NEODARWINISMO. TEORÍA SINTÉTICA DE LA EVOLUCIÓN
La evolución es la consecuencia de la selección natural y consiste en el cambio progresivo de las frecuencias con que aparecen los distintos alelos en el conjunto de genes de la población, de manera que será más frecuente encontrar los alelos correspondientes a las combinaciones génicas más eficaces, pues los individuos que muestran estas combinaciones o genotipos sobrevivirán y dejarán mayor número de descendientes que heredarán estos alelos
La mutación como fuente de variabilidad. Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies
Las mutaciones con efecto beneficioso: evolución. Cuando una mutación mejora un gen, ya que gracias a ella es posible que la nueva proteína modifique ligeramente la conformación espacial de su sitio activo, de manera que adquiera nuevas propiedades y sea capaz de mejorar la función que desempeña, por ejemplo, una enzima que mejore su actividad catalítica o participe en la formación de estructuras más eficaces. En estos casos raros, pero esenciales para la evolución de las especies, los individuos portadores de la mutación poseen ventajas adaptativas respecto a sus congéneres, por lo que el gen mutado es posible que con el tiempo, y gracias a la selección natural, sustituya al gen salvaje inicial en la mayoría de los individuos que componen la población. La evolución es un fenómeno de poblaciones, no es el individuo el que evoluciona, sino la población, que presenta la variabilidad génica que permite actuar a la selección natural.
La mutación como fuente de variabilidad. Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies
La variabilidad génica de las poblaciones se debe a las mutaciones que ocurren al azar, son la causa primaria de la variabilidad y a la recombinación génica que tiene lugar durante la reproducción sexual, que posibilita la aparición de nuevos genotipos en la descendencia resultantes de la combinación de genes ya preexistentes en los parentales. Aunque la mayoría de los genes son comunes a todos los individuos, cada uno presenta un genotipo o combinación génica ligeramente distinta de los demás, de manera que algunas mutaciones o formas alélicas solo existen en determinados individuos. Las mutaciones constituyen la materia prima sobre la que actúa la evolución y para que se transmitan a la descendencia, deben ser heredables, es decir, deben afectar a los genes de los gametos. Eficacia biológica del genotipo de un individuo es la probabilidad de que su recombinación de genes pase a formar parte de la siguiente generación. Depende de la probabilidad relativa de supervivencia del individuo portador de dicho genotipo y de su tasa de reproducción. Así, la eficacia biológica del individuo portador de una determinada combinación génica se mide mediante el número de descendientes con el que se espera que contribuya a la generación siguiente, en caso de que sobreviva. Dicho genotipo aporta determinadas características al individuo, como la resistencia a las enfermedades, el vigor o el mayor número de descendientes, que determinan la eficacia biológica, la cual depende del ambiente, ya que determinadas combinaciones de alelos son más eficaces en unos ambientes que en otros.
La mutación como fuente de variabilidad. Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies
La selección natural es siempre obra del medio ambiente, que inestable y cambiante, no cesa de elegir a los que están mejor adaptados a las características del momento, es decir, a los individuos que manifiestan una combinación génica beneficiosa, con mayor eficacia biológica, es decir, con mayor valor adaptativo, (para conseguir alimento, para dejar mayor número de descendientes, etc) los que presentan combinaciones génicas menos eficaces y ventajosas o mutaciones perjudiciales no sobreviven. La evolución es la consecuencia de la selección natural y consiste en el cambio progresivo de las frecuencias con que aparecen los distintos alelos en el conjunto de genes de la población, de manera que será más frecuente encontrar los alelos correspondientes a las combinaciones génicas más eficaces, pues los individuos que muestran estas combinaciones genotipos sobrevivirán y dejarán mayor número de descendientes que heredarán estos alelos.
Un caso interesante es la polilla Biston betularia . Antes de la revolución industrial solo se observaban polillas con alas de colores claros en árboles de troncos de color claro. Con la contaminación causada por la Revolución Industrial, los troncos se oscurecieron y, las entonces raras polillas de alas oscuras se convirtieron en prevalentes, y las una vez prevalentes de colores claro en raras. ¿La razón?, las aves predadoras. El color que tiene el mayor contraste con el fondo (en este caso los troncos de los árboles), es una desventaja. La limpieza de los bosques a medidos del siglo XX causó la reversión de la frecuencia de polillas claras a oscuras a valores preindustriales.
a. No ionizantes. Rayos ultravioleta, induce el establecimiento de enlaces covalentes entre dos pirimidinas contiguas, de modo que se forman dímeros de timina. Formas tautoméricas que dan lugar a mutaciones génicas del tipo de transiciones.
