Biología de secundaria · Grades 10–12
15Las enzimas y el fenotipo
Un gato siamés es de color crema en casi todo el cuerpo y pardo oscuro en las orejas, el hocico, las patas y la cola — las partes frías. Afeítale una zona del lomo, mantenla fría con una bolsa de hielo mientras vuelve a crecer el pelo, y el pelo nuevo sale oscuro. Los genes del gato no han cambiado; su enzima fabricante de pigmento sencillamente funciona por debajo de y no por encima. Entre un gen y un rasgo visible se interpone, casi siempre, una enzima; y entre la enzima y el rasgo se interpone el ambiente en el que esta trabaja. Este capítulo trata de esos dos intermediarios.
15.1 El fenotipo a tres escalas
Definición 15.1 (Genotipo y fenotipo)
El genotipo de un individuo es el conjunto de alelos que lleva; su fenotipo es el conjunto de sus características observables. El fenotipo puede describirse a tres escalas:
- la escala molecular: qué proteínas hay, en qué forma y con qué actividad;
- la escala celular: la forma, el contenido y el comportamiento de las células;
- la escala del organismo: los rasgos visibles, desde el color de los ojos hasta los síntomas de una enfermedad.
Cada escala es consecuencia de la anterior.
Ejemplo 15.2 (La drepanocitosis a tres escalas)
Molecular: un aminoácido de la cadena de hemoglobina (el glutamato, el sexto) está sustituido por valina; las moléculas cambiadas se pegan unas a otras en fibras largas cuando falta oxígeno. Celular: las fibras deforman el glóbulo rojo hasta convertirlo en una media luna rígida que obstruye los vasos pequeños y se rompe con facilidad. Del organismo: anemia, crisis de dolor cuando se obstruyen los vasos, daño en el bazo y en los riñones. Una sustitución en un codón de un gen, y tres descripciones de su consecuencia.
Proposición 15.3 (Las proteínas hacen el fenotipo)
Todos los niveles del fenotipo los producen proteínas: un alelo determina una proteína (Capítulo 14); la actividad de la proteína determina la química y la estructura de la célula; las células determinan los rasgos del organismo. Casi todas esas proteínas son enzimas, y casi todos los rasgos son por tanto el resultado de cadenas de reacciones que llevan enzimas.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
15.2 Las enzimas
Definición 15.4 (Enzima, sustrato, centro activo)
Una enzima es una proteína que cataliza una reacción química: hace que la reacción transcurra millones de veces más deprisa sin consumirse. La molécula que transforma es su sustrato; la reacción ocurre en un hueco de la enzima, el centro activo, cuya forma y cuya química encajan con ese sustrato y con ningún otro. Esa especificidad se sigue del plegamiento tridimensional de la enzima y, por tanto, de su secuencia de aminoácidos y de su gen.
Ejemplo 15.5 (La lactasa)
El azúcar de la leche, la lactosa, lo parte en dos azúcares sencillos la enzima lactasa del revestimiento del intestino delgado; sin esa partición pasa sin digerir al colon, donde las bacterias la fermentan, con gases, retortijones y diarrea como resultado. Todos los lactantes fabrican lactasa; en la mayor parte de la humanidad su gen se apaga tras el destete, y los adultos son intolerantes a la lactosa. En las poblaciones con una larga historia ganadera es frecuente un alelo que mantiene el gen activo de por vida — el 90% en el norte de Europa, el 10% en el este de Asia. Las gotas de lactasa que se venden a los intolerantes contienen esa misma enzima, fabricada por hongos.
