POLIPLOIDÍA

El trigo harinero (Triticum aestivum) es alohexaploide con 42 cromosomas (siendo n = 7 para cada juego cromosómico; como son 6, pues 6x/ = 42): procede de la hibridación de tres especies diferentes:
T. urartu (2n = 14): Aportó un juego cromosómico A (7 cromosomas). Extinta.
Sitopsis (2n = 14): Aportó un juego cromosómico B (7 cromosomas). Extinta.
Se creó un híbrido AB de 14 cromosomas, pero como ambos juegos A y B son diferentes, el híbrido no podría reproducirse. En algunos casos, se solucionó el problema de infertilidad, duplicando los cromosomas, de modo que salió un trigo tetraploide AABB (2n = 28), que fue el T. turgidum. De similar forma se originó el T. durum (2n = 28, AACC) por hibridación del T. urartu con Aegilops speltoides.
El alotetraploide T. turgidum se hibridó posteriormente  con Aegilops taushii, que aportó el genoma D, que  se unió a los gametos del T. turgidum, AB, dando un híbrido ABD, que nuevamente, para evitar los problemas de esterilidad, duplicó sus cromosomas, dando lugar al alohexaploide AABBDD T. aestivum, hace unos 2.000 años.

Actualmente, los trigos más cultivados son el harinero, para panificación, y el duro (7% del cultivo de trigo mundial) para pasta y sémola (cuscús), con alto contenido en gluten (13%), es decir, uno hexaploide y otro tetraploide. Otro trigo hexaploide es el espelta (T. spelta), que aunque contiene también gluten, como todos los trigos, y por tanto, no puede ser consumido por celíacos, contienen menos que los otros dos (sólo un 5%), por lo que puede ser mejor para personas con SGNC (Sensibilidad al Gluten No Celíaca).

Los siguientes cereales contienen gluten: todas las especies de trigo, centeno, cebada y avena. No contiene el maíz.


LOS PLÁTANOS SON TRIPLOIDES, por lo que son estériles y se deben reproducir vegetativamente (asexualmente), lo que pone en peligro sus poblaciones.



Algunos peces, como el carpín dorado, pueden ser poliploides, aunque este fenómeno es mucho más raro en animales que en plantas.

La poliploidía se puede inducir mediante el uso de la colchicina que para la división celular antes de que se produzca la separación cromosómica. Las ventajas puede ser obtener semillas o frutos mayores. Un alopoliploide inducido, creado a finales del siglo XIX, es el Triticale, híbrido del trigo con el centeno.

EL 8% DE LA HUMANIDAD PORTA MUTACIONES GRAVES

MUTACIONES GRAVES EN LOS ISLANDESES

 HEMOTECA de los islandeses. Colección de DeCODE:
Hasta ahora solo se podía hacer con la mosca o el pez cebra: irradiar o envenenar a cientos de miles de individuos para inactivar sus genes uno a uno y ver qué efecto tiene cada una de esas pequeñas catástrofes biológicas. Es el fundamento de la genética clásica, y obviamente no se puede hacer en humanos, pero Kari Stefansson y sus colegas de la empresa deCODE de Islandia han conseguido una forma de obtener el mismo conocimiento en nuestra especie. No ha hecho falta irradiar a nadie, porque la naturaleza ya había generado las mutaciones necesarias. El mayor estudio genómico que se ha hecho de una población ha descubierto así que el 8% de los islandeses –y seguramente de la humanidad— tienen completamente noqueado al menos un gen importante. Ahora hay que buscar qué les pasa.

REPARACIÓN DEL ADN

CORRECCIÓN DE PRUEBAS DE LA ADN-POLIMERASA
 

REPARACIÓN CON ESCISIÓN DE ADN

Intervienen en el siguiente orden: una endonucleasa, una exonucleasa, la ADN pol I y una ligasa.

REPARACIÓN SIN ESCISIÓN DE ADN POR ENZIMAS FOTORREACTIVAS (FOTOLIASA), que actúa estimulada por la luz UV-azul (300 a 400 nm):

Eliminan los dímeros de timina TT.

SISTEMA SOS
Sólo actúa en caso de emergencia, ya que si una cadena está dañada, no puede seguir la replicación, de modo que añade nucleótidos al azar, pues más vale una pequeña mutación que la replicación bloqueada.

LOS ANIMALES MÁS PRIMITIVOS (PRIMARIA)

¿Qué son más primitivos, las medusas o las esponjas?




¿Cuándo aparecieron las medusas? El fósil más antiguo tiene 505 M.a.:
 Fue encontrado en una roca de EE UU.

¿Y las esponjas? Los fósiles más antiguos tienen entre 50 y 100 M.a. más que el fósil anterior de medusa:
 Paleofragmodyctia, encontrado en el sur de Australia, el país de los canguros, koalas y ornitorrincos:
 


¿Cuáles son los animales terrestres más primitivos?
Son los Insectos y ciempiés (unos 400 M.a.):
 Insecto más antiguo encontrado (400 M.a.)

¿Y los vertebrados más antiguos?
 Acantostega, 370 M.a.