Ionizantes, son las radiaciones electromagnéticas de longitud de onda inferior a los UV, como los rayos X, rayos gamma, emisiones de partículas radiactivas. Provocan pérdida de electrones en algunos átomos del ADN, que quedan en forma de iones muy reactivos. Provocan tautomería, rompen los anillos de las bases nitrogenadas e incluso enlaces fosfodiéster, rompen el ADN y los cromosomas.
MODIFICACIONES DE LAS BASES NITROGENADAS. El ácido nitroso, provoca la eliminación de grupos amino. La hidroxilamina, añade grupos hidroxilo. La etilmetanosulfonato (EMS) y el gas mostaza, añaden grupos alquilo (metilo, etilo, etc) se producen errores durante la replicación.
SUSTITUCIÓN DE UNA BASE POR OTRA ANÁLOGA El 5-bromouracilo que sustituye a la timina. 2-aminopurina se coloca en lugar de la adenina. Las modificaciones y sustituciones de bases nitrogenadas implican emparejamientos con bases diferentes de las complementarias.
INTERCALACIÓN DE MOLÉCULAS Algunas moléculas, como la acridina o la proflavina tienen una estructura similar a un par de bases enlazadas. Estas moléculas se pueden introducir entre los pares de bases del ADN, por lo que son sustancias intercalantes. Cuando se produce la replicación, pueden aparecer inserciones o deleciones de un único par de bases, con el corrimiento consiguiente en el orden de lectura.
MUTACIONES GENICAS O PUNTUALES Las mutaciones génicas se llaman también puntuales porque son alteraciones en la secuencia del ADN que afectan, por lo general, a un único par de bases o a unas pocas, y se transmiten por herencia a todos los descendientes
MUTACIONES GENICAS: 1. SUSTITUCION DE UNA BASE POR OTRA EN EL SISTEMA DE REPLICACION
Consiste en reemplazar o sustituir una base por otra, es decir, un nucleótido ¿ y por tanto la base de dicho nucleótido? Pasa a ocupar el lugar en la secuencia que ocupaba antes otro nucleótido. Si estos cambios no se corrigen y afectan a las células germinales, se hacen estables y se transmiten a la descendencia siguiendo las leyes que rigen la herencia de los caracteres. Estos procesos de sustitución pueden ocurrir de dos formas: 1.1. Transición. Consiste en la sustitución de una base primidinica por otra, C por T o viceversa, o de una base purica por otra G por A o viceversa. 1.2. Transversion. Consiste en la sustitución de una base purica por una pirimidinica o viceversa. Este proceso es mas infrecuente que la transición
LE 17-23
Wild-type hemoglobin DNA 3′
Mutant hemoglobin DNA 5′
3′
mRNA
5′
mRNA
3′
Normal hemoglobin
5′
5′
3′
Sickle-cell hemoglobin
ANEMIA DREPANOCITICA
MUTACIONES GENICAS: 1. SUSTITUCION DE UNA BASE POR OTRA EN EL SISTEMA DE REPLICACION
Al transcribirse estas mutaciones, si afectan a una región exonica, al menos un triplete del ARNm se encuentra modificado, y su traducción d a lugar a que se incorpore un aminoácido distinto del normal en la cadena polipeptídica. Esta sustitución altera el sentido de la lectura del triple te y puede ser de dos tipos: A. Sustitucion conservadora. El nuevo aminoácido es similar al sustituido por ejemplo, valina por leucina, por lo que la secuencia de la proteína cambia, pero las consecuencias sobra la conformación espacial y su función son mínimas: mutación neutra. B.Sustitucion no conservadora. La diferencia entre ambos aminoácidos es radical y si el cambio afecta al sitio activo de la proteína o alguno de sus dominios fundamentales, la nueva proteína no conseguirá la conformación espacial habitual y perderá parte o la totalidad de su funcionalidad biológica
LE 17-24a
Wild-type mRNA
5′
Protein Amino end
3′ Stop Carboxyl end
LE 17-24b
Base-pair substitution Sin efecto sobre la secuencia de aminoácidos U en lugar de C
Stop Mutación de sentido erróneo A en lugar de G
Stop Mútación sin sentido U en lugar de A
Stop
LE 17-25
Wild type mRNA 5′ Protein
3′ Stop Carboxyl end
