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16.1: Regulación de la expresión genética - Biología

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Habilidades para desarrollar

  • Discutir por qué todas las células no expresan todos sus genes.
  • Describir cómo se produce la regulación de genes procariotas a nivel transcripcional.
  • Discutir cómo se produce la regulación de genes eucariotas a nivel epigenético, transcripcional, postranscripcional, traduccional y postraduccional.

Para que una célula funcione correctamente, las proteínas necesarias deben sintetizarse en el momento adecuado. Todas las células controlan o regulan la síntesis de proteínas a partir de información codificada en su ADN. El proceso de activar un gen para producir ARN y proteínas se llama expresión génica. Ya sea en un organismo unicelular simple o en un organismo multicelular complejo, cada célula controla cuándo y cómo se expresan sus genes. Para que esto suceda, debe haber un mecanismo para controlar cuándo se expresa un gen para producir ARN y proteína, qué cantidad de proteína se produce y cuándo es el momento de dejar de producir esa proteína porque ya no se necesita.

La regulación de la expresión génica conserva la energía y el espacio. Se requeriría una cantidad significativa de energía para que un organismo expresara todos los genes en todo momento, por lo que es más eficiente energéticamente activar los genes solo cuando son necesarios. Además, solo expresar un subconjunto de genes en cada célula ahorra espacio porque el ADN debe desenrollarse de su estructura en espiral para transcribir y traducir el ADN. Las células tendrían que ser enormes si cada proteína se expresara en cada célula todo el tiempo.

El control de la expresión génica es extremadamente complejo. Las fallas en este proceso son perjudiciales para la célula y pueden conducir al desarrollo de muchas enfermedades, incluido el cáncer.

Expresión génica procariota frente a eucariota

Para comprender cómo se regula la expresión génica, primero debemos comprender cómo un gen codifica una proteína funcional en una célula. El proceso ocurre tanto en células procariotas como eucariotas, solo de maneras ligeramente diferentes.

Los organismos procarióticos son organismos unicelulares que carecen de núcleo celular y, por tanto, su ADN flota libremente en el citoplasma celular. Para sintetizar una proteína, los procesos de transcripción y traducción ocurren casi simultáneamente. Cuando la proteína resultante ya no es necesaria, la transcripción se detiene. Como resultado, el método principal para controlar qué tipo de proteína y qué cantidad de cada proteína se expresa en una célula procariota es la regulación de la transcripción del ADN. Todos los pasos posteriores ocurren automáticamente. Cuando se requiere más proteína, se produce más transcripción. Por lo tanto, en las células procariotas, el control de la expresión génica se realiza principalmente a nivel transcripcional.

Las células eucariotas, por el contrario, tienen orgánulos intracelulares que aumentan su complejidad. En las células eucariotas, el ADN está contenido dentro del núcleo de la célula y allí se transcribe en ARN. El ARN recién sintetizado se transporta fuera del núcleo al citoplasma, donde los ribosomas traducen el ARN en proteína. Los procesos de transcripción y traducción están físicamente separados por la membrana nuclear; la transcripción ocurre solo dentro del núcleo y la traducción ocurre solo fuera del núcleo en el citoplasma. La regulación de la expresión génica puede ocurrir en todas las etapas del proceso (Figura ( PageIndex {1} )). La regulación puede ocurrir cuando el ADN se desenrolla y se suelta de los nucleosomas para unirse a factores de transcripción (nivel epigenético), cuando el ARN se transcribe (nivel transcripcional), cuando el ARN se procesa y exporta al citoplasma después de su transcripción (nivel postranscripcional). ), cuando el ARN se traduce en proteína (nivel de traducción) o después de que se ha elaborado la proteína (nivel postraduccional).

Las diferencias en la regulación de la expresión génica entre procariotas y eucariotas se resumen a continuación. La regulación de la expresión génica se analiza en detalle en módulos posteriores.

