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title: "Control de la expresión génica"
book: "Biología universitaria — primer año"
subject: biology
language: es
chapter: 20
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/20-control-de-la-expresion-genica
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# Capítulo 20 — Control de la expresión génica

Una bacteria que crece con glucosa lleva cinco moléculas de la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) que digiere la lactosa; dese le lactosa y, en minutos, llevará cinco mil. Una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepática y una [neurona](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/4-planes-de-organizacion-animal-y-tejidos#def-b1-body-plans-tissues-nervous) llevan los mismos veinte mil [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) y fabrican conjuntos de [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) casi enteramente distintos, y ninguna fabricará nunca el de la otra. Nada del [Capítulo 19](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#ch-b1-gene-expression) explica esto: la maquinaria de la expresión es la misma para todos los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene). Lo que difiere es si un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) se lee, con qué frecuencia y durante cuánto tiempo: decisiones que se toman en el promotor por [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) que se unen al [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) y, después de él, por el destino del mensajero y de la [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide). Este capítulo describe cómo las bacterias encienden y apagan [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) según su alimento, cómo los eucariotas controlan los suyos mediante la cromatina, [potenciadores](#def-b1-expression-control-enhancer) lejanos y combinaciones de factores, y cómo ese mismo control, aplicado a [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) distintos en [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) distintas, hace un cuerpo a partir de un solo [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome).

## 20.1 Por qué y dónde se controlan los genes

**Proposición 20.1 (La expresión se regula, y en todos los niveles).**

Algunos [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) son *constitutivos*: se expresan siempre, y a un nivel constante, porque sus productos son siempre necesarios (las [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) del [ribosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome), las [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) de la [glucólisis](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/15-respiracion-celular-y-fermentacion#def-b1-respiration-fermentation-glycolysis)). Casi todos están *regulados*: se expresan solo en ciertas condiciones, en ciertas [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) y en ciertos momentos. El control actúa en todos los pasos del flujo — sobre todo al comienzo de la transcripción, el lugar más barato donde decidir, pero también en la maduración, la exportación, la estabilidad y la traducción del mensajero, y en la modificación y la degradación de la [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) — y los tiempos de respuesta van de segundos (una [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) modificada) a minutos (un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) bacteriano encendido) y a días (un estado de cromatina cambiado).

**Ejemplo 20.2 (Fabricar enzimas solo cuando hacen falta).**

La [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) $\beta$-galactosidasa, que escinde la lactosa, es un tetrámero de cuatro cadenas de $1024\,$ residuos: cinco mil copias son el $3\,\%$ de la [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) de una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) y cuestan $8 \times 10^{7}\,$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp) por generación. Una bacteria que las fabricara sin lactosa que digerir crecería alrededor de un uno por ciento más despacio que una competidora que no lo hiciera y, en unos cientos de generaciones, quedaría en minoría. La regulación se selecciona porque la expresión es cara.

## 20.2 El operón lac

**Definición 20.3 (Operón, represor, operador).**

Un *operón* es un grupo de [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) bacterianos que se transcriben juntos desde un mismo promotor en un solo mensajero y que, por tanto, se controlan juntos. El *operón lac* de *E. coli* comprende tres [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) para el uso de la lactosa — *lacZ* ($\beta$-galactosidasa), *lacY* (la permeasa de lactosa que la importa) y *lacA* — tras un promotor y un *operador*, una secuencia corta que solapa con el promotor. Un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) aparte, *lacI*, fabrica el *represor lac*, una [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) que se une al operador y bloquea la polimerasa. La lactosa, convertida en la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en alolactosa, es el *inductor*: se une al represor, le cambia la forma y hace que suelte el operador. El operón está así apagado a menos que haya lactosa: un *control negativo* que levanta la *inducción*.

![El operón lac. Sin lactosa el represor se sienta sobre el operador y la polimerasa no puede arrancar; con lactosa el inductor aparta al represor y los tres genes se transcriben en un solo mensajero.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-5deca29f13f0.svg)

*El [operón lac](#def-b1-expression-control-operon). Sin lactosa el [represor](#def-b1-expression-control-operon) se sienta sobre el [operador](#def-b1-expression-control-operon) y la polimerasa no puede arrancar; con lactosa el inductor aparta al [represor](#def-b1-expression-control-operon) y los tres [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) se transcriben en un solo mensajero.*

**Proposición 20.4 (El modelo del operón).**

Los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) lac los controla un [represor](#def-b1-expression-control-operon) difusible que actúa sobre un sitio contiguo a los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene): el control es negativo, el [represor](#def-b1-expression-control-operon) actúa en *trans* (desde cualquier punto de la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell)) y el [operador](#def-b1-expression-control-operon) actúa en *cis* (solo sobre los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) contiguos a él).