Amino end Base-pair insertion or deletion
Frameshift causing immediate nonsense Extra U
Stop Frameshift causing extensive missense
Missing
Insertion or deletion of 3 nucleotides: no frameshift but extra or missing amino acid Missing
Stop
MUTACIONES GENICAS: 2. Mutaciones que cambian el marco de lectura: inserción y deleción
2.1. Insercion. Se trata de la intercalación de un nuevo nucleótido o de unos pocos nucleótidos en una secuencia determinada del ADN. 2.2. Delecion Consiste en la perdida de un nucleótido o de unos pocos en una secuencia del ADN. La inserción o deleción de un nucleótido en ambas cadenas del ADN o de un numero de nucleótidos que no se múltiplo de 3, produce un cambio del marco de lectura, es decir, un cambio del sentido en que se leen los tripletes y por tanto, un cambio completo de la secuencia de todos los aminoácidos comprendido entre el punto de la mutación y el extremo C terminal. Si por el contrario, el numero de nucleótidos es múltiplo de 3, se producen mutaciones que no cambian el marco de lectura, pues se adiciona o se elimina algún aminoácido, tantos como triplete, pero el resto de la secuencia de la proteína permanece invariable.
LE 17-25a
Wild type mRNA
5′
Protein Amino end
3′ Stop Carboxyl end
LE 17-25b
Base-pair insertion or deletion Desplazamiendo del marco de lectura que causa una mutación sin sentido de inmediato Adicional U
Stop Desplazamiento del marco de lectura que causa una extensa mutación de Missing sentido erróneo
Inserción o deleción de 3 nucleótidos no hay desplazamiento del marco de lectura pero falta o sobra un aminoácido Missing
Stop
ď‚ž
Gigantismo: Es causado por la excesiva secreciĂłn de la hormona del crecimiento durante la niĂąez, lo que provoca un crecimiento por encima de lo normal de los huesos largos y estatura muy elevada
Mutaciones cromosómicas
Alteraciones por la existencia de un nº incorrecto de genes
Deficiencias y deleciones
Duplicaciones
Alteraciones en el orden de los genes
Inversiones
Translocaciones
Pericéntricas
Recíproca
Paracéntricas
Transposición
2. Mutaciones cromosómicas Son las mutaciones que provocan cambios en la estructura de los cromosomas. Pueden afectar al orden de los genes en los cromosomas o a su número, a veces un gen o un grupo de genes puede estar repetido o faltar. La mayoría de los seres pluricelulares son diploides, por lo que normalmente, aunque uno de los cromosomas tenga una mutación, tendrán otro cromosoma normal. Así cuando estos cromosomas, homólogos, se aprecian en la meiosis los cromosomas resultantes adoptan morfología características que permiten detectar la mutación.
2. Mutaciones cromosómicas: 2.1. Deleción Un individuo es portador de una deleción cuando le falta un segmento cromosómico, si este segmento es un extremo del cromosoma, la alteración se denomina deficiencia. Si la deleción es muy grande es visible al microscopio óptico ya que el cromosoma presenta menor tamaño del normal. En individuos con determinación sexual XX-XY o XX-X0, las deleciones del cromosoma X son letales en los machos; En las hembras dependiendo del sistema de compensación de dosis génica, puede producir algunos efectos fenotípicos en el individuo heterocigótico
LE 15-14a
Deletion Una deleci贸n elimina un segmento cromos贸mico, y por tanto de los genes en 茅l contenidos.
Trastornos causados por cromosomas alterados en su estructura Muchas deleciones en los cromosomas humanos, incluso en un estado heterocigoto, causan problemas graves. Uno de estos síndromes, conocido como cri du chat “síndrome del maullido del gato, se produce por una deleción específica en el cromosoma 5. Los niños que nacen con esta deleción tienen retraso mental, cabeza pequeña con rasgos faciales inusuales y un llanto que se asemeja al maullido de un gato. Esto individuos, por lo general, fallecen durante la lactancia o a comienzos de la niñez.