Proposición 15.6 (Condiciones de actividad)
La actividad de una enzima depende de su entorno. Sube con la temperatura hasta que la proteína empieza a desplegarse, y entonces se hunde — las enzimas humanas funcionan mejor cerca de y se destruyen por encima de unos ; cada enzima trabaja dentro de un intervalo de acidez adecuado a su lugar (la pepsina en el ácido del estómago, la tripsina en el intestino neutro); y su velocidad sube con la concentración de su sustrato hasta un máximo, cuando todos los centros activos están ocupados.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
15.3 Cadenas de reacciones
Proposición 15.7 (Vías metabólicas)
Una célula rara vez fabrica un producto en un solo paso: una molécula de partida la transforma una sucesión de enzimas, cada una de las cuales actúa sobre el producto de la anterior, a lo largo de una vía metabólica. Cada enzima está codificada por su propio gen. Un alelo que no funcione en cualquiera de ellos bloquea la vía en ese paso: el producto no se fabrica y el sustrato de la enzima bloqueada puede acumularse. Así, dos genes distintos pueden producir el mismo defecto visible, y el defecto de un solo gen puede producir varios.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Ejemplo 15.8 (La fenilcetonuria, o cómo una dieta cambia un fenotipo)
Aproximadamente un recién nacido de cada diez mil lleva dos alelos no funcionales del gen de la enzima 1. La fenilalanina del alimento no se convierte; su concentración en la sangre se multiplica por veinte y envenena el cerebro en desarrollo. Sin tratar, el niño sufre una discapacidad intelectual grave. Detectada al nacer con una gota de sangre sobre una cartulina — se analiza a todos los recién nacidos — y alimentado con una dieta casi libre de fenilalanina, ese mismo niño se desarrolla con normalidad. El genotipo no ha cambiado; el fenotipo, en todas las escalas por encima de la molecular, es el de una persona sana. El ambiente, aquí la dieta, ha decidido.
15.4 Genotipo, ambiente, fenotipo
Proposición 15.9 (El ambiente moldea el fenotipo)
El fenotipo es el resultado del genotipo y del ambiente. El ambiente actúa a escala molecular (la temperatura y la acidez fijan la actividad enzimática, la presencia de un sustrato fija si una vía funciona), a escala celular (las células responden a señales, a nutrientes, a la luz) y a escala del organismo (dieta, ejercicio, enfermedad). Individuos de genotipo idéntico — gemelos idénticos, esquejes de una misma planta — difieren en fenotipo según sus historias; e individuos de genotipos distintos pueden converger en el mismo fenotipo en condiciones adecuadas.
Pruebas experimentales. La tirosinasa sensible a la temperatura del gato siamés: el pigmento solo se forma en las extremidades frías, y una zona afeitada y enfriada vuelve a crecer oscura. La fenilcetonuria controlada con la dieta. Gemelos idénticos criados por separado que se diferencian varios centímetros en estatura y más aún en masa corporal. Una planta del mismo clon cultivada a nivel del mar y en altura que difiere diez veces en altura, y que revierte al trasplantarla. En todos los casos el genotipo está fijado y el fenotipo se mueve con las condiciones. ∎
Método 15.10 (Razonar del gen al rasgo)
- Identifica la proteína: qué enzima, en qué vía y qué hace.
- Identifica el efecto del alelo sobre la proteína: normal, reducida, ausente o alterada en sus condiciones de actividad.
- Sigue la consecuencia escala a escala: qué le falta o qué acumula la célula, y después qué muestra el organismo.
- Pregúntate cuántos alelos funcionales hacen falta: para casi todas las enzimas basta uno, así que el defecto solo aparece con dos alelos no funcionales (un rasgo recesivo).
- Pregúntate qué añade el ambiente: sustrato presente o no, temperatura, un tratamiento.
Observación 15.11 (Por qué basta normalmente con un alelo funcional)
Las enzimas son catalizadores: una cantidad pequeña transforma una cantidad grande de sustrato. La mitad de la tirosinasa normal sigue fabricando melanina suficiente, y la mitad de la lactasa normal sigue digiriendo un vaso de leche. Un portador de un alelo no funcional es, por tanto, indistinguible de quien no lo lleva — el “recesivo” del volumen de primaria, ahora explicado — y el rasgo solo aparece cuando fallan los dos alelos. Las proteínas que no son enzimas, y que hacen falta en cantidad o con una forma exacta, son a menudo la excepción: una hemoglobina a media dosis sí marca la diferencia.
15.5 Ejercicios
Ejercicio 15.1 ★
Define genotipo y fenotipo, y nombra las tres escalas del fenotipo.
Ejercicio 15.2 ★
¿Qué es el centro activo de una enzima y qué significa “especificidad”?
Ejercicio 15.3 ★
Con la curva de temperatura, ¿a qué temperatura es más activa la enzima y qué fracción de esa actividad queda a ?
Solución
Solución de Ejercicio 15.3.
Cerca de ; a queda alrededor de un tercio.
