Exercicis: Les mutacions

Explica què és una mutació i quan solen aparèixer (errors en copiar l'ADN o acció d'agents externs).

Distingueix entre una mutació que té lloc en una cèl·lula somàtica (per exemple, de la pell) i una altra que té lloc en una cèl·lula germinal: quina d'elles es pot transmetre a la descendència?

Cita tres agents mutàgens, físics o químics, i explica breument com actuen sobre l'ADN.

Distingueix els termes mutació i mutagen, i posa un exemple de cadascun.

Les mutacions poden ser perjudicials, neutres o beneficioses. Explica què significa cada cas i posa un exemple d'una mutació beneficiosa des del punt de vista de l'organisme que la pateix.

Les mutacions gèniques poden ser substitucions (canviar una base per una altra), insercions (afegir una base) o delecions (perdre una base). Il·lustra els tres tipus canviant la paraula PALO i explica cadascun.

A més de les mutacions que canvien una base, hi ha mutacions cromosòmiques que afecten fragments de cromosoma o cromosomes sencers. Explica la diferència utilitzant el símil d'un llibre: canviar una lletra enfront de perdre o duplicar una pàgina.

La síndrome de Down es deu a la presència de tres còpies del cromosoma 21 en lloc de dues (trisomia 21). Explica per què no és una mutació d'un gen concret, sinó un canvi en el nombre de cromosomes, i en quin moment de la formació dels gàmetes es pot originar.

La majoria de les mutacions no tenen conseqüències. Explica dues raons per les quals moltes mutacions passen desapercebudes (sistemes de reparació de l'ADN i característiques del codi genètic).

Explica quina relació hi ha entre l'acumulació de mutacions en gens que controlen el cicle cel·lular i l'aparició del càncer.

Es diu que les mutacions són «la matèria primera de l'evolució». Raona per què sense mutacions no hi hauria variabilitat genètica nova sobre la qual actuar.

Raona per què inserir o perdre una base sol ser més greu per a la proteïna que canviar una base per una altra, utilitzant la frase de paraules de tres lletres «EVA VIO UNA OCA» com a model del marc de lectura dels codons.

En una població de bacteris, les mutacions es fan notar molt més de pressa que en una població d'elefants. Relaciona-ho amb la seva reproducció asexual molt ràpida (un bacteri es pot dividir cada $20$ minuts) i amb l'enorme nombre d'individus.

El tabac, la radiació ultraviolada i alguns virus augmenten el risc de patir càncer, però no totes les persones exposades emmalalteixen. Explica per què el càncer es considera una malaltia multifactorial en què intervenen les mutacions acumulades, l'atzar i la predisposició genètica de cada persona.

Un infant presenta una mutació dominant que cap dels seus progenitors té. Explica com és possible que aparegui «de nou» (mutació de novo) si la mutació va tenir lloc a l'òvul o a l'espermatozoide que van donar lloc a aquest infant, i si la podrà transmetre als seus fills.

El virus de la grip canvia una mica cada any. Relaciona-ho amb la seva alta taxa de mutació en copiar el seu material genètic i explica per què la vacuna de la grip s'ha d'actualitzar cada temporada mentre que altres vacunes duren anys.

Un pacient a qui s'ha extirpat amb èxit un melanoma a l'esquena planteja dos dubtes a la consulta mèdica:

1. «Em preocupa haver transmès aquesta mutació al meu fill acabat de néixer».

2. «Com que ja m'han tret el tumor i la meva pell està morena i colrada, ara soc immune i ja no em cal posar-me crema protectora solar».

Rebat de manera fonamentada totes dues afirmacions:

1. a) Justifica per què el seu fill no heretarà aquest melanoma, diferenciant entre mutacions en cèl·lules somàtiques i en cèl·lules germinals.
2. b) Explica per què és biològicament fals que la pell s'«immunitzi» enfront del càncer, detallant la relació entre radiació ultraviolada acumulada, mutacions en protooncògens o gens supressors de tumors i el descontrol del cicle cel·lular.

Observa l'esquema que il·lustra el canvi genètic i cel·lular en l'anèmia falciforme. Imagina que en un cribratge genètic s'identifiquen dues persones amb mutacions en aquest mateix codó (GAA):

• Persona A: pateix una mutació puntual silenciosa en què GAA passa a GAG (que també codifica àcid glutàmic).

