genetica parte 3, la vida en la tierra, 8va audersik

7/21/2019 Genetica Parte 3, La Vida en La Tierra, 8va Audersik

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17 8 Cap ítulo 10 E XP RE SIÓ N Y RE GU LACIÓ N D E LOS GE NE S

E N L AC E S C O N L A V ID A G e nétic a,e voluc ión y m e dic ina

Tod as las form as d e vid a en la Tie rra e s tán re lacionad as m e d ian

te la evolució n,algunas veces d e m anera e s tre cha (com o e n e l

cas o d e los p e rros y los zorros )y e n ocas iones d e form a d is tan

te (com o las bacterias y bs s eres hum anos ). Com o s abes ,las

m utaciones ocurren cons tante m ente,p or b ge ne rald e m anera

m uy lenta. Organis m os le janam e nte re lad onad os com p artie ron un ances tro com ún hace m ilbne s d e años . Incontable s m utacio

nes han ocurrid o d e s d e entonce s ,d e m anera que bs gene s d e

e s tos organis m os ahora d ifie re n p or m uchos nucle ó tid os .La m e

d icina tom a ve ntaja d e e s tas d ife re ncias p ara d e s arrollar antibió

ticos con e lfin d e com batir las infe ccione s bacte rianas .

La es tre p tom icina y la ne om icina,que s e p re s cribe n com ún

m e nte com o antibió ticos ,e xterm inan cie rtas bacte rias alunirs e

a una s ecue ncia es p e cífica d e RNA en las s ubunid ad e s p e que

ñas d e b s ribos om as bacterianos ,inhibie nd o as íla s íntes is d e

p rote ínas .Sin una a d e cuad a s ínte s is d e p rote ínas ,las bacte rias

m ueren.Sin e m bargo,bs p aciente s infectad os p or e s ta s bacte

rias no m ue re n,p orque las p e que ñas s ubunid ad e s d e bs ribo-

s om as e ucarió ticos d e bs s ere s hum anos tie ne n una s e cue ncia

d e nucle ó tid os que d ifiere d e la que p re s e ntan bs ribos om as

p rocarió ticos d e las bac te rias .

Talve z hayas e s cuchad o hab lar d e la te s is te n áa a lo s a n ti-

biótico s , e n la que las bacterias que s e e xp on e n con f re cue ncia

a b s antibió ticos d es arrollan d efe ns as contra é s tos . Las bacte

rias d e s arrollan ráp id am e nte re s is te ncia con tra la ne om icina y

otros antibió ticos re lacbnad os . ¿ P or qué ? En re alid ad e s algo

m uy s e ncilb. Si b s ribos om as e ucarió ticos s on ins ens ible s a la

neom icina,entonce s d e be n funcbn ar p e rfectam e nte bien con

una s e cue ncia d e RNA d ife re nte d e la que p re s e ntan b s ribo-

s om as p rocarió ticos .Las bacte rias que s on re s is tentes a la ne o

m icina y a otros antibió ticos re lad on ad os s ufre n una m utació n

que m od ifica un s o b nucle ó tid o e n s u RNA ribos ó m ico p ara

conve rtid o d e ad e nina en guanina,que e s p re cis am e nte e lnu

cle ó tid o e ncontrad o e n una p os ició n com p arable e n e lRN A ri

bos ó m ico e ucarió tico.

La gen é tica,las m utacbne s ,b s m ecanis m o s d e s ín te s is d e

p rote ínas y la e volució n s on im p ortante s no s ó b p ara b s bió lo

gos ,s ino tam bié n p ara bs m é d icos .D e hecho,exis te una d is ci

p lina llam ad a m e d icina e volutiva, que utiliza las re lacbne s

evolutivas e ntre bs s eres hum anos y bs m icrobbs p ara ayud ar

a luchar contra las e nfe rm e d ad e s .

D N A p ara sintetizaruna p roteína. E n cad a etap a hay un ap a-ream iento d e bases com p lem entarias y se requiere la acciónd e d iversas p roteínas y enzim as. L a FIGUR A 10-9 ilustra estasetap as:

a)Salvo algunas excep ciones com o los genes que cod ificanp ara una m olécula d e R N Ato R N Ar,cad a gen contiene elcód igo d e la secuencia d e am inoácid os d e una p roteína.

b )La transcrip ción d e un gen que cod ifica p ara una p roteínap rod uce una m olécula d e R N Am ,quees com p lem entariaresp ecto a una d e las cad enas d e D N A d elgen. A p artird elp rim ercod ón d e inicio AU G ,cad a cod ón d el R N Am esuna secuencia d e tres bases que esp ecifica un am inoácid oo representa una señal d e “ alto”.

c) L as enzim as d el citop lasm a enlazan elam inoácid o correc-to a cad a R N At,con baseen elanticod ón d elR N At.

d )D urante la trad ucción,los R N Attraslad an alribosom a losam inoácid os quellevan consigo.E lam inoácid o correcto seelige d e acuerd o con los p ares d e bases com p lem entariasqueseform an entre las bases d elcod ón d e R N Am y las d elanticod ón d e R N At. A continuación,el ribosom a enlazalos am inoácid os unos con otros en una secuencia p ara for-m aruna p roteína.

E sta “ cad ena d ecod ificad ora”,que p asa d e las bases d elD N A a los cod ones d el R N Am ,luego a los anticod onesd el R N Aty finalm ente a los am inoácid os,d a p orresultad o lasíntesis d e una p roteína con una secuencia esp ecífica d e am i-noácid os. L a secuencia d e am inoácid os está d eterm inad a,enúltim a instancia,p orla secuencia d e bases quetiene un gen.

j[» E B ¿C Ó M O IN FL U Y E N L AS M U TAC IO N E S

D E L D N A E N L A FU N C IÓ N D E L O S G E N E S ?

C om o vim os en el cap ítulo 9,los errores d urante la d up lica-ción d elD N A,los rayos ultravioleta d e la luzsolar,las sustan-cias quím icas en el hum o d elcigarrillo y una m ultitud d e otros

factores am bientales p ued en m od ificarla secuencia d e basesen elD N A. E stos cam bios se llam an m utacione s .¿C uáles sonlas consecuencias d e una m utación en la estructura y función

ge n

a)D NA

cad ena

com p le m en taria

d e D NA

ca d e n a m o ld e

d e D NA

b)R NAm

M v T v li v

c IqJ_c H _ c _

co d o n e s

etc.

etc.

U [ u e tc.

anticod one s

c)R N At u a C c tc ju c

am inoácid os

d )p rote ína m e tionina g licin a valin a

etc.

etc.

FIGURA 10-9 Elap are am ie nto d e bas e s com p le m e ntarias e s fun

d a m e n t a le n e l d e s c if ra m ie n t o d e la in f o rm a d ó n g e n é t ic a

a) ElD N A con tie ne d os cad e nas : la RNA p olim e ras a utiliza la ca

d e na m old e p ara s intetizar una m olé cula d e RNA.b) Las b as e s d e

la cad ena m old e d e D NA s e trans criben a un RNAm co m p le m en

tario.Los cod one s s on s ecuencias d e tre s bas es que e s p e cifican un

am inoácid o o una s eñald e "alto" d urante la s íntes is d e p roteínas ,

c)A m eno s que s ea un co d ó n d e "alto",cad a co d ó n d el RNAm

f orm a p are s d e bas e s con e lan tico d ó n d e una m olé cula d e RNAt

que lle va cons igo un am ino ácid o e s p e cífico,d ) Los am inoácid os

s urgid os d e l RNAt s e unen p ara form ar la p rote ína.



