ejercicios de biología

EJERCICIOS DE BIOLOGÍA
CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES
2008/2009
PRIMER CUATRIMESTRE
Ejercicios de Biología-Ciencias Medioambientales 2008/2009
INTRODUCCIÓN
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. Como 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.
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
- comprobar los efectos de los distintos tipos de mutaciones puntuales sobre una secuencia génica
1.- Al secuenciar un DNA, 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 DNA 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.
SECUENCIA DE DNA
...CCCGCCGCATGGCAGTCCGGGCCCGGCGCGATGGGGGCCGC
CTGAGTGACCGGCCGGAGCCCCCACCTGGGGCCCGCGC...
TRES MARCOS DE LECTURA DE LA SECUENCIA DE DNA
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 DNA a partir del primer codon que se
encuentre (es decir, desde el codon de iniciación que correspondería al primer codon ATG 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 DNA (que corresponden a la
hebra complementaria a la que se transcribe) permitiendo trabajar directamente con las secuencias de DNA, ya que siempre se emplean
éstas para describir los genes en las publicaciones. Como se puede comprobar, es equivalente a la que suele presentarse en los libros de
texto, que muestra los codones en forma de RNA.
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TABLA DEL CÓDIGO GENÉTICO
SEGUNDA POSICIÓN
T
C
TTT Phe [F] TCT Ser [S]
P
TTC Phe [F] TCC Ser [S]
R T TTA Leu [L] TCA Ser [S]
I
TTG Leu [L] TCG Ser [S]
M
CTT Leu [L] CCT Pro [P]
E
R C CTC Leu [L] CCC Pro [P]
CTA Leu [L] CCA Pro [P]
A
CTG Leu [L] CCG Pro [P]
P
ATT Ile [I] ACT Thr [T]
O
ATC Ile [I] ACC Thr [T]
S A ATA Ile [I] ACA Thr [T]
I
ATG Met [M] ACG Thr [T]
C
GTT Val [V] GCT Ala [A]
I
GTC Val [V] GCC Ala [A]
Ó
G
GTA Val [V] GCA Ala [A]
N
GTG Val [V] GCG Ala [A]
A
G
TAT Tyr [Y]
TAC Tyr [Y]
TAA Ter [end]
TAG Ter [end]
TGT Cys [C]
TGC Cys [C]
TGA Ter [end]
TGG Trp [W]
CAT His [H]
CAC His [H]
CAA Gln [Q]
CAG Gln [Q]
CGT Arg [R]
CGC Arg [R]
CGA Arg [R]
CGG Arg [R]
AAT Asn [N]
AAC Asn [N]
AAA Lys [K]
AAG Lys [K]
AGT Ser [S]
AGC Ser [S]
AGA Arg [R]
AGG Arg [R]
GAT Asp [D]
GAC Asp [D]
GAA Glu [E]
GAG Glu [E]
GGT Gly [G]
GGC Gly [G]
GGA Gly [G]
GGG Gly [G]
T
C T
A E
G R
C
T E
C R
A A
G
T P
C O
A S
G I
C
T I
C Ó
A N
G
SECUENCIA PROTEICA DESDE EL PUNTO DE INICIACIÓN (ATG)
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.
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EJERCICIO 2
Digestión de DNA 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. A 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 DNA. 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 DNA y realizar estudios funcionales de ese DNA y/o de la proteína que codifica.
1.- En la figura se muestra un DNA 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 DNA que se obtienen al realizar las digestiones con las enzimas señaladas en cada caso. Los números
corresponden al número de pares de bases del DNA, siendo su tamaño total de 1500 pares de bases.
a
0
c
500
d
a
1000
DIGESTIÓN a:
DIGESTIÓN ac:
DIGESTIÓN b:
DIGESTIÓN ad:
DIGESTIÓN c:
DIGESTIÓN bc:
DIGESTIÓN d:
DIGESTIÓN bd:
DIGESTIÓN ab:
DIGESTIÓN cd:
b
1500
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. 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 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.- 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.
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.
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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
500
3500
5000 pb
4000 pb
4500 pb
3000 pb
2500 pb
4000 pb
3000
1000
2000 pb
1500 pb
1000 pb
2500
1500
800 pb
600 pb
400 pb
2000
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.- Aunque 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.
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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 identificado 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 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 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. 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 TATA
5
6
7
Punto de inicio de la transcripción
Punto de fin de la transcripción
ARN polimerasa
Secuencias reguladoras
2.- Además del mRNA existen otros tipos de RNAs. Indique cuáles son, su estructura y su función en la célula.
3.- El RNAm 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 RNAm 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. Comente 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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EJERCICIO 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. Además, 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. Cada 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.
Transformación
Diferenciación
Senescencia
Apoptosis
Necrosis
Fase S
Fase G2
Fase G1
Mitosis
La célula se especializa y cesa su división
Arresto irreversible del crecimiento celular
Muerte celular
La
célula
se
desdiferencia
dividiéndose
descontroladamente
La célula se prepara para la división
La célula replica su DNA
Muerte celular programada
División celular
La célula crece
9
1
2
4
5
8
3
6
7
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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.- Además 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.
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EJERCICIO 5
Análisis 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. 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 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. 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, 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
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?
● 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. 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.
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2. ¿Cuántos tipos de óvulos diferentes puede producir la mujer?
3. ¿Cuántos tipos de espermatozoides diferentes puede producir el hombre?
4. ¿Cuál es la probabilidad de tener un hijo varón sano y no portador?
5. ¿Cuál es la probabilidad de tener un descendiente (varón o hembra) sano?
6. ¿Cuál 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?.
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