T8-GENETICA MOLECULAR

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TEMA 10 GENETICA MOLECULAR

1. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Todos los seres vivos, salvo los virus, tienen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN. El ADN es el encargado de llevar la información genética, pero para que esa información pueda expresarse es necesario que intervengan varios tipos de ARN. Los ácidos nucleicos son grandes polímeros formados por la unión de monómeros llamados nucleótidos, que se van repitiendo a lo largo de una cadena unidos mediante un enlace fosfodiéster, entre el ión fosfato de un nucleótido y la pentosa del nucleótido siguiente. Un nucleótido está formado por tres componentes: 

Un ácido fosfórico (H3PO4) en forma de ión fosfato PO43-.



Una pentosa. Un monosacárido de cinco carbonos. Puede ser del tipo ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN.



Una base nitrogenada: o

En el ADN: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T).

o

En el ARN: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U). No tienen pues timina como el ADN.

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Los nucleósidos se forman por la unión de una pentosa con una base nitrogenada, mediante un enlace N-glucosídico. Los nucleótidos se forman por la unión de un nucleósido y un ácido fosfórico, mediante un enlace entre el grupo hidroxilo del carbono 5´de la pentosa y el ácido fosfórico.

(Numeración de los átomos de carbono de una pentosa) Las cadenas de ácidos nucleicos presentan dos extremos: el extremo 5´ donde hay un grupo fosfato unido al carbono 5´del primer nucleótido, y el extremo 3´, donde hay un radical hidroxilo unido al carbono 3´del último nucleótido.

La secuencia de nucleótidos de un ácido nucleico se escribe de izquierda a derecha, desde el extremo del carbono 5 hasta el del 3. 2-JDOLS

2. ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN La estructura secundaria del ADN corresponde a la disposición en el espacio de dos hebras o cadenas de polinucleótidos que forman una doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante enlaces de hidrógeno.

Modelo de la doble hélice del ADN Los físicos Watson y Crick, establecieron el modelo de la doble hélice del ADN. Las cadenas de ADN que forman la doble hélice son: -

Antiparalelas. Tienen los enlaces 5´ 3´ orientados en sentidos contrarios.

-

Complementarias. Existe una complementariedad entre las bases debido a las características de las moléculas, entre adenina (A) y timina (T), y entre citosina (C) y guanina (G). Por tanto, la secuencia de cada cadena es diferente, aunque ambas son complementarias entre sí. Nunca podrán unirse dos bases que no sean complementarias ya que se impide que se creen enlaces de hidrógeno.

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3. EL ADN COMO MATERIAL GENETICO Los cromosomas son las estructuras, formadas por ADN y proteínas, que contienen la información genética del individuo. Están en el núcleo celular, aunque sólo se hacen visibles cuando la célula se está dividiendo (mitosis o meiosis). En interfase no se pueden ver porque están en forma de cromatina. El ADN está formado por una sucesión de nucleótidos (dos cadenas antiparalelas) que sólo se diferencian en sus bases nitrogenadas, por lo que se pueden representar únicamente por su secuencia de bases nitrogenadas. La información que contiene el ADN está en como están ordenados sus nucleótidos. Esta serie de bases nitrogenadas representan un fragmento de ADN, la materia que forma los genes. ...AAAGAACTGTAACCTGCACAGTCACGT... Un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar una macromolécula, como una proteína o ARN. Por tanto, un cromosoma está formado por un conjunto de genes que determinan las características hereditarias de la célula. Como veremos más adelante el ARN se encarga de utilizar la información que contiene el ADN para poder realizar la síntesis de proteínas. El ARN también tiene función biocatalizadora, siendo el ADN, con su cadena mucho más estable, el que se encarga de almacenar la información genética. En las células eucariotas, el ADN se localiza en el núcleo. El ADN del núcleo está asociado a unas proteínas llamadas histonas. También tienen ADN las mitocondrias y los cloroplastos, que son distintos del ADN nuclear, muy parecido al ADN de los procariotas. Este ADN forma un nucleoide que carece de envoltura nuclear, y también está asociado a otras proteínas. El ARN está formado por una sola cadena de nucleótidos. Según la función que desempeñan, se distinguen varios tipos de ARN: ARN ribosómico (ARNr), ARN mensajero (ARNm) o ARN soluble o de transferencia (ARNs o ARNt). El ARN está presente en muchos tipos de virus y en células procariotas y eucariotas.