¿ C Ó M O IN F LU Y E N LAS M U TA CIO N E S D E L D N A E N LA F U N CIÓ N D E L OS G E N E S ? 17

E fe c tos de las mutac ione s e n e lge n de la he m oglobina

DNA(cad enam o ld e) RNAm Am inoácid o

Pro p ie d ad e s d elam inoácid o

Efe cto e n la funció n d e la p rote ína Enfe rm e d ad

Cod ó n original6 CTC GAG Ácid o glutám ico Hid rofílico Funció n norm ald e la p rote ína Ninguna

M utació n 1 CTT GAA Ácid o glutám ico Hid ro fílico Neutro,funció n norm al d e la p ro teína Ninguna

M utació n 2 GTC CAG Glutam ina Hid rofílico Ne utro,funció n norm ald e la p rote ína Ninguna

M utació n 3 CAC GUG Valina Hid rofó bico P ie rd e s olubilid ad e n agua,com p rom e te la funció n d e la p roteína

Anem ia d e cé lulas falciform e s a

Cod ó n original17 TTC AAG Us ina Hid rofílico Funció n norm ald e la p rote ína Ninguna

M utació n 4 ATC UAG Cod ó n d e

term inació nTerm ina la

trad ucció n d es p ué s

d el am inoácid o 16

Sinte tiza s ó lo p arte d e la p rote ína,e lim ina la funció n d e é s ta

B e ta-talas e m ia

d e un organism o? E sto d ep end e d e cóm o afecta la m utaciónelfuncionam iento d e la p roteína quecod ifica elgen m utante.

L as mutac ione s tie ne n dive rsos e fe c tos

e n la e struc tura y func ión de las p rote ínas

La m ayoría d e las m utaciones seclasifican ya sea com o sustituciones,d eleciones,inserciones,inversiones o translocaciones (véaseelcap ítulo 9).

In vers io n es y tran s lo caá o n e s

L as inversiones y translocaciones ocurren cuand o frag m entosd el D N A (en ocasiones casi tod os o incluso tod os las d e uncrom oso m a)se sep aran y se reaco m od an en un m ism o crom osom a,o bien,en un crom oso m a d iferente. E stas m utaciones son relativam ente benignas sigenes enteros,incluid os susp rom otores,sólo se m ueven d e un lugara o tro. Sin em bargo,siun gen se d ivideen d os,ya no p od rácod ificaruna p roteínacom p leta y funcional.Porejem p lo,casi la m itad d e los casosd e hem ofilia severa so n p rovocad os p oruna inversión en el

gen quecod ifica una p roteína quese requiere para la coag ulación d e la sangre.

D eleá o n e s e in s e rcio n e s

Los efectos d e las d e le d o ne s y las n s e rao n e s p orlo generald ep end en d e cuántos nucleótid os se elim inan o se agregan.¿Porqué? Piensa en elcód igo genético:tres nucleótid os cod ifican un solo am inoácid o. Porconsiguiente,agregaro elim inartres nucleótid os ag regará o elim inará un solo am inoácid o ala p roteína cod ificad a. E n la m ayoría d e los casos,esto no altera la función d e la p roteína d e form a consid erable. E n contraste,las d eleciones e inserciones d e uno o d os nucleótid os,ocualquierd eleción o inserción que no es d e un m últip lo d e

tres nucleótid os,p ued e tenerefectos p articularm ente catastróficos,p orque tod os los cod ones que siguen d esp ués d e lad eleción o inserción se verán alterad os. R ecuerd a nuestraoración con p alabras d e tres letras:L O SD O SSO N ASÍ. E lim inaro insertaruna letra (p orejem p lo,sise elim ina la p rim eraS)significa que tod as las p alabras d e tres letras quesiguen carecerán d e sentid o:L O D O SS O N A SÍ.D e m anera sim ilar,lam ayoría d e los am inoácid os — y p osiblem ente tod os— d e unap roteína sintetizad a a p artird e una m olécula d e R N Am quecontiene tal m utaciónde lm arc o de lec tura tend rán errores.E n ocasiones,uno d e los nuevos cod ones quesiguen a una inserción o d eleción será un cod ón d e term inación,que harám ás c orta la p roteína. T ales p roteínas casi siem p reserán d is

funcionales. ¿R ecuerd as el toro B elgian B lued el cap ítulo 9E l gen d efectuoso d e la m iostatina d e un ejem p lar B elgiaB lue tiene una d eleción d e 1 1 nucleótid os,lo que genera ucod ón d e term inación “ p rem aturo” que p one fin a la trad ucción antes d e que la p roteína m iostatina esté c om p leta.

Sus titucio n es

Las s us tituaones d e nucle ó tid os (tam bién conocid as comm utaciones p untuale s ) d entro d e un gen cod ificad ord e unp roteína p ued en teneral m enos cuatro d iferentes resultad o(tabla 1 0-4). C om o ejem p lo concreto,consid erem os las m utaciones quese p rod ucen en elgen cod ificad ord e la beta-globina,una d e las subunid ad es d e la hem oglobina,la p roteínp ortad ora d e oxígeno que está p resente en los eritrocitos glóbulos rojos.E lotro tip o d e subunid ad en la hem oglobina ela alp ha-globina. U na m olécula norm ald e hem og lobina consta d e d os subunid ad es alp ha y d os beta. E n tod os los ejemplos,salvo el últim o,consid erarem os los resultad os d e lam utaciones queocurren en elsexto c od ón (C T C en elD N A

G AG en el R N Am ),que esp ecifica ácid o glutám ico,un amnoácid o cargad o,hid rofílico y solubleen ag ua.

• Es po sible que la pro te ína no c am bie .R ecuerd a quecasi tod os los am inoácid os están cod ificad os p orvarios cod onesSi una m utación m od ifica la secuencia d e bases d el D N Ad ela beta-globina d e C T C a C T T ,esta nueva secuencia cod ifica elácid o glutám ico.Porconsiguiente,la p roteína sintetizad a a p artird elgen m utante perm anece igual,a p esad e quela secuencia d elD N A sea d iferente.

• La nue v a pro te ína pue de se r e quiv ale nte de sde e lpunto d

v ista func io nala la o riginal.M uchas p roteínas tienen regiones cuya secuencia exacta d e am inoácid os es relativam en

te p oco im p ortante. Porejem p lo,en la beta-globina loam inoácid os d e la p arte externa d e la p roteína d eben sehid rofílicos p ara que ésta p erm anezca d isuelta en el citop lasm a d e los glóbulos rojos.N o es m uy im p ortante c uá le

am inoácid os hid rofílicos están en la p arte externa. Poejem p lo,en la p oblación jap onesa d e M achid a se enco ntruna fam ilia que tiene una m utac ión d e C T C a G T C ,qusustituye el ácid o glutám ico (hid rofílico) p orglutam in(tam bién hid rofílica). L a hem oglobina que contiene estp roteína beta-globina m utante recibe elnom bre d eh e m o

glo bina M ac hida y,al p arecer,funciona bien.L as m utaciones com o la d e la hem oglobina M achid a y la d el ejem p lanteriorse co nocen com o m utaaone s n eutra s p orque n



180 Cap ítulo 10 E XP RE SIÓ N Y RE GU LACIÓ N D E LOS GE NE S

D E C ER C A L a sínte sis de p rote ínas,un asuntode alta e ne rgía

Una antigua e xp re s ió n d ice que las cos as bue nas d e la vid a s on

gratis .Talve z,p e ro la s íntes is d e p rote ínas no lo es . P or lo m e

nos s eis e tap as d ife re nte s e n la s íntes is d e p rote ínas re quie re n

e ne rgía:

1. Trans crip ció n: La RNA p olim e ras a utiliza tr in uc le ótido s li

bres — trifos fato d e ad e nos ina (ATP ),trifos fato d e guanos i-

na (GTP ),trifo s fato d e citos ina (CTP ) y trifo s fato d e uracilo

(JJTP)— p ara s inte tizar una cad e na d e RN A.Al igualque e l

conocid o ATP,los d os últim os fos fatos d e tod os los trinu-

d e ó tid os e s tán unid os p or e nlace s d e alta e ne rgía (vé as e e l

cap ítulo 6).E s to s d o s fo s fatos s e s e p aran d eltrinucleó tid o,

libe rand o e ne rgía que s e utiliza p ara fo rm ar e le nlace e ntre

el fos fato re s tante y e l azúcar d e l nucle ó tid o ante rior e n la

cad ena d e RNA en cre cim ie nto.

2. E ne rgía d e los RN At: La ene rgía d e ATP s e utiliza p ara unir

un am inoácid o con s u RNAt. B uena p arte d e e s ta e ne rgía

p e rm an e ce e n e le nlace e n tre e lR N At y e lam inoácid o y lue

go s e utiliza p ara form ar el e nlace p e p tíd ico e ntre am inoá

cid os d urante la trad ucció n.

