Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia

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APUNTES BIOLOGÍA Y GENÉTICA Grado en Nutrición Humana y Dietética Universidad de Lleida AprenAI 2026-2027 Apuntes completos de Biología y Genética: ácidos nucleicos, replicación, transcripción, traducción, regulación epigenética, mutaciones y Hardy-Weinberg.

APREN.AI Índice 1 Estructura molecular de los ácidos nucleicos — ADN y ARN Descubrimiento del material genético y organización genómica Componentes químicos de los nucleótidos y polaridad de cadena Doble hélice del ADN: reglas de Chargaff y modelo de Watson y Crick Fuerzas estabilizadoras y conformaciones estructurales del ADN Estructura y diversidad funcional del ARN 2 Organización del material genético — Cromatina y cromosomas Organización celular del material genético Complejidad biológica y densidad génica Niveles de empaquetamiento: del nucleosoma a la fibra de 30 nm Eucromatina y heterocromatina en la interfase Morfología cromosómica y análisis del cariotipo Técnicas citogenéticas y dogma central Expresión génica 3 Transcripción y maduración del ARN 1.

Principios bioquímicos y fidelidad de la transcripción 2. La maquinaria transcripcional en procariotas 3. Transcripción eucariota y complejo de preiniciación 4. Modificaciones cotranscripcionales del pre-ARNm 5.

Organización discontinua y ayuste (splicing) del ARN 4 Código genético y traducción Principios y propiedades del código genético Estructura del transcrito y reconocimiento ribosómico ARN de transferencia, aminoacilación y la hipótesis del tambaleo Estructura del ribosoma y sitios de unión Etapas del ciclo de traducción Diferencias espaciotemporales de la expresión génica 5 Regulación de la expresión génica — Procariotas y eucariotas Tipos de genes: constitutivos frente a regulados Lógica de la regulación génica en procariotas Cuadrantes de regulación procariota y el paradigma del operón lac Mecanismos de control transcripcional en células eucariotas Vías de activación y represores transcripcionales en eucariotas Elementos reguladores en cis eucariotas y curvatura del ADN Regulación cotranscripcional, postranscripcional y traduccional Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 1 6 Regulación epigenética y ARN no codificantes Concepto de epigenética y bases moleculares Silenciamiento postranscripcional por ARN no codificantes pequeños Metilación del ADN y dinámica de las islas CpG Modificaciones postraduccionales de histonas y código epigenético Influencia ambiental, nutrición y reprogramación epigenética Impronta genómica parental y Proyecto Epigenoma Humano 7 Replicación del ADN — Mecanismos y fidelidad Modelos de replicación y evidencia experimental La horquilla de replicación y la maquinaria enzimática Elongación y síntesis discontinua: fragmentos de Okazaki Topología del ADN y modelos de replicación El problema del extremo terminal y la telomerasa Fidelidad de la replicación y corrección de pruebas 8 Recombinación genética, ligamiento y transposones Profase I meiótica y recombinación homóloga Mecanismo molecular: el modelo de Holliday y la conversión génica Recombinación meiótica, ligamiento genético y mapeo Modalidades no homólogas y elementos genéticos móviles 9 Mutagénesis, daño genómico y sistemas de reparación del ADN Concepto de mutación y variación poblacional Lesiones espontáneas del material genético Agentes mutágenos y lesiones inducidas Clasificación y consecuencias de las mutaciones génicas Sistemas celulares de reparación del ADN 10 Anomalías cromosómicas y variación estructural del genoma Clasificación general de las alteraciones cromosómicas Anomalías numéricas: euploidías y aneuploidías Reorganizaciones estructurales balanceadas Reorganizaciones estructurales no balanceadas Variabilidad submicroscópica: CNV y mutaciones dinámicas 11 Herencia mendeliana y patrones de transmisión genética 1.

Conceptos fundamentales: genotipo, fenotipo y naturaleza de los caracteres 2. Análisis familiar, agregación y estimación de la heredabilidad 3. Principios mendelianos y su base cromosómica 4. Genealogías humanas y patrones de transmisión clásica 5.

Interacción génica, alelos letales y análisis de bondad de ajuste ( ) 12 Estructura del genoma humano y marcadores moleculares χ2 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 2 Organización del genoma: copias únicas y secuencias repetitivas Variabilidad genética y clases de marcadores moleculares Herramientas moleculares: enzimas de restricción y electroforesis Amplificación por PCR e hibridación en Southern blot Marcadores RFLP y análisis genético indirecto 13 Diagnóstico genético — Metodología clínica y prenatal Ámbitos y clasificación del diagnóstico genético Diagnóstico genético preimplantacional (DGPI) Diagnóstico prenatal: técnicas no invasivas e invasivas Diagnóstico citogenético y anomalías cromosómicas Aproximación directa en diagnóstico molecular Aproximación indirecta y análisis de ligamiento 14 Genética de poblaciones — Equilibrio de Hardy-Weinberg y fuerzas evolutivas Frecuencias fenotípicas, genotípicas y alélicas El modelo ideal y la ley de Hardy-Weinberg Aplicaciones clínicas en genética médica Fuerzas evolutivas y factores de dispersión del equilibrio 15 Resumen para repasar Estructura del ADN y organización genómica Mecanismos de expresión génica y epigenética Replicación, recombinación y mutagénesis Herencia, diagnóstico y genética de poblaciones 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. Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 3 1 Estructura molecular de los ácidos nucleicos — ADN y ARN AL ACABAR SABRÁS Describir los componentes químicos elementales de los nucleótidos de ADN y ARN. Aplicar las reglas de equivalencia de bases de Chargaff a secuencias bicatenarias. Diferenciar las conformaciones tridimensionales A, B y Z de la doble hélice de ADN. PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué el ADN utiliza timina mientras que el ARN incorpora uracilo como base nitrogenada?

La genética analiza los mecanismos de la herencia biológica y las causas de la variación entre organismos. La información biológica presenta una dualidad intrínseca: requiere estabilidad para transmitirse con fidelidad y cierta variabilidad para permitir la evolución. Estas variaciones se originan por mutaciones. Las mutaciones germinales se producen en células reproductoras y pasan a la descendencia, mientras que las mutaciones somáticas afectan exclusivamente al individuo portador y no se heredan.

ESQUEMA Organización de los Ácidos Nucleicos Descubrimiento del material genético y organización genómica La identificación de la molécula portadora de los caracteres hereditarios comenzó con los trabajos de Griffith (1928).

En su experimento con neumococos demostró la existencia del principio transformador: bacterias no virulentas vivas adquirían patogenicidad al mezclarse con cepas ADN Bicatenario y desoxirribosa Forma B Dextrógira habitual Forma A Deshidratada e híbridos Forma Z Levógira en zigzag ARN Monocatenario y ribosa ARNm Intermediario codificante ARNt Transporte de aminoácidos ARNr Componente ribosomal Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 4 virulentas inactivadas por calor. Este hallazgo sentó las bases para demostrar que el material hereditario residía en los ácidos nucleicos.

En la especie humana, el genoma haploide alberga aproximadamente 3.000 millones de pares de bases ( ), repartidos en 23 pares de cromosomas en las células diploides. De este total, se calcula que existen entre 20.000 y 30.000 genes. La fracción que codifica secuencias proteicas constituye únicamente alrededor del 3 % del ADN, existiendo cerca de un 1 % de variación nucleotídica entre individuos distintos. COMPRUEBA 2 ¿Por qué una mutación somática no influye en las características genéticas de la descendencia? Componentes químicos de los nucleótidos y polaridad de cadena Los ácidos nucleicos son polímeros de subunidades denominadas nucleótidos.

