Genética ambiental

3º Ciencias Ambientales. (2005-2006)

Tema 1 -Estructura de los genes

1-Naturaleza del material genético

En un principio se pensó que las proteínas, por su diversidad y versatilidad, serían las portadoras de la información hereditaria. Se sabía que un gen determinado expresaba una proteína determinada y que una mutación daba lugar a un cambio. Todo ello hacía pensar en las proteínas como portadoras de información hereditaria.

Pero las proteínas presentaban dos inconvenientes: no son autoreplicantes y son muy inestables (se desnaturalizan a relativa baja temperatura, con cambios de pH etc…)

•Griffith en 1928, Experimentó con Streptococcus pneumoniae, que produce neumonía en humanos y la muerte en ratones. Trabajó con dos cepas,

S: virulenta, letal en ratones, posee una cápsula de polisacáridos y crea colonias lisas.

R: Tipo mutante no virulento en ratones (no produce la muerte), carecen de cápsula por lo que crean colonias de aspecto rugoso.

El experimento consistió primero en inocular los dos tipos de bacteria a los ratones, obteniéndose los resultados esperados. Mas tarde se mataba a las cepas mediante calor y se inoculaban en los ratones, sin que se produjera ningún síntoma de enfermedad.

Sin embargo, si se inyectaban R (no virulentas) vivas junto con las S (virulentas) muertas, los ratones morían, a contra de lo esperado. Al analizar la sangre de los ratones se observaba que había ambas cepas de Streptococcus. Griffith nombro como “principio transformante” al agente aún desconocido que hacía cambar sepas R en S.

•Avery, Mc Leod y Mc Carthy en 1944: Mediante separación por centrifugado de las fracciones de las células S obtuvieron por separado lípidos, proteínas, DNA y polisacáridos.

Resumidamente lo que hicieron fue mezclar cada fracción de biomoléculas con células R vivas resultando que solo el DNA hacia cambiar a las células y transformarlas en cepa S. De ahí se dedujo que el DNA era el “principio transformante” de Griffith.

•Hershey y Chase en 1972: Realizaron el experimento definitivo. Utilizaron virus bacteriófagos-formados por una capsula proteica que encierra dentro los ácidos nucleicos. Los hospedadores utilizados eran Escherichia coli.

Sabiendo que el P esta presente en los ácidos nucleicos pero no en las proteínas y por el contrario el S esta en las proteínas pero nunca en los ácidos nucleicos, utilizaron marcadores radiactivos para marcar las moléculas y poder seguirlas.

Se realizaron cultivos con P32 de manera que los virus bacteriófagos creados aquí por las bacterias infectadas estarían marcados con P32 en sus ácidos nucleicos. En otro cultivo se suministró S35 en el sustrato de alimento de las bacterias, marcando también a los virus, pero esta vez en sus proteínas.

Al centrifugar cultivos con proteínas marcadas la radiactividad se concentró en el sobrenadante, donde están los restos de las cápsides y no en el precipitado, en donde hay restos de bacterias y material genético.

Al centrifugar cultivos marcados con P32 la radiactividad se concentraba en las células precipitadas y no en el sobrenadante o suspensión.

De ahí concluyeron que el material genético son los ácidos nucleicos y no las proteínas.

2-Propiedades del material genético

Debe contener la información para controlar la síntesis de las proteínas esenciales para el organismo. El DNA contiene todas las características de un ser vivo.

Ha de poder autoduplicarse con una gran fidelidad.

Tiene que ser estable para que las especies mantengan su identidad y continuidad, pero a la vez tiene que tener cierta capacidad de cambio. El DNA es estable en un rango de pH 3-11 y a unas temperaturas de entre -80 a >100ºC.

Tiene que estar localizado en los cromosomas.

Tiene que tener cierta capacidad de cambio para que pueda haber mutaciones y se consiga la evolución.

El descubrimiento de que el ARN también es transmisor de información hereditaria se realizó en el Virus VMT (virus mosaico del tabaco). Se compone de una cápside proteica que engloba a una cadena sencilla de RNA.

Se infectó con los componentes proteicos y ácidos nucleicos por separado a las plantas y se comprobó que solo las inoculaciones con RNA producían infección.

3-Morfología del cromosoma

El material genético se encuentra en los cromosomas. Mientras que en procariotas solo hay un cromosoma circular, en eucariotas hay una gran cantidad, variable según la especie.

Las características más básicas de un cromosoma son:

Cuando la célula no esta dividiéndose, la estructura que se presenta es la de un solo par de brazos unidos por el centrómero; durante el periodo de duplicación se presenta una estructura doble en la que los brazos cambian de nombre y adquiere una forma de pinza o “X”.

Dentro del centrómero encontramos el cinetocoro en donde una proteína llamada “cen” desarrollará el huso acromático, que servirá para separar los telómeros en la duplicación.

Los telómeros están compuestos de cientos de secuencias repetidas al final de los cromosomas que sirven para que las células guíen su replicación. Poco a poco estas secuencias repetidas se van perdiendo por lo que las células pierden también su capacidad de duplicación. Se sabe que la telomerasa completa la replicación de los cromosomas enteros, pero ella misma, con el paso del tiempo pierde su capacidad de acción y los telómeros acortan sus extremos.

Sin embargo, en el otro extremo de la replicación está el cáncer, que es una replicación sin control en la que las telomerasas son altamente activas. Consiguiendo inhibir la telomerasa se detendría la duplicación descontrolada.

Los satélites son engrosamientos que se forman al final de los brazos. Son un organizador nucleolar y dan origen al nucleolo que es la estructura en la que se sintetizan los RNAR.

Clasificación de las cromosomas:

Según la longitud de los brazos los cromosomas se clasifican en:

-Brazos iguales: metacéntricos.

-Brazos desiguales: submetacéntricos, en donde:

Brazo pequeño: S ó P

Brazo grande: L ó Q

-Brazos muy desiguales: subtelocéntricos.

-Solo un brazo: acrocéntrico o telocéntrico.

Esta clasificación es muy importante para la elaboración de los cariotipos, es decir, la representación de todos los cromosomas de un organismo ordenados por tamaño-metacéntrico, submetacéntrico, subtelocéntrico, telocéntrico- y forma. Esto es útil para la detección de enfermedades y, en taxonomía, para distinguir entre especies parecidas etc. Los últimos que figuran en las representaciones de los cariotipos son los sexuales.

Existe otra clasificación de los cromosomas que los divide en autosomas y cromosomas sexuales. Los cromosomas sexuales pueden ser los dos iguales o diferentes. En los humanos, si son distintos, el individuo es macho. En los pájaros, el individuo heterogamético es la hembra (cromosomas W y Z).

Para obtener un cariotipo se necesitan unas tinciones y técnicas específicas en las que se puedan diferenciar bien tamaño y forma. Estas son las técnicas de bandeo, que tiñen los cromosomas en patrones de bandas e interbandas específicos, siendo iguales entre dos cromosomas homólogos. Además, los patrones de bandas ayudan a identificar las traslocaciones.

Cromosomas en la célula:

Se denomina n al número de cromosomas que se hereda de cada progenitor en los casos de reproducción sexual. En organismos diploides hay 2n cromosomas. En organismos triploides hay 3n cromosomas, lo cual se da comúnmente en especies de anfibios y en algunas plantas. Algunos anfibios también son pentaploides, 5n. Estas especies no tienen reproducción sexual sino que asociada a esta habrá otras formas asexuales. En plantas 3n es frecuente. El trigo para la pasta es 4n y e del pan 6n. Los organismos haploides son sobre todo hongos.