3. E s c an e o d e l RN Am : En los e ucariotas ,e lRN Am s e une con

la s ubunid ad ribos ó m ica p e queñ a hacia arriba d e lco d ó n d e

inicio. La e ne rgía d e l ATP s e e m p le a p ara "e s cane ar" el

RNAm y e ncontrar e lcod ó n d e inicio.

4. Ene rgía d e los com p le jos RNAt-am inoád d o: La e ne rgía

d e un trifo s fato d e guanos ina (GTP )s e utiliza cad a ve z que un nuevo com p le jo form ad o p or e lRNAt y elam inoácid o s e

carga e n un ribos om a.

5. Trans locad ó n: La en e rgía d e un GTP tam bié n s e utiliza cad a

vez que el ribos om a baja un cod ó n la m olé cula d e RNAm .

6 . Te rm inació n: Se e m p le a un GTP p ara libe rar d e l ribo s om a

la p rote ína te rm inad a.

As í,cad a a m ino ácid o e n una p rote ína re quie re un trinucle ó ti

d o p ara la s íntes is d e RNAm ,un ATP p ara cargar e l RNAt,un

GTP p ara cargar e l RNAt en un ribos om a,y un GTP p ara m o

ver e l RNAm un cod ó n. La trad ucció n d e inicio y term inació n

utiliza m ás ATP y GTP . La s íntes is d e p rote ínas e m p le a alre d e

d or d e l 9 0 p or cie nto d e tod a la e ne rgía que gas tan algunas

cé lulas ,com o las bacterias intes tinale s com une s , E s cher ichia

co li.

cam bian d e form a p ercep tible la función d e la p roteína cod ificad a.

• La func iónde la pro te ina pue de c am biar po r una alte rac ión

de la se c ue nc ia de am ino á c ido s.U na m utación d e C T C aC AC sustituye el ácid o glutám ico (hid rofílico)p orvalina(hid rofóbica). E sta sustitución es eld efecto genético quep rovoca la anem ia d e células falciform es (véaseelcap ítulo12,p ágina 239).L a valina en elexteriord e las m oléculas d ehem oglobina hace que éstas se ag rupen y d istorsionen laform a d e los eritrocitos. E stos cam bios p rod ucen una enferm ed ad grave.

• La func ión de la pro te ína pue de de struirse a c ausa de unc o dónde te rm inac iónpre m aturo .U na m utación p articularm ente catastrófica se p resenta ocasionalm ente en eld ecim oséptim o cod ón d el gen d e la beta-globina (T T C en elD N A,AG G en el R N Am ). E ste cod ón esp ecifica el am inoácid o lisina.U na m utación d e T T C a ATC (U AG en elR N Am )d a p orresultad o un co d ón d e “ alto”,qued etienela trad ucción d elR N Am d e la beta-globina antes d e que lap roteína esté com p leta. Q uienes hered an este gen m utante,tanto d e su p ad re com o d e su m ad re,no sintetizan ningunap roteína beta-globina que sea funcional;fabrican hem oglobina que consiste p orco m p leto en subunid ad es d e alp ha-globina.E sta hem oglobina que sólo contiene subunid ad es

alpha no seenlaza m uy bien aloxígeno.E ste trastorno,llam ad o beta-talasem ia,p ued e serm ortal si no se trata contransfusiones d e sangrenorm ald urante tod a la vid a.

L as mutac ione s suministran la m ate ria p rima

de la e voluc ión

L as m utaciones que ocurren en los gam etos (esp erm atozoid es uóvulos)p ued en transm itirse a las siguientes generaciones. E n los seres hum anos,la frecuencia d e m utación en losgenes va d esd e una en cad a 1 00,000 gam etos hasta una encad a 1 ,000,000d e gam etos.C om o referencia,un varón em ited e 300a 400m illones d e esp erm atozoid es p oreyaculación,asíque,en p rom ed io,cad a em isión d e esp erm a contiene alred e

d ord e 6 00esp erm atozoid es con m utaciones nuevas. Aunquela m ayoría d e las m utaciones son neutras,silenciosas o p oten-d alm ente p eijud iciales,las m utaciones son ind isp ensablesp ara la evolución p orque estos cam bios aleatorios d e lasecuencia d elD N A son la fuente últim a d e tod a variación genética. Las nuevas secuencias d e bases exp erim entan unaselección natural cuand o los organism os com p iten p ara sobreviviry rep rod ucirse. O casionalm ente,una m utación resulta benéfica en las interacciones d el organism o con suam biente. M ed iante la rep rod ucción a lo largo d el tiem p o,lasecuencia d e bases m utante p od ría d isem inarse en la p obla

ción y volverse com ún,en tanto que los organism os que la p oseen logran vencera sus rivales que tienen la secuencia d ebases originaly sin m utaciones. E ste proceso sed escribirácond etalle en la unid ad tres.

¿C Ó M O SE R E G U L AN L O S G E N E S ?

E lgenom a hum ano com p leto contiene unos 21 ,000genes. C ad a uno d e estos genes estáp resente en la m ayoría d e las células d e nuestro cuerp o,p ero cualquiercélula ind ivid ual expre sa (transcribey,sielp rod ucto finald elgen es una p roteína,trad uce)sólo una p equeña fracción d e ellos.Algunos genes seexp re

san en tod as las células,p orque cod ifican p roteínas o m oléculasd e R N A que son esenciales p ara la vida d e cualquiercélula.Porejem p lo,tod as las células necesitan sintetizarp roteínas,asíquetod as ellas transcriben genes que cod ifiquen m oléculas d eR N Am ,R N Aty R N Ary genes quecod ifiquen proteínas ribo-sóm icas.O tros genes seexp resan exclusivam enteen ciertos tip os d e células,en d eterm inad os m om entos en la vid a d e unorganism o,o en cond iciones am bientales esp ecíficas.Porejem plo,aunquecad a célula d e nuestro cuerp o contiene elgen d e lacaseína,la p rincip alp roteína p resente en la leche,esegen se exp resa sólo en las m ujeres m ad uras,sólo en ciertas células d e lasglánd ulas m am arias y sólo cuand o una m ujerestáen cond iciones d e am am antar.

10.5



¿CÓMO SE REGULAN LOS GENES? 18

La regulación de la expresión de los genes puede ocurrir

en un nivel de transcripción (donde los genes se utilizan para

elaborar una molécula de RNAm en una célula determina

da), traducción (qué tanta proteína se elabora a partir de un

tipo específico de RNA m), y de actividad de proteínas (cuán

to dura la proteína en una célula y qué tan rápidamente las

enzimas de proteínas catalizan reacciones específicas).

La regulación de los genes en los procariotas

El DNA procariótico a menudo está organizado en paquetes

coherentes llamados operones, en los que los genes de funcio

nes relacionadas se colocan muy cerca entre sí (RGURA 10-10a).

Un op erón consta de cu atro regiones: 1. un gen regulador, que

controla el tiempo o la rapidez de transcripción de otros ge

nes; 2. un promotor, que la RN A polimerasa reconoce como el

lugar de inicio de la transcripción; 3. un operador, que regula

el acceso de la RN A polimerasa al promotor o a los 4. genes

estructurales, que en re alidad codifican las enzimas relaciona

das u otras proteínas. Los operones en su totalidad están

regulados como unidades, de m anera que proteínas relaciona

das funcionalmente se sintetizan de forma simultánea cuando

surge la necesidad.Los operones procarióticos pueden estar regulados en una

variedad de formas, dependiendo de las funciones que contro

lan. Algunos operones sintetizan enzimas que las células nece

sitan todo el tiempo, como las enzimas que sintetizan muchos

aminoácidos. Estos operones, por lo regular, se transcriben con

tinuamente, excepto en circunstancias inusuales cuando la bac

teria encuentra una vasta cantidad sobrante de un aminoácido

particular. O tros operones sin tetizan enzimas que se necesitan

sólo en ocasiones, por ejemplo, para digerir una sustancia rela

tivamente rara presente en los alimentos. Se transcriben sólo

cuando la bacteria encuentra este alimento extraño.

Como ejemp lo del último tipo de operón, consideremos la

bacteria com ún presen te en e l intestino, la Escherichia coli (E. coli). Esta bacteria debe vivir en medio de diferentes tipos de

nutrimentos que ingiere su huésped y es capaz de sintetizar

una variedad de enzimas para m etabolizar una diversidad po

tencialmente vasta de alimentos. Los genes que codifican ta

les enzimas se transcriben sólo cuando éstas son necesarias.

