Download Concepto de gen Concepto de mutación Tipos de mutaciones

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Concepto de gen
Concepto de mutación
Tipos de mutaciones
Importancia de las mutaciones en el proceso evolutivo
La ingeniería genética
El genoma humano
1. CONCEPTO DE GEN
Antes de 1.940 se consideraba gen como la unidad de función y de estructura.
En 1941 Beadle y Tatum propusieron la idea de” un gen = un enzima”.
En 1.950 Benzer dijo que el gen no era la unidad de estructura, ya que podía dividirse en
fragmentos más pequeños: los nucleótidos.
En 1953 Watson y Crick proponen la estructura del ADN a partir de los nucleótidos.
En la actualidad queda el gen como unidad de función y el nucleótido como unidad de
estructura.
Se define GEN como:” un fragmento de ADN o ARN (en ciertos virus), con información
para una cadena polipeptídica o para ARN”.
La información puede no ser continua, sino estar separada por intrones.
En algunos virus se ha descubierto que existen genes solapados en una misma secuencia y
diferenciados únicamente por el nucleótido de inicio.
2. CONCEPTO DE MUTACIÓN
Una mutación es un cambio inesperado en la información biológica, es decir en el genotipo,
por lo que son cambios heredables que se pueden manifestar en el fenotipo.
Estos errores se producen en la replicación, reparación del mensaje genético o por errores en
el reparto de los cromosomas durante la división.
Algunas pueden ser letales y recesivas, por lo que permanecen ocultas.
Otras mutaciones constituyen la fuente de variabilidad que ha permitido la evolución de las
especies mediante la selección natural.
Las mutaciones pueden producirse espontáneamente de forma natural o inducidas
artificialmente mediante agentes mutágenos. Un agente mutágeno es todo factor capaz de aumentar la
frecuencia de mutación natural. Existen diversos factores, tanto físicos como químicos, capaces de actuar
como agentes mutágenos. En realidad, actuarán como agentes mutágenos todos aquellos agentes capaces
de alterar el material genético y en particular, aquellos que alteren la secuencia del ADN. Los principales
agentes mutágenos son:
1) Agentes físicos:
- Las radiaciones electromagnéticas como los rayos X y los rayos gamma.
- Las radiaciones corpusculares como los rayos , los rayos ß y los flujos de protones o neutrones que
generan los reactores nucleares u otras fuentes de radiactividad natural o artificial.
- Ciertos factores físicos como los ultrasonidos, los choque térmicos, la centrifugación, etc.
2) Agentes químicos:
-Los análogos de las bases nitrogenadas.
-El ácido nitroso (HNO2), porque desamina ciertas bases nitrogenadas.
-Los alcaloides como la cafeína, la nicotina, etc.
-El gas mostaza, el agua oxigenada (H2O2), el ciclamato, etc.
Las mutaciones pueden producirse tanto en células somáticas como en células germinales, en
estas últimas tienen mayor trascendencia. Las mutaciones sólo son heredables cuando afectan a las
células germinales.
3. TIPOS DE MUTACIONES
MUTACIONES GÉNICAS
Son puntuales, afectando solo a los
genes. Pueden alterar la composición química
de una base (por agentes mutágenos) o por la
intercolocación o supresión de nucleótidos (en
la replicación).
Es un fenómeno aleatorio.
La frecuencia de mutación es baja ya
que se reparan rápidamente.
Puede ser directa o retrograda
(inversa).
MUTACIONES CROMOSÓMICAS
Provocan cambios en la estructura interna de los cromosomas.
En una población donde exista un polimorfismo para variaciones cromosómicas estructurales,
podemos encontrar individuos homocigóticos estructurales normales, es decir sin ninguna mutación,
individuos homocigóticos estructurales para la mutación, es decir con ambos cromosomas homólogos
afectados por la mutación e individuos heterocigóticos estructurales, con un cromosoma normal y el
otro portador de la mutación. Los individuos heterocigóticos estructurales suelen presentar una
configuración crítica en meiosis y producir gametos inviables
Deleción
Es la pérdida de un fragmento del cromosoma. Son patológicas y
letales. Se pueden detectar con el microscopio, durante la profase de
la meiosis, por la formación de ASAS.