En cuanto al número de cromosomas que tiene cada especie, hay una gran diversidad. No tiene que ver el grado de desarrollo evolutivo con el número de cromosomas. Es un carácter específico de cada especie (ej, en humanos hay 23 parejas, es decir, 46 cromosomas, pero en algunos peces más de 200 parejas). Todos los organismos de la especie tienen el mismo número de cromosomas excepto en mutaciones.

Algunos cromosomas son esenciales para la supervivencia, si falta, el organismo muere o es poco viable. Se llaman cromosomas A. En otras especies hay además una serie de cromosomas accesorios y tienen características muy peculiares. Se llaman cromosomas B. Pueden estar en nº muy variable, como por ejemplo 2n=20A+0B ó 2n=20A+3B dentro de una misma especie. Este hecho dificulta la taxonomia genética.

Los cromosomas B no siguen el mismo proceso de duplicación ni tienen un patrón fijo de herencia. Son el equivalente a los plásmidos bacterianos. No aportan características esenciales, pero pueden aportar características que adicionalmente les confieran mejores adaptaciones al medio.

4-Condensación, empaquetamiento y súperenrollamiento:

La composición de los cromosomas eucariotas es fundamentalmente DNA que compone una única molécula con un solo principio y un solo final. En un cromosoma de Drosophila hay una línea de DNA de 1mm de longitud que se pliega hasta alcanzar el tamaño del cromosoma, del orden de 5-10µm. Esto se consigue mediante la llamada condensación y el empaquetamiento, sin ellos las células no podrían mantener tamaños viables.

El empaquetamiento sigue unos niveles jerarquizados de organización. Cuando e DNA está desnudo, el comienzo de la empaquetación es la unión del mismo a unas proteínas llamadas histonas, formando un complejo llamado octámero en el que el DNA se dispone en forma de anillo alrededor de las histonas. Las histonas que participan en la formación de los octámeros son H2A, H2B, H3 y H4. El octámero está compuesto por dos moléculas de cada una de las cuatro histonas que intervienen en su formación. Estas son proteínas muy básicas y con carga positiva por su contenido en Lisina y Arginina, gracias a ello se neutraliza la acidez y cargas del DNA, formándose una molécula muy estable y de carga neta neutra.

Las histonas son proteínas muy conservadas filogenéticamente, siendo idénticas en casi todos los seres vivos que existen. Son tan importantes que solamente han perdurado evolutivamente las que ofrecen óptimos resultados en la estabilización del DNA.

Los octámeros se unen formando nucleosomas mediante otra histona, la H1, situada en los espacios entre los octámeros, llamados linkers o compactadores. A su vez, los nucleosomas se unen formando la cromatina.

El resultado de la primera compactación de la cromatina son las fibras llamadas solenoides. Estos a su vez sufren un súperenrollamiento y dan lugar a los cromosomas en interfase.

Tras otro súperenrollamiento se producen los cromosomas en mitosis. Tras la mitosis pierden este último súperenrollamiento y vuelven a un estado más relajado.

La fibra de cromatina, para que se mantenga enrollada, se fija al llamado armazón (scafold) y así puede formar el súperenrollamiento y solenoides estables. El armazón lo componen proteínas y las llamadas “pequeñas moléculas de RNA”. Así los enzimas pueden hacer girar las fibras de cromatina hacia uno u otro lado y enroscarse o desenroscarse. Cuando a un cromosoma se le trata con ARNasa, las fibras de cromatina se sueltan y lo mismo pasa si se trata con proteasas ya que destruyen el armazón.

(DNA+ H2A, H2B, H3, H4) Octámeros Nucleosomas(varios octámeros) cromatina(varios nucleosomas) Solenoides(cromatina empaquetada)cromosoma en interfase(solenoides súperenrollados)

Estos empaquetamientos también ocurren en cierta medida en procariotas. En las bacterias, las cuales tienen una sola molécula de DNA circular cerrada, se forman unos lazos llamados dominios que a su vez se súperempaquetan. En ellas no hay cromatinas porque no hay histonas.

Las características de la cromatina la diferencian en dos tipos dependiendo de la capacidad para teñirse con un colorante llamado feulgen de manera que aparecen diagrames de bandas.

Heterocromatina: Son las zonas bandeadas. Se sabe que la heterocromatina no es codificante y que está súperenrrollada.

Eucromatina: Son las zonas de interfase. Esta tiene genes activos y no está tan súperenrrollada.

El número de nucleótidos es muy diferente entre los distintos seres vivos. El ser humano tiene alrededor de 3 millones de pares de bases. Cuanto mas evolucionado está un organismo, las proteínas de este necesitan mas información para su síntesis al ser más complejas y diversas.

Las bacterias son los seres vivos con menos pares de bases, sin embargo los mamíferos no son los organismos con más pares de bases ya que plantas y anfibios tienen muchos más. Esto se explicó al descubrir el “DNA altamente repetido o DNA basura” que es un DNA no codificante sin función biológica conocida.

Pero esto planteaba un problema, ¿por qué estos organismos más sencillos han conservado estos fragmentos de DNA si su replicación y mantenimiento conllevan un elevado gasto energético para la célula?

Se ha descubierto que la complejidad de un organismo la da la combinación entre las proteínas y su activación y no el nº de genes. Se comienza a descubrir el papel regulador muy importante que ese DNA no codificante en la expresión.

Las secuencias de los organismos, auque son muy variadas, pueden clasificarse según su repetición:

-Secuencias únicas: Solo aparecen una vez en el genoma. Codifican proteínas importantes.

-Secuencias repetidas:

#Repetidas funcionales codificantes: son moderadamente repetidas, apareciendo de 10 a pocos centenares de veces. Hay dos tipos

*Familias génicas dispersas: codifican proteínas que hacen falta en gran cantidad den las células, como la ovoalbúmina.

*Familias génicas en tándem: no todas las secuencias iguales están unidas sino que van en grupos. Estos codifican RNAR que están en el organizador núcleolar (forma el DNA satélite que está en el final de los cromosomas, en donde están los engrosamientos). También son familias en tándem las histonas y los RNAT.

#Repetidas funcionales no codificantes: tienen una funcion dentro del cromosoma pero no codifican ninguna proteína. Son secuencias del tipo TTAGGG y se encuentran en los telómeros.

#Repetidas altamente: no tienen función conocida. Están en el DNA satélite formando parte de la heterocromatina. Hay dos tipos

*Minisatélites: Tienen entere 15 y 200 pares de bases. Son específicas de cada individuo. Se utilizan para determinar las huellas genéticas (identificación de individuos por DNA)

*Microsatélites: oscilan entre 2 y 6 pares de bases repetidos cientos de veces, que se utilizan para la determinación de parentescos entre personas.

*Transposones: Son elementos móviles capaces de saltar y moverse dentro del DNA, pudiendo saltar de un cromosoma a otro. En ocasiones se conoce la función, en otras no. Pueden funcionar como desactivadores.

5-Gen

La definición varía según sea de eucariota o procariota.

-Para un procariota, un gen se forma por una sección reguladora (en la que se inician la trascripción del gen), una codificante y una región terminal en la que se señala el final de la transcripción. Las señales que utilizan los enzimas son también secuencias de DNA.

-Un gen eucariótico tiene también una sección reguladora en la que se produce el inicio de la transcripción, pero dentro de la región codificante hay unas secuencias no codificantes que no hay en el procariota y que se denominan intrones, cuya función es separar las regiones codificantes, llamadas exones.

Ninguna bacteria tiene intrones, pero las levaduras, que son eucariotas, tienen ya alguno. Cuanto más complejo es el organismo más intrones tiene. En humanos, el 94% de los genes tiene intrones. El 15% de los genes de los humanos tiene cinco intrones, que es lo más común.

