Ejercicios de Adn
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EJERCICIOS DE BIOLOGÍA CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES 2006/2007 PRIMER
CUATRIMESTRE
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
INTRODUCCIÓN La biología es una ciencia que busca comprender el ser vivo en su conjunto así como las interacciones que tiene con el medio y con otros organismos vivos que dan lugar a un ecosistema. Para ello, ha de emplear una gran diversidad de técnicas y métodos que le permitan analizar cómo es el ser vivo y cómo se producen los distintos procesos que permiten la vida tal y como hoy la conocemos. Como parte de este curso se han incluido créditos prácticos que se han dividido en prácticas de laboratorio y ejercicios. Mientras en las prácticas el alumno inicia el contacto con la realización del trabajo experimental, la obtención y el análisis de resultados, con estos ejercicios se pretende que el alumno comprenda y analice fenómenos largos en el tiempo que hacen imposible su realización en unas prácticas experimentales. Los ejercicios se han diseñado para complementar las prácticas experimentales y dar una perspectiva más amplia de lo que es la biología y mostrar los problemas y las técnicas más comunes de laboratorio que se encuentra un bió logo durante el desarrollo de una investigación. EJERCICIO 1 Obtención de una secuencia proteica a partir de una secuencia de DNA Los objetivos de este ejercicio son: familiarizarse con el uso del código genético para obtener la secuencia de una proteína a partir de un gen, analizar como una misma secuencia de DNA puede dar distintas proteínas según el marco de lectura que se emplee, y, finalmente, comprobar los efectos de los distintos tipos de mutaciones puntuales sobre una secuencia génica. 1.- En la primera parte, el alumno tiene que traducir los tres marcos posibles de lectura de la secuencia presentada (ORF open reading frames), según se considere el primer, segundo o tercer nucleótido de la secuencia como la base inicial del primer codón, por lo que podrían obtenerse teóricamente tres posibles péptidos. A continuación, buscar si existe un posible punto de inicio y realizar la traducción de la secuencia de DNA a partir del primer codón que se encuentre (esto es, desde el primer codón ATG que puede ser reconocido para iniciar la traducción).
Es preciso hacer notar que la tabla del código
genético que se proporciona es la que se emplea normalmente en los laboratorios, se indican los codones de DNA (que corresponden a la hebra complementaria a la que se transcribe) y que permiten trabajar directamente con las secuencias de DNA, ya que siempre se emplean 2
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éstas para describir los genes en las publicaciones. Como puede comprobar es equivalente a la que se suele presentar en los libros de texto que corresponde a los codones del RNA. TABLA DEL CÓDIGO GENÉTICO SEGUNDA POSICIÓN DEL CODON
T
T
C
A
G
TTT Phe [F]
TCT Ser [S]
TAT Tyr [Y]
TGT Cys [C]
T
TTC Phe [F]
TCC Ser [S]
TAC Tyr [Y]
TGC Cys [C]
C
TTA Leu [L]
TCA Ser [S]
TAA Ter [end]
TGA Ter [end]
TCG Ser [S]
TAG Ter [end]
TGG Trp [W]
CCT Pro [P]
CAT His [H]
CGT Arg [R]
P TTG Leu [L] R I CTT Leu [L] M CTC Leu [L] E R C CTA Leu [L] A CTG Leu [L] P ATT Ile [I] O ATC Ile [I] S I A ATA Ile [I] C ATG Met [M] I Ó GTT Val [V] N GTC Val [V] G GTA Val [V] GTG Val [V]
GCT Ala [A]
GAT Asp [D]
GGT Gly [G]
A T G E R T C E C R A A G P T O S C I A C G I Ó T N
GCC Ala [A]
GAC Asp [D]
GGC Gly [G]
C
GCA Ala [A]
GAA Glu [E]
GGA Gly [G]
A
GCG Ala [A]
GAG Glu [E]
GGG Gly [G]
G
CCC Pro [P]
CAC His [H]
CGC Arg [R]
CCA Pro [P]
CAA Gln [Q]
CGA Arg [R]
CCG Pro [P]
CAG Gln [Q]
CGG Arg [R]
ACT Thr [T]
AAT Asn [N]
AGT Ser [S]
ACC Thr [T]
AAC Asn [N]
AGC Ser [S]
ACA Thr [T]
AAA Lys [K]
AGA Arg [R]
ACG Thr [T]
AAG Lys [K]
AGG Arg [R]
SECUENCIA DE DNA ...CCCGCCGCGCAGTCCGGGCCCGGCGCGATGGGGGCCGCCGC CGGCCGGAGCCCCCACCTGGGGCCCGCGC... TRES MARCOS DE LECTURA DE LA SECUENCIA DE DNA
ORF 1
ORF 2
ORF 3
P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-A-
P-P-R-S-P-G-P-A-R-W-G-P-P-P-A-G-A-P-T-W-G-P-R-
R-R-A-V-R-A-R-R-D-G-G-R-R-R-P-E-P-P-P-G-A-R-
SECUENCIA PROTEICA DESDE EL PUNTO DE INICIACIÓN (ATG) M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-A-
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2.- ¿Existen diferencias entre los distintos péptidos obtenidos? Si es así, explique a que se deben estas diferencias. La lectura de la secuencia se hace tomando las bases de tres en tres, ya que un grupo de tres bases forma un codón. Dependiendo de la base que se tome como inicial los codones que se forman son diferentes y, por tanto, también será diferente la secuencia proteica. Como se trata de un fragmento de DNA, y no sabemos donde empieza, en principio existen tres posibilidades según si tomamos la primera base, la segunda o la tercera par comenzar a leer los codones (la cuarta base daría, de nuevo, la misma secuencia que la primera pero con un aminoácido menos). Por tanto, existen TRES péptidos diferentes que podrían estar codificados por esta secuencia, dependiendo del marco de lectura empleado en cada caso. En el ejemplo, vemos que al leer la secuencia en uno de los tres posibles marcos de lectura hay un
posible codón de iniciación ATG, que corresponde a la metionina;
este sería un probable punto de
iniciación de un péptido y corresponde al ORF 1 .
3.- Observando la tabla del código genético se puede ver que existen varios aminoácidos codificados por más de un codón. ¿Qué ventajas ofrece esta redundancia? La redundancia significa que un mismo aminoácido está codificado por más de un codón. Aunque, en general, las dos primeras bases suelen ser comunes en los codones que codifican para un mismo aminoácido, puede cambiar la tercera sin que afecte al aminoácido que esta codificado, lo que permite minimizar el efecto de las mutaciones sobre la secuencia de DNA.
4.- Proponga mutaciones en la secuencia que den como resultado lo siguiente: mutación sin sentido inserción
mutación con sentido mutación sinónima deleción
Empleando el ORF 1, indique los péptidos resultantes en cada caso y compárelos con el obtenido previamente. Una mutación sin sentido es la que ocurre cuando al cambiar una base por otra el codón afectado pasa a ser un codón de terminación, como consecuencia se para la traducción produciéndose un péptido truncado y generalmente no funcional, que será más o menos largo dependiendo de la zona donde se produzca la mutación. En una mutación con sentido el cambio de una base por otra provoca un cambio de codón que implica un cambio de aminoácido. En una mutación sinónima el cambio de una base por otra produce un codón sinónimo que no va a afectar al aminoácido. Esta es una ventaja de la redundancia del código genético (pregunta 3), porque al existir diferentes codones que pueden codificar el mismo aminoácido, muchas de las mutaciones que se producen en el DNA quedan silenciadas ya que la proteína final es la misma que antes de que se produjese la mutación. Una inserción (ganancia de un nucleótido) o una deleción (pérdida de una nucleótido), siempre van a producir una modificación en la proteína como consecuencia de un cambio en el orden de lectura de la secuencia a partir de ese punto. Este ejercicio tiene múltiples soluciones según donde se introduzcan las mutaciones. 4
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 Se indica un ejemplo: cccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Original) P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-AcccgccgcgTagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Sin sentido) Cambio de una C por una T. P-A-A-STOP cccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgTgggccgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Con sentido) Cambio de una G por una T. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-W-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-AcccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggcTgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Sinónima) Cambio de una C por una T. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-AcccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagcccccaTcctggggcccgcgc (Inserción) Inserción de una T. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-P-G-A-Rcccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagccccc-cctggggcccgcgc (Deleción) Deleción de una A. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-P-W-G-P-R-
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EJERCICIO 2 Digestión con enzimas de restricción de un DNA El empleo de las enzimas de restricción y los plásmidos es habitual en el laboratorio de Biología. Ambas herramientas son muy potentes y han permitido el desarrollo de la Biología Molecular, siendo hoy en día dos de las piezas claves en el desarrollo de cualquier estudio de esta rama de la Biología. El objetivo de este ejercicio es que el alumno conozca cómo se emplean y cuál es su utilidad básica a la hora de realizar el mapa de un fragmento de DNA a estudiar.
