TEMA 3 La Herencia Genetica Molecular (1)

8/18/2019 TEMA 3 La Herencia Genetica Molecular (1)

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BIOLOGÍA_Tema 3_UNIVERSIDAD 1

TEMA 3.- LA HERENCIA. GENÉTICA MOLECULAR

1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Las células de todos los organismos, desde las bacterias hasta el ser humano,contienen una o más copias de una dotación básica de ADN que es característica de laespecie. Esta dotación fundamental de ADN se denomina genoma.

GEN

Desde el punto de vista de la Genética Molecular se define gen como unfragmento de ADN (excepto los virus con ARN) que lleva la información para la síntesisde una proteína, es decir, para que unos determinados aminoácidos se unan de un modoconcreto y formen una proteína.

Los genes son los responsables de los caracteres hereditarios, son las unidadesestructurales y funcionales de la herencia transmitida de padres a hijos a través de losgametos y regulan la manifestación de los caracteres heredables.

Los miembros de un par de cromosomas homólogos llevan el mismo rosario degenes dispuestos en fila.

LOCUS (loci en plural)

Es el lugar que los genes ocupan en los cromosomas.

MUTACIÓN

Con este nombre reconocemos cualquier tipo de cambio brusco en el materialgenético. Si este cambio afecta a las células germinales, será heredado por losdescendientes. Si afecta a las células somáticas, solo será heredable cuando se trate deuna especie con reproducción asexual.

ALELOS O ALELOMORFOS

Son las distintas expresiones que puede tener el gen responsable de un carácter.Un gen puede modificarse por mutaciones dando lugar a la aparición de dos o másvariantes alternativas, a cada una de esas alternativas la denominamos alelo oalelomorfo. El alelo más abundante en una población se dice que es el alelo normal osalvaje, el resto se consideran alelos mutados. Ten en cuenta que esto no tuvo por queser así, es posible que el más abundante no sea el gen primitivo, simplemente es el másexitoso en el medio donde vive la especie.

GENOTIPO

Combinación de alelos (AA, Aa, aa) que presenta un individuo para undeterminado carácter. Por extensión se define el genotipo como el conjunto de genes

que tiene un organismo, heredados de sus progenitores. Permanece constante a lolargo de la existencia del individuo.


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FENOTIPO

Es el nombre que recibe la manifestación externa del genotipo y representa lo

que nosotros podemos observar: morfología, fisiología, etc. En el caso de las vainasdel guisante, el fenotipo correspondería al color manifestado: amarillo o verde. Puedecambiar a lo largo de la existencia de un individuo, ya que el ambiente puede influirsobre el fenotipo modificándolo.

Fenotipo = Genotipo + Acción ambiental

El ambiente de un gen lo constituyen los otros genes, el citoplasma celular y elmedio externo donde se desarrolla un individuo. Hay que tener en cuenta que sehereda el genotipo (los genes), pero esto no significa la manifestación automática delos caracteres regulados por dichos genes; para ello es precisa su expresión, es decir,que se transcriban y se traduzcan, y aquí es donde interviene la capacidad

moduladora del ambiente. Por ejemplo, todas las células humanas poseen genes queregulan la pigmentación de los ojos, pero solo se expresan en las células del iris.

HOMOCIGÓTICO Y HETEROCIGÓTICO

Los organismos diploides poseen dos alelos para cada gen: uno que provienendel progenitor femenino y otro del masculino. Si los dos alelos son iguales el individuose llama homocigótico o raza pura (AA) dominante o recesivo (aa). Cuando los dosalelos son diferentes (Aa), se le denomina heterocigótico o híbrido.

DOMINANCIA – RECESIVIDAD

Se dice que un carácter tiene herencia dominante cuando se expresa uno desus alelos, alelo dominante; el otro alelo, alelo recesivo, para poder manifestarse debeencontrarse en homocigosis. Los alelos dominantes se representan con letrasmayúsculas y los recesivos con minúsculas. En el ejemplo del color de las vainas delguisante El alelo dominante seria A para el color amarillo y el alelo recesivo para elcolor verde a.

CODOMINANCIA

Cuando los dos alelos que definen un carácter se manifiestan conjuntamente enheterocigosis. La razón está en que ambos alelos dan lugar a productos activos que semanifiestan en el fenotipo del individuo (caso de los alelos lA y lB en los grupossanguíneos humanos).

HERENCIA INTERMEDIA

En algunas ocasiones no es fácil diferenciarla de la codominancia. En este casoel fenotipo del individuo heterocigótico es intermedio entre los fenotipos de los doshomocigóticos posibles. El resultado es como si los dos alelos se expresaran (dieranlugar a productos activos) pero lo cierto es que un alelo no se expresa y el otro, aunquese expresa con normalidad, no puede producir la cantidad de sustancia activa suficientepara paliar la deficiencia del primer alelo.