Ejercicio 15.4 ★
Describe el albinismo en las tres escalas del fenotipo.
Solución
Solución de Ejercicio 15.4.
Molecular: tirosinasa ausente o inactiva, sin fabricación de melanina. Celular: células pigmentarias presentes pero vacías de melanina. Del organismo: pelo blanco, piel y ojos muy pálidos, sensibilidad a la luz y a las quemaduras solares.
Ejercicio 15.5 ★
¿Por qué la pepsina es inactiva en el intestino?
Solución
Solución de Ejercicio 15.5.
El plegamiento de la pepsina solo funciona en ácido fuerte (pH 2); el intestino es neutro o algo alcalino, donde la curva muestra actividad nula.
Ejercicio 15.6 ★★
Explica, con la noción de catálisis, por qué una persona que lleva un alelo funcional y otro no funcional del gen de la tirosinasa tiene pigmentación normal.
Solución
Solución de Ejercicio 15.6.
Un solo alelo funcional produce la mitad de la enzima normal, pero una molécula de enzima trabaja miles de veces por segundo: la mitad de la cantidad sigue convirtiendo tirosina suficiente para fabricar pigmento normal. El fenotipo está saturado; solo se nota cuando fallan los dos alelos.
Ejercicio 15.7 ★★
Dos progenitores albinos de familias distintas tienen un hijo con pigmentación normal. Con la figura de la vía metabólica, propón una explicación.
Solución
Solución de Ejercicio 15.7.
Su albinismo procede de bloqueos en dos genes distintos (dos enzimas distintas de la vía, o del transporte de la melanina). El hijo hereda un alelo funcional de cada gen del progenitor cuyo bloqueo está en otro sitio, así que las dos enzimas funcionan y se fabrica pigmento.
Ejercicio 15.8 ★★
Un niño con fenilcetonuria se alimenta con normalidad. ¿Qué molécula se acumula y cuál falta? Explica por qué esos niños suelen tener además poca pigmentación.
Solución
Solución de Ejercicio 15.8.
Se acumula fenilalanina; falta tirosina (y lo que deriva de ella). Como la melanina se fabrica a partir de la tirosina, su escasez reduce el pigmento: el pelo y la piel claros son frecuentes en la fenilcetonuria sin tratar.
Ejercicio 15.9 ★★
La intolerancia a la lactosa en el adulto es la condición humana ancestral, y la persistencia de la lactasa una mutación. Explica en qué sentido el fenotipo mutante es “más sano” y por qué solo en algunos ambientes.
Ejercicio 15.10 ★★
Una mutación sustituye un aminoácido del centro activo de una enzima por otro de forma muy distinta. Predice la consecuencia en las tres escalas para una vía que elijas.
Ejercicio 15.11 ★★
Un gatito siamés se cría en una casa muy cálida. Predice su pelaje y explícalo. ¿Qué ocurre si después vive al aire libre en invierno?
Ejercicio 15.12 ★★★
La hemoglobina de la drepanocitosis causa enfermedad en quienes llevan dos copias, pero quienes llevan una sola solo muestran falciformación con muy poco oxígeno (alta montaña, buceo profundo). Discute el fenotipo de un portador en las tres escalas y el papel del ambiente.
Solución
Solución de Ejercicio 15.12.
Molecular: la mitad de la hemoglobina es de la forma falciforme. Celular: con oxígeno normal las células siguen redondas; con muy poco oxígeno algunas se falciforman. Del organismo: sano en la vida corriente, en riesgo en altura o buceando — y protegido frente al paludismo. El ambiente (el oxígeno, el paludismo) decide si el fenotipo del portador es una carga o una ventaja.
Ejercicio 15.13 ★★★
Una fiebre de hace que un paciente se encuentre mal, pero no es directamente peligrosa; sí lo es. Explícalo con la curva de temperatura.
Ejercicio 15.14 ★★★
Los gemelos idénticos tienen el mismo genotipo. Uno se hace corredor de maratón y el otro sedentario. Enumera tres diferencias fenotípicas a escala celular o molecular que esperarías entre ellos, y di qué dice cada una sobre los rasgos “genéticos”.
Solución
Solución de Ejercicio 15.14.
