Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-68

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E x p r e s ió n >• r c g u l j t i ú n d e l o s g t n c » 2 3 1
E s tu d io d e ca so c o n t i n u a c i ó n
Fibrosis quistica
¿Po r q ué la selección natural no ha elim inado los ale los 
m utados CFTR? Quizá porque los a le los m utados confieren 
protección contra e l có le ra y la tifoidea. La proteina CFTR 
normal es activada por la tox ina d e l có le ra y produce una 
secreción excesiva de clo ro por las paredes celulares. El agua 
la sigue por ósm osis, de m odo que las v ictim as del cólera 
sufren una diarrea deb ilitan te y m uchas veces leta l. Las 
proteínas CFTR defectuosas no pueden ser ac tivadas por la 
toxina del cólera, l a proteina C FT R e s tam bién el sitio por el 
que la bacteria de la tifoidea penetra en la célu la, pero no 
puede entrar por las proteínas C FT R m utadas. Esta protección 
no com pensa los devastadores efectos d e la fibrosis quistica, 
pero los heterocigotos, con un a le lo CFTR norm al y uno 
mutado. tienen una C FT R d e función casi norm al y saldrían 
menos afectados por el có le ra y la tifoidea. Esta "venta ja de los 
heterocigotos" explicarla la e levada frecuencia d e ale los CFTR 
mutados (a lrededor de 4 * d e las personas de origen europeo 
tienen a le los m utados CFTR), co m o pasa con el a le lo de la 
anem ia de cé lu las falc iform es (véase la página 1 90).
p rocariontes y eucariontes p o r igual, tam b ién h a y a lgunas d ife ­
rencias, co m o verem os enseguida.
Regulación de los genes en los procariontes
El A D N procarionte se organiza e n paquetes llam ados o p e ro n e s , 
e n los q ue los genes d e fu n d on es re ladonadas se depositan unos 
ju n to a otros (F IG U R A 12-9*). U n operón está co n stin iid o por: ( I ) 
un g en re g u la d o r , que controla e l m om ento o la ve lo d d ad de la 
U an sc iip d ó n d e otros genes; ( 2 ) u n p rom otor, q ue la A R N polim e­
rasa reconoce co m o e l lugar donde se em pieza la transenprión ; (3 )
gen regulador:
co d ifica la p ro te ína o p erad o r aqu i se une 
represora b p roteína represora
/
prom oto r la ARN 
polim erasa se 
onb ua aqu i
b ) E s tru c tira del o p erón la c to sa
genes estructurales
A D N so n la fílente defin itiva d e toda la va r iad ó n genética. Nuevas 
sem endas de bases pasan por selección natural ru a n d o los orga­
n ism os com p iten p o r sobrevivir y reproduarec. O casionalm ente, 
u n a m u ta d ó n resu lta benéfica para las re lad o n es d e l organism o 
con su entorno . A l paso del tiem po, y co n la reproducción, la se- 
cu end a de bases m utante se transm ite a toda la pob ladó n , pues 
los organism os q ue la tienen superan y se reproducen m ás q ue los 
rivales que lle va n la secuenda d e base orig ina l. En la un idad 3 se 
será deta lladam ente este proceso.
■ -X - » Tanscnpctón bloqueada
f>) Sk i la c to sa
u ta proteina ropresora 
m id a al sitio del operador 
solapa al promotor
p roteínas represora
12.5 ¿C Ó M O S E R E G U L A N LO S G E N E S ?
