PROGRAMA DE SELECTIVIDAD 12-13 BLOQUE III ¿DÓNDE ESTÁ LA INFORMACIÓN GENÉTICA DE LOS SERES VIVOS? ¿Cómo se expresa y se transmite? LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA

1.

GENÉTICA MOLECULAR

1.1. El ADN como portador de la información genética. 1.1.1. ADN y cromosomas. 1.1.2. Concepto de gen. 1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN. 1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información genética): transcripción, maduración y traducción. 1.1.5. El código genético. 1.2. Alteraciones de la información genética. 1.2.1. Concepto de mutación. 1.2.2. Causas de las mutaciones. 1.2.3. Consecuencias de las mutaciones. 1.2.3.1. Consecuencias evolutivas. 1.2.3.2. Efectos perjudiciales.

2.

Genética mendeliana 2.1. Conceptos básicos de herencia biológica. 2.1.1. Genotipo y fenotipo. 2.2 Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia. 2.2.1 Las leyes de Mendel. 2.2.2. Cruzamiento prueba y retrocruzamiento 2.2.3. Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas Mendel. 2.3 . Teoría cromosómica de la herencia. 2.3.1. Los genes y los cromosomas. 2.3.2. La meiosis y su relación con las leyes de Mendel. 2.3.3. Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo.

I.

ORIENTACIONES

1. Reconocer al ADN como molécula portadora de la información genética. Recordar que el ADN es el componente esencial de los cromosomas. 2. Entender el gen como el fragmento de ADN que constituye la más pequeña unidad funcional. 3. Relacionar e identificar el proceso de replicación del ADN como el mecanismo de conservación de la información genética 4. Reconocer la necesidad de que la información genética se exprese y explicar brevemente los procesos de transcripción y traducción por los que se realiza dicha expresión. 5. Comprender la forma en que está codificada la información genética y valorar su universalidad. 6. Definir las mutaciones como alteraciones genéticas. 7. Distinguir entre mutación espontánea e inducida y citar algunos agentes mutagénicos: rayos UV, radiaciones ionizantes, agentes químicos y agentes biológicos. 8. Destacar que las mutaciones son necesarias pero no suficientes para explicar el proceso evolutivo. 9. Reconocer el efecto perjudicial de gran número de mutaciones y relacionar el concepto de mutación con el de enfermedad hereditaria. 10. Definir y explicar el significado de los siguientes términos: genoma, cariotipo, gen, alelo, locus, homocigótico, heterocigótico, herencia dominante, recesiva, intermedia (dominancia parcial o incompleta) y codominancia. 11. Aplicar los mecanismos de la herencia mediante el estudio de las leyes de Mendel a supuestos sencillos de cruzamientos monohíbridos y dihíbridos con genes autosómicos y genes ligados al sexo. 12. Reconocer el proceso que siguen los cromosomas en la meiosis como fundamento citológico de la distribución de los factores hereditarios en los postulados de Mendel.

II.

OBSERVACIONES

1. Se recomienda que los procesos de replicación del ADN, transcripción y traducción se expliquen tomando como referencia lo que acontece en una célula procariótica sin dejar de resaltar la compartimentación asociada a estos procesos en las células eucarióticas. 2. En el proceso de replicación del ADN, se sugiere, al menos, la mención de: origen de replicación, sentido 5´ ---> 3´, cadenas adelantada (conductora) y retrasada (retardada), cebador, fragmento de Okazaki, ADN y ARN polimerasas y ADN ligasa. 3. En la explicación del proceso de transcripción se sugiere, al menos, la mención de: diferencia entre cadena codificante y cadena molde del ADN,

sentido 5´ ---> 3´, copia de una sola cadena del ADN, señal de inicio (promotor), acción de la ARN polimerasa y señal de terminación. 4. En la síntesis de proteínas se sugiere la mención de, al menos: etapa de iniciación (ARN mensajero, ARN transferente, codón de inicio, anticodón y subunidades ribossómicas); etapa de elongación (formación del enlace peptídico y desplazamiento del ribosoma (translocación); etapa de terminación (codón de terminación). 5. En relación con el código genético, los alumnos deben conocer, al menos, que se trata de un código universal (aunque con excepciones) y degenerado. 6. Se sugiere el uso de diferentes tablas o imágenes del código genético donde se muestre la asignación de aminoácidos a los 64 tripletes; tanto el modelo conocido en una tabla de doble entrada como el modelo de círculos concéntricos, u otros similares. 7. No será necesario explicar los tipos de mutaciones, pero el alumno deberá ser capaz de reconocer como mutaciones los cambios en una secuencia de nucleótidos y los cambios en la dotación cromosómica, e interpretar las consecuencias de las mismas. 8. Los problemas de genética mendeliana serán incluidos en el examen como preguntas de razonamiento o de interpretación de imágenes. En cualquier caso, los problemas versarán sobre aspectos básicos elementales y de aplicación directa de la herencia mendeliana, no siendo materia de examen los problemas de pedigrí. Se sugiere la realización de ejercicios relacionados con la herencia autosómica, incluyendo los sistemas ABO y Rh (sólo alelo D) de los grupos sanguíneos y con la herencia ligada al sexo, incluyendo los relacionados con el daltonismo y la hemofilia.