2. Mutaciones cromosómicas: 2.2. Duplicaciones
Las duplicaciones surgen cuando un segmento
cromosómico se replica más de una vez por error en la duplicación del ADN, como producto de una reorganización cromosómica de tipo estructural o relacionado con un proceso de sobrecruzamiento defectuoso. La importancia evolutiva de las duplicaciones radica en el hecho de que los individuos portadores tienen dos copias de un mismo gen. En un individuo normal una mutación de ese gen puede tener efectos deletéreos, pero si hay dos copias y se produce una mutación en una de ellas, el individuos podrá seguir manifestando un fenotipo "aparentemente normal" y la selección natural no actuaría en su contra
LE 15-14b
Duplication
Una duplicaci贸n repite un segmento.
2. Mutaciones cromosómicas: 2.3. Inversiones
Una inversión es cuando un segmento cromosómico cambia de orientación dentro del cromosoma. Para que se produzca este suceso es necesario una doble rotura y un doble giro de 180º del segmento formado por las roturas. 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.
LE 15-14c
Inversion
Una inversi贸n invierte un segmento dentro de un cromosoma
2. Mutaciones cromosómicas: 2.4. Translocaciones. Un fragmento cromosómico cambia de posición trasladándose a otro lugar del mismo cromosoma a su homólogo o a otro cualquiera. Las translocaciones pueden detectarse citológicamente porque el heterocigoto estructural forma un cuadrivalente en la profase meiótica. A veces también se pueden detectar por producirse cambios en el tamaño de los cromosomas si los segmentos intercambiados son de distinta longitud
Tipos de traslocaciones:
Recíproca. Cuando la translocación se produce de un cromosoma a otro y de este al primero.
Transposición. Si el segmento simplemente pasa a situarse en otro cromosoma.
LE 15-14d
Reciprocal translocation
nslocación mueve un segmento de un cromosoma a homólogos. En una translocaicón recíproca, el tipo más común mosomas homólogos intercambian fragmentos. También se cen translocaciones no recíprocas en las que un ere un fragmento sin recibir ninguno .
Alteraciones causadas por cromosomas alterados en su estructura Otro tipo de alteración estructural cromosómica asociada con trastornos humanos es la translocación, la unión de un fragmento de un cromosoma a otro cromosoma no homólogo. Las translocaciones cromosómicas se han visto implicadas en ciertos cánceres, entre ellas, la leucemia mieloide crónica (LMC). La leucemia es un cáncer que afecta a las células que dan origen a los glóbulos blancos y en las células cancerosas de los pacientes con LMC, se produce una translocación recíproca. En estas células el intercambio de una porción grande del cromosoma 22 con un fragmento pequeño de un extremo del cromosoma 9 produce un cromosoma 22 muy acortado, fácilmente reconocible, llamado cromosoma Filadelfia.
LE 15-16
Normal chromosome 9
Reciprocal translocation
Translocated chromosome 9
Philadelphia chromosome Normal chromosome 22
Translocated chromosome 22
SĂndrome de Down familiar
Sindrome de Down familiar
Una traslocación como esta explica los casos familiares en los que el síndrome de Down se hereda. Los estudios citogenéticos de los padres y de sus descendientes en estos casos raros explican la causa del síndrome de Down familiar. Los análisis revelan que uno de los padres tiene una traslocación 14/21 D/G. Es decir, un padre tiene la mayor parte del cromosoma 21 del grupo G translocado al extremo del cromosoma 14 del grupo D. este individuo es normal, aun cuando el o ella tengan 45 cromosomas.
MUTACIONES GENÓMICAS
Las mutaciones genómicas afectan al genoma y dan lugar a una variación del número de cromosomas.
3. MUTACIONES GENÓMICAS 3.1. POLIPLOIDIA Consiste en un incremento de la condición diploide (2n) por aumento del número de “juegos completos” de cromosomas: triploides (3n=, tetraploides (4n), etc. Si estos juegos cromosómicos son idénticos se denominan autopoliploides, que es un fenómeno relativamente frecuente entre las plantas. Si los juegos cromosómicos proceden de especies diferentes, que se han reagrupado en un individuo mediante hibridación, reciben el nombre a alopoliploides.
La poliploidía es muy común en plantas, especialmente en angiospermas, Actualmente, se piensa que entre el
30 y el 70% de las Angiospermas son poliploides. Se sabe que las herbáceas perennes muestran mayor porcentaje de formas poliploides que las anuales y éstas menos que las leñosas aunque las herbáceas perennes y las leñosas se comportan de diferente manera en las regiones tropicales.