**Evidencia.** Jacob y Monod (1959–1961) razonaron a partir de mutantes. Las cepas mutantes en *lacI* ($I^-$) fabricaban la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) con lactosa o sin ella (*constitutivas*); un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) *lacI* normal introducido en una segunda copia de la región restablecía la regulación, luego el producto del [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) es un [represor](#def-b1-expression-control-operon) difusible del que un mutante carece. Las cepas mutantes en el [operador](#def-b1-expression-control-operon) ($O^c$) también eran constitutivas, pero un segundo [operador](#def-b1-expression-control-operon) normal en otra copia no restablecía la regulación: el [operador](#def-b1-expression-control-operon) solo controla los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) que tiene físicamente unidos, así que es un sitio y no un producto. Una tercera clase ($I^s$) no podía inducirse en absoluto y era dominante: un [represor](#def-b1-expression-control-operon) que ya no fija el inductor. En el experimento PaJaMo (1959), un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) *lacI* normal transferido por conjugación a una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) $I^-$ detuvo la síntesis de la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) en pocos minutos: el [represor](#def-b1-expression-control-operon) actúa deprisa y sobre la transcripción; después se demostró que el mensajero tiene una vida media de minutos. ∎

**Definición 20.5 (Control positivo: la CAP y el AMPc).**

El promotor lac es débil: incluso sin el [represor](#def-b1-expression-control-operon), la polimerasa arranca pocas veces si no hay una segunda [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide), la *CAP* ([proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) activadora por catabolito), unida justo aguas arriba, que dobla el [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) y sujeta la polimerasa en su sitio. La CAP se une al [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) solo cuando lleva *AMP cíclico*, cuyo nivel en la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) cae cuando abunda la glucosa. El [operón](#def-b1-expression-control-operon) está, por tanto, plenamente encendido solo cuando hay lactosa *y* falta glucosa: dos señales, una negativa y otra positiva, se integran en un solo promotor. Con los dos azúcares presentes, *E. coli* consume primero la glucosa, hace una pausa mientras sube el AMPc y se fabrican las [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) lac, y consume después la lactosa: la curva de crecimiento en dos fases llamada *diauxia*, que Monod describió en 1941 y que lo puso en el camino del [operón](#def-b1-expression-control-operon).

![Crecimiento diáuxico de E. coli con glucosa y lactosa. El cultivo crece solo con glucosa, se detiene cuando esta se agota y se reanuda con lactosa tras la media hora que cuesta inducir el operón lac.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-7a1e3efcd981.svg)

*Crecimiento diáuxico de *E. coli* con glucosa y lactosa. El cultivo crece solo con glucosa, se detiene cuando esta se agota y se reanuda con lactosa tras la media hora que cuesta inducir el [operón lac](#def-b1-expression-control-operon).*

![El operón lac hecho visible: colonias en una placa con X-gal, un sustrato incoloro que la -galactosidasa vuelve azul. Las colonias azules expresan lacZ; las blancas llevan un gen roto: el gen delator usado en mil experimentos.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/img-27d15b010166.jpg)

*El [operón lac](#def-b1-expression-control-operon) hecho visible: colonias en una placa con X-gal, un [sustrato](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) incoloro que la $\beta$-galactosidasa vuelve azul. Las colonias azules expresan *lacZ*; las blancas llevan un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) roto: el [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) delator usado en mil experimentos.*

**Método 20.6 (Predicción de un fenotipo lac).**

1. Escríbase el genotipo de cada copia de la región: $I$ , $P$ , $O$ , $Z$ ( $^+$ normal, $^-$ inactivo, $O^c$ [operador](#def-b1-expression-control-operon) constitutivo, $I^s$ superrepresor).
2. El [represor](#def-b1-expression-control-operon) actúa en trans: un solo $I^+$ en cualquier sitio reprime todos los [operadores](#def-b1-expression-control-operon) normales; $I^s$ reprime haya el inductor que haya.
3. El [operador](#def-b1-expression-control-operon) y el promotor actúan en cis: un $O^c$ libera solo el $Z$ de su propio [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) ; un $P^-$ silencia solo sus propios [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) .
4. Pregúntese, con inductor y sin él, si cada [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) $Z^+$ se transcribe; el fenotipo será inducible, constitutivo o no inducible según el caso. Añádase después glucosa: sin AMPc–CAP la transcripción es baja haga lo que haga el [represor](#def-b1-expression-control-operon) .

**Ejemplo 20.7 (Dos diploides parciales).**

$I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$: la copia $I^+$ fabrica [represor](#def-b1-expression-control-operon) que se une al $O^+$ contiguo a $Z^+$; inducible, pues la mutación queda complementada. $I^+\,O^c\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$: el único $Z$ funcional está tras un [operador](#def-b1-expression-control-operon) al que el [represor](#def-b1-expression-control-operon) no puede unirse; constitutivo, pues el [operador](#def-b1-expression-control-operon) normal de la otra copia no puede ayudar, ya que solo controla el $Z$ roto.

