BIOTECNOLOGÍA

ÁCIDOS NUCLEICOS, macromoléculas orgánicas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos. Cada nucleótido esta formado por: Un glúcido monosacárido pentosa (5C): ribosa en el caso del ARN desoxirribosa en el caso del ADN Un grupo fosfato Una base nitrogenada que, en el caso del ARN puede ser A,U, C, G en el caso del ADN puede ser A, T, G, C

ADN Es el material genético, en él están codificados todas las características del organismo El ADN se encuentra formando unos largos filamentos enrollados en unas proteínas, estos filamentos se llaman cromosomas La especie humana tiene 46 cromosomas en el núcleo de las células. Nuestras células son diploides, tienen dos juegos de cromosomas (23 cromosomas proceden del óvulo materno y 23 del espermatozoide paterno), excepto las células sexuales que son haploides (sólo un juego, 23 cromosomas). Los cromosomas no se aprecian en el núcleo de la célula si ésta no se encuentra en división. Cromatina

DIVISIÓN CELULAR Antes de la división celular los filamentos de ADN se duplican (replicación), para que las células hijas reciban una copia del material genético. Tras la replicación y posterior condensación los filamentos de ADN se aprecian en el núcleo como unas estructuras características que se denominan también cromosomas y están formadas por dos cromátidas (que son idénticas entre sí) Las células se pueden dividir por: MITOSIS: Se originan dos células idénticas Permite el crecimiento (y la reproducción asexual) MEIOSIS: Se originan células que tienen la mitad del nº de cromosomas y una combinación diferente de genes con respecto a la célula original. Esta división es necesaria para la formación de células sexuales

Recuerda, la reproducción sexual y las mutaciones son la fuente de variabilidad genética que permite la evolución de las especies.

Un gen es un fragmento de cromosoma que codifica una característica determinada a través de la síntesis de una proteína Gen Proteína Característica GENOTIPO + MEDIO AMBIENTE = FENOTIPO GENOMA

¿Cómo llegan las órdenes del ADN hasta el citoplasma? Pero el ADN está en el núcleo y las proteínas se sintetizan en los ribosomas del citoplasma. ¿Cómo llegan las órdenes del ADN hasta el citoplasma? A través de la síntesis de una molécula de ARN mensajero Se saca una copia del gen pero como ARN y este ARN mensajero lleva el mensaje del ADN hasta los ribosomas para la síntesis de la proteína adecuada ¿Cómo se codifica este mensaje? Con las bases nitrogenadas, cada tres bases nitrogenadas determinan un aminoácido concreto de la proteína: CODIGO GENÉTICO GEN (ADN) transcripción traducción (mediante el código genético) ARN MENSAJERO RIBOSOMA: PROTEÍNA

ADN (gen) TAC TGA CAA CGG ACA CAG TCG GAC ACT transcripción El CÓDIGO GENÉTICO es la relación que hay entre los tripletes de bases nitrogenadas del ARN m y los aminoácidos ADN (gen) TAC TGA CAA CGG ACA CAG TCG GAC ACT transcripción ARNm AUG ACU GUU GCC UGU GUC AGC CUG UGA traducción Proteína Met (inicio)-Tre –Val – Ala – Cis – Val – Ser – Leu -paro (fin de la proteína)

El código genético es universal, todos los seres vivos utilizan el mismo código genético.

Severo Ochoa recibió el Premio Nobel de Medicina en 1959 por sus trabajos sobre la síntesis del ARN en la Universidad de New York

BIOTECNOLOGÍA INGENIERIA GENÉTICA, que Cualquier proceso tecnológico que permita obtener recursos (fármacos, alimentos u otras sustancias de utilidad ) empleando seres vivos. Muchos procesos conocidos desde antiguo como la fabricación de pan, la obtención de queso, vino, tintes, técnicas de cultivo, de ganadería, …. son procesos biotecnológicos. Pero la BIOTECNOLOGÍA MODERNA implica la utilización de la INGENIERIA GENÉTICA, que consiste en técnicas para la manipulación del ADN . CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA INGENIERIA GENÉTICA: Agricultura y Ganadería Medicina y Farmacia Industria Producción de energía Descontaminación ambiental (Biorremediación) Investigaciones policiales Estudios evolutivos