6-Nucleótidos

Los nucleótidos son las moléculas constituyentes de los ácidos nucleicos. Cada una de las dos hebras de DNA ó RNA está formada por secuencias de cuatro nucleótidos repetidos numerosas veces. Estos son Adenina Guanina Citosina y Timina (Uracilo en lugar de este último en el caso de los RNA).

Los nucleótidos se componen de:

-Bases nitrogenadas: Purinas, 2 anillos, Adenina y Guanina // Pirimidinas, 1 anillo, Citosina y Timina (Uracilo).

-Un glúcido: D-2-Desoxirribosa (DNA) ó D-ribosa (RNA).

-Grupos fosfato: Este grupo fosfato es importante para obtener la energía necesaria en el enlace fosfodiéster que une dos nucleótidos de la misma cadena.

Cada cadena de nucleótidos se une a otra de forma antiparalela (para que las bases sean complementarias) mediante puentes de H. La complementación entre bases de distintas cadenas es A-T, mediante dos puentes de H, y C-G mediante tres puentes de H. El sentido de las cadenas se guía por el número del carbono del primer y último glúcido, y mientras en una cadena el último por un extremo es el 3, por el otro extremo es el 5, por eso se dice que las cadenas progresan en sentido 3`5`. Esta cadena está unida a otra complementaria que avanza en sentido 5`3` relativo a la otra.

El DNA tiene carga neta negativa por los ácidos fosfóricos PO4H3PO43- luego se unen a las histonas neutralizando la carga neta. En la doble hélice, las bases nitrogenadas quedan hacia el interior, las desoxiribosas hacia fuera. La hélice es dextrógira con una vuelta cada 34Å y como cada base mide 3,4Å, en cada vuelta hay 10 bases. Se llama doble hélice modelo B

Existen otros modelos de doble hélice mucho menos frecuente, como el A, con 11 pares de bases por vuelta, por lo que está mas compactado, o el tipo Z, que es levógiro.

También se ha descubierto un DNA tricatenario que se asocia a zonas de recombinación en donde se produce la reparación de mutaciones.

7-Propiedades del DNA

-Estabilidad: se manifiesta una gran estabilidad del DNA en condiciones de pH que se mantengan dentro de valores desde 4 hasta 11. También es estable frente a concentraciones de iones muy variables, aunque como el DNA esta cargado negativamente, una concentración muy ata de aniones podría desestabilizar la estructura porque no hay cationes suficientes para estabilizarla. Frente a cambios de temperatura, no existen problemas estructurales a temperaturas muy bajas (la criopreservación se realiza a -20ºC, pero a temperaturas de 200ºC bajo cero también es estable aún). A temperaturas altas, superiores a 90ºC, comienza a producirse un proceso de desnaturalización de los ácidos nucleicos consistente en la ruptura de los puentes de hidrógeno que mantienen la doble hélice.

Este proceso permite el estudio de los contenidos en A, C, G y T de los ácidos nucleicos ya que se puede deducir que cuanto mas contenido en C y G (establecen enlaces triples de hidrogeno) mas alta será la temperatura de desnaturalización de la molécula. La relación entre el contenido de G y C y la temperatura de desnaturalización es prácticamente lineal. Además se es obvio que A+G=C+T. Las variaciones de G y C son diferentes en los distintos organismos porque estos nucleótidos están presentes en gran abundancia en la heterocromatina (anfibios, liliáceas…) Las zonas con más alta temperatura de desnaturalización suelen ser no codificantes. Se sabe que el DNA esta desnaturalizado por la densidad óptica de la muestra. La densidad óptica está tabulada a una longitud de onda de 260nm y se sabe que con la temperatura aumenta la absorbancia hasta un punto en el que se asintotiza. Este punto se corresponde con el punto de desnaturalización correspondiente al DNA simple. Si se desciende la temperatura el DNA se renaturaliza.

La propiedad de volver a naturalizarse después de haberse separado las dos hebras es muy importante. Se aprovecha esta propiedad para desarrollar una técnica llamada hibridación (renaturalización de ácidos nucleicos de diferentes organismos), utilizada en ingeniería genética.

Esta consiste en desnaturalizar un DNA bicatenario y añadirle una sonda radioactiva complementaria a una hebra o a una zona de una hebra. Ahora se utilizan menos las sondas radioactivas y se emplean las bioluminiscentes. El DNA se deja renaturalizar y se realiza un proceso de lavado de los restos de ensayo. Luego se pone en contacto con una placa fotográfica, proceso llamado autoradiografía. Si marca la placa significa que la sonda había hibridado (marca la placa porque había hibridado y no se fue con el lavado). Esto sirve, por ejemplo, para hacer búsquedas de genes transgénicos.

La electroforesis sirve para separar mediante un campo eléctrico las moléculas cargadas. Como el DNA está cargado negativamente, se moverá hacia el polo positivo. Las muestras se incluyen, normalmente, en un gel de agarosa (para proteínas sería de poliacrilamida por ejemplo) y se ponen en el aparato de electroforesis. Las moléculas pequeñas de DNA se moverán más y más rápido que las grandes. Para que sean visibles se utiliza el bromuro de etidio, un fluorescente a la luz ultravioleta, que se coloca entre los pares de bases de la doble hélice (es un mutágeno químico). Existen a la venta kits marcadores ya calibrados que se colocan en los márgenes del aparato dónde se ponen las muestras y que sirven de referencia para saber el tamaño en pares de bases de las mismas. La corriente tiene que ser continua, no alterna, para esto, se utilizan fuentes eléctricas especiales llamadas fuentes de electroforesis.

-Viscosidad: varía según sea DNA de cadena doble o sencilla. La cadena doble produce más viscosidad que la sencilla.

8-Replicación

Es lo que les perite ser el material hereditario. Deriva de la doble hélice, ya que de ella se forman dos dobles hélices al copiarse, una de cada hebra original. El proceso de replicación es un proceso enzimático por lo que es, por una parte rápido (400 nucleótidos por segundo) y por otra parte muy exacto (solo un error cada 105 nucleótidos copiados, rebajado aún más luego mediante enzimas correctores). Las mutaciones perjudiciales, además de ser reparadas por algunos enzimas tras la copia, se eliminan de la naturaleza porque en ocasiones originan gametos no fértiles o los zigotos mueren o no llegan a formarse. Es en ocasiones la cause de abortos espontáneos organismos.

Como cada hebra sirve de base para la nueva complementaria, se dice que las hélices son semiconservativas.

La dirección de lectura para la replicación de las cadenas es 3`5` lo que implica que la cadena nueva se esté sintetizando en sentido 5`3` ya que es antiparalela. Pero al haber dos hebras, siempre hay una hebra en la que se lee 3´5`y otra en la que tocaría leer en el sentido contrario, lo que no se puede hacer porque los enzimas encargados de la lectura no están preparados para ello. La que se lee en el sentido correcto se llama cadena líder o adelantada, la otra es la cadena retrasada. En la cadena retrasada se van leyendo en grupos pequeños de varios nucleótidos porque los enzimas no pueden leer al revés. Estos pequeños fragmentos que se van leyendo se llaman fragmentos de Okazaki y en ellos ocurre de manera resumida lo mismo que en la cadena 3`5`.