Cada nucleótido contiene tres elementos: un grupo fosfato unido al carbono 5', una pentosa y una base nitrogenada enlazada al carbono 1'. Esquema de un desoxirribonucleótido con fosfato, desoxirribosa y adenina. El azúcar marca la primera gran divergencia entre macromoléculas: la desoxirribosa en el ADN carece del grupo hidroxilo en posición 2' (contiene solo un hidrógeno), mientras que la ribosa en el ARN conserva un hidroxilo ( ) en dicho carbono 2'.

3 × 10 pb 9 OH Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 5 Familia química Estructura cíclica Bases nitrogenadas Presencia Pirimidinas Un solo anillo aromático Citosina (C), Timina (T), Uracilo (U) C (ADN y ARN), T (ADN), U (ARN) Purinas Doble anillo fusionado Adenina (A), Guanina (G) Presentes en ADN y ARN La unión sucesiva entre monómeros genera la polaridad de las cadenas de polinucleótidos. El enlace fosfodiéster es una ligadura covalente fuerte establecida entre el del carbono 3' de un azúcar y el grupo fosfato del carbono 5' del nucleótido entrante.

Como resultado, cualquier filamento presenta un extremo 5' libre (con grupo fosfato) y un extremo 3' terminal (con grupo hidroxilo libre). COMPRUEBA 3 ¿En qué carbono del azúcar difieren químicamente el ribonucleótido y el desoxirribonucleótido? Doble hélice del ADN: reglas de Chargaff y modelo de Watson y Crick En 1947, Erwin Chargaff dedujo pautas cuantitativas en la composición nucleotídica del ADN de distintas especies. La regla de Chargaff estipula que la proporción molar de adenina iguala a la de timina, y la de guanina equivale a la de citosina: REGLAS DE CHARGAFF La relación entre purinas y pirimidinas en el ADN bicatenario es estricta: .

Sin embargo, la razón entre pares y varía según el organismo. Mediante los datos cristalográficos por difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin, James Watson y Francis Crick propusieron en 1953 el modelo tridimensional de la doble hélice. Las dos hebras son antiparalelas: una discurre en orientación y la complementaria en sentido . OH %A = %T y %G = %C A + G = C + T (A + G)/(C + T) = 1 (A + T) (G + C) 5 3 3 5 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 6 Diagrama de puentes de hidrógeno en pares G-C y A-T. El apareamiento complementario conecta siempre una purina con una pirimidina en el núcleo interno de la molécula.

La adenina interactúa con la timina mediante dos puentes de hidrógeno ( ), mientras que la guanina se une a la citosina mediante tres puentes de hidrógeno ( ). Esta geometría complementaria garantiza que cada hebra sirva de plantilla para duplicar la información de forma fidedigna. ERROR FRECUENTE Asignar el mismo número de puentes de hidrógeno a todos los pares de bases distorsiona el cálculo de estabilidad térmica del ADN. Recuerda siempre que el par forma tres puentes de hidrógeno frente a los dos puentes del par ; a mayor contenido de , mayor resistencia térmica posee la doble hélice.

Fuerzas estabilizadoras y conformaciones estructurales del ADN La doble hélice es una molécula anfipática que orienta sus esqueletos azúcar-fosfato polares (con carga negativa debida al fosfato) hacia el exterior acuoso, resguardando las bases apolares hidrofóbicas en el núcleo. Varios factores cooperan para mantener unida la estructura: Puentes de hidrógeno específicos: alinean los pares complementarios. Apilamiento de bases: atracciones de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas entre los anillos planos situados perpendicularmente al eje central. Cationes bivalentes: iones como el neutralizan las repulsiones electrostáticas entre los fosfatos de ambas cadenas.

El empaquetamiento helicoidal genera asimetrías espaciales: un surco mayor y un surco menor. En el surco mayor los grupos químicos de las bases quedan más expuestos, lo que permite a las proteínas reguladoras inspeccionar secuencias nucleotídicas específicas sin desnaturalizar la doble cadena. A = T G C C G A T G + C Mg2+ Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 7 Esquema de las conformaciones helicoidales B, A y Z del ADN. Conformación Sentido de giro Pares de bases por vuelta Paso de rosca y diámetro Condiciones y características Forma B Dextrógira 10 pb Paso de 3,4 nm (34 Å); diámetro de 2,0 nm (20 Å); 0,34 nm/pb Forma fisiológica estándar descrita por Watson y Crick.

Forma A Dextrógira 11 pb Estructura más ancha y compacta Aparece en muestras deshidratadas y en híbridos ADN-ARN o dúplex de ARN. Forma Z Levógira 12 pb Estructura alargada con esqueleto en zigzag Favorecida por secuencias alternas de purinas/pirimidinas, metilación o proteínas. Se ha documentado también la existencia de conformaciones minoritarias como la triple hélice de ADN. COMPRUEBA 4 ¿Por qué la mayoría de las proteínas que regulan la transcripción reconocen las secuencias de ADN a través del surco mayor? Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 8 Estructura y diversidad funcional del ARN El ARN es predominantemente monocatenario.

Incorpora ribosa en lugar de desoxirribosa y la pirimidina uracilo (U) en sustitución de la timina, manteniendo complementariedad mediante apareamientos y . Al carecer de cadena complementaria continua, adopta diversas configuraciones secundarias mediante plegamientos intracatenarios en horquilla (constituidos por un tallo complementario o stem y un bucle monocatenario o loop), además de protuberancias (bulges) y lazos internos.

PROCESO Flujo de Información Biológica 1 ADN Genó mico Molde de la secuencia hereditaria 2 Transcrip ción Síntesis de cadena de ARN 3 Traduc ción Síntesis proteica ribosómica 4 Proteína Producto ejecutor funcional Atendiendo a su función, destacan tres clases esenciales en la síntesis proteica: ARN mensajero (ARNm): molécula codificante que copia la información génica del ADN y sirve de molde en los ribosomas. ARN transferente (ARNt): especie no codificante que transporta aminoácidos específicos hacia el ribosoma durante la traducción. ARN ribosómico (ARNr): componente catalítico y estructural no codificante que conforma la maquinaria del ribosoma.

COMPRUEBA 5 ¿Cuáles son los dos componentes estructurales básicos de una conformación en horquilla en el ARN? IDEAS CLAVE Los nucleótidos constan de una pentosa (ribosa o desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada unida al carbono 1'. El enlace fosfodiéster une el carbono 3' del azúcar con el fosfato 5' del siguiente nucleótido, otorgando polaridad a la cadena. Las reglas de Chargaff demuestran que en el ADN bicatenario la adenina iguala cuantitativamente a la timina, y la guanina a la citosina. El ADN en conformación B es una doble hélice dextrógira antiparalela con 10 pb por vuelta, un paso de 3,4 nm y un diámetro de 2,0 nm.

El ARN es monocatenario, contiene uracilo y ribosa, y adopta estructuras secundarias como horquillas (stem y loop). A U G C Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 9 COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 6. Si una muestra de ADN de doble cadena presenta un 30 % de adenina, ¿cuál es el porcentaje de citosina? 7. ¿En qué se diferencia el sentido de giro de la hélice en el ADN de forma B respecto a la forma Z? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 8. ¿Qué componente químico del carbono 2' diferencia la desoxirribosa del ADN frente a la ribosa? 9. ¿Cuántos puentes de hidrógeno sostienen el apareamiento entre guanina y citosina? 10.