TÉCNICAS DE INGENIERIA GENÉTICA Tecnología del ADN recombinante: consiste en insertar fragmentos de ADN de un organismo en otro, permite obtener organismos transgénicos Técnica PCR (Reacción en cadena de la polimerasa): permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una cantidad pequeña Secuenciación: permite leer la secuencia de bases nitrogenadas de un fragmento de ADN En 1973 se presentó una bacteria con genes de rana africana, la llamaron QUIMERA

TECNICAS DE INGENIERIA GENÉTICA A) TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE: permite aislar un fragmento de ADN de un organismo (transgén) e insertarlo en el ADN de otro organismo que puede ser de otra especie. Esta técnica permite la obtención de transgénicos: organismos que portan genes de otra especie Dentro de los transgénicos podemos diferenciar: a) Clonación molecular: se utilizan microorganismos y la finalidad es obtener de forma continua grandes cantidades de una sustancia determinada que producen estos microorganismos a los que se les ha insertado un gen de otra especie. Ejemplo, la síntesis de insulina humana a partir de bacterias o levaduras, para ello se incorpora a estos microorganismos el gen humano que codifica la síntesis de esta proteína Otras producciones: hormona del crecimiento, factores de coagulación, antígenos para vacunas, antibióticos, aminoácidos, enzimas para mejorar la actividad de detergentes, …

Biología y Geología 4 ESO Darwin Ed. SM

b) Obtención de organismos transgénicos u Organismos Modificados Geneticamente (OMG) Aplicaciones: En la agricultura, plantas resistentes a condiciones ambientales (sequía, suelos salinos, suelos pobres), enfermedades, herbicidas, mejorar la calidad nutritiva, prologar el proceso de maduración, aumentar la productividad, etc En la ganadería: animales más productivos y resistentes En Medicina y Farmacología: Cultivos farmacéuticos (Biofarmacia): Conseguir plantas que sintetizan fármacos en grandes cantidades e incluso se puedan administrar mediante el consumo de la propia planta (por ejemplo vacunas) Animales de laboratorio transgénicos que sirven como modelo experimental para el estudio de enfermedades y fármacos Obtener órganos de animales para trasplantes Granjas farmacéuticas: animales que producen fármacos y los excretan por la leche En la industria: Obtener plásticos biodegradables, microorganismos para industria alimentaria Contaminación ambiental : Biorremediación mediante el uso de microorganismos y plantas transgénicas Obtención de biocombustibles a partir de plantas transgénicas

Obtención de maíz resistente a insectos Biología y Geología 4 ESO Darwin Ed. SM

http://www.elmundo.es/salud/2002/492/1031936446.html http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/4ESO/Genetica2/contenido1.htm http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biotec/contenidos1.htm

Ciencias para el Mundo Contemporáneo Ed. Bruño

B) REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA, TÉCNICA PCR Permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una muestra muy pequeña Aplicaciones: Obtención de cantidad suficiente de ADN para su secuenciación (leer el orden de las bases nitrogenadas) y poder determinar si existe alguna mutación o simplemente conocer la disposición normal de las bases (se utiliza en el estudio de los genomas) Análisis de ADN fósil Estudios de parentesco evolutivo: el grado de similitud en el ADN permite establecer relaciones de parentesco entre especies Identificación de especies Determinación de huellas genéticas, permite obtener suficiente cantidad de ADN a partir de muestras pequeñas (gotas de sangre, semen, bulbo de cabello, restos de piel) para poder realizar estudios comparativos (investigaciones policiales, medicina forense, pruebas de paternidad)

C) SECUENCIACIÓN Consiste en poder determinar la secuencia de nucleótidos (de bases nitrogenadas) de un fragmento de ADN Permite identificar posibles mutaciones diagnosticar enfermedades asociadas a estas mutaciones: DIAGNÓSTICO MOLECULAR El diagnóstico molecular permite diagnosticar la enfermedad antes de que se manifieste clínicamente lo cual puede permitir un mejor control de la misma. Se utiliza en el diagnóstico prenatal, en el consejo genético y en la selección de embriones para evitar enfermedades hereditarias

Estas tres técnicas han permitido el desarrollo de la TERAPIA GÉNICA Consiste en introducir genes sanos en células que presentan estos genes defectuosos Para la introducción de los genes se requiere un vector o vehículo que puede ser un virus, o más recientemente preparados moleculares. La terapia génica puede ser la solución para corregir las enfermedades hereditarias y algunos tipos de cánceres. Existen dos métodos: Terapia génica in vivo: se inocula al paciente directamente con el vector y los genes que deben alcanzar las células diana o blanco.