E l geno m a h u m an o co m p le to co n tien e d e 20 m il a 25 m il ge­
nes. C ad a gen está presente e n casi todas las célu las del cuerpo, 
p e ro cada cé lu la expresa (es d ed r, transcribe y, s i e l p rod ucto del 
gen es un a proteina, trad uce ) apenas un a fraedón. A lgunos ge­
nes se expresan e n todas las cé lu las p o rq u e co d ifican proteínas 
o m o lécu las de A R N q ue so n ese n d a le s para la v id a d e cu a lqu ier 
cé lu la . Po r e jem p lo , todas las células t ien e n q ue s in te tiza r p ro­
te ínas, a s í q ue todos éstos transcriben genes d e A R N t, genes de 
A R N r y genes d e p rote ínas ribosóm icas. O tros genes se expresan 
ún icam en te e n d e n o s tipos d e célu las, e n determ inados m o m en ­
tos d e la v id a d e u n o rg an ism o o e n co n d id o n es am b ien ta les es­
pecíficas. P o r e jem p lo , aunq ue todas las cé lu las co n tien en e l gen 
d e la caseína, un a p rote ina im po rtan te d e la leche, éste n a d a m is 
se expresa e n m ujeres m aduras, e n n e n a s cé lu las de las m am as y 
só lo cu an d o laclan.
La regulación d e la expresión d e u n gen ocurre en e l n ivel 
d e la tran scr ip d ó n (q u é genes se usan para hacer A R N m e n una 
cé lu la ), la trad u ed ó n (m a n ta p rote ína se hace a p a n ir d e un tipo 
p an icu la r d e A R N m ) o la activ idad p rote ín ica (cu án to d ura la 
p rote ina e n la cé lu la y con qué rap idez cataliza reacdones esped- 
ficas). A u n q u e estos p rin c ip io s generales se ap lican a organism os
La A R N polim orasa so uno 
d prom otor y transcribe 
b s g enes estructu ra les
la lacto sa s e un e a 
proteínas represoras 
(c ) C on tactosa
se sintetizan enzim as que 
m otaboltzan la lactosa
A F IG U R A 12-9 R e g u la a ó n d e l o p e ró n la c to s a (a ) El operón 
lactosa consta de un gen regulador, un promotor, un operador y 
tres genes estructurales q ue codifican la s enzimas necesarias 
para el m etabolismo de la lactosa, (b ) En ausencia de la lactosa, 
las proteínas represoras se unen al operador del operón lactosa, la 
ARN polimerasa puede enlazarse al promotor, pero no pasa de 
la proteina represora para transcribir tos genes estructurales.
(c )C u an d o hay lactosa, se une a las proteínas represoras y las 
Inactiva para unirse al operador. La ARN polimerasa se une al 
promotor, pasa e l operador desocupado y transcribe los genes 
estructurales.
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u n o p e r a d o r , q ue regula e l acceso de la A R N polim erasa al p ro­
m otor, o (4 ) los g e n e s e s tru c tu ra le s , que cod ifican enz im as rela­
c ionadas u otras proteínas. Ix » operones com pletos son regulados 
co m o unidades, a s í q ue se s intetizan s im ultáneam ente proteínas 
d e fu nd ón re lacionada cuando es necesario.
Los operones p rocariontes s o n regulados de diversas m a­
neras, d ep end iendo d e las fu n d o n e s q ue con tro len . A lgunos 
operones cod ifican enz im as q ue necesita la cé lu la casi to d o el 
tiem p o , co m o las en z im as q ue s in te tizan m u chos am inoác idos, 
la tos operones se transcriben d e co n tin uo , s a lvo q ue la bacteria 
encuentre un excedente d e cierto am in o á d d o . O tro s operones co ­
d ifican enz im as que se necesitan d e vez e n cu an d o , p o r e jem p lo , 
para d ig e rir un a lim en to inusitado . Se transcriben ún icam ente 
cu an d o la bacteria encuentra este a lim en to inusitado .
T o m e m o s co m o e je m p lo la bacteria in te s t in a l c o m ú n Es- 
ch erith ia co li (E . co/i). Bata b acte ria d eb e v iv ir d e to d o t ip o d e 
nu trim en to s q ue ing ie ra su huésped y p uede s in te tiza r m uchas 
enz im as para m etab o liza r d iversos a lim en to s . Los genes q u e co ­
d ifican estas enz im as se transcriben ú n icam e n te a ta n d o se ne­
cesita. l l n e jem p lo o p o rtu n o so n las enz im as q u e m etab o lizan 
la lactosa, el p r in d p a l azúcar d e la le ch e . E l o p e ró n la c to s a 
co n tien e tres genes estructura les q u e cod ifican , cada un o , un a 
enz im a q ue co n tr ib u ye al m e tab o lism o d e la lacto sa (véase la 
figura 12-9a).
