Biología Celular
y Molecular

Clase 2: Estructura Génica y Replicación del ADN

Introducción a la Biología Celular y Molecular | Nivel: Principiante

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INTRODUCCIÓN

Estructura de la Clase

📋 Duración Total: 2 horas

Continuamos profundizando en la biología molecular con estructura génica y replicación.

⏰ Momento 1

30 minutos

Explicación sobre estructura del gen, diferencias procariotas/eucariontes, y replicación del ADN.

🔍 Momento 2

60 minutos

Investigación sobre regulación génica, replicación y superenrollamiento usando videos y PDF.

💬 Momento 3

30 minutos

Presentación de hallazgos y discusión grupal.

Objetivos de Aprendizaje

✅ Al finalizar, podrás:
  • Identificar las partes de un gen: exones, intrones, promotor, secuencias reguladoras
  • Comparar genes procariontes y eucariontes
  • Explicar el proceso de replicación del ADN
  • Comprender el superenrollamiento y su importancia médica
  • Analizar la regulación de la expresión génica
ESTRUCTURA DEL GEN

Organización del Gen Eucarionte

🧬 Concepto Importante

No todo el genoma lleva información para sintetizar ARN funcional. Los genes eucariotas tienen una estructura compleja con secuencias codificantes y no codificantes.

Regiones del Genoma

Regiones Intergénicas

  • Separan los genes
  • ~70% del genoma en vertebrados
  • Contienen elementos reguladores

Regiones Génicas

  • Genes propiamente dichos
  • ~30% del genoma
  • Incluyen exones e intrones

Estructura de un Gen Típico

Gen Eucarionte
PROMOTOR
EXÓN 1
INTRÓN 1
EXÓN 2
INTRÓN 2
EXÓN 3

← 5'              Dirección de transcripción              3' →

ESTRUCTURA DEL GEN

Exones e Intrones

📗 EXONES

Secuencias codificantes

  • Presentes en el gen (ADN)
  • Presentes en pre-ARNm
  • Presentes en ARNm maduro
  • Se traducen en proteínas

Del inglés: EXpressed regiONs

📕 INTRONES

Secuencias no codificantes

  • Presentes en el gen (ADN)
  • Presentes en pre-ARNm
  • Ausentes en ARNm maduro
  • NO se traducen

Del inglés: INTervening regiONs

Procesamiento: Splicing (Corte y Empalme)

✂️ ¿Qué es el splicing?

Es el proceso de eliminar intrones y unir exones durante el procesamiento del pre-ARNm en el núcleo.

Proceso de Splicing
pre-ARNm: EXÓN-intrón-EXÓN-intrón-EXÓN
↓
Espliceosoma corta intrones
ARNm maduro: EXÓN-EXÓN-EXÓN
🔬 Espliceosoma

Complejo de proteínas y pequeños ARN nucleares (snRNA) que reconoce secuencias específicas en los intrones y realiza el corte y empalme.

ESTRUCTURA DEL GEN

Promotor y Secuencias Reguladoras

🎯 Promotor

Región del ADN donde se inicia la transcripción. La ARN polimerasa se une al promotor para comenzar a sintetizar ARN.

Características

  • Ubicado upstream (5') del gen
  • Secuencias conservadas (ej: TATA box)
  • Sitio de unión para factores de transcripción
  • Determina cuándo se transcribe el gen

Función

  • Recluta ARN polimerasa
  • Controla frecuencia de transcripción
  • Responde a señales celulares
  • Específico para cada gen

Secuencias Reguladoras

⚙️ Elementos Reguladores

Proteínas llamadas factores de transcripción se unen a estas regiones y regulan la actividad del gen.

🔼 Potenciadores (Enhancers)

Secuencias que aumentan la transcripción del gen.

Pueden estar lejos del promotor (incluso a miles de pares de bases)

🔽 Silenciadores (Silencers)

Secuencias que disminuyen o bloquean la transcripción.

