EJERIIOS DE BIOLOGÍ IENIS MEDIOMBIENLES 2008/2009 PRIMER URIMESRE
INRODUIÓN La biología 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 organismo y cómo se producen los distintos procesos que dan lugar a la vida tal y como hoy la conocemos. omo parte de este curso se incluyen créditos prácticos que se han dividido en prácticas presenciales de laboratorio y ejercicios. Mientras en las prácticas presenciales el alumno inicia el contacto con el trabajo experimental, la obtención y el análisis de resultados, el objetivo de estos ejercicios es proporcionar al alumno una visión diferente sobre fenómenos de larga duración que hacen imposible su realización en unas prácticas experimentales. El diseño de los ejercicios busca complementar las prácticas experimentales y dar una perspectiva mas amplia de lo que es la biología y mostrar los problemas y las técnicas mas comunes de laboratorio que se encuentra un biólogo durante el desarrollo de una investigación en el laboratorio. EJERIIO 1 Obtención de una secuencia proteica a partir de una secuencia de DN 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 DN puede dar distintas proteínas según el marco de lectura que se emplee - comprobar los efectos de los distintos tipos de mutaciones puntuales sobre una secuencia génica 1.- l secuenciar un DN, este puede corresponder a una secuencia codificante o no codificante. Por ello, uno de los primeros pasos para analizar una secuencia y su posible interés es estudiar si presenta marcos de lectura que puedan dar lugar a una proteína. En este primer punto del ejercicio se proporciona una secuencia de DN que el alumno va a emplear para determinar los tres marcos posibles de lectura u ORF (de su nombre en inglés, Open Reading Frames), según considere el primer, segundo o tercer nucleótido de la secuencia como la base inicial del primer codon, que podrían dar lugar a tres posibles péptidos teóricos. SEUENI DE DN...GGGGGGGGGGGGGGGGGG GGGGGGGGGGGGGG... RES MROS DE LEUR DE L SEUENI DE DN ORF1: ORF2: ORF3: 2.- Una vez determinados los tres marcos de lectura posible, es necesario buscar si existe un codon de iniciación que pueda indicar que ese marco de lectura es el que se produce en la célula y realizar la traducción de la secuencia de DN a partir del primer codon que se encuentre (es decir, desde el codon de iniciación que correspondería al primer codon G que aparece). La tabla del código genético que se proporciona es la que se emplea normalmente en los laboratorios, se indican los codones en forma de DN (que corresponden a la hebra complementaria a la que se transcribe) permitiendo trabajar directamente con las secuencias de DN, ya que siempre se emplean éstas para describir los genes en las publicaciones. omo se puede comprobar, es equivalente a la que suele presentarse en los libros de texto, que muestra los codones en forma de RN. 2
BL DEL ÓDIGO GENÉIO Ejercicios de Biología-iencias Medioambientales 2008/2009 P R I M E R P O S I I Ó N G SEGUND POSIIÓN G Phe [F] Phe [F] Leu [L] G Leu [L] Leu [L] Leu [L] Leu [L] G Leu [L] Ile [I] Ile [I] Ile [I] G Met [M] G Val [V] G Val [V] G Val [V] GG Val [V] Ser [S] Ser [S] Ser [S] G Ser [S] Pro [P] Pro [P] Pro [P] G Pro [P] hr [] hr [] hr [] G hr [] G la [] G la [] G la [] GG la [] yr [Y] yr [Y] er [end] G er [end] His [H] His [H] Gln [Q] G Gln [Q] sn [N] sn [N] Lys [K] G Lys [K] G sp [D] G sp [D] G Glu [E] GG Glu [E] G ys [] G ys [] G er [end] GG rp [W] G rg [R] G rg [R] G rg [R] GG rg [R] G Ser [S] G Ser [S] G rg [R] GG rg [R] GG Gly [G] GG Gly [G] GG Gly [G] GGG Gly [G] SEUENI PROEI DESDE EL PUNO DE INIIIÓN (G) G G G G E R E R P O S I I Ó N 3.- Existen diferencias entre los productos obtenidos en cada uno de los ORF?. Si es así, explique a que se deben estas diferencias. 4.- Observando la tabla del código genético se puede ver que existen varios aminoácidos codificados por mas de un codon Qué ventajas ofrece esta redundancia? 5.- Proponga mutaciones en la secuencia que den como resultado lo siguiente: mutación sin sentido mutación con sentido mutación sinónima inserción deleción Empleando el péptido obtenido en el punto 2, indique los péptidos resultantes en cada caso y compárelos con el obtenido previamente. 3