¿Qué parámetro helicoidal define a la conformación clásica B del ADN? 11. ¿Cómo se denomina la porción monocatenaria terminal no apareada en una estructura en horquilla de ARN?

Un grupo amino a) Un grupo hidroxilo b) Un átomo de hidrógeno c) Un grupo fosfato d) Dos puentes a) Tres puentes b) Cuatro puentes c) Un puente covalente d) Giro dextrógiro y 10 pb a) Giro levógiro y 10 pb b) Giro dextrógiro y 11 pb c) Giro levógiro y 12 pb d) Stem a) Surco menor b) Bulge c) Loop d) Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 10 2 Organización del material genético — Cromatina y cromosomas AL ACABAR SABRÁS Diferenciar los distintos niveles de compactación de la cromatina desde la doble hélice libre hasta el cromosoma metafásico. Explicar la relación existente entre tamaño del genoma, densidad de genes y grado de complejidad biológica.

Clasificar los cromosomas humanos según la morfología centromérica y asignar cada par a los grupos del cariotipo de la A a la G. Distinguir funcionalmente entre eucromatina y heterocromatina (constitutiva frente a facultativa). PIÉNSALO ANTES DE LEER 12 Si una célula humana contiene más de un metro de ADN lineal en su interior, ¿cómo logra alojarlo en un núcleo que mide solo unas 5 milésimas de milímetro? Organización celular del material genético El material genético celular se dispone de formas distintas según el linaje evolutivo. En los organismos procariotas, el ADN forma una única molécula circular situada en una región citoplasmática desprovista de membrana llamada nucleoide.

En cambio, las células eucariotas albergan su genoma nuclear segmentado en moléculas lineales estrechamente asociadas a proteínas estructurales, configurando los cromosomas. Además del núcleo, existen orgánulos celulares semiautónomos que contienen su propio genoma circular, como los cloroplastos y las mitocondrias. El ADN mitocondrial humano es una doble hélice circular cerrada que alberga entre 27 y 37 genes, se replica de forma constante y presenta una estricta transmisión por herencia materna. Sus secuencias codifican principalmente subunidades enzimáticas de la fosforilación oxidativa, junto con ARN ribosómicos (ARNr) y de transferencia (ARNt).

El genoma humano haploide está constituido por 3.000 millones de pares de bases ( ) repartidos en 23 cromosomas. Sabiendo que la separación internucleotídica en la doble hélice es de 0,34 nm (véase «Estructura molecular de los ácidos nucleicos — ADN y ARN»), el conjunto lineal del ADN de una sola célula superaría el metro de longitud. Dado que el núcleo celular medio posee un diámetro aproximado de apenas 5 µm, este material requiere una compactación superior a varias decenas de miles de veces para caber en su interior.

La función básica del ensamblaje cromosómico consiste en condensar el material, salvaguardar la integridad de la hebra frente a roturas mecánicas o enzimáticas, regular la accesibilidad de la maquinaria celular y permitir el reparto equitativo del genoma duplicado a las células hijas durante la mitosis. 3 × 10 pb 9 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 11 COMPRUEBA 13 ¿Por qué el ADN mitocondrial presenta exclusivamente un patrón de herencia materna en humanos? Complejidad biológica y densidad génica Durante décadas se asumió que la cantidad global de ADN reflejaba de manera lineal el grado de complejidad morfológica o funcional de una especie.

Sin embargo, no existe correlación directa entre el volumen del genoma y la complejidad biológica de un taxón: organismos filogenéticamente cercanos exhiben discrepancias masivas en sus cantidades haploides de ADN. El genoma humano contiene entre 20.000 y 30.000 genes, de los cuales únicamente alrededor del 3% corresponde a secuencia codificante. El parámetro que mejor se asocia con el grado de complejidad organísmica es la densidad génica, entendida como el número de genes por unidad de longitud del ADN. Esquema comparativo de densidad génica y regiones intergénicas entre distintas especies. A medida que aumenta la complejidad evolutiva, la densidad génica disminuye drásticamente.

Dos fenómenos principales provocan esta reducción: el ensanchamiento de las regiones intergénicas (secuencias no codificantes y elementos repetitivos interpuestos entre genes consecutivos) y el incremento del tamaño promedio de cada gen por la presencia de intrones extensos, sin que ello conlleve un aumento en el tamaño final de las proteínas sintetizadas. Una menor densidad de genes proporciona un repertorio mucho más amplio de secuencias espaciadoras destinadas al control y ajuste fino de la expresión. COMPRUEBA 14 ¿Qué dos mecanismos explican que la densidad génica sea mucho menor en humanos que en bacterias?

Niveles de empaquetamiento: del nucleosoma a la fibra de 30 nm Para empaquetar la doble hélice dentro de los límites nucleares, el ADN eucariota se asocia con un grupo especializado de proteínas básicas llamadas histonas. Las histonas poseen una elevada concentración de aminoácidos cargados positivamente, lo que genera una potente atracción electrostática hacia la carga negativa que proporcionan los grupos fosfato del esqueleto de Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 12 desoxirribosa.

Existen cinco clases principales de histonas: cuatro de ellas integran la partícula central o núcleo nucleosómico (H2A, H2B, H3 y H4) y la quinta, denominada H1, actúa como elemento de anclaje externo. DEFINICIÓN El nucleosoma es la unidad fundamental y repetitiva de la cromatina eucariota, formada por un núcleo octamérico de dos moléculas de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4, sobre el cual la molécula de ADN se enrolla en 1 vuelta y 3/4 (aproximadamente 1,8 vueltas). Presenta un diámetro externo de 10 nm y confiere un factor de compactación de unas 6 veces («collar de perlas»).

La fibra cromatínica básica de 10 nm se pliega sobre sí misma mediante la acción de la histona H1, que estabiliza el ADN a la entrada y salida de cada octámero. Este replegamiento forma una hélice regular de seis nucleosomas por vuelta conocida como solenoide, la cual posee un grosor de 30 nm y alcanza una compactación de 40 veces. Diagrama del ensamblaje del nucleosoma y compactación en solenoide de 30 nm. Posteriormente, la fibra de 30 nm se organiza en una serie de lazos o bucles anclados a un soporte o armazón proteico nuclear no histónico (scaffold), dando origen a una estructura de 300 nm con una condensación aproximada de 2.000 veces.

Durante la división celular, estos bucles condensados sufren un plegamiento superior que conforma las cromátidas individuales de 600 a 700 nm, culminando en el cromosoma metafásico, cuyo diámetro alcanza los 1.400 nm con un empaquetamiento global cercano a 10.000 veces respecto al ADN desnudo.

Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 13 PROCESO Niveles jerárquicos de empaquetamiento de la cromatina Nivel estructural Diámetro Componentes implicados Compactación Doble hélice libre 2 nm ADN bicatenario en forma B 1x (extendido) Fibra nucleosómica 10 nm Octámero (2x H2A, H2B, H3, H4) + 1,8 vueltas ADN 6x Solenoide 30 nm 6 nucleosomas por espira trabados por histona H1 40x Bucles radiales 30 nm – 300 nm Fibra fijada al armazón proteico (scaffold) 2.000x Cromátida condensada 600 – 700 nm Espirales de bucles compactados en mitosis ~5.000x Cromosoma metafásico 1.400 nm Dos cromátidas hermanas asociadas por centrómero 10.000x COMPRUEBA 15 ¿Cuál es el papel directo de la histona H1 en el paso de la fibra de 10 nm a la de 30 nm?