1.

GENÉTICA MOLECULAR

1.1. El ADN como portador de la información genética. 1.1.1. ADN y cromosomas. 1.1.2. Concepto de gen. 1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN. 1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información genética): transcripción, maduración y traducción. 1.1.5. El código genético. 1.2. Alteraciones de la información genética. 1.2.1. Concepto de mutación. 1.2.2. Causas de las mutaciones. 1.2.3. Consecuencias de las mutaciones. 1.2.3.1. Consecuencias evolutivas. 1.1. En 1928 F, Griffith buscaba una vacuna contra la neumonía provocada por la bacteria Streptococcus pneumoniae que producía la neumonía (pulmonía), así descubrió que existían dos cepas distintas: Smooth (liso) y Rough (rugoso). Las cepas S poseen una capa gelatinosa de polisacáridos y son capaces de provocar la enfermedad cuando se inoculan en un animal sano. Las colonias tienen un aspecto liso. Las cepas R no provocan la enfermedad. No tienen cápsula gelatinosa y las colonias tienen un aspecto rugoso. Intentando conseguir la vacuna, pensó que se podrían inmunizar ratones inyectándole bacterias virulentas (S) muertas por el calor o bien hacerlo con bacterias vivas no virulentas (R). En sus ensayos obtuvo algún resultado inesperado. Griffith dedujo que en las bacterias muertas había “algo” que le denominó principio transformante, que era captado por las bacterias vivas no virulentas y transformaba sus caracteres hereditarios convirtiéndolas en virulentas. En 1944, Avery et col. Demostraron que el principio transformante de Griffith era el ADN, ya que para que un extracto de células S modificaba el comportamiento de las cepas R (no virulentas), lo único que podían añadir era su propio ADN (el de la cepa S). En el resto de organismos no bacterianos se demostró gracias a las experiencias de Hershey y Chase que trabajaron con el bacteriófago T2, un virus que ataca a la E. coli y que está formado exclusivamente por ADN y proteínas, que son las dos sustancias que se sospechaban que podrían ser material hereditario. Las proteínas del virus tiene azufre pero no fósforo y su ADN tiene fósforo pero no azufre. Marcaron radiactivamente los fagos con P 32 y otros fagos con S35 . Cada grupo sirvió para infectar un cultivo de bacterias diferente; posteriormente se trituraron y centrifugaron las muestras comprobándose que el S35 estaba en el medio externo mientras que en el interno abundaba el P 32

. Esto es lógico si pensamos que las bacterias habían sido infectadas por virus cuyo ADN se había recombinado con el de las bacterias. Obviamente el material hereditario no podía ser otro que el ADN

1.1.1. ADN y cromosomas. 1.1.2. Concepto de gen. El ADN es el material del que están formados los genes y contiene la información necesaria que permite la síntesis de todas las proteínas de un organismo. Pero esta información se tiene que descodificar para poder ser utilizada por la célula, este proceso se realiza en dos fases: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN TRANSCRIPCIÓN TRADUCCIÓN

ADN  ARNm

ARNm  proteínas

(DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA)

1.1.3 Conservación de la información: replicación del ADN Autoduplicación. Mediante mecanismos de síntesis se dotan a las células hijas de la información genética adecuada para que los caracteres se pasen de generación en generación Funciones biológicas del ADN y el ARN: El ADN es el portador de la información genética. Está protegido en el núcleo en las células eucarióticas y en las procarióticas se encuentra en el protoplasma. El ARN y sus diferentes tipos intervienen en la transcripción y la traducción de la información genética. Podemos imaginar que nuestro genoma es como una gran biblioteca compuesta por 46 estanterías, organizadas en 23 pares, cada una de las cuales contiene muchos libros con información para sintetizar enzimas o proteínas. Si imaginamos nuestro genoma como una gran biblioteca, decimos entonces que los pares de estantes son los cromosomas homólogos. Cada

miembro de un par de cromosomas es similar, pero no idéntico, a su compañero. Los libros son los genes, en los cuales se guarda la información para fabricar una proteína o una enzima. El conjunto de genes de una especie determinada se llama genoma.