Tabla ( PageIndex {1} ): Diferencias en la regulación de la expresión génica de organismos procariotas y eucariotas

Organismos procariotasOrganismos eucariotas
Falta núcleoContener núcleo
El ADN se encuentra en el citoplasma.El ADN está confinado al compartimento nuclear.
La transcripción de ARN y la formación de proteínas ocurren casi simultáneamenteLa transcripción del ARN ocurre antes de la formación de proteínas y tiene lugar en el núcleo. La traducción de ARN a proteína ocurre en el citoplasma.
La expresión génica está regulada principalmente a nivel transcripcional.La expresión génica está regulada en muchos niveles (epigenético, transcripcional, transporte nuclear, postranscripcional, traduccional y postraduccional)

Conexión Evolution

Evolución de la regulación genética

Las células procariotas solo pueden regular la expresión génica controlando la cantidad de transcripción. A medida que evolucionaron las células eucariotas, aumentó la complejidad del control de la expresión génica. Por ejemplo, con la evolución de las células eucariotas llegó la compartimentación de importantes componentes celulares y procesos celulares. Se formó una región nuclear que contiene el ADN. La transcripción y la traducción se separaron físicamente en dos compartimentos celulares diferentes. Por lo tanto, fue posible controlar la expresión génica regulando la transcripción en el núcleo y también controlando los niveles de ARN y la traducción de proteínas presentes fuera del núcleo.

Algunos procesos celulares surgieron de la necesidad del organismo de defenderse. Se desarrollaron procesos celulares como el silenciamiento de genes para proteger a la célula de infecciones virales o parasitarias. Si la célula pudiera detener rápidamente la expresión génica durante un corto período de tiempo, podría sobrevivir a una infección cuando otros organismos no pudieron. Por lo tanto, el organismo desarrolló un nuevo proceso que lo ayudó a sobrevivir y pudo transmitir este nuevo desarrollo a la descendencia.

Resumen

Si bien todas las células somáticas de un organismo contienen el mismo ADN, no todas las células de ese organismo expresan las mismas proteínas. Los organismos procariotas expresan todo el ADN que codifican en cada célula, pero no necesariamente todos al mismo tiempo. Las proteínas se expresan solo cuando se necesitan. Los organismos eucariotas expresan un subconjunto del ADN que está codificado en cualquier célula dada. En cada tipo de célula, el tipo y la cantidad de proteína se regula controlando la expresión génica. Para expresar una proteína, el ADN se transcribe primero en ARN, que luego se traduce en proteínas. En las células procariotas, estos procesos ocurren casi simultáneamente. En las células eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y está separada de la traducción que ocurre en el citoplasma. La expresión génica en procariotas está regulada sólo a nivel transcripcional, mientras que en células eucariotas, la expresión génica está regulada a nivel epigenético, transcripcional, postranscripcional, traduccional y postraduccional.

Preguntas de revisión

¿En qué nivel (s) se produce el control de la expresión génica en células eucariotas?

  1. solo el nivel transcripcional
  2. niveles epigenéticos y transcripcionales
  3. niveles epigenéticos, transcripcionales y traslacionales
  4. niveles epigenéticos, transcripcionales, postranscripcionales, traslacionales y postraduccionales

D

El control postraduccional se refiere a:

  1. regulación de la expresión génica después de la transcripción
  2. regulación de la expresión génica después de la traducción
  3. control de la activación epigenética
  4. período entre la transcripción y la traducción

B

Respuesta libre

Nombra dos diferencias entre las células procariotas y eucariotas y cómo estas diferencias benefician a los organismos multicelulares.

Las células eucariotas tienen núcleo, mientras que las células procariotas no. En las células eucariotas, el ADN está confinado dentro de la región nuclear. Debido a esto, la transcripción y la traducción están físicamente separadas. Esto crea un mecanismo más complejo para el control de la expresión génica que beneficia a los organismos multicelulares porque compartimenta la regulación génica.

La expresión génica ocurre en muchas etapas en las células eucariotas, mientras que en las células procariotas, el control de la expresión génica solo ocurre a nivel transcripcional. Esto permite un mayor control de la expresión génica en eucariotas y el desarrollo de sistemas más complejos. Debido a esto, pueden surgir diferentes tipos de células en un organismo individual.

Describe cómo el control de la expresión génica alterará los niveles generales de proteína en la célula.

