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Resumen: regulación génica en bacterias

Resumen de operones, secuencias reguladoras de ADN & genes reguladores. Proteínas represoras & activadoras.

Puntos más importantes:

Los genes bacterianos a menudo se encuentran en operones. Los genes en un operón se transcriben como un grupo y tienen un solo promotor.
Cada operón contiene secuencias de ADN reguladoras, que actúan como sitios de unión para las proteínas reguladoras que promueven o inhiben la transcripción.
Con frecuencia, las proteínas reguladoras se fijan a moléculas pequeñas, que pueden activar o desactivar a la proteína al cambiar su capacidad de unirse al ADN.
Algunos operones son inducibles, lo que significa que pueden activarse por la presencia de una molécula pequeña particular. Otros son reprimibles, es decir que están activos de manera predeterminada, pero se pueden desactivar por medio de una molécula pequeña.

Introducción

Tendemos a pensar que las bacterias son simples. ¡Pero incluso la bacteria más simple tiene una tarea compleja cuando se trata de la regulación génica! Las bacterias en tus intestinos o entre tus dientes tienen genomas que contienen miles de genes diferentes. La mayor parte de estos genes codifican proteínas, cada una con su propio papel en un proceso, tal como el metabolismo de la energía, el mantenimiento de la estructura de la célula y la defensa contra los virus.

Algunas de estas proteínas se necesitan rutinariamente, mientras que otras se necesitan solamente bajo ciertas circunstancias. Así, las células no expresan todos los genes en su genoma todo el tiempo. Puedes pensar en el genoma como un libro de cocina con muchas diferentes recetas. La célula utilizará solamente las recetas (expresará los genes) que se ajusten a sus necesidades actuales.

¿Cómo se regula la expresión de un gen?

Hay varias formas de regulación génica, es decir, mecanismos para controlar cuáles genes se expresan y en qué niveles. Sin embargo, mucha de la regulación génica ocurre a nivel de la transcripción.

Las bacterias tienen moléculas reguladoras específicas que controlan si un gen particular será transcrito en el ARNm. A menudo, estas moléculas actúan al unirse al ADN cerca del gen y ayudan o bloquean la enzima de la transcripción, la ARN polimerasa. Observemos más cuidadosamente cómo se regulan los genes en las bacterias.

En las bacterias, los genes a menudo se encuentran en los operones

En las bacterias, los genes relacionados con frecuencia se encuentran en grupo en el cromosoma, donde se transcriben a partir de un promotor (sitio de fijación de la ARN polimerasa) como una sola unidad. Tal grupo de genes bajo control de un solo promotor se conoce como operón. Los operones son comunes en las bacterias, pero son raros en los eucariontes, como los humanos.

En general, un operón contendrá los genes que funcionan en el mismo proceso. Por ejemplo, un operón bien estudiado llamado operón lac contiene los genes que codifican las proteínas implicadas en el consumo y el metabolismo de un azúcar particular, la lactosa. Los operones permiten que la célula exprese eficientemente los grupos de genes cuyos productos se necesitan al mismo tiempo.

Anatomía de un operón

Los operones no solo están compuestos de las secuencias codificadoras de los genes, también contienen secuencias de ADN reguladoras que controlan la transcripción del operón. Típicamente, estas secuencias son los sitios de unión de las proteínas reguladoras, que controlan cuánto se transcribe el operón. El promotor, o el sitio donde se fija la ARN polimerasa, es un ejemplo de una secuencia de ADN reguladora.

La mayoría de los operones tienen otras secuencias de ADN reguladoras además del promotor. Estas secuencias son sitios de unión de las proteínas reguladoras que "suben" o "bajan" la expresión del operón.

Algunas proteínas reguladoras son represores que se unen a secciones del ADN llamadas operadores. Cuando se une a su operador, un represor reduce la transcripción (por ejemplo, al bloquear la ARN polimerasa para que no pueda avanzar sobre el ADN).

