Exercicis: L'expressió gènica

Defineix transcripció i traducció i indica a quin lloc de la cèl·lula eucariota té lloc cadascun d'aquests processos.

Què és un codó? Indica quants nucleòtids el formen, quants codons diferents existeixen i quants aminoàcids diferents codifiquen en conjunt.

Observa l'esquema del flux de la informació genètica. Indica quines molècules s'assenyalen amb A, B i C, quins processos tenen lloc a les fletxes 1 i 2, i què representa la zona envoltada amb línia discontínua.

Quin enzim catalitza la transcripció de l'ADN a ARN? Indica sobre quin dels dos filaments del gen actua i en quin sentit sintetitza la molècula d'ARN.

Indica dues diferències estructurals entre l'ADN i l'ARN, i explica quines bases s'aparellen durant la transcripció quan el filament motlle presenta una adenina o una timina.

Defineix què és un gen des del punt de vista de l'expressió gènica i indica quins dos tipus de productes funcionals pot generar un gen en expressar-se.

Quin és el codó d'iniciació de la traducció i quin aminoàcid codifica? Explica quina funció fan els codons de terminació i què passa quan el ribosoma n'assoleix un.

Descriu breument què fa el ribosoma durant la traducció: com llegeix l'ARNm, com arriben els aminoàcids i quin tipus d'enllaç es forma entre ells.

A partir del filament motlle d'ADN 3'-TACGGAACT-5', obtén la seqüència de l'ARNm missatger resultant indicant-ne la polaritat, i assenyala quants aminoàcids com a màxim pot codificar aquest fragment.

A partir de la taula següent del codi genètic:

1. a) Tradueix el $\text{ARNm}$ següent: $5'\text{-AUGGCUUAA-}3'$, i indica la seqüència d'aminoàcids resultant.
2. b) Explica quin paper tenen el primer i l'últim codó del fragment.

Diferencia la funció de l'ARNm, de l'ARNt i de l'ARNr en la síntesi de proteïnes, indicant què aporta cada tipus d'ARN al procés.

El filament codificant d'un gen té la seqüència 5'-ATGGCTTAA-3'. Indica la seqüència de l'ARNm transcrit, raona per què és gairebé idèntica al filament codificant i explica quin paper té aleshores l'altre filament de l'ADN en la transcripció.

Descriu l'estructura característica d'un ARNt (forma de trèvol, anticodó i extrem 3') i explica com aconsegueix la cèl·lula que cada ARNt es carregui amb el seu aminoàcid correcte, esmentant els enzims responsables.

Ordena les següents etapes de l'expressió gènica en una cèl·lula eucariota i justifica l'ordre triat: unió de l'ARNm al ribosoma, processament de l'ARNm, traducció al citosol, sortida de l'ARNm del nucli, transcripció al nucli.

Durant la traducció, l'ARNm es llegeix en codons consecutius, sense separadors entre ells. Explica què és el marc de lectura i raona què li passaria a la proteïna sintetitzada si el ribosoma comencés la lectura un nucleòtid abans de la posició correcta.

Una proteïna està formada per $300$ aminoàcids. a) Calcula quants nucleòtids té, com a mínim, l'ARNm madur que la codifica, incloent-hi el codó de terminació. b) Calcula quants parells de bases ocuparia el gen en un organisme sense introns. c) Raona per què en els organismes eucariotes el gen sol ser molt més llarg que l'ARNm madur corresponent.

Considera el fragment següent de la seqüència codificant d'un ARNm que es tradueix en una proteïna citoplasmàtica:

$5'\text{--- AUG - UCU - UCC - UCA - UCG --- } 3'$

(Nota: els quatre codons que segueixen el codó d'inici AUG codifiquen tots l'aminoàcid serina).

1. a) A partir d'aquest cas concret, justifica per què el codi genètic és degenerat i demostra que aquesta propietat no equival a dir que el codi sigui «ambigu».
2. b) Suposa que s'introdueixen dues mutacions puntuals independents: el Mutant 1 canvia el segon codó d'UCU a UCC; el Mutant 2 canvia el tercer codó d'UCC a UAC (que codifica tirosina). Compara l'impacte de totes dues mutacions en la seqüència d'aminoàcids de la proteïna i classifica cada mutació segons el seu efecte funcional.
3. c) Raona quin avantatge adaptatiu confereix el fet que la degeneració del codi genètic es concentri gairebé sempre en la tercera base de cada triplet (hipòtesi del balanceig) en lloc d'en la primera o la segona enfront de les mutacions puntuals espontànies.

