Control de la expresión génica

Existen mecanismos de control que permiten regular la expresión de los genes.

Por medio de estos mecanismos se sintetizan unas proteínas cuando la célula las necesita y se dejan de sintetizar cuando no son necesarias.

François Jacob y Jacques Monod: describieron un mecanismo de control en los procariotas: el operón.

Un operón es un conjunto de genes estructurales que se expresan de manera coordinada; suelen corresponder a genes que codifican para distintas enzimas de una misma vía metabólica.

Las secuencias de ADN que encontramos en el operón y asociadas a él son:

Un gen regulador, que determina la síntesis de la proteína represora.
Una secuencia promotora, o promotor, como las que ya hemos descrito al hablar de la transcripción, que se sitúa unos pocos nucleótidos antes del punto de inicio de la síntesis de ARNm.
Un operador, una secuencia que puede ser bloqueada por una proteína represora.
Los genes estructurales, que codifican la síntesis de las proteínas que actúan coordinadamente.

El primer operón que se estudió exhaustivamente fue el operón lac de Escherichia coli, el cual, regula la síntesis de las enzimas que controlan la degradación de la lactosa.

La célula controla la expresión de los genes del operón:

En ausencia de lactosa:

— El gen regulador se transcribe y se sintetiza la proteína represora.

— La proteína represora se une al operador. Como este se encuentra junto al promotor, la ARN pol no puede acceder al promotor y la transcripción de los genes estructurales queda bloqueada.

En presencia de lactosa:

— La lactosa se une a la proteína represora, lo que provoca un cambio en su conformación que le impide unirse al gen operador.

— El gen operador no está bloqueado y se inicia la síntesis de ARNm a partir de los genes estructurales.

TERMINACIÓN DE SÍNTESIS

Todos los organismos pluricelulares se originan a partir de una sola célula (cigoto).

Durante el desarrollo embrionario, este zigoto dará lugar a una gran variedad de células especializadas, que formarán los diferentes tejidos, por un proceso que conocemos como diferenciación celular.

En unas células se transcriben unos genes mientras que otros son reprimidos, y en otras células, los genes que se expresan y los que se reprimen son diferentes.

Las células con la capacidad de diferenciarse en los diversos tipos de células que forman un organismo las denominamos células madre. En los animales más evolucionados, las células madre se clasifican en dos grupos:

Las células madre embrionarias: Son aquellas con la capacidad de generar todos los tipos celulares del organismo; las llamamos también totipotenciales y las encontramos en las primeras fases del embrión.
Las células madre adultas: Son aquellas capaces de generar algunos tipos determinados de células del organismo y reciben el nombre de pluripotenciales. Se encuentran en tejidos del organismo ya formados y su función consiste en regenerar tejidos en continuo desgaste, como la piel o la sangre.

APLICACIÓN DE LAS CÉLULAS MADRE EN BIOMEDICINA

- Parece factible que a partir de estas puedan llegarse a tratar muchas enfermedades graves e incurables en la actualidad, como la enfermedad de Alzheimer, el Parkinson o la diabetes.

- Investigaciones recientes han descubierto que algunas células madre adultas convenientemente estimuladas pueden volverse totipotentes.

- Las células madre usadas en las investigaciones actuales se extraen de embriones humanos excedentes de los tratamientos de reproducción asistida o bien, se producen directamente por medio de técnicas de fecundación in vitro.

MUTACIONES

Son cambios en la estructura o la composición química del ADN.

Se producen de manera espontánea en todos los genomas y por la acción de diversas sustancias o fenómenos que interaccionan con el ADN.

También pueden producirse por errores durante los procesos de replicación.

TIPOS DE MUTACIONES

Puntuales o génicas: Afectan a un solo par de bases, y pueden ser:

—Las deleciones y las inserciones modifican la pauta de lectura, es decir, provocan una alteración de todos los tripletes, desde el punto donde se produce la mutación en adelante. Suelen tener consecuencias muy negativas para la actividad del organismo.

—Las sustituciones alteran un único aminoácido. Esta alteración puede mejorar o bien perjudicar la supervivencia, según las características de la proteína obtenida. También puede ser que no tengan ningún efecto, si el cambio origina un triplete que codifica el mismo aminoácido que el ADN anterior a la mutación. En este caso, reciben el nombre de mutaciones silenciosas.