Las enzimas que m etabolizan la lactosa, el principal azúcar en

la leche, son un ejemplo. El operón lactosa contiene tres genes

estructurales, cada uno de los cuales codifica una enzima que

ayuda en el metabolismo de la lactosa (figura lO-lOa).

El operó n lactosa queda aislado o reprimido a m enos que

se active de manera específica mediante la presencia de lacto

sa. El gen regulador del operón lactosa dirige la síntesis de

una proteína, llamadaproteína represora,

que se une con el sitio del operador. La RNA polimerasa, aunque es capaz de

unirse al promotor, no puede pasar por encima de la proteína

represora para transcribir los genes estructurales. En conse

cuencia, las enzimas que metabolizan la lactosa no se sinteti

zan (RGURA 10-10b).

Sin embargo, cuand o las bacterias E. c oli colonizan los in

testinos de un mamífero recién nacido, se encuen tran bañadas

en un ma r de lactosa, siempre que el hu ésped sea am amanta

do p or su madre. Las moléculas de lactosa entr an en las bac

terias y se unen a las proteínas represoras, cambiando su

forma (RGURA 10-10c). El complejo constituido por el repre

sor y la lactosa no se adh ieren al sitio del operador. Por con-

a) Estructura del operón lactosa

codifica la proteína opera dor la proteína

represora represora se une aquí

I y ______________

I Z 9en1

Xpromotor la RNA

polimerasa se

une aquí

genes estructurales que codifican las

enzimas para el metabolismo de la lactosa

El operón lactosa consiste en un gen regulador, un promotor, un

operador y tres genes estructurales que codifican las enzimas que

participan en el metabolismo de la lactosa. El gen regulador codific

una proteína, llamada represora, que se une al sitio del operador

en ciertas circunstancias.

b) Ausencia de lactosa

RNA

polimerasa> transcripción bloqueada

gen 1 gen2 gen 3

la proteína represora

mida al operador se

traslapa con el promotor

proteínas represoras

libres

En ausencia de lactosa, las proteínas represoras se unen con el

operador del operón lactosa. Cuando la RNA polimerasa se une co

el promotor, la proteína represora bloquea el acceso a los genes

estructurales que, por consiguiente, no pueden transcribirse.

c) Lactosa presente

la RNA polimerasa se une con

el promotor y transcribe los

ganes estructurales

T U <9

lactosa unida a las

proteínas represorasse sintetizan las enzimas

que metabolizan la lactosa

En presencia de lactosa, ésta se une con la p roteína represora. El

complejo lactosa-represor no puede unirse con el operador, así qula RNA polimerasa tiene libre acceso al promotor. La RNA polimera

transcribe los tres genes estructurales que codifican las enzimas

que metabolizan la lactosa.

RGURA 10-10 Regulación del operón lactosa

siguiente, cuando la RNA polimerasa se une al pro moto r de

operón lactosa, transcribe los genes estructurales.

Las enzimas que metabolizan la lactosa se sintetizan, l

que permite que las bacterias utilicen la lactosa como fuent

de energía. Después de que el mamífero es destetado, cas

nunca vuelve a consumir leche. Las bacterias intestinales no

vuelven a encontrar lactosa, las proteínas represoras están



182 Capítulo 10 EXPRESI ÓN Y RE GUL ACI ÓN DE LOS GENE S

Las célulascontrolan lafrecuencia de latranscripción.

Un solo gen producediferentes moléculasde RNAm.

Las células controlan

la estabilidad y

rapidez de la traducción de

moléculas particulares de RNAm.

Las células regulan

la actividad de una

proteína

modificándola.

Las células regulan

la actividad de una

pro teína

degradándola.

libres para unirse con el operador, y los

genes del metabolismo de la lactosa

qued an reprimidos.

La regulación de los genes en los

eucariotas

La regulación de los genes eucarióticos

es similar a la regulación en los proca

riotas en ciertos aspectos. En unos yotros, no todos los genes se transcriben

o se trad ucen todo el tiempo. Además,

el control de la rapidez de transcrip

ción es probablemente el principal me

canismo de la regulación genética en

ambos. Sin embargo, el confinamiento

del DNA en un núcleo rodeado por

una membrana, la variedad de los tipos

de células en los eucariotas multicelu

lares, una organización muy diferente

del genoma y el complejo procesa

miento de las transcripciones de RNA

son factores que distinguen la regula

ción genética en los eucariotas de la re

gulación en los procariotas.

La expresión de la información ge

nética en una célula eucariótica es un

proceso que se efectúa en varias etapas,

que se inicia con la transcripción del

DNA y, por lo general, concluye en una

pr oteína que desempeña una función

determinada. La regulación de la ex

presión de los genes se efectúa en cual

quiera de estas etapas, que se ilustran

en la FIGURA 10-11, y son las siguientes:

1. Las células controlan la frecuencia con la que un gen individual se trans-

cribe. La rapidez con la que las célu

las transcriben genes específicos

depende de la demanda de la proteí

na (o RNA) que codifican. La trans

cripción de genes difiere entre organismos, entre tipos de

células en un de terminado organismo y dentro de una célu

la dada en diferentes etapas en la vida del organismo; tam

bién dif iere si existen cie rta s condiciones ambienta les que

estimulen el proceso (véase el apartado “Las células euca

rióticas regulan la transcripción de genes individuales, re

giones de cromosomas o cromosomas enteros” ).

2. Un mismo gen puede utilizarse para producir diferentes

moléculas de RNAm y distintas proteínas. Como describi

mos antes en este capítulo, en los eucariotas, un mismo gen

puede utilizarse para producir diferentes proteínas, dep en

diendo de cómo su transcripción de RNA se empalm e pa

ra formar el RNAm maduro que se traducirá en los

ribosomas. Por ejemplo, en la mosca de la fruta Drosophi

/a,empalmes alternativos del pre-RNAm de un gen llama

do doublesex produce una proteína larga en las moscas

macho y una proteína corta en las hembras. La proteína

larga en los machos suprime la transcripción de otros

genes que se requieren para el desarrollo sexual de las

hembras y favorece la transcripción de los genes que se re

FIGURA 10-11 Perspectiva general del flujo de información en

una célula eucariótica, de la transcripción de un gen a proteínas es-

tructurales y reacciones químicas catalizadas por enzimas.

quieren para el desarrollo sexual de los machos. La proteína

corta en las moscas hembras tiene el efecto contrario, a

menu do en los mismos genes.

3. Las células controlan la estabilidad y traducción de l RNA

mensajero. Algunas moléculas de RNAm son de larga du

ración y muchas veces se traducen en proteínas. Otras se

traducen sólo unas cuantas veces antes de degradarse. Re

cientemente, biólogos moleculares descubrieron que “pe

queñas moléculas reguladoras de RNA” pueden bloquear

la traducción de algunos RNAm o incluso apuntar hacia

ellos para destruirlos (véase “Investigación científica: El

RNA ya no es sólo un mensajero”).

4. En ocasiones es necesario m odificar las proteínas para que

lleven a cabo sus funciones. Muchas proteínas deben modi

ficarse antes de volverse activas. Por ejemplo, las enzimas

digestivas de proteínas que producen las células de la p a

red estomacal y el páncreas se sintetizan inicialmente en



INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA El RNA ya no es só lo un m ensajero

En años recientes biólogos moleculares descubrieron una clase

completamente nueva de genes en las células eucarióticas: los

genes que codifican el "RNA regulador". Los biólogos creen

que en el futuro se descubrirán muchos tipos diferentes de mo

léculas reguladoras de RNA, con muy variadas funciones. Aquí

describiremos sólo una función, llamada interferencia por RNA

o RNAi. La interferencia por RN A es tan im portante para el fun

cionamien to celular que sus descubridores, Andrew Fire y Craig

Mello, compartieron en Premio Nobel en Fisiología o Medicina en 2006.