EJERIIO 2 Digestión de DN con enzimas de restricción Las enzimas de restricción son una herramienta habitual en los laboratorios que se dedican a la investigación en biología molecular y celular así como en el diagnóstico y diversas aplicaciones biotecnológicas. menudo, se combinan con otras herramientas, como puedan ser los plásmidos, dando lugar a potentes métodos que, hoy en día, hacen que sean imprescindibles para el desarrollo de muchos estudios de biología molecular. El objetivo de este ejercicio es familiarizar al alumno con las enzimas de restricción y proporcionar un primero contacto en relación a su uso para que aprecie su utilidad a la hora de realizar el mapa de un fragmento de DN. Gracias a esto, podemos conocer la orientación del fragmento dentro un fragmento mayor y realizar posteriormente el clonaje del mismo en los plásmidos, que se emplean para secuenciar el DN y realizar estudios funcionales de ese DN y/o de la proteína que codifica. 1.- En la figura se muestra un DN lineal, que se corta con una serie de enzimas de restricción. Indique en la tabla el tamaño en pares de bases (pb) de los fragmentos de DN que se obtienen al realizar las digestiones con las enzimas señaladas en cada caso. Los números corresponden al número de pares de bases del DN, siendo su tamaño total de 1500 pares de bases. a c d a b 0 500 1000 1500 DIGESIÓN a: DIGESIÓN ac: DIGESIÓN b: DIGESIÓN ad: DIGESIÓN c: DIGESIÓN bc: DIGESIÓN d: DIGESIÓN bd: DIGESIÓN ab: DIGESIÓN cd: 2.- En la figura se muestra un plásmido, un DN 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. En la parte derecha de la figura 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 DN 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.- este carril corresponde al marcador, consiste en una serie de fragmentos de DN 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 DN obtenidos al digerir el plásmido con la enzima a. b.- este carril corresponde a los fragmentos de DN obtenidos al digerir el plásmido con la enzima b. c.- este carril corresponde a los fragmentos de DN obtenidos al digerir el plásmido con la enzima c. ab.- este carril corresponde a los fragmentos de DN obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas a y b al mismo tiempo. ac.- este carril corresponde a los fragmentos de DN obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas a y c al mismo tiempo. bc.- este carril corresponde a los fragmentos de DN obtenidos al digerir el plásmido con las enzimas b y c al mismo tiempo. 4
En esta parte del ejercicio el alumno tiene que colocar en la figura del plásmido las enzimas 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 mas intensidad. M a b c ab ac bc 0 3500 500 5000 pb 4000 pb 4500 pb 3000 pb 3000 4000 pb 1000 2500 pb 2000 pb 1500 pb 1000 pb 2500 1500 800 pb 600 pb 2000 400 pb 200 pb 3.- Las enzimas de restricción reconocen secuencias palindrómicas. Explique que son las secuencias palindrómicas y que ventajas ofrecen para este tipo de enzimas. 4.- unque las enzimas de restricción se emplean en técnicas de biología molecular, tienen su origen en la célula procariotica. Explique cual es la función original de este tipo de enzimas en la célula procariotica. 5
EJERIIO 3 El gen: su estructura básica en los eucariotas El gen es la unidad de transcripción básica. onsta de varios elementos que a lo largo del tiempo se han identificado e incorporando a la definición del mismo. 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 RN aunque este no siempre se traduce para dar un producto proteico. 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 RNs con diversas funciones celulares. 1.- En la figura se muestra el esquema general de un gen transcrito por RN polimerasa II. Se representan varios elementos estructurales e implicados en la transcripción. Sitúe cada uno de los elementos en la figura y explique brevemente qué es cada uno de ellos indicando su papel en la transcripción. 1 2 3 4 Exón Intrón Secuencia Secuencias reguladoras 5 6 7 Punto de inicio de la transcripción Punto de fin de la transcripción RN polimerasa 2.- demás del mrn existen otros tipos de RNs. Indique cuáles son, su estructura y su función en la célula. 3.- El RNm sufre una serie de procesos de maduración entre los que se encuentra el splicing, en cual se produce la eliminación de los intrones para dar lugar al RNm maduro. Una forma de splicing es el llamado splicing alternativo. Explique en qué consiste y la utilidad que tiene para la célula. 4.- La expresión de una proteína puede ser regulada en distintos niveles, uno de ellos es la transcripción. En esta regulación participan secuencias de diversos tipos que responden a distintos estímulos. omente 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. 6