4. DUPLICACION o REPLICACION DEL ADN Por tanto el ácido desoxirribonucleico o ADN, es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas necesarias para el desarrollo y funcionamiento de todos los seres vivos conocidos y algunos virus, y es responsable de su transmisión hereditaria. Como los seres vivos no son eternos, tiene que haber un momento en el que se reproduzcan. Es necesario que pasen copias del ADN del progenitor o progenitores (si se forman por unión de gametos) a los descendientes. Excepcionalmente, sólo algunos virus contienen la información genética en forma de ARN. La DUPLICACIÓN O REPLICACIÓN DEL ADN es el proceso mediante el que se sintetiza, a partir de una molécula de ADN, dos nuevas moléculas de ADN hijas con la misma secuencia de nucleótidos que la del ADN original. En el proceso de duplicación, cada cadena de ADN sirve de molde para la formación de una nueva cadena complementaria, de manera que se pueden formar dos dobles hélices con secuencias de nucleótidos idénticas. 4-JDOLS

La replicación tiene lugar en la fase S de la interfase del ciclo celular (en esta fase, duplica su material genético, para que cada célula hija tenga una copia idéntica de los cromosomas de la célula). La estructura en doble hélice del ADN es idónea para permitir su replicación. Presenta gran estabilidad por tratarse de dos cadenas complementarias entrelazadas, y si una enzima las separa, cada cadena puede servir de molde para poder sintetizar la cadena complementaria.

Hipotesis sobre la duplicación del ADN Se plantearon tres hipótesis alternativas sobre cómo se realizada la replicación del ADN: Hipótesis conservativa Cada cadena de ADN original sirve de molde a una nueva cadena complementaria. Después, se unen las dos cadenas antiguas, y por otro lado, también lo hacen las dos cadenas nuevas, quedando una molécula totalmente nueva, copia de la original. Hipótesis dispersiva Propone que la molécula original de ADN se fragmenta, replicándose cada fragmento. Después, se unirán formando cadenas constituidas por fragmentos de ADN antiguo y de ADN recién sintetizado. Hipótesis semiconservativa Las cadenas de ADN se separan, sirviendo cada una de ellas de molde para otra nueva cadena. Así, cada molécula hija tendría una cadena antigua y otra moderna, formada por la unión de nucleótidos con las bases nitrogenadas complementarias. Fue la hipótesis que confirmó siendo propuesta por los ya menconados Watson y Crick. Idearon, el modelo de la doble hélice del ADN, que dice que el ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de polinucleótidos con las bases nitrogenadas complementarias enfrentadas y unidas mediante puentes de hidrógeno. Con los enlaces 5'→3' orientados en diferente sentido, complementarias y enrolladas una sobre la otra en forma de doble hélice (para que las dos cadenas se separen es necesario que se desenrollen).

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ASPECTOS DE LA SINTESIS DE NUEVAS CADENAS DE ADN La molécula de ADN se abre como una cremallera por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias en unos puntos determinados: los orígenes de replicación. Las proteínas iniciadoras reconocen secuencias de nucleótidos específicas en esos puntos y facilitan la fijación de otras proteínas formándose una horquilla de replicación. Un gran número de enzimas y proteínas intervienen en el mecanismo molecular de la replicación. Existe una enzima capaz de sintetizar ADN añadiendo nucleótidos, la ADN-polimerasa, que se encuentra en el núcleo y en las mitocondrias. Una de las cadenas de la molécula hará de ADN patrón, el otro extremo 3´ de la otra cadena será utilizado como ADN cebador. Sin embargo la ADN-polimerasa no puede comenzar la síntesis de una cadena, sino que su papel se limita únicamente a añadir nucleótidos en el extremo de la cadena que presenta libre el carbono 3’ del nucleótido. Así pues, la cadena del ADN tan solo puede crecer en el sentido 5'  3'. Debido a ello, en una cadena de ADN, el nucleótido que tiene el carbono 5' libre se considera el primer nucleótido de la cadena, y el que tiene libre el carbono 3' es el último nucleótido añadido. Se necesita por tanto la existencia de un punto de inicio de la replicación (burbujas de replicación), que se descubrieron cuando Reiji Okazaki descubrió unos fragmentos constituidos por unos cincuenta nucleótidos de ARN y unos mil o dos mil nucleótidos de ADN, que se denominaron fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos son sintetizados al principio por la ARN-polimerasa, y posteriormente son continuados por la ADNpolimerasa, en dirección 5´ 3´, sobre diferentes regiones de la hebra patrón. Después sin desplazarse del lugar que ocupan, estos fragmentos pierden su porción de ARN que se sustituye por ADN y permanecen unidos entre sí constituyendo un filmanto exclusivamente de ADN, que aparentemente crece en dirección 3´ 5´.

La síntesis de una nueva cadena ocurre en dirección opuesta a la de la hebra parental y está dirigida principlamente por la enzimas ADN polimerasas. 6-JDOLS

Enzimas que intervienen en la replicación Las enzimas que más intervienen en la replicación del ADN son las ADN polimerasas, que catalizan la formación de los enlaces fosfodiéster entre desoxirribonucleótidos, añadiendo el nucleótido complmentario al de la cadena molde. Las ADN polimerasas de las procariotas son distintas que las de las eucariotas. Recuerda que el el enlace fosfodiéster es un tipo de enlace covalente que tiene lugar entre un grupo hidroxilo (OH-) en el carbono 3' y un grupo fosfato (PO43− ) en el carbono 5' del nucleótido entrante.