## 20.3 Otras estrategias bacterianas

**Proposición 20.8 (Represión, atenuación y factores sigma).**

Los operones de biosíntesis se controlan en el sentido opuesto: el *[operón trp](#prop-b1-expression-control-trp)*, cinco [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) para fabricar triptófano, se transcribe a menos que haya triptófano; el [aminoácido](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-aminoacid) se une al [represor](#def-b1-expression-control-operon) trp y lo *habilita* para unirse al [operador](#def-b1-expression-control-operon) (es un correpresor). Un segundo control, más fino, la *atenuación*, aprovecha el acoplamiento entre transcripción y traducción de las bacterias: el comienzo del mensajero codifica un péptido corto con dos triptófanos seguidos; si abunda el ARNt cargado de triptófano, un [ribosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome) lo traduce deprisa y el [ARN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) de detrás se pliega en una horquilla terminadora que detiene la polimerasa antes de los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene); si el triptófano escasea, el [ribosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome) se atasca en los codones de triptófano y el [ARN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) se pliega de otro modo, con lo que la transcripción continúa. Las bacterias cambian además conjuntos enteros de [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) cambiando la subunidad $\sigma$ de su polimerasa: un $\sigma$ de choque térmico la dirige a los promotores de los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) de [chaperonas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#prop-b1-proteins-denaturation); un $\sigma$ de esporulación, a los de la formación de esporas.

## 20.4 El control en los eucariotas

**Definición 20.9 (Factores de transcripción, potenciadores).**

En los eucariotas la polimerasa nunca arranca sola: los factores generales del promotor ([Capítulo 19](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#ch-b1-gene-expression)) la reclutan, y la velocidad la fijan los *factores de transcripción* unidos a *secuencias reguladoras* — unas cercanas al promotor y muchas en *potenciadores* que pueden quedar a miles de [pares de bases](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#thm-b1-nucleic-acids-helix), aguas arriba, aguas abajo o en un [intrón](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene), en cualquier orientación, y que actúan formando un *bucle* en el [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) para que los factores unidos a ellos toquen el complejo del promotor a través de [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) mediadoras. Un factor de transcripción es modular: un *dominio de unión al [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain)* que reconoce una secuencia corta (familias hélice-giro-hélice, dedo de cinc, cremallera de leucinas) y un dominio de *activación* o de *represión* que recluta o bloquea la maquinaria. Un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) se lee cuando está presente la *combinación* adecuada de factores: unos pocos cientos de factores, en combinaciones, controlan veinte mil [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene).

![La acción de un potenciador. Los activadores unidos a un potenciador lejano se acercan al promotor gracias a un bucle del ADN, y un complejo mediador transmite su señal a la polimerasa.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-7ef03a2a98a8.svg)

*La acción de un [potenciador](#def-b1-expression-control-enhancer). Los activadores unidos a un [potenciador](#def-b1-expression-control-enhancer) lejano se acercan al promotor gracias a un bucle del [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain), y un complejo mediador transmite su señal a la polimerasa.*

**Proposición 20.10 (La cromatina forma parte del control).**

Un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) envuelto en [nucleosomas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-nucleosome) empaquetados en heterocromatina no puede leerse: los factores no llegan a él. Los activadores reclutan [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) que *acetilan* las [histonas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-nucleosome), con lo que aflojan su agarre sobre el [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) y marcan la región como abierta; los [represores](#def-b1-expression-control-operon) reclutan [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) que retiran los grupos acetilo y añaden marcas que compactan la cromatina. Los grupos metilo añadidos a las citosinas de un promotor lo silencian de manera duradera, y las marcas se copian en la replicación, de modo que el patrón de [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) abiertos y cerrados de una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) lo heredan sus hijas: la memoria por la que las hijas de una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepática siguen siendo [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepáticas (el volumen del tercer año trata a fondo estos mecanismos *epigenéticos*).

**Evidencia.** En los [cromosomas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) politénicos gigantes de las larvas de mosca (mil copias de cada [cromosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) una junto a otra, con bandas), los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) que se están transcribiendo aparecen como *abultamientos* donde la cromatina se ha desplegado; la hormona ecdisona, que desencadena la muda, hace aparecer un conjunto concreto de abultamientos en pocos minutos y otros horas después, en una secuencia fija: la transcripción vista directamente y accionada por una señal. Los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) desplazados por reordenaciones cromosómicas junto a la heterocromatina quedan silenciados en unas [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) y no en otras, y el estado lo heredan sus hijas. ∎

![Un cromosoma politénico de la glándula salival de una mosca: con bandas y con dos abultamientos donde la cromatina se ha abierto para la transcripción. Los abultamientos aparecen y desaparecen a medida que los genes se encienden y se apagan.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/img-fccaea43354d.jpg)

*Un [cromosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) politénico de la glándula salival de una mosca: con bandas y con dos abultamientos donde la cromatina se ha abierto para la transcripción. Los abultamientos aparecen y desaparecen a medida que los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) se encienden y se apagan.*