Duplicación
Es la repetición de un segmento del cromosoma. Implican la
aparición de nuevos genes. Se detectan igual que las anteriores.
Inversión
Es el cambio de sentido de un
fragmento del cromosoma. Se
detectan por la formación de
bucles de inversión. Solo afectan
a los descendientes.
Hay dos tipos de inversiones
según su relación con el
centrómero:
Pericéntricas: Incluyen al
centrómero.
Se
detectan
fácilmente al microscopio óptico
pues implican un cambio en la
forma del cromosoma.
Paracéntricas: No incluyen al
centrómero y por tanto tampoco
afectan a la forma del cromosoma.
Translocación
Se produce por el cambio de posición de un segmento de un cromosoma a otro. Si se
produce entre cromosomas NO homólogos recibe el nombre de translocación
recíproca. No suponen deficiencias para el individuo que las padece pero si para su
descendencia. Se detectan por la formación de formas en cruz o anillos.
MUTACIONES CARIOTÍPICAS o GENÓMICAS
Variaciones cromosómicas numéricas
Se pueden distinguir dos tipos:
Euploidías
Cuando la mutación afecta al número de juegos completos de cromosomas con relación al
número normal de cromosomas de la especie.
Se producen por:
No separación de los cromosomas homólogos durante la meiosis.
Se trata de cambios en el número de dotaciones haploides de un individuo. Según esto los
individuos pueden ser:
Haploides ( n )
La haploidía tiene escasa importancia evolutiva, cuando ocurre espontáneamente, sin embargo
el hombre ha utilizado los haploides en su beneficio, sobre todo en la mejora de plantas. Si se logra
duplicar un haploide tendríamos un individuo totalmente homocigótico para todos los genes. Este
hecho tiene una gran importancia en la mejora, ya que para obtener líneas isogénicas u homocigóticas
a partir de un híbrido lleva mucho tiempo y trabajo, mientras que por duplicación de un haploide se
puede ahorrar tiempo y esfuerzo.
Diploides ( 2n )
Triploides ( 3n )
Poliploides ( + de 2n) ;
Esto es común en vegetales y suelen tener mayor vigor y tamaño. Se provocan artificialmente
con colchicina que es un producto químico que impide la formación del huso acromático durante la
división celular.
En animales, también se ha logrado inducir la poliploidía, sobre todo en piscifactorías y con
animales que soporten medianamente bien bajos niveles de poliploidía (ej. en las piscifactorías de
trucha se suele inducir la triploidía, los animales son mas grandes y no tienen desarreglos fisiológicos
incompatibles con la vida).
Aneuploidias
Se dice que un individuo es aneuploide cuando su constitución cromosómica no comprende
un número exacto de genomios completos. Un individuo aneuploide lo puede ser por defecto o por
exceso, es decir puede tener cromosomas de más o de menos, esto supone un desequilibrio que
generalmente los animales soportan peor que las plantas. La aneuploidía, ocurrida de forma
espontánea, es frecuente en la naturaleza, y dependiendo de los cromosomas implicados el organismo
es más o menos viable. En la especie humana son bastante frecuentes las aneuploidías en nacidos
vivos, y las más compatibles con la vida suelen originar trastornos fisiológicos, (ej. Síndrome de
Down), las que afectan a los cromosomas sexuales (Turner, duplo Y, etc), son las que aparentemente
menos alteraciones producen.
Se producen por:
Fusión céntrica:
Dos cromosomas no
homólogos se fusionan entre
sí,
perdiendose
el
centrómero de uno de ellos.
Escisión céntrica:
Un cromosoma se
divide en dos y aparece un
nuevo centrómero.
Errores en el reparto de cromosomas durante la meiosis esporogénica u ovogénica.