TRANSPOSONES O ELEMENTOS GENÉTICOS TRANSPONIBLES

 

Bárbara McClintock, bióloga estadounidense (Nobel de Medicina en 1983), descubrió los genes saltarines en los años 40, estudiando diferentes variedades del maíz y, concretamente, mazorcas en mosaico, observando que la herencia de dicha mosaicidad era inestable. Identificó dos loci que llamó Disociador (Ds) y Activador (Ac). Cuando el gen P, responsable de una enzima implicada en el color púrpura del grano, tenía insertada la secuencia Ds, no producía el pigmento y, por tanto, el grano resultaba despigmentado. Cuando en el genoma de la célula del maíz estaba la secuencia Ac, hacía que en algunas células, la secuencia Ds saltase a otro lugar del genoma, abandonando el gen P, que recuperaba su funcionalidad, con lo que el grano volvía a ser púrpura.
El cuaderno por qué Biotecnología

Se estima que la mayor parte del ADN basura se trata de transposones (45% del ADN humano) o antiguos transposones que eran activos hace más de 200 Ma, pero que al haber mutado, han resultado irreconocibles. Se ha especulado que los ET (Elementos Transponibles) y los virus tienen un origen común. En ambos casos, se trat de ADN egoísta.

ANEUPLOIDÍAS QUE AFECTAN A LOS CROMOSOMAS SEXUALES

1. SÍNDROME DE TURNER: X0 (MONOSOMÍA)

fue descubierta por el endocrinólogo estadounidense Henry Turner en 1938. Parece ser que la causa no es un fallo meiótico en la gametogénesis sino mitótico en la embriogénesis, por lo que estas mujeres suelen ser individuos-mosaico (XX/X0). Rendimiento escolar normal, con dificultades en las matemáticas y dibujo.

2. SÍNDROME DE KLINEFELTER: XXY (TRISOMÍA)



Causa hipogonadismo. En el 5% de los casos de SK pueden ser mosaicos cromosómicos con células incluso tetrasómicas (XXXY). Se ha insinuado que Carlos II de España, el hechizado, tenía el SK: Revista Médica de Chile, al menos en mosaico XY/XXY, como el de la foto del centro. Es la causa de hipogonadismo más frecuente y la aneuploidía de cromosomas sexuales también más frecuente, afectando a 1 entre 500 a 1.000 varones. Son estériles y presentan aspecto eunucoide. Durante la infancia puede pasar inadvertido, aunque a veces va acompañado de un ligero retraso mental.
La causa es la no disyunción meiótica:


Fuente: «XXY syndrome» de Silver Spoon - Trabajo propio. Disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:XXY_syndrome.svg#/media/File:XXY_syndrome.svg

3. TRIPLE X O SUPERHEMBRA: XXX (TRISOMÍA)


Se trata de individuos femeninos con órganos sexuales atrofiados,fertilidad limitada y bajo coeficiente intelectual. Su prevalencia es de aproximadamente 1 de cada 1.500 niñas. Los padres o las niñas afectadas probablemente no lleguen a darse cuenta de la presencia de esta enfermedad, a menos que se sometan a los exámenes médicos pertinentes. Suelen presenta retraso mental ("borderline"), aunque algunas han llegado a la universidad.

4. DOBLE Y (SUPERMACHO): XYY (TRISOMÍA)



 La relación de esta enfermedad con comportamientos antisociales es polémica. Su desarrollo sexual es normal y suelen ser fértiles. Se ha reportado que su CI es 10 o 15 puntos inferior al de sus hermanos. Su incidencia es de 1 cada 1.000 niños y no parece ser afectada por la edad de los padres.

MUTACIONES GENÓMICAS QUE AFECTAN A LOS AUTOSOMAS

Son las que afectan al nº de cromosomas, siendo detectables con el m.o. y pueden ser:

Aneupoloidías

Son cambios en los cromosomas por ganancia (trisomía) o pérdida de uno de ellos (monosomía).



Se correlaciona con la edad de la madre  (parece que relacionado con el tiempo que permanece la ovogénesis parada en diplotene, lo que puede hacer que el huso meiótico no se forme bien):

Edad materna	Probabilidad de aneuploidía
30	0,26%
35	0,57%
40	1,59%
45	5,26%

En casos excepcionales puede haber mujeres tetrasómicas XXXX y, más excepcionalmente, pentasómicas XXXXX. Dado que por cada X extra, disminuye el CI en, al menos 10, puntos, las últimas tienen un CI de alrededor de 65 (deficiencia mental).

- que afectan a los autosomas:

1. Síndrome de Down

 

Fuente: «Down Syndrome Risk by Maternal Age-semilog» de Delphi234 - Trabajo propio. Disponible bajo la licencia CC0 vía Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Down_Syndrome_Risk_by_Maternal_Age-semilog.svg#/media/File:Down_Syndrome_Risk_by_Maternal_Age-semilog.svg
 Se relaciona estadísticamente con una edad de la madre superior a los 35 años. Las personas con este síndrome tienen problemas cardíacos, digestivos y endocrinos, probablemente por el exceso de proteínas codificadas por el cromosoma 21.

 Los varones con el síndrome son estériles (sólo se han reportado 3 casos en todo el mundo de varones fértiles). No así las mujeres, que pueden tener hijos con el síndrome e hijos sanos. La causa de la trisomía en un 15% se achaca al espermatozoide y en un 85% al óvulo.