Cromosomas, genes y ADN En los organismos eucariontes, el ADN está organizado en cromosomas. Cada especie tiene un número característico: la cebolla tiene 16 (organizados en 8 pares), la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, 8, y los seres humanos, 46. De esto no se desprende que una mayor cantidad de cromosomas equivale a ser “más inteligente” ya que las células que componen las patatas tienen 48 cromosomas. Los seres humanos tenemos 23 pares de cromosomas: 22 de ellos se llaman cromosomas autosómicos y se heredan uno del padre y otro de la madre. Los cromosomas del par 23 se llaman cromosomas sexuales y son diferentes entre sí. En muchos organismos los cromosomas sexuales son distintos entre sí. Los seres humanos (así como otros mamíferos) tenemos cromosomas X iguales para el hombre y la mujer, mientras que el cromosoma Y, en los hombres, es un poco más corto y tiene menos genes. En las aves, los machos tienen dos cromosomas WW y las hembras uno W y otro Z. En cada cromosoma, que contiene una única molécula de ADN asociada a proteínas, se pueden distinguir las siguientes estructuras: Centrómero. Es el punto de unión de las cromátidas hermanas. Telómeros. Son las regiones del cromosoma ubicadas en los extremos, con estructuras de ADN repetidas que aseguran que no se pierda información importante en cada ciclo de duplicación. Las células sin telómeros se dividen de forma anormal. Sin embargo, con el tiempo estas estructuras se “gastan” hasta llegar a un punto en el que las células mueren. Orígenes de replicación: son los lugares donde comienza la replicación del ADN. Si tomamos una fotomicrografía de todos los cromosomas de un ser humano, luego cortamos las imágenes de cada cromosoma individual y las ordenamos,

creamos una imagen llamada cariotipo (figura 3). Este permite detectar anomalías cromosómicas en células somáticas debidas a enfermedades genéticas o determinados tipos de cáncer.

Cariotipo. El examen microscópico del tamaño de los cromosomas y el patrón de bandas que estos presentan permite identificar y ordenar los 23 pares de cromosomas. El cariotipo es usado como herramienta de detección de enfermedades genéticas. Una copia extra en el par 21, como en la figura, indica que el individuo presenta síndrome de Down. Esta anomalía es un ejemplo de trisomía (presencia de tres cromosomas homólogos).

1.1.2. CONCEPTO DE GEN Un gen es la unidad básica de herencia de los seres vivos. Desde el punto de vista molecular, un gen es una secuencia lineal de nucleótidos en la molécula de ADN (o ARN en el caso de algunos virus), que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica. El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información y unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia. Los genes se disponen, pues, a lo largo de cada uno de los cromosomas. Cada gen ocupa en el cromosoma una posición determinada llamada locus. El conjunto de cromosomas de una especie se denomina genoma. Algunas enfermedades como la anemia drepanocítica (o anemia falciforme) pueden ser ocasionadas por un cambio en un solo gen (uno de los 30.000 genes que constituyen el plan para todo el cuerpo humano). Los organismos diploides (entre ellos, casi todos los animales y plantas) disponen de dos juegos de cromosomas homólogos, cada uno de ellos proveniente de uno de los padres. Cada par de cromosomas tiene, pues, un par de copias de cada gen, una procedente de la madre y otra del padre Los genes pueden aparecer en versiones diferentes, con variaciones pequeñas en su secuencia, denominadas alelos. Los alelos pueden ser dominantes o

recesivos. Cuando una sola copia del alelo hace que se manifieste el rasgo fenotípico, el alelo es dominante. Cuando sonprecisas dos copias del alelo (una en cada cromosoma del par), el alelo es recesivo. Tipos de genes La mayoría de los genes codifican proteínas, responsables de la mayor parte de las propiedades de un organismo. Para ello, la transcripción genera una molécula de ARN que posteriormente sufrirá traducción en los ribosomas, proceso por el cual se genera una proteína. Muchos genes se encuentran constituidos por regiones codificantes (exones) interrumpidas por regiones no codificantes (intrones) que son eliminadas en el procesamiento del ARN. En células procariontes esto no ocurre. La secuencia de bases presente en el ARN determina la secuencia de aminoácidos de la proteína por medio del código genético. Otros genes no son traducidos a proteína, sino que cumplen su función en forma de ARN. Entre éstos, encontramos genes de ARN transferente, ARN ribosómico, ribozimas y otros ARN pequeños de funciones diversas. Algunos genes han sufrido procesos de mutación u otros fenómenos de reorganización y han dejado de ser funcionales, pero persisten en los genomas de los seres vivos. Al dejar de tener función, se denominan pseudogenes, y pueden ser muy parecidos a otros genes del mismo organismo que sean funcionales.

1.1.3. Conservación de la información: la replicación del ADN BIOSÍNTESIS DEL ADN. (Duplicación de la doble hélice) Toda la información genética debe transmitirse a la descendencia y esto se lleva a cabo en la duplicación del ADN. Proceso que permite a las células hijas contener la misma información génica que la célula madre del ADN. La esencia de la duplicación está en la complementariedad de bases C, G, A, T Duplicación del ADN en bacterias (E. coli) en dos etapas:

1) Desenrollamiento y apertura de la doble hélice. La doble hélice se abre como una cremallera por acción del enzima HELICASA, aunque para facilitar este fenómeno también intervienen GIRASAS y TOPOISOMERASAS, que eliminan las tensiones que se generan cuando se desenrolla el ADN. La separación de las cadenas comienza en puntos concretos del cromosoma

denominados orígenes de replicación, a partir de ellos se forman las burbujas de replicación que se extienden y dan lugar a las horquillas de replicación (forma de Y), donde las dos hebras actúan como patrones para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN.

2) Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN. Los enzimas recorren la hebra molde y seleccionan en cada momento el desoxirribonucleótido fosfato cuya base es la complementaria a la base molde. Si el nucleótido seleccionado es el complementario cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato (PP) del nucleótido monofosfato que se incorpora a la cadena de ADN en formación mediante el enlace fosfodiéster. Radwan y R. Wagner lo resume muy ingeniosamente con esta frase: “ El ADN polimerasa sería como un cocinero ciego que toma los ingredientes al azar, saborea cada uno y decide si lo vierte en la sopa o lo devuelve a la alacena” La actividad autocorrectora exonucleásica de la ADN polimerasa es un buen mecanismo de prevención de 6 errores pero aun así se comete un error de apareamiento por cada 10.10 bases, así pues este mecanismo puede 9 ser eficaz en bacterias, pero es insuficiente en genoma humano con 3. 10 pares de bases.

El ADN polimerasa debe resolver dos problemas relacionados con su actividad catalítica: En primer lugar, el ADN polimerasa solo “sabe” leer las secuencias de las hebras molde en el sentido 3’ - 5’, mientras que las nuevas cadenas se sintetizan y crecen en sentido 5’ - 3’; por lo tanto, de las dos hebras molde de ADN, la que está orientada en el sentido 3’ - 5’ es copiada de manera continua por este enzima y la nueva réplica, que crece en el sentido 5’ - 3’ recibe el nombre de hebra conductora En segundo lugar: Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar en sentido 5’- 3’ no puede leerse directamente por el ADN polimerasa; este problema se soluciona mediante la síntesis de pequeños fragmentos de ADN, denominados fragmentos de OKAZAKI que crecen en sentido 5’ - 3’ y que posteriormente se sueldan y forman la hebra retardada que tarda más en sintetizarse ya que los enzimas necesitan que la horquilla esté abierta El ADN polimerasa es incapaz de iniciar por si solo la síntesis de una nueva cadena de ADN y necesita un ARN cebador que actúa como iniciador de las réplicas y se elimina posteriormente del ADN formado

1.1.4. Expresión de la información genética (flujo de la información genética): transcripción, maduración y traducción. El código genético

Recuerda que los genes de los procariotas son unidades continuas, mientras que los de los eucariotas están fragmentados (exones e intrones); solo un 10% del genoma se transcribe, el resto es “chatarra genética”, aunque ahora se sabe que son interruptores bioquímicos (EPIGENÉTICA).

TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS Aunque es un proceso continuo se suelen destacar una serie de fase para hacer más comprensible este proceso. ININICACIÓN El “promotor”, formado por un secuencia rica en T y A se encuentra localizado unos 30 nucleótidos “curso arriba” del comienzo del gen; esta secuencia TATATA lo consideran algunos autores como una especie de caja reconocible por el ARN polimerasa II de manera que la “TATA box” indica al enzima que la transcripción comienza 30 nucleótidos más abajo en la dirección 5’.

ELONGACI ÓN El ARN polimerasa se acopla a una de las cadenas de ADN y desarrolla una vuelta de hélice, así queda al descubierto la hebra patrón. El enzima se desplaza por la hebra en sentido 3’-5’ mientras que la cadena de ARNm se va formando en sentido 5’-3’ antiparalela, conforme se adicionan ribonucleótidos. A medida que el enzima se desplaza, el ADN recupera su posición original en la doble hélice. Cuando se han transcrito 30 bases del gen, al ARNm se le añade en 5’ una “caperuza” compuesta por un resto de guanosina metilada unida a un grupo trifosfato, esto le sirve para que los ribosomas “sepan” el lugar de inicio de la traducción. La velocidad es de unos 30 nucleótidos por segundo: retranscriben tanto los exones como los intrones. TERMINACIÓN: El proceso finaliza cuando el ARN polimerasa II transcribe la

secuencia TTATTT ( el el ARNm será AAUAAA). Inmediatamente después actúa el poli-A polimerasa que adiciona en el extremo 3’ del ARNm una cola de poli-A (150-200 ribonucleótidos de A), que intervienen en la maduración y en el transporte del ARNm. Este ARNm se denomina “primario”. MADURACIÓN: Se eliminan los intrones que se enrollan y no codifican; posteriormente los exones se unen entre sí. Esto se debe a la acción de la Ribonucleoproteina pequeño-nucleolar “RNPpn” que contiene pequeñas moléculas de ARN-U y que es capaz de realizar los cortes en el ARNm; el empalme de los trozos resultantes se hace mediante enzimas ligasas

TRADUCCIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO: BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS

A través de los ARNm se llevan mensajes a los ribosomas, donde tienen lugar la traducción de la información escrita en el lenguaje de los ácidos nucleicos combinación de las 4 letras ACTG que representan las correspondientes bases nitrogenadas. Los ribosomas leen la secuencia de bases de los ARNm y los traducen en secuencias de aminoácidos de las proteínas.

