Los genes codifican proteínas y las proteínas dictan la función celular.
Por lo tanto, los miles de genes expresados en una célula particular determinan qué puede hacer esa célula.
Además, cada paso en el flujo de información desde el ADN al ARN a la proteína proporciona a la célula un punto de control potencial para autorregular sus funciones mediante el ajuste de la cantidad y el tipo de proteínas que fabrica.
En un momento dado, la cantidad de una proteína particular en una célula refleja el equilibrio entre las vías bioquímicas sintéticas y degradables de esa proteína. En el lado sintético de este equilibrio, recuerde que la producción de proteína comienza en la transcripción (ADN a ARN) y continúa con la traducción (ARN a proteína).
Asi, el control de estos procesos juega un papel crítico en la determinación de qué proteínas están presentes en una célula y en qué cantidades.
Además, la forma en que una célula procesa sus transcripciones de ARN y las proteínas recién creadas también influye mucho en los niveles de proteína.
¿Cómo se regula la expresión génica?
Concepto: las cantidades y tipos de moléculas de ARNm en una célula reflejan la función de esa célula. De hecho, miles de transcripciones se producen cada segundo.
Dada esta estadística, no es sorprendente que el punto de control primario para la expresión génica sea usualmente al principio del proceso de producción de proteína; el inicio de la transcripción.
La transcripción de ARN hace un punto de control eficiente porque muchas proteínas se pueden hacer a partir de una sola molécula de ARNm.
El procesamiento de la transcripción proporciona un nivel adicional de regulación para eucariotas, y la presencia de un núcleo lo hace posible.
Expresión Génica en procariotas, la traducción de una transcripción comienza antes de que se complete la transcripción, debido a la proximidad de los ribosomas a las nuevas moléculas de ARNm.
Expresión Génica en eucariotas, sin embargo, las transcripciones se modifican en el núcleo antes de que se exporten al citoplasma para su traducción.
Los transcritos eucariotas también son más complejos que los transcritos procariotas. Por ejemplo, los transcritos primarios sintetizados por la ARN polimerasa contienen secuencias que no serán parte del ARN maduro.
Estas secuencias intermedias se llaman intrones y se eliminan antes de que el ARNm maduro abandone el núcleo. Las regiones restantes de la transcripción, que incluyen las regiones que codifican proteínas, se llaman exones, y se empalman para producir el ARNm maduro.
Las transcripciones eucarióticas también se modifican en sus extremos, lo que afecta su estabilidad y traducción.
Por supuesto, hay muchos casos en los que las células deben responder rápidamente a las cambiantes condiciones ambientales. En estas situaciones, el punto de control regulador puede venir bien después de la transcripción.
Por ejemplo, el desarrollo temprano en la mayoría de los animales depende del control de la traducción porque se produce muy poca transcripción durante las primeras divisiones celulares después de la fertilización.
Por lo tanto, los huevos contienen muchas transcripciones de ARNm de origen materno como una reserva lista para la traducción después de la fecundación.
En el lado degradante del equilibrio, las células pueden ajustar rápidamente sus niveles de proteína a través de la degradación enzimática de las transcripciones de ARN y las moléculas de proteínas existentes.
Ambas acciones dan como resultado cantidades disminuidas de ciertas proteínas. A menudo, este desglose está vinculado a eventos específicos en la célula. El ciclo de las células eucariotas proporciona un buen ejemplo de cómo la degradación de las proteínas está vinculada a los eventos celulares.
Este ciclo se divide en varias fases, cada una de las cuales se caracteriza por distintas proteínas ciclinas que actúan como reguladores clave para esa fase.
Antes de que una célula pueda progresar de una fase del ciclo celular a la siguiente, debe degradar la ciclina que caracteriza esa fase particular del ciclo. Si no se degrada una ciclina se detiene el ciclo de continuar.
¿Cómo expresan las diferentes células los genes que necesitan?
Solo una fracción de los genes en una célula se expresa en un momento dado. La variedad de perfiles de expresión génica característica de diferentes tipos de células surge porque estas células tienen conjuntos distintos de reguladores de la transcripción.
Algunos de estos reguladores trabajan para aumentar la transcripción, mientras que otros lo previenen o suprimen.
Normalmente, la transcripción comienza cuando una ARN polimerasa se une a una denominada secuencia promotora en la molécula de ADN.
