Al analizar los procesos de transcripción y traducción de la información genética, hemos vislumbrado los asombrosos mecanismos que regulan la expresión de dichos genes. Podemos mencionar ejemplificando:


•Los factores de transcripción basales y específicos que interactúan con secuencias reguladoras y promotoras del gene en cuestión.

•Los factores de iniciación, elongación y terminación, que regulan la traducción de la información contenida en el ARN mensajero a la estructura primaria de una determinada proteína.

•El grado de metilación y acetilación de la cromatina que, de esta manera, determina su poca, mediana o mucha proporción de accesibilidad.

•Los mecanismos de maduración de los transcriptos primarios de los ARN mensajeros, necesarios para que este pueda abandonar el núcleo a través del delicado proceso de exportación mediante complejo del poro nuclear, y así; encontrarse en el citoplasma para ser leído, traducido, decodificado a la estructura primaria de una proteína.


En procariotas podemos encontrar un importante ejemplo de regulación de la expresión génica. Hablamos pues, de los operones. Indaguemos un poco en este excepcional mecanismo.

Un operón es un grupo de genes que se encuentran muy próximos entre si y que pueden ser activados o inhibidos en forma conjunta. Debemos recordar que un gen que se activa es aquel que se transcribe y se traduce. Por otro lado, un gen inhibido, reprimido o silenciado, es aquel cuya transcripción y traducción se hace imposible. A este grupo de genes que se encuentran próximos entre si en el operón, los llamaremos genes estructurales. Estos siempre se transcriben a un ARN mensajero policistronico, que posteriormente puede traducirse a varias enzimas que participan en una misma vía metabólica. Esto quiere decir que las diferentes enzimas que se expresan a partir de los genes estructurales del operón, si bien cumplen diferentes funciones, todas ellas se interconectan con una en común, como enuncié antes; una vía metabólica final común.


Estructura del operón

El gen regulador se transcribe y traduce constitutivamente a la llamada proteína represora. Ahora, esta proteína puede generarse en forma activa o con función inactiva. Si la proteína represora se expresa activa se unirá con el operador del operón en cuestión, impidiendo que este pueda regular la tasa de transcripción de los genes estructurales e impidiendo, de esta manera, que la ARN polimerasa interactué con el promotor, no iniciándose la transcripción. Es decir, si la proteína represora se fabrica en forma activa el operón no funciona. En cambio, si el represor se expresa bajo su conformación inactiva, por obviedad, no podrá reprimir al operador y, por lo tanto, el operón funciona correctamente; se transcribirán los genes estructurales.
En la esteritchia colli, una bacteria residente en nuestra flora intestinal, se ha podido estudiar fundamentalmente dos operones de importancia. Hablamos del operón lactosa y el operón triptófano. Trataremos de analizar el comportamiento de estas estructuras desde un punto de vista temporal, para su mayor comprensión.

Operón lactosa

En esta bacteria la lactosa es una fuente alternativa de carbonos cuando la glucosa se encuentra poco disponible. Es decir, cuando en la bacteria la concentración intracelular de glucosa alcanza niveles bajos, se utiliza lactosa para la obtención energética. Recordemos que la lactosa es un disacárido con unión beta glicosidica formado por glucosa y galactosa.
Los genes estructurales del operón lactosa se transcriben, cuando el operón está activo, a un único ARN mensajero que luego será traducido a tres proteínas. Específicamente tres enzimas implicadas en la degradación de la lactosa para la obtención de energía. Dichas enzimas son la beta galactosidasa, transacetilasa y permeasa. Entonces, como primera conclusión sobre el fascinante comportamiento de este operón, podemos decir que cuando la disponibilidad de glucosa citosólica es escasa, el operan lactosa se encuentra en estado activo, lo que significa que se transcribirán los genes estructurales, se producirán las tres enzimas implicadas en el catabolismo de la lactosa, se degradará este disacárido y se obtendrá energía.
Ahora bien, la proteína represora nace en estado activo. Esto quiere decir que ni bien se sintetiza, automáticamente, inhibe, reprime o controla negativamente al operador de toda esta estructura genética. Con esta represión logramos que la ARN polimerasa no pueda interactuar con la secuencia promotora y, por lo tanto, el operón está inhibido o reprimido, con lo que no se sintetizarán las enzimas catabolizantes de lactosa y no se obtendrá energía a partir de esta.

Podemos afirmar, entonces, que la proteína represora, en el operón lactosa, se sintetiza en forma activa y ejerce un control negativo directo sobre el operón.

