Mutaciones Genéticas: Definición y Tipos

Las mutaciones son cambios o variaciones en el material genético que afectan la secuencia de aminoácidos de las proteínas y, por lo tanto, su actividad biológica. Pueden ser:

• Espontáneas: Aparecen de forma natural.
• Inducidas: Causadas por agentes mutágenos.

Las mutaciones pueden afectar a:

• Células somáticas: La mutación desaparece con el individuo.
• Células germinales: La mutación es heredable.

Las mutaciones se clasifican en:

• Génicas o puntuales
• Cromosómicas
• Genómicas

Mutaciones Génicas o Puntuales

Son alteraciones en la secuencia de ADN de un gen que afectan generalmente a un único par de bases y se transmiten por herencia a la descendencia.

Causas de las Mutaciones Génicas

Pueden producirse por:

1. Sustitución: Cambian el sentido de lectura del ARNm. Consiste en reemplazar una base nitrogenada por otra.

• Transición: Sustitución de una pirimidina por otra (T por C o viceversa) o una purina por otra (A por G o viceversa).
• Transversión: Sustitución de una purina por una pirimidina o viceversa.

Al transcribirse estas mutaciones, si afectan a una región exónica, el triplete del ARNm se modifica, incorporando un aminoácido diferente en la cadena polipeptídica. Esta sustitución puede ser:

• Sustitución conservadora: El nuevo aminoácido es similar al sustituido, con mínimas consecuencias en la conformación y función de la proteína (mutación neutral).
• Sustitución no conservadora: El nuevo aminoácido es muy diferente al sustituido, alterando la conformación y función de la proteína.

Inserción: Introducción de un nuevo nucleótido en la secuencia de ADN, cambiando el marco de lectura.

Tipos de Mutaciones según su Efecto

1. Mutaciones que cambian el sentido: Originadas por la sustitución de una base que afecta a la región exónica, alterando la proteína resultante.

• Sustitución conservadora: Mutación neutra donde el aminoácido introducido es similar al sustituido.
• Sustitución no conservadora: El aminoácido sustituido es muy diferente, provocando cambios en la proteína.

Mutaciones que cambian el marco de lectura: Producidas por inserciones o delecciones en el ADN, cambiando la secuencia de aminoácidos desde la mutación hasta el final. Mutaciones sin sentido: La inserción, delección o sustitución transforma un triplete codificante en uno de terminación (stop), deteniendo la síntesis de proteínas.

Efectos de las Mutaciones

Muchas mutaciones en el ADN provocan efectos perjudiciales:

1. Mutaciones compatibles con la vida: Producen alteraciones en la función de las proteínas, pero son compatibles con la vida (ej., albinismo, anemia falciforme).
2. Mutaciones letales: Afectan a proteínas esenciales, causando la muerte del organismo.
3. Mutaciones carcinógenas: Responsables de la aparición de tumores cancerígenos.
4. Mutaciones teratógenas: Provocan graves alteraciones en el ADN del feto, originando malformaciones.

Otras mutaciones, aunque raras, pueden tener un efecto beneficioso, mejorando un gen, lo cual es importante para la evolución de las especies.

Sistemas de Reparación del ADN

Son sistemas destinados a reparar los daños causados por agentes mutagénicos y restablecer la integridad de la información genética.

1. Reparación directa: Utiliza una enzima fotorreactiva para reparar mutaciones puntuales, como los dímeros de bases pirimidínicas inducidos por radiación ultravioleta.
2. Reparación por escisión: Se elimina la base alterada y se restituye la base correcta.
3. Sistema de reparación SOS: Actúa cuando el ADN ha estado expuesto mucho tiempo a un agente mutágeno. Ante una mutación, se activa un conjunto de enzimas que desencadenan una reparación errónea, lo que puede generar nuevas mutaciones.

Delección: Pérdida de un nucleótido en la secuencia de ADN, cambiando el marco de lectura.

Un marco de lectura es una de las posibles formas en que se puede dividir una secuencia de nucleótidos de ADN o ARN para formar un grupo de tripletes consecutivos no solapados. Un marco abierto de lectura corresponde a la secuencia de ARN comprendida entre un codón de inicio (AUG) y un codón de terminación.