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EXPRESIVIDAD

Grado en que un gen concreto se expresa fenotípicamente. Es decir, el grado deinfluencia del ambiente sobre un gen concreto.

2. HERENCIA MENDELIANA

Frente a todas las teorías que se habían postulado anteriormente, Mendel tuvoel gran acierto de utilizar un adecuado planteamiento experimental en el desarrollo desus trabajos llevados a cabo en el monasterio de Brünn (República Checa). Mendelquería saber como se heredaban los caracteres individuales y utilizó para ello la plantadel guisante (Pisum sativum ) por ser económica, producir gran número dedescendientes, y como era hermafrodita permite su autofecundación y la fecundacióncruzada artificial.

Al acierto de elección de la planta, Mendel añadió la del método científicoempleado, consiguiendo demostrar que la herencia se producía de manera predecible.

Sus trabajos fueron publicados en 1866, aunque sus experiencias pasaroninadvertidas, hasta que 35 años después fueron reconocidas y renombradas comoleyes de Mendel.

En 1900, tres botánicos confirmaron, de forma independiente, las conclusionesde Mendel, dando a conocer sus tres leyes. La primera y segunda ley se refieren a laherencia de un solo carácter (monohíbridos), y la tercera estudia la transmisiónsimultánea de dos caracteres (dihibridismo).

2.1. HERENCIA DE UN SOLO CARÁCTER

Los caracteres se heredan de forma predecible.

Primera ley. Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación filial.

Cuando se cruzan dos individuos razas puras (homocigóticos) de una mismaespecie que difieren entre sí en un carácter, todos los individuos de la F1 (primerageneración) son idénticos entre sí genotípica y fenotípicamente (fenotipo idéntico almostrado por uno de los progenitores).

Mendel inicio sus experimentos cruzando dos individuos homocigóticos para undeterminado carácter. Así, en el siguiente cruzamiento entre guisantes, para elcarácter color de la vaina, representamos por A el alelo dominante (amarillo) y por a elalelo recesivo (verde), la generación parenteral estará formada por:

Plantas homocigóticas de vainas amarillas (AA) Plantas homocigóticas de vainas verdes (aa)

Los gametos producidos por las plantas AA llevan un solo alelo A, mientrasque los de las aa llevan solo el a.

Los dos tipos de gametos se unen en la fecundación y todas las vainasformadas en la F1 serán heterocigóticas (Aa).


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Segunda ley. Ley de la segregación de los caracteres en la F2

Segregación de los genes que forman la pareja de alelos de la F1 para formarlos gametos que luego vuelven a unirse al azar en la F2.

Al cruzar entre sí individuos pertenecientes a la F1 , los factores o genes quecontrolan un determinado carácter, y que se encontraban juntos en los híbridos, seseparan y se transmiten separadamente uno del otro, de tal manera que en la F 2 reaparecen los fenotipos propios de la generación parental.

Para obtener la F2, Mendel dejo que las plantas de genotipo Aa de la F1 seautofecundaran.

Cuando los heterocigóticos (Aa) forman los gametos, los dos alelos seseparan. Así se forman con la misma probabilidad, los gametos con el alelo A y con ela. La unión al azar de los distintos tipos de gametos origina las siguientescombinaciones de los genotipos de la F2: AA, Aa y aa.

Los individuos de genotipo AA y Aa, de los que se obtiene un 75%, presentanel fenotipo dominante (amarillo), y los de genotipo aa, un 25 %, el fenotipo recesivo(verde).


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Si el alelo dominante “A” determina el fenotipo amarillo y el alelo recesivo “a” elverde, se obtendrán 3/4 Amarillos y 1/4 Verdes, por lo tanto la segregación será 3:1.

Retrocruzamiento o cruzamiento de prueba

Los genes no se ven se ven y los fenotipos son el reflejo de los genes. Por eso,en los casos de herencia dominante en los cuales obtenemos individuosheterocigóticos (Aa) y homocigóticos (AA) con el fenotipo dominante amarillo, paraconocer cuál es el genotipo, se cruzan con otro individuo de genotipo homocigóticorecesivo (aa), lo que se denomina retrocruzamiento.

Por ejemplo al cruzar vainas de guisantes amarillas que pueden ser AA o Aa,con, vainas de guisantes verdes, aa, son posibles dos resultados.

Resultado 1.- Aparecen plantas con guisantes verdes: el individuo

problema es Aa. Resultado 2.- No aparecen plantas con guisantes verdes: el individuo delproblema puede ser AA.

2.2. HERENCIA DE DOS CARACTERES SIMULTÁNEAMENTE

Comportamiento o transmisión independiente de los caracteres. Estudia latransmisión simultánea de dos caracteres.

Tercera ley. Ley de la independencia de los caracteres

GENES INDEPENDIENTES

Cuando los genes que regulan ambos caracteres se localizan en pares decromosomas homólogos distintos.