Pueden ser:
Monosomía ( 2n - 1 )
Trisomía ( 2n +1 )
Tetrasomía ( 2n + 2 )
En la especie humana se conocen varias mutaciones de este tipo:
Monosomía
Síndrome de Turner ( X0 ), que son mujeres estériles y con un
desarrollo sexual infantil.
Trisomía
Síndrome de Down ( 3 * 21 ), pertenecen a ambos sexos y poseen
deficiencia mental, rasgos orientales y cara ancha y plana.
Síndrome de Klinefelter ( XXY ), que son hombres con las gónadas
poco desarrolladas y retraso mental.
4. LAS MUTACIONES EN EL PROCESO EVOLUTIVO
Cuando en una población aparecen mutaciones, el genotipo va cambiando de generación en
generación, dando lugar a individuos con características distintas de las de sus antecesores. A este
proceso se denomina evolución de las poblaciones y puede dar lugar a nuevas especies. Un ejemplo
de esto es la aparición de las bacterias resistentes a determinados fármacos.
Las mutaciones que se dan en la naturaleza pueden ser más o menos ventajosas para la
supervivencia y reproducción de sus portadores.
Las mutaciones que confieren menor eficacia biológica tenderán a ser eliminadas, fenómeno
que se conoce con el nombre de selección natural, mientras que las que confieren mayor eficacia,
tenderán a mantenerse y a aumentar en la población, ya que los individuos portadores tendrán mayor
probabilidad de sobrevivir y reproducirse que los que no las posean.
El ser humano ha realizado una selección artificial sobre los vegetales y animales domésticos,
modificándolos en su propio provecho. Esto lo ha conseguido seleccionando de entre la variabilidad
natural aquellos individuos mayores o más productivos y cruzándolos entre sí. De esta forma se han
obtenido razas muy diversas, como en el caso del perro.
La evolución se debe a aquellos procesos por los que las poblaciones cambian sus características
genéticas a lo largo del tiempo. Se llama "pool" génico de una población al conjunto de genes de la
misma, formado por todos los alelos de los genes que tienen los individuos que la constituyen. Una
combinación favorable de alelos en un individuo favorece su supervivencia y por tanto su reproducción y
su extensión en la población.
La mutación es la fuente primaria de variación, pero no la única. La recombinación génica
incrementa la variabilidad. La mayoría de los cambios evolutivos se producen por acumulación gradual
de mutaciones en los genes y por variaciones en su número y organización. Ahora bien, la mayor parte
de las mutaciones génicas son deletéreas (mortales) y las que se han mantenido es porque producen una
mejora y son las esenciales para la evolución.
La separación entre los miembros de una población impide el intercambio genético entre los
mismos. Esto produce cada vez más diferenciación al necesitar adaptarse a ambientes distintos. Cuando
con el tiempo se acumulan diferencias que impiden la reproducción entre los miembros de esos grupos
decimos que se trata de especies distintas.
Parece ser que los seres, a lo largo del tiempo, han ido aumentando la cantidad de genes
(duplicaciones) lo que ha supuesto que sobre estos genes duplicados pudieran generarse mutaciones con
un menor riesgo y favorecer el proceso de creación de variabilidad. Así, en eucariotas, la cantidad de
ADN es mayor que en otros grupos y mayor que la necesaria para contener la información genética
5. INGENIERÍA GENÉTICA
Consiste en la introducción de genes en el genoma de un individuo que carece de ellos. Se realiza
gracias a los enzimas de restricción que son capaces de cortar el ADN en puntos concretos y así
separar los puntos que interesan. El ADN mezcla se denomina ADN recombinante. Este se puede
conseguir in vitro.
Se aísla un gen determinado, el ADN pasajero, y mediante un vector adecuado, un plásmido o
un virus, se introduce en bacterias. Estas, al reproducirse, van aumentando el número de copias del
gen. Este proceso se llama clonación y es un proceso asexual que solo se produce en células
totipotentes o pluripotentes (poco especializadas).