Cromosómicas: Afectan a fragmentos de un cromosoma y pueden ser:

— Deleciones, si se pierde un trozo de cromosoma.

— Duplicaciones, cuando se repite un fragmento de cromosoma.

— Translocaciones, si un fragmento de cromosoma se desprende de su posición normal y se une a otro cromosoma.

NOTA: Las deleciones son las mutaciones con consecuencias negativas, ya que pueden implicar la pérdida de genes imprescindibles para la actividad del organismo.

Genómicas: Afectan al número de cromosomas, y pueden ser:

— Aneuploidías: Alteraciones en el número de cromosomas, normalmente por exceso o defecto de un cromosoma entero. Acostumbra a originar un conjunto de trastornos, o síndrome, que alteran el funcionamiento del organismo, y que incluso pueden impedir la supervivencia.

— Poliploidías: Alteraciones en las que se encuentra duplicada toda la dotación cromosómica, en múltiplos de n: 3n, 4n...

SIGNIFICADO DE LAS MUTACIONES

- Pueden producirse de forma espontánea o inducida.

- Pueden ser perjudiciales, neutras o beneficiosas.

- Es el principal mecanismo responsable de la variabilidad al aumentar el número de alelos de cada gen y, por tanto, uno de los principales motores de la evolución de las especies.

- Por el tipo de célula:

Las mutaciones somáticas

Se transmiten a la descendencia y, por lo tanto, no se conservan en las poblaciones. Además, si esta mutación da lugar a un nuevo alelo recesivo, no llega ni a manifestarse en el individuo que la ha padecido.

Las mutaciones gaméticas

Son mucho más trascendentes, ya que se transmiten a la descendencia. La selección natural se encargará, en su caso, de conservar o eliminar esta nueva característica.

AGENTES MUTÁGENOS

Son aquellos que pueden provocar mutaciones en el ADN.

Se los agrupar en tres tipos:

Los mutágenos físicos: son las radiaciones de alta energía como las radiaciones ultravioletas (UV) y los rayos X.
Los mutágenos químicos: son una serie de sustancias más amplia que el caso anterior e incluye algunas como el ácido nitroso o los colorantes de acridina.
Los mutágenos biológicos: conocidos en la actualidad son algunos virus, como el responsable del papiloma de cuello de útero humano (VPH) o el de la hepatitis B.

CROMOSOMAS

Al microscopio óptico, los cromosomas son distinguidos como unos elementos alargados en forma de bastoncillos, en los que podemos diferenciar:

Centrómero: es una constricción que puede ocupar diversas posiciones a lo largo del cromosoma.
Brazos: denominados como prolongaciones, que parten del centrómero.

Los cromosomas son el resultado de la compactación creciente de la cromatina, formada por ADN y varios tipos de proteínas entre ellas:

Proteínas histonas intervienen directamente en la estructura de los cromosomas, compactándolos. Hay cinco tipos de histonas, llamadas: H1, H2A, H2B, H3 y H4.
Proteínas no histonas: participan en la constitución de la estructura cromosómica; otras son enzimas que intervienen en el control de las funciones del ADN.

Los cromosomas se constituyen a partir de sucesivos enrollamientos de la doble hélice de ADN mediante la participación de las proteínas de la cromatina.

Durante la división celular, la molécula de ADN se mantiene enrollada alrededor de las histonas como si estuviese empaquetada para facilitar el reparto de los cromosomas a las células hijas.

En la interfase, se producen otras funciones celulares, el ADN relaja su enrollamiento alrededor de las histonas y los cromosomas se desempaquetan. En la interfase, se producen otras funciones celulares en las que interviene el ADN. Para ello, el ADN relaja su enrollamiento alrededor de las histonas y los cromosomas se desempaquetan. Dando paso a tres niveles diferentes de empaquetamiento del ADN:

Nucleosoma: Dos histonas de cada uno de los tipos H2A, H2B, H3 y H4 forman una estructura cilíndrica, alrededor de la cual se enrolla una vuelta y tres cuartos de ADN, lo que corresponde a una longitud de 145 pares de bases.
Solenoide: La histona H1 se sitúa entre los nucleosomas y favorece la aproximación, de manera que acorta aún más la longitud de la cadena de ADN.
Los empaquetamientos y los superenrollamientos posteriores dan lugar a la estructura del cromosoma condensado, en el que puede apreciarse un acortamiento aparente de la longitud de la cadena de ADN inicial de hasta 5 000 veces.