Terapia génica ex vivo: Las células a tratar son extraídas del paciente, manipuladas en el laboratorio y finalmente reintroducidas de nuevo en el paciente

Problemas: los genes sanos son introducidos en las células diana mediante un vehículo que suele ser un virus, el gen debe ser colocado correctamente, sólo se puede trabajar con un gen y a veces se generan reacciones de rechazo Actualmente se ha mejorado mucho la técnica pero sigue habiendo problemas Proyecto Biosfera 2º Bachillerato Unidad 4

ADRENOLEUCODISTROFIA El 'milagro' de Andy y Ángel Un ensayo confirma la eficacia de la terapia genética en una enfermedad rara Los pacientes, que están haciendo su vida normal, han sido tres menores españoles La investigación supone un nuevo impulso para este tipo de tratamientos Jueves 5/11/2009 El procedimiento El tratamiento al que hace referencia 'Science' consiste en la extracción de células madre sanguíneas obtenidas en sangre periférica, gracias a su movilización desde la médula ósea con la ayuda de tratamiento farmacológico. Una vez en el laboratorio, éstas son infectadas y tratadas con el virus de inmunodeficiencia humana (VIH), que ha sido previamente modificado para evitar su efecto patógeno. De esta forma actúa como un 'taxi' biológico para transportar la versión correcta del gen que está defectuoso [localizado en una región del cromosoma llamada Xq28] que causa la enfermedad. http://www.elmundo.es/elmundosalud/2009/11/05/neurociencia/1257443955.html

REPRODUCCIÓN ASISTIDA O REPRODUCCIÓN ARTIFICIAL Inseminación artificial: Consiste en introducir semen en el útero de la mujer coincidiendo con la ovulación Fecundación in vitro: Se extraen los óvulos de la mujer (tras un tratamiento hormonal de estimulación ovárica). Los óvulos son fecundados con esperma. Cuando el recuento de espermatozoides es bajo, un único espermatozoide se inyecta directamente en el ovocito, mediante la inyección intracitoplasmática de espermatozoides Los embriones (de entre 6-16 células) que se forman son implantados posteriormente en el útero Esta técnica ha permitido el DIANÓSTICO PREIMPLANTACIONAL

DIANÓSTICO PREIMPLANTACIONAL Consiste en realizar un estudio genético del embrión (estadio de 8 células) y seleccionar el embrión que no sea portador de los genes que determinan una enfermedad. La Comisión de Reproducción Humana Asistida debe autorizar estas actuaciones caso por caso. En algunos casos se utiliza esta técnica para seleccionar embriones sanos que puedan servir como donantes para tratar enfermedades en hermanos enfermos que no han encontrado donantes compatibles. http://www.elpais.com/articulo/ultima/toco/loteria/octubre/elpepiult/20090723elpepiult_1/Tes

CLONACIÓN: ver trabajo realizado por las compañeras CÉLULAS MADRE TRES NEURONAS (ROJO) DERIVADAS DE CÉLULAS MADRE EMBRIONARIAS HUMANAS. SE PUEDEN APRECIAR LOS CUERPOS CELULARES, LOS AXONES Y LAS DENDRITAS. EN VERDE SE VEN LAS CÉLULAS MADRE QUE AÚN NO SE HAN DIFERENCIADO. (FOTO: UNIVERSIDAD DE CALIFORNIA, SAN DIEGO) http://www.elmundo.es/albumes/2009/03/04/celulas_madre/index.html

