Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones

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APUNTES BIOLOGÍA Y GENÉTICA Grado en Nutrición Humana y Dietética Universidad de Lleida AprenAI 2026-2027 Repasa Biología y Genética con este resumen completo: estructura del ADN, transcripción, traducción, regulación génica, mutaciones y Hardy-Weinberg. APREN.AI Índice Biología Molecular 1 Estructura y organización del material genético 1. Dinámica hereditaria y naturaleza del material genético 2. Componentes químicos y polimerización de los ácidos nucleicos 3. Modelo de Watson y Crick y arquitectura de la doble hélice 4. Polimorfismo del ADN: conformaciones B, A y Z 5.

Estructura y clases funcionales de ARN 2 Cromatina, cromosomas y genoma humano Organización del genoma en procariotas y eucariotas Paradoja del tamaño genómico y densidad génica Niveles de empaquetamiento de la cromatina: del nucleosoma a la metafase Estados de la cromatina interfásica: eucromatina y heterocromatina Características del genoma mitocondrial humano Morfología cromosómica y cariotipo humano Técnicas citogenéticas y Dogma Central de la Biología Molecular 3 Transcripción y maduración del ARN Principios biológicos y arquitectura de la unidad de transcripción Mecanismos de la transcripción procariota Transcripción eucariota y complejo de preiniciación basal Procesamiento co-transcripcional del pre-ARNm 4 Código genético y traducción a proteínas El código genético y sus propiedades Organización del ARN mensajero y marco de lectura ARN de transferencia y la hipótesis del balanceo Arquitectura molecular del ribosoma y sus sitios funcionales Mecanismo de la traducción: iniciación, elongación y terminación Coordinación espaciotemporal: procariotas frente a eucariotas Regulación Génica y Epigenética 5 Control en procariotas y eucariotas Tipología génica: constitutivos frente a regulados Lógica de la regulación génica en procariotas Circuitos de control transcripcional en operones El modelo del operón lac de Escherichia coli Paisaje regulador en eucariotas: control combinatorio multinivel Factores de transcripción: familias estructurales y modos de acción Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 1 Elementos de regulación en cis a distancia: enhancers, silencers e insulators Mecanismos post-transcripcionales y control de calidad 6 ARNs pequeños y mecanismos epigenéticos Regulación génica postranscripcional: ARN interferente y pequeños ARNs Concepto de epigenética y metilación del ADN Modificaciones postraduccionales de histonas y código de histonas Factores ambientales, imprinting metabólico e impronta genómica Dinámica del Genoma 7 Replicación, recombinación y transposición Mecanismo y enzimología de la replicación del ADN Modelos estructurales y resolución de extremos Recombinación homóloga y modelo de Holliday Ligamiento meiótico y cartografía genética Elementos genéticos transponibles 8 Mutagénesis y sistemas de reparación del ADN Mutación y polimorfismo en la dinámica genómica Mecanismos de mutación espontánea e inducida Clasificación molecular de las mutaciones génicas Aberraciones cromosómicas numéricas y estructurales Dinámica del genoma: CNVs, mutaciones dinámicas e impacto fenotípico Vías celulares de reparación del ADN Herencia y Genética Médica 9 Patrones de herencia mendeliana y no mendeliana Bases conceptuales: genoma, ambiente y clasificación de caracteres Estimación del componente genético y heredabilidad Leyes de Mendel y teoría cromosómica Simbología en genealogías y patrones de transmisión clínica Herencia ligada al sexo y citoplasmática Modificaciones de las proporciones mendelianas y contraste empírico 10 Organización del genoma y técnicas de análisis genético Organización del genoma humano Variabilidad genética y polimorfismos moleculares Herramientas enzimáticas y separación electroforética Técnicas de amplificación, hibridación y marcadores RFLP Diagnóstico y Poblaciones 11 Diagnóstico genético y análisis de ligamiento Modalidades y niveles del diagnóstico genético Diagnóstico prenatal y análisis citogenético Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 2 Diagnóstico molecular: estrategias directas e indirectas 12 Genética de poblaciones y fuerzas evolutivas Genética de poblaciones y parámetros poblacionales Ley del equilibrio de Hardy-Weinberg y contraste estadístico Aplicación del equilibrio al cálculo de portadores clínicos Fuerzas evolutivas I: desvíos de la panmixia y consanguinidad Fuerzas evolutivas II: migración y flujo genético Fuerzas evolutivas III: deriva génica estocástica Fuerzas evolutivas IV: mutación y selección natural 13 Resumen para repasar Estructura y organización del material genético Expresión génica y epigenética Replicación, reparación y mutaciones Herencia y genética de poblaciones Hitos cronológicos de la genética molecular Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 3 1 Estructura y organización del material genético AL ACABAR SABRÁS Diferenciar las consecuencias reproductivas entre mutaciones de estirpe germinal y somática. Describir la composición nucleotídica, el enlace fosfodiéster y la polaridad química de las cadenas de ácidos nucleicos. Calcular proporciones de bases nitrogenadas empleando las reglas estequiométricas de Chargaff. Comparar los parámetros estructurales de la doble hélice B frente a las conformaciones A y Z, así como las características distintivas del ARN.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué dos cadenas de polinucleótidos con idéntica carga negativa en su esqueleto no se repelen hasta separarse? La genética constituye la disciplina biológica encargada de estudiar tanto la variabilidad intrínseca de los organismos como los mecanismos de su transmisión hereditaria. El material biológico que sustenta dicha herencia resuelve de forma precisa un equilibrio funcional fundamental: garantizar la conservación fidedigna de las instrucciones genéticas a lo largo de las generaciones y, simultáneamente, permitir un margen de modificación capaz de originar variabilidad mediante mutaciones moleculares.

Biología Molecular 1 Estructura y organización del material genético 2 Cromatina, cromosomas y genoma humano 3 Transcripción y maduración del ARN 4 Código genético y traducción a proteínas Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 4 ESQUEMA Organización del material genético 1. Dinámica hereditaria y naturaleza del material genético Las alteraciones en la secuencia del genoma tienen repercusiones radicalmente distintas según el linaje celular donde acontezcan. Esta distinción define el impacto reproductivo y clínico de cualquier alteración nucleotídica: Mutaciones germinales: se originan en las células de la línea germinal productoras de gametos.

Se transmiten a la descendencia completa y pasan a formar parte de todas sus células somáticas y germinales. Mutaciones somáticas: acontecen en tejidos diferenciados no reproductivos del organismo. Se restringen exclusivamente al individuo portador, limitándose a clones celulares locales sin posibilidad alguna de segregación hereditaria. La demostración empírica de que los ácidos nucleicos constituyen el vehículo transmisor de la información celular comenzó con los experimentos de Frederick Griffith en 1928. Al inocular bacterias no virulentas mezcladas con cepas patógenas inactivadas por calor, observó que las primeras adquirían la capacidad letal de forma estable y transmisible.

A este fenómeno se le denominó principio transformador, constatándose más tarde que el sustrato físico de dicha transformación bacteriana era el ácido desoxirribonucleico (ADN). DEFINICIÓN El principio transformador es la transferencia horizontal e incorporación de material genético foráneo en una bacteria receptora viva, alterando su fenotipo de manera permanente y heredable.