Esto permite conocer la orientación del fragmento dentro un
fragmento mayor y realizar posteriormente el clonaje del mismo en los plásmidos. Posteriormente estos plásmidos se emplean para secuenciar el DNA y realizar estudios funcionales de ese DNA y/o de la proteína que da lugar. 1.- Si estuviéramos trabajando con un DNA lineal como el que se muestra en la figura siguiente, ¿cuál es el tamaño en pares de bases (pb) de los fragmentos de DNA que se obtienen al realizar las digestiones con la enzima d, con la enzima e, con la enzima f y con las distintas combinaciones entre las mismas? Los números corresponden al número de pares de bases del DNA (en total su tamaño es de 1500 pares de bases).
e 0
f
d
500
f 1000
DIGESTIÓN d:
650 pb, 750 pb, 100 pb
DIGESTIÓN e:
250 pb, 1250 pb
DIGESTIÓN f:
500 pb, 500 pb, 500 pb
DIGESTIÓN de:
250 pb, 400 pb, 750 pb, 100 pb
DIGESTIÓN df:
500 pb, 150 pb, 350 pb, 400 pb, 100 pb
DIGESTIÓN ef:
250 pb, 250 pb, 500 pb, 500 pb
d 1500
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2.- En la figura se muestra un plásmido, un DNA circular de origen procariótico, con un tamaño de 4000 pares de bases.
En el mismo hay cinco sitios de restricción, que
corresponden a tres enzimas (a, b y c). La presencia de cinco sitios y solo tres enzimas indica que una o más de las enzimas pueden tener más de un sitio de corte. Al lado se muestra el resultado de una electroforesis en un gel de agarosa, de los productos de las digestiones con las enzimas de restricción. En la electroforesis se separan los fragmentos de DNA generados como consecuencia del corte con las enzimas, en función de su tamaño. El tamaño, como se ha comentado antes, se expresa en pares de base. El gel tiene siete carriles que corresponden a: M a
b
c ab ac bc
0
a
500
3500
5000 pb 4000 pb 4500 pb 3000 pb
4000 pb
3000
1000
a
2500 pb 2000 pb 1500 pb 1000 pb
2500
b
800 pb
1500 2000
600 pb
b
400 pb 200 pb
c
M.- este carril corresponde al marcador, consiste en una serie de fragmentos de DNA con un tamaño conocido que se emplean como referencia para conocer el tamaño de los fragmentos obtenidos en la digestión con las enzimas de restricción. a.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con la enzima a. b.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con la enzima b. c.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con la enzima c. ab.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas a y b al mismo tiempo.
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ac.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas a y c al mismo tiempo. bc.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas b y c al mismo tiempo. En esta parte del ejercicio el alumno tiene que colocar las enzimas en la figura del plásmido, de acuerdo con los resultados de las digestiones. Es importante recordar que las digestiones pueden dar como resultado fragmentos de diferente secuencia pero de igual tamaño, que en la electroforesis migrarán juntos aunque la banda resultante tendrá entonces más intensidad. Para solucionar este ejercicio hay que deducir los tamaños de los fragmentos generados con cada una de las enzimas, observando el número de bandas obtenidas en cada caso y su tamaño, que lo podemos conocer al comparar con las
bandas de los marcadores de tamaño conocido. Por ejemplo, la enzima a da dos
fragmentos de 2500 y 1500pb, respectivamente. Así se van analizando los resultados obtenidos con cada una de las enzimas y sus combinaciones. Una vez que tenemos todos los datos, hay que reconstruir el puzzle de manera que encajen todos los resultados con los puntos de corte de las enzimas que tenemos en el DNA circular problema. La solución con los sitios de reconocimiento de las diferentes enzimas se indican en rojo en el plásmido
3.- Las enzimas de restricción reconocen secuencias palindrómicas. Explique que son las secuencias palindrómicas y que ventajas ofrecen para este tipo de enzimas. Lass ecuenci aspal i ndr ómi cass ons ecuenci asques el eeni gualenl asdoshebr asenels ent i do5’→3’ . Porej empl o,l as ecuenci a5’ GAATTC3’t i enecomohebr acompl ement ar i a3’ CTTAAG5’ .Ambas secuencias, leídas en sentido 5´-3´ son exactamente iguales. Una de las ventajas de las secuencias palindrómicas es que permiten un reconocimiento específico del sitio de corte. A su vez, también permiten cortar el DNA de un vector y el DNA de estudio con la misma enzima, obteniendo extremos iguales y complementarios, lo que es muy importante a la hora de insertar un fragmento de DNA en un vector.
4.- Aunque las enzimas de restricción son empleadas en técnicas de Biología Molecular, tienen su origen en la célula procariótica. Explique cuál es la función original de este tipo de enzimas en la célula procariótica. La función original de las enzimas de restricción en las células procariotas es de defensa, para fragmentar y degradar DNA extraños que penetren en la bacteria.
El DNA de la propia célula está
metilado en estos sitios de reconocimiento, impidiendo que sean reconocidos por las enzimas de restricción. Sin embargo, el DNA extraño, por ejemplo de un virus o fragmentos de DNA libre que penetren en la bacteria, no está metilado, siendo reconocibles en estos sitios por las enzimas y fragmentados. Las células procariotas tienen varias enzimas de restricción, muchas de las cuales son empleadas en el laboratorio.
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EJERCICIO 3 El gen: su estructura básica en los eucariotas El gen es la unidad de transcripción básica. Consta de varios elementos que a lo largo del tiempo se han ido identificando e incorporando a la definición del mismo. A pesar de que en un principio se asoció la presencia de un gen a la de un producto proteico, hoy en día se admite que siempre hay un RNA, aunque éste no siempre es traducido para dar una proteína. En este ejercicio nos centraremos en un gen tipo que codifica para una proteína, pero el alumno ha de tener presente que existen muchas variaciones sobre este esquema básico y que, además de productos proteicos, los genes también codifican para RNAs con diversas funciones celulares. 1.- En la figura se muestra el esquema general de un gen transcrito por RNA polimerasa II.
Se representan varios elementos estructurales e implicados en la
transcripción. Situar cada uno de los elementos en la figura y explicar brevemente que es cada uno de ellos.
1 2 3 4
Exón Intrón Secuencia TATA Secuencias reguladoras
7
4
3 5
5 Punto de inicio de la transcripción 6 Punto de fin de la transcripción 7 ARN polimerasa
1
6
2
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2. intrón: región de DNA no codificante, que se localiza en el DNA de las células eucariotas. Los intrones se encuentran intercaladas entre las regiones de DNA codificante denominadas exones (1.)
3. Secuencia TATA: secuencia corta de DNA que se encuentra a unos 25 pares de bases del punto de inicio de la transcripción hacia el extremo 5´ de la hebra de DNA molde. Su función es la de unirse a un factor de transcripción ayudando así al comienzo del proceso.
4. Secuencias reguladoras. 5. Punto de inicio de la transcripción. 6. Punto de fin de la transcripción. 7. ARN polimerasa: es la enzima que cataliza los procesos de síntesis de RNA utilizando como molde una de las hebras de DNA.
