Conceptos Fundamentales de Biología Molecular: Replicación, Transcripción y Traducción

Evaluación de Conceptos Clave en Biología Molecular

A continuación, se presentan las correcciones y estructuración de las preguntas y respuestas proporcionadas, enfocadas en los procesos centrales de la expresión génica y la replicación del material genético.

Ejercicio 5: Cuantificación y Secuencias de Ácidos Nucleicos

a) Cálculo de Ribonucleótidos en ARNm

Si un polipéptido tiene 450 aminoácidos, se debe considerar que cada aminoácido es codificado por un codón (3 ribonucleótidos), más un codón de terminación (que no codifica aminoácido, pero forma parte del ARNm). Asumiendo que la pregunta se refiere estrictamente a los nucleótidos necesarios para codificar los 450 aminoácidos:

Cálculo: $450 \times 3 = 1350$ ribonucleótidos.

b) Determinación de Anticodones

Para la molécula de ARNm con secuencia $5′-\text{GUU}-\text{UUC}-\text{GCA}-\text{UGG}-3’$, los anticodones correspondientes en los ARNt son:

Codón $\text{GUU} \rightarrow$ Anticodón $\text{CAA}$
Codón $\text{UUC} \rightarrow$ Anticodón $\text{AAG}$
Codón $\text{GCA} \rightarrow$ Anticodón $\text{CGU}$
Codón $\text{UGG} \rightarrow$ Anticodón $\text{ACC}$

c) Secuencia de ADN Molde

Si el ARNm es $5′-\text{GUU}-\text{UUC}-\text{GCA}-\text{UGG}-3’$, la hebra molde de ADN debe ser complementaria y antiparalela (se transcribe en sentido $3′ \rightarrow 5’$):

Secuencia de ADN molde: $3′-\text{CAA}-\text{AAG}-\text{CGU}-\text{ACC}-5’$

Ejercicio 3: Propiedades de la Replicación del ADN

Se debe razonar el significado de las siguientes afirmaciones sobre la replicación del ADN:

Antiparalelismo de las hebras de ADN

Significado: Una hebra se orienta en sentido $5′ \rightarrow 3’$ y la hebra complementaria en sentido $3′ \rightarrow 5’$. Esta disposición es crucial para la estructura de doble hélice y para los mecanismos de replicación y transcripción.

Semiconservatividad de la replicación del ADN

Significado: Cada molécula de ADN hija resultante de la replicación conserva una de las hebras originales (antigua) y sintetiza una hebra nueva (de nueva síntesis). Esto asegura la fidelidad en la transmisión de la información genética.

Bidireccionalidad de la replicación del ADN

Significado: La replicación se inicia en un origen de replicación y avanza en ambas direcciones simultáneamente, generando dos horquillas de replicación que se mueven en sentidos opuestos.

Síntesis mediante Fragmentos de Okazaki

Significado: Debido a que la ADN polimerasa solo puede sintetizar ADN en dirección $5′ \rightarrow 3’$, y las hebras molde tienen direcciones opuestas, una de las hebras (la retrasada o *lagging strand*) se sintetiza de manera discontinua mediante pequeños fragmentos denominados fragmentos de Okazaki.

Ejercicio sobre Transcripción y Traducción (Figura Implícita)

a) Identificación de Moléculas y Procesos Nucleares

Asumiendo una figura que ilustra la transcripción y maduración del ARN:

1: ADN (Molde).
2: ARN polimerasa (Enzima clave).
3: ARN transcrito primario (Pre-ARNm).
5: ARN mensajero maduro (ARNm listo para exportación).

Procesos en el núcleo:

En el núcleo eucariótico se desarrollan la transcripción (síntesis de pre-ARNm a partir de ADN) y la maduración del ARN.

Cambios entre 3 y 5 (Maduración del ARN):

El ARN transcrito primario (3) sufre modificaciones para convertirse en ARNm maduro (5):

Adición de la caperuza (5′ metilguanosina).
Adición de la cola de poli-A (extremo 3′).
Eliminación de intrones (secuencias no codificantes) mediante el proceso de splicing.

b) Identificación de Moléculas y Procesos Citoplasmáticos

Asumiendo una figura que ilustra la traducción:

6: Polipéptido en formación (cadena proteica).
7: Ribosoma (maquinaria de síntesis).