Ácidos nucleicos Polímeros informacionales celulares ADN Bicatenario y desoxirribosa Conformaciones helicoidales Polimorfismo B, A y Z Fuerzas estabilizadoras Puentes H, apilamiento y cationes ARN Monocatenario y ribosa ARN codificante ARNm molde de traducción ARN no codificante ARNt y ARNr traduccionales Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 5 En la especie humana, el genoma nuclear haploide contiene 3.000 millones de pares de bases ( ), repartidos en 23 parejas cromosómicas ( ) en las células somáticas. Este volumen total de ADN alberga aproximadamente entre 20.000 y 30.000 genes funcionales.

Cabe señalar que solo un máximo aproximado del 3 % de la secuencia genómica codifica directamente para proteínas, existiendo alrededor de un 1 % de divergencia interindividual en la secuencia global. COMPRUEBA 2 ¿Por qué una mutación originada en una célula epitelial de la piel no se transmite a la descendencia de ese individuo? 2. Componentes químicos y polimerización de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son polímeros lineales formados por subunidades repetitivas denominadas nucleótidos. Cada nucleótido se articula mediante tres elementos estructurales esenciales: 1. Una pentosa: una aldopentosa furanosa que corresponde a la ribosa en el ARN o a la 2'- desoxirribosa en el ADN.

En esta última molécula, el carbono 2' carece del grupo hidroxilo (-OH), portando exclusivamente un hidrógeno. 2. Un grupo fosfato: esterificado habitualmente al carbono 5' de la pentosa. 3. Una base nitrogenada: unida covalentemente al carbono 1' mediante un enlace N-glucosídico. Esquema de un nucleótido con fosfato, pentosa y adenina. Las bases nitrogenadas se clasifican químicamente en dos grupos atendiendo a su estructura anular heterocíclica: Bases purínicas (purinas): presentan un doble anillo bicíclico. Comprende a la adenina (A) y la guanina (G), comunes en ambos tipos de ácidos nucleicos. Bases pirimidínicas (pirimidinas): estructuradas en un único anillo heterocíclico simple.

Integran la citosina (C) (presente en ADN y ARN), la timina (T) (específica del ADN) y el uracilo (U) (específico del ARN). 3 × 10 pb 9 2n Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 6 La unión sucesiva de nucleótidos para constituir una hebra polinucleotídica se formaliza mediante enlaces fosfodiéster. Este enlace covalente de alta estabilidad conecta el grupo hidroxilo terminal del carbono 3' de una pentosa con el grupo fosfato situado en el carbono 5' de la pentosa contigua.

Como resultado químico intrínseco, la cadena resultante manifiesta una polaridad direccional estricta: un polo presenta un carbono 5' con su grupo fosfato libre (extremo 5'), mientras que el polo opuesto finaliza con un carbono 3' portador de un grupo hidroxilo reactivo sin esterificar (extremo 3'). ERROR FRECUENTE Confundir la polaridad química individual de una cadena ( ) con el alineamiento espacial antiparalelo de la doble hélice. Una sola cadena siempre tiene dirección física polar ( ); la cualidad antiparalela requiere dos cadenas enfrentadas que discurren en sentidos opuestos: una en sentido y su complementaria en sentido .

COMPRUEBA 3 ¿Qué diferencia molecular básica presentan el azúcar del ARN frente al del ADN en su carbono 2'? 3. Modelo de Watson y Crick y arquitectura de la doble hélice En el año 1947, los análisis analíticos de Erwin Chargaff permitieron deducir regularidades estequiométricas universales en el ADN celular de doble cadena, descritas como las reglas de Chargaff: Es decir, la proporción total de bases purínicas equivale exactamente a la de bases pirimidínicas. La correlación equimolar específica entre pares demostró que la secuencia no es aleatoria, sino que obedece a un emparejamiento molecular constante.

A partir de los patrones de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin sobre fibras de ADN hidratadas, James Watson y Francis Crick formularon en 1953 su modelo cristalográfico y tridimensional. La molécula se conforma por dos cadenas de polidesoxirribonucleótidos dispuestas de forma antiparalela y complementaria, enrolladas en torno a un eje central helicoidal común. Las dimensiones métricas canónicas del ADN estándar revelan un diámetro constante de 20 Å (2 nm), con un paso de rosca o vuelta helicoidal completa cada 34 Å (3,4 nm), conteniendo exactamente 10 pares de bases por vuelta (una separación vertical internucleotídica de 3,4 Å por base).

La geometría helicoidal expone alternadamente a lo largo del cilindro un surco mayor y un surco menor; el surco mayor ofrece una mayor accesibilidad espacial y química para que las proteínas reguladoras puedan reconocer y leer las bases nitrogenadas internas. La estabilidad estructural global de la doble hélice depende de un conjunto coordinado de fuerzas físico-químicas: Puentes de hidrógeno: aportan la especificidad complementaria. Se establecen estrictamente dos enlaces por puente de hidrógeno entre adenina y timina (A-T) y tres enlaces por puente de hidrógeno entre guanina y citosina (G-C). El par G-C requiere por ello mayor energía térmica para desnaturalizarse.

5 3 5 3 5 3 3 5 %A = %T y %G = %C A + G = C + T Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 7 Apilamiento de bases y fuerzas de Van der Waals: las bases nitrogenadas son heterociclos aromáticos planos hidrófobos orientados perpendicularmente al eje axial. Se superponen estrechamente entre sí dentro del núcleo cilíndrico, minimizando el contacto con el medio acuoso. Efectos hidrofóbicos y carácter anfipático: la doble cadena oculta sus bases apolares hidrófobas en el interior de la hélice, orientando el esqueleto de desoxirribosas y grupos fosfato ionizados cargados negativamente hacia el exterior hidrófilo.

Blindaje electrostático por cationes bivalentes: la repulsión electrostática natural entre las cargas negativas de los grupos fosfato contiguos se estabiliza por la interacción con cationes del medio celular, singularmente el catión magnesio ( ). COMPRUEBA 4 Si un fragmento de ADN bicatenario contiene un 28 % de citosina, ¿cuál es su porcentaje de adenina? 4. Polimorfismo del ADN: conformaciones B, A y Z El ADN no adopta una conformación rígida inmutable, sino que manifiesta plasticidad polimórfica tridimensional según las condiciones iónicas, el grado de hidratación o modificaciones epigenéticas locales (como la metilación): Esquema estructural comparativo de conformaciones B, A y Z del ADN.

Mg2+ Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 8 Parámetro Conformación B Conformación A Conformación Z Sentido de enrollamiento Dextrógiro (gira hacia la derecha) Dextrógiro (gira hacia la derecha) Levógiro (gira hacia la izquierda) Condición típica Fisiológica estándar (alta hidratación) Baja hidratación o híbridos ADN-ARN / ARN- ARN Regiones metiladas, ricas en alternancia GC o unión proteica Pares de bases por vuelta 10 pb 11 pb 12 pb (organización en zigzag) Existen asimismo organizaciones singulares como la triple hélice, estructurada por la incorporación de un tercer filamento de polinucleótido ubicado longitudinalmente en el surco mayor de una doble hélice de ADN preexistente.