El inicio de la escritura comienza por un fragmento llamado cebador (un oligonucleótido de "100 pares de bases de RNA) sintetizado por una RNA polimerasa ó una RNAprimasa. Se utiliza RNA porque las DNA polimerasas solo son capaces de catalizar enlaces fosfodiéster cuando ya hay varios nucleótidos colocados en la cadena de manera 3`5`, pero las RNA polimerasas pueden hacerlo desde el principio, sin 3`OH previos. Luego ya actúan las DNA polimerasas. Una vez terminada la síntesis hay que eliminar el cebador, lo que se hace mediante una endonucleasa que rompe los enlaces 3`5`y sintetizan el hueco del cebador mediante una ligasa. Ocurre una sola vez en la cadena adelantada y muchas en la retrasada. Antes de cada pequeño fragmento de Okazaki hay una sección llamada iniciadora o primera que sirve para marcar los comienzos de dichos fragmentos.

El inicio de la replicación ocurre a partir de una zona concreta llamada inicio de replicación. En los eucariotas hay cientos de orígenes de replicación por cada cromosoma. Así el proceso es mucho más rápido. Los enzimas deben estar sincronizados para comenzar la replicación porque cuando terminen de copiar su zona debe terminarse también la replicación total. En los cromosomas bacterianos hay solo un origen de replicación.

El DNA se tiene que desenrollar para su copiado, este proceso lo realizan las topoisomerasas y las girasas, que tienen la capacidad de introducir súperenrollamiento negativo o positivo a partir de un corte de DNA. Al irse separando las hebras se forma una horquilla de replicación, que se mantiene separada gracias a las helicasas y a unas proteínas específicas llamadas de “unión a cadena sencilla” (SSBP).

Los enzimas que llevan a cabo la síntesis de ácidos nucleicos son 6 tipos de DNApolimerasas (, , , , , )

-  actúa en la cadena adelantada mientras que  y  actúan en la cadena retrasada. Estas tres DNA polimerasas son las principales.

-  y  tienen función de reparación. Es capaz de rebajar los errores de uno cada 105 a uno cada 107 ó 108.

-  se ha localizado es las mitocondrias y cloroplastos, que tienen su propio sistema de síntesis de proteínas y DNA mitocondrial.

En el caso de las células procariotas solamente hay 3 DNA polimerasas, que se nombran con números, DNA Pol I, DNA Pol II y DNA Pol III. Los tres enzimas tienen actividad polimerasa 5`3`y exonucleasa en sentida 3`5`.

-DNA Pol III: es la principal enzima de replicación.

-DNA Pol I: Correctiva. Una característica especial y muy importante de esta es que también tiene actividad exonucleasa en 5`3`.

-DNA Pol II: Reparación de errores, parecida a las DNA Pol I

Las nucleasas pueden ser de dos tipos, endonucleasas, que rompen enlaces fosfodiéster en cualquier punto de la cadena, y las exoucleasas, que lo hacen solo en los extremos.

Por tanto, para replicar una cadena se necesita un iniciador, las DNA polimerasas y los nucleótidos en forma trifosfato: atp, gtp, ctp, ttp.

La PCR (polimerase chains reaction) es una tecnología revolucionaria consistente en la amplificación de una única molécula de DNA que se haya obtenido por ejemplo, de un crimen. Este DNA problema se introduce en un sistema con el iniciador, polimerasas y nucleótidos en forma trifosfato de manera que se consigue la cantidad que se quiera de DNA problema y se tiene suficiente material para analizar Se utiliza la PCR para la determinación de parentescos entre individuos, análisis de fragmentos de DNA en crímenes, para establecer similitudes entre especies e infinidad de procesos similares.

La amplificación produce de manera automática la cantidad de DNA que se desee mediante un aparato llamado termocicladora. En esta máquina se colocan los tubos ependorf y se selecciona el programa que se quiera. Se realiza todo el proceso en unas 2-3h. En la práctica lo que se realiza es:

A un DNA de doble cadena lo primero que se le hace es desnaturalizarlo. Se introducen dos cebadores universales para el tipo de DNA que se quiera amplificar y se comienza la primera copia o primer ciclo. Las nuevas cadenas se separan y se comienza otro ciclo de manera que de una cadena se obtienen dos, de esas dos se obtienen cuatro, luego ocho, dieciséis….Es un crecimiento exponencial que hace la reacción muy eficaz.

El problema inicial para ponerlo en práctica fue la automatización del proceso ya que se sube y se baja la temperatura para que el proceso sea exacto. Las fases que sigue el aparato son:

-Calentar hasta 90ºC-95ºC en 1-1,30 min.

-Bajar la temperatura para que se unan los cebadores hasta 60ºC-70ºC en 30s aprox.

-Bajar a unos 40ºC para el copiado o extensión de la cadena.

Se realizan 30 o 40 ciclos que durarán entre 2-3h. Se pueden conseguir hasta miligramos, que son cantidades muy grandes.

Para que los enzimas proteicos no se desnaturalicen cada vez que se sube la temperatura y haya que renovarlos cada vez, se añade Taq Polimerasa, una DNA polimerasa extraída de una bacteria termófila (Termus aquaticus) que habita en zonas volcánicas marinas. Esta ocurrencia fue lo que hizo posible la automatización del PCR, haciendo multimillonaria a la empresa que lo patentó.

El problema de la corrección de errores se solucionó con unas Taq polimerasas especiales que ya incorporan esa función.

Fingerpriniting, que se traduce como determinación de huella genética, utiliza secuencias altamente repetidas, en concreto los microsatélites (unidades de 2-6 nucleótidos) amplificadas con unos primers universales para cualquier humano. Se utiliza para la determinación de parentescos ya que en cada humano existe una huella de microsatélites (que es lo que se amplifica y se analiza) y por ejemplo, entre padres e hijos, existen patrones de repetición.

9-Replicación celular: procesos de los ácidos nucleicos y cromosomas

Cuando un cromosoma está en mitosis el DNA ya está replicado. Dentro del ciclo celular están

-Fase S: Síntesis, replicación de los ácidos nucleicos. Solo ocurre durante el 10-70% del tiempo del ciclo celular.

-G1: separación, interfase o periodo de reposo.

-Fase D: División.

-G2: separación, interfase o periodo de reposo.

Cuando la célula no se está dividiendo es cuando se sintetiza el DNA y cuando se dan los procesos metabólicos. Durante la división no hay metabolismo.

La forma en la que se dividen las células eucariotas (procariotas todo a la vez) es en dos fases, síntesis y división propiamente dicha. Las células eucariotas se dividen por mitosis excepto las sexuales, que van a formar gametos.

Mientras que las células procariotas dividen todo a la vez al replicarse, las eucariotas lo realizan en dos partes. Antes de comenzarse una división, el material genético al igual que el resto de orgánulos, esta duplicado por lo que los cromosomas son dobles, teniendo duplicada su información.

Los mecanismos de la división eucariota son:

Mitosis (de una célula 2n da lugar a dos células 2n)

Centrándonos solo en los cromosomas. Los cromosomas tienen una estructura dinámica y en principio están descondensados. Al microscopio se ve un citoplasma transparente y un núcleo teñido de rosa, ya que el colorante que se utiliza es de ese color.

Profase: se produce el condensamiento y enrollamiento de los cromosomas. Es una fase larga por lo que se subdivide en temprana, cuando empiezan a verse estructuras fibrilares, y tardía, cuando ya hay cromosomas formados y los nucleolos desaparecen.

Metafase: los cromosomas se colocan en el plano ecuatorial de la célula al desaparecer la membrana nuclear (solo la tienen los eucariotas) y quedan dentro del citoplasma. Los cromosomas están en su forma mas enrollada. A la vez que están colocados, se observa una estructura denominada huso acromático (porque no se tiñe) que va desde un polo de la célula al otro. Los filamentos del huso se forman por unas subunidades de proteína llamada tubulina. Estos filamentos se unen a las proteínas cen de los cromosomas por el centrómero, situado en el cinetocoro. Así los cromosomas se mantienen sujetos, perdiéndose aquellos cromosomas que no tengan centrómero.