2.- Además del mRNA existen otros tipos de RNAs, ¿cuáles son? Explicar su función en la célula.
Existen tres tipos básicos de RNAs.
El que presenta más variedad es el RNA mensajero, cuya
función es servir de intermediario en el transporte de información desde el DNA a la proteína. Es producido a partir de los genes que codifican para las distintas proteínas y se traduce en el ribosoma. Contiene la información que será traducida a proteína, por lo que su secuencia de nucleótidos es la que determinará la secuencia de aminoácidos. El RNA ribosómico tiene una función estructural. Forma parte de los ribosomas, orgánulos celulares encargados de la traducción del RNA mensajero.
Su transcripción se produce a partir de los genes
ribosómicos que se encuentran formando el nucleolo. Sufre un procesamiento para dar los distintos RNAs que participan en el ribosoma. El tercer tipo es el RNA de transferencia.
Son RNAs de pequeño tamaño que se encargan de
transportar los aminoácidos hasta el ribosoma. Allí se produce el ensamblaje de la proteína gracias a que el anticodón de su secuencia es complementario al codón del RNA mensajero de tal manera que puede colocar el aminoácido correspondiente. Cada molécula de Pueden existir varios RNAs de transferencia para un mismo aminoácido de igual forma que pueden existir más de un codón para un mismo aminoácido. Además de estos tres tipos básicos de RNAs existen otros que han sido descubiertos durante los últimos años como los RNAs de pequeño tamaño nucleares.
3.- La expresión de una proteína puede ser regulada en distintos niveles, uno de ellos es la transcripción. En esta regulación participan las secuencias reguladoras, que pueden ser de diversos tipos y responden a diversos estímulos. Comentar dos situaciones por las que se puede modificar la expresión de proteínas en una célula explicando porqué se produce ese cambio y cómo afecta a la célula.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 La célula responde a su entorno de varias maneras. Una de ellas puede ser modificando la expresión de algunos genes, lo cual tiene como consecuencia un cambio en la expresión de las proteínas codificadas por estos genes. La expresión génica, y por tanto la producción de proteínas, puede ser controlada a distintos niveles: transcripción, postranscripción, traducción y postraducción El método más importante para regular la expresión de proteínas es a nivel de transcripción, y se produce cuando proteínas reguladoras específicas se unen a las regiones reguladoras del gen. Estas proteínas, conocidas con el nombre de factores de transcripción, reconocen secuencias específicas del promotor modificando su estado, de forma que pueden activarlo o reprimirlo según sea el caso. Su unión a los sitios reguladores aumentan, disminuyen
o inhiben totalmente la transcripción del mRNA. De esta
forma se incrementa, disminuye o inhibe totalmente la producción de la proteína codificada por él. Otro ejemplo es el control de la traducción del mRNA. De igual modo que en el caso anterior, existen proteínas específicas que pueden unirse al mRNA y regular su traducción, de forma que no todo el mRNA producido va a ser traducido con igual eficiencia. Existen represores de la traducción que pueden inhibir la traducción de un determinado mensajero y bloquear de este modo la producción de la proteína que codifica. Este tipo de regulación es importante en el caso de mRNA de vida larga.
4.- El RNA mensajero resultante de la transcripción sufre una serie de modificaciones para poder ser traducido que incluye en algunos casos un proceso de maduración. Comentar es t asmodi fi caci onesyexpl i carbr ev ement equeesel“ s pl i ci ng” .
El RNA mensajero sufre una serie de modificaciones durante la transcripción y posteriormente, para dar el mRNA maduro que va a salir del núcleo y pasará al citoplasma donde se une a los ribosomas para traducirse en una proteína. Durante la transcripción se produce la adición de una estructura, denominada caperuza G, a su ext r emo5’ . Es t acaper uza, formada por GTP, favorece la unión del RNA mensajero al ribosoma para la traducción, siendo el punto de anclaje y convirtiendo al RNA mensajero en sustrato para las siguientes modificaciones de la maduración. Una vez finalizada la transcripción se produce la adición de una “ cola poli A”enelext r emo3’ . El RNA mens aj er oescor t adoens uext r emo3’porunaenzi maquer econocel as ecuenci acons ens oAAUAAA, tras lo cual se añade una serie de residuos de adenina (pueden llegar hasta 300 nucleótidos). La utilidad de esta cola está relacionada con el transporte del RNA mensajero desde el núcleo al citoplasma y la acción de las exonucleasas sobre el RNA (impide que digieran el mismo hasta una zona codificante). El “ splicing”es un procesamiento del RNA mensajero característico de los eucariotas. Los genes de los eucariotas se caracterizan por tener regiones no codificantes, denominadas intrones, intercaladas entre las zonascodi fi cant eso exones . Dur ant e el“ s pl i ci ng”s e el i mi nan l osi nt r onespormedi o de un proceso de corte seguido de empalme de exones, dando como resultado un RNA mensajero maduro que tiene sólo la secuencia de exones que codifica para la proteína. El “ s pl i ci ng”ofr ecel apos i bi l i daddepodercodi fi cardi s t i nt asal t er nat i v asenunmi s mogen,esdeci r en el mismo espacio de DNA, puesto que el gen está constituido por módulos se pueden eliminar unos u 11
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 otros; esto, que se denomina splicing alternativo, puede generar diferentes variantes de una proteína (que pueden tener distintas actividades, localizaciones o sitios de unión). En definitiva ofrece una gran versatilidad y economía. Hoy en día se conocen bastantes genes que pueden sufrir splicing alternativo y de esta forma generan proteínas diferentes.
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EJERCICIO 4 Biología celular: división y diferenciación La célula es una entidad dinámica que puede ser por sí misma un organismo completo, ser unicelular, o formar parte de un ser pluricelular.
Los seres unicelulares necesitan
reproducirse teniendo diversas opciones para ello. Los seres pluricelulares se forman a partir de una única célula inicial, que tiene que dividirse para dar lugar a los distintos órganos y sistemas que conforman el organismo completo. Durante este proceso, además las células resultantes se diferencian y originan los distintos tipos celulares que conforman los tejidos y los órganos del organismo complejo. El objetivo de este ejercicio es resaltar que la célula, a lo largo de su vida,
se
enfrenta a distintas situaciones que están relacionadas entre sí y que juegan un papel tanto en la formación del organismo como en situaciones patológicas. 1.- En la figura se presenta un esquema básico con 9 posibles situaciones en las que podemos encontrar una célula. Cada uno de los términos que hay, corresponde a una de esas situaciones representadas por un número en el dibujo. El alumno ha de asociar cada uno de los esquemas con la descripción que le corresponda.
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9
1 5 2
8
4 3
6
8 5 2 9 1 6 7 4 3
Transformación Diferenciación Fase G2 Senescencia Fase S Apoptosis Necrosis Fase G1 Mitosis
5 9 7 8 2 1 6 3 4
7
La célula se especializa y cesa su división Arresto irreversible del crecimiento celular Muerte celular La célula se desdiferencia dividiendose descontroladamente La célula se prepara para la división La célula replica su DNA Muerte celular programada División celular La célula crece 14
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2.- La formación de un tumor es producto de la transformación celular.
Esta
transformación provoca una desregulación de la célula diferenciada reiniciando su ciclo división.
De las 9 situaciones expuestas en la figura, ¿cuáles piensa que pueden ser
mecanismos celulares para impedir que la célula transformada progrese? Razone la respuesta. La formación de un tumor es consecuencia de una desdiferenciación de la célula y el reinicio del ciclo celular, de forma que una célula que no debería hacerlo comienza a dividirse.