2. Síndrome de Edwards (trisomía18): retraso mental.


3. Síndrome de Patau

La mayoría de los casos de síndrome de Patau se deben a una trisomía del cromosoma 13 (consecuencia de una no disyunción meiótica, principalmente en el gameto materno). Aproximadamente un 20% de casos se deben a traslocaciones. 

TIPOS DE MUTACIONES GÉNICAS O MOLECULARES

Afectan a la secuencia de nucleótidos del gen, siendo invisibles con el microscopio. Dan lugar a nuevos alelos. Un ejemplo es la osteogénesis imperfecta o de los huesos de cristal, debida a una mutación génica en el gen del colágeno tipo I. 

MUTACIONES POR SUSTITUCIÓN DE BASES

- TRANSICIONES: A por G o C por T, o viceversa (Púrica por púrica o pirimidínica por pirimidínica).

- TRANSVERSIONES: A o G por C o por T o viceversa (en los huesos de cristal una mutación puede ser la sustitución de G por T). Púrica por pirimidínica o viceversa.

Provocan la alteración de un sólo triplete de un gen. Puede provocar que se altere la función de la proteína o no (en el 1º caso, produce un cambio fenotípico, en el 2º, no).,  dependiendo de si ha afectado a algún aa o no, y al lugar que ocupa el aa en la proteína.  Las transiciones son más abundantes, pues provocan una alteración menor en la doble hélice, de modo que pasan más desapercibidas que las transversiones a los sistemas  de reparación del ADN:

MUTACIONES POR PÉRDIDA O INSERCIÓN DE NUCLEÓTIDOS

- DELECIONES: se pierde un nucleótido (o más).

- INSERCIONES o ADICIONES: se añade un nucleótido (o más).

En ambos casos, además de alterarse la longitud de la proteína, se corre la pauta de lectura y a partir de ese punto (al no ser que se hayan eliminado o añadido 3) toda la proteína va a estar alterada.



CLASIFICACIÓN DE LAS MUTACIONES GÉNICAS POR SUS EFECTOS FENOTÍPICOS

1. SILENCIOSAS (o sinónimas)

El cambio de una base origina un aa sinónimo. Eso suele ocurrir por balanceo (cambio en el 3º nucleótido), aunque en el caso de la Leu, cambia también el 1º nucleótido.

2. NO SILENCIOSAS

  2.1. CON CAMBIO DE SENTIDO. Ej., en la anemia falciforme, cuando el Glu de la posición 6 de la cadena beta de la hemoglobina ha mutado por una Val, resultado de una transversión en la que se ha cambiado T por A en el gen de la globina beta, situado en el cromosoma 11, dando una enfermedad autosómica recesiva (sólo los genotipos aa u homocigóticos recesivos desarrollan la enfermedad, mientras que los Aa o heterocigotos presentan resistencia a la malaria, por lo que el alelo a ha sufrido una presión selectiva en las zonas tropicales de África donde es endémica la malaria o paludismo). El cambio es más pronunciado cuando se cambia un aa polar por uno apolar, como en este caso, o viceversa. En este caso, la hemoglobina resultante, la hemoglobina S, forma unos polímeros anormales por interacciones hidrofóbicas entre la Val y otros aa apolares, y se deforma el eritrocito en forma de hoz, cuando no está transportando el oxígeno, entorpeciendo la circulación sanguínea. Afecta al 0,4% de la población afroamericana (aa) siendo el 8% portadores (Aa).

  2.2. SIN SENTIDO. El nuevo codón es alguno de los tres codones sin sentido o de terminación (FIN), originando proteínas más cortas en su extremo c-terminal. Ejs.: fibrosis quística (enfermedad autosómica recesiva que afecta  a los pulmones), distrofia muscular de Duchenne (miopatía recesiva ligada a X, el gen de la distrofina es el mayor gen conocido, con 2,3 Mb y 79 exones)  y beta-talasemia (un tipo de anemia).

  2.3. CON GANANCIA DE SENTIDO. Es lo inverso del caso anterior: un codón sin sentido muta a uno que significa un aa, dando proteínas más largas en su extremo C-terminal. Ej: la alfa-talasemia, en la que la alfa-hemoglobina es 30 aa más larga. La alfa-talasemia, como la anemia falciforme, produce ventaja frente a la malaria en los heterocigotos, de ahí su prevalencia en Sicilia y Cerdeña, donde un 10% de la población es portadora, por ser regiones donde había malaria).

3. ADICIONES O DELECIONES. 

  3.1. SIN CAMBIO DE PAUTA DE LECTURA. Si son en múltiplo de tres nucleótidos, no cambian la pauta. No son muy graves generalmente.

  3.2. CON CAMBIO DE LA PAUTA DE LECTURA. A partir del punto mutado, toda la secuencia es incorrecta, a veces dando proteínas también más cortas, por lo que la mutación tiene consecuencias fatales al dar proteínas no funcionales.

MUTACIONES

Afectan a las c. somáticas, no transmitiéndose a la descendencia. Pueden provocar un cáncer o que un grupo de c. no hagan bien su función. El individuo con mutaciones somáticas s e convierte en un mosaico genético. Determinadas c. tienen una mutación y el resto no.

Las mutaciones germinales afectan a los gametos y, por lo tanto, pueden afectar a la descendencia. Son las que tienen importancia evolutiva.

Mutaciones génicas

son alteraciones en la secuencia de un gen.