Anafase: empieza a producirse la separación de las cromátidas hacia los polos de las células. A partir de los extremos de los husos se van soltando subunidades de tubulina de manera que el efecto que produce es una retracción de los filamentos, rompiendo los cromosomas dobles por la mitad.

Telofase: Los cromosomas comienzan a desenrollarse y va apareciendo de nuevo la membrana nuclear al igual que la que producirá la citocinesis.

Meiosis (una célula 2n da lugar a cuatro células n)

Solo ocurre en las gónadas y da lugar a gametos. Las células que entran en meiosis han pasado por una fase de síntesis por lo que los cromosomas tambien son dobles.

Profase: comienzo de la condensación de los cromosomas, pero esta vez es mucho mas larga porque en la meiosis hay recombinación. Se pueden distinguir hasa siete fases, pero se pueden resumir en tres, zigotena, paquitena y diplotena.

Zigotena, los nucleolos aún están visibles, hay gran condensación de los cromosomas pero aun no es total.

Paquitena, se produce el apareamiento de los cromosomas homólogos, lo cual da lugar a estructuras bivalentes mediante una unión física en la que se forma una estructura celular llamada complejo sinaptinémico compuesta por proteínas con forma de cremallera que mantiene pegados a los cromosomas gen a gen.

Paquitena: en esta fase se producen los llamados sobrecruzamientos, mediante los cuales se transfiere información de unos genes homólogos a otros. Los cromosomas que han intercambiado información se llaman cromosomas recombinantes. Los puntos de unión de las recombinaciones son los quiasmas.

En las hembras, estas fases ocurren antes de nacer por lo que todos sus óvulos están formados ya siendo un bebé. Los cromosomas todavía no se soltaron y esa maduración se produce en la pubertad.

Metafase: Los cromosomas se separan, se colocan y se juntan a las fibras del huso. Estos cromosomas híbridos están aun juntos aunque ya no se producen sobrecruzamientos. Cuando se produce la separación se separan cromosomas homólogos y se forman dos células diploides recombinadas.

Anafase: lo mismo que en la mitosis.

Como en cada una de las células finales solo hay la mitad de cromosomas que en la célula inicial, ahora se produce una nueva división mitótica pero sin haber pasado por una fase de síntesis, dando como resultado cuatro células n .

Según se trate de gametos femeninos o masculinos se llama ovogénesis o espermatogénesis. En la ovogénesis lo que ocurre a partir de la pubertad es la segunda mitosis, pero solo una de las cuatro células finales será viable. Los espermatozoides valen todos.

Tema 4- Función de los genes

1-Dogma central de la biología

El DNA está relacionado con las proteínas y consigo mismo por medio de la replicación. En células eucariotas, en el núcleo ocurre la replicación y la transcripción, mientras que en el citoplasma tiene lugar la traducción llevando la información para ella el RNAm a los ribosomas. La información fluye (con la excepción de la transcripción reversa) del ADN al ARN por vía del proceso llamado transcripción, y luego a la proteína por el proceso de traducción.

2-Relación “un gen-un enzima”

Cuando aún no se conocía con certeza esta relación se realizaban muchas experiencias para confirmarla o rechazarla. Gran parte de los experimentos fueron sobre enfermedades metabólicas en humanos. Se vio que cada paso de una reacción metabólica estaba catalizado por un enzima y que cada enzima estaba expresado por un gen. En una reacción metabólica de varios pasos hay varios metabolitos intermedios de manera que si hay un gen es mutante, el enzima encargado de catalizar la reacción desde un metabolito1 al siguiente, no funcionará correctamente y se acumulará ese metabolito. Sin embargo, si introducimos el metabolito2 o el enzima correcto la reacción biosintética continúa a no ser que haya más enzimas mutados. De esa manera se asociaron las mutaciones con los enzimas de la forma un gen-un enzima.

El cretinismo es un fallo en la síntesis del triptófano que provoca subnormalidad profunda a los fetos y niños que sufrieron esa falta de triptófano. Sin embargo, si se suministra de forma externa la enfermedad no se manifiesta.

3-Principio de colineraidad

Al saber que el DNA no era mas que una secuencia de nucleótidos y que existía la relación un gen un enzima, se estableció que debía haber una relación directa entre los nucleótidos y la secuencia de a.a. que se expresan en las proteínas. La relación entre los nucleótidos que están en el núcleo y los a.a. del citoplasma la entablan la transcripción y la traducción.

4-Transcripción

Es el proceso por el que se pasa DNA a RNA en el núcleo celular en células eucariotas. Las características de la transcripción son:

-Complementariedad: el ARN que se sintetiza es complementario a la cadena de DNA que sirvió de molde. Las diferencias entre los dos son que en el ARN hay uracilo en vez de timina y que las pentosas del ARN son D-ribosas en lugar de D-2-desoxiribosas del DNA.

-Asimetría: de las dos cadenas que hay en le DNA sólo una se convierte en RNA. El RNA es siempre monocatenario. No siempre es la misma cadena de DNA la que se transcribe, depende de los genes que codifiquen, pero nunca se transcriben las dos cadenas a la vez, se transcribe una parte de una, otra parte de otra continuamente, pero sin solapamientos. Para cada gen, la cadena que se esta copiando se llama cadena con sentido y la que no se esta copiando es la cadena antisentido o sin sentido.

Por convenio, el origen del gen es siempre 3`, de manera que como el DNA se lee, para transcribir, 3`5`, el RNA siempre es complementario independientemente de que hebra se esté leyendo porque se está escribiendo en sentido 5`3`.

Las RNA polimerasas leen el DNA y sintetizan al RNA, pero para ello ha de formarse una horquilla en donde se sitúe el enzima. De las transcripciones se obtiene RNA de cinco tipos:

-RNAM: mensajero, molde para la síntesis de las proteínas. Es monocatenario.

-RNAR: ribosómico, forma los ribosomas. Son moléculas de RNA lineales que se sintetizan a partir del organizador núcleolar. Los ribosomas tienen una forma globular, con dos subunidades, una grande y otra pequeña. Los RNAR procariotas tienen coeficientes de sedimentación totales de 30 a 50 s y coeficientes de sedimentación de RNA de 16s 23s 5s. Los ribosomas eucariotas tienen totales de 40-60s y de RNA de 13s y 28s, 5,8s y 5s.

-RNAT: transferente, encargado de transportar los a.a. hasta los ribosomas. Son moléculas pequeñas comparadas con los DNA, de unos 25000Da. Es un RNA con estructura secundaria en forma de hoja de trébol. Se adquiere esa estructura debido a zonas complementarias en su secuencia que forman lazos al plegarse. En este RNA hay muchos nucleótidos modificados mediante sustitución de algunos radicales de los nucleótidos tradicionales por grupos metilo, OH u otros, por eso forman bucles monocatenarios y no se enlazan con ninguna otra parte de la cadena. Los lazos tienen significado funcional: el del lado c enlaza el RNA con el ribosoma. El lado d ó dihidroU (por el uracilo modificado) se une a un enzima llamado aminoacil sintetasa. El lazo de abajo es el anticodón, tiene tres nucleótidos y se une a una secuencia del RNAM llamada codón. Existe una relación entre el codón que se está leyendo y el aminoácido que llevará colgado el extremo 3` del RNAT .Hay varios RNAT para cada aminoácido.

Los enzimas que unen los RNAT a los a.a se llaman aminoacil sintetasas, son moléculas que tienen varios centros activos, por cada uno de ellos se une un elemento de la reacción de unión. Por una parte se une el RNAT al que luego se unirá el a.a., por otra parte se une dicho a.a, y por último se une un pirofosfato que suministrara energía al enlace final entre el RNAT y el a.a.