Sin embargo, existen
mecanismos que tratan de impedir este proceso, aunque desgraciadamente no siempre son efectivos. El ciclo celular es un proceso fuertemente regulado que tiene múltiples puntos de control o chequeo. Si se detecta un problema y alguno de los puntos de control no es superado con éxito, la célula activa una serie de mecanismos para impedir que el ciclo avance y que
la célula se divida. Algunos de estos
mecanismos son muy agresivos, llegando incluso a eliminar la célula. En el caso de la formación de células tumorales hay dos mecanismos celulares básicos para impedir que progrese. El primero de ellos, mejor conocido ya que está siendo muy estudiado actualmente es la apoptosis. Consiste en la activación de un programa genético que conduce a la muerte celular. Puede ser activado en varios puntos del ciclo celular y por señales externas (por ejemplo, células del sistema inmune que detectan células tumorales). El objetivo es la autodestrucción de la célula, impidiendo la progresión del tumor al destruir la célula. Actualmente la mayor parte de los medicamentos antitumorales buscan provocar la activación específica de los genes de la apoptosis en las células tumorales El otro mecanismo celular que también puede impedir el progreso de la célula tumoral es la entrada de la célula en senescencia. En este caso se produce una parada total del crecimiento y la división celular, la célula está viva pero se encuentra en estado estacionario.
3.- La apoptosis y la necrosis son dos tipos de muerte celular. Explicar brevemente las diferencias entre ellas y la utilidad de la apoptosis en un organismo multicelular durante su desarrollo. La apoptosis es la muerte celular programada que se produce en la célula como respuesta a estímulos diversos. La necrosis, por el contrario, es la muerte celular resultado de cambios en el ambiente que llevan a la destrucción de la célula. Mientras la primera implica la activación de una serie de procesos regulados genéticamente por la misma célula, la segunda es un proceso caótico e inespecífico. La apoptosis es un proceso ordenado en el que se van activando los genes de determinadas enzimas específicas que producen la digestión del DNA y proteínas, así como de la fragmentación de membranas. La necrosis se produce por la degradación inespecífica del DNA y de las proteínas por la liberación de las enzimas contenidas en los lisosomas y otros orgánulos. En los organismos pluricelulares, la apoptosis aporta la posibilidad de moldear estructuras corporales durante el desarrollo embrionario, por una eliminación ordenada y programada genéticamente de determinadas células o grupos de células. Por otro lado, también ofrece un mecanismo versátil a la hora de 15
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 defenderse de infecciones (la célula infectada puede entrar en apoptosis, proceso que puede ser inducido por las células inmunitarias) o de células aberrantes dentro del propio organismo (células tumorales).
4.- En el ciclo celular se representa la división de la célula por medio de mitosis. Además de la mitosis, en los organismos pluricelulares existe otro tipo de división celular que permite la formación de los gametos denominada meiosis.
Hacer un esquema
comparativo de la mitosis y la meiosis en el que se expongan las diferencias y las semejanzas entre ambos tipos de división.
La mitosis es un proceso de división celular que da como resultados dos células. La meiosis es, por otro lado, la sucesión de dos divisiones para dar lugar a cuatro células. Durante la meiosis hay un proceso de reducción del número de cromosomas a la mitad y de recombinación de los genes en los cromosomas homólogos que en la mitosis no se da, por lo que mientras que la meiosis da lugar a células que tienen diferencias entre ellas la mitosis da lugar a dos células genéticamente idénticas. Como resultado de la mitosis se produce la división de una célula en dos células hijas iguales entre ellas e iguales a la progenitora. En la meiosis, por el contrario, se produce la formación de cuatro células, los gametos, que son diferentes entre sí y diferentes a la célula progenitora, y se produce un aumento de la variabilidad genética por medio de la recombinación. En la mitosis se produce la separación las cromátidas hermanas a cada uno de los polos durante la anafase. En la meiosis se produce la separación de los cromosomas homólogos en la primera división en la anafase I y de las cromátidas en la segunda división durante la anafase II.
En ambos casos los
microtúbulos son los encargados del desplazamiento de los cromosomas/cromátidas hacia los polos. Por último, la mitosis es el proceso de división común a todos los tipos celulares mientras que la meiosis es un tipo de división muy específica que sólo se produce en las células germinales.
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EJERCICIO 5 Análisis de la herencia de enfermedades genéticas El objetivo de este ejercicio es familiarizarse con la herencia mendeliana de caracteres monogénicos, deducir datos genéticos a partir de genealogías, y calcular probabilidades de herencia de caracteres, tanto a nivel de genotipo como de fenotipo. Como ejemplo se va a realizar el estudio de la enfermedad conocida como fibrosis quística en una familia. La fibrosis quística es una enfermedad de origen genético, de carácter monogénico, determinada por un alelo recesivo autosómico. Hoy día se ha avanzado mucho en su estudio, y se disponen de numerosos datos acerca de la base genética y molecular de esta enfermedad. El gen normal se encuentra localizado en el cromosoma 7 humano, y codifica una proteína de transporte que se localiza en la membrana de las células e interviene en el transporte de iones cloruro.
Existe un alelo recesivo que produce una proteína no
funcional. Cuando una persona es homocigota para este alelo manifiesta la enfermedad, caracterizada por secreciones mucosas anormalmente densas en las células que tapizan los pulmones, los órganos digestivos y reproductores, provocando graves trastornos de salud. Su frecuencia es alta en la raza blanca, siendo de aproximadamente uno en 2500 frente a uno de cada 17000 niños negros nacidos con esta enfermedad. Es una enfermedad grave, aunque la severidad de los síntomas varía de paciente en paciente.
Puede llegar a producir graves trastornos respiratorios, con degeneración
pulmonar que provoca la muerte. No obstante, existe tratamiento paliativo, que requiere medicación diaria para aliviar los síntomas. Actualmente se investiga en nuevos fármacos y se están realizando ensayos de terapia génica. Una pareja formada por un hombre y una mujer, ambos con antecedentes familiares de la enfermedad, está considerando tener hijos y decide someterse a un estudio para analizar previamente las posibilidades de transmitir esta enfermedad, aunque ninguno de ellos presenta síntomas de la misma. Para lo cual le piden consejo.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
●Enpr i merl ugar ,anal i cel osant ecedent esfami liares de ambos. En la figura se representa el árbol genealógico de la mujer (8) y del hombre (9).
afectado afectada gemelas
1
†
fallecido
2
3
4
† 5
6
7
8
9
10
11
12
? Como puede observar, el padre de la mujer así como dos hermanas gemelas del hombre padecen la enfermedad. 1. Con estos datos ¿es posible deducir los genotipos de todos los representados en el esquema? ¿Cuáles serán los posibles genotipos de 8 y 9? 1
2
3
4
qq
Qq
Qq
Qq
5
6
7
8
qq
Qq
Qq
Qq
9
10
11
12
Qq ó QQ
qq
qq
Qq ó QQ
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
● Pos t er i or ment e,s e deci de r eal i zarun anál i s i sgenét i coani v elmol ecul ardando como resultado que ambos, 8 y 9, son portadores del alelo (q) de la fibrosis quística. Con estos datos responda a las cuestiones que le plantea la pareja, considerando únicamente este gen (cromosoma 7, alelos Q y q) y los cromosomas sexuales.
2. ¿Cuántos tipos de óvulos diferentes puede producir la mujer? QX
qX
3. ¿Cuántos tipos de espermatozoides diferentes puede producir el hombre? QX
qX
QY
qY
4. ¿Cuál es la probabilidad de tener un hijo varón sano y no portador? 1/4 x 1/2 = 1/8 (QQXY) 5. ¿Cuál es la probabilidad de tener un descendiente (varón o hembra) sano? 6/8 = 3/4 6. ¿Cuál es la probabilidad de tener una hija portadora de la enfermedad? hija sana pero portadora 2/8 = 1/4 (QqXX) 7. Les gustaría tener una pareja (niño y niña) ambos sanos y no portadores ¿cuál es la probabilidad de que se cumplan sus deseos? 1/4 x 1/2 = 1/8 QQXY 1/4 x 1/2 = 1/8 QQXX 1/8 x 1/8 = 1/64
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
8. Poniéndose en el supuesto de que su primer hijo hubiera nacido ya con la enfermedad ¿cuál sería la probabilidad de que su segundo hijo naciera con la enfermedad también? La misma, ya que se trata de dos sucesos independientes, una vez que ha nacido el primer hijo el genotipo del segundo hijo no depende de cómo fuera el del primero.