Otras enzimas importantes en la replicación del ADN son: 

Primasas (ARN polimerasas): Sintetizan los nucleótidos del ARN cebador utilizando como molde una cadena de ADN.



Girasas (topoisomerasas): Desenrollan las cadenas de ADN.



Helicasas: Separan las dos cadenas del ADN para que puedan servir de molde para la síntesis de las nuevas. 7-JDOLS



Proteínas SSB (single strand-binding) o estabilizadoras: Mantienen separadas las cadenas (que ha separado la helicasa) durante la replicación para que no vuelvan a unirse.



Nucleasas: Rompen los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos, dando lugar a un “punto de origen” o inicio de replicación.

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Ligasas: Unen fragmentos adyacentes mediante enlaces fosfodiéster.

Corrección de errores El proceso de replicación no termina hasta que no se ha comprobado que la secuencia de nucleótidos de la nueva cadena es correcta. Si no es así, hay que detectar y corregir los errores que se hubieran producido. Aunque la ADN polimerasa sólo une los nucleótidos complementarios a la cadena molde, a veces hay errores que es necesario eliminar. Las enzimas nucleasas se encargan de quitar el nucleótido mal emparejado. Por eso se producen tan pocos errores durante la replicación (1 de cada 108 bases aproximadamente), aunque no es despreciable, ya que en los organismos pluricelulares el número de nucleótidos de una cadena es muy grande. Por tanto con una frecuencia muy baja, existen errores que se escapan a los mecanismos de control. Pero esto no tiene por qué ser negativo, ya que es el origen de las mutaciones, creando variabilidad genética y permitiendo la evolución de la especie.

Diferencias del proceso replicativo entre procariotas y eucariotas El proceso de replicación del ADN es muy parecido tanto en organismos procariotas como en eucariotas. La doble hélice de ADN se abre, se separa y cada cadena actúa de molde para la síntesis de la nueva cadena con bases nitrogenadas complementarias a las de la cadena original. Existen ciertas diferencias en la duplicación, entre ellas se puede citar:

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El ADN de las células eucariotas está fuertemente asociado a histonas (proteínas básicas que forman formando nucleosomas de la cromatina) y no presentes en procariotas. Por ello en la replicacion de ADN en eucariotas se deben sintetizar también estas protéinas.

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-

El ADN del cromosoma eucariótico es mucho más largo y más lento que el ADN procariota. Para acelerar el proceso, en el cromosoma eucariota hay un centenar de orígenes (burbujas) de replicación. A estos puntos de iniciación de la replicación se les llama replicones. La replicación tiene un único origen en los procariotas, mientras que en los eucariotas existen múltiples.

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En los eucariotas, los fragmentos de Okazaki son más pequeños, (de unos cien a doscientos nucleótidos) que en los procariotas (de 1.000 a 2.000 nucleótidos).

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El proceso de replicación es más rápido en procariotas que en eucariotas.

5. LA EXPRESION DEL MENSAJE GENETICO: GENES, ENZIMAS y CARACTERES El concepto de gen ha cambiado con el paso del tiempo. Los genes o factores hereditarios que describió Mendel (1865) es una unidad de función, discreta e indivisible, que se distribuye ordenada y linealmente en los cromosomas que pasa de los padres a hijos. Sin embargo aunque acabó conociéndose la estructura del ADN y cómo se producía su duplicación y las mutaciones. Faltaba por tanto conocer cómo la información se expresaba en el organismo. TEORÍA "UN GEN-UNA ENZIMA" En 1948, Beadle y Tatum investigaron por qué aparecían algunas sustancias en determinados hongos y se heredaba este carácter. Tras someterlos a radiación ultravioleta que alteraba su ADN, aparecieron distintos mutantes. Unos, sólo podían sobrevivir si se les añadía el aminoácido arginina, necesario para sintetizar sus proteínas, ya que habían perdido la capacidad de sintetizar este aminoácido. Otros mutantes necesitaban o arginina o citrulina, y otros, o arginina o citrulina u ornitina. A partir de aquí se dedujo que la síntesis de arginina debía seguía una vía metabólica. SUSTRATO es la molécula sobre la cual actúa una enzima VIA METABOLICA es la sucesión de reacciones químicas donde un sustrato inicial se transforma y da lugar a productos finales a través de una serie de metabolitos intermedios.

La conclusión era que como faltaba una enzima, se bloqueaba el metabolismo en la sustancia sobre la que tenía que actuar. Así, se estableció un paralelismo entre genes y enzimas, llamándose a esta teoría “un gen-una enzima”. Cuando se alteraba la secuencia de nucleótidos de gen, no se podía sintetizar una enzima. Son las enzimas las que controlan las sustancias y las características de los organismos.