Una vez unidos todos al enzima se produce la reacción de la que se libera un AMP.

Se dice tras la unión que los aminoácidos están activados y en disposición de ir a los ribosomas.

-RNASN: Son de pequeño tamaño. Al principio no se les dio importancia porque parecían no tener función, aunque luego se vio que tenían mucha importancia en la regulación génica. Estos complementan a un RNAM y son capaces de unirse a el haciendo que se degrade o bien no se traduzca. Por tanto, la proteína para la cual codificaba no se expresa, el gen queda inactivo. Con las propiedades de este RNASN se experimentó en ingeniería genética de plantas, concretamente con la maduración del tomate. El etileno es una molécula proteica que hace que se acelere la degradación del tomate una vez cortado de la planta. Cuando se inhibía su expresión se lograba una mayor longevidad del tomate cosechado. Esta tecnología se denomina “antisense RNA” (RNA antisentido). En muchos casos de desarrollo de cáncer se logra bloquear su expansión experimentalmente con esta técnica.

-RNA polimerasas: En eucariotas se describen 6 tipos de polimerasas de RNA, que se diferencian por los genes que transcriben. Los tres más básicos son:

RNA-Pol I: sintetiza RNAR.

RNA-Pol II: Produce RNAM.

RNA-Pol III: Transcribe los genes de RNAT a RNASN.

Fases de la Transcripción:

Comienza con el proceso de iniciación. Los RNA-Pol comienzan la transcripción por una parte del DNA llamada promotor, reconocido porque hay unas secuencias concretas siempre en las posiciones -10 y -35 a las que se puede unir. Los nucleótidos de las cadenas se nombran desde el primer nucleótido estructural, al que se le llama 1. A su derecha son positivos, se llaman “down stream” y a su izquierda negativos, son los “up stream”. Las posiciones -10(TATAAT) y -35(TTGACAT) son claves comunes en todos los eucariotas para las RNA-Pol, se llaman secuencias consenso. En los procariotas se llaman “TATA Box”. Las RNA-Pol se unen primero a la -35 y luego a la -10, después de esta posición cuentan 10 nucleótidos y comienzan la transcripción de una cadena de RNAM complementaria a la de DNA.

-Elongación: Los iones magnesio actúan como cofactores de los RNA-Pol de manera que ayudan a que los nucleótidos trifosfato se unan entre sí mediante enlaces fosfodiéster liberando dos fósforos inorgánicos.

NTP+(NTP)n(NTP)n+1+Pi

-Terminación: El enzima sabe que llega al final del gen porque llega a unas secuencias terminadoras que indican el final de la transcripción. Estas secuencias terminadoras estan formadas por unos 40 pares de bases con unos tipos GG……..AAA. Su característica principal es que ciertas zonas de estas secuencias son complementarias, por lo que el ARNM que se esta formando crea un lazo que desprende la RNA-Pol del DNA.

Todos estos procesos ocurren en el núcleo, pero las moléculas de ARN tienen que llegar con los a.a. a los ribosomas, que están en el citoplasma. Esto no es un paso inmediato sino que tienen que sufrir un proceso llamado maduración o procesamiento del RNA, lo que conlleva, entre otras cosas, la eliminación del los intrones y dejar solo los exones. Este es un proceso secuenciado que comienza por la adición en el extremo 5` de una caperuza, que es una guanina modificada con CH3, formándose un gancho bicatenario en este extremo. De esta manera, el RNAM es reconocido por los ribosomas. Por otra parte, en el extremo 3` se produce la eliminación de unos 20 pares de bases del tipo AAUAA y se añade una secuencia de unas 200-150 pares de bases de poliA (AAAAA) con la misión de estabilizar el RNAM e indicar a los enzimas de restricción que no degrade esta molécula. La última modificación importante es la eliminación de los intrones, de los cuales hay hasta 6 tipos según su eliminación. Lo más normal es la eliminación por medio de los ribocimas. Primero se forma un bucle con los intrones, entonces las ribocimas cortan los extremos de los mismos, que siempre tienen un origen 5` GU y un extremo 3` AG y vuelven a unir la hebra.

Cuando se descubrieron los ribocimas se modificaron radicalmente las ideas acerca de las proteínas y ácidos nucleicos. Se conocían las funciones de las proteínas y las características codificantes de los ácidos nucleicos pero se descubrió que los ribocimas eran enzimas de ARN lo que podía indicar que las primeras moléculas autoreplicativas fueron los ARN y que estos mismos catalizaban su propia síntesis.

5-Código genético

La síntesis de proteínas se produce porque hay una reacción entre los nucleótidos del RNAM y los a.a. de las proteínas. Esta reacción es específica, y solo ciertas secuencias de nucleótidos codifican un determinado a.a.. Se denominan codones a los tríos de nucleótidos del RNAM que codifican un determinado a.a. el cual esta unido al RNAT que posee el anticodón complementario. La manera en la que esta información se traduce es el código genético, en el se recogen todas las posibles combinaciones codificantes para los 20 a.a..

Las características del código genético son:

Está formado por grupos de tres nucleótidos porque, si los codones fueran de dos nucleótidos, las combinaciones entre ellos serían insuficientes para los 20 a.a. ya que solo habría 4 tipos de nucleótidos x 4 combinaciones = 16. Si se constituyen tripletes para representar a cada a.a. se consiguen 4x4x4=64 combinaciones posibles, lo que supone codones de sobra para los 20 a.a. Por eso los codones codifican de forma redundante, es decir, cada combinación o triplete codifica solamente un a.a. pero un a.a. puede estar codificado por varios codones. Esta redundancia presenta un orden en su organización y no es aleatoria, de manera que los tripletes que codifican para un mismo a.a. son secuencias muy parecidas con dos nucleótidos comunes. Este efecto de codificación ordenada es una herramienta que minimiza el efecto de las mutaciones, ya que tripletes parecidos probablemente codifiquen el mismo a.a. Se llama también hipótesis de tambaleo.

Otra característica importantísima es que el código genético es universal, funciona igual para todos los organismos vivos. Este hecho apoyó la teoría de la evolución ya que este código vendaría determinado desde el primer ancestro común. Existen algunas excepciones en algún triplete, pero estas no hacen mas que confirmar la teoría de la evolución ya que estos pequeños cambios, que se dan en algunos invertebrados y en las mitocondrias, tendrían su origen el la divergencia evolutiva.

El código genético es un código no solapante, los tripletes se leen de tres en tres a partir de un inicio de lectura y un mismo nucleótido no puede formar parte de dos tripletes adyacentes. La traducción es un proceso continuo en donde no hay ningún tipo de signo tipo comas, solo existen los codones “stop” UAA UAG y UGA, que son señales que indican al RNAM que ha llegado al final de la traducción de esa proteína, la cual se desprenderá del ribosoma.

Las proteínas son cadenas de a.a. con varios niveles estructurales, la estructura primaria, que es la propia secuencia de nucleótidos, la estructura secundaria, que son enlaces débiles dentro de la misma cadena que forman pequeños pliegues, la estructura terciaria, que es el plegamiento tridimensional de la proteína y puede ser por sí sola una unidad funcional, y la estructura cuaternaria, que sería la asociación tridimensional de varias cadenas proteicas y sería la configuración funcional en el caso de que necesitaran ser varias las cadenas.

Todas las estructuras y la función final están implícitas en la estructura primaria de la proteína, y esta, a su vez viene determinada por el DNA lo que significa que el DNA controla las funciones celulares.