Planta
Nº cromosómico básico
Número cromosómico
Nivel de ploidía.
avena
7
42
6x
cacahuete
10
40
4x
caña de azúcar
10
80
8x
banana
11
22,33
2x,3x
patata
12
48
4x
tabaco
12
48
4x
algodón
13
52
4x
manzana
17
34,51
2x,3x
Figure 15-13
MamĂfero tetraploide, Tympanoctomys barrerae
3. MUTACIONES GENÓMICAS 3.1. HAPLOIDIA
Es el caso contrario a la poliploidia y se produce cuando se pierde un “juego cromosómico” de los dos que existen en el organismo diploide (es la condición cromosómica de los gametos). Se manifiesta por ejemplo, en los organismos partenogenéticos.
3.MUTACIONES GENÓMICAS 3.3. ANEUPLOIDIA Se produce cuando un individuo presenta accidentalmente algún cromosoma de más o de menos en relación con su condición diploide, sin que se llegue a alcanzar la dotación de un “juego completo”. Se denominan monosomías cuando en lugar de dos cromosomas homólogos solo hay uno; trisomías, si existen tres cromosomas homólogos, etc. Estas alteraciones suelen estar ocasionadas por fallos en la separación de los cromosomas homólogos durante la meiosis. En la especie humana aparecen espontáneamente alteraciones de tipo aneuploide que pueden afectar a los autosomas o a los cromosomas sexuales.
LE 15-12
Meiosis I
Nondisjunction Meiosis II
Nondisjunction Gametes
n+1
n+1
n–1
n–1
n+1
n–1
n
Number of chromosomes Nondisjunction of homologous chromosomes in meiosis I
Nondisjunction of sister chromatids in meiosis I
n
MUTACIONES CROMOSÓMICAS De manera ideal, el huso meiótico distribuye los cromosomas, sin errores, hacia las células hijas. Pero en ocasiones se produce un accidente, llamado no disyunción, en el cual los miembros de un par de cromosomas homólogos durante la meiosis I o las cromátidas hermanas durante la meiosis II no se separan adecuadamente. En estos caso, un gameto recibe dos copias del mismo tipo de cromosoma y el otro no recibe ninguna. Por lo general, los otros cromosomas se distribuyen normalmente. Si cada gameto aberrante se une a uno normal durante la fertilización, la descendencia tendrá un número anormal de un cromosoma determinado, una condición conocida como aneuploidía.
Figure 15-15
ANEUPLOIDÍA: TRISOMÍA DEL CROMOSOMA 21, SINDROME DE DOWN Un trastorno con aneuploidia, afecta a uno de cada 700 niños nacidos en los Estados Unidos. Este síndrome es el resultado de un cromosoma 21 adicional, de modo que cada célula del cuerpo contiene un total de 47 cromosoma. A menudo el síndrome de Down se denomina trisomía 32 debido a que las células son trisómicas para el cromosoma 32. El síndrome incluye rasgos faciales característicos, baja estatura, defectos cardíacos, susceptibilida a las infecciones respiratorias y retraso mental. Además son proclives a padecer leucemia y enfermedad de Alzheimer, aunque, en promedio, las personas con sindrome de Down tienen una vida más corta que lo normal, algunos alcanzan la mediana edad o más. La mayoría presenta un desarrollo sexual incompleto y es estéril.
ANEUPLOIDÍA DE LOS CROMOSOMAS SEXUALES
La no disyunción de los cromosomas sexuales produce una variedad de condiciones aneuploides. La mayoría de ellas perturbaría menos el equilibrio genético que las afecciones aneuploides que comprometen a los autosomas. Esto puede deberse a que el cromosoma Y lleva relativamente pocos genes y porque las copias adicionales del cromosoma X se vuelven inactivas como corpúsculos de Barr en las células somáticas. La monosomía X, llamada síndrome de Turner, se produce en alrededor de uno de cada 5000 nacimientos y es la única monosomía viable conocida en los seres humanos. Si bien, los individuos XO son mujeres desde el punto de vista fenotípico, son estériles porque sus órganos sexuales son maduran. Con tratamiento de reposición con estrógenos, las niñas con síndrome de Turner desarrollan las características sexuales secundarias. La mayoría tienen inteligencia normal.
Fuentes: Bru単o, S.M. Campbell Reece