Se pasó del paralelismo entre gen y carácter a un paralelismo entre gen y sustancia química. Así, los genes son responsables de la produccion de enzimas que controlan sustancias y por ellas, las caracteristicas de los organismos. 9-JDOLS

6. LA TRANSCRIPCION y LA TRADUCCION Después de establecer el paralelismo entre genes y enzimas, se estableció la hipótesis de colinealidad. Esta hipótesis dice que hay una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos de un gen y la secuencia de aminoácidos de la enzima que codifica el gen. Así según el concepto molecular, el gen es un trozo de la cadena de ADN que dirige la síntesis de una proteína. El gen codifica proteínas y debe tener una estructura definida por el orden lineal de sus tripletes o codones (cada grupo de tres bases nitrogenadas lo que hace es codificar un aminoácido o un símbolo de comienzo o parada). En ese mecanismo del paso de secuencia de nucleótidos a secuencia de aminoácidos se distinguen dos procesos: 

TRANSCRIPCIÓN: Tiene lugar en el núcleo, donde se pasa de una secuencia de desoxirribonucleótidos de un gen (ADN) a una secuencia de ribonucleótidos con bases nitrogenadas complementarias de ARNm.

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TRADUCCIÓN: En los ribosomas, se pasa de una secuencia de ribonucleótidos de ARNm a un una secuencia de aminoácidos.

Este flujo de información o procesos constituyen la base del DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR, aunque ha tenido que modificarse por el conocimiento actual que se tiene de la replicación de algunos virus:

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Los virus que almacenan su información genética en forma de ARN tienen una enzima, la ARN-replicasa, que les permite duplicar este ARN.

-

Los retrovirus utilizan una enzima que sintetiza ADN a partir de una molécula de ARN, en un proceso llamado retrotranscripción o transcripción inversa.

Modificación posterior del dogma central de la biología molecular

6.1 Mecanismo de Transcripción La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARN. Es el primer proceso de la expresión génica, mediante el cual se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios. Sólo se transcribe a ARN una de las dos cadenas de ADN, y según el gen, la información a transcribir está en una cadena u otra. 10-JDOLS

En el mecanismo intervienen: el ADN que sirve de molde, ribonucleótidos (nucléótidos del ARN) trifosfato de adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U), las enzimas ARN polimerasas (ARNp) y una serie de cofactores. Cofactor: es un componente de tipo no proteico que complementa a una enzima (que es una sustancia proteica). El cofactor tiene que estar presente en cantidades adecuadas para que la enzima pueda actuar, catalizando una reacción bioquímica. Son cofactores las coenzimas. Durante la transcripción genética, las secuencias de ADN son copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa que sintetiza un ARN mensajero que mantiene la información de la secuencia del ADN. De esta manera, la transcripción del ADN también podría llamarse síntesis del ARN mensajero. Diferencias transcripción células eucariotas - procariotas La transcripción en las células eucariotas es más compleja porque intervienen factores proteicos. En eucariotas existen también tres tipos de ARN-polimerasa según el tipo de ARN que se va a sintetizar (ARN ribosómico, ARN mensajero, ARN de transferencia). En eucariotas la envoltura nuclear y la maduración que sufren los ARNm impiden su traducción inmediata. El ARNm es "leído" después de que haya abandonado el núcleo a través de los poros nucleares. La traducción es por lo tanto post-transcripcional. En cualquier caso en ambas se realiza en cuatro fases sucesivas: 1. Iniciación, 2. Elongación. 3. Terminación y 4. Maduración del ARN.

Ejemplo de secuencia de nucleótidos en el ARN mensajero correspondientes a ambas hélices, teniendo en cuenta que el ARN-m se sintetiza en la dirección 5’  3’ y que la A del ADN aparea con el U del ARN.

6. 2. La traducción El ADN se ha transcrito en el núcleo, y el ARNm que se ha formado contiene toda la información necesaria para poder sintetizar las proteínas en el citoplasma. Se denomina traducción a la síntesis de la secuencia de aminoácidos de una proteína siguiendo el mensaje contenido en el ARNm. Tiene lugar en los ribosomas y en ella intervienen: aminoácidos, ARN de diversos tipos, enzimas, factores proteicos y nucleótidos trifosfato como moléculas donadoras de energía. Los ARN que intervienen en este proceso son básicamente de tres tipos y cada uno desarrolla una función determinada:

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ARN-mensajero (ARNm). Lleva la información genética, contenida en el ADN, desde el citosol hasta los ribosomas. ARN-ribosómico (ARNr). Forma parte esencial del propio ribosoma. ARN-transferente (ARNt). Transporta aminoácidos desde el citosol a los ribosomas, según la secuencia de bases del ARNm que se va a traducir. 11-JDOLS

El proceso de traducción se concreta en la biosíntesis de la secuencia de aminoácidos que constituye una proteína. En el proceso se distinguen las siguientes etapas:

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Activación de los aminoácidos. Traducción, que consta, a su vez, de tres fases: iniciación de la síntesis, elongación de la cadena polipeptídica y terminación de la síntesis. Asociación de varias cadenas polipeptídicas y, a veces de grupos prostéticos, para constituir las proteínas.