**Ejemplo 20.11 (Una señal se convierte en un patrón de expresión).**

El cortisol entra en una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepática y se une a su receptor, un [factor de transcripción](#def-b1-expression-control-enhancer) que se mantiene inactivo en el [citosol](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/6-organizacion-funcional-de-la-celula-eucariota#def-b1-eukaryotic-cell-organelle); el complejo entra en el núcleo, se une a una secuencia de quince bases presente cerca de un centenar de [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) — entre ellos los de la [gluconeogénesis](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/16-biosintesis-y-celula-integrada#def-b1-biosyntheses-integration-gluconeogenesis) ([Capítulo 16](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/16-biosintesis-y-celula-integrada#ch-b1-biosyntheses-integration)) — y recluta acetilasas y mediador: en menos de una hora se están fabricando las [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) de la síntesis de glucosa. Esa misma hormona, en un linfocito cuya cromatina abierta expone un conjunto distinto de esas secuencias, enciende [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) que matan a la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell). Una señal, un receptor, dos respuestas: la diferencia está en qué [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) estaban accesibles.

## 20.5 Después de la transcripción, y la construcción de un cuerpo

**Proposición 20.12 (Control más allá del promotor).**

Una [célula eucariota](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk) decide además cómo se corta y se empalma un transcrito (el empalme alternativo da a un músculo y a un encéfalo [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) distintas a partir de un mismo [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene)), si se exporta, cuánto dura (vidas medias que van de minutos, en los mensajes de las [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) reguladoras, a días, en el de la hemoglobina, fijadas por secuencias de las regiones no traducidas que unen [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) y [ARN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) reguladores pequeños) y si se traduce (las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) faltas de hierro bloquean la traducción del mensaje de la ferritina con una [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) unida a su extremo $5'$, y la liberan cuando hay hierro). Una vez fabricada, la [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) se controla por modificación y por degradación ([Capítulo 13](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#ch-b1-enzymes)). Cada nivel posterior es más rápido y más local que el anterior, y más caro: la transcripción decide lo que la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) puede hacer, y los niveles posteriores lo que hace ahora.

**Proposición 20.13 (La expresión diferencial construye un cuerpo).**

Todas las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de un [organismo](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/1-el-organismo-un-sistema-en-interaccion-con-su-medio#def-b1-organism-environment-organism) pluricelular llevan el mismo [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome); las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) difieren porque expresan subconjuntos distintos de él. Los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) *de mantenimiento* — unos pocos miles, para el metabolismo, el [ribosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome) y el [citoesqueleto](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/6-organizacion-funcional-de-la-celula-eucariota#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) — están encendidos en todas las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell); los demás se encienden en unas [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) y se apagan en otras según las combinaciones de [factores de transcripción](#def-b1-expression-control-enhancer) que lleve cada una y los estados de cromatina que haya heredado. El precursor de un glóbulo rojo enciende la globina y apaga casi todo lo demás; una [neurona](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/4-planes-de-organizacion-animal-y-tejidos#def-b1-body-plans-tissues-nervous) enciende sus [canales](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/7-membranas-y-transporte-de-membrana#def-b1-membranes-transport-transporters) y no vuelve a dividirse. La *diferenciación* es la adquisición de un patrón estable de expresión, y el *desarrollo* (volumen del segundo año) es el proceso por el que las señales entre [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fijan esos patrones en los lugares adecuados.

**Evidencia.** Un núcleo tomado de una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) diferenciada de rana y colocado en un óvulo al que se ha retirado el suyo puede dirigir el desarrollo de un renacuajo entero (Gurdon, 1962; recordado del volumen de bachillerato): la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) diferenciada no había perdido [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene), solo los había apagado, y el [citoplasma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) del óvulo reajustó los interruptores. Las [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) de un tipo celular, separadas en un gel, difieren de las de otro tipo; sus mensajeros, una vez secuenciados, son un subconjunto del [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) propio de él; y un puñado de [factores de transcripción](#def-b1-expression-control-enhancer) introducidos en una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de la piel pueden reprogramarla como [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) madre o como [neurona](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/4-planes-de-organizacion-animal-y-tejidos#def-b1-body-plans-tissues-nervous). ∎

**Ejemplo 20.14 (Un gen leído en dos órganos).**

El [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) de la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) que fabrica glucosa a partir de glucosa-6-fosfato se expresa en el hígado y en el riñón y en ningún otro [tejido](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/4-planes-de-organizacion-animal-y-tejidos#def-b1-body-plans-tissues-tissue): su promotor lleva sitios para factores presentes solo allí, y en las demás [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ese promotor está metilado y su cromatina cerrada. Un músculo, que lleva el [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) intacto, no puede liberar glucosa a la sangre ([Capítulo 16](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/16-biosintesis-y-celula-integrada#ch-b1-biosyntheses-integration)), no por falta del [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene), sino porque el [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) no se lee. El [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) es el mismo; la expresión es el [órgano](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/2-organizacion-funcional-de-un-mamifero#def-b1-mammal-organization-organ).