6-Traducción: síntesis proteica

La síntesis de proteínas consta de los siguientes subprocesos: activación de los a.a., complejos de transferencia e incorporación de los a.a.

El RNAM se une a algunas proteínas de forma que se ensambla a la subunidad pequeña de los ribosomas. Comienza el proceso de traducción y se une al complejo la subunidad grande del ribosoma, empezando la lectura desde el extremo 5` en donde está el capuchón con las secuencias que acogen al ribosoma. El ribosoma sabe cuando empezar a traducir porque las secuencias codificantes siempre comienzan por el codón AUGmetionina. Este a.a. solo está codificado por este codón. La primera metionina de las cadenas siempre tiene unido un grupo fornilo, son fornilmetioninas. No siempre todas las proteínas comienzan por metionina, a veces esta se elimina en procesos postraduccionales.

Dicha metionina se incorpora al ribosoma en el llamado sitio o sede P. El siguiente RNAT se incorpora en el sitio A. Estas dos zonas son enganches en donde los RNAT se pueden sujetar para que los a.a. que llevan puedan formar enlaces peptídicos. Tras el enlace, se produce un cambio de posición en el ribosoma llamado translocación y el RNAT del sitio A pasa al P, y el del P pasa al sitio E (exit) ya sin a.a. enlazado.

Se sigue sintetizando la proteína de esta manera hasta que se llega a algún codón stop. Al llegar a un stop el RNAM se desensambla y el ribosoma se libera. Esta molécula de RNAM puede ser traducida de nuevo o degradada, ya que los RNAM tienen una vida muy corta. Las dos subunidades de los ribosomas también se desensamblan.

En procariotas, tanto la transcripción como la traducción se producen simultáneamente en el núcleo.

El centro activo de las proteínas es en donde se producen las uniones enzima-sustrato según el modelo llave-cerradura. El centro activo tiene una determinada configuración espacial de manera que una mutación en un a.a. que en la estructura funcional forme parte el centro activo puede modificar la actividad del enzima.

7-Mutaciones

Las mutaciones son el origen de los alelos, es decir, las diferentes manifestaciones para un mismo carácter que se deben a las distintas formas de un gen. Todos los alelos de un mismo gen tienen la misma ubicación, denominada locus. Los mutantes se manifiestan en contraste con el individuo silvestre o salvaje (forma normal del gen, teóricamente la mas común). Básicamente el silvestre debe ser el más abundante. La razón por la que se diferencian los mutantes de los silvestres son las manifestaciones de los genes que producen las diferencias de carácter.

Tipos de mutantes:

Morfológicos: Los mutantes morfológicos son los más evidentes. Son aquellos en los que el resultado de la mutación es un cambio en la morfología externa o interna del individuo de manera que es relativamente fácil detectar el cambio visualmente. En Drosophila melanogaster (nosotros trabajaremos con D. virilis) un investigador llamado Morgan obtuvo mediante radiaciones una larga serie de mutantes ahora muy estudiados y utilizados porque se conocen todas sus mutaciones y están identificadas genética y morfológicamente.

Letales: no se consigue llegar a dejar descendencia debido a la mutación, de manera que genéticamente se considera letal. Un ejemplo son las plantas albinas. Otro ejemplo es una mutación que se produce en las codornices y que deforma sus plumas inutilizándolas para el vuelo por lo que no pueden dejar descendencia.

Bioquímicos: consisten en la variación de alguna parte de la secuencia de a.a. de un enzima por lo que pueden dejarlo inutilizado. Son la causa de muchas enfermedades ya que la mayoría de las rutas metabólicas están catalizadas por un enzima.

Somáticas y germinales: diferenciando el punto en el que se produce la mutación. En los primeros no se hereda porque se produce en células somáticas, en las segundas si se heredan ya que ocurre en células que forman los gametos. Por ejemplo, los melanomas son mutaciones somáticas, sin embargo lo que se hereda es la predisposición a que se produzcan estas mutaciones.

Los caracteres mutantes presentan, frente a los caracteres de la especie silvestre la posibilidad de ser dominantes o recesivos (estos últimos se manifiestan solamente si están en homocigosis). Los caracteres dominantes se simbolizan con letras mayúsculas frente a los mismos caracteres recesivos, que se simbolizan con minusculas. Normalmente la mutación es recesiva, pero en algunos casos no, entonces se representa con una mayúscula Â. También pueden simbolizarse los silvestres con el signo + y los mutantes con el -.

A nivel de DNA hay varios tipos de mutaciones: Transiciones o transversiones, según como sea el cambio de un nucleótido por otro.

Transición: produce cambio de una pirimidina por una purina o viceversa.

Trnansversión: se produce el cambio por un nucleótido con una base nitrogenada del mismo tipo.

A nivel de proteínas la manifestación que tienen estos cambios pueden ser las mutaciones silenciosas, que no producen cambios de a.a. Si no se estudian los cambios en el DNA y solo se comprueban los cambios morfofuncioneles pueden estar omitiéndose gran cantidad de mutaciones.

Mutaciones de cambio de sentido producen proteínas distintas porque se cambia el a.a. Si ocupa un lugar importante en la configuración funcional de la proteína esta puede no ser eficaz.

Mutación por cambio de sentido sinónima: Cambio de nucleótido del codón que produce un codón codificante para un a.a. del mismo grupo (ej, ácidos, polares, aromáticos…) que el original de manera que afecta relativamente a la proteína final. Si la mutación no es sinónima introducirá un a.a. de grupos que cambien la conformación final de la proteína y perderá su función.

Mutaciones sin sentido: Se producen cuando en el cambio de un nucleótido por otro se crea un codón de Stop. Si se produce en una zona cercana al final de la expresión puede que afecte poco a la proteína, pero si se produce cerca del centro activo, la proteína seguramente será inservible.

Mutaciones de desfase o corrimiento en la lectura: se producen por adicción o deleción (pérdida) de bases. Se sintetiza una proteína totalmente distinta y no es funcional. Además pueden aparecer codones stop lo que fragmentaría el péptido.

El único caso en el que las inserciones o deleciones pueden no afectar gravemente a la proteína es cuando se producen en múltiplos de 3, de manera que añaden o quitan un a.a.

Tema 5- Mendelismo

El mendelismo estudia los caracteres cualitativos, es decir, aquellos que se expresan mediante el “todo o nada”.

-Solo existen varias expresiones concretas para el mismo alelo.

-Estos caracteres se estudian mediante los cruzamientos.

-Se estudian las características mediante segregaciones, que son las proporciones que se encuentran en la descendencia. Las más características son 3:1 1:2:1 y 9:3:3:1.

Sirven para determinar como es la herencia, cuáles son los alelos dominantes y los recesivos, la relación entre los genes, si hay un gen para un carácter o dos generes para un carácter etc...

Los alelos son las distintas variaciones, posibilidades o formas para un mismo gen. El fenotipo hace referencia a la característica física, mientras que el genotipo se refiere a los alelos, es decir, la información que lleva el individuo. El fenotipo no tiene por que coincidir con el genotipo. Cuando ninguno de los genotipos es dominante se produce la codominancia (A`).

Partiendo de una generación parental (dos homocigotos) con caracteres opuestos se estudia como es la descendencia para así poder determinar la carga genética de los parentales. En individuos de la naturaleza solo da conoce el fenotipo, y el genotipo solo se sabrá tras estudiar la declinación de las sucesivas generaciones.

Se suelen escribir primero los caracteres de la hembra y luego los del macho.

Ejemplo, color verde dominante y amarillo recesivo.