E l operón lactosa se apaga o se reprim e s i n o lo activa es­
p ecíficam en te la p resencia d e la lactosa. E l gen reg u lad or d e l ope ­
ró n lan o sa d irig e la s ín tesis d e u n a proteína, llam ada p ro te in a 
re p re s o ra , que se en laza a l s it io d e l operado r. La A R N p o lim era ­
sa, aunq ue todav ía puede un irse a l p rom otor, n o puede rebasar 
la p rote ína represora para tran scrib ir los genes estructurales. Po r 
consigu iente, n o se s in te tizan las enzim as q u e m etabo lizan la lac­
tosa (R G U R A 12-9b).
C u a n d o la E co li co lo n iza los in testinos d e u n m am ífero 
recién n ac id o , se encuentra bañada e n u n m a r d e lactosa cada vez 
q ue la m ad re a lim enta a l huésped. Las m o lécu las d e la lactosa 
entran e n las b aae ria s y se en lazan a p rote ínas receptoras, con lo 
q ue ca m b ian s u fo rm a (R G U R A 12-9c). E l co m p le jo represor d e la 
lan o sa n o se un e al s it io del operador; p o r tan to , cu an d o la A R N 
p o lim erasa se en laza c o n e l p ro m o to r d e l operón lan o sa , puede 
transcrib ir los genes estructurales de las en z im as q ue m etabo lizan 
la lanosa , para que las b aa e r ia s puedan aprovecharla co m o fuen­
te d e energ ía. C u a n d o se desteta al joven m am ífe ro , y a n o vuelve 
a to m ar leche. Las b aae ria s in testinales ya 1 10 encuentran lanosa , 
las p rote ínas represoras quedan lib res p a ra un irse al o perad o r y 
los genes del m e tab o lism o d e la lan o sa se apagan.
Regulación de b s genes en los eucariontes
La regulación de los g H ie t eucariontes se parece e n algunos senti­
dos a la regulación de los genes procariontes. En los dos, n o todos 
los genes se transcriben y traducen to d o e l tiem p o . Adem ás, un im ­
portante m ecanism o de la regulación d e los dos genes es e l control 
de la ve loc idad d e la transcripción. S in em bargo, e l con finam ien to 
d e l A D N e n un núcleo en vu e lto por m em brana, la variedad d e las 
célu las de los eucariontes multicelulares, un a o rganización m u y 
diferente del genom a y e l co m p le jo procesam iento d e las trans­
cripciones del A D N d istinguen la regu lac ión de los genes e n los 
eucariontes d e los procariontes.
La expresión d e la in fo rm ac ió n g ené tica d e un a cé lu la eu­
ca rion te es u n p roceso de va rio s pasos q ue co m ienza co n la trans­
cr ip c ió n d e l A D N y no rm a lm en te te rm in a co n un a proteína que 
rea liza un a fu n c ió n particu lar. La regulación d e la expresión de 
los genes puede o cu rrir e n cualqu iera de los pasos, co m o se ilu s ­
tra e n la F IG U R A 12-10.
O Lab c é lu la s pueden c o n tro la r la frecuenc ia a la cu a l se 
tran scr ib e u n g e n . La ve lo c id ad a la q u e los genes trans­
criben genes espec íficos depende d e la d em and a d e la p ro ­
te ín a o el p ro d u n o A R N q ue co d if ican . La tran scr ip d ó n 
del gen varía en tre los o rgan ism os, en tre las cé lu las d e un 
o rgan ism o y e n u n a cé lu la d ad a e n d ife ren tes fases d e la 
v id a d e l o rg an ism o o cu an d o es es tim u lad a p o r 
d istin tas co n d ir io n e s am b ien ta le s (ufase la s ig u ie n te sec- 
d ó n ) .