## 20.6 Ejercicios

**Ejercicio 20.1 ★.**

Nómbrense los elementos del [operón lac](#def-b1-expression-control-operon) y dese el estado del [operón](#def-b1-expression-control-operon) con lactosa y sin ella, con glucosa y sin ella.

**Solución de Ejercicio 20.1.**

*lacI* ([gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) del [represor](#def-b1-expression-control-operon)), promotor, [operador](#def-b1-expression-control-operon), *lacZ*, *lacY*, *lacA* y el sitio de la CAP. Sin lactosa: apagado (con el [represor](#def-b1-expression-control-operon) unido). Con lactosa y con glucosa: apenas encendido ([represor](#def-b1-expression-control-operon) fuera, pero sin AMPc–CAP). Con lactosa y sin glucosa: plenamente encendido. Sin ninguno de los dos azúcares: apagado.

**Ejercicio 20.2 ★.**

Explíquese la diferencia entre un producto génico que actúa en trans y un sitio que actúa en cis, con un ejemplo de cada uno del [operón](#def-b1-expression-control-operon).

**Solución de Ejercicio 20.2.**

Un producto que actúa en trans es una molécula difusible que puede actuar sobre cualquier copia de su diana en la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell): el [represor](#def-b1-expression-control-operon). Un sitio que actúa en cis es una secuencia de [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) que solo afecta a los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) ligados físicamente a ella: el [operador](#def-b1-expression-control-operon).

**Ejercicio 20.3 ★.**

A partir de la figura de la [diauxia](#def-b1-expression-control-cap), léanse la duración de la latencia y los tiempos de duplicación con cada azúcar.

**Solución de Ejercicio 20.3.**

Latencia de unos $36\,\mathrm{min}$ (de las $2\,\mathrm{h}$ a las $2.6\,\mathrm{h}$); duplicación cada $20\,\mathrm{min}$ con glucosa y cada $30\,\mathrm{min}$ con lactosa.

**Ejercicio 20.4 ★.**

Defínanse [potenciador](#def-b1-expression-control-enhancer), [factor de transcripción](#def-b1-expression-control-enhancer) y [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) de mantenimiento.

**Solución de Ejercicio 20.4.**

[Potenciador](#def-b1-expression-control-enhancer): una secuencia reguladora, a menudo lejana, que eleva la transcripción de un [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) cuando se le unen factores. [Factor de transcripción](#def-b1-expression-control-enhancer): una [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) con un dominio de unión al [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) y un dominio de activación o de represión que regula la transcripción. [Gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) de mantenimiento: uno que se expresa en todas las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) a un nivel constante.

**Ejercicio 20.5 ★★.**

Dese el fenotipo (inducible, constitutivo, no inducible) de: $I^-$; $O^c$; $I^s$; $I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$; $I^s\,O^+\,Z^+ /
I^+\,O^+\,Z^+$; $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$.

**Solución de Ejercicio 20.5.**

$I^-$: constitutivo. $O^c$: constitutivo. $I^s$: no inducible. $I^-/I^+$: inducible (el [represor](#def-b1-expression-control-operon) $I^+$ actúa en trans). $I^s/I^+$: no inducible ($I^s$ es dominante). $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$: inducible, pues el único $Z$ funcional está tras un [operador](#def-b1-expression-control-operon) normal.

**Ejercicio 20.6 ★★.**

Compárense los operones lac y trp: qué le hace la molécula pequeña al [represor](#def-b1-expression-control-operon) en cada uno, y por qué la lógica es opuesta.

**Solución de Ejercicio 20.6.**

Lac: el azúcar (el inductor) se une al [represor](#def-b1-expression-control-operon) y lo *suelta* del [operador](#def-b1-expression-control-operon): las [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) se fabrican cuando su [sustrato](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) está presente. Trp: el [aminoácido](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-aminoacid) (el correpresor) se une al [represor](#def-b1-expression-control-operon) y lo *habilita* para unirse: las [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) se fabrican cuando su producto falta. Las vías catabólicas las enciende su entrada, y las anabólicas las apaga su salida.

**Ejercicio 20.7 ★★.**

Un mutante no puede fabricar AMPc. Predíganse su crecimiento con glucosa, con lactosa sola y con ambas, y el nivel de $\beta$-galactosidasa en cada caso.

**Solución de Ejercicio 20.7.**

Con glucosa: crecimiento normal (la glucosa no necesita CAP). Con lactosa sola: prácticamente ningún crecimiento, pues sin AMPc la CAP no puede activar el promotor lac y la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) se queda en un pequeño porcentaje del nivel inducido aun con el [represor](#def-b1-expression-control-operon) liberado. Con ambas: crecimiento con glucosa y después parada; no hay segunda fase. La [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) queda baja en todos los casos.