• Persona B: pateix la deleció de la primera base (es perd la G), alterant la pauta de lectura.

1. a) Prediu raonadament el fenotip de la persona A a escala cel·lular, explicant quina característica del codi genètic evita que desenvolupi anèmia falciforme.
2. b) Compara l'impacte cel·lular i funcional esperable en la persona B respecte al cas d'anèmia falciforme mostrat a l'esquema. Justifica per què una deleció d'un únic nucleòtid sol ser biològicament més destructiva per a la proteïna que la substitució puntual representada.

Un pacient amb amigdalitis bacteriana suspèn el tractament amb antibiòtic al tercer dia dels set prescrits perquè ja no té febre ni molèsties. La seva justificació és: «Si continuo prenent antibiòtic, els bacteris aprendran a combatre'l i mutaran per fer-se resistents; val més deixar-lo ja per no forçar-los a mutar».

1. a) Identifica l'error conceptual del seu plantejament i rebat la seva afirmació, distingint clarament entre l'origen aleatori i preexistent de les mutacions i el paper selector de l'antibiòtic.
2. b) Prediu què passarà en la població bacteriana residual de la seva gola si suspèn el tractament a mitges, i raona per què aquest mal ús contribueix a la proliferació de soques multiresistents.

En un laboratori s'analitzen dues variants mutants d'un gen que codifica un enzim essencial de 320 aminoàcids. En l'ARNm, la seqüència normal que codifica els aminoàcids 10, 11 i 12 és 5'-AUG GCU UUA-3' (metionina-alanina-leucina):

• Variant 1: pateix la deleció d'un únic nucleòtid (la C del codó GCU).

• Variant 2: pateix la deleció del triplet GCU complet (es perden tres nucleòtids alhora).

1. a) Sabent que en la Variant 1 el nou codó que es forma en unir-se els nucleòtids contigus és GUU (valina), explica què significa que s'ha alterat la pauta de lectura (frameshift) i com afectarà això a la seqüència d'aminoàcids des d'aquest punt fins al final de la proteïna.
2. b) Justifica quina de les dues variants té més probabilitat de conservar part de l'activitat funcional de l'enzim i quina donarà lloc gairebé amb total seguretat a una proteïna afuncional o truncada prematurament.

Analitza la següent aparent contradicció mèdica i evolutiva:

1. Durant la Revolució Industrial, els fills de famílies immigrants de pell fosca que vivien en ciutats boiroses del nord d'Europa van patir alts índexs de raquitisme (deformitats òssies per dèficit greu de síntesi de vitamina D).

2. En l'actualitat, les poblacions d'ascendència britànica (pell molt clara) que habiten a Austràlia presenten una de les incidències més altes de melanoma i de degradació de folat en sang per excés de radiació ultraviolada.

1. a) A partir d'aquestes dades, rebat la idea popular que «una mutació és per si mateixa intrínsecament beneficiosa o perjudicial per a una espècie».
2. b) Dissenya una hipòtesi evolutiva que expliqui per què les mutacions que van reduir la síntesi de melanina van ser seleccionades favorablement quan els grups humans van colonitzar latituds altes, analitzant el compromís biològic entre la protecció contra la radiació UV i la producció de vitamina D.

En certes zones rurals de l'Àfrica subsahariana, el 25 % de la població adulta és heterozigota per a l'al·lel de l'anèmia falciforme (genotip AS: un al·lel normal A i un al·lel falciforme S), mentre que els individus homozigots falciformes (SS) pateixen una malaltia greu amb alta mortalitat sense atenció hospitalària.

1. a) Si l'al·lel S és letal o molt perjudicial en homozigosi, per què la selecció natural no l'ha eliminat de la població? Justifica la teva resposta comparant l'eficàcia biològica dels tres genotips possibles (AA, AS i SS) en una zona amb alta incidència de malària.
2. b) Si en una regió aïllada s'aconsegueix erradicar totalment el mosquit transmissor de la malària mitjançant mesures de control biològic sostingudes en el temps, prediu raonadament què li passarà a la freqüència de l'al·lel S al llarg de les generacions següents.