Algunas proteínas reguladoras son activadores. Cuando un activador se une a su sitio de fijación del ADN, aumenta la transcripción del operón (por ejemplo, al ayudar a la ARN polimerasa a pegarse al promotor).

¿De dónde vienen las proteínas reguladoras? Como cualquier otra proteína producida en un organismo, son codificadas por los genes en el genoma de la bacteria. Los genes que codifican las proteínas reguladoras a veces se llaman genes reguladores.

Como regla general, no lo están. Típicamente se codifican en otra parte en el genoma y se expresan bajo el control de su propio promotor y secuencias reguladoras. Una vez que el gen se haya expresado para hacer una proteína, la proteína flota en la célula y puede fijarse al ADN del operón objetivo.

Sin embargo, sin duda es posible que un gen regulador se encuentre en el mismo operón que regula su producto proteico. Cuando el producto de un gen regulador regula la expresión del gen mismo, existe la posibilidad de que se forme un bucle de retroalimentación positiva o negativa.

Por ejemplo, si una proteína activadora aumenta su propia expresión, se forma un bucle de retroalimentación positiva, lo que causa que se produzcan cantidades cada vez más grandes del activador. Para un ejemplo de la vida real en donde ocurre esto, ve el artículo sobre autoinductores en la detección del quorum.

Muchas proteínas reguladoras pueden “encenderse” o “apagarse” con moléculas pequeñas específicas. La molécula pequeña se fija a la proteína, lo que cambia su forma y altera su capacidad de unirse al ADN. Por ejemplo, un activador puede ser activo (capaz de unirse al ADN) solamente cuando esté unido a cierta molécula pequeña.

Los operones pueden ser inducibles o reprimibles

Algunos operones generalmente están “apagados”, pero pueden "encenderse" con una molécula pequeña. La molécula se llama inductor y se dice que el operón es inducible.

Por ejemplo, el operón lac es un operón inducible que codifica las enzimas para el metabolismo de la lactosa. Se activa solamente cuando la lactosa está presente (y otros azúcares preferidos están ausentes). El inductor en este caso es la alolactosa, una forma modificada de la lactosa.

Algunos operones generalmente están “encendidos”, pero pueden "apagarse" con una molécula pequeña. La molécula se llama un correpresor y se dice que el operón es reprimible.

Por ejemplo, el operón trp es un operón reprimible que codifica las enzimas para la síntesis del aminoácido triptófano. Este operón se expresa de manera predeterminada, pero puede reprimirse cuando hay altos niveles del aminoácido triptófano. El correpresor en este caso es el triptófano.

Estos ejemplos ilustran un punto importante: que la regulación génica permite que las bacterias respondan a los cambios en su ambiente alterando la expresión de los genes (y así, cambiar el grupo de proteínas presentes en la célula).

Algunos genes y operones se expresan todo el tiempo

Muchos genes desempeñan papeles especializados y se expresan solamente bajo ciertas condiciones, como se describió anteriormente. Sin embargo, también hay genes cuyos productos necesita la célula constantemente para mantener las funciones esenciales. Estos genes constitutivos se expresan constantemente en condiciones normales de crecimiento (“activo constitutivamente”). Los genes constitutivos tienen promotores y otras secuencias de ADN reguladoras que aseguran la expresión constante.

Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias:

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Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protien) at the right time and place (Regulación génica: cómo hacer solo ARN [y proteína] en el lugar y momento correcto). En BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (pp. 9-13).

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OpenStax College, Biología. (29 de septiembre de 2015). Prokaryotic gene regulation (Regulación génica procarionte). en OpenStax CNX. Consultado en http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.

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sara Ibeth Hernandez
Publicado hace hace 5 años. Enlace directo a la publicación “Los genes constitutivos t...” de sara Ibeth Hernandez
Los genes constitutivos tienen promotores y otras secuencias de ADN reguladoras que aseguran la expresión constante.
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