**Ejercicio 20.8 ★★.**

Explíquese por qué la atenuación es imposible en los eucariotas, a partir de la arquitectura de la [célula eucariota](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk).

**Solución de Ejercicio 20.8.**

La atenuación necesita que el [ribosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome) esté traduciendo el mensajero mientras la polimerasa todavía lo transcribe, para que la posición del [ribosoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome) dé forma al [ARN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain) situado tras la polimerasa. En los eucariotas la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el [citosol](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/6-organizacion-funcional-de-la-celula-eucariota#def-b1-eukaryotic-cell-organelle), y el mensaje no se traduce hasta que se ha madurado y exportado.

**Ejercicio 20.9 ★★.**

Un [potenciador](#def-b1-expression-control-enhancer) se traslada de $5\,\mathrm{kb}$ aguas arriba de su [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) a $5\,\mathrm{kb}$ aguas abajo y se invierte; el [gen](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) se sigue expresando. Explíquese qué muestra esto sobre cómo funcionan los [potenciadores](#def-b1-expression-control-enhancer).

**Solución de Ejercicio 20.9.**

Los [potenciadores](#def-b1-expression-control-enhancer) actúan a distancia, en cualquier orientación y a cualquier lado, de modo que no pueden funcionar ni siendo leídos ni colocando directamente la polimerasa; funcionan uniendo factores que contactan con el promotor a través de un bucle de [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain), para lo que la distancia y la orientación importan poco.

**Ejercicio 20.10 ★★★.**

Cinco mil tetrámeros de $\beta$-galactosidasa de $4096\,$ residuos, ¿cuántos [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp) cuestan (cuatro por residuo)? El presupuesto de una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) por generación es de unos $1 \times 10^{10}\,$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp). Calcúlense la desventaja de crecimiento de un mutante constitutivo y el número de generaciones que tardaría su proporción en una población mixta en caer de la mitad a la centésima parte.

**Solución de Ejercicio 20.10.**

$5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp): el $0.8\,\%$ del presupuesto. Con la velocidad de crecimiento un $0.8\,\%$ menor, la proporción del mutante cae cada generación en el factor $2^{-0.008} = 0.9945$. De $1:1$ a $1:99$: $0.9945^n = 1/99$, $n = \ln 99/0.00555 = 830$ generaciones, unas pocas semanas de cultivo continuo.

**Ejercicio 20.11 ★★★.**

Se comparan una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepática y una [neurona](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/4-planes-de-organizacion-animal-y-tejidos#def-b1-body-plans-tissues-nervous) de la misma persona: mismo [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome), [proteínas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) distintas, y cada división de la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepática da [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hepáticas. Explíquese, con la cromatina, los factores y la herencia de las marcas, cómo se produce la diferencia y cómo se mantiene.

**Solución de Ejercicio 20.11.**

Cada tipo celular lleva un conjunto propio de [factores de transcripción](#def-b1-expression-control-enhancer), que se unen a los [potenciadores](#def-b1-expression-control-enhancer) de sus [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) y reclutan acetilasas que abren su cromatina, mientras que los [genes](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-gene) de los otros tipos están metilados y empaquetados en heterocromatina a la que ningún factor llega. Los factores sostienen mutuamente su expresión (una red con estados estables), y las marcas de la cromatina se copian en la replicación, de modo que las hijas heredan tanto los factores como las regiones abiertas y cerradas. El [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) es el mismo; el [genoma](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/17-genomas-de-celulas-y-de-virus#def-b1-genomes-genome) accesible no lo es, y esa inaccesibilidad se hereda.

**Ejercicio 20.12 ★★★.**

“Una bacteria lee su entorno; una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de un cuerpo lee su historia.” Discútanse en un párrafo los dos tipos de control, sus señales, sus escalas de tiempo y su reversibilidad.

**Solución de Ejercicio 20.12.**

Los controles de una bacteria están afinados al medio: un azúcar, un [aminoácido](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-aminoacid) o una temperatura se unen a un [represor](#def-b1-expression-control-operon) o a un [factor sigma](#prop-b1-expression-control-trp), y la respuesta se completa en minutos y se revierte en cuanto desaparece la señal; la expresión sigue al entorno. Una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) de un cuerpo también responde a señales, pero sus decisiones principales se tomaron durante el desarrollo y quedaron fijadas en la cromatina: lo que puede expresar lo fijaron los factores que heredó y las marcas de su [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/11-nucleotidos-y-acidos-nucleicos#def-b1-nucleic-acids-chain), y solo cambia con la división y casi siempre de forma irreversible. La bacteria es una lectora del presente; la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) diferenciada tiene una memoria que es su identidad.