LA INSERCIÓN DE GENES
Se corta el ADN pasajero y el ADN vector con la misma enzima de restricción. Estas cortan
en las secuencias palindrómicas que son iguales en ambas hebras y presentan simetría según la
complementariedad de bases: Comienzo G-A-A- y fin -T-T-C. Formando los segmentos cohesivos.
Los genes eucariotas tienen el problema de la existencia de los intrones, que desaparecen en el
proceso de maduración. Los ADNs de eucariotas se obtienen a partir de ARNms maduros por medio
de la transcriptasa inversa, se duplica y se inserta en un virus o un plásmido bacteriano. También se
pueden utilizar ADNs sintetizados artificialmente, dando lugar a los enzimas de diseño.
INGENIERÍA GENÉTICA Y LA TERAPIA DE ENFERMEDADES HUMANAS
Se conocen unas 3.000 enfermedades genéticas. El 2% de los recién nacidos sufren una.
En la mayoría no se han identificado los genes. De los que se conocen en la mayoría no hay
mecanismo para incorporar el gen correcto. Solo se puede incorporar a células somáticas mediante
trasplante ya que en las células germinales no se puede. Lo más utilizado es incorporar el gen a una
bacteria que fabrique la sustancia y luego inyectar esta al enfermo.
1. Introducción de genes en células humanas
Talasemia: Hemoglobina diferente de las normales lo que provoca anemia.
Se introducen los genes en células de la médula ósea.
El problema es la selección de las células productoras de hemoglobina, los genes
se expresan poco y las alteraciones son muy peligrosas.
Carencia de la enzima adenosín desaminasa: Enfermedad de los niños burbuja.
Se trataría igual que la talasemia.
2. Sustancias humanas producidas por bacterias
Insulina: Regula el nivel de glucosa en sangre
Hormona del crecimiento: Para evitar el enanismo
Interferón: Se produce como respuesta a infecciones víricas.
Factor VIII de la coagulación: Evita la hemofilia
INGENIERÍA GENÉTICA Y PRODUCCIÓN AGRÍCOLA Y ANIMAL
Los organismos eucariotas, desarrollados a partir de una célula en la que se han introducido
genes extraños, se denominan transgénicos. Es más difícil de realizar que en las bacterias pero se ha
logrado.
Plantas
Maíz:
Se pueden conseguir plantas con resistencia a las heladas al introducirles el gen
de un pez resistente al frío, así como resistencia a determinadas plagas con genes
del trigo y a herbicidas con genes bacterianos.
Trigo:
Mas nutritivo y resistente a plagas y herbicidas por la introducción de genes de
insectos y bacterias.
Tomate:
Maduración más lenta al eliminar el gen de la maduración.
Otras
Se trabaja en la introducción a plantas superiores del gen “nif” que les daría la
capacidad para fijar de N2 atmosférico.
Animales
Peces:
Debido a su fecundación externa se pueden introducir genes en el cigoto,
obteniéndose de un 10 a un 70% de embriones transgénicos. En mamíferos solo
se obtienen el 1%.
Se han obtenido:
Carpas transgénicas con un crecimiento de un 20 a un 46% más rápido,
gracias al gen de la hormona del crecimiento de la trucha arco iris.
Salmones transgénicos que resisten mejor las bajas temperaturas al añadirles
un gen de la Platija del Ártico. Este gen produce una proteína que se une a los
cristales de hielo e impide su crecimiento.
Mamíferos:
Ratones tres veces más grandes gracias al gen de la hormona de crecimiento.
6. EL PROYECTO GENOMA HUMANO
El 26 de junio de 2000 es ya una fecha para la historia de la humanidad. Tras 10 años de intensa
investigación, el genoma humano, considerado el auténtico libro de la vida, ha sido descifrado en sus
partes esenciales.