Como sabes, el RNA mensajero se transcribe a partir del

DNA y después se traduce en proteína. Por lo general, es la

proteína la que en realidad desempeña funciones celulares, co

mo la catalización de reacciones o la formación de parte del ci

toesqueleto. La cantidad de proteína sintetizada depende

tanto de la cantidad de RNAm que se fabrica como de la rapi

dez y duración del proceso de traducción de este último. M u

chos organismos, tan diversos como los nematodos, las plantas

y los seres humanos, sintetizan pequeñas moléculas de RNA lla

madas "micro RNA". Después de que las enzimas celulares los

procesan, los micro RNA dan origen a pequeñas moléculas re

guladoras de RNA, que por lo general tienen de 20 a 25 nu

cleótidos de largo y que son complementarias a pequeños

tramos de RNAm. En algunos casos estas pequeñas moléculas

reguladoras de RNA forman pares de bases con el RNAm y

constituyen una pequeña sección de una cadena doble de RNA

que los ribosomas no pueden traducir. En otros casos, las pe

queñas cadenas de RNA se combinan con enzimas proteicas

para formar lo que se llama "comp lejos silenciadores inducidos

por RNA" o RISC (siglas de RNA-induced silencing complexas).

Cuando una cadena de RNA de interferencia encuentra un

RNAm con una secuencia complementaria de bases, el RISC

una forma inactiva, lo que impide que se digieran las proteínas que se producen en estas células. Una vez que estasformas inactivas se secretan al tracto digestivo, se recortan

deitas partes de las enzimas para descubrir su sitio activo.Otras modificaciones, como agreg ar y eliminar grup os fosfato, activan o desactivan temp oralm ente la función de una

proteína , lo que permite regu lar su activ idad cad a segundo.Una regulación similar de la estructura y función de las

prote ínas se realiza en las células procarióticas.

5. Se regula el tiempo de vida de una proteína. La mayoría delas proteínas tienen un tiempo d e vida limitado den tro de lacélula. Al impedir o promover la degradación de una proteína, las células ajustan rápidamente la cantidad de una

pr oteína de term inada en su inte rior. El tie mpo de vida deuna pro teína también se regula en las células procarióticas.

Las células eucarióticas regulan la transcripciónde genes individuales, regiones de cromosomas

o cromosomas enteros

En las células eucarióticas la regulación de la transcripción seefectúa a l menos e n tres niveles: el gen individual, regiones delos cromosomas o cromosomas enteros.

Las pro teínas regu lado ras que se unen al p ro m oto r

del gen alteran la transcripción de ge nes individuales

Las regiones promotoras de prácticamente todos los genescontienen varios elementos de respuesta diferentes. Por consiguiente, el hec ho de si estos genes se transcriben depe nde de

corta el RNAm, lo que, desde luego, también impide la traduc

ción.

¿Por qué una célula querría hacer esto? En el caso del ne-

matelminto Caenorhabditis elegans, en el que se descubrió el

RNAi, se requiere de RNA de interferencia durante el proceso

de desarrollo. Se necesita una sola proteína para el desarrollo de

estructuras corporales durante las etapas tempra nas de la vida,

pero esta proteína debe estar ausente para que el nematodo

madure y se convierta en adulto. Sin embargo, el gen que codifica esta proteína se transcribe en RNAm todo el tiempo.

Muy pronto en el proceso de desarrollo, el RNAm se traduce

en proteína, pero más adelante, el RNA de interferencia se une

al RNAm para impedir la traducción. El resultado es que los ni

veles de esa proteína disminuyen y el nematodo madura.

Algunos organismos utilizan el RNAi para defenderse contra

las enfermedades. Muchas plantas producen RNA de interfe

rencia que es com plem entario a los ácidos nucleicos (por lo ge

neral al RNA) de los virus que las atacan. Cuando el RNA de

interferencia encuentra moléculas virales de RNA complemen

tarias, el RISC corta el RNA viral, evitando así que los virus se

reproduzcan.

El RNAi también constituye una gran promesa para la medi

ana . Por ejem plo, la degenera ción macular, que es una de las

principales causas de ceguera durante la vejez, es el resultado

del desarrollo de vasos capilares débiles y que presentan fugas

en la retina del ojo. El RNAi evita la sobreproducción de un fac

tor de crec imiento clave que estimula el desarrollo de estos va

sos capilares anormales. En 2005 , por lo menos dos compañías

farmacéuticas comenzaron ensayos clínicos de tratamientos a

base de micro RNA sintético para combatir la degeneración

macular. En unos cuantos años esta tecnología podría llegar a

bs pacientes.

cuáles factores de transcripción específicos se sintetizan e n lcélula y de si esos factores d e transcripció n son activos o noPOr ejemplo, cuan do las células están ex puestas a radicales l

bres (véase el ca pí tulo 2 ), un factor de transcripción proteicse une a elementos de respuesta antioxidantes en los promotores de varios genes. Como resultado , la célula produc e en zmas que desintegran los radicales libres convirtiéndolos ensustancias inocuas.

Muchos factores de transcripción requ ieren activarse antede que afecten la transcripción de los genes. Uno de los ejem plos mejo r conocidos es el pape l que el es tró geno , una horm ona sexual, desempeña en el control de la producción dóvulos en las aves. El gen de la albúmina, la proteína de la clara de huevo, no se transcribe e n invierno, cuan do las aves nse aparean y los niveles de estrógenos son bajos. Durante ltemporada de apareamiento, los ovarios de las aves hembr

liberan estrógeno, que entra en las células del oviducto y senlaza a una proteína (llamada comúnmente receptor del estrógeno, pero que también es un factor de transcripción). Ecomplejo estrógeno-receptor se ad hiere luego a un elementde respuesta al estrógeno en el promotor del gen de la albúmina. Esta adhesión facilita la unión de la RNA polimerasa coel promotor del gen y el inicio de la transcripción de RNAmeste último se traduce después en grandes cantidades de albúmina. Un a activación similar de la transcripción de ge nes pohormon as esteroides se produce e n otros animales, incluso elos seres humanos. Un ejemplo de la importancia de la regulación hormonal de la transcripción durante el desarrollo son

18



GUARDIÁN DE LA SALUD Sexo, envejecim iento y mutaciones

En algún momento entre los 13 y 15 años, las chicas pasan por

la pubertad : sus senos aumentan d e tamañ o, sus caderas se en

sanchan y comienzan a menstruar. Sin em bargo , en algunos ca

sos, una chica podría desarrollar todos los signos exteriores de

feminidad, pero no menstrúa. Finalmente, cuando resulta claro

que no sólo se trata de un retraso en el desarrollo físico, ex po

ne su situación al módico, quien tom a una peq ueña muestra de

sangre para realizar una prueba de cromosomas. En algunos

casos, la prueba de cromosomas arroja lo que parece un resultado imposible: los cromosomas sexuales de la chica son XY,

una combinación que normalm ente daría origen a un varón. La

razón por la que no ha comenzado a menstruar es que no tie

ne ovarios ni útero; en su lugar posee testículos que han per

manecido en el interior de su cavidad abdominal. Tiene

aproximadamente las mismas concentraciones de andrógenos

(las hormonas sexuales masculinas, como la testosterona) que

se encuentran en la sangre en un varón de esa ed ad. De hecho,

los andrógenos, produ cidos po r los testículos, han estado pre

sentes desde una etapa muy temprana de su desarrollo. El pro

blema es que sus células no responden a estas hormonas, una

extraña condición que se conoce como insensibil idad a los an-

drógenos. Este trastorno fue un serio problema para M aría José

Martínez Patiño, una destacada atleta española que participó

en los Juegos Olímpicos hace algunos años, pero que fue ex

cluida de la competencia de carrera de vallas porque sus célu

las carecían de cuerpos de Barr, que normalmente están

presentes en las mujeres. Al cabo de tres años de lucha, final

mente se reconoció el hecho de que María José se había desa

rrollado como mujer y se le permitió competir contra otras

atletas de su género.

Muchos rasgos masculinos, entre ellos la formación de un

pene, el descenso de los testículos a sacos fuera de la cavidad

oorporal y las características sexuales que se desarrollan en la

pubertad, como el crecimiento de la barba y una mayor masa

muscular, se adquieren porque diversas células del organismo

responden a las hormonas sexuales masculinas que los testículos

producen. En los varones normales, muchas células corporales

tienen proteínas receptoras de andrógenos en su citoplasma.