Permiten apagar genes cuando no se necesitan

PROCARIOTAS VS EUCARIONTES

Diferencias en Organización Génica

🦠 GENES PROCARIONTES

  • Sin intrones (genes continuos)
  • Estructura simple
  • ARNm no requiere procesamiento
  • Transcripción y traducción acopladas
  • Organizados en operones
  • Regulación principalmente transcripcional

🧬 GENES EUCARIONTES

  • Con intrones y exones
  • Estructura compleja
  • ARNm requiere splicing
  • Transcripción (núcleo) y traducción (citosol) separadas
  • Genes individuales
  • Regulación en múltiples niveles

El Operón (Procariontes)

📚 Definición

Un operón es una unidad funcional de genes procariontes que incluye:

  • Promotor: sitio de unión de ARN polimerasa
  • Operador: sitio de unión del represor
  • Genes estructurales: varios genes relacionados funcionalmente que se transcriben juntos
Operón Lac (E. coli)
PROMOTOR
OPERADOR
gen Z
gen Y
gen A

Todos los genes se transcriben en un solo ARNm (policitrónico)

REGULACIÓN PROCARIONTE

Operones: Inducible vs Reprimible

🔬 Regulación en Procariontes

La regulación ocurre principalmente a nivel de transcripción, lo cual es muy eficiente (evita síntesis innecesaria de proteínas).

🔛 Operón Inducible

Ejemplo: Operón lac

  • Normalmente apagado
  • Se activa en presencia del sustrato (lactosa)
  • La lactosa inactiva al represor
  • ARN polimerasa puede transcribir
  • Se producen enzimas para degradar lactosa

Lógica: "Solo hacer enzimas cuando el sustrato está presente"

🔙 Operón Reprimible

Ejemplo: Operón trp

  • Normalmente encendido
  • Se apaga en presencia del producto (triptófano)
  • El triptófano activa al represor
  • Represor bloquea la transcripción
  • No se producen enzimas de síntesis

Lógica: "No hacer enzimas si el producto ya está disponible"

🔑 Concepto Clave

Los represores son proteínas alostéricas: cambian su conformación 3D al interactuar con moléculas pequeñas (efectores).

DUPLICACIÓN DEL ADN

Replicación del ADN

🔄 ¿Por qué es importante?

La replicación del ADN durante la fase S del ciclo celular asegura que las nuevas células posean copias completas y precisas de la información genética.

Características de la Doble Hélice

Estructura

  • Cadenas antiparalelas (5'→3' y 3'→5')
  • Cadenas principales: azúcar-fosfato
  • Bases nitrogenadas en el interior
  • Puentes de hidrógeno: A-T (2), G-C (3)

Complementariedad

  • A siempre con T
  • G siempre con C
  • Permite replicación exacta
  • Base de las reglas de Chargaff
📏 Reglas de Chargaff

1ª Regla: [A] = [T] y [G] = [C] en cualquier ADN
2ª Regla: Proporciones de bases son constantes dentro de una misma especie, pero varían entre especies

DUPLICACIÓN DEL ADN

Inicio de la Replicación

Proteínas Iniciadoras

🚀 Origen de Replicación

Secuencia específica de nucleótidos donde se inicia la replicación. Las proteínas iniciadoras se unen aquí.

1. Topoisomerasa

Desenreda la doble hélice

Corta, rota y vuelve a unir el ADN

2. Helicasa

Rompe puentes de hidrógeno

Separa las dos cadenas

3. Proteína SSB

Estabiliza cadenas separadas

Evita que se vuelvan a unir

Burbuja de Replicación

Formación de la Burbuja

═══════════════

Helicasa abre la doble hélice ↓

═══╱╲═══╱╲═══

Extremos = Horquillas de replicación

⚡ Diferencia Procariotas vs Eucariontes

Procariontes: 1 burbuja de replicación, velocidad ~1,000 nt/seg
Eucariontes: Múltiples burbujas, velocidad ~50 nt/seg (pero en paralelo para acelerar el proceso)

DUPLICACIÓN DEL ADN

Síntesis del ADN

Enzimas Clave

Primasa

Sintetiza cebadores (primers): cadenas cortas de ARN que sirven de punto de unión para la ADN polimerasa.