Per verificar si un nou additiu alimentari és segur, un laboratori realitza el test d'Ames utilitzant bacteris Salmonella incapaços de sintetitzar histidina (soca his⁻), els quals no poden dividir-se en un medi sense aquest aminoàcid tret que experimentin una mutació que reverteixi el defecte genètic.

S'inocula el mateix nombre de bacteris en tres plaques de cultiu amb medi mancat d'histidina i s'obtenen els resultats següents al cap de 48 hores:

• Placa 1 (control: bacteris his⁻ + aigua destil·lada): apareixen 3 colònies.

• Placa 2 (bacteris his⁻ + additiu a baixa concentració, 0,1 %): apareixen 4 colònies.

• Placa 3 (bacteris his⁻ + additiu a alta concentració, 5 %): apareixen 395 colònies.

1. a) Interpreta les dades: per què apareixen algunes colònies a la Placa 1 si no hi ha histidina ni additiu? Què indica el resultat de la Placa 3 sobre l'efecte de l'additiu en l'ADN bacterià?
2. b) Justifica per què un resultat positiu en bacteris porta les agències sanitàries a descartar o restringir l'ús d'aquesta substància en aliments per a consum humà, explicant la relació biològica entre poder mutagen i risc cancerigen.

A una pacient diagnosticada amb un tumor sòlid se li pauta un tractament de radioteràpia fraccionada (dosis calculades de radiació ionitzant administrades diàriament durant 5 setmanes, amb descansos durant els caps de setmana), en lloc d'aplicar una única sessió de radiació massiva.

1. a) Resol l'aparent paradoxa mèdica: com es pot utilitzar la radiació (un agent mutagen que pot induir càncer) per tractar i erradicar un tumor? Basa la teva explicació en la taxa de proliferació cel·lular, l'acumulació de lesions letals en l'ADN i la inducció d'apoptosi.
2. b) Justifica biològicament per què la radioteràpia s'administra en dosis fraccionades amb descansos periòdics, comparant la capacitat dels punts de control i dels sistemes de reparació de l'ADN en les cèl·lules sanes circumdants enfront de les cèl·lules tumorals.

Repte del tema. Imagina que treballes per a una agència de bioseguretat alimentària i has de fer una avaluació preliminar d'una mostra vegetal domèstica. Resoldràs aquest cas mitjançant un breu informe bioforense organitzat en quatre fases:

1. Extracció i mesurament: Extreu l'ADN de $100\text{ g}$ de tomàquet o plàtan emprant sal, rentavaixelles i alcohol molt fred al $96\,\%$. Mesura amb un regle mil·limetrat l'alçària de la interfase mucosa precipitada (anotant el teu valor, ex. $0,6\text{ cm}$) i explica la funció fisicoquímica de cada reactiu.

2. Expressió gènica: A partir de la seqüència motlle $3'\text{-TAC\,TTC\,AAA\,ACT-}5'$, escriu la molècula d'ARNm complementària i dedueix la seqüència peptídica corresponent usant el codi genètic, detallant dues diferències estructurals entre ADN i ARN.

3. Mutació en bases de dades: Modifica la seqüència motlle anterior substituint-ne la quarta base, comptant des de l'extrem $3'$, per una adenina. Consulta el portal científic oficial NCBI (Gene database) per a buscar un exemple de mutació puntual i classifica la mutació simulada segons el seu efecte en la proteïna resultant.

4. Dictamen bioforense: Redacta una proposta raonada que distingeixi allò que indica el rendiment de l'extracte (quantitat aproximada de material recuperat, que depèn sobretot del teixit i del procediment) de les conseqüències fenotípiques que provoquen les mutacions en els cultius, i indica quines anàlisis (comparació de seqüències o marcadors amb una mostra de referència) caldrien per verificar l'autenticitat i l'estabilitat genètica.

Es valorarà:

• Rigor en el procediment experimental casolà i obtenció precisa de la dada mètrica.

• Exactitud a l'hora de modelar la transcripció, traducció i tipologia de la mutació.

• Argumentació científica coherent que integri estructura molecular, expressió i fenotip.