Cuando estas proteínas se unen a hormonas sexuales como la

testosterona, el com plejo constituido po r las hormonas y los re

ceptores se une a los elem entos d e respuesta a los andrógen os

en los promotores de genes específicos e influye en la trans

cripción del RNAm. Las moléculas de RNAm se traducen en

proteínas que contribuyen a la manifestación de la masculini-

dad. En diferentes células el complejo de receptor de andróg e

nos y testosterona influye en la transcripción de los genes de

diversas formas, los que da orig en a una am plia gama de características masculinas. Como ocurre con todas las proteínas, los

receptores de andrógenos son codificados por genes específi

cos (es interesante hacer notar que el gen que codifica la pro-

■ ■4 i ,

/ J

t

i IFIGURA E10-1 La insensibilidad a los andróge nos origina

rasgos femeninos

Esta persona tiene un cromosoma X y uno Y. Tiene testículos

que producen testosterona, per o una mutación en sus genes de

receptores de andrógenos impide que sus células respondan a

la testosterona, lo que da por resultado su apariencia femenina.

los defectos genéticos en los que los recepto res de las horm onas sexuales no funcionan (véase la sección “Guardián de lasalud: Sexo, envejecim iento y mutac iones”). En esos casos, lascélulas del individuo no responden a la hormona, lo que im pide que se presen ten cie rtos ac ontecimientos esenciales e n eldesarrollo sexual.

Algunas region es de los cromosomas

están condensadas y norma lmente no se transcriben

Algunas partes de los cromosomas eucarióticos se hallan enun estado compacto y muy condensado, en el que la mayor

pa rte del DNA parece se r inaccesible pa ra la RN A po lim erasa. Algunas de estas regiones son partes estructurales de loscromosomas que no contienen genes. Otras regiones ap retadamente condensadas contienen genes funcionales que, por elmomento, no están en proceso de transcripción. Cuando senecesita el producto de un gen, la parte del cromosoma quecontiene ese gen se “descondensa”, es decir, se afloja de manera que la secuencia de nucleótidos se vuelva accesible a laRNA polimerasa y pueda realizarse la transcripción.

Grandes porciones d e cromosomas pueden hallarse

desactivadas, lo que im pide la transcripción

En algunos casos, la mayor parte d e un cromosom a pued e estar condensada, por lo que es en gran medida inaccesible p ara la RNA polimerasa. Un ejemplo de esta situación se

presen ta en los cro mo somas sex uales de las he mbras de losmamíferos. Los machos de los mamíferos tienen normalmente un cromosoma X y uno Y (XY), mientras que las hembrastienen dos cromosomas X (XX). En consecuencia, las hem bras t iene n la capacidad d e sin tetiz ar dos veces m ás R NAm a pa rt ir de los gen es de sus dos crom osom as X q ue los m achos,quienes poseen un solo cromosoma X. En 1961, la genetistaMary Lyon propuso la hipótesis de que quizá uno de los doscromosomas X en las mujeres estaba inactivo de alguna forma, de tal man era que sus genes no se expresaban. P ronto secomprobó que esta hipótesis era correcta. Más recientementese encontró que la desactivación del cromosoma X era otrocaso de “RNA regulador” que controlaba la expresión de losgenes. Muy temp rano en el desarrollo (alrede dor de l día 16 enlos humanos), mediante un mecanismo que aún no se com-

184



teína receptora de andrógenos está en el cromosoma X). Hay

más de 200 formas mutantes del gen del receptor de andróge

nos. Las más severas son las inserciones, delec iones o mutacio nes

puntuales que provocan un codón de "alto" prematuro. Como

sabes, estos tipos de mutaciones tienen una alta probabilidad

de provocar efectos catastróficos en la estructura y función de

las proteínas.

Un individuo que posee un gen del receptor de andrógenos

mutante, aunque sea genéticamente un hombre con cromosomas X y Y, será incapaz de elabo rar proteínas receptoras de an-

dhSgenos que funcionen normalmente y, por consiguiente, no

podrá responder a la testosterona que producen sus testículos.

Es así que un cambio en la secuencia de nucleótidos de un gen

individual, que origina la producción de un solo tipo de proteí

na defectuosa, hace que una persona que es genéticamente

varón se vea y se sienta como mujer (FIGURA E10-1).

Un segundo tipo de mutación ofrece pistas para resolver el

misterio de por qué envejece la gente. ¿Por qué aparecen ca

nas, la piel se arruga, las articulaciones duelen y los ojos se nu

blan conforme se envejece? Un número reducido de individuos

tienen un gen defectuoso que origina el síndrome de Werner,

que se manifiesta como envejecimiento prematuro (FIGURA

E10-2). Las personas que padecen este trastorno mueren por

causas relacionadas con el envejecimiento alrededor de los 50

años. Investigaciones recientes han permitido localizar las mu

taciones de la mayoría de las víctimas del síndrome de Werner

en un gen que codifica una enzima que interviene en la dupli

cación del DNA. Como hemos visto, la duplicación exacta del

DNA es crucial para la producción de células que funcionen

normalmente. Si una mutación altera la capacidad de las en

zimas para promover una duplicación exacta del DNA y para

corregir y reparar errores en este proceso, entonces las muta

ciones se acumularán progresivamente e n las células de to do el

organismo.

El hecho de que un aumento general en las mutaciones pro

vocadas por enzimas de duplicación defectuosas produce sín

tomas de edad avanzada apoya una de las hipótesis acerca de

cómo se originan muchos de los síntomas del envejecimiento

normal. Durante una vida larga (por ejemplo, de 80 años), las

mutaciones se acumulan gradualm ente, a causa de errores en la

duplicación del DNA y de daños inducidos en el DNA por el

ambiente. Con el tiempo, estas mutaciones alteran casi todos

bs aspectos del funcionamiento corporal y contribuyen al falle

cimiento por "vejez".

Los trastornos como la insensibilidad a los andrógenos y el

síndrome de Werner permiten comprender más profundamen

te el efecto de las mutaciones, la función de genes específicos

y de las proteínas que elaboran, la forma en que las hormonas

regulan la transcripción de los genes e incluso el misterio del

envejecimiento.

\ \ IRGURA E10-2 Mujer de 4 8 años con el síndrome de W erner

Este trastorno, más común entre personas de ascendencia ja

ponesa, es el resultado de una mutación que interfiere en la du

plicación correcta del DNA y aumenta la incidencia de

mutaciones en todo el organismo.

prende del todo, un cromosoma X comienza a producir gran

des cantidades de una molécula específica de RNA, llamada

Xist, que cubre el cromosoma y provoca que éste se condense

en una masa compacta. Bajo un microscopio óptico, este cro

mosoma X condensado aparece en el núcleo como una m an

cha oscura llamada cuerpo de Barr (FIGURA 10-12), llamado

así en honor de su descubridor, Murray Barr. Aproximada

mente el 85 por ciento de los genes en un cromosoma X inac

tivo no se transcriben.

Hasta hace unos cuantos años, los organizadores de los

Juegos Olímpicos intentaban verificar que las atletas quecompiten en eventos femeniles fueran verdaderamente muje

res, mediante la aplicación de una prueba del sexo basada en

los genes. Las mujeres que “pasaban” la prueba recibían una

taijeta de certificación de género, un requisito para participar

en muchas competencias atléticas femeniles. Un tipo de pru e

ba del sexo que se utilizó recientemente en los Juegos Olím

picos de 1996, celebrados en A tla nta, consiste en verificar que

en las células de la atleta en cuestión haya cuerpos de Barr.

Esta prueba cre ó un grave problema a una corredora de obs-

RGURA 10-12 Cuerpos de Barr

Las manchas negras en el extrem o superior dere cho del núcleo es u

cromosoma X inactivo llamado cuerpo de Barr, que por lo general s

encuentra sólo en las células de las hembras de los mamíferos.

táculos española, María José Martínez Patiño, porque no s

encontraro n cuerpos de B arr en sus células. Para conocer má

18




acerca de esta historia, véase “Guardián de la salud: Sexo, en

vejecimiento y mutaciones” .

POr lo general, grandes grupos de células (todas descen

dientes de una célula “ancestral” común durante el desarro

llo) tienen el mismo cromosoma X inactivo. Como resultado,

los cuerpos de las hembras de los mamíferos (incluidas las

mujeres) se componen de zonas de células en los que uno de

los cromosomas X está totalmente activo y zonas de células

en los que el otro cromosoma X está activo. Los resultados deeste fenómeno se observan claramente en el gato manchado

(RGURA 10-13). El cromosoma X del gato contiene un gen

que codifica una enzima productora del pigmento del pelaje.