RECUERDO DEL DESARROLLO EMBRIONARIO Videos sobre el desarrollo embrionario y la diferenciación tisular (tardan unos 40 s en cargarse) http://www.unav.es/acienciacierta/extras/stemcells.swf http://www.unav.es/acienciacierta/extras/stemcells2.swf Cigoto Mórula Unos 6 días después de la fecundación

Las células madre Las células madre o células troncales (en inglés, stem cells) son células indiferenciadas que pueden dividirse indefinidamente produciendo nuevas células madre, pero en condiciones adecuadas se diferencian en uno o varios tipos celulares especializados. Por lo tanto presentan tres características, son indiferenciadas, es decir, no tienen ninguna especialización que les permita realizar una función determinada, tienen la capacidad de autorrenovación (división) y pueden diferenciarse, son capaces de generar células especializadas con funciones y características muy determinadas.

TIPOS DE CÉLULAS MADRE No todas las células madre son iguales, se diferencian por su origen y por su capacidad de diferenciación. CÉLULAS MADRE EMBRIONARIAS CÉLULAS MADRE ADULTAS CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES INDUCIDAS OTRAS: - CÉLULAS MADRE FETALES - CÉLULAS MADRE DEL CORDÓN UMBILICAL - CÉLULAS GERMINALES EMBRIONARIAS

CÉLULAS MADRE EMBRIONARIAS Las células madres embrionarias (ESC, en inglés embryonic stem cells) son células que se obtienen de la masa celular interna del blastocisto. En esta fase embrionaria temprana (a partir del 5º día tras la fecundación), se aprecian dos grupos de células: las que forman la capa superficial, de las que se ha de originar la placenta, y las que ocupan la parte interior, que forman la masa celular interna. Estas células que, en condiciones normales, seguirán su proceso de diferenciación dando lugar a los tres grupos de tejidos embrionarios (ectodermo, endodermo y mesodermo en la fase de gástrula), cuando se extraen y se colocan en un medio de cultivo adecuado pueden dar lugar a cualquier tipo celular. Debido a esta capacidad de diferenciación, las células madre embrionarias se consideran células pluripotentes, porque, aunque no pueden dar lugar a un organismo completo, son el origen de todos los tipos celulares y tejidos de un individuo. http://www.youtube.com/watch?v=LHgllDAzZLQ

PROBLEMAS Primero, para evitar problemas de rechazo es necesario que las células embrionarias procedan del mismo individuo que las va a recibir. La única manera de conseguir esto es mediante la clonación terapéutica, lo que implica la formación de un embrión clon (con el material genético del paciente) que será destruido para obtener las células madre. Segundo, las células madre embrionarias degeneran con mucha frecuencia en células tumorales, lo que supone un serio inconveniente. Tercero, se precisa la destrucción de embriones para poder obtener las células madre embrionarias. Esto supone un dilema ético sobre el uso de estas células. Cuarto, se necesitan muchos embriones para obtener una línea celular adecuada

CÉLULAS MADRE ADULTAS Se les llama células madres adultas (ASC, adult stem cells) porque son células madre que se obtienen de diversos tejidos adultos. Su principal función es reemplazar las células que mueren en un tejido u órgano. Se ha descubierto la existencia de estas células en muchos tejidos como la médula ósea, tejido graso, piel e incluso en tejidos que tiene una baja tasa de renovación celular como el tejido nervioso. Y algo mucho más interesante, estas células que inicialmente se catalogan como células multipotentes, pueden ser capaces de originar muchos tipos de tejidos. Células madre de tejido adiposo Células madre de la piel

Son las primeras células madre que se están utilizando en medicina regenerativa y los ensayos clínicos son muy esperanzadores, para empezar tenemos dos ventajas : Primera, no hay problemas de rechazo puesto que las células provienen del mismo receptor y segunda, no se trabaja con embriones Desventajas: debemos señalar que son escasas y difíciles de cultivar. Es cierto que las células embrionarias pueden tener una mayor capacidad de diferenciación, pero las células madre adultas están demostrando también una gran plasticidad en este aspecto.