Mutaciones cromosómicas
afectan a la secuencia de genes de un cromosoma.


Mutaciones genómicas
afectan al número de cromosomas del individuo.


Hay dos tipos de mutaciones: las naturales, que aparecen espontánemante, y las inducidas, provocadas por la exposición a agentes mutagénicos.

LA TRANSCRIPCIÓN en procariotas y en eucariotas

El gen como unidad de transcripción
¿Cuál de las dos cadenas es el gen a transcribir?

La cadena que sirve de molde para el ARN es la 3´------>5´. Es la cadena de abajo, ya que el ARN crece en sentido 5´---->3´ y además contiene un triplete complementario del codón de inicio, AUG.

El Promotor tiene secuencias reguladoras (segmentos de ADN a los que se unen proteínas específicas, como los factores de transcripción en eucariotas, definidas, muy conservadas en cada especie, donde las más conocidas son la caja TATA (situada sobre la región -25 en el caso de eucariotas) o TATA box, secuencia consenso presente en arqueas y eucariotas, que en los seres humanos está presente en la cuarta parte de los genes. 
En bacterias hay una secuencia consenso similar, también de tipo TATA: la caja de Pribnow: 
5´TATAAT3´, también llamada -10box, pues está centrada unos 10 pn antes de la señal de comienzo de la transcripción.

Las secuencias 1 y 2 pertenecen a E. coli. La 3 a la levadura.

La TATA box, como otras secuencia consenso, es una secuencia palindrómica. Un palíndromo se lee igual de izquierda a derecha que al contrario, como OSO.


W puede ser A o T.

La Región codificante comienza en el primer triplete que se transcribe y acaba en el último. En eucariotas están interrumpidos por regiones no codificantes: los intrones, cuya función y origen son controvertidos. Inicialmente, incluidos dentro del concepto de ADN basura (ADN que no codifica para proteínas, ARNt o ARNr), actualmente muchos de ellos de ellos son vistos como elementos reguladores del genoma, ya que según ENCODE (consorcio de investigación genómica continuador del PGH, Proyecto Genoma Humano), muchos  de los intrones son transcritos en ARN no codificante (¿regulador?). Sin embargo, su origen y por qué aparecen sólo en eucariotas no está claro, habiendo diversas hipótesis. Según una de ellas los intrones serían elementos genómicos "egoístas" que procederían  de elementos genéticos transponibles o transposones, cuyo origen podría ser ADN vírico.


Las partes azules se transcriben pero no se traducen, aunque regulan la traducción. 

La Región terminadora tiene secuencias terminadoras específicas ricas en GC, seguidas de abundantes A, como 3´CGCGCGCGCGCGAAAA5´. En cualquier caso, al llegar aquí el complejo transcripcional (complejo ARNpol-ADN-ARNm), se libera el ARN recién transcrito.

TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS Y COMPARACIÓN CON EUCARIOTAS

1. Inicio

Formación del complejo ARNpol-promotor e Iniciación.
La ARN pol tiene que reconocer al Promotor, región del ADN a la que se asocia. Los promotores tienen secuencias específicas, como la "TATA box" (secuencia palindrómica, palíndromo) en eucariotas. 

La ARN pol desenrolla una vuelta de hélice, formando una burbuja de transcripción. La cadena de ADN (cadena molde) que se transcribe es la secuencia antisentido (complementaria del ARN) 3´------->5´. El ARN  en transcripción crece en sentido 5´---->3´. La cadena de ADN complementaria de la cadena molde se llama cadena codificante.

2. Elongación.
La ARN pol, igual que la ADN pol, crea una cadena de ARN en sentido 5´---------->3´. En eucariotas, cuando se han añadido los 30 primeros nucleótidos se añade (capping) al extremo 5´una caperuza  (cap) de mGppp (metil-guanosina-trifosfato) invertida, que sirve como señal de inicio en la traducción. Se transcriben exones e intrones. La ARN pol coloca los ribonucleótidos complementarios a los desoxirribonucleótidos del gen, es decir, de la cadena molde y, además, cataliza la formación del enlace fosfodiéster entre estos. El ARN en crecimiento se va separando del ADN molde por su extremo 5´.

3. Terminación.
La ARN pol continúa la transcripción hasta que se encuentra una señal  (secuencia) de terminación. En procariotas esta señal es una secuencia palindrómica rica en GC seguida de numerosas A, que hace que se forme una "horquilla" en el ARN y se separe. 

  En eucariotas, la secuencia de terminación suele ser 5´TTATTT3´. Tras la separación del ARN, una enzima coloca unas 200 A en el extremo 3´, formándose la cola de poli-A.

Maduración.
En procariotas el ARNm no necesita este proceso, pudiéndose traducir inmediatamente, ya que no tienen intrones. 

Por el contrario en eucariotas, debe sufrir un procesamiento postranscricional en el núcleo. Sólo tras acabar este proceso es que los ARN salen del núcleo.
La mayoría de genes codificantes de proteínas tienen intrones entre los exones, que deben ser eliminados mediante el proceso de "splicing" o empalme de los fragmentos de ARN correspondientes a los exones, tras formación de bucles por los intrones y corte. Según como se empalmen los exones, pueden lugar a diferentes proteínas (p.ej. el mismo gen sintetiza diferentes proteínas en el hipotálamo o en el tiroides, según como se empalmen los exones).