ADN Polimerasa

Enzima principal que sintetiza la nueva cadena de ADN. Solo puede agregar nucleótidos en el extremo 3'.

🔬 Mecanismo de Síntesis

1. ADN polimerasa se une al cebador
2. Lee la cadena molde (3'→5')
3. Agrega nucleótidos complementarios en dirección 5'→3'
4. La energía proviene del rompimiento de 2 grupos fosfato del nucleótido entrante

Cadena Líder vs Cadena Rezagada

Direccionalidad de la Síntesis

Cadena Líder

• Síntesis continua
• Dirección 5'→3'
• Un solo cebador
• Avanza con la horquilla

Cadena Rezagada

• Síntesis en fragmentos
• Dirección 5'→3' (pero en sentido opuesto)
• Múltiples cebadores
• Fragmentos de Okazaki

🔗 ADN Ligasa

Une los fragmentos de Okazaki, sellando los espacios en la cadena de azúcar-fosfato.

DUPLICACIÓN DEL ADN

Replicación Semiconservativa

✅ Modelo Semiconservativo

Cada molécula de ADN resultante contiene:
• Una cadena original (molde)
• Una cadena nueva (complementaria)

Resultado de la Replicación
ADN Original
(2 cadenas)
↓ Replicación
Cadena 1
original
nueva
Cadena 2
nueva
original

2 moléculas de ADN idénticas

🔬 Importancia

Este mecanismo asegura la transmisión fiel de la información genética de célula madre a células hijas durante la división celular.

📌 Resultado Final

Las dos moléculas resultantes son cromátidas hermanas unidas por el centrómero, que se separarán durante la mitosis o meiosis.

SUPERENROLLAMIENTO

Superenrollamiento del ADN

🌀 ¿Qué es?

El superenrollamiento es la estructura tridimensional adicional que adquiere el ADN más allá de su doble hélice. Permite que largas secuencias de ADN se compacten dentro del núcleo celular.

Tipos de Superenrollamiento

⊕ Superenrollamiento Positivo

  • Giro en sentido horario
  • Compacta más la molécula
  • Aumenta la tensión
  • Dificulta separación de cadenas

⊖ Superenrollamiento Negativo

  • Giro en sentido antihorario
  • Genera espacios
  • Reduce la tensión
  • Facilita separación de cadenas
  • Necesario para replicación y transcripción
⚙️ Importancia Biológica

El superenrollamiento negativo es esencial para:
• Replicación: permite separar las cadenas
• Transcripción: facilita acceso a la ARN polimerasa
• Compactación: permite empaquetar ~2 metros de ADN en un núcleo de ~10 μm

SUPERENROLLAMIENTO

Topoisomerasas

🔧 Enzimas Reguladoras

Las topoisomerasas son enzimas que controlan el superenrollamiento del ADN mediante corte, rotación y reunión de las cadenas.

Tipos y Función

Topoisomerasa I

  • Corta una cadena
  • Permite rotación
  • Vuelve a unir
  • Relaja superenrollamientos

Topoisomerasa II

  • Corta ambas cadenas
  • Pasa otra doble hélice a través
  • Vuelve a unir
  • Desenreda nudos

Importancia Médica

💊 Aplicaciones Clínicas

Antibióticos: Muchos antibióticos (ej. fluoroquinolonas) inhiben topoisomerasas bacterianas → impiden replicación → muerte bacteriana

Antineoplásicos: Inhibidores de topoisomerasa (ej. etopósido, doxorrubicina) impiden replicación de células cancerosas

🧬 Enfermedades Asociadas

Mutaciones en genes de topoisomerasas humanas se asocian con:
• Síndrome de Werner: envejecimiento prematuro
• Predisposición a ciertos tipos de cáncer
• Inestabilidad genómica

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN

Momento 2: Investigación Profunda

🔍 Actividad de Investigación Multimodal
⏰ DURACIÓN: 60 MINUTOS
📋 Estructura de la Actividad

Trabajarán en equipos de 3-4 personas. Cada equipo investigará usando múltiples recursos y preparará una presentación integradora.