5. Estructura y clases funcionales de ARN A diferencia del ADN genómico, el ácido ribonucleico (ARN) se dispone habitualmente como una cadena lineal monocatenaria. Se distingue del ADN por tres propiedades primarias: su pentosa constituyente es la ribosa, sustituye la timina por la pirimidina uracilo (emparejándose con la adenina mediante complementariedad A-U) y, al no disponer de una cadena hermana idéntica y antiparalela continua, genera patrones de plegamiento intramolecular muy diversos.

Las secuencias de ARN con simetrías complementarias internas pliegan sus filamentos sobre sí mismos, originando motivos helicoidales bicatenarios intramoleculares denominados tallos (stems) que culminan en bucles monocatenarios o asas (loops) no apareadas. Estas geometrías componen estructuras secundarias complejas tales como las horquillas (hairpin) y los abultamientos internos (bulges). Esquema del flujo funcional de los tres ARN principales.

Según su implicación en la biosíntesis proteica celular, se distinguen tres variedades canónicas principales de ARN: ARN mensajero (ARNm): molécula monocatenaria codificante que traslada la información codificada en el ADN desde el núcleo o nucleoide hasta el ribosoma, sirviendo de molde directo para el ensamblaje de polipéptidos (véase «Biología Molecular — Transcripción y maduración del ARN»).

ARN de transferencia (ARNt): ácido ribonucleico no codificante que transporta de manera coordinada aminoácidos específicos hacia el ribosoma durante la traducción proteica (véase Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 9 «Biología Molecular — Código genético y traducción a proteínas»). ARN ribosómico (ARNr): ARN estructural no codificante que se asocia con proteínas ribosomales para constituir las subunidades catalíticas del ribosoma encargadas del enlace peptídico (véase «Biología Molecular — Código genético y traducción a proteínas»). COMPRUEBA 5 En una estructura de ARN en horquilla, ¿cuál es la diferencia entre el tallo (stem) y el bucle (loop)?

IDEAS CLAVE Las mutaciones germinales son hereditarias y transmisibles a la progenie, mientras que las mutaciones somáticas se limitan al organismo en el que ocurren. El experimento del principio transformador de Griffith (1928) proporcionó la primera prueba experimental de la transferencia del material genético. Los polinucleótidos se ensamblan mediante enlaces covalentes fosfodiéster , otorgando polaridad a cada cadena individual. Según las reglas de Chargaff, la cantidad de adenina equivale a la de timina y la de guanina a la de citosina ( ).

La doble hélice canónica (forma B) es dextrógira, con un diámetro de 20 Å y 10 pares de bases por vuelta completa de 34 Å, estabilizada por puentes de hidrógeno (2 en A-T y 3 en G-C), apilamiento hidrófobo y cationes . El ARN es predominantemente monocatenario, incorpora ribosa y uracilo, y genera plegamientos secundarios tridimensionales combinando tallos apareados y lazos libres. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 6. ¿Por qué un fragmento de ADN con elevado contenido de G-C presenta mayor estabilidad térmica de desnaturalización que uno rico en A-T? 7. ¿Qué singularidad geométrica distingue a la conformación Z del ADN frente a las conformaciones A y B?

5 3 A + G = C + T Mg2+ Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 10 BIOLOGÍA MOLECULAR 2 Cromatina, cromosomas y genoma humano AL ACABAR SABRÁS Diferenciar los distintos órdenes de plegamiento de la cromatina desde el nucleosoma hasta el cromosoma condensado. Relacionar la paradoja del tamaño del genoma con la densidad génica y la presencia de secuencias intergénicas. Clasificar los cromosomas del cariotipo humano en los grupos A-G según su morfología centromérica. Explicar las características biológicas del ADN mitocondrial y las excepciones reconocidas al Dogma Central.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 8 ¿Cómo es posible albergar un metro continuo de ADN lineal en el interior de un núcleo celular que apenas mide cinco micrómetros? Organización del genoma en procariotas y eucariotas La compartimentación celular determina la disposición física del material hereditario. En los organismos procariotas, el genoma consiste habitualmente en una molécula de ADN circular no encerrada por membrana, situada en una región citoplasmática denominada nucleoide. En cambio, en las células eucariotas, la inmensa mayoría del ADN se encuentra confinado dentro del núcleo, organizado en moléculas lineales asociadas a proteínas estructurales.

No obstante, las células eucariotas también albergan ADN extranuclear en orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos. El genoma nuclear humano haploide está constituido por 3.000 millones de pares de bases ( ). Puesto que la separación física entre pares de nucleótidos consecutivos en la doble hélice es de , el conjunto estirado de estas moléculas alcanzaría aproximadamente un metro de longitud lineal. Este filamento macromolecular debe confinarse de forma ordenada en el interior de un núcleo celular cuyo diámetro medio ronda apenas los . Los cromosomas son complejos supramoleculares de ADN y proteínas encargados de resolver este desafío espacial.

Cada cromosoma individual contiene una única molécula lineal continua de ADN bicatenario que se extiende de un extremo al otro. Además de posibilitar la compactación requerida, los cromosomas protegen la integridad física del ADN frente a daños mecánicos o enzimáticos, regulan la accesibilidad de la maquinaria de expresión génica y garantizan el reparto equitativo del material genético durante la división celular. Paradoja del tamaño genómico y densidad génica El tamaño global de un genoma no guarda una relación estrictamente proporcional con la complejidad biológica del organismo.

Especies con un nivel similar de complejidad morfológica o fisiológica presentan a menudo dimensiones genómicas radicalmente dispares. En cambio, la densidad génica 3 × 10 pb 9 0,34 nm 5 μm Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 11 muestra una correlación inversa con la complejidad orgánica. A medida que aumenta la complejidad evolutiva, el número de genes por unidad de longitud física decrece de forma notable. Una menor densidad de genes aporta un mayor espaciamiento que facilita circuitos complejos de regulación transcripcional.

Esta disminución en la densidad viene impulsada fundamentalmente por dos factores estructurales: Esquema de densidad génica y proporciones no codificantes entre procariotas y eucariotas. COMPRUEBA 9 ¿Por qué un organismo con mayor tamaño genómico no es necesariamente más complejo que otro con un genoma menor? Niveles de empaquetamiento de la cromatina: del nucleosoma a la metafase Para lograr introducir un metro de ADN lineal en el espacio nuclear, la célula recurre a sucesivos órdenes jerárquicos de condensación. El complejo macromolecular formado por el ADN y sus proteínas asociadas recibe el nombre de cromatina. La unidad elemental y repetitiva de este empaquetamiento es el nucleosoma.

El núcleo o centro del nucleosoma está compuesto por un octámero de histonas, formado por dos copias de cada una de las histonas centrales: H2A, H2B, H3 y H4. Alrededor de este núcleo proteico cilíndrico, la doble hélice de ADN da aproximadamente 1,75 vueltas (unas 1,8 vueltas en su conformación nativa). Las histonas son proteínas ricas en residuos cargados positivamente (básicos), lo que promueve una interacción electrostática directa con los grupos fosfato de carga negativa del esqueleto del ADN. Esta primera fibra adopta un diámetro de y una apariencia visual denominada «collar de perlas» o cuentas en cadena, logrando un factor de empaquetamiento aproximado de .

Expansión de las regiones intergénicas: acumulación progresiva de secuencias repetidas y segmentos no codificantes situados entre unidades de transcripción adyacentes. 1 Incremento del tamaño de los genes: presencia de intrones extensos intercalados entre los exones, lo que acrecienta la longitud del transcrito primario sin elevar necesariamente el tamaño final de la proteína codificada. 2 10 nm 6× Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 12 A continuación interviene la histona H1, una proteína que se une por el exterior al ADN de enlace o conector.