Este logro, que abre una nueva era en la lucha contra las enfermedades, fue anunciado
consecutivamente en China, Japón, Francia, Alemania, el Reino Unido y Estados Unidos. Para
conseguir este hito, que corona un siglo de investigación biológica, el proyecto público internacional y
el privado de la empresa estadounidense PE Celera Genomics abandonaron la pugna que mantenían y
decidieron anunciarlo conjuntamente en la Casa Blanca, en una ceremonia presidida por el presidente
Bill Clinton
El Proyecto Genoma Humano comenzó en 1990 en los Estados Unidos con un presupuesto de
375.000 millones de pesetas y un plazo de 15 años, con el objetivo de analizar molecularmente la
herencia genética humana.
Se trata de realizar mapas de cada uno de los cromosomas humanos. Implica dividir los
cromosomas en pequeños fragmentos que puedan ser caracterizados y posteriormente ordenados en el
cromosoma.
Este proyecto supone la realización de dos tipos de mapas:

Mapas genéticos: Estos mapas simplemente indican la posición relativa de los diferentes
genes. Para esta confección se están estudiando la transmisión de caracteres hereditarios,
capaces de ser objetivados de una generación a otra en grandes familias.
Por ejemplo, en Estados Unidos se han localizado muchos genes gracias a estudios realizados
en
comunidades
mormonas,
cuya
endogamia
es
notoria.
En 1994 se terminó el primer mapa genético de todo el genoma humano.

Mapas físicos: De mayor resolución, pues muestra la secuencia de nucleótidos en la molécula
de ADN que constituye el cromosoma. Se obtiene la secuencia de nucleótidos de un gen. Se
realiza fundamentalmente mediante la electroforesis en geles de distintos fragmentos de ADN
y la ayuda de ordenadores. El completar este mapa se ha conseguido cinco años antes de lo
que se esperaba.
Secuenciación de ADN por ordenador con letras y colores.
A finales de los años 80 se propuso el objetivo internacional de conocer la secuencia de
nucleótidos (3 * 109 pares de nucleótidos), de los 100.000 genes del ser humano que están en los 23
cromosomas. (Hoy día sabe que tan solo tenemos unos 31.000 genes)
Se fundo la organización del genoma humano (HUGO) y en 1990 se inició el llamado
Proyecto Genoma Humano.
A partir de este se podrían llegar a conocer los portadores de enfermedades que no se
manifiestan en los primeros años de vida, así como avances importantes en la lucha contra el cáncer y
otras enfermedades como el Alzheimer o la Esquizofrenia.
El primer beneficio se consigue en el diagnostico de enfermedades, pero deberán pasar al
menos 20 años hasta obtener medicamentos y terapias.
Ya se conocen los genomas completos de otras especies como de algunos virus, bacterias y de
la levadura. Es interesante para seguir los pasos de la evolución.
El mapa genético humano ya se ha obtenido, es decir el orden de los genes y su distancia.
Pero la secuencia de nucleótidos o secuenciación no se terminará hasta el 2020.
ÉTICA E INGENIERÍA GENÉTICA
Desde que comenzó la técnica del ADN recombinante ya existían preocupaciones por los
posibles peligros. El virus SV40 produce cáncer en monos. Si se introdujera en E. Coli podría
producir cáncer en humanos.
Lo primero a tener en cuenta es la seguridad y luego la ética que la controla el Comité
Internacional de Bioética de la UNESCO, fundado en 1993 por el español F. Mayor Zaragoza.
Los criterios básicos establecidos son los siguientes:
Límites por motivos ecológicos y de sanidad
Límites por motivos éticos y morales
Respeto a la especie humana
No trabajar con embriones humanos
No modificar las células reproductoras humanas
Límites por motivos sociales
Derecho a la intimidad de los genes
Límites por motivos políticos
La ingeniería genética debe favorecer a todos los humanos y no solo a los que
conocen estas técnicas
Un problema surgido es si se deben patentar las secuencias del genoma que se descubran. Hay
partidarios del si y del no:
- NO, ya que deben estar al servicio de todos.
- SI, para recuperar el dinero invertido en la investigación.