Más mitocondrias y capilares por fibra muscular; un corazón más grande con mayor volumen sistólico; más hemoglobina por litro de sangre; mayores reservas de glucógeno. Cada una es un fenotipo producido por el mismo genotipo en un ambiente distinto: los rasgos “genéticos” son el intervalo que permite el genotipo, no un valor fijo.
Ejercicio 15.15 ★★★
“Como el fenotipo depende del ambiente, el genotipo no importa mucho.” Discútelo con la fenilcetonuria, el albinismo y el gato siamés: en cada caso, qué fija el genotipo y qué puede y qué no puede cambiar el ambiente.
Solución
Solución de Ejercicio 15.15.
El genotipo fija qué enzima se fabrica y cómo se comporta: sin enzima 1 (fenilcetonuria), sin tirosinasa (albinismo), con una tirosinasa sensible al calor (siamés). El ambiente solo puede cambiar el resultado dentro de lo que la enzima permite: una dieta retira el sustrato y salva el cerebro, pero no puede fabricar la enzima que falta; el frío hace que funcione la enzima siamesa, pero ninguna temperatura hace que funcione la del albino; y nada del ambiente le da pigmento al albino. El genotipo fija el intervalo; el ambiente elige dentro de él.
15.6 Problema: El gato de las orejas frías
Problema 15.1
Problema de fin de semana — el pelaje de un gato siamés explicado enzima a enzima: la tirosinasa sensible a la temperatura, el mapa de temperaturas del cuerpo, la zona afeitada y una dieta que reescribe un fenotipo
El alelo siamés del gen de la tirosinasa codifica una enzima cuya actividad, medida en el laboratorio, es del a , del a , del a , del a y del a . La enzima del alelo corriente conserva el hasta . Temperaturas de la piel de un gato: tronco , patas , almohadillas , orejas y hocico . La melanina se ve en el pelo cuando la enzima trabaja por encima de un aproximadamente.
Parte I — El mapa.
- Para cada región del cuerpo, lee la actividad de la enzima siamesa y di si el pelo está pigmentado.
- Dibuja, o describe, el pelaje resultante. ¿Coincide con un siamés?
- Haz lo mismo para un gato con el alelo corriente.
- Un gatito siamés nace de color crema uniforme. Explícalo, sabiendo que el útero está a .
- ¿A qué temperatura de la piel está el límite entre el pelo oscuro y el claro? ¿Qué parte de la curva de la enzima lo fija?
Parte II — El experimento.
- Se afeita una zona del tronco y se mantiene a bajo una bolsa fría mientras vuelve a crecer el pelo. Predice su color.
- Se afeita una zona de una pata y se mantiene caliente a con un vendaje. Predice.
- Una vez retiradas las bolsas, el pelo que ha vuelto a crecer conserva su color durante meses y después se sustituye poco a poco. Explica ambos hechos.
- Explica por qué estos experimentos muestran que el ambiente actúa a escala molecular y no sobre el genotipo.
- Un alumno propone que las extremidades oscuras se deben a otro alelo en esas células. Da dos argumentos en contra.
Parte III — Las tres escalas.
- Describe el fenotipo siamés en las escalas molecular, celular y del organismo.
- El alelo siamés se diferencia del corriente en una sola sustitución que cambia un aminoácido. Explica cómo un solo aminoácido puede hacer que una enzima sea sensible a la temperatura.
- Un gato que lleva un alelo siamés y otro corriente está totalmente pigmentado. Explícalo con la Observación 15.11.
- Un gato albino tiene dos alelos del mismo gen que no codifican ninguna enzima funcional a ninguna temperatura. Compara su fenotipo con el del siamés en las tres escalas.
- Los conejos himalayos y ciertos ratones muestran el mismo patrón. ¿Qué sugiere eso sobre su gen de la tirosinasa y qué esperarías de la mutación?
Parte IV — Una dieta que reescribe un fenotipo. A un recién nacido se le detecta fenilcetonuria: fenilalanina en sangre en lugar de . El nivel seguro para el desarrollo del cerebro está por debajo de .
- ¿Por qué factor está elevada la fenilalanina, y qué enzima de la figura de la vía falta?
- Explica por qué el cerebro del niño, y no, por ejemplo, su piel, es el órgano en riesgo.
- La dieta reduce el aporte de fenilalanina a una quinta parte de lo normal; el nivel en sangre baja en la misma proporción. ¿Está el niño a salvo? ¿Qué dice esto sobre la relación entre el aporte de sustrato y el fenotipo cuando falta la enzima?