El hecho de que no se degrade lactosa implica necesariamente su acumulación en el citoplasma de la célula. Cuando la concentración molar de lactosa citosólica alcanza niveles por demás elevados, un metabolito de este disacárido llamado alolactosa, se une específicamente al represor y lo inactiva. Es decir, en otras palabras, cuando hay mucha lactosa en el citoplasma de la bacteria, ella misma se une a la proteína represora y la inactiva. De esta manera se desplaza de su unión con el operador, se deja de inhibir al operón y, entonces, se fabrican las tres enzimas que degradan la lactosa para la obtención de energía.

Conclusión; la lactosa ejerce un control negativo sobre la proteína represora y, solo de esta manera, un control positivo indirecto sobre el operón. Es decir, la propia lactosa induce el buen funcionamiento del operón. Por esta última razón el operón lactosa es considerado un claro ejemplo de inducción enzimática.

Entonces ya tenemos dos requisitos para el buen funcionamiento de esta estructura de regulación génica; por un lado, que la concentración de lactosa sea lo suficientemente alta para inactivar a la proteína represora. Y por otro, que la concentración de glucosa sea muy baja, como dijimos al comienzo de este apartado. Pero…

¿Cuál es la causa para que la baja concentración de glucosa ejerza el mismo efecto que la elevada molaridad de lactosa?

Si bien muchos aspectos de la respuesta a esta pregunta escapan al motivo de esta presentación, podemos decir algunas cuestiones que serán fácilmente comprensibles.

Cuando la molaridad de glucosa en el citoplasma celular presenta un modulo bajo, se produce un aumento, explicado solo por el metabolismo de la glucosa, de la concentración citoplasmática de otro metabolito; el AMP cíclico. Esta molécula se liga a una proteína conocida como péptido activador de catabolitos; CAP. De esta manera se conforma el complejo CAP-AMPc que se unirá con la secuencia promotora del operón lactosa, produciendo una activación de su función. Es decir, la disminución de glucosa, a través del complejo CAP-AMPc, ejerce un control positivo directo sobre el operón, activando a su secuencia promotora.

Tenemos un corolario que decanta por si solo:

El triptófano es un aminoácido no esencial de la célula procariota. Con esto queremos decir que este aminoácido puede ser sintetizado por la propia bacteria. Los genes estructurales de este operón son cinco en número y se transcriben, solo si el operón funciona correctamente, a un ARN mensajero policistronico que luego se traduce a cinco enzimas que intervienen en la síntesis del triptófano. En efecto, así como las enzimas del operan lactosa estaban implicadas en la degradación de este disacárido, en esta estructura las enzimas están implicadas en la síntesis de este aminoácido.

La proteína represora se sintetiza en su forma inactiva en este operón. Como se concluye con facilidad, entonces, esta proteína no podrá unirse a la secuencia operadora y el operón va a encontrarse funcionante; Se fabrican las cinco enzimas implicadas en el anabolismo del triptófano y se produce un aumento en la tasa de síntesis de este aminoácido.

Como consecuencia necesariamente directa, se produce un aumento en los niveles citosólicos de triptófano. Cuando su concentración molar llega a niveles elevados, una de estas moléculas de triptófano logra unirse a la proteína represora logrando su activación. Es decir, el complejo triptófano- proteína represora se encuentra en estado activo. En otras palabras, el propio triptófano activa al represor, que ahora podrá reprimir justamente al operador y, de esta manera, lograr la inactivación del operón, impidiendo la síntesis de triptófano. Entonces, aquí también la proteína represora ejerce un control negativo sobre el operón. Pero, como cae de maduro, el propio triptófano ejerce un control negativo indirecto sobre esta estructura.

Por eso el operón triptófano es un clarísimo ejemplo de represión enzimática, ya que el propio triptófano, mediante unión con proteína represora, inhibe el buen funcionamiento de todo el complejo de regulación génica.

Como corolario; para que el operón triptófano pueda funcionar correctamente, tenemos un solo requisito fundamental. Este es, simplemente, que la concentración del aminoácido triptófano sea baja.

Al analizar el funcionamiento de estos operones, puede verse con claridad como las condiciones ambientales reinantes afectan la tasa de transcripción génica. Obsérvese como el ambiente, en otras palabras, de alguna manera indica a la célula que genes deben transcribirse y con que intensidad debe realizarse este proceso.

Ahora bien, esta regulación no es exclusiva para células procariotas. Debemos mencionar que en eucariotas existen mecanismos moleculares que permiten la regulación ambiental de la expresión genética. No es tan simple de entendimiento, como en el caso de los operones, pero sin duda existen.