Proceso en el citoplasma:

El proceso que se desarrolla en el citoplasma es la traducción (síntesis proteica).

Explicación breve de la Traducción:

La traducción es la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ARNm. Consta de tres etapas:

Iniciación: El ARNm se une a las subunidades ribosómicas. El ARNt iniciador reconoce el codón de inicio (AUG) mediante su anticodón.
Elongación: El ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm, leyendo codones sucesivos. Los ARNt traen los aminoácidos correspondientes, y se forma el enlace peptídico entre ellos (translocación).
Terminación: El proceso finaliza al llegar a un codón de terminación, liberándose el polipéptido completo.

Ejercicio 6: Identificación de Componentes del Dogma Central

a) Identificación de Estructuras y Procesos (Figura Genérica)

Asumiendo una figura que muestra ADN, ARNm, ribosoma y proteína:

1: ADN
2: ARNm (ARN mensajero)
3: Ribosoma (Subunidad pequeña o completa)
4: Anticodón (en el ARNt)
5: Proteína (Polipéptido)
6: ARNt (ARN de transferencia)
7: Codón (en el ARNm)

Procesos señalados:

A: Transcripción (ADN $\rightarrow$ ARNm).
B: Traducción (ARNm $\rightarrow$ Proteína).

b) Función y Descripción de Procesos

Función del Proceso A (Transcripción):

Es el proceso de síntesis de los diferentes tipos de ARN (ARNm, ARNt, ARNr) a partir de una plantilla de ADN. Es el primer paso en la expresión de la información genética.

Descripción del Proceso B (Traducción):

La traducción es la síntesis de proteínas guiada por el ARNm. Incluye las etapas de iniciación (unión del ARNm al ribosoma y reconocimiento del codón de inicio por el ARNt), elongación (formación secuencial de enlaces peptídicos y translocación del ribosoma) y terminación (reconocimiento de un codón de parada).

Ejercicio sobre Procesos Genéticos (a, b, c, d)

a) Nomenclatura y Relación con Enzimas/Moléculas

Identificación de procesos:

a: Replicación del ADN
b: Transcripción
c: Transcripción inversa (si aplica, común en retrovirus)
d: Traducción

Relación con componentes:

Replicación: $\text{ADN polimerasa}$ y $\text{cebadores de ARN}$.
Transcripción: $\text{ARN polimerasa dependiente de ADN}$.
Transcripción inversa: $\text{Transcriptasa inversa}$.
Traducción: $\text{Aminoácidos}$, $\text{ARNt}$, $\text{ribosomas}$ y $\text{anticodón}$.

b) Función Biológica de Cada Proceso

Replicación: Duplicación del material genético, esencial para la transmisión fiel de la información a la descendencia celular (supervivencia y división celular).
Transcripción: Copia de segmentos específicos del ADN en moléculas de ARN, necesarios para la expresión de la información genética.
Transcripción inversa: Síntesis de ADN a partir de una plantilla de ARN, característico de ciertos virus (retrovirus) para integrar su material genético.
Traducción: Lectura del mensaje genético del ARNm mediante el código genético para ensamblar la secuencia específica de aminoácidos que forma una proteína.

Ejercicio 6 (Estructura de ADN)

a) Identificación de Componentes del ADN

Asumiendo una figura que muestra la doble hélice:

Molécula: ADN (Ácido Desoxirribonucleico).
Monómeros: Nucleótidos.
Composición del Nucleótido: $\text{Grupo fosfato}$, $\text{pentosa (desoxirribosa)}$ y $\text{base nitrogenada}$.

Significado de $3’$ y $5’$:

La notación $3’$ y $5’$ indica la posición del carbono en el azúcar desoxirribosa al que se une el grupo fosfato. El hecho de que en una molécula de ADN las cadenas sean opuestas ($3’$ en un extremo de una hebra se enfrenta a $5’$ en la otra) significa que las dos hebras son antiparalelas.

b) Duplicación del ADN

Proceso: $\text{Replicación}$.