Principales diferencias en la transcripción entre procariotas y eucariotas

En procariotas las misma ARNpol sintetiza todos los tipos de ARN.

En eucariotas la ARNpol I transcribe los genes de los ARNr.
La ARNpol II los ARNm.
La ARNpol III los ARNt.

En procariotas no hacen falta factores proteicos de transcripción y en eucariotas sí para formar el complejo transcripcional ARNpol-promotor.

En procariotas no es necesaria la maduración del ARN pero en eucariotas sí por la presencia de intrones.

La transcripción inversa o retrotranscripción (retrovirus como el VIH)

Este proceso, llevado a cabo por la transcriptasa inversa o retrotranscriptasa supuso una modificación del dogma central de la Biología Molecular, de Crick, propuesto inicialmente por Crick en 1958 y replanteado en 1970 en un artículo en Nature. Este mismo año, Temin y Baltimore descubrieron independientemente la transcriptasa inversa, enzima necesaria para que los oncovirus de ARN integren su genoma en el ADN de la célula hospedadora. Por esto ganaron el Nobel en Medicina en 1975, junto a Renato Dulbecco, que también estudió los oncovirus. Los inhibidores de esta enzima, como la AZT o azidotimidina, creada en 1964 como anticancerígeno, están entre los fármacos de más éxito en la lucha contra el VIH (virus del SIDA).



La replicación del ARN y su transcripción inversa son exclusivas de algunos tipos de virus: 

a) los virus de ARN monocatenario negativo (complementario del ARNm) deben aportar la ARNpol dependiente de ARN, puesto que la célula no tiene ARN polimerasa dependiente de ARN. Ejemplos de virus que replican su ARN (-) son los virus de la gripe.

b) los virus de ARN monocatenario positivo y que replican su ARN (+) son los coronavirus. Se llama ARN (+) el que actúa como ARNm y ARN (-) si es complementario del ARNm.

c) los virus de ARN de doble cadena. Realizan el siguiente proceso replicativo: ARNds---> ARNm -----> ARNds. Un ejemplo son los rotavirus, que producen gastroenteritis.

d) los retrovirus, como el VIH, que realizan la transcripción inversa.

EL CÓDIGO GENÉTICO

¿Por qué no era suficiente con una letra ni con dos? ¿Por qué hacen falta tres? El primero en proponer que eran tres, justo después del descubrimiento de la doble hélice fue el físico ruso Gamow (famoso por su defensa del "Big-bang"), pero se equivocó en dos aspectos: él pensaba que era solapado y no degenerado.
Características del código genético:
a) (Cuasi) Universal.
Prácticamente todos los seres vivos utilizan el mismo código, excepto las mitocondrias de algunos grupos y  en algunos cloroplastos, protoctistas o alguna bacteria, en los que hay algunas pequeñas variaciones.
b) Degenerado.
Hay 64 codones para 20 aa (varios codones significan el mismo aa), de los que tres no codifican aa (codones "sin sentido") pero significan FIN (fin de la traducción), y uno, AUG, significa Met e inicio (formil-Met en procariotas).

c) No solapado.
Un científico demostró, provocando mutaciones en el virus del mosaico del tabaco (TMV), que las mutaciones normalmente sólo producían el cambio de un aa y no de dos, como ocurriría si fuese solapado:



d) Sin signos de puntuación internos.
La lectura del código en los ribosomas se hace de un modo continuo, sin interrupciones, hasta llegar al punto final (FIN).

e) No ambiguo. 
Cada triplete codifica uno y sólo un aa.
En la determinación del código genético fue crucial el descubrimiento por el equipo de Severo Ochoa de la polinucleótido-fosforilasa, que era capaz de crear poli-A, poli-U, pol-C y poli-G teniendo en el tubo de ensayo sólo A, sólo U, etc. (sin necesidad de una hebra patrón):

Severo Ochoa: este asturiano ganó el Nobel de Medicina en 1959

Así se estableció la correspondencia entre 4 codones y su aa. Para el resto de codones se utilizaron polímeros de ARN de secuencia conocida, copolímeros sintetizados a partir de dos ribonucleótidos diferentes y mediante ARNt marcados radiactivamente.   

En la tabla del código genético se representan los codones del ARNm.

Balanceo de la última base: UCU, UCC, UCA y UCG significan Ser (serina). Para muchos aa, la 3ª base carece de importancia.

EJERCICIO DE RAZONAMIENTO PEBAU:

¿Qué secuencia de aa se obtendrá  a partir del siguiente gen?