Tres bases del ARNm constituyen un triplete o CODÓN, que representan palabras de tres letras en el idioma de los ácidos nucleicos, cada triplete hace referencia a un aminoácido. La correspondencia entre tripletes y aminoácidos constituye el código o clave genética, que viene a ser una especie de diccionario molecular que permite traducir el idioma de los genes al de las proteínas. Papel de los ARNt en la biosíntesis La descodificación requiere que la secuencia de bases del ARNm determine la secuencia de aminoácidos de la proteína. Los encargados de mantener esa correspondencia entre aminoácidos y ARNm son los ARNt , ya que estos se unen a los aminoácidos y a los codones de ARNm mediante los anticodones (tres nucleótidos del ARNt complementarios del codón). En una primera fase los ARNt se cargan con sus respectivos aminoácidos gracias a la Raminoacil sintetasa. En una segunda fase cada ARNt “cargado” se une mediante su anticodon al codón del ARNm. Para que esto ocurra es imprescindible el concurso del ribosoma que interviene como adaptador de los ARN. Existen codones sinónimos que codifican el mismo aminoácido y también existen tripletes sin sentido que indican el final de la traducción.

(1) INICIACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTÉICA Hacen falta dos señales de iniciación para que comience la síntesis de proteínas: el triplete iniciador AUG que codifica para la metionina y la “caperuza” de metil – guanosina del ARNm; de tal manera que la traducción comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza. Posteriormente la subunidad menor del ribosoma se une con el ARNm en la zona pró xima a la caperuza (extremo 5’) FORMANDO EL COMPLEJO DE INICIACIÓN. Esta subunidad aporta el ARNt iniciador que está cargado con metionina. Todas las proteínas recien sintetizadas poseen metionina en su extremo; posteriormente puede perder este aminoácido. Todo esto necesita la presencia de un factor de iniciación FI y la energía dada por la hidrólisis del GTP. Al final de la etapa de iniciación se liberan los factores FI y dejan paso a la subunidad mayor del ribosoma, esta se acopla al complejo de iniciación para formar un ribosoma completo dotado de dos hendiduras o sitios de fijación; el sitio P, que queda ocupado por

el ARNt Met y el sitio A que está libre para recibir a un segundo ARNt cargado con su correspondiente aminoácido.

(2) ELONGACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA Se podría definir como la unión sucesiva de aminoácidos que se añaden a la cadena polipeptídica en el seno de los ribosomas. Se hace en ciclos de tres fases: El sitio P está ocupado inicialmente por el ARNt Met ; en el sitio A que estaba vacío se introduce un ARNt cuyo anticodon es complementario de la siguiente tripleta; interviene el factor de elongación FE-1, la energía para el proceso se obtiene de la hidrólisis del GTP. La metionina unida mediante su grupo carboxilo COOH al ARNt , rompe su enlace y se vuelve a asociar mediante un enlace peptídico con el NH2 del segundo aminoácido. Este paso está catalizado por la peptidil – transferasa, que está asentada en el ribosoma, De esta manera se forma un dipéptido. Interviene un segundo factor de elongación FE-2 que, utilizando la energía suministrada por el GTP, obliga a los ribosomas a desplazarse exactamente tres nucleótidos a lo largo del ARNm (sentido 5’ – 3’). Esto obliga a la expulsión del ARNt Met del sitio P. De la misma manera el complejo peptidil – ARNt – ARNm va del sitio A al P. Así pués el sitio A está vacante y dispuesto a recibir otro ARNt. (3) TERMINACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTÉICA.

La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando , en el momento de producirse la última traslocación, aparece en el sitio A, uno de los tres codones de terminación (UAA, UAG, UGA). En este momento un factor protéico de terminación RF se une al codón de terminación e impide que algún ARNraminoacil se aloje en el sitio A, por lo que el peptidil transferasa se ve obligado a catalizar la transferencia de la cadena polipeptídica a una molécula de agua.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA En los años 60 del siglo pasado Jacob y Monod propusieron un modelo denominado operón para la regulación de la expresión génica en las bacterias. Un operón es un conjunto de genes que codifican proteínas que a su vez intervienen en una ruta metabólica. En cada operón se pueden encontrar genes reguladores, genes estructurales, la zona del promotor y la zona del operador. lacZ, lacY, lacA codifican para la síntesis de proteínas (enzimáticas o reguladoras) R codifican para la síntesis de una proteína represora que se puede encontrar de forma activa o inactiva y es el agente que controla materialmente la expresión. P Promotor, es la zona que se une al ARN polimerasa y decide el inicio de la transcripción. O Operador. Región entre el promotor y los genes estructurales que posee una secuencia característica reconocida por la proteína represora activa: Cuando se bloquea el operador con la proteína represora, impide el avance del ARN polimerasa y la transcripción se interrumpe, (represión génica) Si la bacteria necesita sintetizar proteínas debe separar el operador del represor y utiliza dos caminos: la inducción enzimática y la represión enzimática. En el esquema anterior se representa la inducción enzimática (operón LAC): La lactosa inhibe a la proteína represora y entonces la zona del operador queda libre y por lo tanto se sintetizan los enzimas que degradan la lactosa. Si no hay lactosa en el medio ¿Para qué necesita la bacteria los enzimas que degradan la lactosa? En la represión enzimática (operón HIS de histidina) se sintetiza un represor que es inactivo, esto implica que los genes se expresan y se fabrica la histidina. Cuando hay en exceso, sus moléculas se unen a la proteína represora y la activa con lo cual se bloquea el operador y se reprimen los genes. Si disminuye