## 20.7 Problema: la diauxia

**Problema 20.1.**

Problema de fin de semana — la curva de crecimiento en dos fases de Monod reconstruida célula a célula: glucosa agotada, lactosa inducida, enzimas contadas, mutantes predichos y el coste de la regulación calculado, hasta llegar al factor de inducción de la $\beta$-galactosidasa

Un cultivo de *E. coli* parte de $10^7$ [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) por mililitro en un medio con $0.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de glucosa y $1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de lactosa. Con glucosa las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) se duplican cada $20\,\mathrm{min}$, y con lactosa cada $30\,\mathrm{min}$; una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) necesita $1.5 \times 10^{-12}\,\mathrm{g}$ de azúcar por división ($180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ de glucosa; la lactosa, $342\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$, cuenta como dos glucosas). Las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) no inducidas contienen 5 moléculas de $\beta$-galactosidasa; plenamente inducidas, $5000$. La inducción tarda $30\,\mathrm{min}$. La [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) es un tetrámero de $4\times 1024$ residuos; cada residuo cuesta 4 [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp); el presupuesto de [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp) de una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) es de $10^{10}$ por división y su [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide), $1.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}$ ($110\,\mathrm{Da}$ por residuo).

**Parte I — La fase de glucosa.**

1. Calcúlese la glucosa disponible por mililitro, en gramos.
2. ¿Cuántas divisiones por mililitro puede sostener?
3. Partiendo de $10^7$ [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) , ¿cuántas hay cuando se agota la glucosa? (Cada división produce una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) nueva.)
4. ¿Cuántas duplicaciones son, y cuánto dura la fase de glucosa?
5. Durante esa fase, ¿en qué estado está el [operón lac](#def-b1-expression-control-operon) , y por qué, en términos moleculares ( [represor](#def-b1-expression-control-operon) y CAP)?

**Parte II — El cambio.**

6. Cuando se acaba la glucosa, ¿qué sube dentro de las [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) y a qué se une?
7. La lactosa estuvo presente todo el tiempo. ¿Por qué, aun así, el [operón](#def-b1-expression-control-operon) estuvo casi apagado durante la fase de glucosa?
8. Durante los $30\,\mathrm{min}$ de latencia cada [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fabrica sus $5000$ [enzimas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) . Calcúlense las moléculas de [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) fabricadas por segundo y por [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) , y los residuos por segundo.
9. Una [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) contiene $20\,000$ [ribosomas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome) a $20\,$ residuos por segundo. ¿Qué fracción de su traducción dedica a la $\beta$ -galactosidasa durante la latencia?
10. Calcúlense la masa de $5000$ tetrámeros y la fracción de la [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) de la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) que representan.
11. Calcúlese el factor de inducción.
12. ¿Por qué es la permeasa ( *lacY* ) tan necesaria como la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) para crecer con lactosa, y qué le ocurre a un mutante *lacY* $^-$ al que se da lactosa?

**Parte III — La fase de lactosa.**

13. Calcúlese la lactosa disponible por mililitro en equivalentes de glucosa, en gramos.
14. ¿Cuántas divisiones más sostiene, y cuál es el recuento final de [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ?
15. ¿Cuánto dura la fase de lactosa?
16. Establézcase la cronología: fase de glucosa, latencia, fase de lactosa, total.
17. Explíquese por qué el tiempo de duplicación es mayor con lactosa (dos razones: una sobre el paso enzimático y otra sobre la permeasa).

**Parte IV — Mutantes y costes.**

18. Un mutante $I^-$ : descríbanse su curva de crecimiento en ese mismo medio y su nivel de [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) a lo largo de ella.
19. Un mutante CAP $^-$ : descríbanse su curva y su nivel de [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) .
20. Un mutante $O^c$ en un medio solo con lactosa: ¿hay alguna diferencia respecto del tipo silvestre? ¿Y en un medio solo con glucosa?
21. Calcúlense el coste en [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp) por generación de fabricar $5000$ tetrámeros y la fracción del presupuesto de la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) .
22. Si esa fracción alarga el tiempo de generación en esa misma proporción, ¿en cuánto queda el mutante $I^-$ por detrás del tipo silvestre en velocidad de crecimiento con glucosa?
23. Partiendo de números iguales, ¿tras cuántas generaciones con glucosa es el mutante la décima parte de la población? ( $r^n =  0.1/0.9$ , con $r$ el cociente de velocidades de crecimiento por generación, es decir, $2^{-\delta}$ para un retraso $\delta$ en duplicaciones.)
24. Explíquese por qué, aun así, los mutantes $I^-$ son frecuentes en las cepas de laboratorio cultivadas con lactosa.
25. Enúnciese el resultado: el factor de inducción de la $\beta$ -galactosidasa, el coste de fabricarla innecesariamente como fracción del presupuesto de [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp) , y el tiempo total del experimento de [diauxia](#def-b1-expression-control-cap) .