La célula controla qué proteínas se expresan y a qué nivel se expresa cada proteína en la célula. Las células procariotas alteran la tasa de transcripción para activar o desactivar genes. Este método aumentará o disminuirá los niveles de proteínas en respuesta a lo que necesita la célula. Las células eucariotas cambian la accesibilidad (epigenética), la transcripción o la traducción de un gen. Esto alterará la cantidad de ARN y la vida útil del ARN para alterar la cantidad de proteína que existe. Las células eucariotas también controlan la traducción de proteínas para aumentar o disminuir los niveles generales. Los organismos eucariotas son mucho más complejos y pueden manipular los niveles de proteínas cambiando muchas etapas en el proceso.

Glosario

epigenético
cambios hereditarios que no implican cambios en la secuencia de ADN
la expresion genica
procesos que controlan la activación o desactivación de un gen
postranscripcional
control de la expresión génica después de que se ha creado la molécula de ARN pero antes de que se traduzca en proteína
postraduccional
control de la expresión génica después de que se ha creado una proteína

Conexión para cursos AP ®

La estructura y función en biología resultan de la presencia de información genética y la expresión correcta de esta información. En el capítulo sobre la estructura y función del ADN, exploramos cómo los genes se traducen en proteínas, que a su vez determinan la naturaleza de la célula. Pero, ¿cómo sabe una célula cuándo encender su ADN? Con pocas excepciones, cada célula de su cuerpo contiene información genética idéntica. Si cada célula tiene exactamente la misma composición de ADN, ¿en qué se diferencia una célula del hígado de una célula nerviosa o muscular?

Como descubriremos, aunque cada célula comparte el mismo genoma y secuencia de ADN, cada célula no expresa exactamente los mismos genes. Muchos factores determinan cuándo y cómo se expresan los genes en una célula determinada. Incluso el tipo de cromosoma en el que se encuentra un gen, como si es un cromosoma sexual o no, puede determinar su patrón de expresión, al igual que las mutaciones o cambios en la secuencia del ADN y otros factores externos. En los procariotas, la expresión génica se regula principalmente a nivel de transcripción, cuando el ADN se copia en ARN. Sin embargo, los eucariotas han desarrollado mecanismos reguladores en la expresión génica en múltiples niveles. En todos los casos, la regulación de la expresión génica determina el tipo y la cantidad de proteína producida en la célula. Los errores en los procesos regulatorios pueden resultar en muchas enfermedades y afecciones humanas, incluido el cáncer.

La regulación de la expresión génica ocurre en diferentes puntos en procariotas y eucariotas. Los organismos procariotas expresan todo su genoma en cada célula, pero no necesariamente todos al mismo tiempo. En general, un gen se expresa solo cuando se necesita su producto proteico específico. Recuerde que cada célula de un organismo lleva el mismo ADN que todas las demás células. Sin embargo, las células de los organismos eucariotas expresan cada una un subconjunto único de ADN según el tipo de célula. Para expresar una proteína, el ADN se transcribe primero en ARN, que luego se traduce en proteínas. En las células procariotas, la transcripción y la traducción ocurren casi simultáneamente. En las células eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo, separada de la traducción que ocurre en el citoplasma a lo largo de los ribosomas unidos al retículo endoplásmico. Como se indicó anteriormente, la expresión génica en procariotas está regulada a nivel de transcripción, mientras que en eucariotas, la expresión génica está regulada a múltiples niveles, incluidos los niveles epigenético (ADN), transcripcional, pre y postranscripcional y traduccional.

La ciencia de la epigenética estudia los cambios hereditarios en el genoma que no afectan las secuencias de genes subyacentes del ADN.

El contenido presentado en esta sección respalda los Objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 3 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los objetivos de aprendizaje de AP ® fusionan el contenido de conocimientos esenciales con una o más de las siete prácticas científicas. Estos objetivos proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP®, junto con experiencias de laboratorio basadas en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP®.