la histidina en el medio se desactiva el represor y los genes se expresan de nuevo.

1.2. Alteraciones de la información genética. 1.2.1. Concepto de mutación. 1.2.2. Causas de las mutaciones. 1.2.3. Consecuencias de las mutaciones. 1.2.3.1. Consecuencias evolutivas. 1.2.3.2. Efectos perjudiciales Una de las características propias del material genético es la extraordinaria fidelidad con la que se efectúan las copias durante los fenómenos de mitosis o meiosis; sin embargo en ocasiones pueden sufrir cambios que además se pueden transmitir a la descendencia. Estos cambios son denominados: MUTACIONES. Algunas de estas mutaciones traducidas a proteínas pueden perjudicar al organismo anómalo, incluso puede causar su muerte; sin embargo en ocasiones puede mejorar sus expectativas vitales, manteniéndose(a partir de ese momento) en el “gen-pool” de la población. A veces las mutaciones ni son beneficiosas ni son perjudiciales, al menos a simple vista. TIPOS DE MUTACIONES: Según las células afectadas pueden ser: Germinales y Somáticas. Resulta evidente que las mutaciones en células somáticas solo producen alteraciones puntuales que no se transmiten a la descendencia. Si la mutación afectan a los gametos se pueden transmitir a la descendencia y sobre ellas actuará la selección natural. Según la extensión del material genético afectado pueden ser: GÉNICAS o puntuales : Provocan cambios en la secuencia del ADN, generalmente afecta a un solo par de bases y se transmiten por herencia. CROMOSÓMICAS: Afectan a la disposición de los genes de un cromosoma, pero no a la secuencia de nucleótidos. GENÓMICAS: Son aquellas que alteran, aumentando o disminuyendo el número cromosómico de la especie.

MUTACIONES GÉNICAS: Se denominan mutaciones puntuales ya que afectan a un solo gen; pueden ocurrir por sustitución de bases y también por cambios en las pautas de lectura:

Se denominan mutaciones puntuales ya que afectan a un solo gen; pueden

ocurrir por sustitución de bases y también por cambios en las pautas de lectura: TRANSICIONES: Se sustituye una púrica por otra púrica o una pirimidínica por otra pirimidínica. TRANSVERSIONES: Se cambia una púrica por otra pirimidínica o al revés; el caso es que solo afecta a uno de los nucleótidos y solo un triplete de bases. Puesto que el código genético esta degenerado (varios tripletes codifican para el mismo aminoácido), puede ocurrir que esa mutación sea silenciosa y no afecte al fenotipo del individuo. Si la mutación afecta a la tripleta final, puede ocurrir que la proteína sea más larga o más corta de lo normal. Pueden ser: INSERCIONES Y DELECCIONES. Consiste en la pérdida o adición de algún nucleótido en la molécula de ADN. A partir del punto de inserción o delección cambian todas las tripletas. Al traducirse en proteína puede que sea totalmente distinta a la original. (CAMBIAN EL MARCO DE LA LECTURA)

. MUTACIONES GENÓMICAS: Son variaciones en el número normal de cromosomas de una especie. Ocurren por una incorrecta segregación de cromosomas durante la meiosis. Dos grades grupos EUPLOIDIAS Y ANEUPLOIDIAS. EUPLOIDIAS: Alteraciones del número normal de dotaciones cromosómicas. Existen dos tipos: Monoploidias: Solo existe un cromosomas de cada par (solo se ha observado en algunas especies vegetales; muy raro) Poliploidías: Tienen más de un juego completo de cromosomas, pudiendo

