LA INFORMACIÓN GENÉTICA TEMA 2 LA INFORMACIÓN GENÉTICA

1. Los ácidos nucleicos ■ Definición. Macromoléculas formadas por la unión de unidades más sencillas llamadas nucleótidos. ■ Funciones. - Almacenar y transmitir la información genética. - Controlar el funcionamiento de la célula. ■ Composición química. Cada nucleótido está compuesto por tres subunidades: 1) Un grupo fosfato (con fósforo y oxígeno). 2) Una pentosa (azúcar de 5 átomos de C). Puede ser: ribosa o desoxirribosa. 3) Una base nitrogenada. Pueden ser: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) y uracilo (U).

■ Estructura. Forman largas cadenas llamadas polinucleótidos ■ Estructura. Forman largas cadenas llamadas polinucleótidos. La unión entre nucleótidos se establece entre el grupo fosfato de un nucleótido y la pentosa del siguiente. T Nucleótido de adenina A C Enlace nucleotídico Grupo fosfato Glúcido Base nitrogenada A – Adenina C – Citosina G – Guanina T – Timina U – Uracilo Bases nitrogenadas G Polinucleótido

En cada polinucleótido siempre se repite el grupo fosfato y la pentosa (esqueleto de fosfopentosas) y varía la secuencia de bases nitrogenadas. Por tanto, la diferencia entre dos o más moléculas de ADN reside en el orden de las bases nitrogenadas en la cadena de polinucleótidos. Ej.: mora - amor- roma – ramo – omar. Pues, lo mismo ocurre en el lenguaje del ADN: con sus cuatro letras (A, G, C, T) se pueden codificar diferentes mensajes genéticos en función del orden que tengan en la cadena de polinucleótidos. Ejemplos de mensajes diferentes: 1) A T C A A G T A C C C T G A T C T T … 2) G A T T T C G A C C T A G A T C A A … C C A G T A G T C T T G C A A A T C … etc

■ Tipos de ácidos nucleicos. ARN (Ácido ribonucleico) A U A – Adenina G – Guanina C – Citosina U – Uracilo G C Ribosa ADN (Ácido desoxirribonucleico) A T A – Adenina G – Guanina C – Citosina T – Timina G C Desoxirribosa

■ El ADN (Ácido DesoxirriboNucleico). FUNCIÓN. Es la molécula portadora de la información genética, necesaria para el funcionamiento y desarrollo de un ser vivo. LOCALIZACIÓN. En el núcleo, mitocondrias y cloroplastos. ESTRUCTURA DEL ADN. Fue establecida en 1953 por Watson y Crick. Tiene tres características: 1ª. Cada molécula está formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas en espiral, formando una doble hélice. 2ª. Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, siguen sentidos opuestos. 3ª. Las dos cadenas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno entre bases complementarias.

Cadenas antiparalelas y complementarias Complementariedad entre bases: A = T / T = A ; C ≡ G / G ≡ C Cadenas de polinucleótidos Modelo de Watson y Crick (1953) Doble hélice T A Puentes de hidrogeno C G T A Cadenas antiparalelas y complementarias

El ARN participa en la formación de las proteínas ■ El ARN (Ácido RiboNucleico ). Participa en la síntesis de proteínas y se localiza en el núcleo y el citoplasma. El ARN está formado por una sola cadena de polinucleótidos. Una sola cadena de nucleótidos Ribosa El ARN participa en la formación de las proteínas

Tipos de ARN. ARN transferente ARN mensajero Se une a aminoácidos y los transporta hasta los ribosomas para formar proteínas Copia información del ADN y la transporta hasta los ribosomas ARNm ARNt ARN ribosomico Se asocia a proteínas y forma los ribosomas ARNr

2. La replicación del ADN - Es el proceso de formación de copias idénticas de sí mismo. - Garantiza que las células hijas resultantes de una mitosis reciban la misma información genética que la célula madre. Tiene lugar en la interfase. Necesita nucleótidos (los “componentes”) y una serie de enzimas (los “constructores”). Ocurre en tres etapas:

Burbuja de replicación ADN 1ª. Rotura de los enlaces de hidrógeno y formación de la burbuja de replicación.

2ª. Síntesis de las nuevas cadenas a partir de las parentales por complementariedad de bases.

3ª. Formación de las dos nuevas moléculas, iguales entre sí y a la molécula original.