6.3. El Código genético El conjunto de reglas o correspondencia entre los tripletes de los nucleótidos del ARNm y los aminoácidos que forman las proteínas recibe el nombre de CÓDIGO GENÉTICO. Las proteínas están formadas por veinte tipos de aminoácidos distintos, mientras que sólo hay cuatro tipo de nucleótidos, por lo que la relación no se podía establecer entre un nucleótidos y un aminoácido, ni entre dobletes de nucleótidos (42 = 16) y aminoácidos. Como mínimo, la relación debía establecerese entre tripletes (43 = 64). Posteriormente, y con diferentes mezclas se dedujo el código genético completamente y se confirmó la colinearidad entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos. Hay que decir:

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Que varios tripletes codifican para un mismo aminoácido (por ejemplo, UAU y UAC codifican para la tirosina, Tyr). Algunos como el triplete UAA, el UAG y el UGA, no codifican para ningún aminoácido, sino que marcan el final del proceso de traducción. El triplete AUG actúa como señal de inicio para el comienzo de la traducción, y si el proceso ha comenzado, codifica para el aminoácido metionina.

Cada triplete (grupo de tres) bases de ARNm se llama CODÓN. La secuencia de codones determina la secuencia de aminoácidos en una proteína en concreto, que tendrá una estructura y una función específica.

El Código genético 12-JDOLS

Características del código genético 

Es universal. El código genético es compartido por todos los organismos conocidos, incluidos los virus. Esto indica que el código genético ha tenido un origen único en todos los seres vivos conocidos. Existen algunas ligeras excepciones y diferencias, como en las mitocondrias, protozoos y micoplasmas (un tipo de bacterias).

 El código genético está degenerado. Algunos aminoácidos están codificados por varios tripletes distintos. Esto representa una ventaja, puesto que en determinados casos, que se producen errores en la copia de un nucleótido (mutaciones), no se tiene porque alterar el aminoácido y generar otra proteína.  No presenta imperfección. No hay ambigüedad, ningún codón puede codificar más de un aminoácido. Si lo hiciera, un mismo gen podría codificar proteínas diferentes, lo cual sería un problema.  Carece de solapamientos. Los tripletes de bases se hallan dispuestos de manera lineal y continua, sin espacios ni separaciones, y sin que compartan ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace en un solo sentido (5´3´), desde el codón que indica el comienzo de la proteína hasta el que indica su final.

6.4. La regulación de la expresión génica Las células no sintetizan de forma continua todos los tipos de proteínas sobre las que tienen información, sino que existe un sistema de regulación. Como la cantidad de proteínas que se sintetiza depende de la cantidad de ARNm presente en el citoplasma, y su estabilidad es muy corta (minutos), la cantidad deARNm sintetizado regula los niveles enzimáticos del medio. Por tanto, la regulación de la síntesis de ARNm regula el metabolismo celular. La síntesis de ARNm depende, en procariotas, del sustrato disponible, y en eucariotas, de las concentraciones hormonales del medio interno. En este sentido uno de los modelos propuestos, es el denominado modelo operón.

7. LAS MUTACIONES El material genético, tanto el de las células (ADN) como el de los virus (ADN o ARN) puede sufrir alteraciones al azar. Esa alteración o cambio en la información genética recibe el nombre de mutaciones. En ocasiones las alteraciones pueden afectar a la supervivencia del organismo e inlcuso llegar a ser letales.

Polidactilia 13-JDOLS

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Sin embargo, las mutaciones son una fuente de variación para la población, de este modo, cuando las condiciones ambientales cambian, es posible que los individuos con alguna mutación determinada se vean favorecidos y tengan una mayor posibilidad de sobrevivir en las nuevas condiciones que otros. En esto consiste la selección natural. Las mutaciones, como fuente de variabilidad genética, permiten la evolución de las especies y, por tanto, la continuidad de la vida a lo largo de millones de años.

7.1. Clasificación de las mutaciones Las mutaciones se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios. Según el tipo de células que están afectadas: 

Mutaciones somáticas: Afectan a una célula somática y por tanto no se transmiten a la descendencia, ya que sólo se transmiten a células que se originan por mitosis. Son las mayoritarias. En ocasiones la célula muere o es eliminada por el organismo. Pero en otras ocasiones pueden ser una causa de cáncer.



Mutaciones germinales: Afectan a los gametos o a las células que los produce, y se transmiten a la descendencia. Tienen por tanto mucha importancia evolutiva.