De este gen existen dos versiones: una produce pelaje an aran

jado y la ot ra pelaje neg ro. Si un cromosom a X de una gata

tiene la versión naranja del gen del color del pelaje y el otro

cromosoma X tiene la versión negra, la gata tendrá el pelaje

con manchas anaranjadas y negras. Estas manchas rep resen

tan zonas de la piel que se des arrollaron a par tir de células del

embrión inicial en las que diferentes cromosomas X estaban

inactivos. Por consiguiente, la coloración en manchas se pre

senta casi exclusivamente en las hembras. Puesto que los ma

chos poseen un solo cromosoma X, que está activo en todassus células, tienen pelaje negro o naranja, pero no una mezcla

de ambos.

RGUR A 10-13 La desactivación del cromosoma X regula la ex

presión de los genes

Esta gata manchada tiene un gen de pelaje anaranjado en uno de

sus cromosomas X y un gen de pelaje negro en el otro cromosoma

X. La desactivación de diferentes cromosomas X produce las man

chas negras y anaranjadas. El color blanco se debe a un gen totalmente diferente, que impide por completo la formación de

pigmento.

V3É 74 OT RO VIS T AZO AL E S T U D IO D E CAS Ow o S n c A ¡V IVA LA D IF ERE NCIA !

¿Cómo nos ayuda el conoamien-

to acerca de la transcripción y la

traducdón a comprender las dife

rencias físicas entre hombres y

mujeres? En la década de 1930

los biólogos sabían que uno o

más genes en el cromosoma Y eran esenciales para determinar si un mamífero se desa

rrollaría como macho o como hembra. En

1990 la investigación al respecto condujo al

descubrimiento del gen SRY, siglas de "sex- determining región on the Y chromosome"

(región determ inante del sexo en el cromo

soma Y). El gen SRY se encuentra en todos

bs machos de los mamíferos, incluidos los

seres humanos. Experimentos con ratones

han demostrado su importancia en la deter-

minadón del sexo. Si un embrión de ratón

con dos cromosomas X recibe una copia del

SRY pero no el resto del cromosom a Y, el

embrión desarrolla características de un macho: tendrá testículos y un pene y se

compo rtará como un ratón macho. (Sin em bargo, estos ratones macho XX son estéri

les porque otros genes localizados en el

cromosoma Y son necesarios para la pro-

ducdón de esperma funcional.) Los embrio

nes de ratón que carecen del gen SRY se

desarrollan como hembras, sin importar si

tienen dos cromosomas X, o uno X y uno Y.

La conclusión: bs mamíferos macho (XY)

tienen todos bs genes necesarios para ser

hembras, pero no son tales porque poseen

un gen SRY. Asimismo, las hembras de bs

mamíferos (XX) tienen todos bs genes ne

cesarios para ser machos, pero com o no po

seen el gen SRY, se desarrollan como

hembras.¿Cómo bgra el gen SRY ejercer tal eno r

me efecto e n las características de un mam í

fero? Con base en b que aprendiste en este

capítub, probablemente no te sorprenderá

saber que e l SRY codifica un factor de tran s

cripción. El gen SRY se transcribe sób por

un breve lapso durante el desarrolb em

brionario, y sób en las células que se con-

vartirán en testícubs. Después se vuelve

hactivo durante el resto de la vida del animal.

Sin embargo, en el breve lapso en el que se

produce, el factor de transcripdón que el gen

SRY se encarga de codificar estimula la

expresión de muchos otros genes, cuyos

productos proteicos son esenciales para el

desarrollo de bs testícubs. Una vez forma

dos, bs testícubs en el embrión secretan testosterona, que se une a bs receptores

de andrógenos y activa otros genes, b que

oonduce al desarrolb del p ene y el escroto.

La expresión física del género, por consi

guiente, depende de la expresión cuidadosamente regulada de muchos genes, entre

bs cuales, uno sob , el SRY, sirve como el in

terruptor inicial que activa el desarrolb de

in macho.

Piensa en esto Hemos descrito brevem ente dos diferentes formas en las que una per

sona con cromosomas sexuales XY pueden

desarrollarse como mujeres: el cromosoma

Y podría te ner un g en de fec tuo so SRY, o e l

cromosoma X podría tener un gen del re-

oeptor de andrógenos defectuoso. Supon

gamos que una chica de 16 años está

acongojada y aterrada porque nunca ha

menstruado, y le pregunta a su médico qué

sucede. El módico ordena una prueba de

cromosomas y quizá también un perfil

de hormonas; al analizar bs resultados, descubre que, de hecho, la paciente tiene cro

mosomas X y Y, pero tiene insensibilidad a

bs andrógenos, o bien, carece de un gen

SRY funcional. ¿Qué debería decirle el mé-

dco? Desde luego, se le tendrá que decir

que no tiene útero, que no menstruará nunca y que jamás podrá tener hijos. Pero, más

allá de eso, ¿qué? Para la mayoría d e la ge n

te, una persona con dos cromosomas X es

una mujer, y una con un cromosoma X y uno

Y es un homb re, y eso es todo. ¿El médic o debería decirle que es genéticamente hom bre aunque fisiobgicamente es mujer?

¿Qué provocaría esto en la imagen y la sa

lud psicobgica de la paciente? ¿Qué harías

tú en el lugar del médico? Para ver cóm o un

médico manejó este dilema, véase "The

Curse of the G arcías", escrito por R obert

Marión, en la revista Discover, diciembre de

2000.



TÉRMINOS CLAVE 18

R E P A S O D E L C A P I T U L O

RESUMEN DE CONCEPTOS CLAVE

10.1 ¿Cuál es la relación entre los genes y las proteínas?

Los genes son segmentos de DN A que se transcriben a RN A y, en

el caso de la mayoría de los genes, se traducen en proteínas. La

transcripción produce tres tipos de R NA que son necesarios para

la traducción: RNA mensajero (RNAm), RNA de transferencia

(RNAt) y RNA ribosómico (RNAr). Durante la traducción, el

RNAt y el RNAr colaboran con enzimas y otras proteínas para

descifrar la secuencia de ba ses del RNAm y elaborar una pro teína

con la secuencia de aminoácidos que el gen especifica. El código

genético se com pone de codones, que son secuencias de tres bases

del RNAm que especifican un am inoácido de la cadena proteica,

o bien, el fin de la síntesis de la proteína (codones de term inación o

de “alto”).

10.2 ¿Cómo se transcribe la información de un gen al RNA?

Dentro de una célula individual sólo se transcriben ciertos genes.

Cuando la célula necesita el producto de un gen, la R NA polime-

iasa se une a la región del promo tor del gen y sintetiza una ca de

na individual de RNA . Este R NA es complementario respecto a la

cadena molde de la doble hélice de DNA del gen. Las proteínas

celulares, llamadas factores de transcripción, pueden unirse con

par te s de l p ro m o to r y fa vo re ce r o im pedir la tran sc rip ci ón de un

gen determinado.

Web tutorial 10.1 Transcripción

10.3 ¿Cómo se traduce la secuencia de bases de una

molécula de RNA mensajero a proteínas?

En las células procarióticas todos los nucleótidos de u n gen c odi

ficador de pro teína codifican los am inoácidos y, por con siguiente,

el RN A q ue se transcribe a partir del gen es el RNA m que se tra

ducirá en un ribosom a. En las células eucarióticas, los genes c odi

ficadores de proteínas constan de dos partes: los exones, que

codifican los aminoácidos en una proteína, y los intrones, que no

hacen tal función. De esta forma, los intrones en la trancripcióninicial de pre-RN Am deben ser eliminados y los exones debe n

empalmarse o ayustarse para producir un RNAm maduro.