Mutaciones Cromosómicas

Se producen por alteración del número o disposición de la secuencia normal de los fragmentos génicos que componen un cromosoma. Pueden dificultar la meiosis y generar gametos defectuosos.

Se producen por:

1. Inversión: Un segmento invierte su secuencia.
2. Duplicación: Se repite una secuencia.
3. Delección: Se elimina un fragmento de ADN.
4. Translocación: Un fragmento de un cromosoma se fusiona con otro.

Las delecciones y duplicaciones pueden tener consecuencias graves, mientras que las translocaciones e inversiones afectan poco al portador.

Los transposones son genes móviles que causan mutaciones cromosómicas al cambiar su posición en el genoma.

Mutaciones Genómicas

Afectan al genoma y varían el número de cromosomas.

Se dividen en:

1. Euploidías: Alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas.

• Poliploidía: Aumento de la condición diploide (2n) por aumento del número de juegos completos de cromosomas (ej., triploides 3n). Pueden ser autopoliploides (juegos idénticos) o alopoliploides (juegos de otra especie).
• Haploidía: Pérdida de un juego de cromosomas.

Aneuploidías: Un individuo presenta un cromosoma de más o de menos en relación a su condición diploide, sin llegar a formar un juego completo. Se producen por fallos en la separación de cromosomas homólogos durante la meiosis.

Agentes Mutágenos o Mutagénicos

Son agentes físicos, químicos y biológicos que aumentan la tasa de mutación espontánea, dañando o alterando la estructura del ADN.

1. Mutágenos endógenos (mutaciones espontáneas): Se producen de forma natural.

• Metabolitos reactivos (radicales libres): Residuos del metabolismo que inducen lesiones en el ADN.
• Productos finales de la glucosilación: Combinaciones de glucosa con grupos amino de proteínas y bases de ácidos nucleicos.
• Errores de apareamiento durante la replicación del ADN.
• Transposiciones.
• Fluctuaciones térmicas.
• Desaminación: Transformación del grupo amino en grupo ceto.
• Despurinación: Pérdida de bases púricas.

Mutágenos exógenos (mutaciones inducidas): Agentes físicos, químicos y biológicos del entorno.

• Mutágenos físicos: Radiaciones de alta energía.
  • Radiaciones ultravioletas: UVA y UVB, causantes de cáncer de piel.
  • Radiaciones ionizantes: Rayos X y gamma.
  • Radiación corpuscular: Partículas α y β.
• Mutágenos químicos: Sustancias que reaccionan con el ADN.
  • Benzopireno: En alquitranes y humos de tabaco.
  • Ácido nitroso: Provoca la desaminación de la citosina.
  • Agentes alquilantes: Introducen grupos alquilo en el ADN.
  • Otros: Dietiletilbestrol, asbesto, cromo, cadmio, arsénico, dioxinas.
• Mutágenos biológicos: Oncovirus (virus capaces de producir cáncer).

Clases de Mutaciones según sus Efectos

Según el efecto de la mutación sobre la secuencia de la proteína codificada por el gen mutado:

1. Mutaciones silenciosas: La sustitución de una base no provoca cambios en la secuencia de la proteína.

Mutación y Cáncer

Las mutaciones carcinógenas o la invasión por virus oncógenos desencadenan una serie de procesos que transforman células normales en tumorales. Estas células se dividen de forma incontrolada, formando un tumor. Si alguna célula invade el sistema linfático o circulatorio, puede originar tumores secundarios (metástasis).

Las células cancerosas:

• Proliferan continuamente y fuera de control.
• Pierden características fenotípicas.
• Pierden la inhibición por contacto.
• Provocan tumores al inyectarse en animales de experimentación.

Los tumores pueden ser:

• Benignos: La masa celular permanece localizada.
• Malignos (cáncer): Las células tumorales invaden otros tejidos y ocasionan metástasis.

Para que aparezca una célula cancerosa, se requieren entre 4 y 6 mutaciones acumuladas. Algunas células se vuelven más peligrosas mediante un proceso de selección clonal, acumulando mutaciones sucesivas con la edad.

En la formación de un cáncer intervienen dos tipos de agentes carcinógenos:

1. Agentes carcinógenos iniciadores: Provocan mutaciones que afectan a protooncogenes, genes supresores de tumores y genes de reparación del ADN.
2. Agentes carcinógenos potenciadores: No provocan mutaciones, pero estimulan la proliferación celular.

