Ejercicio resuelto de Mutaciones · Biología · Extremadura · 2025

El gen CPS1 codifica la enzima carbamoil-fosfato-sintetasa 1, una proteína mitocondrial que cataliza la reacción entre amonio y bicarbonato para sintetizar carbamoil-fosfato. Si no se lleva a cabo aparecen graves daños en el sistema nervioso. La mutación en un nucleótido (C-G a T-A) del gen conduce a la aparición de un codón de STOP. Utilizando la tecnología CRISPR, en mayo de 2025, un grupo de investigadores ha conseguido por primera vez corregir este defecto genético en una niña de 7 meses y curar por completo su enfermedad.

B1.- Clasifique y defina los tipos de agentes mutagénicos [0,6 puntos] y ponga un ejemplo de cada tipo. [0,3 puntos]

B2.- La mutación en el gen CPS1 pudo suceder durante la replicación del ADN. Explique:
B2.1.- Diferencia entre hebra conductora (líder) y hebra retardada. [0,3 puntos]
B2.2.- Describa la actividad de la primasa y de la telomerasa. [0,3 puntos]

B3.- Para detectar la mutación en el gen CPS1 puede utilizarse la técnica de la PCR. Indique cuatro componentes moleculares necesarios para llevar a cabo esta tecnología. [0,4 puntos]

B4.- Describa someramente las tres etapas sucesivas en el proceso de la PCR. [0,6 puntos]

$\textbf{B1.- Clasifique y defina los tipos de agentes mutagénicos [0,6 puntos] y ponga un ejemplo de cada tipo. [0,3 puntos]}$

Un agente mutagénico es todo factor externo capaz de aumentar la frecuencia de las mutaciones por encima de la tasa espontánea. Se clasifican en tres tipos según su naturaleza.

Tipo	Definición	Ejemplo Físicos	Radiaciones que llevan energía suficiente para alterar el ADN. Las ionizantes arrancan electrones y rompen las hebras; las no ionizantes no ionizan, pero excitan las moléculas	Los rayos X y la radiación gamma, ionizantes; la radiación ultravioleta, no ionizante, que forma dímeros de timina Químicos	Sustancias que reaccionan con el ADN o que se confunden con sus componentes, modificando las bases o alterando la lectura de la secuencia	El ácido nitroso, que desamina la citosina; el 5-bromouracilo, análogo de la timina; el gas mostaza, alquilante; el bromuro de etidio, intercalante Biológicos	Agentes vivos, o fragmentos de ADN móviles, que se insertan en el genoma del hospedador y alteran los genes en los que caen	Los virus, sobre todo los retrovirus que integran su material en el ADN celular, y los transposones o genes saltarines

Conviene precisar que los agentes químicos actúan de tres maneras distintas: los análogos de bases se incorporan en lugar de la base auténtica y se emparejan mal en la siguiente replicación; los modificadores de bases, como los agentes alquilantes y desaminantes, cambian químicamente una base ya incorporada; y los intercalantes se meten entre dos bases contiguas y provocan inserciones o deleciones al replicarse.

$\textbf{B2.- La mutación en el gen CPS1 pudo suceder durante la replicación del ADN. Explique:}$

$\textbf{B2.1.- Diferencia entre hebra conductora (líder) y hebra retardada. [0,3 puntos]}$

La diferencia nace de un solo hecho: la ADN polimerasa únicamente sabe añadir nucleótidos al extremo $3'$ libre, es decir, solo sintetiza en sentido $5'\rightarrow3'$, y las dos hebras molde son antiparalelas.

Sobre la hebra molde que se lee en sentido $3'\rightarrow5'$ a medida que la horquilla avanza, la síntesis coincide con ese avance y puede hacerse de una sola vez, sin interrupciones y con un único cebador. Esa es la hebra conductora o líder: continua.

Sobre la otra hebra molde el sentido obligado de síntesis es el contrario al del avance de la horquilla, de modo que la polimerasa tiene que esperar a que se abra un tramo, retroceder y copiarlo hacia atrás, y repetir la operación una y otra vez. Esa es la hebra retardada: se sintetiza a trozos, los fragmentos de Okazaki, cada uno con su propio cebador, que después hay que eliminar, rellenar y sellar con la ADN ligasa. Va, además, por detrás de la otra, de donde le viene el nombre.

