Ejercicios: La expresión génica

Defina transcripción y traducción e indique en qué lugar de la célula eucariota tiene lugar cada uno de estos procesos.

¿Qué es un codón? Indique cuántos nucleótidos lo forman, cuántos codones distintos existen y cuántos aminoácidos diferentes codifican en conjunto.

Observe el esquema del flujo de la información genética. Indique qué moléculas se señalan con A, B y C, qué procesos ocurren en las flechas 1 y 2, y qué representa la zona rodeada con línea discontinua.

¿Qué enzima cataliza la transcripción del ADN a ARN? Indique sobre cuál de las dos hebras del gen actúa y en qué sentido sintetiza la molécula de ARN.

Indique dos diferencias estructurales entre el ADN y el ARN, y explique qué bases se emparejan durante la transcripción cuando la hebra molde presenta una adenina o una timina.

Defina qué es un gen desde el punto de vista de la expresión génica e indique qué dos tipos de productos funcionales puede generar un gen al expresarse.

¿Cuál es el codón de iniciación de la traducción y qué aminoácido codifica? Explique qué función cumplen los codones de terminación y qué ocurre cuando el ribosoma alcanza uno de ellos.

Describa brevemente qué hace el ribosoma durante la traducción: cómo lee el ARNm, cómo llegan los aminoácidos y qué tipo de enlace se forma entre ellos.

A partir de la hebra molde de ADN 3'-TACGGAACT-5', obtenga la secuencia del ARNm mensajero resultante indicando su polaridad, y señale cuántos aminoácidos como máximo puede codificar ese fragmento.

A partir de la siguiente tabla del código genético:

1. a) Traduzca el siguiente $\text{ARNm}$: $5'\text{-AUGGCUUAA-}3'$, e indique la secuencia de aminoácidos resultante.
2. b) Explique qué papel desempeñan el primer y el último codón del fragmento.

Diferencie la función del ARNm, del ARNt y del ARNr en la síntesis de proteínas, indicando qué aporta cada tipo de ARN al proceso.

La hebra codificante de un gen tiene la secuencia 5'-ATGGCTTAA-3'. Indique la secuencia del ARNm transcrito, razone por qué es casi idéntica a la hebra codificante y explique qué papel desempeña entonces la otra hebra del ADN en la transcripción.

Describa la estructura característica de un ARNt (forma de trébol, anticodón y extremo 3') y explique cómo logra la célula que cada ARNt se cargue con su aminoácido correcto, mencionando las enzimas responsables.

Ordene las siguientes etapas de la expresión génica en una célula eucariota y justifique el orden elegido: unión del ARNm al ribosoma, procesado del ARNm, traducción en el citosol, salida del ARNm del núcleo, transcripción en el núcleo.

Durante la traducción, el ARNm se lee en codones consecutivos, sin separadores entre ellos. Explique qué es el marco de lectura y razone qué le ocurriría a la proteína sintetizada si el ribosoma comenzara la lectura un nucleótido antes de la posición correcta.

Una proteína está formada por $300$ aminoácidos. a) Calcule cuántos nucleótidos tiene, como mínimo, el ARNm maduro que la codifica, incluyendo el codón de terminación. b) Calcule cuántos pares de bases ocuparía el gen en un organismo sin intrones. c) Razone por qué en los organismos eucariotas el gen suele ser mucho más largo que el ARNm maduro correspondiente.

Considere el siguiente fragmento de la secuencia codificante de un ARNm que se traduce en una proteína citoplasmática:

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

(Nota: los cuatro codones que siguen al codón de inicio AUG codifican todos el aminoácido serina).

1. a) A partir de este caso concreto, justifique por qué el código genético es degenerado y demuestre que esta propiedad no equivale a decir que el código sea «ambiguo».
2. b) Suponga que se introducen dos mutaciones puntuales independientes: el Mutante 1 cambia el segundo codón de UCU a UCC; el Mutante 2 cambia el tercer codón de UCC a UAC (que codifica tirosina). Compare el impacto de ambas mutaciones en la secuencia de aminoácidos de la proteína y clasifique cada mutación según su efecto funcional.
3. c) Razone qué ventaja adaptativa confiere el hecho de que la degeneración del código genético se concentre casi siempre en la tercera base de cada triplete (hipótesis del balanceo) en lugar de en la primera o la segunda frente a las mutaciones puntuales espontáneas.

El siguiente esquema representa un ribosoma funcional durante la fase de elongación de la traducción:

1. a) Deduzca justificadamente la polaridad (extremos $5'$ y $3'$) de la cadena de ARNm y el sentido en el que se desplazará el ribosoma a lo largo de ella.
2. b) Escriba la secuencia del anticodón del ARNt interrogado (?) especificando obligatoriamente su polaridad $5'\to 3'$ y razone qué aminoácido transporta sabiendo que el codón GCU codifica alanina.
3. c) En una cepa mutante se produce un ARNt supresor capaz de reconocer el codón UAA introduciendo el aminoácido tirosina. Prediga qué ocurrirá con la traducción y con la longitud de la proteína resultante cuando el ribosoma alcance la posición señalada con el codón de stop respecto a la célula silvestre.

En el genoma humano, el gen de la fibronectina contiene numerosos exones e intrones. En los fibroblastos da lugar a una isoforma proteica insoluble que forma parte de la matriz extracelular, mientras que en los hepatocitos origina una isoforma soluble que circula en el plasma sanguíneo.

1. a) Justifique mediante qué mecanismo molecular una única secuencia de ADN genómico puede dar lugar a estas dos proteínas con funciones y localizaciones tan distintas.
2. b) Un paciente presenta una mutación puntual consistente en una transición (G por A) en el sitio aceptor de corte y empalme (splicing) del intrón 4 de este gen. Prediga dos posibles alteraciones en la estructura del ARNm maduro resultante y sus consecuencias sobre la proteína sintetizada.
3. c) Si clonamos este gen humano intacto (con todos sus intrones y exones) en un plásmido y lo introducimos en Escherichia coli, razone si la bacteria sintetizará la fibronectina humana funcional.

Se estudia un gen humano de $24\,000$ pares de bases (pb) que consta de $8$ exones y $7$ intrones. Tras procesarse por completo, su ARNm maduro en células musculares tiene una longitud de $1200$ nucleótidos (incluyendo las regiones UTR y la cola de poli-A).

1. a) Si se hibrida en el laboratorio la hebra molde del ADN genómico con dicho ARNm maduro muscular y se observa el heteroduplex resultante al microscopio electrónico, prediga qué morfología presentará y cuántos bucles monocatenarios se observarán como máximo. Justifique de qué ácido nucleico estará formado cada bucle.
2. b) Un estudiante afirma que, al tener $1200$ nucleótidos, la proteína resultante tendrá exactamente $400$ aminoácidos de longitud. Refute razonadamente esta afirmación aportando al menos dos argumentos de índole molecular.
3. c) En tejido nervioso se aísla un ARNm maduro procedente del mismo gen pero con un tamaño de $1500$ nucleótidos. Razone qué fenómeno ha ocurrido y prediga si la proteína neuronal será necesariamente más larga que la muscular, justificando su respuesta.