- Aun así, algo de fenilalanina es imprescindible, porque el cuerpo no puede fabricarla. Explica por qué la dieta debe controlarse en lugar de eliminar sin más la fenilalanina.
- Enuncia el resultado: para el gato siamés y para el niño, qué fijó el genotipo, qué fijó el ambiente y la frase única que relaciona genotipo, ambiente y fenotipo.
Solución
Solución de Problema 15.1.
1. Tronco : alrededor del 2%, pálido. Patas : alrededor del 20%, pálido. Almohadillas : 80%, oscuras. Orejas y hocico : más del 90%, oscuros.
2. Cuerpo y patas pálidos, almohadillas, orejas y hocico (y cola) oscuros: el patrón siamés.
3. 100% en todas partes: un gato pigmentado por igual.
4. En el útero, todas las partes del gatito están a , la enzima está inactiva en todo el cuerpo y no se deposita pigmento antes de nacer; las puntas se oscurecen a medida que las extremidades se enfrían tras el nacimiento.
5. Hacia , donde la actividad cruza el 30%: el tramo descendente y abrupto de la curva entre 33 y fija el límite.
6. Oscuro: a la enzima está plenamente activa en los pelos que crecen.
7. Pálido: a la enzima está inactiva.
8. El pigmento se deposita en el pelo mientras crece y después no puede quitarse ni añadirse; el color solo cambia cuando los pelos se caen y los sustituyen otros nuevos crecidos a la temperatura local.
9. El genotipo de las células de la zona es el mismo antes y después, e igual al del resto del tronco; solo cambió la temperatura de la enzima y, con ella, el pigmento. La acción es sobre la actividad de la enzima, un fenómeno molecular.
10. Todas las células del gato descienden de un mismo óvulo y llevan los mismos alelos; y los experimentos de la zona afeitada cambian el color de una región sin cambiar sus células — una bolsa de hielo no puede cambiar un alelo.
11. Molecular: una tirosinasa que solo funciona por debajo de unos . Celular: células pigmentarias llenas de melanina en las extremidades y vacías en el tronco. Del organismo: un gato pálido con las puntas oscuras.
12. El aminoácido está donde estabiliza el plegamiento; el que lo sustituye mantiene unido el plegamiento a baja temperatura, pero deja que se afloje unos pocos grados más arriba, de modo que el centro activo pierde su forma antes que el de la enzima corriente.
13. La enzima del alelo corriente está plenamente activa a la temperatura del cuerpo; la mitad de la cantidad normal es de sobra suficiente para fabricar pigmento en todas partes. El alelo siamés es recesivo respecto de él.
14. Molecular: ninguna enzima funcional a ninguna temperatura, frente a una que funciona según las condiciones. Celular: nada de melanina en ninguna parte, frente a melanina en las regiones frías. Del organismo: un gato completamente blanco con los ojos rosados, frente al patrón de puntas. Para el albino, el frío no cambia nada.
15. Que llevan un alelo sensible a la temperatura del mismo gen; probablemente una sustitución parecida que desestabiliza la enzima, surgida de forma independiente en cada especie.
16. Veinte veces; la enzima 1, que convierte la fenilalanina en tirosina.
17. El exceso de fenilalanina interfiere específicamente con las células del cerebro en desarrollo (con su aporte de otros aminoácidos y con su maduración); las células de la piel lo toleran. El defecto molecular es el mismo en todas partes; la consecuencia celular, no.
18. Una quinta parte de son , por debajo de : a salvo. Sin la enzima, el nivel en sangre sigue sin más al aporte, así que el fenotipo lo fija el suministro de sustrato — el ambiente — y no la enzima que falta por sí sola.
19. La fenilalanina hace falta para construir las proteínas del cuerpo y no puede sintetizarse; sin nada de ella, el crecimiento se detiene. El aporte debe bastar para la síntesis de proteínas y no más, lo que exige medirlo y ajustarlo.
20. El genotipo fijó la enzima (sensible al calor en el gato, ausente en el niño); el ambiente fijó sus condiciones (la temperatura de la piel; la fenilalanina de la dieta); el fenotipo es el resultado del genotipo expresado en un ambiente dado.