© E l m ism o gen s ir v e p a ra p ro d u c ir d ife re n te s A R N m y 
p ro d u c to s p ro te ín ico s . C o m o v im o s e n la se cd ó n 12.3, 
con e l m ism o gen se pueden e lab o ra r d iversos p ro d u n o s 
p ro te ín icos, d ep e n d ie n d o d e có m o se d iv id a el p reA R N tn 
para fo rm a r e l A R N m m aduro q ue se Ira d u d ra e n los 
ribosom as.
© I.a s c é lu la s p u e d e n c o n t ro la r la e s ta b il id a d y la
t ra d u c c ió n d e l A R N m e n s a je ro . A lgunos A R N m so n m u y 
duraderos y se trad ucen e n p ro te ín a s m uchas veces; o tros 
se traducen p o c o y luego se degradan . R e rien tem en te , los 
b ió log o s m o lecu lares d esn ib r ie ro n q u e pequeñas m o lé c u ­
las d e 'A R N re g u la d o r ' pueden o b sta cu liza r la trad u ed ó n 
de a lg u n o s A R N m o in c lu so m arcar d e n o s A R N m para 
q u e se a n destru idos (vA tsee l a p añ ad o 'In ves tig a c ió n 
c ien tífica : A R N , y a n o es u n s im p le m e n sa je ro ', e n la 
p ág in a 234 ).
© L a s p ro te ínas pueden neces ita r u n a m o d if ic a c ió n para 
q u e d esem p e ñ e n sus fu n d o n e s . M uchas proteínas deben 
ser m od ificadas para que se a n iv en . P o r e jem p lo , las 
enz im as q u e d ig ieren p rote ínas p ro d u d d as p o r las paredes 
estom acales y el páncreas se s in te tizan o rig ina lm en te en 
fo rm a in a n iva , lo cu a l im p id e q ue esas enz im as d ig ieran a 
las cé lu las q ue las p roducen. C u a n d o estas form as in a n iva s 
pasan a l s is tem a digestivo, se extraen panes d e las enz im as 
y queda reve lado su s it io a n iv o , para q u e puedan d igerir 
las p rote ínas d e los a lim entos (su sustrato ) e n proteínas 
m ás pequeñas o in d u so e n am in o ác id o s in d iv id u a le s (los 
p ro d u n o s resu ltantes). O tras m o d ificad o nes , co m o agregar 
o su p rim ir grupos fosfato , pueden activar o d esan iva r 
tem po ra lm en te un a proteína, lo q ue con fie re u n con tro l 
segundo a segundo de la activ idad p roteín ica . En las célu las 
p rocariontes se encuen tra un a reg u laaó n p a re a d a d e la 
es trun u ra y la fu n d ó n d e las proteínas.
© L a s c é lu la s p u e d e n c o n t ro la r la v e fo d d a d a l a q u e se 
d eg ra d an la s p ro te ín a s . A l p reven ir o p ro m o ve r la degra­
d a d ó n de u n a p ro te ína , u n a cé lu la p uede a justa r ráp id a ­
m en te la can tid ad d e la p rote ína q u e co n tien e . La d eg ra ­
d a d ó n de las p ro te ínas tam b ién es regulada e n la s cé lu las 
p rocariontes.
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E x p r e s ió n y r e g u la c ió n de l o s g e n e s 2 3 3
preARNm
y \ / \ y \ / \ / \
Pueden producirse 
diferentes ARNm a 
partir d e un ún ico gen
(núcleo)
Si la p roteína activa 
es un a enzima.
reacción química 
en la célu la
proteína
nactiva
O M odificación
r^ortkHariÁn — ””
Las cóiulas pueden
degradar ta actividad de 
i*»a proteína para regularla
< F IG U R A 12-10 E s q u e m a d e l f lu jo d e in fo rm a c ió n e n 
u n a cé lu la e u ca r io n te
L a s c é lu la s e u c a r io n te s r e g u la n l a t r a n s c r ip c ió n 
d e g e n e s in d iv id u a le s , r e g io n e s d e c r o m o s o m a s 
o c r o m o s o m a s c o m p le to s
Hn las células eucariontes, la regulación de la transcripción opera 
en p o r lo m enos tres niveles: e l gen ind iv idua l, regiones d e crom o ­
somas o crom osom as enteros.