Según la extensión del material genético afectado: 

Mutaciones génicas. Las mutaciones son alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen, por ello también se denominan mutaciones puntuales. Según el tipo de alteración que se produzca, se clasifican en: o Mutaciones por sustitución de bases. Cambio de una base por otra. Provoca la alteración de un único triplete. En ocasiones, el nuevo triplete codifica el mismo aminoácido o un aminoácido distinto pero que no altera la función de la proteína por lo que no tiene consecuencias perjudiciales. o Mutaciones por pérdida o por inserción de nucleótidos. Delecciones cuando se pierde, o inserciones cuando se añade un nuevo nucleótido. La consecuencia es un corrimiento en el orden de lectura, alterando todos los tripletes siguientes. Constituyen el 80% de las mutaciones génicas espontáneas y las consecuencias suelen ser graves.

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

Mutaciones cromosómicas.

Son alteraciones del número o disposición de las secuencias génicas de los cromosomas. Es decir afectan a la secuencia de los genes dentro de los cromosomas. Tipos de mutaciones cromosómicas:

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Delección. Duplicación. Inversión. Translocacion (cambio de posición de un segmento, que puede tener también lugar entre dos cromosomas).

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Mutaciones genómicas. Producen cambios que afectan al número de cromosomas del individuo. Se distinguen dos tipos, aneuploidías y euploidías.

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Aneuploidías. Pérdida o ganancia de un cromosoma completo (uno o varios de ellos). Existen varios tipos, y al mismo tiempo, pueden ser por alteraciones en los autosomas o en los heterocromosomas, causando distintas enfermedades: Monosomía, falta o pérdida de un solo cromosoma de la de la pareja homóloga (2n-1 cromosomas). Ejemplo el Síndrome de Turner, monosomía del cromosoma X (44 autosomas + X). Se trata de mujeres con retraso en el crecimiento, esterilidad y falta de desarrollo de los órganos sexuales. Aún así es viable en los humanos. Trisomía, cuando existe un cromosoma de más (2n+1 cromosomas). El Síndrome de Down, corresponde a una trisomía autosómica del cromosoma 21 (47 cromosomas). Las personas presentan un grado variable de retraso mental y unas características físicas faciales particulares.

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Euploidías. Son alteraciones de juegos completos de cromosomas de un organismo con relación al número normal. Se producen por la no separación de los cromosomas homólogos durante la meiosis. Existen también varios tipos: Monoploidía o haploidía, se produce cuando las células presentan un solo juego de cromosomas (n), que sería la condición habitual en la fase de gameto (son haploides) de los seres humanos. Poliploidía, presencia de más de dos juegos cromosómicos (triploidía 3n, tetraploidía 4n). En animales la poliploidía suele ser incompatible con la vida, pero en las plantas es frecuente.

7.2. Origen de las mutaciones. Los cambios pueden ser debidos a causas naturales o inducidos por la exposición a determinados agentes. Las mutaciones naturales son las que aparecen espontáneamente por errores en la replicación. En la especie humana, la tasa de mutación espontánea es de un gen por cada 50.000 genes. Como en el genoma humano existen unos 25.000 genes, por término medio hay un gen mutado cada dos gametos. Si cada cigoto se forma a partir de dos gametos, se calcula que en cada generación se incorpora un gen mutado por individuo. Las mutaciones inducidas son provocadas por la exposición a determinados agentes físicos o químicos que reciben el nombre de agentes mutagénicos, como las radiaciones o algunas sustancias químicas (incluido el tabaco por ejemplo). Mutaciones carcinógenas. Todas las células tienen mecanismos de control de la división que indican cuándo deben dividirse y cuándo debe terminar el crecimiento del tejido en que se encuentran. Las mutaciones carcinógenas alteran dichos mecanismos, las células se convierten en cancerígenas o tumorales, con lo que crecen y se dividen sin control e invaden tejidos sanos y conducen a la muerte (metástasis). Los tumores benignos son masas de células que permanecen en un mismo lugar (verrugas).

7.3. La mutación y la evolución La evolución es el proceso de transformación de unas especies en otras mediante una serie de variaciones que se han ido sucediendo, generación tras generación a lo largo de millones de años, por lo que la probabilidad de que aparezca una mutación es considerable. Todas las células pueden sufrir alguna mutación, pero las mutaciones que afectan a los gametos afectarán al cigoto que se forme tras la fecundación con otro gameto y a las células que deriven de él para formar el nuevo ser pluricelular. Estas mutaciones germinales serán las que se transmitan a sus descendientes y provocan la evolución de las especies. Estas mutaciones genéticas se van acumulando y son esenciales en el proceso evolutivo, el genotipo cambia de generación en generación, apareciendo individuos con características diferentes a las de sus predecesores. Un ejemplo son las bacterias que evolucionan tras estar sometidas a antibióticos, haciéndose resistentes. El efecto de las mutaciones en las poblaciones es variable. Hay mutaciones compatibles con la vida, algunas son mutaciones silenciosas o neutras (no se expresan), ni mejoran ni perjudican las condiciones del individuo portador del gen mutado, pero pueden transmitirse a sus descendientes. Pueden servir como reloj biológico para conocer el tiempo en el que dos especies se han separado desde que tuvieron un antecesor común. 17-JDOLS