Explicación breve de la Replicación:

La replicación del $\text{ADN}$ es un proceso semiconservativo y bidireccional que ocurre en el $\text{origen de replicación}$. Las dos hebras se separan, sirviendo de molde. La síntesis es catalizada por la $\text{ADN polimerasa}$. Una hebra se sintetiza continuamente (cadena adelantada), mientras que la otra lo hace de forma discontinua mediante fragmentos de Okazaki, que requieren un cebador de ARN inicial. Finalmente, la $\text{ligasa}$ une estos fragmentos.

Ejercicio 6 (Esquema de Expresión Génica)

a) Pasos y Localización

Asumiendo un esquema que muestra ADN $\rightarrow$ ARNm $\rightarrow$ Proteína:

Paso de 1 (ADN) a 2 (ARNm): Transcripción.
Paso de 2 (ARNm) a 3 (Proteína): Traducción.

Localización en célula eucariótica:

Transcripción: $\text{Núcleo celular}$.
Traducción: $\text{Citoplasma}$ (en los $\text{ribosomas}$).

Codones y Mutación:

Si los 5 aminoácidos corresponden a los codones:

Aminoácido 1: $\text{AUU}$ (Isoleucina – Ile)
Aminoácido 2: $\text{CGA}$ (Arginina – Arg)
Aminoácido 3: $\text{UGC}$ (Cisteína – Cys)
Aminoácido 4: $\text{GUC}$ (Valina – Val)
Aminoácido 5: $\text{CUU}$ (Leucina – Leu)

Efecto de la mutación:

Si la primera base de la molécula 2 ($\text{ARNm}$) cambia de $\text{A}$ a $\text{C}$ en el primer codón ($\text{AUU} \rightarrow \text{CUU}$):

El aminoácido $\text{Isoleucina (Ile)}$ pasaría a ser $\text{Leucina (Leu)}$.

b) Descripción de la Síntesis de la Molécula 3 (Proteína)

La síntesis proteica (traducción) consta de:

Iniciación: El $\text{ARNm}$ se une al $\text{ribosoma}$. El $\text{ARNt}$ con el anticodón complementario al codón de inicio se une, iniciando la cadena polipeptídica.
Elongación: El ribosoma avanza, leyendo cada $\text{codón}$. Los $\text{ARNt}$ aportan los $\text{aminoácidos}$ correspondientes, uniéndose mediante $\text{enlaces peptídicos}$.
Terminación: Se alcanza un $\text{codón de terminación}$, y el $\text{polipéptido}$ es liberado.

Ejercicio 6 (Procesos de Expresión Génica)

a) Procesos y Elementos

Asumiendo una figura que muestra la transcripción y traducción simultáneas (procariota) o secuenciales (eucariota):

Procesos biológicos: $\text{Transcripción}$ y $\text{Traducción}$.

Identificación de elementos:

1: ADN (Molde).
2: ARNm (Mensajero).
3: Subunidad pequeña del ribosoma.
4: Subunidad grande del ribosoma.
5: Proteína (Polipéptido).

b) Extremos y Composición Química

Extremos:

Elemento 2 (ARNm): Extremo $5’$ (a) y Extremo $3’$ (b).
Elemento 5 (Proteína): Extremo $\text{C-terminal}$ (c) y Extremo $\text{N-terminal}$ (d).

Composición química de 3 y 4 (Ribosoma):

Los ribosomas están compuestos por $\text{ARNr}$ (ARN ribosómico) y $\text{proteínas}$.

Ejercicio 6 (Moléculas 1, 2, 3 y Procesos A, B)

a) Identificación y Orientación

1: ADN
2: ARN mensajero (ARNm)
3: Proteína (Polipéptido)
A: Transcripción
B: Traducción
4: Bases nitrogenadas (o nucleótidos)
5: Aminoácidos

Significado de notaciones:

$5’$ y $3’$: Indican los extremos de las cadenas de ácidos nucleicos (ADN y ARN), refiriéndose a los carbonos del azúcar.
$\text{H}_2\text{N}$ (Amino) y $\text{COOH}$ (Carboxilo): Indican los extremos amino terminal y carboxilo terminal de un polipéptido (proteína).

b) Diferencias entre Moléculas 1 (ADN) y 2 (ARN)

Composición química:

Azúcar: ADN tiene $\text{desoxirribosa}$; ARN tiene $\text{ribosa}$.
Bases: ADN contiene $\text{Timina (T)}$; ARN contiene $\text{Uracilo (U)}$ en lugar de T.