EJERIIO 4 Biología celular: división y diferenciación La célula es una entidad dinámica que puede ser por si misma un organismo completo o formar parte de un ser multicelular. En el caso de los seres unicelulares, su interacción con el medio es directa y a la hora de reproducirse presentan diversas formas de división que dan lugar a las células hijas. En el caso de los seres multicelulares, hay un desarrollo a partir de una célula inicial que se divide dando lugar a células que forman órganos y sistemas que conforman el cuerpo del individuo. Durante este proceso, las células se diferencian para dar los distintos tipos celulares que se pueden encontrar en el organismo. demás, durante la vida del individuo existen células que se dividen y diferencian, regenerando o reparando diversas partes del cuerpo. El objetivo de este ejercicio es poner de manifiesto que la célula se encuentra a lo largo de su vida con diversas situaciones que tienen un papel fundamental en la formación del organismo y que alteraciones en las mismas pueden dar lugar a situaciones patológicas. 1.- En la figura se presenta un esquema básico con nueve situaciones distintas que puede sufrir una célula a lo largo de su vida. ada uno de los términos mostrados en la tabla corresponde a una de esas situaciones, representadas por un número en el dibujo. Indique la correspondencia entre los términos y las descripciones que se dan de acuerdo con el esquema. ransformación La célula se especializa y cesa su división Diferenciación rresto irreversible del crecimiento celular Senescencia Muerte celular poptosis La célula se desdiferencia dividiéndose Necrosis La célula se prepara para la división Fase S La célula replica su DN Fase G2 Muerte celular programada Fase G1 División celular Mitosis La célula crece 2 1 4 9 5 8 3 6 7 7
2.- La formación de un tumor es producto de la transformación celular, produciéndose un desequilibrio en el control del ciclo celular dando lugar a una división descontrolada. De las nueve situaciones expuestas en la figura, cuáles piensa que pueden ser mecanismos celulares para impedir que la célula transformada progrese? Razone la respuesta. 3.- La apoptosis y la necrosis son dos tipos de muerte celular. Explique brevemente las diferencias entre cada una de ellas y la utilidad de la apoptosis en un organismo multicelular durante su desarrollo. 4.- demás de la mitosis, en los organismos pluricelulares existe otro tipo de división celular que permite la formación de los gametos denominada meiosis. Realice un esquema comparativo de la mitosis y la meiosis exponiendo las diferencias y las semejanzas entre ambos tipos de división. Dibuje las distintas fases de la meiosis de una célula de un organismo que tiene 2n=8. 8
EJERIIO 5 nálisis de la herencia de enfermedades genéticas El objetivo de esta ejercicio es familiarizarse con la herencia mendeliana de caracteres monogénicos, deducir datos genéticos a partir de genealogias, y calcular probabilidades de herencia de caracteres tanto a nivel de genotipo como de fenotipo. omo 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. uando 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 varían 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. ctualmente 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, están considerando tener hijos y deciden 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. En primer lugar, analice los antecedentes familiares de ambos. En la figura se representa el árbol genealógico de la mujer (8) y del hombre (9). afectado gemelas afectada fallecido 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12? omo puede observar, el padre de la mujer así como dos hermanas gemelas del hombre padecen la enfermedad. 1. on estos datos es posible deducir los genotipos de todos los representados en el esquema? uáles serán los posibles genotipos de 8 y 9? Posteriormente, se decide realizar un análisis genético a nivel molecular dando como resultado que ambos, 8 y 9, son portadores del alelo (q) de la fibrosis quística. on 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. 9
2. uántos tipos de óvulos diferentes puede producir la mujer? 3. uántos tipos de espermatozoides diferentes puede producir el hombre? 4. uál es la probabilidad de tener un hijo varón sano y no portador? 5. uál es la probabilidad de tener un descendiente (varón o hembra) sano? 6. uál es la probabilidad de tener una hija portadora de la enfermedad? 7. Les gustaría tener una pareja (niño y niña) ambos sanos y no portadores cuál es la probabilidad de que se cumplan sus deseos? 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?. 10