Eucromatina y heterocromatina en la interfase Dentro del núcleo en interfase celular (como el de un hepatocito en reposo funcional), la cromatina no se halla condensada de forma homogénea, sino distribuida en dos compartimentos funcionales: eucromatina y heterocromatina. Eucromatina: representa la fracción de cromatina menos condensada y más accesible. Corresponde a los segmentos genómicos que se encuentran transcripcionalmente activos o Doble hélice libre Molécula de ADN bicatenario con 2 nm de diámetro. 1 Fibra de 10 nm Collar de perlas con ADN enrollado en octámeros de histonas. 2 Solenoide de 30 nm Espiral estabilizada por histona H1 con seis nucleosomas por vuelta.

3 Bucles en scaffold Asas radiales fijadas a un armazón proteico que alcanzan 300 nm. 4 Cromosoma metafásico Máxima compactación de 1.400 nm para la segregación celular. 5 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 14 preparados para activarse bajo los estímulos fisiológicos adecuados. Heterocromatina: abarca los dominios cromatínicos que permanecen en un estado permanentemente denso y compactado, representando un 5-10% del genoma en interfase. Se divide en dos categorías operativas: Heterocromatina constitutiva: permanece condensada en todas las líneas celulares del organismo de manera invariable.

Suele localizarse en regiones pericentroméricas y teloméricas, careciendo casi por completo de expresión génica. Heterocromatina facultativa: comprende regiones de ADN condensadas e inactivadas de manera específica en ciertos linajes celulares o estadios del desarrollo, mientras que en otros tipos celulares se descondensa como eucromatina activa. ERROR FRECUENTE Confundir cromátidas hermanas con cromosomas homólogos. En la metafase mitótica, cada cromosoma individual consta de dos cromátidas hermanas idénticas unidas por el centrómero, derivadas de la replicación del ADN en la fase S.

En cambio, los dos miembros de una pareja de cromosomas homólogos proceden uno del progenitor paterno y otro del materno; comparten la misma dotación de loci en idéntica secuencia, pero presentan frecuentemente variantes alélicas distintas. Morfología cromosómica y análisis del cariotipo La máxima condensación cromosómica se observa durante la metafase de la mitosis. Cada cromosoma metafásico está delimitado por una constricción primaria denominada centrómero, que divide la estructura en un brazo corto (brazo , del francés petit) y un brazo largo (brazo ).

La ubicación relativa del centrómero clasifica los cromosomas en cuatro grupos morfológicos: p q Metacéntricos: el centrómero se ubica en el centro exacto, generando brazos y de longitud sensiblemente semejante. 1 p q Submetacéntricos: el centrómero está desplazado hacia uno de los extremos, delimitando un brazo claramente más corto que el brazo . 2 p q Acrocéntricos: el centrómero se sitúa casi en la zona distal; el brazo corto es diminuto y suele terminar en unas masas cromatínicas pedunculadas llamadas satélites. 3 Telocéntricos: el centrómero se ubica en el extremo terminal estricto, de modo que carecen funcionalmente de brazo (esta morfología no se halla en el genoma humano estándar).

4 p Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 15 Esquema del cariograma humano ordenado por grupos morfológicos de la A a la G. El cariotipo es el conjunto de características que definen el complemento cromosómico de una célula o individuo: número total de cromosomas, su tamaño, morfología y la posición de sus centrómeros. Permite diagnosticar alteraciones tanto numéricas como estructurales. Cuando este conjunto se ordena sistemáticamente a partir de microfotografías, alineando los cromosomas por sus centrómeros y orientando los brazos largos hacia abajo, se obtiene un cariograma (también esquematizado como ideograma).

En la especie humana, los 22 pares de autosomas y el par de gonosomas (XX o XY) se distribuyen taxonómicamente en siete grupos (A a G) en función de su tamaño decreciente y la posición de su centrómero: Grupo Cromosomas incluidos Morfología distintiva y tamaño relativo A Pares 1, 2 y 3 Cromosomas de tamaño muy grande; 1 y 3 son metacéntricos, 2 es submetacéntrico grande. B Pares 4 y 5 Cromosomas de gran tamaño, marcadamente submetacéntricos. C Pares 6 a 12 y el cromosoma X Cromosomas de tamaño mediano con centrómero submetacéntrico. D Pares 13, 14 y 15 Cromosomas de tamaño medio, acrocéntricos y dotados de satélites en el brazo corto.

Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 16 Grupo Cromosomas incluidos Morfología distintiva y tamaño relativo E Pares 16, 17 y 18 Cromosomas comparativamente pequeños; 16 es metacéntrico, 17 y 18 submetacéntricos. F Pares 19 y 20 Cromosomas pequeños, ambos con morfología netamente metacéntrica. G Pares 21, 22 y el cromosoma Y Cromosomas muy pequeños; 21 y 22 son acrocéntricos con satélite, mientras que el Y es acrocéntrico desprovisto de satélite. Técnicas citogenéticas y dogma central La citogenética es la disciplina encargada de estudiar la estructura, función y anomalías de los cromosomas.

El análisis citogenético clásico emplea técnicas de bandeo para generar perfiles transversales característicos a lo largo de los brazos cromosómicos: Bandeo Q: tinción fluorescente con mostaza de quinacrina; produce bandas brillantes en regiones ricas en adenina y timina. Bandeo G: digestión enzimática controlada con tripsina previa a la tinción con Giemsa. Genera un patrón de bandas oscuras que coincide exactamente con las zonas brillantes del bandeo Q. Bandeo R: tratamiento con calor y tinción con naranja de acridina o Giemsa. Produce un patrón inverso al de las bandas G y Q, resultando idóneo para analizar los extremos cromosómicos.

Bandeo C: extracción desnaturalizante de ADN y proteínas seguida de Giemsa; tiñe de forma específica la heterocromatina centromérica. Bandeo T: técnicas analíticas destinadas a destacar las regiones teloméricas. Junto a las técnicas de tinción clásica, la hibridación in situ fluorescente (FISH) permite mapear secuencias concretas sobre preparaciones cromosómicas. El procedimiento consiste en desnaturalizar por calor el ADN celular diana para abrir su doble cadena rompiendo los puentes de hidrógeno, tras lo cual se añade una sonda monocatenaria marcada con un fluoróforo que hibrida con su secuencia complementaria.

La información contenida en los cromosomas fluye según el dogma central de la biología molecular, formulado para describir la transmisión y expresión informativa: el ADN se autoduplica mediante la replicación, se transcribe en ARN mensajero y este se traduce finalmente a proteínas ejecutoras. Existen excepciones establecidas a este esquema unidireccional: ciertos virus con genoma de ARN emplean transcriptasas inversas para copiar su material a ADN (retrovirus), y algunas moléculas de ARN poseen propiedades catalíticas intrínsecas (ribozimas) sin requerir traducción a proteínas.

Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 17 IDEAS CLAVE El genoma humano haploide contiene y unos 20.000 a 30.000 genes, con solo un 3% de secuencia codificante. La densidad génica disminuye conforme se incrementa la complejidad del organismo, debido al alargamiento de las regiones intergénicas y de los intrones. El nucleosoma consiste en un octámero de histonas básicas (dos copias de H2A, H2B, H3 y H4) rodeado por 1 vuelta y 3/4 de ADN. La histona H1 estabiliza la formación de la fibra de 30 nm (solenoide), la cual se ancla sucesivamente a un armazón proteico hasta conformar el cromosoma metafásico de 1.400 nm.