L a s p ro te ín a s re g u la d o ra s q u e se e n la z a n a l p ro m o to r 
d e u n g e n a lte ra n la v e lo c id a d d e la tra n s c rip c ió n 
Las regiones d e p rom otores d e prácticam ente todos los genes 
con tienen va rio s sitios d e en lace con los factores de transcripción 
o e lem en tos d e respuesta. Po r tan to , que estos genes se transcri­
b an depende de q u é factores d e transcripción s in te tiza la cé lu la 
y s i estos factores están activos. P o r e jem p lo , cuando las células 
q uedan expuestas a rad ica les lib res (véanse las páginas 24-25), 
u n factor d e transcripción se un e a e lem entos d e respuesta an-
¿Te has preguntado
por qué los moretones cam bian d e color?
Los moretones pasan de morado a verde y luego a amarillo.
Esta secuencia es la prueba visual del control de la expresión 
de los genes. Si te golpeas la espinilla contra una silla, los vasos 
sanguíneos se rompen y dejan escapar glóbulos rojos, que 
estallan y riegan la hemoglobina. Esta hemoglobina y su grupo 
hemo que contiene hierro son de color morado azuloso oscuro 
en el estado desoxigenado; por eso los moretones nuevos son 
morados. El homo e s tóxico para el hígado, los riñones, el cerebro 
y los vasos sanguíneos. Sin embargo, estimula la transcripción del 
gen para la síntesis de la enzima oxlgenasa hemo. Ésta convierte 
el hemo en blltverdlna, que es verde-Una segunda enzima, que 
todo el tiempo está presente porque su gen se expresa siempre, 
convierte la blliverdlna en blllrrublna, que es amarilla. Luego, 
b blllrrublna pasa al hígado, d e donde es excretada por la bilis. 
Puedes seguir e l curso de la desintoxlcactón del hemo observando 
cómo cambia de color un moretón.
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2 3 4 Herencia
Investigación científica
ARN, ya no es un simple mensajero
En los ú ltim os artos, los biólogos moleculares han descubierto 
una clase completamente nueva d e moléculas de ARN, llamadas 
‘ARN regulador'. Varios tipos de ARN regulador tienen diferentes 
funciones. Nos enfocaremos e n una sola función, el ARN 
Interferente. Este ARN fue descubierto accidentalmente en las 
petunias. AJ tratar de cultivar petunias con colores de flores más 
vibrantes, los investigadores insertaron e n las petunias genes 
adicionales para la producción del pigmento d e las flores. Para 
su sorpresa, muchas petunias produjeron flores variopintas 
(F IG U R A E l 2-2). ¿Por qué?
G jm o sabes, el ARN mensajero es transcrito d e l ADN 
y traducido en proteínas, que a continuación cumplen las 
funciones d e la célula, como la d e catalizar reacciones 
btoqulmlcas. Cuánta proteina se sintetice depende de la cantidad
A F IG U R A E12-2 A R N in te rfe re n te en p e tu n ia s Los parches 
blancos d e esta flor de petunia constan de células en las cuales el 
ARN Interferente bloquea la síntesis d e las enzimas que producen 
el pigmento motado (las petunias manchadas que se venden en el 
Invernadero local están hechas con un proceso diferente).
de ARNm que se hace, la rapidez y el tiempo en q ue se traduzca 
el ARNm . Organismos ta n diversos como las plantas, lombrices 
y seres hum anos transcriben pequertas hebras d e ARN, llamado 
a r n mterferentes pequertos, a partir d e cientos de genes d e a r n 
mterferentes pequertos. Los ARN m terferentes pequertos no se 
traducen en proteínas, sino que, después d e que los procesan las 
enzimas de la célula, dan lugar a hebras de ARN m uy cortas, 
de unos 20 a 25 nucleótidos, que son partes complementarlas de 
ARNm especifico y que Interfieren con la traducción d e l ARNm 
(de lo cual proviene su nombre d e ARN Interferente). En algunos 
casos, estas pequertas hebras d e ARN se emparejan por bases 
con el ARNm complementarlo y forman una sección breve de 
ARN de d o s hebras que no e s posible traducir. En otros casos, las 
hebras cortas de ARN se combinan con enzim as que degradan en 
ARN complementarlo, lo que también evita la traducción. Es lo 
q jc ocurre con las célu las que forman los parches blancos e n las 
llores de las petunias.