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CUATRIMESTRE
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
INTRODUCCIÓN La biología es una ciencia que busca comprender el ser vivo en su conjunto así como las interacciones que tiene con el medio y con otros organismos vivos que dan lugar a un ecosistema. Para ello, ha de emplear una gran diversidad de técnicas y métodos que le permitan analizar cómo es el ser vivo y cómo se producen los distintos procesos que permiten la vida tal y como hoy la conocemos. Como parte de este curso se han incluido créditos prácticos que se han dividido en prácticas de laboratorio y ejercicios. Mientras en las prácticas el alumno inicia el contacto con la realización del trabajo experimental, la obtención y el análisis de resultados, con estos ejercicios se pretende que el alumno comprenda y analice fenómenos largos en el tiempo que hacen imposible su realización en unas prácticas experimentales. Los ejercicios se han diseñado para complementar las prácticas experimentales y dar una perspectiva más amplia de lo que es la biología y mostrar los problemas y las técnicas más comunes de laboratorio que se encuentra un bió logo durante el desarrollo de una investigación. EJERCICIO 1 Obtención de una secuencia proteica a partir de una secuencia de DNA Los objetivos de este ejercicio son: familiarizarse con el uso del código genético para obtener la secuencia de una proteína a partir de un gen, analizar como una misma secuencia de DNA puede dar distintas proteínas según el marco de lectura que se emplee, y, finalmente, comprobar los efectos de los distintos tipos de mutaciones puntuales sobre una secuencia génica. 1.- En la primera parte, el alumno tiene que traducir los tres marcos posibles de lectura de la secuencia presentada (ORF open reading frames), según se considere el primer, segundo o tercer nucleótido de la secuencia como la base inicial del primer codón, por lo que podrían obtenerse teóricamente tres posibles péptidos. A continuación, buscar si existe un posible punto de inicio y realizar la traducción de la secuencia de DNA a partir del primer codón que se encuentre (esto es, desde el primer codón ATG que puede ser reconocido para iniciar la traducción).
Es preciso hacer notar que la tabla del código
genético que se proporciona es la que se emplea normalmente en los laboratorios, se indican los codones de DNA (que corresponden a la hebra complementaria a la que se transcribe) y que permiten trabajar directamente con las secuencias de DNA, ya que siempre se emplean 2
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
éstas para describir los genes en las publicaciones. Como puede comprobar es equivalente a la que se suele presentar en los libros de texto que corresponde a los codones del RNA. TABLA DEL CÓDIGO GENÉTICO SEGUNDA POSICIÓN DEL CODON
T
T
C
A
G
TTT Phe [F]
TCT Ser [S]
TAT Tyr [Y]
TGT Cys [C]
T
TTC Phe [F]
TCC Ser [S]
TAC Tyr [Y]
TGC Cys [C]
C
TTA Leu [L]
TCA Ser [S]
TAA Ter [end]
TGA Ter [end]
TCG Ser [S]
TAG Ter [end]
TGG Trp [W]
CCT Pro [P]
CAT His [H]
CGT Arg [R]
P TTG Leu [L] R I CTT Leu [L] M CTC Leu [L] E R C CTA Leu [L] A CTG Leu [L] P ATT Ile [I] O ATC Ile [I] S I A ATA Ile [I] C ATG Met [M] I Ó GTT Val [V] N GTC Val [V] G GTA Val [V] GTG Val [V]
GCT Ala [A]
GAT Asp [D]
GGT Gly [G]
A T G E R T C E C R A A G P T O S C I A C G I Ó T N
GCC Ala [A]
GAC Asp [D]
GGC Gly [G]
C
GCA Ala [A]
GAA Glu [E]
GGA Gly [G]
A
GCG Ala [A]
GAG Glu [E]
GGG Gly [G]
G
CCC Pro [P]
CAC His [H]
CGC Arg [R]
CCA Pro [P]
CAA Gln [Q]
CGA Arg [R]
CCG Pro [P]
CAG Gln [Q]
CGG Arg [R]
ACT Thr [T]
AAT Asn [N]
AGT Ser [S]
ACC Thr [T]
AAC Asn [N]
AGC Ser [S]
ACA Thr [T]
AAA Lys [K]
AGA Arg [R]
ACG Thr [T]
AAG Lys [K]
AGG Arg [R]
SECUENCIA DE DNA ...CCCGCCGCGCAGTCCGGGCCCGGCGCGATGGGGGCCGCCGC CGGCCGGAGCCCCCACCTGGGGCCCGCGC... TRES MARCOS DE LECTURA DE LA SECUENCIA DE DNA
ORF 1
ORF 2
ORF 3
P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-A-
P-P-R-S-P-G-P-A-R-W-G-P-P-P-A-G-A-P-T-W-G-P-R-
R-R-A-V-R-A-R-R-D-G-G-R-R-R-P-E-P-P-P-G-A-R-
SECUENCIA PROTEICA DESDE EL PUNTO DE INICIACIÓN (ATG) M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-A-
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
2.- ¿Existen diferencias entre los distintos péptidos obtenidos? Si es así, explique a que se deben estas diferencias. La lectura de la secuencia se hace tomando las bases de tres en tres, ya que un grupo de tres bases forma un codón. Dependiendo de la base que se tome como inicial los codones que se forman son diferentes y, por tanto, también será diferente la secuencia proteica. Como se trata de un fragmento de DNA, y no sabemos donde empieza, en principio existen tres posibilidades según si tomamos la primera base, la segunda o la tercera par comenzar a leer los codones (la cuarta base daría, de nuevo, la misma secuencia que la primera pero con un aminoácido menos). Por tanto, existen TRES péptidos diferentes que podrían estar codificados por esta secuencia, dependiendo del marco de lectura empleado en cada caso. En el ejemplo, vemos que al leer la secuencia en uno de los tres posibles marcos de lectura hay un
posible codón de iniciación ATG, que corresponde a la metionina;
este sería un probable punto de
iniciación de un péptido y corresponde al ORF 1 .
3.- Observando la tabla del código genético se puede ver que existen varios aminoácidos codificados por más de un codón. ¿Qué ventajas ofrece esta redundancia? La redundancia significa que un mismo aminoácido está codificado por más de un codón. Aunque, en general, las dos primeras bases suelen ser comunes en los codones que codifican para un mismo aminoácido, puede cambiar la tercera sin que afecte al aminoácido que esta codificado, lo que permite minimizar el efecto de las mutaciones sobre la secuencia de DNA.
4.- Proponga mutaciones en la secuencia que den como resultado lo siguiente: mutación sin sentido inserción
mutación con sentido mutación sinónima deleción
Empleando el ORF 1, indique los péptidos resultantes en cada caso y compárelos con el obtenido previamente. Una mutación sin sentido es la que ocurre cuando al cambiar una base por otra el codón afectado pasa a ser un codón de terminación, como consecuencia se para la traducción produciéndose un péptido truncado y generalmente no funcional, que será más o menos largo dependiendo de la zona donde se produzca la mutación. En una mutación con sentido el cambio de una base por otra provoca un cambio de codón que implica un cambio de aminoácido. En una mutación sinónima el cambio de una base por otra produce un codón sinónimo que no va a afectar al aminoácido. Esta es una ventaja de la redundancia del código genético (pregunta 3), porque al existir diferentes codones que pueden codificar el mismo aminoácido, muchas de las mutaciones que se producen en el DNA quedan silenciadas ya que la proteína final es la misma que antes de que se produjese la mutación. Una inserción (ganancia de un nucleótido) o una deleción (pérdida de una nucleótido), siempre van a producir una modificación en la proteína como consecuencia de un cambio en el orden de lectura de la secuencia a partir de ese punto. Este ejercicio tiene múltiples soluciones según donde se introduzcan las mutaciones. 4
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 Se indica un ejemplo: cccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Original) P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-AcccgccgcgTagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Sin sentido) Cambio de una C por una T. P-A-A-STOP cccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgTgggccgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Con sentido) Cambio de una G por una T. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-W-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-AcccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggcTgccgccggccggagcccccacctggggcccgcgc (Sinónima) Cambio de una C por una T. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-L-G-P-AcccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagcccccaTcctggggcccgcgc (Inserción) Inserción de una T. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-H-P-G-A-Rcccgccgcgcagtccgggcccggcgcgatgggggccgccgccggccggagccccc-cctggggcccgcgc (Deleción) Deleción de una A. P-A-A-Q-S-G-P-G-A-M-G-A-A-A-G-R-S-P-P-W-G-P-R-
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
EJERCICIO 2 Digestión con enzimas de restricción de un DNA El empleo de las enzimas de restricción y los plásmidos es habitual en el laboratorio de Biología. Ambas herramientas son muy potentes y han permitido el desarrollo de la Biología Molecular, siendo hoy en día dos de las piezas claves en el desarrollo de cualquier estudio de esta rama de la Biología. El objetivo de este ejercicio es que el alumno conozca cómo se emplean y cuál es su utilidad básica a la hora de realizar el mapa de un fragmento de DNA a estudiar.