Los 23 pares cromosómicos se clasifican morfométrica y funcionalmente en los grupos A a G mediante cariogramas y técnicas de bandeo cromosómico o hibridación FISH. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 16. ¿Cuál es la causa química de la alta afinidad entre las proteínas histonas y la molécula de ADN? 17. ¿En qué se diferencia la heterocromatina constitutiva de la heterocromatina facultativa? 18. ¿Cuáles son las dos principales excepciones biológicas al dogma central clásico de la biología molecular? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 19. ¿Cuántas moléculas de histona componen la partícula central de un nucleosoma eucariota? 20.

¿Qué factor reduce de forma más notable la densidad génica en eucariotas complejos frente a procariotas? 21. ¿En qué grupo citogenético se clasifican los cromosomas humanos 13, 14 y 15?

3 × 10 pb 9 Seis histonas nucleares y dos H1 a) Diez histonas básicas más la H1 b) Ocho histonas: dos H2A, H2B, H3 y H4 c) Cuatro histonas distintas sin duplicar d) La disminución del tamaño celular eucariota a) La condensación del nucleosoma en solenoide b) El aumento de regiones intergénicas e intrones c) La pérdida de proteínas histónicas nucleares d) Grupo C a) Grupo D b) Grupo B c) Grupo G d) Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 18 3 Transcripción y maduración del ARN AL ACABAR SABRÁS Comparar las etapas de iniciación, elongación y terminación entre bacterias y eucariotas. Explicar el papel catalítico y regulador del dominio CTD de la ARN polimerasa II.

Describir las reacciones bioquímicas de transesterificación en el procesamiento de intrones. PIÉNSALO ANTES DE LEER 22 ¿Por qué la síntesis de ARN no requiere una molécula cebadora para comenzar, a diferencia de la duplicación del ADN? La expresión del material genético requiere transferir la información almacenada en el ADN hacia moléculas intermediarias de ARN funcional. Este mecanismo fundamental se denomina transcripción y constituye el primer punto de control para determinar qué genes se manifiestan, en qué cantidad y en qué momento preciso de la vida celular.

Expresión génica 3 Transcripción y maduración del ARN 4 Código genético y traducción Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 19 ESQUEMA Etapas y componentes de la transcripción génica 1. Principios bioquímicos y fidelidad de la transcripción La síntesis de ARN es ejecutada por la enzima ARN polimerasa dependiente de ADN. A diferencia de las ADN polimerasas que intervienen en la duplicación génica, la ARN polimerasa no necesita un cebador para iniciar la polimerización.

La síntesis transcurre siempre de forma unidireccional en sentido , empleando como sustratos ribonucleótidos trifosfato libres y leyendo la cadena de ADN molde en sentido (para las particularidades del apareamiento de bases, véase «Estructura molecular de los ácidos nucleicos — ADN y ARN»). La enzima puede utilizar cualquiera de las dos cadenas de la doble hélice de ADN como molde de manera asimétrica para distintos genes. Conforme la ARN polimerasa avanza, desenrolla la doble hélice por delante formando una burbuja de transcripción y restablece el apareamiento del ADN por detrás, desplazando y expulsando la cadena de ARN naciente pocos nucleótidos después del sitio catalítico activo.

Esta rápida liberación permite que varias polimerasas transcriban simultáneamente el mismo gen en tándem. En cuanto a la exactitud, la fidelidad de la transcripción es notablemente inferior a la de la replicación del genoma. La ARN polimerasa comete aproximadamente 1 error cada 10.000 nucleótidos, frente a 1 fallo por cada 10 millones de bases incorporadas durante la replicación celular. Dado que los transcritos son transitorios y una misma secuencia génica genera miles de copias independientes, un fallo transcripcional puntual afecta únicamente a una fracción de proteínas y no compromete de por vida el patrimonio genético de la descendencia celular.

Transcripción de ARN Síntesis enzimática a partir de ADN Iniciación Promotor y factores basales Elongación Polimerización en sentido 5' a 3' Terminación Liberación del transcrito naciente Maduración eucariota Modificaciones cotranscripcionales Caperuza 5' 7-metilguanosina protectora Corte y empalme Eliminación de intrones por espliceosoma Poliadenilación 3' Adición de cola poli-A 5 3 3 5 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 20 DEFINICIÓN Una unidad de transcripción es un tramo delimitado de ADN que actúa como molde para generar una molécula concreta de ARN.

Contiene tres componentes esenciales: el promotor (secuencia de reconocimiento y anclaje), la región codificante (secuencia copiada en el transcrito) y el terminador (señal de finalización). COMPRUEBA 23 ¿Por qué la célula tolera una tasa de error mucho mayor en la transcripción que en la replicación? 2. La maquinaria transcripcional en procariotas En las bacterias, una única ARN polimerasa cataliza la síntesis de todos los tipos celulares de ARN. El núcleo catalítico (core) consta de cinco subunidades y requiere acoplarse transitoriamente a un factor sigma ( ) para constituir la holoenzima completa.

La presencia del factor confiere especificidad para reconocer el promotor y reduce la afinidad inespecífica por el resto del ADN. Los promotores procariotas se caracterizan por presentar dos regiones consenso conservadas situadas en las posiciones -35 y -10 respecto al punto de inicio de la transcripción (+1). La región -35 presenta habitualmente la secuencia consenso TTGACA, mientras que la caja -10 contiene la secuencia TATAAT. Distintos factores sigma reconocen combinaciones específicas de promotores según los requerimientos de la célula. σ σ Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 21 Esquema del reconocimiento del promotor procariota y liberación de sigma.

El proceso procariota se desglosa en tres etapas coordinadas: Iniciación y síntesis abortiva: Tras reconocer las secuencias -35 y -10, la holoenzima desenrolla la doble hélice para formar el complejo abierto. Durante los primeros intentos, la enzima sintetiza fragmentos muy cortos de hasta unos 9 nucleótidos en ciclos abortivos repetidos. Al alcanzar una longitud superior a 10 ribonucleótidos, el factor sigma se desestabiliza y se libera, permitiendo el escape del promotor.

1 Elongación: El núcleo catalítico libre avanza por la cadena molde sintetizando ARN en sentido , separando la hebra naciente y reasociando la doble cadena de ADN a su paso, además de ejercer cierta capacidad de corrección de pruebas (proofreading). 2 5 3 Terminación: La disociación del complejo puede ocurrir por dos vías: Terminación Rho-independiente (intrínseca): El propio ARN sintetizado pliega una estructura secundaria en horquilla rica en bases C-G seguida de una cola de residuos de uracilo (U). Esta conformación mecánica frena a la polimerasa y desestabiliza los débiles puentes del híbrido poli(U):poli(dA), provocando la liberación del transcrito.

Terminación Rho-dependiente: Requiere la proteína hexamérica Rho, la cual se ancla a una región rica en citosinas y pobre en guaninas del ARN libre, se desplaza a lo largo de la cadena consumiendo ATP y alcanza a la polimerasa detenida para desenrollar el híbrido ARN-ADN. 3 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 22 COMPRUEBA 24 ¿Qué acontecimiento bioquímico determina que la ARN polimerasa procariota abandone los ciclos abortivos e inicie la elongación productiva? 3.