Cuando se forman los gametos, los alelos de un gen se transmitenindependientemente de los alelos del otro gen. En la transmisión de dos o más


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caracteres, cada par de alelos que controla un carácter se transmite a la F2independientemente de cualquier otro par de alelos que controle otro carácter y noesté en el mismo cromosoma.

Durante la anafase I se separan los cromosomas homólogos de cada par y enla anafase II se separan las cromátidas de cada cromosoma; después de laautoduplicación del ADN se forman cuatro clases de gametos, cada uno de los cualesposee dos cromosomas. Puesto que su distribución se realiza totalmente al azar,existen cuatro posibilidades para que los cromosomas con sus genes se agrupen encada gameto: (A-B), (A-b), (a- B) y (a- b).

Esta conclusión, a la que llego Mendel contabilizando los descendientes de loscruzamientos, en la actualidad se entiende porque sabemos que los cromosomasemigran aleatoriamente a los polos.

Si el alelo dominante “A” determina el fenotipo amarillo, el alelo recesivo “a” elverde, el alelo dominante “B” el fenotipo liso y el alelo recesivo “b” el fenotipo rugoso,se obtendrán 9/16 Amarillos y Lisos y 3/16 Amarillos y Rugosos, 3/16 Verdes y Lisos y1/16 Verdes y Rugosos; por lo tanto la segregación será 9:3:3:1

Si comparamos la 3ª ley con la 2ª ley, la 3ª podemos considerarla como uncaso particular de la 2ª, pues si consideramos un solo carácter, por ejemplo, el color,por cada 12 amarillos, salen 4 verdes; es decir 12 a 4 3 a 1, exactamente igual queen la 2ª ley.


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Si consideramos el tipo de piel, por cada 12 lisos salen 4 rugosos, es decir 3 esa 1, exactamente igual que en la segunda ley. Por lo tanto la 3ª ley podemosconsiderarla como un caso particular de la 2ª.

GENES LIGADOS. GRUPOS DE LIGAMIENTO

Cuando los genes que regulan caracteres diferentes tienen sus loci en la mismapareja de homólogos no podrá cumplirse la 3ª ley de Mendel porque no se heredaránindependientemente. Decimos que esos genes forman un grupo de ligamiento y seheredarán más o menos en bloque:

Si sus loci están muy próximos en el cromosoma, se heredarán siempre juntos y decimos que se trata de un ligamiento absoluto.

Si sus loci están a cierta distancia, podrá realizarse algún crossing-over yaparecerán recombinaciones entre ellos. Podrán heredarse por separado, perolas frecuencias observadas en los descendientes no se ajustan a las previstas porla 3ª ley de Mendel (9:3:3:1).

3. GENÉTICA HUMANA

Dada la naturaleza del ser humano, no es posible emplear para su estudiogenético los mismos métodos empleados con otros organismos por eso la genéticahumana tiene que recurrir a la confección de árboles genealógicos o pedigríes, enlos que se estudia la transmisión de un determinado carácter a través de variasgeneraciones.

3.1. CONFECCIÓN DE UN ÁRBOL GENEALÓGICO

Cada individuo se representa mediante un símbolo:

Los círculos representan a las mujeres y los cuadrados a los hombres.Los círculos y cuadrados oscuros indican personas con el carácterestudiado, mientras que los blancos representan personas normales.

Cada fila horizontal de círculos y cuadrados representa una generación, detal manera que las situadas en la parte inferior del árbol genealógico son lasmás recientes. Para distinguir una generación de otra se utilizan losnúmeros romanos: el I es la primera, el II la segunda, el III la tercera, el IV la

cuarta y así sucesivamente. Para distinguir a las personas que pertenecena una misma generación se numeran de izquierda a derecha, 1, 2, 3, 4, etc. Los matrimonios se indican mediante una línea uniendo a las dos personas. Los hijos de una misma pareja se unen con una línea horizontal, que estará

unida por una línea vertical a la que liga a los padres. Los hijos se disponende izquierda a derecha según su orden de nacimiento.


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3.2. HERENCIA DE LOS GRUPOS SANGUÍNEOS DEL SISTEMA ABO

Se trata de un caso de herencia polialélica, que fue descubierta por el médicoaustriaco Kart Landsteiner.

Según el sistema ABO, las personas se clasifican en cuatro grupos (fenotipos)distintos en función de que se produzca o no la aglutinación sanguínea al mezclar unasuspensión de eritrocitos de un grupo con suero sanguíneo de otro.

Los cuatros fenotipos A, B, AB y O, están controlados por una serie alélicaintegrada por tres alelos: IA, IB e i. La pertenencia a uno u otro grupo sanguíneo vienedeterminada por la presencia en la membrana de los glóbulos rojos de un polisacáridoo antígeno específico y por anticuerpos específicos en el plasma sanguíneo.

