Ejercicios: La expresión génica

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

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

Observa el esquema del flujo de la información genética. Indica 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? Indica sobre cuál de las dos hebras del gen actúa y en qué sentido sintetiza la molécula de ARN.

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

Define qué es un gen desde el punto de vista de la expresión génica e indica 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? Explica qué función cumplen los codones de terminación y qué ocurre cuando el ribosoma alcanza uno de ellos.

Describe 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', obtén la secuencia del ARNm mensajero resultante indicando su polaridad, y señala cuántos aminoácidos como máximo puede codificar ese fragmento.

A partir de la siguiente tabla del código genético:

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

Diferencia 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'. Indica la secuencia del ARNm transcrito, razona por qué es casi idéntica a la hebra codificante y explica qué papel desempeña entonces la otra hebra del ADN en la transcripción.

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

Ordena las siguientes etapas de la expresión génica en una célula eucariota y justifica 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. Explica qué es el marco de lectura y razona 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) Calcula cuántos nucleótidos tiene, como mínimo, el ARNm maduro que la codifica, incluyendo el codón de terminación. b) Calcula cuántos pares de bases ocuparía el gen en un organismo sin intrones. c) Razona por qué en los organismos eucariotas el gen suele ser mucho más largo que el ARNm maduro correspondiente.

Considera 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, justifica por qué el código genético es degenerado y demuestra que esta propiedad no equivale a decir que el código sea «ambiguo».
2. b) Supón 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). Compara el impacto de ambas mutaciones en la secuencia de aminoácidos de la proteína y clasifica cada mutación según su efecto funcional.
3. c) Razona 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) Deduce 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) Escribe la secuencia del anticodón del ARNt interrogado (?) especificando obligatoriamente su polaridad $5'\to 3'$ y razona 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. Predice 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) Justifica 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. Predice 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, razona si la bacteria sintetizará la fibronectina humana funcional.

La estreptomicina es un antibiótico bactericida que se une a la subunidad $30\text{S}$ del ribosoma procariota ($70\text{S}$), provocando lecturas erróneas del ARNm e inhibiendo la síntesis proteica. Aunque se considera selectivo frente a los ribosomas citoplásmicos eucariotas ($80\text{S}$), los pacientes bajo tratamientos intensivos suelen experimentar nefrotoxicidad y ototoxicidad asociadas a disfunción energética celular.

1. a) Basándote en la teoría endosimbiótica, justifica por qué este fármaco puede dañar a las células humanas y provocar déficit de ATP a pesar de la selectividad de diana descrita.
2. b) Al analizar una cepa bacteriana resistente a la estreptomicina, se comprueba que no degrada el fármaco ni tiene bombas de expulsión activa, pero presenta una mutación en el gen del cromosoma bacteriano que codifica el ARNr $16\text{S}$. Explica cómo esta mutación confiere resistencia sin impedir por completo la función del ribosoma.
3. c) En un experimento celular se emplean cicloheximida (inhibidor de ribosomas $80\text{S}$) y cloranfenicol (inhibidor de ribosomas $70\text{S}$). Predice qué ocurrirá con el ensamblaje de los complejos multienzimáticos de la cadena de transporte electrónico mitocondrial (cuyas subunidades tienen un origen genético dual) en presencia de cada uno de estos compuestos por separado.

Para traducir los $61$ codones con sentido en el código genético estándar, la mayoría de las células eucariotas solo necesitan sintetizar entre $30$ y $45$ especies distintas de ARNt, en lugar de $61$.

1. a) Explica la base termodinámica y estructural de la 'hipótesis del bamboleo' (wobble) de Crick y justifica por qué esta flexibilidad espacial se restringe al tercer nucleótido del codón (extremo $3'$) y al primero del anticodón (extremo $5'$).
2. b) El aminoácido valina viene codificado por cuatro codones: $5'\text{-GUU-}3'$, $5'\text{-GUC-}3'$, $5'\text{-GUA-}3'$ y $5'\text{-GUG-}3'$. Si un ARNt específico presenta inosina (I) en el extremo $5'$ de su anticodón (sabiendo que la inosina puede aparearse con U, C y A), determina cuántos y cuáles de estos codones podrá leer este único ARNt, escribiendo la secuencia de dicho anticodón en sentido $5'\to 3'$.
3. c) Razona la ventaja adaptativa que supone para el organismo que la degeneración del código genético y el bamboleo se concentren en la tercera posición del codón frente a que ocurrieran en la primera o segunda base ante mutaciones puntuales.

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, predice qué morfología presentará y cuántos bucles monocatenarios se observarán como máximo. Justifica 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. Refuta 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. Razona qué fenómeno ha ocurrido y predice si la proteína neuronal será necesariamente más larga que la muscular, justificando tu respuesta.

En la terapia génica para el síndrome de neuropatía óptica hereditaria de Leber, se investiga transferir una copia silvestre de un gen mitocondrial al núcleo celular (expresión alotópica) para que la proteína se traduzca en el citosol y se importe a la mitocondria. Sin embargo, en el código genético mitocondrial humano, el triplete UGA codifica triptófano, mientras que en el código nuclear estándar actúa como codón de terminación.

1. a) Predice qué sucedería si se transfiere el gen mitocondrial al núcleo sin modificar su secuencia y se transcribe y traduce en los ribosomas citoplásmicos. ¿Qué repercusión tendría sobre la longitud y la funcionalidad del polipéptido obtenido?
2. b) Diseña la estrategia de mutagénesis dirigida que debe aplicar el equipo biotecnológico sobre la secuencia codificante del transgen antes de integrarlo en el núcleo para garantizar la síntesis de la proteína nativa.
3. c) Justifica por qué el genoma mitocondrial (con solo $37$ genes y un número muy reducido de ARNt) pudo 'permitirse' derivas y cambios en la asignación de codones a lo largo de la evolución, mientras que en el genoma nuclear este tipo de alteraciones resulta letal para la célula.

Al observar mediante microscopía electrónica la expresión génica en bacterias (Escherichia coli), se distinguen estructuras en 'árbol de Navidad' donde múltiples ribosomas traducen el ARNm mientras este aún está siendo sintetizado por la ARN polimerasa acoplada al ADN genómico. En cambio, en una célula humana esto nunca se observa.

1. a) Predice qué consecuencia inmediata tendrá sobre la síntesis de proteínas bacterianas la adición de rifampicina (un inhibidor que bloquea la iniciación de la ARN polimerasa pero no la actividad de los ribosomas) y compara este efecto con lo que ocurriría a corto plazo en el citoplasma de una célula eucariota.
2. b) Razona por qué el acoplamiento transcripción-traducción bacteriano es mecánicamente incompatible con la presencia de intrones y con el mecanismo de corte y empalme (splicing) típico de eucariotas.
3. c) El mecanismo de regulación génica por 'atenuación' en el operón triptófano bacteriano depende de que la velocidad de avance del ribosoma en una secuencia líder determine la formación de horquillas de terminación en el ARN recién transcrito. Justifica de manera razonada por qué este sistema de regulación es inviable en las células eucariotas.