3´-TACCGTTTTCCGGGG...ATT-5´

SOLUCIÓN:

Primero se sintetiza el ARNm:

AUGGCAAAAGGCCCC...UAA

Después se mira en la tabla del código genético la correspondencia con los aa:

(Met)-Ala-Lys-Gly...-COOH 

ERRORES CONGÉNITOS DEL METABOLISMO Y LA TEORÍA "UN GEN-UNA ENZIMA". DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

En 1901 el médico inglés Archibald Garrod descubrió la alcaptonuria, enfermedad autosómica recesiva caracterizada por acumulación de ácido homogentísico, que en la orina se vuelve negro al oxidarse con el aire, por formación de alcaptano. Garrod supuso que en los individuos sanos esta sustancia se transformaba en otra y desaparecía. Así se pasó de "un factor hereditario, un carácter" de la genética mendeliana a "un  factor hereditario, una sustancia". Después, tras sustituir el término mendeliano "factor hereditario" por "gen", en 1909, quedó como "un gen, una sustancia" (un gen anormal era responsable de la aparición de una sustancia que provocaba una enfermedad metabólica. Es decir, la alcaptonuria era un error congénito del  metabolismo.
 Ácido homogentísico o melánico (también se acumula en las articulaciones y cartílagos, produciendo su oscurecimiento).
La enfermedad es provocada por un gen (los individuos enfermos deben ser homocigóticos recesivos, por lo que se considera un enfermedad rara, afectando a 1/250.000 personas, aunque en algunos países la incidencia es mucho mayor, como R. Dominicana, donde la padece 1/19.000 personas, debido a la deriva genética por efecto fundador, explicado por la genética de poblaciones), el HGD, que codifica para la homogentisato-dioxigenasa, acumulándose así el homogentisato:

Como se ve en la ruta catabólica, los alcaptonúricos no pueden metabolizar los aa Phe y Tyr, por lo que deben tomar una dieta pobre en estos aa. La enfermedad no es grave pero afecta a la calidad de vida de quien la padece.

Otros errores congénitos del metabolismo son el albinismo, por falta de tirosinasa, con lo que el individuo no produce melanina, la galactosemia, en la que no se metaboliza la galactosa y ésta se acumula, produciendo lesiones en el hígado y en el SNC, y la fenilcetonuria (PKU). La Phe se acumula y provoca daño cerebral. La enfermedad fue descrita por primera vez por un médico noruego que la detectó en dos hermanos con retraso mental cuya orina y sudor tenía un olor especial. Al demostrarse que una dieta baja en Phe prevenía el desarrollo de la enfermedad en los bebés, se instauró un sistema de detección precoz.

TEORÍA "UN GEN, UNA ENZIMA" DE BEADLE Y TATUM
Sus experimentos  implicaban exponer el Moho Neurospora crassa a rayos X, causando mutaciones. 

En varias series de experimentos, demostraron que esas mutaciones causaron cambios en las enzimas específicas implicadas en las rutas metabólicas. Estos experimentos (publicados en 1941) los llevaron a proponer un vínculo directo entre los genes y las reacciones enzimáticas conocida como la hipótesis “Un gen, una enzima”.
Recibieron en 1958 el Nobel de Medicina por sus descubrimiento sobre el bloqueo enzimático de las rutas metabólicas debido a mutaciones. Lo compartieron con Lederberg, quien también trabajó en el moho del pan.

Posteriormente, se descubrió que todas las proteínas no son enzimas y que hay proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas, la teoría pasó a llamarse, "un gen, una cadena polipeptídica".

Se demostró con el estudio de la hemoglobina humana y de la anemia falciforme (en la que los glóbulos rojos tienen forma de hoz).

Se debe a una mutación en la cadena beta de la Hb, de modo que en cierta posición cambia un aa polar con carga negativa (Glu) por uno apolar (Val).

Los individuos con genotipo homocigótico AA son normales (todos sus eritrocitos llevan HbA, normal). 

Sin embargo, los heterocigóticos AS (con 99% eritrocitos normales y 1% falciformes y los dos tipos de Hb, la HbA o normal y la HbS o mutante ya que tienen la cadena beta mutada) presentan una anemia leve. Esto ocurre en el 8% de los afroamericanos.

Los que tienen serios problemas de supervivencia (cualquier esfuerzo puede tener consecuencias fatales) son los homocigóticos SS, ya que todas sus moléculas de Hb son de HbS. Esto ocurre en el 0,1% de los afroamericanos.

Así quedó demostrado que la mutación en un gen (el de la cadena beta de la Hb) provocaba una alteración en una cadena polipeptídica (la cadena beta). Esto, a su vez, tenía efectos fenotípicos (la anemia).

Lo más interesante de la anemia falciforme es que su amplia prevalencia entre los pueblos africanos que viven en lugares donde la malaria es endémica, es un excelente ejemplo de selección natural darwinista.

Y es que los individuos heterocigóticos tienen ventaja frente a la malaria, por lo que les compensa una anemia leve frente al riesgo de contraer la malaria. De modo que el alelo S en esos ambientes no ha sufrido una selección negativa (no se ha eliminado por selección natural) por la ventaja adaptativa que supone en esos ambientes tropicales donde vive el mosquito transmisor de la malaria. 

Como es algo genético y los afroamericanos proceden de esclavos llevados a América hace menos de tres siglos (poco tiempo para la evolución), en un ambiente sin malaria (EE UU), aunque ha dejado de ser un carácter adaptativo, aun no ha dado tiempo para eliminarse.

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR (CRICK, 1958, replanteado en 1970)

Francis Crick estableció los flujos de información genética en las células (en negro). Posteriormente, se ha ampliado (en rojo) para incluir flujos que emplean ciertos virus:

La transcripción inversa o retrotranscripción la llevan a cabo los retrovirus, como el VIH, causante del SIDA, para lo cual cuentan con una enzima llamada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa.

Se ha comprobado (2021) que la ADN polimerasa Theta de las células eucarióticas también puede sintetizar ADN tomando como molde una cadena de ADN.

