La expresión génica

Explica con tus palabras qué significa que una célula «expresa un gen» y por qué el resultado final de esa expresión es una proteína.

Explica qué es una proteína y cita tres funciones distintas que realizan las proteínas en los seres vivos, con un ejemplo de cada una.

Explica qué es un aminoácido y cómo se forma una proteína a partir de ellos: qué es una cadena polipeptídica y qué determina el orden en que se unen los aminoácidos.

Una enzima humana digestiva tiene su actividad óptima a 37 °C. Si se calienta a 60 °C durante cinco minutos y luego se enfría de nuevo a 37 °C, pierde por completo su actividad enzimática y no la recupera. En cambio, si se congela a -20 °C y luego se descongela a 37 °C, sigue funcionando con total normalidad.

1. a) Justifica a nivel molecular la diferencia observada entre calentar y congelar la enzima, explicando qué sucede con su estructura tridimensional y con su centro activo en cada caso.
2. b) ¿Por qué la pérdida de la estructura terciaria impide que la enzima reconozca a su sustrato?

Define la transcripción: qué molécula sirve de molde, qué molécula se fabrica y en qué parte de la célula eucariota ocurre.

Durante la transcripción, cada base de la cadena molde del ADN determina qué base llevará el ARNm. Indica qué base pondrá el ARNm frente a una A, una T, una G y una C del molde, recordando que en el ARN no hay timina.

El ADN nunca sale del núcleo, pero los ribosomas están en el citoplasma. Explica qué problema plantea esto para fabricar proteínas y cómo lo resuelve el ARN mensajero.

La cadena molde de un gen tiene la secuencia 3'-TAC GGA TTT-5'. Escribe la secuencia del ARN mensajero que se sintetiza a partir de ella, teniendo en cuenta que en el ARN la timina se sustituye por el uracilo.

Un ARN mensajero lleva la secuencia 5'-AUG GCU CAA-3'. Reconstruye la secuencia de la cadena molde del ADN a partir de la cual se transcribió, indicando su dirección.

La transcripción y la replicación se parecen porque en ambas se «lee» una cadena de ADN y se fabrica una molécula complementaria. Explica dos diferencias fundamentales entre ambos procesos: qué se copia en cada caso y qué molécula se obtiene.

¿Qué es el código genético? Explica qué es un codón y cuántas bases lo forman.

La insulina es una proteína de $51$ aminoácidos. Teniendo en cuenta que el ARNm necesita también un codón de terminación, calcula cuántos nucleótidos tiene como mínimo la parte codificante de su ARNm y explica el cálculo.

Se analizan dos pacientes con mutaciones puntuales en el mismo codón de su ARNm maduro, que originalmente era GAA (codifica ácido glutámico):

• En el paciente A, el codón muta a GAG (codifica ácido glutámico).

• En el paciente B, muta a GUA (codifica valina).

1. a) Basándote en las propiedades del código genético, justifica por qué el paciente A no manifiesta ninguna alteración mientras que el paciente B presenta una enzima no funcional.
2. b) ¿Podría existir una «mutación silenciosa» como la del paciente A si el código genético no fuese degenerado? Justifica tu respuesta deduciendo qué consecuencias tendrían las mutaciones en un código hipotético con un solo codón por aminoácido.

El gen de la cadena beta de la hemoglobina humana en el ADN nuclear mide 1600 pares de bases, pero la proteína madura solo contiene 146 aminoácidos (la metionina inicial se elimina tras la traducción).

1. a) Calcula cuántos nucleótidos del ARNm maduro codifican estrictamente esta cadena polipeptídica (incluyendo el codón de inicio y el de terminación).
2. b) Justifica a qué se debe la gran diferencia de longitud entre el gen original de 1600 pares de bases y los nucleótidos que has calculado.
3. c) El genoma humano contiene unos 20 000 genes, pero nuestras células producen más de 90 000 proteínas diferentes. Explica mediante qué mecanismo de maduración del ARNm es posible generar múltiples proteínas distintas a partir de un único gen.