Su presencia orienta y aproxima los nucleosomas adyacentes para enrollarlos en espiral, constituyendo una estructura de de grosor conocida como solenoide. Esta conformación helicoidal reúne unos 6 nucleosomas por vuelta y eleva el nivel de compactación a . Para progresar hacia condensaciones superiores, la fibra de se ancla a un andamiaje proteico central (denominado scaffold), desplegándose en bucles radiales que generan una fibra de de diámetro con una compactación de .

Finalmente, durante la división celular, estos bucles sufren un arrollamiento helicoidal adicional que rinde la cromátida condensada de a , alcanzando en el cromosoma metafásico completo ( ) un factor de compactación global de aproximadamente 10.000x. Esquema jerárquico de compactación cromatínica desde el nucleosoma al cromosoma metafásico.

30 nm 40× 30 nm 300 nm 2.000× 600 nm 700 nm 1.400 nm Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 13 PROCESO Niveles crecientes de compactación de la cromatina eucariota DEFINICIÓN Cromosoma metafásico: estado de máxima condensación estructural de la cromatina que se alcanza durante la metafase de la división celular, permitiendo la segregación mecánica segura de las copias del genoma hacia las células hijas.

Estados de la cromatina interfásica: eucromatina y heterocromatina En el núcleo de una célula en interfase, la cromatina no se encuentra uniformemente compactada, sino que se organiza en dos dominios morfológica y funcionalmente distintos: Eucromatina: fracción cromatínica descondensada o abierta. Alberga las secuencias transcripcionalmente activas, accesibles a la maquinaria enzimática celular. Heterocromatina: estado fuertemente condensado que engloba regiones transcripcionalmente silenciadas o inactivas, constituyendo entre el 5 % y el 10 % del genoma visible en interfase.

La heterocromatina se divide a su vez en dos categorías funcionales: Tipo de heterocromatina Características funcionales Distribución celular Heterocromatina constitutiva Permanece condensada e inactiva de forma constante e invariable en todos los estadios del desarrollo. Común e idéntica en todos los linajes y tipos celulares del organismo. Heterocromatina facultativa Regiones génicas condensadas y silenciadas específicamente según el estado fisiológico o celular. Específica de cada estirpe celular y reversible según requerimientos de expresión génica. Doble hélice de ADN Molécula bicatenaria lineal con diámetro de 2 nm.

1 Fibra nucleosomal (10 nm) Octámero de histonas envuelto por ADN; factor de empaquetamiento 6x. 2 Solenoide (30 nm) Incorporación de histona H1 con 6 nucleosomas por vuelta; 40x. 3 Bucles radiales (300 nm) Anclaje de la fibra sobre andamiaje proteico; factor 2.000x. 4 Cromosoma metafásico Condensación máxima de cromátidas (1.400 nm); factor 10.000x. 5 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 14 ERROR FRECUENTE Confundir heterocromatina facultativa con constitutiva.

La heterocromatina constitutiva jamás se transcribe y es compartida por todas las células de un individuo (como el ADN centromérico), mientras que la facultativa varía entre tejidos, albergando genes que pueden transcribirse en un linaje pero permanecer empaquetados e inactivos en otro. COMPRUEBA 10 ¿En qué estado de compactación nuclear se hallan los genes expresados activamente en un hepatocito? Características del genoma mitocondrial humano El núcleo no monopoliza la totalidad del material genético celular.

Las mitocondrias poseen su propio genoma, denominado ADN mitocondrial, el cual difiere sustancialmente del ADN cromosómico nuclear en varias propiedades clave: Morfología estructural: consiste en una molécula de ADN bicatenario circular no asociada a histonas. Contenido génico: codifica un repertorio compacto de alrededor de 27 genes (incluyendo genes para ARNr, ARNt y subunidades polipeptídicas de complejos enzimáticos de la fosforilación oxidativa). Cinética de replicación: se multiplica de manera continua e independiente de la fase S del ciclo celular, asegurando el suministro energético funcional.

Patrón de transmisión: sigue un modo estricto de herencia exclusivamente materna, pues los orgánulos citoplasmáticos del cigoto proceden casi en su totalidad del ovocito. Morfología cromosómica y cariotipo humano El conjunto característico de cromosomas de una especie, definido por su número, tamaño, posición del centrómero y patrón estructural, constituye el cariotipo. Cuando estos elementos se ordenan y esquematizan visualmente (mediante fotografía o dibujo alineado por el centrómero con los brazos largos orientados hacia abajo), la representación resultante se denomina cariograma o ideograma.

Morfológicamente, un cromosoma duplicado consta de dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero o constricción primaria. Esta estructura delimita dos sectores: el brazo corto (denominado ) y el brazo largo (denominado ). Según la posición que ocupe el centrómero, los cromosomas se dividen en tres morfologías clásicas: Metacéntricos: el centrómero se localiza en la zona central media, determinando brazos y de longitudes prácticamente iguales. Submetacéntricos: el centrómero se encuentra desplazado del centro, originando una asimetría clara donde el brazo es visiblemente más corto que el brazo .

Acrocéntricos: el centrómero se sitúa sumamente próximo a un extremo; el brazo queda reducido a una pequeña masa globular denominada satélite unida mediante una constricción secundaria. p q p q p q p Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 15 Diagrama del cariograma humano con clasificación morfológica en grupos del A al G.

En la especie humana, los 22 pares de autosomas y el par gonosomal se agrupan morfológicamente en siete clases ordenadas de la A a la G: Grupo Pares cromosómicos Tamaño relativo Morfología del centrómero Grupo A 1, 2, 3 Muy grandes Metacéntricos (1 y 3) y submetacéntrico grande (2) Grupo B 4, 5 Grandes Submetacéntricos Grupo C 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 y cromosoma X Medianos Submetacéntricos Grupo D 13, 14, 15 Medianos Acrocéntricos con satélite Grupo E 16, 17, 18 Pequeños Metacéntrico (16) y submetacéntricos (17 y 18) Grupo F 19, 20 Pequeños Metacéntricos Grupo G 21, 22 y cromosoma Y Pequeños Acrocéntricos (21 y 22 con satélite; Y sin satélite) Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 16 ESQUEMA Morfología de los cromosomas humanos según el centrómero COMPRUEBA 11 ¿En qué grupo del cariograma humano se localizan cromosomas acrocéntricos provistos de satélites?

Técnicas citogenéticas y Dogma Central de la Biología Molecular La citogenética analiza la arquitectura física, función y comportamiento de los cromosomas. Para resolver la estructura cromosómica e identificar alteraciones numéricas o estructurales, se aplican métodos de bandeo citogenético clásico: Bandeo Q: tinción con quinacrina que revela bandas alternas fluorescentes bajo luz ultravioleta. Bandeo G: digestión enzimática previa con tripsina y tinción con Giemsa; produce bandas oscuras que coinciden con las bandas fluorescentes Q.