¿El cáncer es una enfermedad genética? Si la mutación afecta a las células somáticas, no es hereditario. Si afecta a las células germinales, sí lo es. A veces, se heredan genes mutados que predisponen al desarrollo de ciertos tipos de cáncer.

Tipos de cáncer:

• Carcinomas: Afectan a las células epiteliales.
• Sarcomas: Afectan al tejido muscular, conjuntivo, óseo y cartilaginoso.
• Leucemias: Afectan a las células hematopoyéticas.
• Linfomas: Afectan a las células del sistema inmunitario.

Cáncer Asociado a Diferentes Tipos de Genes

1. Producción de cáncer por activación de protooncogenes: Los protooncogenes son genes normales que codifican para proteínas implicadas en la división y supervivencia celular. Cuando mutan, se convierten en oncogenes, que promueven la división incontrolada de las células.

La expresión de los oncogenes produce:

• Aumento de la proliferación sin control.
• Estimulación de la angiogénesis.
• Adquisición de la capacidad invasiva.
• Activación de la enzima telomerasa.

Producción de cáncer por mutación de genes supresores de tumores: Estos genes inhiben la proliferación excesiva de células y evitan la supervivencia de células anormales. Cuando mutan, activan la formación de tumores. Producción de cáncer por mutación de genes de reparación del ADN: Los sistemas de corrección y reparación de errores permiten corregir muchas mutaciones. Con el tiempo, estos genes se degeneran, alterando los sistemas de corrección y contribuyendo al envejecimiento celular y a la transformación en células cancerosas.

Epigenética

La epigenética se refiere a los cambios reversibles y heredables en el ADN que no afectan a la secuencia de nucleótidos, pero sí alteran su expresión, haciendo que algunos genes se expresen y otros no, en función de las condiciones ambientales.

Microbiología

La microbiología es la ciencia que estudia la biología de los microorganismos, su diversidad, evolución y su papel en el ecosistema, la sociedad humana, los animales, las plantas y el cuerpo humano.

Los microorganismos o microbios son seres vivos que solo pueden ser vistos con microscopio óptico o electrónico. Pueden existir como formas celulares aisladas, libres e independientes, o como agrupaciones celulares. También son microorganismos los virus, priones y viroides, que son entidades no celulares.

Existen 5 grupos de microorganismos: bacterias, algas, hongos, protozoos y virus.

Características de los Microorganismos

1. Disminuye el tamaño, aumenta la relación superficie/volumen, facilitando el intercambio de sustancias.
2. Las reacciones metabólicas transcurren a gran velocidad.
3. Alteran rápidamente el medio en el que viven.
4. Se multiplican rápidamente por su alta tasa metabólica.

Clasificación de los Microorganismos

Se clasifican en 3 líneas o dominios:

• Dominio Eukarya: Organismos eucariotas con lípidos de membrana de glicerolípidos y ARN eucariótico.
• Dominio Bacteria: Células procariotas con lípidos de membrana de glicerolípidos, pared de peptidoglucano con ácido murámico y ARN bacteriano.
• Dominio Archaea: Células procariotas con membranas de lípidos isoprenoides del tipo diéter de diglicerol.

Virus: En el Límite de la Vida

Los virus son formas acelulares microscópicas compuestas por un ácido nucleico rodeado por una cubierta proteica. Son parásitos intracelulares estrictos, necesitando células huésped vivas para multiplicarse.

Fuera de la célula, el virus se denomina virión, siendo metabólicamente inerte. Dentro de la célula, el ácido nucleico se integra con el de la célula huésped y toma el control para multiplicarse.

Estructura Viral

1. Ácido nucleico: ADN o ARN, nunca ambos. Puede ser monocatenario o bicatenario, circular o lineal, en una única molécula o fragmentado.
2. Cápsida: Estructura proteica que protege el ácido nucleico. El conjunto se llama nucleocápsida vírica. Está compuesta por subunidades proteicas llamadas capsómeros.

• Cápsidas helicoidales: Cilindros huecos con un único tipo de proteína.
• Cápsidas poliédricas: Forma de poliedro regular.
• Cápsidas complejas: Con estructuras adicionales.