¿fcjr qué una célula Interfiere con la traducción de su propio 
ARNm? Resulta que el ARN interferente es Importante en el 
desarrollo de muchos, pero no de todos, los organismos eucariontes. 
fb r ejemplo, en el gusano Coenorhabditls elegans, el ARN 
mterferente es crucial para que un gusano Joven madure como 
adulto (Andrew Flrc y Craig M ello compartieron el prem io Nobel 
de Fisiología o Medicina de 2005 por descubrir cómo opera el 
a r n interferente e n los gusanos), investigaciones recientes con 
mamíferos indican que los ARN mterferentes pequertos Influyen 
en el desarrollo del corazón y del cerebro, la secreción de 
1 -isuHna en el páncreas y aun e n el aprendizaje y la 
memoria.
Algunos organismos usan ARN mterferentes pequertos para 
defenderse de la s enfermedades. Muchas plantas producen ARN 
mterferentes pequertos que es complementarlo de los ácidos 
nucleicos (normalmente ARN) de v irus de la s plantas. Cuando el 
ARN Interferente pequefto encuentra moléculas de ARN virales 
complementarlas. Indica a las enzim as que corten el ARN viral, lo 
q je Impide que el v irus se replique.
El ARN Interferente también ofrece una gran promesa en 
b medicina. Se realizan estudios clínicos en q ue se prueba la 
seguridad y eficacia d e l ARN Interferente en enfermedades tan 
d versas como la degeneración macular (de la retina), hepatitis B 
y un virus respiratorio que e s la causa m ás común d e neumonía 
en los lactantes, l a investigación básica e n animales indica que 
el ARN Interferente también puede servir para tratar el cáncer de 
próstata y defectos d e l metabolismo del colesterol.
tiox idan te e n los prom otores d e varios genes. C o m o resu ltado, 
la cé lu la p roduce enz im as q ue degradan los rad icales lib res en 
com puestos inocuos.
M u ch o s factores d e transcripción d eb e n activarse para 
ejercer u n a in flu e n c ia e n la transcrip c ión d e genes. U n o d e los 
e jem p lo s m ás co n o c id o s es la fu n c ió n q u e cu m p le la h o rm o n a 
sexual estrógeno e n el co n tro l d e la p ro d u cc ió n d e ó v u lo s entre 
las aves. E l gen d e la a lb ú m in a , la p r in c ip a l p ro te ín a d e la c la ­
ra d e l huevo , n o se transcribe e n in v ie rn o , cu a n d o la s aves n o 
c r ían y la s concen trac iones d e estrógeno so n bajas. En la tem ­
p o ra d a d e cr ía , lo s o va r io s d e las hem b ras p ro d u ce n estrógeno, 
q ue pen e tra la s cé lu las del o v id u c to y se en laz a c o n u n factor 
d e tran scrip c ió n (l la m a d o receptor d e estrógeno). E l co m p le jo de 
estrógeno y receptor se u n e a u n e lem en to d e respuesta al es­
trógeno e n e l p ro m o to r del gen d e la a lb ú m in a , l o q u e fac ilita 
q ue la A R N p o lim e rasa se u n a al p ro m o to r e in ic ie la transcrip ­
c ió n d e l A R N m . A co n tin u ac ió n , e l A R N m se traduce e n grandes 
can tidades d e a lb ú m in a . O cu rre u n a a c tiv a c ió n p arec ida d e la 
tran scrip c ió n d e genes hech a p o r h o rm o n as estero ides e n o tros 
an im a les, in d u s o lo s seres h u m an o s . La ¡m p o n a n d a d e la re-
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