Transcripción eucariota y complejo de preiniciación A diferencia de los procariotas, el núcleo eucariota reparte la síntesis de ARN entre tres polimerasas especializadas: Enzima Principales transcritos sintetizados ARN polimerasa I ARN ribosómico (ARNr 18S, 5,8S y 28S). ARN polimerasa II ARN mensajero (ARNm), pre-ARNm, snARN (ARN nuclear pequeño) y snoARN. ARN polimerasa III ARN de transferencia (ARNt), ARNr 5S y otros pequeños ARN nucleares.

Los promotores basales reconocidos por la ARN polimerasa II albergan elementos consenso característicos, como el elemento de reconocimiento de TFIIB en -35, la caja TATA en -25 (TATAAA), el elemento iniciador en el sitio +1 y secuencias promotoras río abajo en +30. Las polimerasas eucariotas son incapaces de anclarse por sí mismas a estos elementos basales y dependen estrictamente de los factores generales de transcripción (TFII). Esquema del ensamblaje del complejo de preiniciación eucariota.

Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 23 El ensamblaje del complejo de preiniciación transcurre mediante una secuencia ordenada de reclutamiento de proteínas: El factor TFIIH presenta actividad helicasa (abre la doble hélice) y actividad cinasa. TFIIH fosforila los residuos de serina del dominio carboxiterminal (CTD) de la mayor subunidad de la ARN polimerasa II. La fosforilación del dominio CTD debilita la unión de la polimerasa a los factores del promotor, lo que permite el escape hacia la fase de elongación y deja al resto del complejo basal anclado para iniciar nuevas rondas de transcripción.

ERROR FRECUENTE Confundir el papel del factor sigma procariota con los factores generales de transcripción eucariotas. El factor forma parte de la holoenzima bacteriana y se une físicamente al núcleo de la polimerasa antes de interactuar con el ADN; en eucariotas, factores como TFIID (con TBP) se posicionan primero sobre el ADN promotor de manera independiente para formar la plataforma sobre la cual se acoplará la ARN polimerasa II. 4. Modificaciones cotranscripcionales del pre-ARNm En las células eucariotas, el transcrito primario (ARN heterogéneo nuclear o ARNhn) sufre un procesamiento madurativo que transcurre de forma paralela a la síntesis del ARN.

La cola CTD actúa como un andamio dinámico: sus patrones de fosforilación reclutan progresivamente a las enzimas responsables de cada modificación cotranscripcional. La subunidad TBP (proteína de unión a TATA), integrada en el complejo multimérico TFIID, se asocia directamente a la caja TATA curvando el ADN. 1 Se incorporan TFIIA y TFIIB, que estabilizan la fijación de TBP al promotor y proporcionan una plataforma precisa de anclaje. 2 La ARN polimerasa II se posiciona sobre el complejo unida al factor TFIIF. 3 Finalmente acceden TFIIE y TFIIH, cerrando el complejo de preiniciación funcional.

4 σ Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 24 Diagrama del procesamiento madurativo cotranscripcional del pre-ARNm eucariota. Adición de la caperuza en 5' (capping): En cuanto el extremo 5' emerge de la polimerasa (unos 20-30 nucleótidos), enzimas reclutadas por la CTD fosforilada incorporan una molécula de 7- metilguanosina mediante un inusual enlace trifosfato 5'-5'. La caperuza protege al extremo 5' de la degradación por exonucleasas y sirve como señal esencial para la futura traducción citoplasmática. Poliadenilación y terminación en el extremo 3': Al aproximarse al final del gen, la polimerasa transcribe una secuencia consenso de poliadenilación (AAUAAA).

Factores de corte asociados a la CTD reconocen la señal y cortan el ARN naciente entre 11 y 30 nucleótidos río abajo. A continuación, la enzima poli-A polimerasa adiciona una cola de residuos de adenina (poli-A) sin requerir molde de ADN. Este evento desacopla la elongación: el fragmento residual de ARN que sigue sintetizando la polimerasa es degradado rápidamente, provocando la terminación definitiva. La cola poli-A confiere estabilidad al ARNm y facilita su transporte activo hacia el citoplasma. COMPRUEBA 25 ¿Qué relación existe entre la fosforilación del dominio CTD y el procesamiento madurativo del pre-ARNm? 5.

Organización discontinua y ayuste (splicing) del ARN La mayoría de los genes eucariotas que codifican proteínas presentan una estructura discontinua o fragmentada. La región codificante alterna secuencias expresadas denominadas exones con segmentos no codificantes intercalados denominados intrones. Para obtener un ARNm maduro y funcional, los intrones deben ser eliminados de manera precisa y los exones empalmados consecutivamente.

Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 25 PROCESO Reacciones de transesterificación en el ayuste de intrones 1 Reconoci miento por espli ceosoma Las snRNP identifican los sitios 5', 3' y la adenina de ramificación 2 Primera transesterifica ción El 2'-OH de la adenina ataca el sitio 5' gene rando lazo 3 Segunda transesterifica ción El 3'-OH libre del exón 1 ataca el enlace del sitio 3' 4 Unión exónica y libera ción Los exones quedan empalmados y se desprende el lazo intrónico El proceso de ayuste (splicing) es catalizado por un complejo macromolecular ribonucleoproteico llamado espliceosoma, compuesto por ARN nucleares pequeños (snARN) asociados a proteínas específicas (partículas snRNP).

El reconocimiento de las fronteras intrónicas depende de secuencias consenso conservadas en los límites exón-intrón: el sitio de corte 5' (generalmente el dinucleótido GU), un residuo interno de adenina en el denominado punto de ramificación rodeado de una secuencia rica en pirimidinas, y el sitio de corte 3' (que finaliza típicamente en AG).

La escisión del intrón ocurre mediante dos reacciones químicas consecutivas de transesterificación: PARA RECORDARLO En las dos transesterificaciones del corte y empalme no se consume ATP para crear enlaces fosfodiéster, ya que cada enlace que se rompe se compensa con la formación simultánea de uno nuevo: primero el lazo 2'-5' del intrón y luego la unión 3'-5' entre exones contiguos. Propiedad Procariotas Eucariotas Compartimentación celular Sin envoltura nuclear: transcripción y traducción prácticamente simultáneas (acopladas). Separación espacial: transcripción y procesamiento en el núcleo; traducción en el citoplasma.

Organización del ARNm Policistrónico (un solo transcrito codifica varias cadenas polipeptídicas; escaso espaciador). Monocistrónico (cada molécula de ARNm traduce una sola proteína; abundante ADN intergénico). El grupo hidroxilo 2' (-OH) de la adenina del punto de ramificación efectúa un ataque nucleofílico sobre el enlace fosfodiéster del sitio de corte 5'. Esta escisión libera el extremo 3' del exón 1 y genera una estructura circular cerrada en forma de lazo intrónico (lariat) unida covalentemente mediante un enlace 2'-5' fosfodiéster inusual. 1 El grupo 3'-OH libre del exón 1 ataca el enlace fosfodiéster del sitio de corte 3'.

Como consecuencia, los dos exones quedan covalentemente fusionados y el intrón en forma de lazo es liberado para su posterior desramificación y degradación en el núcleo. 2 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 26 Propiedad Procariotas Eucariotas Estabilidad del transcrito Vida media corta, degradación muy rápida en minutos. Vida media regulada y notablemente más larga (desde horas hasta días). Maduración requerida Generalmente nula en ARNm; transcripción directa del producto codificante funcional. Requiere obligatoriamente caperuza 5', eliminación de intrones (splicing) y cola poli-A en 3'.