Bandeo R: tinción con naranja de acridina o Giemsa modificado tras choque térmico; ofrece un patrón inverso al bandeo G, facilitando el análisis de extremos cromosómicos. Bandeo T: protocolos dirigidos a poner de relieve de forma específica las zonas teloméricas. Bandeo C: extracción de ADN y proteínas seguida de Giemsa para evidenciar heterocromatina en regiones centroméricas. Junto a las técnicas de tinción clásicas, la hibridación in situ fluorescente (FISH) permite detectar secuencias concretas sobre preparados citológicos.

El procedimiento consiste en desnaturalizar térmicamente una muestra de ADN para romper los enlaces por puentes de hidrógeno entre cadenas Metacéntricos Brazos p y q equivalentes en longitud. Grupo A (1 y 3) Cromosomas de tamaño muy grande. Grupo F (19 y 20) Cromosomas de tamaño pequeño. Submetacéntricos Centrómero desplazado; brazo p menor que q. Grupo B (4 y 5) Cromosomas de tamaño grande. Grupo C (6-12 y X) Cromosomas de tamaño mediano. Acrocéntricos Centrómero subterminal; brazo p con satélite. Grupo D (13, 14 y 15) Cromosomas acrocéntricos medianos. Grupo G (21, 22 e Y) Cromosomas acrocéntricos pequeños.

Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 17 complementarias y añadir a continuación una sonda monocatenaria marcada con un fluoróforo, la cual se aparea por complementariedad de bases con la región diana. El marco teórico clásico que describe el sentido de la información hereditaria es el Dogma Central de la Biología Molecular. Este postula que la información fluye de forma unidireccional: el ADN es capaz de duplicarse de manera autorreplicativa, se transcribe a moléculas de ARN mensajero, y este ARN sirve como molde para traducirse finalmente en cadenas de proteínas, agentes efectores de la función celular.

No obstante, este enunciado cuenta con excepciones moleculares trascendentales: IDEAS CLAVE El ADN haploide humano abarca (~1 metro lineal) y se compacta en un núcleo de tan solo . La densidad de genes decrece conforme aumenta la complejidad funcional del organismo, debido al crecimiento de secuencias intergénicas y de intrones. El nucleosoma consiste en un octámero proteico (dos copias de H2A, H2B, H3 y H4) alrededor del cual el ADN efectúa ~1,75 vueltas. La histona H1 actúa en el exterior nucleosomal induciendo el empaquetamiento de seis nucleosomas por vuelta en la fibra solenoide de .

El cariograma agrupa los 23 pares de cromosomas humanos en siete categorías (A a G) atendiendo a su tamaño y a la ubicación centromérica. Los virus de ARN con retrotranscripción y las ribozimas con actividad catalítica suponen excepciones directas a la concepción original del Dogma Central. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 12. ¿Qué componentes integran el núcleo estructural del nucleosoma y qué papel desempeña la histona H1? 13. ¿Qué diferencias diferencian la heterocromatina facultativa de la constitutiva en un núcleo celular interfásico? 14. ¿Cuáles son las dos principales excepciones biológicas formuladas frente al Dogma Central de la Biología Molecular?

Genomas de ARN y retrotranscripción vírica: determinados virus carecen por completo de ADN; conservan su información en forma de ARN y codifican transcriptasas inversas capaces de copiar ARN a ADN monocatenario o bicatenario. 1 Actividad catalítica del ARN (ribozimas): el flujo funcional no termina forzosamente en las proteínas; existen moléculas de ARN funcional con capacidad intrínseca para catalizar reacciones químicas celulares sin intermediación proteica.

2 3 × 10 pb 9 5 μm 30 nm Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 18 BIOLOGÍA MOLECULAR 3 Transcripción y maduración del ARN AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la organización y función de las tres ARN polimerasas nucleares eucariotas. Describir el papel del factor sigma bacteriano frente a los factores basales de transcripción eucariotas. Distinguir con exactitud los mecanismos de terminación Rho-dependiente e intrínseca en procariotas. Explicar el papel del dominio carboxilo-terminal (CTD) en las modificaciones del pre-ARNm. PIÉNSALO ANTES DE LEER 15 ¿Por qué la síntesis de ARN no requiere la adición previa de un cebador, a diferencia de la replicación del ADN?

Principios biológicos y arquitectura de la unidad de transcripción La transcripción es el proceso biológico mediante el cual se sintetizan moléculas de ácido ribonucleico utilizando una hebra de ADN como molde. Esta síntesis está catalizada por enzimas denominadas ARN polimerasas, las cuales incorporan ribonucleótidos trifosfato en dirección . A diferencia de la ADN polimerasa, la ARN polimerasa no requiere de un cebador para iniciar la síntesis. La enzima lee la hebra molde en sentido y puede emplear indistintamente cualquiera de las dos cadenas de la doble hélice, según la orientación específica de la unidad transcripcional.

A medida que avanza la burbuja de transcripción, la enzima desenrolla el ADN por delante y lo vuelve a enrollar por detrás, liberando la nueva cadena de ARN a los pocos nucleótidos de haberse sintetizado. Esta rápida liberación permite que múltiples polimerasas transcriban un mismo gen de forma simultánea. Respecto a la fidelidad catalítica, la ARN polimerasa comete aproximadamente un error cada 10.000 nucleótidos transcritos ( ), mientras que la replicación comete solo un fallo cada 10 millones ( ).

Esta menor precisión no compromete de manera irreversible la viabilidad celular: los ARN son transcritos transitorios y un transcrito defectuoso origina una proteína anómala puntual sin alterar el genoma hereditario. Además, la transcripción es selectiva y amplificable, produciendo desde una hasta miles de copias de regiones concretas del genoma. DEFINICIÓN Una unidad de transcripción es un tramo continuo de ADN que codifica al menos un ARN funcional y contiene tres regiones estructurales consecutivas: un promotor (que dirige el anclaje y la orientación de la polimerasa), una región codificante (secuencia transcrita) y un terminador (secuencia que indica el final de la polimerización).

5 3 3 5 10 4 10 7 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 19 PROCESO Fases de la transcripción 1 Iniciación Reconocimiento del promotor y apertura de la doble hebra 2 Transcrip ción abortiva Síntesis reiterada de oligonucleótidos cor tos antes del escape 3 Elongación Polimerización en sen tido 5' a 3' del trans crito primario 4 Termina ción Reconocimiento de señales de parada y li beración del ARN COMPRUEBA 16 ¿Por qué la célula tolera una tasa de error significativamente mayor en la transcripción que en la replicación? Mecanismos de la transcripción procariota En bacterias, una única ARN polimerasa cataliza la síntesis de todos los tipos de ARN.

La enzima activa se estructura en dos estados funcionales: el núcleo enzimático o core (constituido por cinco subunidades: dos , una , una y una ) y la holoenzima, formada al asociarse el factor sigma ( ) al core. El núcleo central posee la actividad catalítica de polimerización, pero es incapaz de reconocer específicamente los promotores por sí solo. El factor otorga especificidad de unión, reconociendo secuencias consenso situadas en las regiones -35 (TTGACA) y -10 (TATAAT) respecto al punto de inicio de la transcripción (+1). Esquema del reconocimiento del promotor procariota por la holoenzima bacteriana.

α β β ω σ σ Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 20 Durante la iniciación, la holoenzima reconoce el promotor y forma un complejo abierto separando las cadenas de ADN. La polimerasa lleva a cabo varios ciclos de transcripción abortiva sintetizando pequeños oligonucleótidos de hasta unos 9 ribonucleótidos. Una vez que la cadena supera los 10 nucleótidos, el factor se disocia, la enzima escapa del promotor y prosigue la elongación. Durante esta etapa, el núcleo central desplaza el ARN sintetizado y posee cierta capacidad de corrección de pruebas (proofreading).