🎯 Objetivos

1. Integración

Conectar estructura génica con regulación y replicación

2. Análisis

Comprender diferencias procariotas/eucariontes en profundidad

3. Aplicación

Relacionar superenrollamiento con aplicaciones médicas

4. Síntesis

Crear un mapa conceptual integrando todos los temas

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN

Recursos para Investigación

📚 Recursos Obligatorios

1. PDF: Genómica y Biología Molecular

Fuente: Biblioteca Nacional de Maestros (Argentina)

Enlace: Descargar PDF

Enfócate en: estructura del gen, exones/intrones, regulación génica

2. Video: Replicación del ADN

YouTube: Animación detallada del proceso

Enlace: Ver Video

Observa: helicasa, primasa, ADN polimerasa, ligasa, fragmentos de Okazaki

3. Video: Regulación Génica

YouTube: Operones y regulación eucarionte

Enlace: Ver Video

Compara: operón lac vs regulación eucarionte multinivel

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN

Guía de Investigación

Preguntas Guía

Bloque 1: Estructura del Gen (20 min)

• Dibuja un gen eucarionte completo identificando: promotor, exones, intrones, secuencias reguladoras
• ¿Por qué los eucariontes tienen intrones? ¿Qué ventaja evolutiva podrían representar?
• Explica el proceso de splicing con tus propias palabras
• ¿Qué pasaría si un intrón NO se elimina correctamente?

Bloque 2: Regulación (20 min)

• Compara operón lac vs operón trp: ¿cuándo están activos?
• ¿Por qué los procariontes usan operones pero los eucariontes no?
• Menciona al menos 3 niveles donde los eucariontes pueden regular la expresión génica
• ¿Cómo se relaciona esto con la especialización celular en organismos multicelulares?

Bloque 3: Replicación y Superenrollamiento (20 min)

• ¿Por qué la replicación es semiconservativa y no conservativa?
• Explica por qué existe una cadena líder y una rezagada
• ¿Qué función tienen las topoisomerasas durante la replicación?
• Menciona 2 aplicaciones médicas del conocimiento sobre topoisomerasas

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN

Tarea Integradora

🎨 Producto Final: Mapa Conceptual

Cada equipo debe crear un mapa conceptual que integre todos los conceptos estudiados en ambas clases.

Elementos que Debe Incluir

De la Clase 1

  • Dogma central (ADN→ARN→Proteína)
  • Genoma y gen
  • Transcripción
  • Traducción
  • Código genético

De la Clase 2

  • Estructura del gen (exones, intrones, promotor)
  • Splicing
  • Regulación (operones, niveles)
  • Replicación del ADN
  • Superenrollamiento

Criterios de Evaluación

✓ Completitud: Incluye todos los conceptos clave
✓ Conexiones: Muestra relaciones lógicas entre conceptos
✓ Claridad: Organización visual clara y legible
✓ Profundidad: Va más allá de definiciones simples
✓ Creatividad: Uso de colores, símbolos, ejemplos

💡 Consejo

Pueden hacer el mapa en papel grande, digitalmente, o usar herramientas como: MindMeister, Coggle, Canva, o simplemente PowerPoint/Google Slides.

PRESENTACIÓN

Momento 3: Compartir Hallazgos

💬 Presentación de Mapas Conceptuales
⏰ DURACIÓN: 30 MINUTOS
🎯 Dinámica

Cada equipo presentará su mapa conceptual explicando las conexiones más importantes que identificaron.