**Solución de Problema 20.1.**

**1.** $0.5\times 10^{-3}\times 180 = 0.09\,\mathrm{g}/\mathrm{L} =
9 \times 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$. **2.** $9\times 10^{-5}/1.5\times 10^{-12} = 6 \times 10^{7}$ divisiones. **3.** $10^7 + 6 \times 10^{7} = 7 \times 10^{7}$ [células](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) por mL. **4.** $7 = 2^n$: $n = 2.8$ duplicaciones, $56\,\mathrm{min}$. **5.** Apagado: la lactosa (la alolactosa) ha liberado al [represor](#def-b1-expression-control-operon), pero la glucosa mantiene bajo el AMPc, de modo que la CAP no está unida y el promotor está casi mudo; además, la permeasa escasea y entra poca lactosa. **6.** Sube el AMPc y se une a la CAP, que se une al promotor. **7.** El control negativo se había levantado, pero faltaba el control positivo: un promotor débil sin CAP arranca pocas veces ([represión catabólica](#def-b1-expression-control-cap)). **8.** $5000/1800 = 2.8$ tetrámeros por segundo; $2.8\times 4096 =
11\,400$ residuos por segundo. **9.** Capacidad, $20\,000\times 20 = 4 \times 10^{5}$ residuos por segundo: el $3\,\%$ de los [ribosomas](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/19-expresion-genica-transcripcion-y-traduccion#def-b1-gene-expression-ribosome). **10.** $5000\times 4096\times 110\times 1.66\times 10^{-24} =
3.7 \times 10^{-15}\,\mathrm{g}$: el $2.5\,\%$ de la [proteína](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/12-aminoacidos-y-proteinas#def-b1-proteins-peptide) de la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell). **11.** $5000/5 = 1000$. **12.** La lactosa no puede atravesar la membrana sin la permeasa; un mutante *lacY*$^-$ tiene la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) pero no tiene [sustrato](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) dentro y no crece con lactosa (ni se induce bien, ya que el inductor se fabrica a partir de la lactosa dentro de la [célula](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/5-la-celula-unidad-de-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell)). **13.** $1.0\times 10^{-3}\times 342 = 0.342\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$, que equivalen a $2\times 180 = 360\,\mathrm{g}$ de glucosa por mol, es decir, $0.36\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ $= 3.6 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$. **14.** $3.6\times 10^{-4}/1.5\times 10^{-12} = 2.4 \times 10^{8}$ divisiones; al final, $7 \times 10^{7} + 2.4 \times 10^{8} = 3.1 \times 10^{8}$ por mL. **15.** $3.1/0.7 = 4.4 = 2^n$: $n = 2.1$ duplicaciones, $64\,\mathrm{min}$. **16.** Glucosa $56\,\mathrm{min}$, latencia $30\,\mathrm{min}$, lactosa $64\,\mathrm{min}$: $150\,\mathrm{min}$ en total. **17.** La lactosa debe hidrolizarse primero, un paso enzimático adicional cuya velocidad limita el suministro de glucosa; y la permeasa usa el gradiente de protones para importarla, un coste que el transporte de glucosa no paga. **18.** $I^-$: [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) a $5000$ en todo momento (constitutivo, una vez agotada la glucosa; con glucosa la CAP la sigue limitando, así que el nivel es intermedio); su latencia es más corta o inexistente, de modo que la curva muestra una pausa menor; el coste lo frena algo con glucosa. **19.** CAP$^-$: crece con glucosa hasta $7 \times 10^{7}$ y se detiene: el [operón lac](#def-b1-expression-control-operon) no puede activarse, la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) se queda cerca de 5 moléculas y la lactosa nunca se usa. **20.** Con lactosa sola: ninguna diferencia en el nivel de [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) una vez inducida (ambos plenamente encendidos) ni prácticamente en el crecimiento; el $O^c$ simplemente se ahorra el retraso de la inducción. Con glucosa sola: el $O^c$ fabrica la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) inútilmente (hasta donde la CAP se lo permite) y el tipo silvestre no. **21.** $5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp): el $0.8\,\%$ de $10^{10}$. **22.** Tiempo de generación un $0.8\,\%$ mayor: velocidad de crecimiento un $0.8\,\%$ menor, $\delta = 0.008$ duplicaciones por generación. **23.** $r = 2^{-0.008} = 0.99447$; $r^n = 0.111$: $n =
\ln 0.111/\ln 0.99447 = 2.20/0.00555 = 400$ generaciones. **24.** Con lactosa la [enzima](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/13-enzimas-y-catalisis-bioquimica#def-b1-enzymes-enzyme) hace falta de todos modos, así que el mutante no paga nada y se ahorra la latencia: no se selecciona en su contra y a veces se selecciona a favor; y las cepas de laboratorio se cultivan por comodidad, no por competencia. **25.** Factor de inducción 1000 (de 5 a $5000$ moléculas); la síntesis innecesaria cuesta el $0.8\,\%$ del presupuesto de [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/es/chapter/8-el-agua-y-las-biomoleculas-pequenas#def-b1-water-small-molecules-atp); y el experimento dura unas dos horas y media.