Los alelos IA e IB determinan la producción de los antígenos A y B,respectivamente, y son codominantes, mientras que el alelo i no produce antígeno y esrecesivo frente a los otros dos. Con estos tres alelos son posibles cuatro fenotipo y

seis genotipos distintos, recogidos en el cuadro siguiente:


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Landsteiner descubrió que en los hematíes de la sangre además de losantígenos (sustancia extraña producida por un gen que no es propio) correspondientesa los grupos sanguíneos existen aglutininas o anticuerpos α y β.

La aglutinina α reacciona frente al antígeno o aglutinógeno B.

La aglutinina β reacciona frente al antígeno o aglutinógeno A.

Esto significa que un individuo con grupo B no puede tener aglutinina α y unocon el grupo A no puede tener aglutinina β. Los del grupo AB no podrán tener ningúntipo de aglutinina y los del grupo O, podrán tener ambos tipos.

FACTOR Rh:

Viene determinado por una pareja de alelos; uno dominante (R) y otro recesivo(r). El Rh+ es dominante, por lo tanto se manifiesta en heterocigosis y en homocigosis

(RR y Rr). El Rh- es recesivo, sólo se manifiesta en homocigosis (rr).El Rh tiene importancia en transfusiones y también en la descendencia si la

madre es Rh- y concibe un hijo Rh+. Durante el embarazo o en el parto puede existircomunicación entre la sangre fetal y la de la madre. La madre reacciona frente alfactor Rh (proteína antigénica para la madre Rh-) y fabrica anticuerpos. Para el primerhijo no existe riesgo, pero en un segundo hijo, si es Rh+, los anticuerpos fabricadospor la madre pueden reaccionar y provocarle una reacción hemolítica o destrucción deglóbulos rojos. La transmisión del factor Rh sigue las leyes de Mendel.

4. GENÉTICA MOLECULAR

4.1. DUPLICACIÓN (REPLICACIÓN) DEL ADN

El modelo de Watson y Crick apuntaba la posibilidad (por lacomplementariedad de las bases) de que las moléculas de ADN pudieran duplicarsepara formar dos moléculas hijas idénticas.

La replicación es el proceso que garantiza que cuando una célula se dividecada una de las células hijas reciba una copia exacta e íntegra de la informaciónhereditaria de la célula madre.


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Después, otra ADN-polimerasa (la ADN-pol I) distinta retira los fragmentos deARN que han hecho de cebador y rellena los huecos con nucleótidos de ADN.La ligasa se encargará de empalmar los fragmentos.

3ª etapa: terminación:La elongación finaliza en las células eucarióticas cuando la horquilla dereplicación alcanza a la adyacente y en las células procariotas cuando seencuentran los dos extremos que iban creciendo en sentidos puestos.Finalizada la elongación se eliminan los últimos cebadores y se sustituyen pornucleótidos de ADN de una forma semejante a la mencionada anteriormente.En las células eucarióticas en este proceso de terminación tiene que intervenirun nuevo enzima, la telomerasa, que añaden a los extremos del cromosomasecuencias de ADN repetitivo no codificante (denominadas telómeros).

4.2. TRANSCRIPCIÓN

Síntesis de un ARNm a partir de la información contenida en el ADN nuclear. ElARNm sintetizado tendrá una secuencia de nucleótidos complementaria a la de un(ocasionalmente más de uno) gen. Tiene lugar en el núcleo de la célula durante lainterfase y la profase de la mitosis.

Proceso de transcripción:

Iniciación:Previamente actúan las endonucleasas y girasas. La ARN-polimerasa reconocey se acopla a la región promotora, situada por delante del gen que se va atranscribir.El primer nucleótido que se une es siempre ATP o GTP.

Elongación:La polimerasa se desplaza hacia el siguiente nucleótido de la cadena de ADNque está leyendo y cataliza la formación de un enlace fosfodiéster. Esteproceso se repite sucesivamente.La energía necesaria para la unión proviene de la hidrólisis de los dos fosfatosterminales de los nucleótidos activados que se van incorporando.La dirección de transcripción es 5` 3`.

Terminación:Al alcanzar una señal de terminación, un factor proteico, denominado factor deliberación, provoca la separación del ARNm recién sintetizado.


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4.3. EL CÓDIGO GENÉTICO: CONCEPTO Y CARACTERÍSTICAS

Es la relación entre la secuencia de las bases en el ADN (ARN) y la secuenciade aminoácidos en una proteína.

Características del código genético:- Formado por tripletes- No tiene superposiciones.- Es degenerado (redundante) pero no es ambiguo. 61 de los 64 tripletescodifican a un aminoácido particular; esto significa que para algunosaminoácidos debe haber más de un triplete.Esto minimiza los efectos deletéreos de las mutaciones, puesto que la mayoríade los codones que especifican un mismo aminoácido difieren únicamente en la

última base del triplete.- Presenta tripletes sin sentido: se denominan tripletes de terminación y sonreconocidos por proteínas específicas llamadas factores de liberación.- Es universal: es el mismo para todos los seres vivos.