Observa el esquema de una célula eucariota en la que se representa la expresión de un gen: los marcadores ?1 y ?2 señalan dónde ocurren la transcripción y la traducción, sin indicar cuál es cuál. Indica qué proceso ocurre en cada punto señalado y en qué lugar de la célula se encuentra.

Establece dos diferencias entre la transcripción y la traducción: la molécula que se fabrica en cada proceso y el lugar donde ocurre.

Explica el papel del ribosoma y del ARN de transferencia (ARNt) durante la traducción: ¿dónde se une cada uno y qué transporta el ARNt?

Estas etapas de la expresión de un gen están desordenadas: la proteína queda terminada; el ARNm sale del núcleo; el ARNm se une a un ribosoma; el ADN se transcribe. Ordénalas y descríbelas en una frase cada una.

El ribosoma lee el ARNm en codones consecutivos, sin saltarse bases. Razona qué les ocurre a todos los codones que siguen a un punto en el que se ha insertado una base de más, y por qué se dice que se «desplaza el marco de lectura».

Una bacteria sintetiza un oligopéptido a partir del siguiente fragmento de ARNm maduro:

5'-... AUG GCC UUU UAA ...-3'

Un agente mutágeno provoca la deleción (pérdida) del primer nucleótido del codón GCC (la primera citosina), quedando la secuencia: 5'-... AUG GCU UUU AA...-3'.

Sabiendo que:

• AUG = Metionina (inicio)

• GCC = Alanina; GCU = Alanina; UUU = Fenilalanina; UUA = Leucina

• UAA = Fin (terminación)

1. a) Escribe la secuencia de aminoácidos resultante antes y después de la mutación.
2. b) Justifica por qué una mutación por cambio de fase de lectura (deleción o inserción) suele tener consecuencias mucho más graves para la función de una proteína que una mutación por sustitución de una única base.

Un estudiante afirma: «Dado que una neurona y una célula de la piel tienen funciones y formas completamente distintas, sus moléculas de ADN deben ser diferentes; por ejemplo, la neurona ha eliminado los genes de las proteínas de la piel que no necesita».

1. a) Rebate la afirmación del estudiante explicando qué encontraríamos realmente si secuenciamos el ADN genómico de ambos tipos celulares.
2. b) Si el ADN es idéntico, predice y justifica qué diferencias esperarías encontrar al analizar los tipos de ARNm y de proteínas presentes en el citoplasma de ambas células.

Imagina una célula mutante hipotética en la que no existe la molécula de ARNm: los ribosomas se introducen directamente en el núcleo y traducen las proteínas leyendo directamente la doble hélice del ADN.

Evalúa esta situación planteando dos inconvenientes biológicos graves que tendría este mecanismo: uno relacionado con la integridad y protección del material genético, y otro relacionado con la velocidad de respuesta y la capacidad de amplificación cuando la célula necesita producir miles de copias de una proteína en poco tiempo.

En microfotografías electrónicas de bacterias se observa con frecuencia que varios ribosomas se unen al ARNm y comienzan a traducirlo mientras la ARN polimerasa todavía está transcribiendo ese mismo ARNm a partir del ADN.

1. a) Justifica por qué este acoplamiento simultáneo de transcripción y traducción es imposible en una célula humana.
2. b) Si clonamos un gen humano directamente en una bacteria tal cual se extrae del núcleo humano (con sus exones e intrones), la bacteria es incapaz de producir la proteína correcta. Explica a qué se debe este fallo y qué paso del procesamiento del ARN le falta a la bacteria.

Gracias a la ingeniería genética es posible introducir el gen de la insulina humana en la bacteria Escherichia coli y lograr que esta bacteria fabrique insulina idéntica a la nuestra.

1. a) ¿Qué característica fundamental del código genético hace posible que una bacteria interprete correctamente las instrucciones de un gen humano? Justifica qué conclusión evolutiva sobre el origen común de todos los seres vivos se extrae de este hecho.
2. b) Imagina que el código genético no compartiera esta característica y fuera específico de cada especie. ¿Qué sucedería al introducir el gen humano en la bacteria? Justifica tu deducción.