Esta secuencia casi siempre se encuentra justo aguas arriba del punto de partida para la transcripción, aunque puede localizarse aguas abajo del ARNm.
En los últimos años, los investigadores han descubierto que otras secuencias de ADN, conocidas como secuencias potenciadoras, también juegan un papel importante en la transcripción proporcionando sitios de unión para proteínas reguladoras que afectan la actividad de la ARN polimerasa.
La unión de proteínas reguladoras a una secuencia potenciadora provoca un cambio en la estructura de la cromatina que promueve o inhibe la unión de la ARN polimerasa y el factor de transcripción. Una estructura de cromatina más abierta se asocia con la transcripción de genes activos. En contraste, una estructura de cromatina más compacta se asocia con transcripcional en la actividad.
Algunas proteínas reguladoras afectan la transcripción de múltiples genes. Esto ocurre porque existen múltiples copias de los sitios de unión a proteínas reguladoras dentro del genoma de una célula.
En consecuencia, las proteínas reguladoras pueden tener diferentes funciones para diferentes genes, y este es un mecanismo por el cual las células pueden coordinar la regulación de muchos genes a la vez.
¿Cómo se incrementa o disminuye la expresión génica en respuesta al cambio ambiental?
En procariotas, las proteínas reguladoras a menudo se controlan por la disponibilidad de nutrientes. Esto permite que organismos como las bacterias ajusten rápidamente sus patrones de transcripción en respuesta a las condiciones ambientales.
Además, los sitios reguladores en el ADN procariota generalmente se localizan cerca de los sitios del promotor de la transcripción, y esto juega un papel importante en la expresión génica.
Para ver un ejemplo de cómo funciona esto, imagine una bacteria con un exceso de aminoácidos que señale el «encendido» de algunos genes y el «apagado» de otros.
En este ejemplo particular, las células podrían querer «activar» los genes de las proteínas que metabolizan los aminoácidos y desactivan los genes de las proteínas que sintetizan aminoácidos.
Algunos de estos aminoácidos se unirían a proteínas reguladoras positivas llamadas activadores. Las proteínas activadoras se unen a sitios reguladores en el ADN cercano a regiones promotoras que actúan como interruptores de encendido / apagado.
Esta unión facilita la actividad de la ARN polimerasa y la transcripción de genes cercanos. Al mismo tiempo, sin embargo, otros aminoácidos se unirían a proteínas reguladoras negativas llamadas represores, que a su vez se unen a sitios reguladores en el ADN que bloquean eficazmente la unión de ARN polimerasa.
El control de la expresión génica en eucariotas es más complejo que en procariotas. En general, está implicado un mayor número de proteínas reguladoras, y los sitios de unión reguladores pueden estar ubicados bastante lejos de los sitios del promotor de la transcripción.
Además, la expresión del gen eucariótico generalmente está regulada por una combinación de varias proteínas reguladoras que actúan juntas, lo que permite una mayor flexibilidad en el control de la expresión génica.
Como se mencionó anteriormente, las secuencias potenciadoras son secuencias de ADN que están unidas por una proteína activadora, y pueden ubicarse a miles de pares de bases de un promotor, ya sea corriente arriba o cadena abajo de un gen.
Se cree que la unión de la proteína activadora hace que el ADN salga, conectando la proteína activadora a una proximidad física con la ARN polimerasa y las otras proteínas en el complejo que promueven el inicio de la transcripción.
Diferentes tipos de células expresan conjuntos característicos de reguladores transcripcionales. De hecho, a medida que se desarrollan organismos multicelulares, diferentes conjuntos de células dentro de estos organismos activan y desactivan combinaciones específicas de reguladores.
Tales patrones de desarrollo son responsables de la variedad de tipos de células presentes en el organismo maduro.
Conclusión
Para vivir, las células deben ser capaces de responder a los cambios en su entorno. La regulación de los dos pasos principales de la producción de proteínas (transcripción y traducción) es fundamental para esta adaptabilidad.
Las células pueden controlar qué genes se transcriben y qué transcripciones se traducen; Además, pueden procesar transcripciones y proteínas bioquímicamente para afectar su actividad.
La regulación de la transcripción y la traducción se produce tanto en procariotas como en eucariotas, pero es mucho más compleja en eucariotas.