Esto permite conocer la orientación del fragmento dentro un
fragmento mayor y realizar posteriormente el clonaje del mismo en los plásmidos. Posteriormente estos plásmidos se emplean para secuenciar el DNA y realizar estudios funcionales de ese DNA y/o de la proteína que da lugar. 1.- Si estuviéramos trabajando con un DNA lineal como el que se muestra en la figura siguiente, ¿cuál es el tamaño en pares de bases (pb) de los fragmentos de DNA que se obtienen al realizar las digestiones con la enzima d, con la enzima e, con la enzima f y con las distintas combinaciones entre las mismas? Los números corresponden al número de pares de bases del DNA (en total su tamaño es de 1500 pares de bases).
e 0
f
d
500
f 1000
DIGESTIÓN d:
650 pb, 750 pb, 100 pb
DIGESTIÓN e:
250 pb, 1250 pb
DIGESTIÓN f:
500 pb, 500 pb, 500 pb
DIGESTIÓN de:
250 pb, 400 pb, 750 pb, 100 pb
DIGESTIÓN df:
500 pb, 150 pb, 350 pb, 400 pb, 100 pb
DIGESTIÓN ef:
250 pb, 250 pb, 500 pb, 500 pb
d 1500
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
2.- En la figura se muestra un plásmido, un DNA circular de origen procariótico, con un tamaño de 4000 pares de bases.
En el mismo hay cinco sitios de restricción, que
corresponden a tres enzimas (a, b y c). La presencia de cinco sitios y solo tres enzimas indica que una o más de las enzimas pueden tener más de un sitio de corte. Al lado se muestra el resultado de una electroforesis en un gel de agarosa, de los productos de las digestiones con las enzimas de restricción. En la electroforesis se separan los fragmentos de DNA generados como consecuencia del corte con las enzimas, en función de su tamaño. El tamaño, como se ha comentado antes, se expresa en pares de base. El gel tiene siete carriles que corresponden a: M a
b
c ab ac bc
0
a
500
3500
5000 pb 4000 pb 4500 pb 3000 pb
4000 pb
3000
1000
a
2500 pb 2000 pb 1500 pb 1000 pb
2500
b
800 pb
1500 2000
600 pb
b
400 pb 200 pb
c
M.- este carril corresponde al marcador, consiste en una serie de fragmentos de DNA con un tamaño conocido que se emplean como referencia para conocer el tamaño de los fragmentos obtenidos en la digestión con las enzimas de restricción. a.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con la enzima a. b.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con la enzima b. c.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con la enzima c. ab.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas a y b al mismo tiempo.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
ac.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas a y c al mismo tiempo. bc.- este carril corresponde a los fragmentos de DNA obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas b y c al mismo tiempo. En esta parte del ejercicio el alumno tiene que colocar las enzimas en la figura del plásmido, de acuerdo con los resultados de las digestiones. Es importante recordar que las digestiones pueden dar como resultado fragmentos de diferente secuencia pero de igual tamaño, que en la electroforesis migrarán juntos aunque la banda resultante tendrá entonces más intensidad. Para solucionar este ejercicio hay que deducir los tamaños de los fragmentos generados con cada una de las enzimas, observando el número de bandas obtenidas en cada caso y su tamaño, que lo podemos conocer al comparar con las
bandas de los marcadores de tamaño conocido. Por ejemplo, la enzima a da dos
fragmentos de 2500 y 1500pb, respectivamente. Así se van analizando los resultados obtenidos con cada una de las enzimas y sus combinaciones. Una vez que tenemos todos los datos, hay que reconstruir el puzzle de manera que encajen todos los resultados con los puntos de corte de las enzimas que tenemos en el DNA circular problema. La solución con los sitios de reconocimiento de las diferentes enzimas se indican en rojo en el plásmido
3.- Las enzimas de restricción reconocen secuencias palindrómicas. Explique que son las secuencias palindrómicas y que ventajas ofrecen para este tipo de enzimas. Lass ecuenci aspal i ndr ómi cass ons ecuenci asques el eeni gualenl asdoshebr asenels ent i do5’→3’ . Porej empl o,l as ecuenci a5’ GAATTC3’t i enecomohebr acompl ement ar i a3’ CTTAAG5’ .Ambas secuencias, leídas en sentido 5´-3´ son exactamente iguales. Una de las ventajas de las secuencias palindrómicas es que permiten un reconocimiento específico del sitio de corte. A su vez, también permiten cortar el DNA de un vector y el DNA de estudio con la misma enzima, obteniendo extremos iguales y complementarios, lo que es muy importante a la hora de insertar un fragmento de DNA en un vector.
4.- Aunque las enzimas de restricción son empleadas en técnicas de Biología Molecular, tienen su origen en la célula procariótica. Explique cuál es la función original de este tipo de enzimas en la célula procariótica. La función original de las enzimas de restricción en las células procariotas es de defensa, para fragmentar y degradar DNA extraños que penetren en la bacteria.
El DNA de la propia célula está
metilado en estos sitios de reconocimiento, impidiendo que sean reconocidos por las enzimas de restricción. Sin embargo, el DNA extraño, por ejemplo de un virus o fragmentos de DNA libre que penetren en la bacteria, no está metilado, siendo reconocibles en estos sitios por las enzimas y fragmentados. Las células procariotas tienen varias enzimas de restricción, muchas de las cuales son empleadas en el laboratorio.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
EJERCICIO 3 El gen: su estructura básica en los eucariotas El gen es la unidad de transcripción básica. Consta de varios elementos que a lo largo del tiempo se han ido identificando e incorporando a la definición del mismo. A pesar de que en un principio se asoció la presencia de un gen a la de un producto proteico, hoy en día se admite que siempre hay un RNA, aunque éste no siempre es traducido para dar una proteína. En este ejercicio nos centraremos en un gen tipo que codifica para una proteína, pero el alumno ha de tener presente que existen muchas variaciones sobre este esquema básico y que, además de productos proteicos, los genes también codifican para RNAs con diversas funciones celulares. 1.- En la figura se muestra el esquema general de un gen transcrito por RNA polimerasa II.
Se representan varios elementos estructurales e implicados en la
transcripción. Situar cada uno de los elementos en la figura y explicar brevemente que es cada uno de ellos.
1 2 3 4
Exón Intrón Secuencia TATA Secuencias reguladoras
7
4
3 5
5 Punto de inicio de la transcripción 6 Punto de fin de la transcripción 7 ARN polimerasa
1
6
2
9
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
2. intrón: región de DNA no codificante, que se localiza en el DNA de las células eucariotas. Los intrones se encuentran intercaladas entre las regiones de DNA codificante denominadas exones (1.)
3. Secuencia TATA: secuencia corta de DNA que se encuentra a unos 25 pares de bases del punto de inicio de la transcripción hacia el extremo 5´ de la hebra de DNA molde. Su función es la de unirse a un factor de transcripción ayudando así al comienzo del proceso.
4. Secuencias reguladoras. 5. Punto de inicio de la transcripción. 6. Punto de fin de la transcripción. 7. ARN polimerasa: es la enzima que cataliza los procesos de síntesis de RNA utilizando como molde una de las hebras de DNA.