El següent esquema representa un ribosoma funcional durant la fase d'elongació de la traducció:

1. a) Dedueix justificadament la polaritat (extrems $5'$ i $3'$) de la cadena d'ARNm i el sentit en què es desplaçarà el ribosoma al llarg d'aquesta.
2. b) Escriu la seqüència de l'anticodó de l'ARNt interrogat (?) especificant obligatòriament la seva polaritat $5'\to 3'$ i raona quin aminoàcid transporta sabent que el codó GCU codifica alanina.
3. c) En una soca mutant es produeix un ARNt supressor capaç de reconèixer el codó UAA introduint l'aminoàcid tirosina. Prediu què passarà amb la traducció i amb la longitud de la proteïna resultant quan el ribosoma arribi a la posició assenyalada amb el codó de stop respecte a la cèl·lula silvestre.

En el genoma humà, el gen de la fibronectina conté nombrosos exons i introns. En els fibroblastos dona lloc a una isoforma proteica insoluble que forma part de la matriu extracel·lular, mentre que en els hepatòcits origina una isoforma soluble que circula en el plasma sanguini.

1. a) Justifica mitjançant quin mecanisme molecular una única seqüència d'ADN genòmic pot donar lloc a aquestes dues proteïnes amb funcions i localitzacions tan diferents.
2. b) Un pacient presenta una mutació puntual consistent en una transició (G per A) en el lloc acceptor de tall i empalmament (splicing) de l'intró 4 d'aquest gen. Prediu dues possibles alteracions en l'estructura de l'ARNm madur resultant i les seves conseqüències sobre la proteïna sintetitzada.
3. c) Si clonem aquest gen humà intacte (amb tots els seus introns i exons) en un plasmidi i l'introduïm a Escherichia coli, raona si el bacteri sintetitzarà la fibronectina humana funcional.

L'estreptomicina és un antibiòtic bactericida que s'uneix a la subunitat $30\text{S}$ del ribosoma procariota ($70\text{S}$), provocant lectures errònies de l'ARNm i inhibint la síntesi proteica. Encara que es considera selectiu enfront dels ribosomes citoplasmàtics eucariotes ($80\text{S}$), els pacients sota tractaments intensius solen experimentar nefrotoxicitat i ototoxicitat associades a disfunció energètica cel·lular.

1. a) Basant-te en la teoria endosimbiòtica, justifica per què aquest fàrmac pot danyar les cèl·lules humanes i provocar dèficit d'ATP malgrat la selectivitat de diana descrita.
2. b) En analitzar una soca bacteriana resistent a l'estreptomicina, es comprova que no degrada el fàrmac ni té bombes d'expulsió activa, però presenta una mutació en el gen del cromosoma bacterià que codifica l'ARNr $16\text{S}$. Explica com aquesta mutació confereix resistència sense impedir del tot la funció del ribosoma.
3. c) En un experiment cel·lular s'empren cicloheximida (inhibidor de ribosomes $80\text{S}$) i cloranfenicol (inhibidor de ribosomes $70\text{S}$). Prediu què passarà amb l'assemblatge dels complexos multienzimàtics de la cadena de transport electrònic mitocondrial (les subunitats de la qual tenen un origen genètic dual) en presència de cadascun d'aquests compostos per separat.

Per traduir els $61$ codons amb sentit en el codi genètic estàndard, la majoria de les cèl·lules eucariotes només necessiten sintetitzar entre $30$ i $45$ espècies diferents d'ARNt, en comptes de $61$.