Fibra de cromatina duplicada La replicación es un proceso semiconservativo: la nueva molécula está formada por una cadena antigua y una cadena nueva. Durante la replicación pueden producirse errores, que suelen ser corregidos por las enzimas de reparación. - Tras la replicación, las dos nuevas moléculas quedan unidas por el centrómero, formando las dos cromátidas de un cromosoma. ADN unido a proteínas (cromatina) Fibra de cromatina Fibra de cromatina duplicada Cromosoma (con dos cromátidas) Molécula de ADN

3. El ADN, portador de la información genética • Análisis químico de los cromosomas. Reveló que estaban formados por ADN y proteínas en cantidades similares. La sencillez de la composición química del ADN hizo pensar que las proteínas, más complejas, eran las portadoras de la información genética. • Experimento de Griffith (1928). Trabajando con la bacteria Streptococcus pneumoniae, causante de la neumonía, dedujo que era el ADN, y no las proteínas, el portador de la información genética. Veamos como lo hizo: Streptococcus pneumoniae

■ Experimento de Griffith (1928) ■ Experimento de Griffith (1928). Esta bacteria tiene dos variantes: la cepa S (con cápsula), que es virulenta; y la cepa R (sin cápsula), no virulenta 1 2 Bacterias de la cepa S de Streptococcus pneumoniae (con cápsula, virulentas) Provocan la muerte del ratón Bacterias de la Cepa R de Streptococcus pneumoniae (sin cápsula, no virulentas) El ratón sobrevive Bacterias muertas de la cepa S y bacterias vivas de la cepa R Provocan la muerte del ratón 4 3 Bacterias muertas de la cepa S de Streptococcus pneumoniae (con cápsula destruida por el calor) El ratón sobrevive

Conclusión: en las bacterias S muertas había “algo” capaz de transformar a las bacterias R (inofensivas) en patógenas. Este "algo" fue aislado y analizado por Avery, y se vio que era el ADN. 4. El concepto de gen Carácter: Característica anatómica, fisiológica o de comportamiento de un individuo. Pueden ser: a) Hereditarios, es decir, transmitidos por los progenitores a través de la reproducción. Algunos, como la estatura, están influenciados por el ambiente (alimentación). b) Adquiridos, es decir, aparecidos a lo largo de la vida del individuo. Ej.: desarrollo muscular, pérdida de un miembro, etc. Gen: Desde el punto de vista estructural, es un fragmento de ADN que contiene información genética para un carácter hereditario.

El concepto de gen Gen La información genética necesaria para que se exprese el carácter “pelo liso” está contenida en los genes. Cada gen tiene una secuencia específica de nucleótidos y se localiza en un lugar concreto en el cromosoma, llamado “locus”.

■ Experimento de Beadle y Tatum ■ Experimento de Beadle y Tatum. Sirvió para conocer cuál era la función de los genes. Enunciaron la hipótesis un gen-una enzima, según la cual un gen contiene la información necesaria para la síntesis de una enzima y esta es la que determina un carácter. Ej.: carácter “ojos marrones”: Paso 1: Gen → Enzima (proteína reguladora) Paso 2: Precursor → Melanina (pigmento oscuro) Más tarde, esta hipótesis se extendió a todas las proteínas y se transformó en la hipótesis un gen-una proteína. Por tanto, desde el punto de vista de su función, un gen es un fragmento de ADN que lleva información para sintetizar una proteína, necesaria para que se exprese un determinado carácter hereditario en un individuo.

Dogma central de la biología molecular

■ Estructura del genoma. Genoma= conjunto de genes de un organismo. Presenta: - Genes con información para sintetizar proteínas (exones). - Genes reguladores de otros genes. - Fragmentos de ADN con función desconocida (intrones). Organización del genoma. Es diferente en organismos procariotas y eucariotas. En organismos procariotas (bacterias): Genoma = un solo cromosoma circular y, a veces, plásmidos (pequeñas moléculas de ADN). Cromosoma bacteriano Plásmido

b) En organismos eucariotas: Genoma = cromatina del núcleo + ADN mitocondrial y cloroplástico. Cromatina Cromosoma Secuencia especifica de nucleótidos (gen)

5. Las mutaciones Generalmente, el material genético (ADN) se transmite sin modificación de generación en generación, pero, en ocasiones, puede cambiar. Se denominan mutaciones a los cambios que se producen en el ADN de un organismo. Son una fuente de variabilidad genética, base de la evolución de las especies por selección natural. (Otra fuente, en los organismos con reproducción sexual, es la recombinación genética durante la meiosis). Según su origen, las mutaciones pueden ser: - Espontáneas, debidas al azar. - Inducidas, debidas a la acción de determinados agentes físicos (radiaciones) o químicos (ciertos fármacos, sustancias tóxicas, etc), que reciben el nombre de agentes mutagénicos.