Estructura:

ADN: Generalmente $\text{bicatenario}$ (doble hélice).
ARN: Generalmente $\text{monocatenario}$.

Función:

ADN: Almacenamiento y transmisión a largo plazo de la información genética.
ARN: Interviene activamente en la expresión génica (transcripción y traducción).

Ejercicio 7 (Representación de la Traducción)

a) Proceso e Identificación de Estructuras

Proceso: $\text{Traducción}$ o $\text{Síntesis proteica}$.

Estructuras/Moléculas:

$\text{Ribosoma}$ (maquinaria).
$\text{ARN mensajero (ARNm)}$ (plantilla).
$\text{ARN transferente (ARNt)}$ (transportador de aminoácidos).
$\text{Aminoácidos}$ (monómeros de la proteína).

b) Explicación del Proceso

El proceso requiere la participación de los tres tipos de ARN:

$\text{ARNm}$: Lleva el código genético.
$\text{ARNr}$ (componente del ribosoma): Proporciona la estructura catalítica.
$\text{ARNt}$: Transporta los aminoácidos específicos definidos por sus anticodones, que se aparean con los codones del ARNm en el ribosoma.

Ejercicio (Procesos Biológicos y Temperatura)

a) Identificación, Localización y Efecto Térmico

Proceso: $\text{Transcripción}$ (evidenciado por la presencia de $\text{ADN}$ de doble cadena y una hebra de $\text{ARN}$ sintetizándose).

Localización celular:

En eucariotas: $\text{Núcleo celular}$.
En procariotas: $\text{Citoplasma}$. (También en mitocondrias/cloroplastos).

Efecto de elevación brusca de temperatura ($> 80^{\circ}\text{C}$):

Una temperatura tan elevada provocaría la desnaturalización de las macromoléculas involucradas. Esto incluye la separación de las hebras de $\text{ADN}$ (rompiendo puentes de hidrógeno) y la desnaturalización de las $\text{enzimas}$ (como la $\text{ARN polimerasa}$), deteniendo irreversiblemente el proceso de transcripción.

b) Composición, Estructura y Funciones de la Molécula Resultante (ARN)

Composición y estructura del ARN:

El ARN es un polímero de $\text{ribonucleótidos}$ (fosfato, $\text{ribosa}$, base nitrogenada). Estructuralmente, es típicamente $\text{monocatenario}$, aunque puede formar estructuras secundarias complejas (lazos, horquillas).

Posibles funciones de los tipos de ARN formados:

$\text{ARNm}$: Lleva el mensaje genético del núcleo al citoplasma.
$\text{ARNt}$: Transporta aminoácidos a los ribosomas.
$\text{ARNr}$: Componente estructural y catalítico de los ribosomas.

Ejercicio 7 (Estructura de Molécula Biológica)

a) Identificación de ADN y Componentes

Molécula: ADN (Ácido Desoxirribonucleico).

Identificación de elementos:

A: Grupo fosfato.
B: Desoxirribosa (Pentosa).
C: Base nitrogenada.

Líneas de puntos: $\text{Puentes de hidrógeno}$ (que unen las bases complementarias entre las dos hebras).

Números $5’$ y $3’$: Indican la dirección o polaridad de una cadena sencilla de ADN, refiriéndose a los carbonos del azúcar.

b) Procesos Fundamentales y Significado Biológico

Dos procesos fundamentales relacionados con el ADN son:

Replicación: Su significado biológico es garantizar la conservación y transmisión fiel del material genético a las células hijas durante la división celular.
Transcripción: Su significado biológico es permitir la expresión de la información genética, generando moléculas de ARN funcionales.