La terminación procariota ocurre cuando la polimerasa reconoce secuencias específicas al final de la unidad de transcripción, mediante dos mecanismos: Terminación intrínseca (Rho-independiente): El ARN recién sintetizado forma una estructura secundaria en horquilla (hairpin loop) rica en pares G-C, seguida inmediatamente de una hilera de uracilos (U). La estabilidad de la horquilla detiene mecánicamente a la enzima, y la debilidad del emparejamiento híbrido poli-U:poli-A provoca la liberación del transcrito. Terminación dependiente de Rho: Requiere una proteína hexamérica con actividad helicasa llamada factor Rho.

Este complejo se une a una región del ARN naciente rica en citosinas y pobre en guaninas (sitio rut). Rho avanza hacia el extremo siguiendo a la polimerasa y, cuando esta se pausa, desenrolla el híbrido ADN-ARN y libera la cadena naciente. ERROR FRECUENTE Confundir el papel del factor y del factor Rho: participa exclusivamente en el reconocimiento del promotor y en el inicio de la transcripción (tras lo cual se disocia), mientras que Rho interviene de forma exclusiva en la etapa final de terminación desenrollando el híbrido ADN-ARN. COMPRUEBA 17 ¿Qué suceso bioquímico marca la transición de la transcripción abortiva a la elongación productiva en bacterias?

Transcripción eucariota y complejo de preiniciación basal A diferencia de las bacterias, las células eucariotas disponen de tres clases principales de ARN polimerasas nucleares, cada una especializada en distintos transcritos: Enzima Transcritos sintetizados Localización celular ARN polimerasa I Precursor del ARN ribosomal (ARNr) Nucléolo ARN polimerasa II Precursores de ARNm, snARN y snoARN Nucleoplasma ARN polimerasa III ARN de transferencia (ARNt), ARNr 5S y snARN pequeños Nucleoplasma Los promotores reconocidos por la ARN polimerasa II presentan secuencias reguladoras consenso, entre las que destacan el elemento -35 (reconocido por TFIIB), la caja TATA situada hacia -25 (secuencia TATAAA), el iniciador en +1 y el elemento aguas abajo en +30.

Para fijar la polimerasa II y comenzar la transcripción se requiere el ensamblaje ordenado del complejo de preiniciación basal mediante factores generales de transcripción (TFII): σ 3 σ σ Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 21 Diagrama del ensamblaje ordenado del complejo de preiniciación basal eucariota. La transición a la elongación depende de la fosforilación del dominio carboxilo-terminal (CTD) de la ARN polimerasa II. Esta fosforilación la ejecuta la subunidad quinasa de TFIIH. El cambio químico relaja la unión de la enzima al promotor basal, permitiendo el escape promotor mientras los factores basales permanecen para iniciar nuevos ciclos transcripcionales.

COMPRUEBA 18 ¿Cuál es la función enzimática esencial de TFIIH para permitir el escape de la polimerasa del promotor basal? Procesamiento co-transcripcional del pre-ARNm En eucariotas, los genes que codifican proteínas presentan una organización discontinua compuesta por secuencias codificantes denominadas exones intercaladas con regiones no codificantes llamadas intrones. El transcrito primario (ARN heterogéneo nuclear o pre-ARNm) sufre tres modificaciones Reconocimiento inicial: El factor TFIID reconoce la caja TATA mediante su subunidad TBP (TATA- binding protein), provocando una curvatura en el ADN.

1 Estabilización: Se incorporan TFIIA y TFIIB, fijando la plataforma de unión para la polimerasa sobre el promotor. 2 Reclutamiento enzimático: La ARN polimerasa II se posiciona en el complejo unida al factor TFIIF. 3 Cierre del complejo basal: Se unen sucesivamente TFIIE y TFIIH, completando el complejo de preiniciación cerrado. 4 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 22 acopladas físicamente al estado de fosforilación del dominio CTD a lo largo de la síntesis: Esquema del procesamiento de un gen fragmentado mediante maduración por splicing.

Las tres modificaciones co-transcripcionales son las siguientes: Capping en el extremo 5': Nada más iniciarse la síntesis, enzimas asociadas al CTD añaden una caperuza de 7-metilguanosina trifosfato unida mediante un enlace trifosfato inusual. Esta caperuza protege al mensajero naciente frente a la degradación por exonucleasas y resulta imprescindible para el posterior reconocimiento del ribosoma durante la traducción. Corte y poliadenilación en 3': Al alcanzar el final del gen, una maquinaria enzimática reconoce la secuencia señal consenso AAUAAA.

La endonucleasa corta el transcrito unos 11 a 30 nucleótidos corriente abajo, y la poli-A polimerasa añade una cola de 50 a 250 residuos de adenina (cola poli-A). Esta modificación confiere estabilidad al ARN maduro y facilita su transporte activo al citoplasma. Splicing (corte y empalme): El complejo ribonucleoproteico denominado espliceosoma escinde de forma precisa los intrones y une los exones codificantes contiguos. El proceso depende de secuencias conservadas: el sitio de corte (consenso GU), el sitio de corte (consenso AG) y un residuo interno de adenina en el denominado punto de ramificación (branch point).

ESQUEMA Modificaciones co- transcripcionales del pre-ARNm 5 5 5 3 Capping en 5' Adición de 7-metilguanosina trifosfato protectora Splicing Eliminación de intrones y unión covalente de exones Poliadenilación en 3' Corte en señal AAUAAA y adición de cola poli-A Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 23 Propiedad Procariotas Eucariotas Organización temporal y espacial Transcripción y traducción prácticamente simultáneas (acopladas) Espacio-temporalmente separadas (transcripción nuclear, traducción citoplasmática) Naturaleza del ARNm Policistrónico (codifica varios péptidos) Monocistrónico (un único marco codificante principal) Continuidad del gen Secuencia codificante continua Secuencia discontinua dividida en exones e intrones Maduración transcripcional Nula o mínima en ARNm Capping 5', splicing y cola poli-A 3' Estabilidad del ARN Vida media muy corta (se degrada rápidamente) Mayor estabilidad y vida media regulada COMPRUEBA 19 ¿Cuáles son las tres secuencias nucleotídicas conservadas requeridas en un intrón para su correcto procesamiento por el espliceosoma?

IDEAS CLAVE La ARN polimerasa sintetiza en sentido utilizando ADN molde, sin requerir la presencia de un cebador iniciador. En bacterias, el factor confiere especificidad al núcleo catalítico para reconocer las secuencias promotoras en -35 y -10. La terminación bacteriana se clasifica en intrínseca (mediada por horquilla GC y cola de uracilos) y Rho-dependiente (mediada por el hexámero Rho en sitios rut). La ARN polimerasa II transcribe los pre-ARNm eucariotas tras el ensamblaje secuencial del complejo de transcripción basal en la caja TATA. La fosforilación del dominio CTD de la ARN polimerasa II orquesta de forma co-transcripcional el capping en 5', el splicing y la poliadenilación en 3'.

COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 20. ¿En qué se diferencia el ensamblaje de la ARN polimerasa sobre el promotor entre procariotas y eucariotas? 21. ¿Qué consecuencias moleculares tiene la adición del capuchón de 7-metilguanosina en el extremo 5' del pre-ARNm?

BIOLOGÍA MOLECULAR 4 Código genético y traducción a proteínas 5 3 σ Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 24 AL ACABAR SABRÁS Describir las características y la organización de los 64 codones del código genético Explicar el papel de las aminoacil-ARNt sintetasas y la base molecular del balanceo Identificar los sitios ribosómicos (A, P y E) y las etapas de la síntesis proteica Comparar la iniciación y la coordinación espaciotemporal entre procariotas y eucariotas PIÉNSALO ANTES DE LEER 22 ¿Por qué un organismo con solo cuatro nucleótidos distintos necesita agruparlos de tres en tres para fabricar sus proteínas?

El código genético y sus propiedades La síntesis proteica o traducción consiste en transformar el mensaje lineal de cuatro nucleótidos presente en los ácidos nucleicos en cadenas polipeptídicas formadas por secuencias ordenadas de 20 aminoácidos distintos. La correspondencia entre ambas secuencias se rige mediante el código genético, cuyas características fundamentales garantizan la fidelidad de la expresión celular. El lenguaje genético se organiza en unidades de tres nucleótidos contiguos denominadas codones o tripletes.

Esta disposición por tríos es matemáticamente indispensable: si cada nucleótido codificara un aminoácido sólo se especificarían 4 compuestos; si fueran parejas ( ), se alcanzarían únicamente 16 combinaciones. La agrupación en tripletes genera 64 codones posibles ( ), superando la cifra mínima requerida para los 20 aminoácidos biológicos. 42 4 = 3 64 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 25 Tabla del código genético estándar con los 64 codones y sus aminoácidos.

Las reglas operativas del código genético presentan cinco propiedades determinantes: Linealidad y colinealidad: El orden de los nucleótidos en el ARNm coincide exactamente y en el mismo sentido con la secuencia de aminoácidos del polipéptido sintetizado. Lectura continua y sin solapamiento: Los nucleótidos se interpretan de tres en tres en dirección . Cada base pertenece de manera exclusiva a un único triplete y no existen señales espaciadoras ni huecos de separación entre codones adyacentes. Carácter degenerado: Múltiples codones pueden designar a un mismo aminoácido; estos tripletes equivalentes reciben el nombre de codones sinónimos.

Esta propiedad reduce notablemente las consecuencias perjudiciales de las mutaciones puntuales. Universalidad: Con contadas excepciones muy concretas, la asignación de cada triplete a su aminoácido correspondiente es compartida por prácticamente todas las formas celulares conocidas. Señales específicas de inicio y término: El codón AUG funciona como triplete habitual de iniciación y codifica para el aminoácido metionina (en bacterias y células vegetales pueden actuar también de forma secundaria codones como GUG o UUG). Por su parte, los tripletes UAA, UAG y UGA operan como codones de terminación (STOP), que carecen de aminoácido asociado y provocan el cese del ensamblaje polipeptídico.

DEFINICIÓN Un código genético degenerado es aquel en el que existen más codones con significado que aminoácidos codificables, de forma que varios tripletes sinónimos especifican la misma unidad aminoacídica, a diferencia de un código ambiguo, donde un único codón codificaría aminoácidos distintos (situación que nunca ocurre). 5 3 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 26 COMPRUEBA 23 ¿Por qué el código genético es degenerado pero no ambiguo? Organización del ARN mensajero y marco de lectura El segmento del ARNm destinado a traducirse se denomina pauta abierta de lectura u ORF (Open Reading Frame).

El inicio del ORF queda estrictamente delimitado por el primer codón de arranque y finaliza con la llegada de un codón de parada. Las secuencias flanqueantes a ambos lados corresponden a las regiones no traducidas y . La disposición de los marcos de lectura difiere radicalmente según la estirpe celular: ARNm policistrónico (procariotas): Contiene diversos ORF sucesivos bajo una misma molécula, permitiendo que un único ARN mensajero codifique para varias proteínas funcionales independientes. Presenta muy pocas secuencias intergénicas separadoras.

ARNm monocistrónico (eucariotas): Presenta un único ORF por molécula madura, por lo que sintetiza exclusivamente un tipo de cadena polipeptídica y contiene abundantes regiones no codificantes espaciadoras. El acoplamiento del ribosoma al mensaje genético requiere marcas de anclaje específicas en el extremo anterior al codón de partida: En bacterias, el alineamiento se realiza gracias a la secuencia Shine-Dalgarno (o sitio de unión al ribosoma, RBS), un motivo consensuado rico en purinas (frecuentemente GGAGG) situado de 3 a 9 nucleótidos por delante del codón AUG iniciador.

Esta secuencia establece un apareamiento de bases complementario con el extremo del ARN ribosómico 16S de la subunidad ribosómica menor. Esquema de ARNm policistrónico y apareamiento con la secuencia Shine-Dalgarno. En las células eucariotas, el ARNm carece de secuencia Shine-Dalgarno. En su lugar, la subunidad ribosómica menor unida al ARNt iniciador reconoce el casquete o caperuza de 7-metilguanosina (cap) en el extremo y se desliza a lo largo del transcrito hasta localizar el primer AUG favorable. Dicho codón de inicio suele encontrarse enmarcado dentro de un contexto nucleotídico óptimo denominado secuencia de Kozak (cuya estructura consenso es ).

Asimismo, las proteínas enlazadas al cap interactúan con los complejos que reconocen la cola de poli-A del extremo , facilitando la circularización funcional del mensajero.

5 -UTR 3 -UTR 3 5 5 -ACCAUGG-3 3 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 27 Característica ARNm en Procariotas ARNm en Eucariotas Organización del ORF Policistrónico (múltiples péptidos) Monocistrónico (un único péptido) Señal de reclutamiento ribosómico Secuencia de Shine-Dalgarno (RBS) Estructura de caperuzón (cap) Contexto del codón de inicio Separado 3-9 nt tras la secuencia RBS Frecuentemente en secuencia de Kozak Extremos estructurales Trifosfato en ( ) Cap y cola poli(A) en Estabilidad Degradación muy rápida (vida media corta) Tiempos de vida media más variables y prolongados COMPRUEBA 24 ¿Cómo determina la subunidad menor del ribosoma procariota cuál es el codón AUG de inicio correcto?

ARN de transferencia y la hipótesis del balanceo Los ARN de transferencia (ARNt) actúan como elementos adaptadores físico-químicos entre la secuencia nucleotídica del ARNm y la cadena peptídica. Están formados por cadenas cortas de entre 75 y 95 nucleótidos que se repliegan en una estructura secundaria tridimensional en hoja de trébol caracterizada por brazos con bases modificadas (brazo D, brazo ) y dos regiones funcionales decisivas: La unión esterificante entre el aminoácido y su ARNt respectivo corre a cargo de las enzimas denominadas aminoacil-ARNt sintetasas. Estas enzimas utilizan energía dependiente de ATP en un proceso que rinde AMP y pirofosfato inorgánico ( ).