Otras se expresan pero no tienen efectos demasiado graves (albinismo). Sin embargo las mutaciones letales afectan a proteínas cruciales para el metabolismo por lo que causan la muerte (bien prenatal o postnatal). En ocasiones la mutación no produce la muerte sino una disminución de la capacidad del individuo para sobrevivir y/o reproducirse, se dice que la mutación es deletérea. Las mutaciones que resulten perjudiciales para el individuo portador serán eliminadas por acción de la selección natural llevada a cabo por el medio ambiente. Pero puede ocurrir que las nuevas condiciones ambientales sean beneficiosas y por tanto favorables a esos nuevos genotipos. El individuo portador de la mutación tiene una ventaja adaptativa respecto a los que no la tienen, por lo que tendrá más posibilidades de tener descendencia y transmitir a sus descendientes esta característica ventajosa. Pueden mejorar por ejemplo la función de la enzima que codifique una proteína, mejorando la actividad biológica y facilitando la vida del organismo que porta esa mutación. Podemos concluir que aún siendo la mutación la fuente primaria de variación, no es la única, ya que la recombinación genética (recombinación meiótica) también contribuye a la variabilidad genética, que siempre será positiva para esa especie.

Además de la selección natural, el hombre ha realizado una selección artificial sobre las plantas y animales domésticos modificándolos según su propio interés. A muy largo plazo las diferencias genéticas son muy grandes, convirtiéndose en especies distintas (aparición de nuevas especies). Lo ha conseguido seleccionando los individuos más productivos y cruzándolos entre sí, obteniendo distintas razas, como el perro por ejemplo.

8. INGENIERIA GENETICA (BIOTECNOLOGIA) Cualquier técnica de manipulación de genes y sus productos se denomina ingeniería genética o biotecnología. Con ellas se han obtenido proteínas de interés médico o biológico, vacunas o antibióticos, así como la aplicación a la producción animal (ganadería), vegetal (agricultura) e incluso resultados de aplicación en medicina. Una de las técnicas de trabajo para alterar las características genéticas, ha estado basada en el desarrollo de la “tecnología del ADN recombinante”.

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ADN RECOMBINANTE Esta tecnología permite obtener fragmentos de ADN, determinar su secuencia de nucleótidos, alterar genes y transferirlos a células en cultivos o microorganismos. Incluso se ha conseguido transferirlos a las células de la línea germinal (reproductora: óvulos y espermatozoides) de animales o plantas, que son capaces de incorporar esos genes y transmitirlos a su descendencia, obteniendo organismos transgénicos. Ejemplo de producción de insulina recombinante Hasta 1983 toda la insulina (proteína de actividad hormonal que regula los niveles de glucosa en sangre) utilizada para el tratamiento de la diabetes era extraída de páncreas de porcino y bovino. El uso prolongado de este tipo de insulina provoca en algunos individuos una respuesta inmune. Además la disponibilidad de páncreas animal es limitada, por lo que es deseable la obtención y uso de insulina humana. En este caso, la ingeniería genética microbiana consiste en realizar una transferencia desde una célula donante (una célula humana del páncreas) a una célula receptora (por ejemplo una bacteria) donde conseguir su expresión y síntesis de la proteína u hormona correspondiente. De este modo las bacterias producirían insulina a gran velocidad y en grandes cantidades en tanques de fermentación. Esta insulina obtenida es idéntica a la humana y puede ser suministrada a diabéticos. Este proceso se realiza en las siguientes etapas:  Localización de genes y sus funciones. Por ejemplo la proteína codificada por un gen, que se encuentra localizada en un tramo de ADN determinado.  Obtención del ADN donante. Del material genético se extrae una molecula de ADN, de la que a su vez se extrae el gen que se quiere transferir. Mediante las denominadas enzimas de restricción, el ADN se corta en pequeños fragmentos. Las enzimas de restricción o endonucleasas de restricción, son enzimas que pueden reconocer una secuencia característica de nucleótidos dentro de una molécula de ADN y cortarlo en puntos específicos. Fueron descubiertas en bacterias, que las usan para destruir ADN que ingresa a ellas sin degradar su propio ADN. Esos cortes dejan extremos cohesivos que se pueden pegar simplemente por complementariedad de bases, aunque provengan de moléculas de ADN diferentes, y posteriormente unir, para generar construcciones genéticas.  Corte de los plásmidos de la célula receptora. Estas enzimas producen cortes similares en los plásmidos de la célula receptora. Los plásmidos son pequeños fragmentos circulares de ADN presentes prácticamente en todas las células bacterianas. Son moléculas de ADN bacteriano extracromosómico que se replican y transmiten independientes del ADN cromosómico. Se utilizan así como vectores de clonación (agentes transportadores del trozo de ADN). Es el caso de la bacteria Escherichia Coli (E. Coli), de genoma conocido, fácil de manipular y de crecimiento rápido.