Formato

Tiempo por Equipo

  • 5 minutos: Presentación del mapa
  • 2 minutos: Preguntas y retroalimentación

Qué Presentar

  • Visión general del mapa
  • 2-3 conexiones clave identificadas
  • Un "¡ajá!" moment de la investigación
  • Una pregunta que quedó abierta

Evaluación Participativa

Después de todas las presentaciones, votaremos por:
• Mapa más completo
• Mejor organización visual
• Conexión más creativa

RESUMEN GENERAL

Integración de Ambas Clases

Visión Completa: Del ADN a la Función
ADN (Genoma)
Organizado en genes con promotores, exones, intrones
↓ Replicación (semiconservativa) →
topoisomerasas, helicasas, ADN polimerasa
Transcripción
ADN → pre-ARNm (regulada por promotores)
↓ Splicing (eucariontes) →
elimina intrones, une exones
ARNm maduro
Exportado al citosol
↓ Traducción →
ribosomas + ARNt
PROTEÍNA
Función celular
🔑 Conceptos Centrales

• El genoma contiene toda la información
• Los genes son las unidades funcionales
• La regulación determina cuándo y cuánto se expresa cada gen
• La replicación asegura la transmisión fiel de la información
• Todo está finamente regulado y coordinado

RESUMEN

Procariontes vs Eucariontes

CaracterísticaProcariontesEucariontes
GenesContinuos (sin intrones)Interrumpidos (con intrones)
OrganizaciónOperones (policistrónicos)Genes individuales (monocistrónicos)
TranscripciónCitosolNúcleo
TraducciónCitosol (acoplada)Citosol (separada)
Procesamiento ARNNo requiereSplicing, cap 5', cola poli-A
Regulación principalNivel transcripcionalMúltiples niveles
Orígenes replicaciónUnoMúltiples
Velocidad replicación~1,000 nt/s~50 nt/s
SuperenrollamientoSí (circular)Sí (lineal, histonas)
💡 Implicación Evolutiva

Estas diferencias reflejan la mayor complejidad regulatoria necesaria en eucariontes multicelulares, donde diferentes células deben expresar diferentes conjuntos de genes a pesar de tener el mismo genoma.

APLICACIONES

Relevancia Médica y Biotecnológica

🏥 Medicina

Diagnóstico

  • Detección de mutaciones en genes
  • Análisis de expresión génica en cáncer
  • Pruebas de paternidad (replicación fiel)

Terapias

  • Antibióticos (inhibidores de topoisomerasa bacteriana)
  • Antineoplásicos (inhibidores de topoisomerasa)
  • Terapia génica (corrección de genes defectuosos)

🧬 Biotecnología

Ingeniería Genética

  • Modificación de genes (CRISPR)
  • Producción de proteínas recombinantes (insulina)
  • Organismos transgénicos

Investigación

  • Secuenciación genómica
  • Estudios de regulación génica
  • Medicina personalizada
✨ El Futuro

Comprender los mecanismos de expresión génica, regulación y replicación es fundamental para desarrollar nuevas terapias, diagnosticar enfermedades genéticas y avanzar en medicina de precisión.

CIERRE

Reflexión Final

🌟 Lo que Hemos Aprendido

En estas dos clases hemos recorrido el camino completo desde el ADN hasta las proteínas funcionales:

Clase 1

  • Dogma central
  • Genoma y gen
  • Transcripción
  • Traducción
  • Código genético
  • Aplicaciones genómicas

Clase 2

  • Estructura compleja del gen
  • Splicing de intrones
  • Regulación génica
  • Replicación del ADN
  • Superenrollamiento
  • Diferencias evolutivas
💭 Pregunta para Reflexionar

"Si todas las células de tu cuerpo tienen el mismo genoma, ¿cómo es que una neurona es tan diferente de una célula muscular?"

La respuesta está en la regulación diferencial de la expresión génica que estudiamos hoy.

🎓 Mensaje Final

La biología molecular es la base para comprender la vida a nivel molecular. Estos conocimientos son fundamentales para tu formación en ciencias de la salud y biológicas.

¡Excelente Trabajo!

Fin del Módulo de Biología Molecular

Introducción a la Biología Celular y Molecular

Gracias por su participación activa 🔬🧬

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