Existe al menos una sintetasa especializada por cada uno de los 20 aminoácidos estándar. Una vez efectuada la carga, la enzima se disocia; el ribosoma no comprueba la identidad del aminoácido unido al tallo, sino únicamente el emparejamiento entre el anticodón y el codón en el centro decodificante. DEFINICIÓN La hipótesis del balanceo (wobble) postula que el emparejamiento entre las dos primeras posiciones del codón del ARNm y las posiciones correspondientes del anticodón es sumamente riguroso, mientras que la tercera base del codón (enfrentada a la primera base del anticodón en el extremo de este) goza de flexibilidad espacial.

Esta holgura conformacional permite que una misma molécula de ARNt cargada pueda reconocer varios codones sinónimos alternativos. 5 5 5 -PPP 5 3 TψC Brazo aceptor: Tallo terminal con la secuencia en su extremo , al cual se une covalentemente el aminoácido correspondiente mediante un enlace éster rico en energía. 1 5 -CCA-3 3 Bucle del anticodón: Región de tres nucleótidos expuestos que reconoce por complementariedad de bases al codón homólogo situado en el ARNm.

2 PP i 5 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 28 ERROR FRECUENTE Confundir la orientación de los extremos en la interacción codón-anticodón cuesta muchos puntos: el ARNm discurre de , mientras que el anticodón del ARNt se aparea de forma antiparalela ( ). Por tanto, la posición de balanceo o wobble corresponde a la base en del codón del ARNm, que coincide con la base del anticodón. Arquitectura molecular del ribosoma y sus sitios funcionales El ribosoma es una macromolécula ribonucleoproteica formada por dos subunidades compuestas de proteínas y diversas cadenas de ARN ribosómico (ARNr).

Su cometido general radica en asegurar la lectura del marco genético y unir secuencialmente los residuos aminoacídicos. Las dos subunidades desempeñan funciones complementarias y especializadas: Subunidad menor: Alberga el denominado centro decodificante, responsable directo de asociarse al ARNm y cotejar que el acoplamiento físico entre el codón y el anticodón sea exactamente complementario. Subunidad mayor: Contiene el centro peptidil transferasa y un conducto o túnel de salida por donde emerge el polipéptido en crecimiento (dicho túnel puede ser bloqueado selectivamente por antibióticos inhibidores de la síntesis de proteínas).

PARA RECORDARLO La catálisis de la formación del enlace peptídico en el centro peptidil transferasa no está llevada a cabo por los componentes proteicos del ribosoma, sino por el propio ARN ribosómico. Por ello, el ribosoma funciona biológicamente como una ribozima. En el interior del ribosoma acoplado se definen tres sitios tridimensionales que comunican las dos subunidades e interactúan sucesivamente con los ARNt: Sitio A (aminoacil): Espacio de entrada donde se acomoda el aminoacil-ARNt recién llegado portando el nuevo aminoácido. En este nicho se comprueba la complementariedad del triplete.

Sitio P (peptidil): Región central ocupada habitualmente por el peptidil-ARNt, que sostiene la cadena polipeptídica naciente unida covalentemente. En este sitio se aloja de manera exclusiva el ARNt iniciador al constituirse el complejo inicial. Sitio E (exit o de salida): Nicho que aloja temporalmente al ARNt desacilado (desprovisto de aminoácido o péptido) inmediatamente antes de su expulsión definitiva del ribosoma.

5 3 3 5 3 5 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 29 PROCESO Tránsito de los ARNt por los sitios ribosómicos 1 Entrada en sitio A El aminoacil-ARNt in gresa emparejándose con el codón expuesto 2 Catálisis en sitio P El enlace peptídico transfiere la cadena sobre el nuevo aminoácido 3 Transloca ción a sitio E El ribosoma avanza un codón desplazando el ARNt desacilado a salida 4 Expulsión del ribosoma El ARNt vacío aban dona el complejo para recargarse COMPRUEBA 25 ¿En qué sitio del ribosoma ingresa el ARNt iniciador durante la formación del complejo de iniciación?

Mecanismo de la traducción: iniciación, elongación y terminación La síntesis polipeptídica se desarrolla siguiendo un ciclo dinámico dividido en tres fases coordinadas: 1. Iniciación En procariotas, la subunidad menor (30S) se enlaza a factores de iniciación que impiden la unión prematura de la subunidad mayor. La secuencia Shine-Dalgarno coloca el codón de inicio AUG en la ventana del sitio P. A este codón se empareja el ARNt específico de iniciación cargado con formilmetionina (fMet-ARNt). Esquema del ensamblaje del complejo de iniciación de la traducción bacteriana.

A continuación se disocian los factores de iniciación y se incorpora la subunidad mayor (50S), conformándose el complejo de iniciación 70S completamente activo. En eucariotas, la subunidad menor (40S) asociada previamente con el Met-ARNt iniciador se une a las proteínas del casquete y rastrea el ARNm hasta el primer AUG favorable. Tras identificarse, se ensambla la subunidad 60S para formar el complejo 80S maduro. 5 Apuntes de Biología y Genética: Molecular, Mendel y Poblaciones 30 2. Elongación La adición de cada residuo aminoacídico se repite cíclicamente mediante tres sucesos secuenciales: 3.

Terminación El ciclo se prolonga hasta que uno de los tres codones de parada (UAA, UAG o UGA) se posiciona frente al sitio A. Ningún ARNt celular porta anticodones capaces de emparejarse con estos codones. En su lugar, el triplete es identificado por proteínas catalíticas denominadas factores de liberación (RF). La entrada del factor de liberación en el sitio A estimula la hidrólisis del enlace entre la proteína terminada y el ARNt del sitio P. El polipéptido completo se libera a través del túnel de la subunidad mayor, el ARNm se desprende y ambas subunidades ribosómicas se disocian para quedar disponibles en nuevas rondas de traducción.

PROCESO Fases secuenciales de la traducción 1 Iniciación Reconocimiento de inicio, colo cación de iniciador en sitio P y ensamblaje 2 Elongación Ciclos de entrada al sitio A, transpeptidación y translocación 5' <span class="tex"> </span> 3' 3 Terminación Llegada al codón STOP, unión de RF e hidrólisis del polipéptido COMPRUEBA 26 ¿Qué elemento molecular reconoce a los codones de parada cuando entran al sitio A?

Coordinación espaciotemporal: procariotas frente a eucariotas La organización anatómica interna de la célula marca diferencias esenciales en el modo en que se combinan la síntesis del ARN y la producción de proteínas (para la maduración del transcrito, véase «Biología Molecular — Transcripción y maduración del ARN»): Alojamiento del aminoacil-ARNt: El ARNt complementario al codón situado en el sitio A ingresa asociado a factores de elongación. Tras verificarse el apareamiento codón-anticodón, se desencadena un reordenamiento conformacional en la subunidad menor.

1 Formación del enlace peptídico: El centro peptidil transferasa de la subunidad mayor cataliza la rotura de la unión éster entre el polipéptido y el ARNt del sitio P, conectando el extremo de la cadena con el aminoácido portado por el ARNt del sitio A. Como resultado, el ARNt del sitio P queda desacilado y el del sitio A sostiene el péptido extendido. 2 Translocación: El ribosoma avanza exactamente una distancia de tres nucleótidos a lo largo de la molécula de ARNm en dirección . Con este desplazamiento, el ARNt desacilado pasa al sitio E (desde donde se libera al exterior) y el peptidil-ARNt pasa del sitio A al sitio P, vaciando el sitio A…