COMPRUEBA 26 ¿Qué enlace químico particular caracteriza la estructura en lazo que adopta el intrón durante su eliminación? IDEAS CLAVE La transcripción celular procede siempre en sentido sin necesidad de cebador, catalizada por ARN polimerasas dependientes de ADN. En procariotas, el factor dirige al núcleo enzimático hacia las secuencias conservadas en -35 y -10 de los promotores antes de disociarse para la elongación. TFIIH abre el ADN y fosforila el dominio carboxiterminal (CTD) de la ARN polimerasa II, permitiendo el escape del promotor y el reclutamiento del sistema de maduración.

El procesamiento del pre-ARNm eucariota comprende tres modificaciones acopladas: adición de 7-metilguanosina en 5', ayuste de intrones mediante el espliceosoma y poliadenilación en 3'. El corte y empalme elimina secuencias no codificantes mediante dos reacciones de transesterificación sucesivas que aíslan el intrón transitoriamente en forma de lazo. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 27. ¿De qué manera el extremo carboxiterminal (CTD) de la ARN polimerasa II coordina temporalmente las modificaciones del pre-ARNm? 28. ¿En qué se diferencian los mecanismos de terminación transcripcional Rho-dependiente y Rho-independiente en bacterias?

5 3 σ Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 27 EXPRESIÓN GÉNICA 4 Código genético y traducción AL ACABAR SABRÁS Diferenciar las propiedades universales del código genético y su redundancia. Explicar el emparejamiento de bases bajo la hipótesis del tambaleo (wobble). Comparar los mecanismos de inicio de la traducción entre procariotas y eucariotas. Describir el ciclo de elongación y la actividad catalítica del ribosoma. PIÉNSALO ANTES DE LEER 29 ¿Por qué un error de lectura de un solo nucleótido en el ARNm suele alterar toda la proteína resultante mientras que la mutación de una base aislada muchas veces no produce ningún cambio?

Principios y propiedades del código genético La síntesis de proteínas traduce el lenguaje de cuatro nucleótidos del ARN mensajero al repertorio de 20 aminoácidos estándar. El nexo físico y lógico entre ambas secuencias descansa en el código genético. Este código se organiza en tripletes de nucleótidos denominados codones. Al existir cuatro bases nitrogenadas distintas (A, U, C, G), se generan exactamente 64 combinaciones posibles ( ), una cifra suficiente para especificar los 20 aminoácidos y las señales de puntuación del proceso. Tabla estándar del código genético con sus 64 codones correspondientes.

4 = 3 64 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 28 El código presenta un conjunto de características universales y constantes: Colinealidad: la disposición lineal de los tripletes en el transcrito guarda una correspondencia posicional estricta y directa con el orden de los aminoácidos en la cadena polipeptídica. Ausencia de solapamiento: los nucleótidos se leen de forma sucesiva de tres en tres en dirección . Ninguna base pertenece a dos codones simultáneos y la lectura no contiene signos de puntuación intermedios ni huecos. Degeneración: existen 61 codones codificantes frente a solo 20 aminoácidos.

Por tanto, la mayor parte de los aminoácidos están definidos por múltiples tripletes, a los cuales se denomina codones sinónimos. Esta propiedad reduce notablemente el impacto deletéreo de las mutaciones puntuales. Universalidad: prácticamente todas las formas de vida comparten las mismas asignaciones de codón a aminoácido, con variaciones mínimas restringidas a ciertos linajes o genomas mitocondriales. Entre los 64 tripletes, el codón AUG actúa como señal de inicio y codifica metionina (o N- formilmetionina, fMet, en bacterias).

Además de situar el primer residuo, AUG define la pauta abierta de lectura (ORF, por sus siglas en inglés, open reading frame), que establece el marco de división en tripletes para el resto del mensaje. En el otro extremo, tres tripletes específicos funcionan como señales de parada o terminación: UAA, UAG y UGA. Estos codones no asignan ningún aminoácido; en su lugar, determinan la finalización de la elongación y la escisión de la cadena recién sintetizada. COMPRUEBA 30 ¿Por qué un código genético de tripletes resulta indispensable para una célula frente a uno de dobletes?

Estructura del transcrito y reconocimiento ribosómico La arquitectura del ARN mensajero condiciona la manera en que el ribosoma reconoce el inicio del mensaje codificante. En bacterias, los transcritos suelen ser policistrónicos: una única molécula de ARNm alberga varios ORF independientes y codifica diferentes polipéptidos funcionales separados por secuencias intergénicas cortas. Por el contrario, los eucariotas producen transcritos predominantemente monocistrónicos, donde cada ARN maduro codifica un único polipéptido a partir de un único marco de lectura.

Para posicionar la maquinaria traduccional en el triplete AUG adecuado, los organismos emplean secuencias guía características: Procariotas (secuencia Shine-Dalgarno): consiste en un tramo consenso rico en purinas situado entre 3 y 9 nucleótidos antes del codón iniciador. Esta secuencia interactúa mediante complementariedad de bases con el extremo 3' del ARNr 16S de la subunidad ribosómica menor (30S), garantizando la colocación directa de la pauta de inicio.

Eucariotas (mecanismo de barrido y secuencia de Kozak): el reclutamiento ribosómico depende del reconocimiento inicial de la caperuza 5' (m7Gppp) por factores específicos asociados a la subunidad 40S (véase «Expresión génica — Transcripción y maduración del ARN»). Tras unirse al extremo 5', el complejo recorre el transcrito en sentido hasta localizar el primer codón AUG. 5 3 5 3 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 29 La precisión y eficiencia de este inicio aumentan sustancialmente si dicho triplete se encuentra inserto dentro del contexto nucleotídico de la secuencia de Kozak (consenso ).

Parámetro Procariotas Eucariotas Organización del ARNm Policistrónico (múltiples ORF por transcrito) Monocistrónico (un único ORF principal) Sitio de unión al ribosoma Secuencia Shine-Dalgarno en el ARNm Caperuza 5' combinada con la secuencia de Kozak Subunidad menor / mayor 30S / 50S (ribosoma 70S) 40S / 60S (ribosoma 80S) Primer aminoácido N-formilmetionina (fMet) Metionina no formilada (Met) Coordinación celular Acoplamiento directo transcripción- traducción Separación espacial y temporal (núcleo y citoplasma) PARA RECORDARLO Para ubicar el inicio en bacterias, piensa que Shine-Dalgarno funciona como un «ancla interna» directa junto al AUG.

En eucariotas, el ribosoma «aterriza» en la caperuza 5' y «patina» linealmente buscando el contexto de Kozak. ARN de transferencia, aminoacilación y la hipótesis del tambaleo Los ARN de transferencia (ARNt) actúan como adaptadores moleculares capaces de emparejar un triplete específico del ARNm con el aminoácido correspondiente. Se trata de cadenas cortas de entre 75 y 95 ribonucleótidos que presentan una estructura secundaria plegada en hoja de trébol y una estructura terciaria compacta en forma de «L». En un extremo se sitúa el brazo aceptor con la secuencia terminal invariable , al cual se une covalentemente el aminoácido.

En el bucle opuesto se ubica el anticodón, formado por tres bases que interactúan de manera complementaria con el codón del ARNm. 5 -ACCAUGG-3 3 -CCA-5 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 30 Estructura secundaria en hoja de trébol del ARNt y anticodón. La esterificación del aminoácido con su ARNt correspondiente está a cargo de las aminoacil-ARNt sintetasas.