2.- Además del mRNA existen otros tipos de RNAs, ¿cuáles son? Explicar su función en la célula.
Existen tres tipos básicos de RNAs.
El que presenta más variedad es el RNA mensajero, cuya
función es servir de intermediario en el transporte de información desde el DNA a la proteína. Es producido a partir de los genes que codifican para las distintas proteínas y se traduce en el ribosoma. Contiene la información que será traducida a proteína, por lo que su secuencia de nucleótidos es la que determinará la secuencia de aminoácidos. El RNA ribosómico tiene una función estructural. Forma parte de los ribosomas, orgánulos celulares encargados de la traducción del RNA mensajero.
Su transcripción se produce a partir de los genes
ribosómicos que se encuentran formando el nucleolo. Sufre un procesamiento para dar los distintos RNAs que participan en el ribosoma. El tercer tipo es el RNA de transferencia.
Son RNAs de pequeño tamaño que se encargan de
transportar los aminoácidos hasta el ribosoma. Allí se produce el ensamblaje de la proteína gracias a que el anticodón de su secuencia es complementario al codón del RNA mensajero de tal manera que puede colocar el aminoácido correspondiente. Cada molécula de Pueden existir varios RNAs de transferencia para un mismo aminoácido de igual forma que pueden existir más de un codón para un mismo aminoácido. Además de estos tres tipos básicos de RNAs existen otros que han sido descubiertos durante los últimos años como los RNAs de pequeño tamaño nucleares.
3.- La expresión de una proteína puede ser regulada en distintos niveles, uno de ellos es la transcripción. En esta regulación participan las secuencias reguladoras, que pueden ser de diversos tipos y responden a diversos estímulos. Comentar dos situaciones por las que se puede modificar la expresión de proteínas en una célula explicando porqué se produce ese cambio y cómo afecta a la célula.
10
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 La célula responde a su entorno de varias maneras. Una de ellas puede ser modificando la expresión de algunos genes, lo cual tiene como consecuencia un cambio en la expresión de las proteínas codificadas por estos genes. La expresión génica, y por tanto la producción de proteínas, puede ser controlada a distintos niveles: transcripción, postranscripción, traducción y postraducción El método más importante para regular la expresión de proteínas es a nivel de transcripción, y se produce cuando proteínas reguladoras específicas se unen a las regiones reguladoras del gen. Estas proteínas, conocidas con el nombre de factores de transcripción, reconocen secuencias específicas del promotor modificando su estado, de forma que pueden activarlo o reprimirlo según sea el caso. Su unión a los sitios reguladores aumentan, disminuyen
o inhiben totalmente la transcripción del mRNA. De esta
forma se incrementa, disminuye o inhibe totalmente la producción de la proteína codificada por él. Otro ejemplo es el control de la traducción del mRNA. De igual modo que en el caso anterior, existen proteínas específicas que pueden unirse al mRNA y regular su traducción, de forma que no todo el mRNA producido va a ser traducido con igual eficiencia. Existen represores de la traducción que pueden inhibir la traducción de un determinado mensajero y bloquear de este modo la producción de la proteína que codifica. Este tipo de regulación es importante en el caso de mRNA de vida larga.
4.- El RNA mensajero resultante de la transcripción sufre una serie de modificaciones para poder ser traducido que incluye en algunos casos un proceso de maduración. Comentar es t asmodi fi caci onesyexpl i carbr ev ement equeesel“ s pl i ci ng” .
El RNA mensajero sufre una serie de modificaciones durante la transcripción y posteriormente, para dar el mRNA maduro que va a salir del núcleo y pasará al citoplasma donde se une a los ribosomas para traducirse en una proteína. Durante la transcripción se produce la adición de una estructura, denominada caperuza G, a su ext r emo5’ . Es t acaper uza, formada por GTP, favorece la unión del RNA mensajero al ribosoma para la traducción, siendo el punto de anclaje y convirtiendo al RNA mensajero en sustrato para las siguientes modificaciones de la maduración. Una vez finalizada la transcripción se produce la adición de una “ cola poli A”enelext r emo3’ . El RNA mens aj er oescor t adoens uext r emo3’porunaenzi maquer econocel as ecuenci acons ens oAAUAAA, tras lo cual se añade una serie de residuos de adenina (pueden llegar hasta 300 nucleótidos). La utilidad de esta cola está relacionada con el transporte del RNA mensajero desde el núcleo al citoplasma y la acción de las exonucleasas sobre el RNA (impide que digieran el mismo hasta una zona codificante). El “ splicing”es un procesamiento del RNA mensajero característico de los eucariotas. Los genes de los eucariotas se caracterizan por tener regiones no codificantes, denominadas intrones, intercaladas entre las zonascodi fi cant eso exones . Dur ant e el“ s pl i ci ng”s e el i mi nan l osi nt r onespormedi o de un proceso de corte seguido de empalme de exones, dando como resultado un RNA mensajero maduro que tiene sólo la secuencia de exones que codifica para la proteína. El “ s pl i ci ng”ofr ecel apos i bi l i daddepodercodi fi cardi s t i nt asal t er nat i v asenunmi s mogen,esdeci r en el mismo espacio de DNA, puesto que el gen está constituido por módulos se pueden eliminar unos u 11
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 otros; esto, que se denomina splicing alternativo, puede generar diferentes variantes de una proteína (que pueden tener distintas actividades, localizaciones o sitios de unión). En definitiva ofrece una gran versatilidad y economía. Hoy en día se conocen bastantes genes que pueden sufrir splicing alternativo y de esta forma generan proteínas diferentes.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
EJERCICIO 4 Biología celular: división y diferenciación La célula es una entidad dinámica que puede ser por sí misma un organismo completo, ser unicelular, o formar parte de un ser pluricelular.
Los seres unicelulares necesitan
reproducirse teniendo diversas opciones para ello. Los seres pluricelulares se forman a partir de una única célula inicial, que tiene que dividirse para dar lugar a los distintos órganos y sistemas que conforman el organismo completo. Durante este proceso, además las células resultantes se diferencian y originan los distintos tipos celulares que conforman los tejidos y los órganos del organismo complejo. El objetivo de este ejercicio es resaltar que la célula, a lo largo de su vida,
se
enfrenta a distintas situaciones que están relacionadas entre sí y que juegan un papel tanto en la formación del organismo como en situaciones patológicas. 1.- En la figura se presenta un esquema básico con 9 posibles situaciones en las que podemos encontrar una célula. Cada uno de los términos que hay, corresponde a una de esas situaciones representadas por un número en el dibujo. El alumno ha de asociar cada uno de los esquemas con la descripción que le corresponda.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
9
1 5 2
8
4 3
6
8 5 2 9 1 6 7 4 3
Transformación Diferenciación Fase G2 Senescencia Fase S Apoptosis Necrosis Fase G1 Mitosis
5 9 7 8 2 1 6 3 4
7
La célula se especializa y cesa su división Arresto irreversible del crecimiento celular Muerte celular La célula se desdiferencia dividiendose descontroladamente La célula se prepara para la división La célula replica su DNA Muerte celular programada División celular La célula crece 14
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
2.- La formación de un tumor es producto de la transformación celular.
Esta
transformación provoca una desregulación de la célula diferenciada reiniciando su ciclo división.
De las 9 situaciones expuestas en la figura, ¿cuáles piensa que pueden ser
mecanismos celulares para impedir que la célula transformada progrese? Razone la respuesta. La formación de un tumor es consecuencia de una desdiferenciación de la célula y el reinicio del ciclo celular, de forma que una célula que no debería hacerlo comienza a dividirse.