Otros virus de ARN son capaces de replicar su genoma de ARN produciendo numerosas copias de ARN, como ocurre con los virus de la gripe o con los coronavirus.

 

 

REPLICACIÓN EN EUCARIOTAS: REPARTO DE HISTONAS Y ACORTAMIENTO DE LOS TELÓMEROS

La replicación en eucariotas presenta algunas diferencias con la replicación en procariotas, derivada de la presencia de histonas en eucariotas y del hecho de éstos no tener cromosomas circulares, sino lineales, con unas secuencias repetitivas en los extremos, los telómeros, que se van acortando en cada ciclo de replicación.
1. Acortamiento de los telómeros por eliminación del cebador, tras lo cual la ADN pol no tiene un extremo 3´ sobre el que añadir nucleótidos de ADN:

En procariotas el hueco es rellenado por la ADN pol utilizando el fragmento de Okazaki adyacente (siempre hay uno al ser la molécula circular).
Este acortamiento telomérico se asocia al envejecimiento, pues pasados unos cien ciclos de replicación ya están tan cortos que las células no se dividen más. En células cancerosas y en células germinales hay una telomerasa capaz de reparar el acortamiento, de modo que siempre conservan la capacidad de división:
 Fue descubierta por Elizabeth Blackburn y Carol Greider en 1985 estudiando el protozoo Tetrahymena. La telomerasa de dicho protozoo presenta un ARN de una longitud de 159 nucleótidos en los que encontramos la secuencia 3'-AACCCCAAC-5', que es complementaria a la secuencia telomérica de Tetrahymena que es: 5'-TTGGGG-3'. Por lo tanto, dicha secuencia de ARN le sirve a la enzima de molde para la síntesis del ADN del telómero haciendo copias de la secuencia TTGGGG (TTAGGG en telómeros humanos). La telomerasa es una enzima que se encarga de la adición de desoxirribonucleótidos a los extremos de los telómeros, pero dicha adición está dirigida por una secuencia de ribonucleótidos o ARN, por lo que podemos decir que se trata de una transcriptasa inversa de características especiales. Hablamos de una ribonucleoproteína que siempre sintetiza la misma secuencia de ADN.

Mª Blasco y la telomerasa


2. Se ha observado que la hebra que sirve de patrón a la conductora es la que se queda con las histonas. La hebra retardada y la que le sirve de patrón se juntan a nuevos octámeros de histonas.

3. No hay un sólo origen de replicación, sino que puede haber un centenar, distribuidos irregularmente en el cromosoma. cada uno da origen a una unidad de replicación o replicón. En bacterias el cromosoma entero es un replicón. En eucariotas, un cromosoma puede tener cien replicones.

RESUMEN DE LAS DIFERENCIAS DE LA REPLICACIÓN EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS:

1. En eucariotas hay mayor diversidad de ADN polimerasas.

2. En eucariotas los fragmentos de Okazaki son como 10 veces menores (de 100 a 200 nucleótidos).

3. En eucariotas hay muchos orígenes de replicación (en un cromosoma de mamífero hay cientos de replicones, lo que es necesario, dada la mayor cantidad de ADN que en procariotas).

4. Las histonas originales se quedan en la hebra adelantada.

REPLICACIÓN EN PROCARIOTAS: EL PROCESO

1. INICIO. La replicación es bidireccional a partir del origen de replicación , con determinada secuencia de nucleótidos. A partir de ese punto las dos hebras se separan y se inicia la replicación copiándose las dos hebras.

Primero, la HELICASA separa las dos hebras de ADN, al romper los puentes de H entre bases complementarias. Esto genera tensiones, que son eliminadas mediante la acción de las TOPOISOMERASAS I (que cortan una cadena) y II o GIRASA (que cortan las dos). Así, se separan y desespiralizan ambas cadenas.

Una vez separadas, se mantienen así por la acción de las proteínas SSB.

Para iniciar la replicación, es decir, la síntesis de nuevas cadenas de ADN, es necesario, que primero se sintetice el cebador de ARN (de 40 a 50 ribonucleótidos) que ofrezca un extremo 3´libre al que añadir nuevos nucleótidos. Esto lo lleva a cabo la PRIMASA (ARN POLIMERASA DEPENDIENTE DE ADN).

2. ELONGACIÓN 

A partir del extremo 3´ del cebador de ARN, una de las cadenas se sintetiza de modo continuo (cadena adelantada o conductora) gracias a la ADN POLIMERASA III, pero la otra sólo puede ir sintetizándose a medida que se va abriendo la doble hélice y se van formando los fragmentos de Okazaki, de modo que su síntesis es discontinua: cadena retrasada.

Se forma una burbuja de replicación con dos horquillas de replicación que avanzan en sentido contrario, ya que la replicación es bidireccional.

La replicación discontinua requiere 4 pasos:

a) Formación del cebador de ARN por la Primasa.

b) Elongación o adición de nucleótidos de ADN por la ADN polimerasa III, hasta que alcanza al fragmento de Okazaki sintetizado anteriormente.

c) Eliminación del cebador mediante la actividad exonucleasa de la ADN polimerasa I y relleno del hueco con nucleótidos de ADN mediante la actividad polimerasa de dicha enzima.

d) Unión de los diferentes fragmentos mediante la ADN Ligasa, formándose un enlace fosfodiéster entre ambos fragmentos.