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Tratamiento con ADN ligasas. Gracias a su acción y a pesar de distintas especies, los fragmentos del ADN donante se unen a los plásmidos, formándose nuevos plásmidos o plásmidos recombinantes.

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Transformación. Los plásmidos recombinantes se incorporan en las bacterias, obteniéndose bacterias modificadas.

 Clonación de genes. Estas bacterias modificadas ya contienen el gen donante, se aíslan y se cultivan por separado.

8.1 OTRAS APLICACIONES PRACTICAS DE LA INGENIERIA GENETICA Las aplicaciones son de gran interés e importancia, sobre todo, en tres ámbitos: en medicina, en agricultura y en animales. EN MEDICINA. 1) La producción de sustancias con efectos terapéuticos. Entre estas sustancias podemos citar: - Insulina. Segregada por el páncreas regula concentración de glucosa en sangre. - Factor VIII antihemofílico (AHF). Es una globulina que falta en los hemofílicos y que estimula a las plaquetas (para la coagulación sanguínea). Se aisla y se introduce en bacterias de manera similar a la anterior.

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- Vacunas recombinantes, como la de la hepatitis B. Una vez conocida la naturaleza química de las toxinas que produce el microorganismo (virus, bacteria) y reconocida la secuencias de bases del gen responsable de su síntesis, se puede inocular a una bacteria este gen para que produzca una cantidad significativa de la toxina, suficiente para que origine inmunidad en el paciente, pero insuficiente para producir la enfermedad. 2) La terapia génica. Es el conjunto de técnicas que reemplazan material genético normal para en lugar de un gen defectuoso causante de enfermedades genéticas. Es la mejor alternativa de todas las posibles, pero también la más compleja, ya que supone insertar en el genoma de un individuo. La técnica puede considerarse todavía en fase de desarrollo, motivo por el cual su aplicación se lleva a cabo principalmente dentro de ensayos clínicos controlados, y tratamiento de enfermedades severas o bien de tipo hereditario o adquirido. Como realizar tal cambio en todas las células de una persona es imposible, los ensayos se realizan introduciendo genes sanos en células seleccionadas. Por ejemplo, si la enfermedad es debida al mal funcionamiento de las células madre de la sangre, en la médula ósea, es en esas células donde se lleva a cabo la terapia. En el caso de enfermedades adquiridas, destacando el cáncer, se usan estrategias como la inserción de determinados genes suicidas en las células tumorales o la inserción de antígenos tumorales para potencia la respuesta inmune. 3) Medicina forense e identificación humana. Las aplicaciones de la ingenieria genética se extienden también a la medicina forense para la identificación de delincuentes, víctimas de accidentes, pruebas de paternidad, etc. La técnica se basa en la comparación de regiones de nuestro genoma que son con frecuencia altamente repetivas, y cuya secuencia es muy improbable que coincida en dos individuyos, salvo que sean gemelos idénticos. Además del ADN recombinante, en este campo, se utiliza la clonación génica mediante la Técnica PCR (reacción en cadena de la polimerasa) para casos en los que sólo se tienen pequeñas cantidades de ADN. De manera resumida, gracias al empleo de ADN polimerasa (que recordemos participaba en la duplicación y síntesis del ADN) se pueden replicar pequeños fragmentos de ADN 'in vitro', a partir de cantidades minúsculas y a una velocidad mucho mayor. La repetición cíclica del proceso permite la obtención de múltiples copias o secuencias de dicha región en una cantidad suficiente para ser estudiada o analizada. EN AGRICULTURA o PRODUCCION VEGETAL En el ámbito de la agricultura desde hace muchos años se utilizan los conocimientos de la Genética aunque muchas veces de una forma inadvertida, provocando cruces y originando poliploidías, para luego seleccionar aquellas plantas de buenos resultados. Más recientemente mediante la aplicación de técnicas de Ingeniería Genética se han modificado sus características para la obtención de plantas transgénicas. Se trata de plantas a las se ha introducido ADN recombinante y que lo han incorporado a su genoma de forma estable. Por ejemplo la identificación y transferencia de genes de bacterias responsables de la resistencia a las enfermedades y plagas.

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Algunos de los principales caracteres conseguidos en las plantas transgénicas, son: a) Resistencia a herbicidas, a insectos y enfermedades microbianas. b) Permitir la agricultura incluso en lugares con condiciones climáticas extremas. Bien mediante una mayor productividad a la hora de realizar la fotosíntesis o bien una mayor mayor resistencia a las heladas. c) Mejorar el rendimiento y la calidad de los productos agrícolas. Por ejemplo aumentar el contenido de proteínas en cereales y legumbres. Productos como tomates que maduren más lentamente, permitiendo más días para su transporte, anulando el gen que regula su maduración.

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