4.4. TRADUCCIÓN: BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS

Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm especificala síntesis de una proteína.

Etapas de la traducción:

Etapa previa: activación de los ARN de transferencia:Los aminoácidos se unen a los ARNt, formando los aminoacil-ARNt, por mediode una reacción muy específica catalizada por unos enzimas denominadosaminoacil-ARNt-sintetasas. Estos enzimas poseen dos centros de unión, unopara el aminoácido y otro para el ARNt correspondiente. Ocurre en elcitoplasma y requiere la hidrólisis de una molécula de ATP.Es muy rápido, se ha comprobado que en las bacterias puede durar 15 a 20segundos.Formación del complejo de iniciación: las subunidades del ribosoma estánseparadas. Primero se une la subunidad al ARNm por su extremo 5`.Intervienen tres factores proteicos de iniciación y se consume una molécula deGTP. El primer codón del ARNm (AUG) codifica la formilmetionina en lascélulas procariotas y la metionina en las eucariotas.


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Elongación:Entrada de unaminoacil-ARNt allocus A. Intervienendos factores proteicosde elongación y unamolécula de GTP.Formación de unenlace peptídico,catalizada por unenzima presente en lasubunidad mayor, lapeptidiltransferasa. Elenlace se produceentre el grupo aminodel nuevo aa-ARNt y

el carboxilo delanterior.Translocación:interviene un tercerfactor proteico deelongación y otramolécula de GTP.

Terminación:Cuando se llega a uno de los codones sin sentido (UAA, UAG o UGA) un factorproteico, denominado factor de liberación R, se une al ribosoma. Estopromueve la ruptura de la unión entre el ARNt y la cadena polipeptídica y la

separación del ARNm y las subunidades del ribosoma.Frecuentemente varios ribosomas traducen simultáneamente la mismaproteína, asociándose a lo largo del mismo filamento de ARNm formando unpolisoma.Una vez traducido, el ARNm es hidrolizado quedando libres los ribonucleótidos.

5. ALTERACIONES DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

El término mutación fue introducido en 1902 por el botánico holandés Hugo deVries refiriéndose a los cambios hereditarios bruscos que aparecían en la hierba delasno (Oenothera ). Posteriormente se supo que tan solo 2 de los alrededor de 2000

cambios observados por de Vries eran auténticas mutaciones.

En general se denomina mutación a cualquier cambio en la cantidad oestructura del material hereditario de un organismo, que tiene como resultado uncambio de las características hereditarias de dicho organismo

Bajo este concepto de mutación se agrupan tanto los cambios hereditarios queafectan a un solo gen, denominados mutaciones puntuales, como los que afectan alnúmero o estructura de los cromosomas, llamados cambios cromosómicos. No debeconfundirse el concepto de mutación con el de modificación, que se refiere a loscambios fenotípicos debidos al medio o al uso.

Las mutaciones pueden clasificarse atendiendo a criterios muy diversos: por suorigen pueden ser espontáneas (si no interviene ningún factor físico o químico externo)


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o inducidas; por las células en que se localizan pueden ser gaméticas (si se produceen las células de la línea germinal) o somáticas; por su expresión pueden serdominantes o recesivas; por su efecto pueden ser neutras, beneficiosas, patológicas(causan enfermedades), teratológicas (causan malformaciones) o letales; ...

La clasificación que sigue se basa en la naturaleza de la alteración queprovoca, según lo cual podemos distinguir mutaciones cromosómicas, numéricas oestructurales, y mutaciones génicas.

5.1. CAMBIOS CROMOSÓMICOS NUMÉRICOS: MUTACIONES GENÓMICAS

Cada especie biológica se caracteriza por su cariotipo, en el que el número y la

morfología de los cromosomas es constante. En la mayoría de los organismossuperiores, las células somáticas son diploides y los gametos (formados por meiosis)son haploides. La mitosis y la meiosis (con la consiguiente fecundación) son losmecanismos biológicos que aseguran la constancia en el número de cromosomas delas células, sin embargo, si se producen anomalías en cualquiera de estos dosprocesos se pueden formar células que presentan un número anormal decromosomas.

La euploidía es una alteración del número de cromosomas que afecta a juegoscompletos. Los organismos que presentan más de dos juegos completos decromosomas se denominan poliploides. La poliploidía puede deberse a la unión degenomas de una misma especie, en cuyo caso se conoce como autopoliploidía, o ala unión de genomas de especies diferentes, conocido como alopoliploidía.