En los eucariotas el RNA m maduro transporta la información ge

nética del núcleo al citoplasma, donde los ribosomas la utilizan para

sintetizar una proteína. Los ribosomas contienen R NA r y proteínas

que se organizan en subunidades grandes y pequeñas. Estas subu

nidades se reúnen en el prime r codón AU G de la molécula de

RNA m para formar la maquinaria com pleta de síntesis de proteí

nas. Los R NA t l levan los aminoácidos correctos al ribosoma para

su incorporación a la pro teína en crecimiento. El R NA t que se une

y por consiguiente, el aminoácido que se entrega, dependen del

apareamiento de bases entre el anticodón del RNA t y el codón d e

RNAm. D os RNA t, cada uno con un aminoácido, se unen simu

táneamente al ribosoma; la subunidad mayor cataliza la formació

de enlaces peptídicos entre los aminoácidos. Conforme se acopl

cada nuevo aminoácido, se desacopla un RNAt y el ribosom

avanza un codón p ara unirse a otro RN At que l leva el siguient

aminoácido especificado po r el RNA m. La adición de aminoác

dos a la proteína en crecimiento prosigue hasta que se alcanza un

codón de terminación, el cual indica al ribosoma que debe rá de

sintegrarse y l iberar tanto el RNA m com o la proteina recién fo

mada.

Web tutorial 10.2 Traducción

10.4 ¿Cómo influyen las muta aones del DNA en la función

de los genes?

Una mutación es un cambio en la secuencia de nucleótidos de u

gen. Las mutaciones pueden ser causadas por errore s en el apa rea

miento de bases durante la duplicación de la molécula de DN A

po r age n te s qu ím icos o p o r fa ctores am bi en ta le s co m o la ra d iación. Los tipos más comunes de mutaciones incluyen inversiones

translocaciones, inserciones, deleciones y sustituciones (mutacio

nes puntuales). Las mutaciones pued en se r neutras, si lenciosas

dañinas, pero en algunos casos poco com unes la m utación favore

ce una m ejor adaptación al ambien te y, po r lo tanto, se verá favo

recida por la selección natural.

10.5 ¿Cómo se regulan los genes?

Para que un gen se exprese es necesario transcribirlo y traducirlo

la proteína resultante debe realizar cierta acción dentro de la cé

lula. La función de la célula, la etapa de de sarrollo del organism

y el am biente regulan la expresión de los genes individuales de l

célula en un mom ento dado. El control de la regulación de los ge

nes se efectúa en muchas etapas. La cantidad de RNAm que s

sintetiza a partir de un gen específico se regula aumentando o reduciendo la rapidez de su transcripción y tamb ién cam biando l

estabilidad del RN Am mismo. Tam bién se regula la rapidez de tra

ducción de los RNAm. La regulación de la transcripción y de l

traducción influye en el número de m oléculas de proteína que s

pr od uc en a p a rt ir de un gen de te rm in ad o. M uc ha s pr ot eí na s, au

después de sintetizadas, debe n modificarse para que pueda n d e

sempeñar su funcióa Además de regular los genes individuales

las células regulan la transcripción de g rupos de ge nes Por ejem

plo, cr om os om as en te ro s o pa rt es d e cr om os om as podrí an est a

condensados y ser inaccesibles a la RNA polimerasa, mientras qu

otras partes están expandidas y se transcriben l ibremente.

TÉRMINOS CLAVE

ácido ribonucleico

(RNA) pág . 1 69

anticodón pág. 176

cadena molde pág. 172

código genético pág. 171

codón pág. 171

codón de inicio pág. 171

codón de terminación

pág . 171

cuerpo de Barr pág. 185

exón pág. 174

gen estructural pág. 181

gen regulador pág. 181

intrón pág. 174

mutación pág. 178

mutación neutra pág . 1 79

mutación por deleción

pág. 179

mutación por inserción

pág . 1 79

mutación puntual pág. 179

operador pág. 181

operón pág . 181

operón lactosa pág . 181

promotor pág. 172

proteína represora

pág . 181

ribosoma pág. 170

RNA de transferencia (RNAt)

pá g. 170

RNA mensajero (RNAm)

pág. 170

RNA polimerasa pág. 172

RNA ribosómico (RNAr)

pág. 170

sustitución de nucleótidos

pág. 179

traducción pág. 170

transcripción pág . 1 70




RAZONAMIENTO DE CONCEPTOS

1. ¿Cuáles son las diferencias entre el RNA y el DNA?

2. ¿Cuáles son los tres tipos de RNA? ¿Cuál es la función de cadauno?

3. Define los siguientes términos: código genético, codón y antico-

dón. ¿Cuál es la relación entre las bases del DNA, los codones delRNAm y los anticodones del RNAt?

4. ¿Cómo se forma RNAm maduro a partir de un gen eucariótico?

5. Describe la síntesis de proteínas y dibuja un diagrama que la ilustre.

6 . Explica el papel del apareamiento de bases complementarias enla transcripción y en la traducción.

7. Describe algunos mecanismos de regulación de los genes.

8 . Define el término mutación. La mayoría de las mutaciones ¿son

benéficas o peijudiciales? Explica tu respuesta.

APLIC ACIÓ N DE CONCEPTOS

1. Cbmo vimos en este capítulo, son muchos los factores que influyen en la expresión de los genes; entre esos factores destacan las

hormonas El uso de esteroides anabólicos y hormonas del creci

miento por parte de los atletas ha generado controversia en los últimos años. Las hormonas influyen indudablemente en la

expresión de los genes, pero, en sentido más amplio, también influyen las vitaminas y los alimentos. ¿Cuáles crees que deberíanser las pautas respecto al uso de hormonas? ¿Los atletas deberían

tomar esteroides u hormonas del crecimiento? ¿Se debe administrar hormonas del crecimiento a los niños en riesgo de no alcanzar una estatura normal? ¿Se debe permitir a los padres solicitar

hormonas del crecimiento para sus hijos de estatura normal, conla expectativa de convertirlos en futuros jugadores de básquet-

bol?2. Hace unos 40 años, algunos investigadores reportaron que podían

transferir el aprendizaje de un animal (un platelminto) a otro ali-



PARA MAYOR INFORMACIÓN 18

mentando a los animales no entrena dos con los entrenados. Ad e-

más, afirmaban que el R NA e ra la molécula activa del aprendiza-

je. D e ac uerd o con tu con oc im ie nt o de la s fu nc io ne s d e l R N A y

de las proteínas en las células, ¿crees que u n recuerdo específico

(por ejemplo, recordar las secuencias de las bases de los codones

del código genético) podría estar codificado p or una m olécula es-

pe cí fica de RNA y que esta molécula de RNA podría transferi

ese recuerdo a otra persona? En otras palabras, ¿en el futuro se

rá posible que ap rendas biología tomando una píldora de RN A

Si es así, ¿cóm o funcionaría esto? Si no, ¿puede s propo ner una h

pó te si s ra zo na bl e p a ra lo s re su ltad os co n lo s p la te lm in to s? ¿C ó

mo probarías tu hipótesis?

PARA MAYOR INFORMACIÓN

Gibbs, W. W.“The U nseen G enom e: Beyond DNA ”. Scientific American,

diciembre de 2003. La expresión de los genes pue de regularse a través

de generaciones modificando los nucleótidos de DN A.

Grunstein, M. “Histones as Regulators of Genes”. Scientific American,

octubre de 1992. Los histones son proteínas asociadas con el DNA en

b s c romo somas eu ca rió tic os A lgu na vez se pe ns ó que e ra n una espec ie

de andamio para el D NA, pero en realidad son importantes en la regu-

lación de los genes.

Marión, R. “The Curse of the G ard as” . Discover, diciembre de 2000. En

este artículo se relata cóm o un m édico diagnosticó y brindó consejo a

un paciente con insensibilidad a los andrógeno s

Mattick, J. S. “The Hidden Genetic Program of Complex Organisms”.

Scientific American, octubre d e 2004. Organismos “avanzados”, como

los seres humanos tienen sólo un poco más de genes que los gusano

pe ro tienen mucho más DN A qu e no codifica proteínas Parte de est

DNA codifica RNA regulador que podría ser crucial en el desarrollo d

cuerpos complejos

Nirenberg , M. W. “The Gen et ic Co de: I I” . Scientific American, marzo d

1963. Nirenberg describe algunos de los experimentos e n los que desc

fró buena p arte del código genético,

lijan , R. “Molecular Machines That Control Gene s”. Scientific American

febrero de 1995. Complejos de proteínas regulan los genes que habrá

de transcribirse en una c élula y, por consiguiente, ayudan a determina

la estructura y función de la célula.



La continuidad

de la vida:

Reproducción celular

Las quemaduras por el Sol no sólo son dolorosas, sino que en ocasiones

provocan cáncer de la piel.

genetica parte 3, la vida en la tierra, 8va audersik

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