$\textbf{B2.2.- Describa la actividad de la primasa y de la telomerasa. [0,3 puntos]}$

La primasa es una ARN polimerasa que sintetiza los cebadores. Su actividad consiste en fabricar, sobre la hebra molde, un fragmento corto de ARN complementario de unos diez nucleótidos, cuyo extremo $3'$ libre es el que la ADN polimerasa necesita para poder empezar. Es imprescindible porque ninguna ADN polimerasa sabe iniciar una cadena desde cero, mientras que las ARN polimerasas sí. Actúa una sola vez en la hebra conductora y una vez por cada fragmento de Okazaki en la retardada; el cebador se retira después y su hueco se rellena con ADN.

La telomerasa es una transcriptasa inversa que alarga los extremos de los cromosomas. Su actividad resuelve el llamado problema de la replicación de los extremos: cuando se elimina el último cebador de la hebra retardada queda un hueco que ninguna polimerasa puede rellenar, porque no hay extremo $3'$ anterior al que añadir, y el cromosoma se acortaría un poco en cada división. La telomerasa lleva consigo un pequeño ARN que usa de molde para añadir repeticiones al telómero y compensar esa pérdida. Es muy activa en las células germinales y en las madre, apenas lo es en las somáticas —lo que relaciona su falta con el envejecimiento celular— y vuelve a activarse en la mayoría de las células tumorales, que se hacen así inmortales.

$\textbf{B3.- Para detectar la mutación en el gen CPS1 puede utilizarse la técnica de la PCR. Indique cuatro componentes moleculares necesarios para llevar a cabo esta tecnología. [0,4 puntos]}$

Componente	Para qué es necesario ADN molde	La muestra que contiene el fragmento del gen CPS1 que se quiere amplificar y sobre la que se copia Pareja de cebadores	Oligonucleótidos de ADN complementarios de los extremos del fragmento; aportan el extremo $3'$ libre y deciden qué se amplifica Desoxirribonucleótidos trifosfato	Los cuatro dNTP, que son los sillares con los que se construyen las nuevas hebras y que aportan además la energía de la polimerización ADN polimerasa termoestable	La Taq polimerasa, que alarga los cebadores y que resiste los $95\ ^{\circ}\text{C}$ de la desnaturalización sin inactivarse

A esto hay que añadir la disolución tampón con iones $\text{Mg}^{2+}$, que son el cofactor de la polimerasa, y el termociclador, que no es un componente molecular pero es el aparato que repite automáticamente los ciclos.

$\textbf{B4.- Describa someramente las tres etapas sucesivas en el proceso de la PCR. [0,6 puntos]}$

La primera etapa es la desnaturalización. Se calienta la mezcla a unos $95\ ^{\circ}\text{C}$ durante medio minuto, con lo que se rompen los puentes de hidrógeno entre las bases y la doble hélice se separa en sus dos hebras. Los enlaces fosfodiéster no se alteran, de modo que cada hebra queda entera y disponible como molde.

La segunda es la hibridación o anillamiento de los cebadores. Se baja la temperatura hasta unos $50$ o $65\ ^{\circ}\text{C}$, según la secuencia, y a esa temperatura los cebadores, que son cortos y están en gran exceso, se aparean con su secuencia complementaria en cada hebra molde antes de que las dos hebras largas puedan volver a unirse entre sí. Es la etapa que da a la técnica su especificidad.

La tercera es la extensión o elongación. Se sube la temperatura a $72\ ^{\circ}\text{C}$, que es el óptimo de la Taq polimerasa, y esta alarga cada cebador añadiendo desoxirribonucleótidos complementarios del molde en sentido $5'\rightarrow3'$ hasta copiar el fragmento entero.

Las tres etapas constituyen un ciclo que se repite entre veinticinco y cuarenta veces. Como al final de cada ciclo cada molécula se ha convertido en dos, y ambas sirven de molde en el siguiente, el número de copias crece de forma exponencial según $2^n$, siendo $n$ el número de ciclos: treinta ciclos bastan para pasar de una molécula a más de mil millones.