Envoltura o cubierta: Algunos virus tienen una envoltura membranosa con una bicapa lipídica y proteínas. Enzimas en los viriones: Algunos virus poseen polimerasas dependientes de ARN (transcriptasa inversa).

Clasificación de los Virus

• Según la arquitectura de la cápsida:
  • Virus helicoidales: (ej., Ébola).
  • Virus poliédricos: (ej., Poliovirus).
  • Virus complejos: (ej., Bacteriófago).
• Según la presencia o ausencia de envoltura:
  • Virus envueltos: Con membrana.
  • Virus desnudos: Sin membrana.
• Según el ácido nucleico:
  • Virus ADN: Monocatenario (ej., Fago OX174) o bicatenario (ej., Fago T4).
  • Virus ARN: Monocatenario (ej., SIDA) o bicatenario (ej., Reovirus).

Modalidades del Ciclo Vital Vírico: Lisis y Lisogenia

Ciclo Lítico

Conduce a la destrucción o lisis de la célula hospedadora. Etapas:

1. Fijación o adsorción e inyección del ácido nucleico: El bacteriófago se fija a la pared de la bacteria e inyecta su ácido nucleico.
2. Entrada en actividad del ácido nucleico del virus (fase de eclipse): El ácido nucleico del virus interrumpe el funcionamiento normal de la célula y dicta las órdenes para replicarse y fabricar componentes virales.
3. Fase de ensamblaje de nuevos virus: Se ensamblan los ácidos nucleicos replicados y los componentes virales.
4. Fase de lisis o liberación: La célula se lisa y los nuevos viriones salen al exterior.

Ciclo Lisogénico

Propio de virus atenuados o profagos, que no producen la lisis de las células que infectan. El genoma del virus se integra en el ADN de la célula hospedadora (célula lisogénica) y se replica pasivamente. El ADN del profago puede permanecer latente hasta que un estímulo induzca su separación e inicie un ciclo lítico. La célula lisogénica es inmune a infecciones del mismo virus.

Ciclo Vital de un Retrovirus (VIH)

El VIH tiene una cápsida rodeada de una cubierta de proteínas que rodea la molécula de ARN. Las proteínas de la cubierta permiten la adhesión del virus a los linfocitos T4. Para infectar al linfocito T4, el VIH debe insertar su código genético (ARN) en el código genético del linfocito (ADN). El VIH transforma su ARN en ADN gracias a la enzima transcriptasa inversa.

Mecanismo de acción del VIH:

1. El VIH entra en la circulación sanguínea.
2. El VIH se adhiere al linfocito T4.
3. La pared del virus se abre y deja al descubierto el ARN vírico.
4. El ARN vírico se transcribe en ADN, se introduce en el núcleo del linfocito T4 y pasa a formar parte del código genético de la célula.
5. A partir de este momento, puede ocurrir:

• Que el virus permanezca dormido: La infección persiste sin síntomas (ciclo lisogénico).
• Que el virus se vuelva activo: Se reproduce en la célula hasta que esta estalla y libera nuevos virus (ciclo lítico).

La destrucción de linfocitos T4 debilita el sistema inmunitario, aumentando el riesgo de aparición del SIDA.

Virus Patógenos Frecuentes

• Virus Ébola y Marburgo.
• Virus del SIDA (VIH).

Aplicaciones de los Virus

• Medicina y ciencias de la vida: Vectores para introducir genes en células.
• Nanotecnología y ciencias de los materiales: Fabricación de nanocables metálicos, micromatrices, etc.

Viroides y Priones

Los viroides son pequeñas moléculas de ARN de cadena simple, circular y desnudo, sin cubierta proteica. Afectan a las plantas, disminuyendo su crecimiento y causando un desarrollo anormal.

Los priones son agregados supramoleculares de glicoproteínas que causan enfermedades infecciosas. Son proteínas con la misma secuencia de aminoácidos que una proteína normal, pero con una conformación espacial distinta, capaces de inducir a las proteínas normales a adoptar la forma del prión. Suelen provocar enfermedades neurodegenerativas.

El síndrome de Creutzfeldt-Jakob es una enfermedad humana producida por un prión. La encefalopatía espongiforme bovina (“mal de las vacas locas”) y la “tembladera” de las ovejas son otras enfermedades producidas por priones. Los priones son resistentes a tratamientos químicos y físicos, sin que exista un sistema para combatirlos.