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Existen varios mecanismos de formación de autopoliploides pero los másfrecuentes son la fecundación de un óvulo por más de un espermatozoide y laformación de gametos diploides por un error durante la meiosis. En los animales laautopoliploidía es rara, y suele conllevar la muerte del individuo. En los vegetales sinembargo es relativamente frecuente y los individuos poliploides son de mayor tamañoy más vigorosos que los normales diploides.

La aneuploidía es una anomalía numérica que afecta a uno o varioscromosomas, pero no a todo el genoma. La aneuploidía se origina por la no disyunciónde una o varias parejas de cromosomas homólogos durante la meiosis. Algunos de losgametos resultantes tendrán cromosomas de más y otros, en cambio, los tendrán demenos. Al ser fecundados estos gametos por otros normales originarán cigotos concromosomas de más o bien con cromosomas de menos. Los organismos aneuploidespresentan, generalmente, anomalías fenotípicas características y son poco viables.Los casos más frecuentes de aneuploidia son aquellos en los que aparece uncromosoma sin homólogo (monosomía) y los que presentan un cromosoma extra enuna pareja cromosómica (trisomía)(también se conocen casos de individuos

tetrasómicos, doble trisómicos y nulisómicos). Algunos ejemplos de aneuploidías en elhombre:


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5.2. CAMBIOS CROMOSÓMICOS ESTRUCTURALES: MUTACIONESCROMOSÓMICAS

Estas alteraciones se deben a la pérdida, ganancia o reordenación dedeterminadas regiones de un cromosoma.

El origen de estos cambios está en errores que pueden producirse durante lamitosis o la meiosis que consisten en la ruptura de una cromátida que puede ir seguidade la pérdida del fragmento roto o bien de la fusión equivocada de este fragmento.Existen cuatro tipos de cambios estructurales:

- Las inversiones son cambios del orden lineal de los genes en uncromosoma.

- Las translocaciones son intercambios o transferencias de fragmentoscromosómicos entre cromosomas no homólogos.

- Las deficiencias o deleciones son pérdidas de fragmentos de cromosomas.- Las duplicaciones consisten en la repetición de un fragmento en un

cromosoma.

Si bien la mayoría de estas alteraciones suelen provocar defectos quedisminuyen la viabilidad de los individuos que las portan se admite que algunasduplicaciones pueden ser útiles en la evolución, ya que algunos genes repetidospueden mutar hacia formas nuevas sin que ello suponga una pérdida de adaptabilidad.


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5.3. MUTACIONES GÉNICAS O PUNTUALES

Las mutaciones génicas son las mutaciones en sentido estricto y las responsables dela aparición de nuevos alelos de un gen. Estas alteraciones son debidas generalmentea errores no corregidos en el proceso de autoduplicación del ADN o a la acción dedeterminados agentes físicos o químicos que alteran el ADN. La unidad mínima demutación, denominada mutón, corresponde a un par de nucleótidos de la cadena deADN.

Se ha comprobado en repetidas ocasiones que estos errores en la duplicacióndel ADN se producen de una manera espontánea con cierta frecuencia. Aunque lacélula tenga mecanismos de reparación de los errores que se produzcan en laautoduplicación siempre puede quedar un error que se pase por alto.Experimentalmente se ha podido determinar que uno de cada cien mil a un millón degametos presenta una mutación en un gen determinado (mutación espontánea).

Las células cuentan con diversos mecanismos para reparar las alteracionesocasionadas en su ADN por la mutación que implican, normalmente, la intervención dediversos grupos de enzimas, como, por ejemplo, los enzimas encargados de corregirlos errores que tienen lugar en el proceso replicativo del ADN, ya sea durante laincorporación de los nucleótidos o tras la finalización de la síntesis de una nuevahebra. Otro mecanismo de reparación es el constituido por los enzimasfotorreactivos, que rompen los enlaces creados entre dos timinas consecutivas(dímeros de timina) originados por algunos agentes mutagénicos.

Se distinguen varios tipos de mutaciones génicas:

- Mutaciones por sustitución de una base por otra distinta. Se dividen endos tipos: las denominadas transiciones, cuando una base púrica es reemplazada porotra base púrica o una base pirimidínica es sustituida por otra base pirimidínica, y lastransversiones, si se produce el cambio de una base púrica por una basepirimidínica, o viceversa. Estas sustituciones son posibles porque algunos de losátomos de hidrógeno de cada una de las cuatro bases pueden cambiar susposiciones, para originar formas tautoméricas (isómeros que se originan por laemigración intramolecular de un átomo pequeño) distintas a las usuales, en unaproporción muy baja (10-4). Estos tautómeros permiten apareamientos atípicos debases en la doble hélice y provocan, en la replicación, la formación de secuenciasnucleotídicas erróneas. Los cambios de bases nitrogenadas pueden ser producidos,así mismo, por agentes mutagénicos que originan su desaminación, la rotura del


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enlace entre una base púrica con la desoxirribosa (despurización) o la formación dedímeros de timina.