CÉLULAS MADRE PLURIPOTENTES INDUCIDAS Las células madre pluripotentes inducidas (células iPS, induced pluripotent stem cells) son la gran esperanza de los que aspiran a conseguir una plasticidad parecida a la de las células madre embrionarias pero sin la necesidad de trabajar con embriones. Fueron descubiertas en 2007 y desde entonces la técnica para su obtención ha ido mejorando a pasos agigantados aunque todavía no se pueden utilizar pues comparten uno de los inconvenientes de las células madre embrionarias, la capacidad de degenerar en células tumorales. Son células que comparten las mismas características que las células embrionarias, por lo tanto son células pluripotentes, pero no se necesita crear ni destruir embriones, tampoco requiere utilizar óvulos. Se obtienen a partir de células somáticas adultas mediante una técnica de reprogramación celular: se utiliza un virus para insertar en el núcleo unos genes que provocan una regresión de la célula hasta un estado indiferenciado embrionario, convirtiéndola en una célula madre embrionaria pero inducida.

POR CLONACIÓN TERAPÉUTICA http://www.elmundo.es/suplementos/salud/2007/732/1195858803.html Además tenemos las células madre adultas y las obtenidas a partir del cordón umbilical, etc.

La técnica tiene varios inconvenientes, bajo porcentaje de éxito, el uso de virus que incorporan su material genético al ADN celular, el uso de genes que favorecen la aparición de células tumorales…. Poco a poco, estos inconvenientes están siendo subsanados, se utilizan otros tipos de virus, complejos moleculares, incluso plásmidos bacterianos para transferir los genes, se precisan menos genes para conseguir la inducción y de esta manera disminuir el riesgo de la aparición de células cancerosas, …. Algunos expertos también indican como un inconveniente que se trabaja con células cuyo material genético puede presentar mutaciones o alteraciones que dificulten el proceso. Pero lo cierto es que en poco tiempo se han hecho muchos progresos y las esperanzas son muchas. Imagen de las neuronas derivadas a partir de fibroblastos de ratón por medio de la adición de tres genes y doce días de cultivo

CÉLULAS MADRE DEL CORDÓN UMBILICAL OTRAS CÉLULAS MADRE CÉLULAS MADRE FETALES Son células madre que se obtiene de fetos cuyo desarrollo se ha visto interrumpido por causas naturales o razones médicas. Dependiendo del grado de desarrollo pueden ser células pluripotentes o multipotenes. CÉLULAS MADRE DEL CORDÓN UMBILICAL Son células que se obtienen en el momento del nacimiento y se pueden comportar como las células madre embrionarias. Se están utilizando con éxito en el tratamiento de ciertas leucemias, lo que ha dado lugar a un floreciente negocio de bancos privados donde guardar muestras de sangre umbilical por si fuera necesario utilizarla más tarde. CÉLULAS GERMINALES EMBRIONARIAS Son células EGC (embryonic germ cells) son células madre de las células germinales (óvulos y espermatozoides) y en cultivo se comportan también como células pluripotentes.

APLICACIONES DE LAS CÉLULAS MADRE O CÉLULAS TRONCALES Fundamentalmente hay tres campos para aplicar las células madre o troncales: Ensayo de fármacos: Conseguir líneas de células que sirvan como modelos celulares de enfermedades humanas con las que probar determinados fármacos, por ejemplo, líneas de células madres cancerígenas están siendo utilizadas para probar fármacos antitumorales Estudio de las fases del desarrollo embrionario, de la diferenciación celular y de otros procesos relacionados (por ejemplo el cáncer) Aplicación en terapias celulares y en medicina regenerativa: Las células madre nos pueden brindar la posibilidad de poder reemplazar y regenerar células, tejidos u órganos destruidos o dañados, con la ventaja añadida de que no se produzcan reacciones de rechazo. En este campo la utilización de las células madre abarca todas las posibilidades. http://www.unav.es/acienciacierta/extras/stemcells3.swf (tarda unos segundos en mostrar imágenes) http://www.elmundo.es/elmundosalud/documentos/2008/11/celulas_madre.html http://www.elpais.com/todo-sobre/tema/Investigacion/celulas/madre/34/ Atención con los fraudes: http://www.elpais.com/articulo/portada/Celulas/madre/abre/veda/elpepusoceps/20090426elpepspor_8/Tes