En la maduración del ARNm, ¿qué se hace para formar un ARNm funcional?

Respuestas

Se une el represor al operador.

Se elimina el gen promotor.

Se agrega ADN adicional.

Se eliminan intrones y se unen exones.

Retroalimentación

Pregunta

¿Por qué es necesario regular la expresión génica en las células?

Respuestas

Mantener la temperatura celular.

Evitar la síntesis constante de grandes cantidades de proteínas.

Aumentar la velocidad de replicación celular.

Mejorar la resistencia a antibióticos.

Retroalimentación

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