- Mutaciones por pérdida e inserción de bases. Estas mutaciones son másgraves que las anteriores, ya que, a partir del punto de deleción o de adición, todos lostripletes de bases estarán cambiados y, por tanto, el mensaje codificado serátotalmente distinto. Se producen por un emparejamiento anómalo durante lareplicación entre la hebra molde y la que se está sintetizando, o cuando ciertoscompuestos, como los colorantes de acridina, se intercalan en las cadenaspolinucleotídicas.

- Mutaciones por cambios de lugar de algunos segmentos del ADN(transposiciones). El desplazamiento de secuencias de la cadena nucleotídicaprovoca la aparición de nuevos tripletes, lo que modificará el mensaje genético.

5.4. AGENTES MUTAGÉNICOS

Las mutaciones que se producen por la acción de un factor ambiental, físico oquímico, se conocen como mutaciones inducidas. Estos factores que provocan laaparición de mutaciones se denominan mutágenos.

Entre los mutágenos físicos están las radiaciones, tanto ionizantes (rayos X orayos gamma) como las no ionizantes (ultravioletas). Las radiaciones ultravioletatienen un efecto más suave que las ionizantes, por tener un menor poder depenetración. En general las radiaciones provocan roturas y alteraciones en la moléculade ADN.

Los mutágenos químicos pueden ser algunas moléculas de estructuraparecida a la de las bases nitrogenadas que forman el ADN u otros productos que

reaccionan con los componentes de los nucleótidos alterando su estructura.

Tanto en un caso como en otro se producen fallos en la complementariedadque originan incorporaciones erróneas cuando el ADN se duplica.

Por último, entre los mutágenos biológicos podemos mencionar a ciertosvirus, que pueden producir cambios en la expresión de algunos genes (como losretrovirus, los adenovirus o el virus de la hepatitis B humana, entre otros) y lostransposones, que son segmentos móviles de ADN que pueden cambiar de posición,trasladándose a otro lugar distinto dentro del mismo cromosoma o incluso a otrocromosoma.

5.5. GENES LETALES

Algunas mutaciones pueden ser beneficiosas y, por lo tanto, favorecer laselección natural de los individuos que las portan. Otras no determinan cambiosbeneficiosos ni perjudiciales en los individuos que las llevan, es decir, son mutacionesneutras. Pero muchas mutaciones afectan negativamente a la viabilidad de unorganismo.

Se designa como valor biológico de una mutación al incremento, positivo onegativo, que experimenta la viabilidad de los mutantes respecto a la de la razaoriginaria. El valor biológico más bajo (viabilidad nula) corresponde a las mutacionesque han originado genes letales.


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Los factores o genes letales son aquellos cuya manifestación provoca lamuerte del individuo antes de que éste alcance la madurez reproductiva. Cuando noproducen la muerte, pero tiene efectos negativos en el individuo, disminuyendo sucapacidad para sobrevivir o reproducirse, se denominan deletéreos.

Los genes letales dominantes desaparecen con la muerte del individuo en elque han aparecido. Sin embargo, los letales recesivos se mantienen en pequeñasproporciones en las poblaciones, manifestándose solamente en loshomocigotos.

En algunas ocasiones los cigotos que llevan un gen letal en homocigosis nollegan a desarrollarse, por lo que su presencia sólo se detecta por la alteración de lasfrecuencias fenotípicas en la descendencia. Tal es el caso de la herencia del color delpelaje en los ratones. Como ejemplos de factores letales en la especie humanapodemos citar la ictiosis congénita y la hemofilia.

5.6. MUTACIONES Y EVOLUCIÓN

Los cambios producidos en el material genético constituyen el motor de laevolución de las especies. La actuación de los mecanismos evolutivos de selecciónnatural requiere la existencia previa de variabilidad entre los individuos que integranuna población, considerada actualmente la unidad evolutiva por excelencia en lugardel individuo aislado, ya que son las proporciones en que se encuentran los diversosindividuos de una población las que cambian a lo largo del tiempo. Los principalesagentes de la variabilidad de las poblaciones son la recombinación genética y lasmutaciones.

La recombinación genética consiste en una reordenación de los genes yaexistentes en la población, que puede traducirse en la aparición de nuevos genotipospero no de nuevo material hereditario. Las mutaciones, por el contrario, permiten la

aparición de genes que antes no existían, por lo cual las posibilidades biológicas seamplían enormemente. No hay que olvidar, sin embargo, que la mayoría de lasmutaciones son negativas.

Las mutaciones beneficiosas suelen pasar inadvertidas en un primer momento,por lo que las ventajas evolutivas se manifiestan lentamente. No obstante, si el genmutado proporciona algún beneficio a los individuos que lo llevan, irá sustituyendopaulatinamente al gen original en la población, ya que la proporción de los individuosportadores irá aumentando. Se produce así una evolución molecular que se reflejaráen las características biológicas de los individuos.