ser triploides (3n), tetraploides (4n) o en general poliploides. Se observan en vegetales que tienen generalmente mayor tamaño que las naturales. El trigo que se cultiva hoy día es hexaploide. ANEUPLOIDIAS: Trisomías. Los portadores poseen un cromosoma de más (2n+1) si se da en autosomas. La más estudiada es la trisomía del par 21 (mongolismo). El síndrome de Edwards (trisomía del 18); el síndrome de Patau (trisomía del 13). Son poco frecuentes. Si se da en cromosomas sexuales las trisomías son más frecuentes: - Síndrome de Klinefelter (trisomía XXY). Hombres estériles, testículos poco desarrollados y con tendencia a rasgos femeninos. - Síndrome de triple X (trisomía XXX). Mujeres de aspecto normal, aunque en algún caso se podido describir algún retraso mental. - Cariotipo XYY (trisomía XYY). Hombres normales, más altos que la media con tendencia a padecer acné intenso. En algún caso se ha descrito una vinculación con actitudes violentas. Monosomías: Los individuos carecen de un cromosoma de una pareja de homólogos. Su dotación cromosómica es (2n-1). La carencia de un autosoma es letal. Sí puede faltar un cromosoma sexual (Síndrome de Turner XO). Mujeres con escaso desarrollo de los caracteres sexuales primarios y secundarios; son estériles.

MUTACIONES CROMOSÓMICAS: Son mutaciones que afectan a la estructura de los cromosomas; al orden de los genes, a su número, o un gen o a grupos de genes.

Las traslocaciones e inversiones afectan poco al portador ya que no varía el número de genes. Pueden provocar alteraciones cuando un gen se separa de las regiones que controlan su expresión (zona del operador, promotor o zonas reguladores en la síntesis protéica). Las delecciones y duplicaciones, en cambio, aunque afecten solo a un cromosoma de los homólogos pueden tener consecuencias graves. No basta con poseer todos los genes propios de la especie, sino que han de estar en el número adecuado, para que existan desequilibrios en su expresión.

1.2.2. Causas de las mutaciones Los mutágenos son agentes físicos, químicos o biológicos que pueden provocar mutaciones en las células. (radiaciones ionizantes, temperatura, benzopirenos, virus, bacterias, transposones etc) Pueden estar provocadas por agentes endógenos dando mutaciones espontáneas o naturales, generalmente debidas a la actividad celular, dando lugar a la aparición de radicales libres, AGE (productos de la glicosilación avanzada), etc. y provocando errores en el apareamiento de bases y trnasposiciones. MUTÁGENOS ENDÓGENOS Metabolitos reactivos: Se denominan en conjunto “radicales libres” y son residuos del metabolismo intemediario en las mitocondrias y generando lesiones en el ADN celular y en el ADN mitocondrial. A la larga provocan el envejecimiento. Los AGE son el resultado de la combinación de la glucosa con los grupos

amino de las proteínas y con las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Deterioran los procesos de replicación, reparación y transcripción. Errores en el apareamiento de bases, debido al deterioro de los enzimas encargados del sistema de reparación SOS. Transposiciones: Genes capaces de saltar del cromosoma original y acoclarse a otro, provocando mutaciones espontánea (trasposones) Fluctuaciones térmicas: Fenómenos de despurinización y desaminación, perdiendo bases púricas y alteración del grupo amino de una base en cetosa haciendo que la citosina pase a uracilo y la adenina a hipoxantina. MUTÁGENOS EXÓGENOS ESTÁN PROVOCADAS POR CUALQUIER AGENTE EXTERNO YA SEA FÍSICO, QUÍMICO O BIOLÓGICO. Tabaco, alcohol, insecticidas, medicamentos, partículas α, β o ϒ radioactivas, abonos, pesticidas, radiaciones solares etc.

AGENTES FÍSICOS: La radiación UV del sol (UVA y UVB), estas radiaciones provocan la formación de un enlace covalente entre dos bases pirimidínicas consecutivas de la misma cadena, formando dímeros de timina o dímeros de citosina, se rompen los puentes de hidrógeno y el ADN se desorganiza. La radiaciones ionizantes (rayos X, rayos ϒ) rompen las cadenas de ADN. Las radiaciones corpusculares (α y β) de los materiales radioactivos también rompen las moléculas de ADN provocando tumores y cáncer. (Maremoto Japón+centrales nucleares partículas radioacitvas en las cadenas tróficas cánceres) AGENTES QUÍMICOS: Provocan errores, delecciones, inserciones en las moléculas de ADN  



El 5-bromo uracilo y la cafeína parecidos a la Timina pueden sustituirla Los benzopirenos que aparecen en todos los ahumados, barbacoas, alquitranes, café torrefacto, son hidrocarburos policíclicos que en el hígado se transforma y aparecen productos que impiden el apareamiento de bases. El ácido nitroso que hay en las carnes, embutidos ec. El bisulfito sódico de los vinos, etc , provocan la desaminación de la citosina dando uracilo

 

Agentes alqulantes (dimetilnitrosamina, dimetilsulfato, gas mostaza, introducen radicales metilo, etilo en las bases del ADN. Minerales como el cadmio de las pinturas, asbesto de los aislantes, cromo. Dioxinas de la quema de los PVC, acrilamida de las patatas fritas.