3. TERMINACIÓN O FINALIZACIÓN

Cada hebra que ha servido de patrón o molde, aparece enrollada en doble hélice con una nueva cadena complementaria. Se separan las dos moléculas hijas  de ADN (las dos dobles hélices), que salvo que haya ocurrido alguna mutación o error al colocar algún nucleótido, son idénticas entre sí y a la molécula madre de ADN. El número de mutaciones se minimiza gracias a que antes de terminar la replicación, se lleva a cabo una AUTOCORRECCIÓN, que se lleva a cabo del siguiente modo:

a) Una endonucleasa detecta la base mal emparejada y realiza un corte en la cadena de ADN.

b) La ADN polimerasa I, con su actividad exonucleasa, elimina un trocito de la cadena, que incluye a la base equivocada, y con su actividad polimerasa, lo vuelve a sintetizar correctamente.

c) La ADN Ligasa une el segmento recién sintetizado a la nueva cadena. 

Para posibilitar la corrección de errores, hay que diferenciar la cadena original de la rcién sintetizada, lo que se consigue metilando las adeninas de la hebra original.

La replicación en Proyecto Biosfera: repaso, animación y actividad 10.

REPLICACIÓN: enzimas implicadas

Enzimas que intervienen:
a) ADN polimerasas. La principal es la ADN pol III.
Tienen actividad polimerasa 5´---->3´.
La primera descubierta en procariotas, la ADNpol I, la aisló Arthur Kornberg en 1956 a partir de E. coli. Posteriormente se descubrrió que las bacterias tienen otras dos ADN polimerasas: la II y la III.
Cada una de ellas está especializada en una o más de estas funciones según cuál sea su papel en la replicación. La ADN Pol I  es la encargada de la eliminación de los cebadores de ARN y el "relleno" del espacio que dejan con ADN (actividad exonucleasa 5' → 3' y actividad polimerasa 5' → 3').  La ADN Pol II está encargada de la corrección de errores con corte de los nucleótidos incorrectos y reparación de los cortes producidos en el ADN volviendo atrás y corrigiendo (actividades exonucleasa 3' → 5'y polimerasa 5´---------->3´), la ADN Pol III que es muy procesiva es la principal encargada de la elongación del ADN (actividad polimerasa 5' → 3') durante la cual también realiza tareas de corrección (actividad exonucleasa 3' → 5').

En eucariotas se han descrito más de una docena de ADN polimerasas diferentes, que se nombran con letras del alfabeto griego:

β, λ, σ, μ (beta, lambda, sigma,  mu)

α, δ, ε (alpha, delta, epsilon)  realizan la mayor parte del trabajo de duplicación de todo el genoma .

η, ι, κ (eta, iota, kappa)

ζ (zeta)

γ, θ (gamma, theta). Se ha descubierto (2021) que la polimerasa theta es capaz de convertir mensajes de ARN en ADN, lo que hace tan bien como la transcriptasa inversa del VIH. Esto puede seruna de las razons de que gran parte del genoma eucariótico sea de origen vírico.

ν (nu)

 Las ADN polimerasas son incapaces de desenrollar el ADN para copiarlo, al contrario que las ARN polimerasas, que lo desenrollan y vuelven a enrollar a medida que progresa la transcripción.

La actividad exonucleasa 3´--->5´de las ADN pol les permite corregir errores. Eso no ocurre con las ARN pol.

Las ADN pol necesitan un cebador que aporte un extremo 3´-OH al que ir añadiendo nucleótidos. Eso no ocurre con las ARN pol.

 b) Helicasas. Enzimas responsables de romper los puentes de H entre bases complementarias y, por lo tanto, de abrir la doble hélice. Dos helicasas trabajan simultáneamente en sentidos opuestos, formando una búrbuja de replicación, con dos mitades: las horquillas de replicación.

c) Topoisomerasas. Desenrollan la doble hélice, eliminando las tensiones generadas a medida que las horquillas avanzan. Una de ellas es la Girasa.

Algunos antibióticos son bactericidas porque inhiben las topoisomerasas bacterianas. También algunos medicamentos usados en la quimioterapia actúan inhibiendo las topoisomerasas de las células cancerosas, evitando así su proliferación. <---- Preguntas de razonamiento

d) Primasa. Cataliza la formación del fragmento de ARN llamado Primer o cebador. Es, por tanto, una ARN pol. El cebador es necesario para que la ADN pol III tenga un punto de partida, un -OH 3´ libre al que añadir nucleótidos.


e) Endonucleasas (que hacen un corte en una cadena) y Exonucleasas (la ADN pol tiene también actividad exonucleasa) que eliminan nucleótidos de los extremos de las cadenas. Son necesarias para la reparación de errores cometidos por la ADN polimerasa III.

Imagen de la Academia Khan

f) ADN ligasa es la enzima que une dos fragmentos de la misma cadena de ADN, necesaria para unir los fragmentos de la hebra retardada.

Proteínas SSB (single-stranded DNA binding proteins) o estabilizadoras: son proteínas que se unen al ADN monocatenario, estabilizándolo, impidiendo que las hebras simples de ADN se renaturalicen o formen estructuras secundarias, de modo que puedan servir de molde para la colocación de las bases de la cadena complementaria.