Evolutivamente, las mutaciones más importantes son las que actúan de forma

repetida sobre un determinado gen (mutaciones génicas recurrentes) y favorecencambios rápidos (a escala evolutiva).

La importancia de las mutaciones se pone de manifiesto en particular durantela adaptación de una población a un entorno nuevo, ya sea como consecuencia deimportantes cambios medioambientales en el lugar donde vive o porque se colonizauna nueva área geográfica. En estos casos, la presión selectiva aumentaextraordinariamente y favorece la supervivencia de aquellos individuos que portan lasmutaciones adaptativas más favorables.

Las mutaciones cromosómicas poseen también un gran interés en losprocesos evolutivos. Por ejemplo, parece demostrado que la duplicación y posteriormutación de fragmentos cromosómicos han hecho posible la aparición


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de las diversas cadenas de hemoglobinas, y de la mioglobina humana y de losprimates, a partir de una única globina ancestral.

Las mutaciones genómicas contribuyen, así mismo, a la evolución,fundamentalmente de las especies vegetales, que las toleran mejor que los animales.Con frecuencia los vegetales poliploides tienen órganos más desarrollados que losdiploides, razón por la que muchas de las especies utilizadas por el ser humano sonde ese tipo.

Como un proceso intermedio entre las mutaciones cromosómicas y lasgenómicas se puede incluir la unión de cromosomas, que también posee una enormeimportancia evolutiva. Así, el cromosoma 2 del ser humano parece que procede de lafusión de dos cromosomas telocéntricos (que aún se encuentran en los primatessuperiores actuales) de una especie ancestral.

Las mutaciones también han desempeñado un importante papel en eldesarrollo de la genética, ya que las mutaciones inducidas en algunos organismos

(como en Drosophila ) han sido un inmejorable material de trabajo para muchosgenetistas durante este siglo.

5.7. MUTACIONES Y CÁNCER

El cáncer es causado por un proceso de división celular sin control que provocauna multiplicación rápida y desorganizada de las células que conduce a la destruccióndel tejido afectado e, incluso, a la invasión de otros órganos (metástasis).

Aunque en el desencadenamiento de un proceso cancerígeno intervienendiversos factores, hoy día queda fuera de toda duda la relación que existe entredeterminados cambios en el material genético y la aparición de células cancerosas, ya

que con frecuencia se observa en ellas la presencia de alteraciones cromosómicas,como deleciones, translocaciones y roturas o uniones cromosómicas. Por otra parte,ciertos agentes mutagénicos también son cancerígenos, como, por ejemplo, lasradiaciones ionizantes y no ionizantes, ciertos virus y determinados productosquímicos (como las anilinas que aparecen en colorantes comerciales, las nitrosaminasque se encuentran en el humo del tabaco, los benzopirenos que también aparecen enel humo del tabaco o en los alimentos quemados, el asbesto de ciertos materialesaislantes,...).

No se conoce totalmente el proceso por el que una célula normal se transformaen cancerosa, pero se han logrado progresos importantes en su investigación.Básicamente se producen defectos en determinados genes que participan en la

regulación de la división celular, por lo que ésta se descontrola y se vuelve caótica. Eneste proceso intervienen dos tipos de genes:

- Oncogenes (del griego onkos , «tumor», y genos , «origen»). Provocan unaumento de las señales que estimulan la división celular, sin que estén presentes losestímulos normales para ello. De esta forma, se promueve la proliferación continua delas células. Hasta la fecha se han descubierto más de cincuenta oncogenes en variasespecies, entre ellas la humana. Actualmente se cree que los oncogenes proceden deotros genes, denominados protooncogenes, que codifican proteínas implicadas endeterminadas etapas de la división celular (factores de transcripción, factoresextracelulares estimulantes o receptores de membrana para estos últimos). Laalteración de los protooncogenes por agentes mutagénicos originaría los oncogenesactivos.


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BIOLOGÍA Tema 3 UNIVERSIDAD 21

- Genes supresores de tumores. La mutación de estos genes, que codificanproteínas inhibidoras de la división celular, estimula un aumento del ritmo reproductorde las células.

Así, los agentes mutagénicos podrían actuar en ambos sentidos y es probableque para que se desarrolle un tumor sean necesarias varias mutaciones en diversosgenes.

Existen indicios, así mismo, de que en el proceso de transformación cancerosade una célula intervienen otros agentes que la potenciarían favoreciendo la expresiónde los oncogenes.

Por otra parte, la mutación de los genes implicados en la corrección de erroresdel ADN evitaría la reparación de éstos tras la acción del agente mutagénico, en lasprimeras fases del proceso, y contribuiría notablemente al desarrollo definitivo deltumor.

ANEXO: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE GENÉTICA

TEMA 3 La Herencia Genetica Molecular (1)

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