En nuestro recorrido por la Genética hemos
averiguado que son los genes, cómo se replican y cómo se transmiten. También
hemos visto que la información contenida en los genes se transcribe a ARN
y que el ARN mensajero se traduce a proteínas. De manera que la información
contenida en los genes se convierte en proteínas. Sin embargo, aún no hemos
visto de qué manera la célula regula su funcionamiento, es decir, ¿Cómo decide
la célula que proteínas necesita producir en cada momento y qué cantidad de
proteína es necesario sintetizar?.
En los organismos pluricelulares con
diferentes órganos y tejidos está claro que existe un reparto de las funciones,
de manera que las células de diferentes tejidos llevan a cabo distintas misiones
y para ello necesitan sintetizar diferentes tipos de proteínas. De forma que un
hepatocito (célula del hígado) produce una colección de proteínas diferentes a
las de un reticulocito. Por consiguiente, en los diferentes tejidos de un
individuo pluricelular adulto, se están expresando distintas baterías de genes.
En 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:
-
Replicación
-
Transcripción
-
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.
Es evidente que existen algunos procesos
metabólicos que son necesarios para el funcionamiento normal de casi todas las
células, de manera que existen una serie de necesidades básicas para el
mantenimiento normal de una célula. Por consiguiente, los genes que codifican
para las enzimas necesarias para el metabolismo básico celular se están
expresando continuamente, es decir, se expresan de forma constitutiva o continua.
Por tal motivo, a este tipo de genes se les denomina, "genes que guardan la
casa" o genes constitutivos. Estos genes que se están expresando
continuamente no significa que su actividad no esté regulada, simplemente están
sometidos a un tipo de regulación diferente que hace que se estén expresando
siempre. Los genes constitutivos codifican para sistemas enzimáticos
constitutivos, que se necesitan siempre para la actividad normal de la célula.
Frente a los genes constitutivos, nos
encontramos con los genes que se expresan solamente en determinadas situaciones
y que, por consiguiente, codifican para enzimas que solamente se necesitan en
momentos concretos. A este tipo de genes se les llama genes adaptativos y
a las enzimas codificadas por ellos, sistemas enzimáticos adaptativos. Se
denominan así pensando en que se expresan cuando la célula se adapta a una
determinada situación ambiental. En algunos libros de texto se denomina a este
tipo de genes, genes regulados, sin embargo, esta nomenclatura no es demasiado
buena, ya que parece que los únicos genes cuya expresión está regulada serían
estos.
Sistemas inducibles: cuando
el sustrato sobre el que va actuar la enzima provoca la síntesis del enzima. Al
efecto del sustrato se le denomina inducción positiva. Por
ejemplo, en E. coli en ausencia de galactósido (sustrato) hay de una diez
unidades de galactosidasa (enzima) por miligramo de materia seca, mientras
que en presencia de galactósido se detectan hasta 10.000 unidades de
galactosidasa por miligramo de materia seca. Al compuesto que desencadena la
síntesis del enzima se le denomina Inductor.
Sistemas represibles: cuando
el producto final de la reacción que cataliza el enzima impide la síntesis de la
misma. Este fenómeno recibe el nombre de inducción negativa. Al
compuesto que impide la síntesis del enzima se le denomina correpresor.
Los sistemas inducibles se corresponden a
procesos catabólicos de degradación, por ejemplo, el operón lactosa, el operón
arabinosa, el operón maltosa. Se trata de sistemas enzimáticos encargados de
degradar la lactosa, arabinosa, maltosa, etc.
Los sistemas represibles se corresponden
con procesos síntesis o Anabolismo, por ejemplo el operón triptófano y el operón histina.
Se trata de las rutas metabólicas que conducen a la síntesis de triptófano y
síntesis de histidina.
Control positivo: Se dice
que un sistema está bajo control positivo cuando el producto del gen regulador
activa la expresión de los genes, actúa como un activador.
Control negativo: se dice
que un sistema está bajo control negativo cuando el producto del gen regulador
reprime o impide la expresión de los genes, actúa como un represor.
Jacob, Monod y colaboradores analizaron el
sistema de la lactosa en E. 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 investigaciones.
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| Francois Jacob | Jacques Monod |
Un Operón es grupo de genes
estructurales cuya expresión está regulada por los mismos elementos de control
(promotor y operador) y genes reguladores.
Los principales elementos que constituyen
un operón son los siguientes:
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Los genes estructurales: llevan información para polipéptidos. Se trata de los genes cuya expresión está regulada. Los operones bacterianos suelen contener varios genes estructurales, son poligénicos o policistrónicos. Hay algunos operones bacterianos que tienen un solo gene estructural. Los operones eucarióticos suelen contener un sólo gen estructural siendo monocistrónicos.
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El promotor (P): se trata de un elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. Se encuentra inmediatamente antes de los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra P.
-
El operador (O): se trata de otro elemento de control que es una región del ADN con una secuencia que es reconocida por la proteína reguladora. El operador se sitúa entre la región promotora y los genes estructurales. Abreviadamente se le designa por la letra O.
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El gen regulador (i): secuencia de ADN que codifica para la proteína reguladora que reconoce la secuencia de la región del operador. El gen regulador está cerca de los genes estructurales del operón pero no está inmediatamente al lado. Abreviadamente se le denomina gen i.
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Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Está proteína se une a la región del operador.
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Inductor: sustrato o compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes.
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Elementos del operón lactosa
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Elementos que intervienen en la
regulación de la expresión génica en bacterias. Elementos del Operón.
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Elementos de control | Promotor |
| Operador | ||
| Moléculas difusibles | Proteínas reguladoras | |
| Efectores | ||
| Inductores | ||
| Genes Estructurales | Codifican para polipéptidos | |
| Gen regulador | Codifica para proteína reguladora |
http://pendientedemigracion.ucm.es/info/genetica/grupod/Operon/Operon.htm#Regulaci%C3%B3n%20en%20bacterias
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