Esta reacción consume energía en forma de ATP y genera un enlace éster activado de alta energía entre el grupo carboxilo del aminoácido y el grupo hidroxilo del extremo 3' del ARNt, liberando pirofosfato inorgánico (PPi): Una vez completada la carga, la fidelidad de la traducción depende exclusivamente del reconocimiento codón-anticodón; la maquinaria ribosómica no comprueba la identidad química del aminoácido transportado. Para explicar por qué una célula puede traducir los 61 codones con un número sensiblemente menor de especies de ARNt, Francis Crick formuló la hipótesis del tambaleo (wobble).

Los dos primeros pares de bases entre el codón y el anticodón forman puentes de hidrógeno bajo la estricta geometría canónica de Watson y Crick. Sin embargo, en la posición 5' del anticodón (que aparea con la posición 3' del codón) existe cierta holgura espacial o flexibilidad conformacional. Este balanceo permite apareamientos no convencionales (por ejemplo, G emparejando con U, o la inosina modificada [I] reconociendo U, C o A), permitiendo que un único ARNt cargado reconozca varios codones sinónimos.

Amino cido + a ˊ ATP + ARNt Aminoacil-ARNt + AMP + PPi Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 31 ERROR FRECUENTE Inversión de polaridades codón-anticodón: un error típico en los exámenes consiste en leer el anticodón en la misma dirección que el codón. El apareamiento entre ácidos nucleicos es siempre antiparalelo. Si el codón del ARNm discurre en sentido , el anticodón complementario en el ARNt se aparea en sentido (es decir, ). La posición de tambaleo (wobble) se sitúa siempre en el nucleótido del anticodón y en el nucleótido del codón.

COMPRUEBA 31 Si un codón en el ARNm es 5'-GCA-3', ¿cuál es la secuencia correcta del anticodón del ARNt escrita en polaridad estándar 5' a 3'? Estructura del ribosoma y sitios de unión El ribosoma es un complejo macromolecular de ribonucleoproteínas estructurado en dos subunidades disociables: Subunidad menor (30S en bacterias / 40S en eucariotas): contiene el centro decodificador, responsable de vigilar la complementariedad precisa entre los codones del ARNm y los anticodones del ARNt. Subunidad mayor (50S en bacterias / 60S en eucariotas): alberga el centro de la peptidil transferasa y el canal de salida por el cual emerge el polipéptido recién sintetizado.

La síntesis del enlace peptídico está catalizada íntegramente por el ARNr de la subunidad grande (el ARNr 23S en bacterias o el ARNr 28S en eucariotas). Por esta razón, el ribosoma constituye una auténtica ribozima: su actividad catalítica primordial depende del ARN catalítico y no de las proteínas ribosómicas asociadas, cuya función es eminentemente estabilizadora. Entre ambas subunidades se configuran tres cavidades funcionales de interacción con los ARNt: 1. Sitio A (aminoacilo): aloja al aminoacil-ARNt entrante cuyo anticodón empareja con el codón expuesto en la subunidad menor. 2. Sitio P (peptidilo): sostiene al peptidil-ARNt que retiene la cadena polipeptídica en crecimiento.

Es el único sitio capaz de unir directamente el ARNt iniciador acoplado a metionina. 3. Sitio E (salida, exit): recibe de forma transitoria los ARNt desacilados (desprovistos de aminoácido) antes de su expulsión definitiva hacia el citosol. 5 -AUG-3 3 -UAC-5 5 -CAU-3 5 3 Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 32 ESQUEMA Cavidades funcionales del ribosoma Etapas del ciclo de traducción La síntesis polipeptídica transcurre a través de tres fases dinámicas ordenadas: iniciación, elongación y terminación. 1. Iniciación En bacterias, la subunidad menor 30S se une a factores de iniciación solubles que impiden la asociación prematura con la subunidad 50S.

El complejo reconoce la secuencia Shine-Dalgarno y sitúa el triplete AUG directamente en el sitio P. A este sitio accede el iniciador . La hidrólisis de nucleótidos trifosfato facilita la disociación de los factores de iniciación y permite el acoplamiento de la subunidad mayor 50S, consolidando el complejo de iniciación 70S con el sitio A completamente desocupado. Esquema del ensamblaje del ribosoma durante la etapa de iniciación. En eucariotas, la iniciación demanda un conjunto más numeroso de factores (eIF). La subunidad 40S preensamblada con el ARNt iniciador de metionina se asocia a la caperuza 5' y migra en sentido 3' rastreando el transcrito.

Las interacciones entre las proteínas fijadoras de la caperuza y las proteínas de unión a la cola de poli(A) en el extremo 3' circularizan el mensaje, aumentando sustancialmente la tasa de traducción y protegiendo el molde. Sitios ribosomales Bolsillos de unión a ARNt entre subunidades Sitio A (aminoacilo) Entrada y control de decodificación Sitio P (peptidilo) Retiene la cadena polipeptídica creciente Sitio E (salida) Expulsa ARNt desacilados al citosol fMet-ARNt i fMet Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 33 2. Elongación La adición sucesiva de aminoácidos opera como un ciclo repetitivo en tres pasos consecutivos: CICLO Ciclo de elongación traduccional 1.

Reconocimiento de codón: Entrada del aminoacil-ARNt afín al sitio A 2. Enlace peptídico: Catálisis por la peptidil transferasa del ARNr 3. Translocación ribosomal: Desplazamiento de tres nucleótidos hacia el extremo 3' 4. Vaciado del sitio A: Péptido en P, ARNt desacilado en E y A libre 3. Terminación El ciclo se detiene cuando un codón de terminación (UAA, UAG o UGA) entra en el sitio A. Al no existir ningún ARNt que reconozca estos tripletes, son identificados directamente por proteínas llamadas factores de liberación (RF, por sus siglas en inglés, release factors).

Los factores de liberación inducen al centro peptidil transferasa a hidrolizar el enlace éster del peptidil-ARNt mediante la incorporación de Entrada del aminoacil-ARNt al sitio A: el ARNt cargado entra al ribosoma asociado a factores proteicos de elongación. Se verifica el apareamiento correcto codón-anticodón en el centro decodificador. 1 Formación del enlace peptídico: la peptidil transferasa cataliza el ataque nucleofílico del grupo amino libre del aminoacil-ARNt del sitio A sobre el carbono carbonílico del enlace éster que une el polipéptido al ARNt en el sitio P. El péptido se transfiere al ARNt del sitio A, dejando al ARNt del sitio P completamente desacilado.

2 Translocación ribosómica: el ribosoma se desplaza exactamente tres nucleótidos a lo largo del ARNm en dirección . Este movimiento desplaza el ARNt desacilado hacia el sitio E y transfiere el nuevo peptidil-ARNt del sitio A hacia el sitio P. De este modo, el sitio A queda libre para exhibir el siguiente codón. 3 5 3 1 Reconocimiento de codón 2 Enlace peptídico 3 Translocación ribosomal 4 Vaciado del sitio A Biología y Genética: Estructura, Expresión y Herencia 34 una molécula de agua.

Como resultado, la cadena polipeptídica madura se libera a través del canal ribosómico, el último ARNt se desacopla del sitio P y las subunidades ribosómicas se disocian para unirse a nuevos ciclos de traducción. Diferencias espaciotemporales de la expresión génica La compartimentación celular impone…