AGENTES BIOLÓGICOS: ONCOVIRUS: Virus dela hepatitis B y C, puden dar cáncer de hígado. Papilomavirus, virus del herpes genital que dan cáncer de útero. Virus de Epstein-Barr (enfermedad del beso), mononucleosis Helicobaceter pilori, relacionada con el cáncer de estómago. 1.2.3 Consecuencias de las mutaciones. 1.2.3.1 Consecuencias evolutivas.

La evolución biológica se puede definir como el conjunto de cambios hereditarios, y acumulativos, que sufren los grupos de seres vivos a lo largo del tiempo y que provoca la aparición de nuevas especies a partir de otras ya existentes. Los cambios producidos en el material genético constituyen el motor de la evolución de las especies. Se dice que las mutaciones son necesarias pero no suficientes para la evolución de los seres vivos. Los mecanismos de la evolución requieren la existencia previa de variabilidad entre los individuos que integran una población(considerada actualmente la unidad evolutiva por excelencia en lugar del individuo aislado, ya que son las proporciones en que se encuentran los diversos individuos de una población las que cambian a lo largo del tiempo). FUENTES de VARIABILIDAD GENÉTICA Los principales agentes de la variabilidad en las poblaciones son la recombinación genética y las mutaciones. -La recombinación genética consiste en una reordenación de los genes ya existentes en la población y proporción a nuevas combinaciones de genes, que pueden provocar la aparición de nuevos caracteres fenotípicos, pero no se originan genes nuevos. Dicha recombinación se produce, en los seres con reproducción sexual, durante la profase-I meiótica.

(También puede surgir en otros momentos de la vida celular por la acción de los transposones, la llamada recombinación génica transposicional). - Las mutaciones, por el contrario, son el único fenómeno que provoca la aparición de genes que antes no existían y que se incorporan al patrimonio genético de la población, lo cual amplía notablemente las posibilidades biológicas. En los seres con reproducción asexual las mutaciones son la única fuente de variabilidad (aunque también puede intervenirla recombinación génica transposicional). SELECCIÓN NATURAL En principio, la mayoría de las mutaciones son negativas si el organismo está bien adaptado en su entorno. Pero siempre hay excepciones: - Las mutaciones beneficiosas suelen pasar inadvertidas en un primer momento, por lo que las ventajas evolutivas se manifiestan lentamente, es decir, si el gen mutado proporciona algún beneficio a los individuos que lo llevan, irá sustituyendo paulatinamente al gen original en la población, conforme aumenta la proporción de los individuos portadores que, al estar mejor adaptados al entorno, tienen más capacidad de sobrevivir y procrearán más que el resto. Se va produciendo así una evolución molecular que se reflejará en las características biológicas de los individuos. - La verdadera importancia de las mutaciones se pone de manifiesto en particular durante la adaptación de una población a un entorno nuevo, ya sea como consecuencia de importantes cambios medioambientales en el lugar donde vive o porque se coloniza una nueva área geográfica. En estos casos, la presión ambiental selectiva aumenta extraordinariamente y favorece la supervivencia de aquellos individuos que portan las mutaciones adaptativas más favorables. OBSERVACIONES.1) Las mutaciones génicas, para muchos autores, son las verdaderas mutaciones pues afectan directamente a la estructura de los genes (secuencia de nucleótidos). En un principio, puede que no originen cambios ostensibles, pero la acumulación de ellas termina provocando transformaciones sustanciales en las especies. 2) Desde el punto de vista evolutivo, se habla de dos tipos de mutaciones: - Las micromutaciones, a nivel molecular, las más conocidas y que sólo explican pequeños cambios acumulativos. - Las macromutaciones, de las que aún se sabe poco, que explicarían grandes cambios que diferenciarían los grandes grupos de seres vivos. (Éstas podrían afectar a genes reguladores que controlan la expresión de grupos de genes estructurales, los cuales determinan caracteres morfológicos y fisiológicos que sufrirían importantes modificaciones)

1.2.3.2 A- Como ya se ha dicho, las mutaciones pueden resultar negativas, en principio, para los organismos que están bien adaptados a su entorno (aunque, a largo plazo pueden favorecer a toda una población ante cambios ambientales o a la hora de colonizar nuevos hábitats). B- Las mutaciones pueden ser la causa de que una célula se convierta en tumoral: Por ejemplo: Los protooncogenes codifican proteínas implicadas en diversas etapas de la división celular. Por mutación pueden transformarse en oncogenes que originan tumores ya que promueven la proliferación continua de las células. Los Genes supresores de tumores codifican proteínas inhibidoras de la división celular. La mutación de éstos genes podría aumentar el ritmo reproductor de las células. C- Las mutaciones cromosómicas numéricas (de tipo aneuploidías) dan lugar a la aparición de los conocidos síndromes de Down, de Turner, de Klinefelter, etc. D-Las mutaciones génicas pueden dar lugar a enfermedades genéticas como alteraciones metabólicas, anemia falciforme, ciertas inmunodeficiencias, malformaciones, etc.