Sin embargo, existen
mecanismos que tratan de impedir este proceso, aunque desgraciadamente no siempre son efectivos. El ciclo celular es un proceso fuertemente regulado que tiene múltiples puntos de control o chequeo. Si se detecta un problema y alguno de los puntos de control no es superado con éxito, la célula activa una serie de mecanismos para impedir que el ciclo avance y que
la célula se divida. Algunos de estos
mecanismos son muy agresivos, llegando incluso a eliminar la célula. En el caso de la formación de células tumorales hay dos mecanismos celulares básicos para impedir que progrese. El primero de ellos, mejor conocido ya que está siendo muy estudiado actualmente es la apoptosis. Consiste en la activación de un programa genético que conduce a la muerte celular. Puede ser activado en varios puntos del ciclo celular y por señales externas (por ejemplo, células del sistema inmune que detectan células tumorales). El objetivo es la autodestrucción de la célula, impidiendo la progresión del tumor al destruir la célula. Actualmente la mayor parte de los medicamentos antitumorales buscan provocar la activación específica de los genes de la apoptosis en las células tumorales El otro mecanismo celular que también puede impedir el progreso de la célula tumoral es la entrada de la célula en senescencia. En este caso se produce una parada total del crecimiento y la división celular, la célula está viva pero se encuentra en estado estacionario.
3.- La apoptosis y la necrosis son dos tipos de muerte celular. Explicar brevemente las diferencias entre ellas y la utilidad de la apoptosis en un organismo multicelular durante su desarrollo. La apoptosis es la muerte celular programada que se produce en la célula como respuesta a estímulos diversos. La necrosis, por el contrario, es la muerte celular resultado de cambios en el ambiente que llevan a la destrucción de la célula. Mientras la primera implica la activación de una serie de procesos regulados genéticamente por la misma célula, la segunda es un proceso caótico e inespecífico. La apoptosis es un proceso ordenado en el que se van activando los genes de determinadas enzimas específicas que producen la digestión del DNA y proteínas, así como de la fragmentación de membranas. La necrosis se produce por la degradación inespecífica del DNA y de las proteínas por la liberación de las enzimas contenidas en los lisosomas y otros orgánulos. En los organismos pluricelulares, la apoptosis aporta la posibilidad de moldear estructuras corporales durante el desarrollo embrionario, por una eliminación ordenada y programada genéticamente de determinadas células o grupos de células. Por otro lado, también ofrece un mecanismo versátil a la hora de 15
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006 defenderse de infecciones (la célula infectada puede entrar en apoptosis, proceso que puede ser inducido por las células inmunitarias) o de células aberrantes dentro del propio organismo (células tumorales).
4.- En el ciclo celular se representa la división de la célula por medio de mitosis. Además de la mitosis, en los organismos pluricelulares existe otro tipo de división celular que permite la formación de los gametos denominada meiosis.
Hacer un esquema
comparativo de la mitosis y la meiosis en el que se expongan las diferencias y las semejanzas entre ambos tipos de división.
La mitosis es un proceso de división celular que da como resultados dos células. La meiosis es, por otro lado, la sucesión de dos divisiones para dar lugar a cuatro células. Durante la meiosis hay un proceso de reducción del número de cromosomas a la mitad y de recombinación de los genes en los cromosomas homólogos que en la mitosis no se da, por lo que mientras que la meiosis da lugar a células que tienen diferencias entre ellas la mitosis da lugar a dos células genéticamente idénticas. Como resultado de la mitosis se produce la división de una célula en dos células hijas iguales entre ellas e iguales a la progenitora. En la meiosis, por el contrario, se produce la formación de cuatro células, los gametos, que son diferentes entre sí y diferentes a la célula progenitora, y se produce un aumento de la variabilidad genética por medio de la recombinación. En la mitosis se produce la separación las cromátidas hermanas a cada uno de los polos durante la anafase. En la meiosis se produce la separación de los cromosomas homólogos en la primera división en la anafase I y de las cromátidas en la segunda división durante la anafase II.
En ambos casos los
microtúbulos son los encargados del desplazamiento de los cromosomas/cromátidas hacia los polos. Por último, la mitosis es el proceso de división común a todos los tipos celulares mientras que la meiosis es un tipo de división muy específica que sólo se produce en las células germinales.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
EJERCICIO 5 Análisis de la herencia de enfermedades genéticas El objetivo de este ejercicio es familiarizarse con la herencia mendeliana de caracteres monogénicos, deducir datos genéticos a partir de genealogías, y calcular probabilidades de herencia de caracteres, tanto a nivel de genotipo como de fenotipo. Como ejemplo se va a realizar el estudio de la enfermedad conocida como fibrosis quística en una familia. La fibrosis quística es una enfermedad de origen genético, de carácter monogénico, determinada por un alelo recesivo autosómico. Hoy día se ha avanzado mucho en su estudio, y se disponen de numerosos datos acerca de la base genética y molecular de esta enfermedad. El gen normal se encuentra localizado en el cromosoma 7 humano, y codifica una proteína de transporte que se localiza en la membrana de las células e interviene en el transporte de iones cloruro.
Existe un alelo recesivo que produce una proteína no
funcional. Cuando una persona es homocigota para este alelo manifiesta la enfermedad, caracterizada por secreciones mucosas anormalmente densas en las células que tapizan los pulmones, los órganos digestivos y reproductores, provocando graves trastornos de salud. Su frecuencia es alta en la raza blanca, siendo de aproximadamente uno en 2500 frente a uno de cada 17000 niños negros nacidos con esta enfermedad. Es una enfermedad grave, aunque la severidad de los síntomas varía de paciente en paciente.
Puede llegar a producir graves trastornos respiratorios, con degeneración
pulmonar que provoca la muerte. No obstante, existe tratamiento paliativo, que requiere medicación diaria para aliviar los síntomas. Actualmente se investiga en nuevos fármacos y se están realizando ensayos de terapia génica. Una pareja formada por un hombre y una mujer, ambos con antecedentes familiares de la enfermedad, está considerando tener hijos y decide someterse a un estudio para analizar previamente las posibilidades de transmitir esta enfermedad, aunque ninguno de ellos presenta síntomas de la misma. Para lo cual le piden consejo.
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
●Enpr i merl ugar ,anal i cel osant ecedent esfami liares de ambos. En la figura se representa el árbol genealógico de la mujer (8) y del hombre (9).
afectado afectada gemelas
1
†
fallecido
2
3
4
† 5
6
7
8
9
10
11
12
? Como puede observar, el padre de la mujer así como dos hermanas gemelas del hombre padecen la enfermedad. 1. Con estos datos ¿es posible deducir los genotipos de todos los representados en el esquema? ¿Cuáles serán los posibles genotipos de 8 y 9? 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Qq ó QQ
Qq ó QQ
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
● Pos t er i or ment e,s e deci de r eal i zarun anál i s i sgenét i coani v elmol ecul ardando como resultado que ambos, 8 y 9, son portadores del alelo (q) de la fibrosis quística. Con estos datos responda a las cuestiones que le plantea la pareja, considerando únicamente este gen (cromosoma 7, alelos Q y q) y los cromosomas sexuales.
2. ¿Cuántos tipos de óvulos diferentes puede producir la mujer? QX
qX
3. ¿Cuántos tipos de espermatozoides diferentes puede producir el hombre? QX
qX
QY
qY
4. ¿Cuál es la probabilidad de tener un hijo varón sano y no portador? 1/4 x 1/2 = 1/8 (QQXY) 5. ¿Cuál es la probabilidad de tener un descendiente (varón o hembra) sano? 6/8 = 3/4 6. ¿Cuál es la probabilidad de tener una hija portadora de la enfermedad? hija sana pero portadora 2/8 = 1/4 (QqXX) 7. Les gustaría tener una pareja (niño y niña) ambos sanos y no portadores ¿cuál es la probabilidad de que se cumplan sus deseos? 1/4 x 1/2 = 1/8 QQXY 1/4 x 1/2 = 1/8 QQXX 1/8 x 1/8 = 1/64
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Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2005/2006
8. Poniéndose en el supuesto de que su primer hijo hubiera nacido ya con la enfermedad ¿cuál sería la probabilidad de que su segundo hijo naciera con la enfermedad también? La misma, ya que se trata de dos sucesos independientes, una vez que ha nacido el primer hijo el genotipo del segundo hijo no depende de cómo fuera el del primero.
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