Parental & AA x &aa

1ª generación filiar ó F1 Aa

Una característica de la F1 es que no hay segregación, que es la característica principal de F2. Se sabe que A es dominante porque sale verde. También puede aparecer un color diferente a los otros dos, indicando que habría codominancia. En la F1 manifiestan al carácter de uno de los parentales a no ser que haya codominancia.

A partir de la F1 se cruzan los individuos entre sí y se caracteriza porque aparece la segregación por primera vez. Los resultados obtenidos serían:

F1 x F1 (Aa x Aa)

AA Aa aA aa

Esto quiere decir que solo uno de los cuatro resultados posibles sería de color amarillo siguiendo con el ejemplo anterior. Esta proporción se expresa 3:1 queriendo decir que hay tres dominantes y uno homocigótico recesivo. Es una segregación para un carácter monocigótico o monogénico (solo un carácter en estudio) y dominante. Si hubiera habido codominancia se hubieran obtenido dos caracteres híbridos y uno puro de cada tipo, siendo la segregación 1:2:1 por lo que entonces sería monogénico y codominante.

Siempre se intenta simplificar las segregaciones obtenidas en experimentos a segregaciones conocidas.

Retrocruzamientos

Son cruzamientos de un descendiente con uno de los parentales (F1 x P). Esto tiene utilidad sobre todo en el cruzamiento de prueba y cuando se busca el aumento de la homocigosis. En cada generación de retrocruzamiento se obtiene el 50% de los descendientes con el carácter que se quiere.

El retrocruzamiento por el homocigoto recesivo es el cruzamiento prueba que permite saber si hay algún alelo recesivo en un individuo parental. Mediante este método se puede comprobar la calidad en los “stocks reproductivos”. Para ello se cruza un reproductor con un individuo que presente homocigosis de alelos recesivos. Si en la descendencia hubiera algún individuo con el carácter recesivo sería porque el parental a prueba contiene el alelo recesivo. Esta técnica se utiliza en las empresas de venta de animales y con ella se realiza una selección genética de los caracteres que se deseen. Sin embargo no garantiza al 100% que el alelo no esté presente en el individuo que se está evaluando porque puede darse la casualidad de que todos los gametos fecundados tengan solo o el alelo dominante o tengan heterocigosis, por lo que tampoco se manifestaría el carácter recesivo. Cuantas mas pruebas se hagan mas seguro se estará.

Herencia de dos caracteres

Ahora se representa la carga genética con dos letras, una para cada carácter, Aa y Bb.

Para hacer bien los cruzamientos se supone que estos dos caracteres no están ligados al sexo y por tanto todos los individuos reciben información para ambos. Se parte de una generación parental homocigota y con alelos opuestos para el mismo carácter. Se utilizará el ejemplo de los guisantes de Mendel.

AAliso aarugoso AA BB x aa bb

BBverde bbamarillo

La F1 de este cruzamiento será siempre una mezcla de los dos alelos, es decir, Aa Bb por lo tanto será una generación heterocigota ó dihíbrida y uniforme. El fenotipo de la F1 es siempre el del alelo dominante en toda la progenie, en este caso los guisantes son lisos y verdes.

Hay que realizar los cruzamientos teniendo siempre presente que todo cromosoma tiene que tener su homólogo y que por tanto para cada carácter hay dos informaciones, la del & y la de la &, por ende debe haber cuatro letras, dos para cada carácter, proveniente cada una de un progenitor, y dos genes, ya que en estos ejemplos se toman casos de caracteres que no pertenezcan al mismo gen.

Partiendo de una célula diploide, 2n, pero destinada a la producción de gametos, se tienen en este caso y para simplificar dos cromosomas, el de la información de las Aa y el de la infamación de las Bb (aunque no tienen que ser siempre mayúscula y minúscula siempre). Al producirse la primera división mitótica, las cromátidas de cada cromosoma se separan y va cada una a una célula sexual madura que tendrá dos cromátidas, la del color y otra del tipo de piel con solo un alelo de cada una de las características.

Por tanto, de una célula somática con todos los tipos de alelo se pueden obtener células sexuales para poder expresar cualquier fenotipo. Se obtiene una probabilidad de 1:4 para cada tipo de célula sexual de las que se forman. Las células somáticas que siempre tienen estas características son las de la F1.

De los cruzamientos de la F1 consigo misma se pueden obtener hasta 16 combinaciones posibles que se muestran en el cuadro de Pumet, representando los cromosomas de las células somáticas de la F3.

F3- Cuadro de Pumet-Segregación 9:3:3:1

1:4	AB	Ab	aB	ab
AB	AA BB	AA Bb	Aa BB	Aa Bb
Ab	AA bB	AA bb	Aa bB	Aa bb
aB	aA BB	aA Bb	aa BB	aa Bb
ab	aA bB	aA bb	aa bB	aa bb

Las probabilidad de cada tipo de célula es el producto de probabilidad es decir:

¼ x ¼ = 1/16

Ahora se tienen 16 genotipos que dan lugar a 4 fenotipos distintos.

Verde liso: AA BB, AA bB, aA BB, aA bB, AA Bb, aA Bb, Aa BB, Aa bB, Aa Bb

Verde rugoso: AA bb, Aa bb, aA bb.

Amarillo liso: aa BB, aa bB, aa Bb

Amarillo rugoso: aa bb

La segregación ahora es 9:3:3:1

Si hubiera codominancia entre un solo carácter las segregaciones variarían de manera que se obtendría la proporción 6:3:3:2:1:1

Si la codominancia fuera entre los dos caracteres la segregación sería 1:2:1:4:2:2:1:2:1

Para hacer estos cálculos rápidamente solo hay que subdividir los resultados puros del cuadro según tengan las letras de los caracteres dominantes iguales o tengan los dos alelos, en cuyo caso se pondrían en el nuevo apartado de los híbridos.

Cálculo de proporciones en descendencias reales

En un caso real se puede comprobar si la descendencia se ajusta a alguna de las proporciones teóricas de una manera que no sea subjetiva al ojo del científico, sino que sea objetiva y común a todos los estudios. Eso se consigue con una prueba estadística llamada “Chi cuadrado” 2. La fórmula para calcular el ajuste es:

Ej.: Se cruzan dos variedades de plantas para dos caracteres diferentes siendo una de flor amarilla de petalos redondos y la otra de flor verde y de pétalos ovales. La F1 del cruzamiento es toda amarilla y redonda. En la F2 se obtienen 4 clases fenotípicas en las siguientes proporciones (observados):

Amarilla redonda: 75

Amarilla oval: 30

Verde redonda: 31

Verde oval: 10

TOTAL: 146

¿Cómo es la herencia de estos caracteres?

Parece que responde a la segregación 9:3:3:1, pero se aplica la fórmula para corroborarlo y homogenizarlo de forma que se pueda comparar con otros estudios.

Sabemos que amarillo redondo es lo dominante y que los parentales son homocigóticos porque en la F1 todos son iguales.

Ahora se equipara el número de resultados totales experimental al total teórico, es decir, 146 a 16 y obtenemos los resultados esperables para que fuera justamente 9:3:3:1.

9/16 x 146 = 82,13

3/16 x 146 = 27,38

3/16 x 146 = 27,38

1/16 x 146 = 9,13

Hay que decidir si este número se corresponde con la 9:3:3:1 y para eso se utilizan las tablas de 2. En ellas se representa, en la primera columna, los grados de libertad de vida, que es el número de fenotipos -1 (por lo tanto en nuestro caso serían 3).

En las columnas siguientes se muestra el porcentaje de acierto para cada cifra, estando el límite mínimo de aceptación en torno al 5%.

En nuestro caso sería de un 65% de acierto aunque a primera vista hubiera parecido mucho mayor.

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Grados de libertad

Enviado por:	Zwok
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