1. a) Explica la base termodinàmica i estructural de la 'hipòtesi del balanceig' (wobble) de Crick i justifica per què aquesta flexibilitat espacial es restringeix al tercer nucleòtid del codó (extrem $3'$) i al primer de l'anticodó (extrem $5'$).
2. b) L'aminoàcid valina ve codificat per quatre codons: $5'\text{-GUU-}3'$, $5'\text{-GUC-}3'$, $5'\text{-GUA-}3'$ i $5'\text{-GUG-}3'$. Si un ARNt específic presenta inosina (I) a l'extrem $5'$ del seu anticodó (sabent que la inosina es pot aparellar amb U, C i A), determina quants i quins d'aquests codons podrà llegir aquest únic ARNt, escrivint la seqüència d'aquest anticodó en sentit $5'\to 3'$.
3. c) Raona l'avantatge adaptatiu que suposa per a l'organisme que la degeneració del codi genètic i el balanceig es concentrin en la tercera posició del codó enfront que passessin en la primera o segona base davant de mutacions puntuals.

S'estudia un gen humà de $24\,000$ parells de bases (pb) que consta de $8$ exons i $7$ introns. Després de processar-se completament, el seu ARNm madur en cèl·lules musculars té una longitud de $1200$ nucleòtids (incloent-hi les regions UTR i la cua de poli-A).

1. a) Si s'hibrida al laboratori el filament motlle de l'ADN genòmic amb aquest ARNm madur muscular i s'observa l'heterodúplex resultant al microscopi electrònic, prediu quina morfologia presentarà i quants bucles monocatenaris s'observaran com a màxim. Justifica de quin àcid nucleic estarà format cada bucle.
2. b) Un estudiant afirma que, en tenir $1200$ nucleòtids, la proteïna resultant tindrà exactament $400$ aminoàcids de longitud. Refuta raonadament aquesta afirmació aportant almenys dos arguments d'índole molecular.
3. c) En teixit nerviós s'aïlla un ARNm madur procedent del mateix gen però amb una mida de $1500$ nucleòtids. Raona quin fenomen ha tingut lloc i prediu si la proteïna neuronal serà necessàriament més llarga que la muscular, justificant la teva resposta.

En la teràpia gènica per a la síndrome de neuropatia òptica hereditària de Leber, s'investiga transferir una còpia silvestre d'un gen mitocondrial al nucli cel·lular (expressió al·lotòpica) perquè la proteïna es tradueixi al citosol i s'importi al mitocondri. Tanmateix, en el codi genètic mitocondrial humà, el triplet UGA codifica triptòfan, mentre que en el codi nuclear estàndard actua com a codó de terminació.

1. a) Prediu què passaria si es transfereix el gen mitocondrial al nucli sense modificar-ne la seqüència i es transcriu i tradueix en els ribosomes citoplasmàtics. Quina repercussió tindria sobre la longitud i la funcionalitat del polipèptid obtingut?
2. b) Dissenya l'estratègia de mutagènesi dirigida que ha d'aplicar l'equip biotecnològic sobre la seqüència codificant del transgen abans d'integrar-lo al nucli per garantir la síntesi de la proteïna nativa.
3. c) Justifica per què el genoma mitocondrial (amb només $37$ gens i un nombre molt reduït d'ARNt) va poder 'permetre's' derives i canvis en l'assignació de codons al llarg de l'evolució, mentre que en el genoma nuclear aquest tipus d'alteracions resulta letal per a la cèl·lula.

En observar mitjançant microscòpia electrònica l'expressió gènica en bacteris (Escherichia coli), es distingeixen estructures en «arbre de Nadal» on múltiples ribosomes tradueixen l'ARNm mentre aquest encara està sent sintetitzat per l'ARN polimerasa acoblada a l'ADN genòmic. En canvi, en una cèl·lula humana això mai no s'observa.

1. a) Prediu quina conseqüència immediata tindrà sobre la síntesi de proteïnes bacterianes l'addició de rifampicina (un inhibidor que bloqueja la iniciació de l'ARN polimerasa però no l'activitat dels ribosomes) i compara aquest efecte amb el que passaria a curt termini al citoplasma d'una cèl·lula eucariota.
2. b) Raona per què l'acoblament transcripció-traducció bacterià és mecànicament incompatible amb la presència d'introns i amb el mecanisme de tall i empalmament (splicing) típic d'eucariotes.
3. c) El mecanisme de regulació gènica per «atenuació» a l'operó triptòfan bacterià depèn del fet que la velocitat d'avanç del ribosoma en una seqüència líder determini la formació de forquetes de terminació a l'ARN acabat de transcriure. Justifica de manera raonada per què aquest sistema de regulació és inviable a les cèl·lules eucariotes.