Gran idea 3 Los sistemas vivos almacenan, recuperan, transmiten y responden a información esencial para los procesos de la vida.
Comprensión duradera 3.B La expresión de información genética involucra mecanismos celulares y moleculares.
Conocimiento esencial 3.B.1 La regulación genética da como resultado una expresión genética diferencial que conduce a la especialización celular.
Práctica de la ciencia 7.1 El estudiante puede conectar fenómenos y modelos a través de escalas espaciales y temporales.
Objetivo de aprendizaje 3.18 El estudiante es capaz de describir la conexión entre la regulación de la expresión génica y las diferencias observadas entre diferentes tipos de organismos.

Para que una célula funcione correctamente, las proteínas necesarias deben sintetizarse en el momento adecuado. Todas las células controlan o regulan la síntesis de proteínas a partir de información codificada en su ADN. El proceso de activar un gen para producir ARN y proteínas se llama expresión génica. Ya sea en un organismo unicelular simple o en un organismo multicelular complejo, cada célula controla cuándo y cómo se expresan sus genes. Para que esto suceda, debe haber un mecanismo para controlar cuándo se expresa un gen para producir ARN y proteína, qué cantidad de proteína se produce y cuándo es el momento de dejar de producir esa proteína porque ya no se necesita.

La regulación de la regulación genética es responsable de las diferencias fenotípicas entre células con genomas similares o idénticos. Por ejemplo, las células de la piel se diferencian de las células ciliadas a pesar de que tienen el mismo genoma porque se encuentran en la misma persona y porque diferentes genes se activan o desactivan en estas células. De manera similar, los chimpancés comparten más del 98 por ciento de sus genomas con los humanos modernos. Sin embargo, los chimpancés tienen más pelo en más partes del cuerpo que los humanos. Esta diferencia se debe a que los genes responsables de la formación de los folículos pilosos se activan en más partes de la piel durante el desarrollo en los chimpancés que en los humanos. Incluso los organismos que comparten el 100 por ciento de identidad en sus genomas pueden parecer fenotípicamente diferentes debido a la expresión genética diferencial. Por ejemplo, los gemelos idénticos parecen muy similares porque comparten el mismo genoma. Sin embargo, las personas familiarizadas con ellos a menudo pueden distinguirlos debido a ligeras diferencias en las marcas de nacimiento, las arrugas o el comportamiento. Muchos de estos rasgos surgen porque la expresión génica está regulada de manera ligeramente diferente en dos individuos con genomas por lo demás idénticos.

La regulación de la regulación genética es responsable de las diferencias fenotípicas entre células con genomas similares o idénticos. Por ejemplo, las células de la piel se diferencian de las células ciliadas a pesar de que tienen el mismo genoma porque se encuentran en la misma persona y porque diferentes genes se activan o desactivan en estas células. Del mismo modo, los chimpancés comparten más del 98% de sus genomas con los humanos modernos. Sin embargo, los chimpancés tienen más pelo en más partes del cuerpo que los humanos. Esta diferencia se debe a que los genes responsables de la formación de los folículos pilosos se activan en más partes de la piel durante el desarrollo en los chimpancés que en los humanos. Incluso los organismos que comparten el 100 por ciento de identidad en sus genomas pueden parecer fenotípicamente diferentes debido a la expresión diferencial de genes. Por ejemplo, los gemelos idénticos parecen muy similares porque comparten el mismo genoma. Sin embargo, las personas familiarizadas con ellos a menudo pueden distinguirlos debido a ligeras diferencias en las marcas de nacimiento, las arrugas o el comportamiento. Muchos de estos rasgos surgen porque la expresión génica está regulada de manera ligeramente diferente en dos individuos con genomas por lo demás idénticos.

La regulación de la expresión génica conserva la energía y el espacio. Se requeriría una cantidad significativa de energía para que un organismo expresara todos los genes en todo momento, por lo que es más eficiente energéticamente activar los genes solo cuando son necesarios. Además, solo expresar un subconjunto de genes en cada célula ahorra espacio porque el ADN debe desenrollarse de su estructura en espiral para transcribir y traducir el ADN. Las células tendrían que ser enormes si cada proteína se expresara en cada célula todo el tiempo.

El control de la expresión génica es extremadamente complejo. Las fallas en este proceso son perjudiciales para la célula y pueden conducir al desarrollo de muchas enfermedades.


Ver el vídeo: Regulacion de la expresion genica a nivel de la traduccion (Octubre 2022).