Los tipos de mutaciones Según el efecto sobre el individuo Según la extensión del material genético afectado Según el tipo de células afectadas

Tipos de mutaciones según el efecto sobre el individuo Perjudiciales Confieren una desventaja para la supervivencia. Beneficiosas Aumentan la probabilidad de supervivencia. Drosophila melanogaster (mosca del vinagre) Neutras No afectan a la supervivencia ni positiva ni negativamente. Pérdida de las alas Mutación perjudicial

Tipos de mutaciones según el tipo de células afectadas Orejas curvadas Somáticas Pueden originar lesiones o enfermedades graves. No son heredables Germinales Afectan a los gametos. Son heredables. Mutación en células germinales

Tipos de mutaciones según la extensión del material genético afectado Mutación genómica Génicas Provocan cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen determinado. Cromosómicas Ocasionan cambios en la estructura de los cromosomas. Genómicas Producen cambios en el número de cromosomas de una especie. Síndrome de Down

6. La expresión de la información genética 6. La expresión de la información genética. Es el conjunto de procesos que transforman la información genética contenida en el ADN (secuencia de nucleótidos) en proteínas (secuencia de aminoácidos), utilizando como intermediario al ARN. Proteínas ARNr ARNt Síntesis de proteínas ARNm Aminoácidos

La expresión de la información genética consta de dos fases: Primera fase. Transcripción del mensaje: Síntesis de ARNm a partir del ADN en el núcleo. Tripletes o codones: grupos de tres bases. Uno o varios codifican para un aminoácido. Gen ADN Segunda fase. Traducción del mensaje: Síntesis de proteínas a partir del ARNm, ARNt, aminoácidos y ribosomas en el citoplasma. TRANSCRIPCIÓN codón ARNm TRADUCCIÓN aminoácido ARNm Polipéptido (proteína)

Expresión de la información genética Dogma Central de la Biología Molecular: Afirma que el flujo de información tiene lugar desde el ADN a las proteínas pasando por el ARN, con la excepción de algunos virus. Expresión de la información genética

El código genético. aminoácido ARNt La correspondencia entre los codones del ARNm y los aminoácidos que forman las proteínas recibe el nombre de código genético ARNm codón anticodón Al descubrimiento del código genético contribuyó el científico español Severo Ochoa, premio Nobel en 1959.

■ Correspondencia entre codones y aminoácidos

■ Características del código genético: Es universal (el mismo para todos los seres vivos). Varios codones codifican para el mismo aminoácido (hay 64 codones y solo 20 aminoácidos). El codón AUG actúa como señal de iniciación para la traducción, y codifica para el aminoácido metionina (Met). Los codones UAA, UAG, UGA son señales de terminación para la traducción, y no codifican para ningún aminoácido. Ejercicio: Si ARNm = A U G C C C G U G C U A U G C ¿cuál es el polipéptido? Met - Pro - Val - Leu - Cys

7. LA BIOTECNOLOGÍA. ■ Concepto. La biotecnología es la utilización de seres vivos, o de parte de ellos, con el fin de obtener diversos beneficios, tanto para las personas como para el medio ambiente. Desde la Antigüedad, el hombre ha utilizado los microorganismos para obtener diversos productos como el pan, el queso, el yogur, el vino o la cerveza. Actualmente, la biotecnología emplea técnicas de ingeniería genética para manipular el ADN de los organismos y así conseguir sus objetivos.

■ Usos actuales de la biotecnología. 1) Producción de sustancias terapeúticas (industria farmaceútica). Ejemplos: - Hormonas, como la insulina, para tratar a las personas diabéticas. - Vacunas, para crear defensas contra determinados microorganismos patógenos. Ej.: vacuna de la gripe. - Proteínas de coagulación de la sangre, para tratar a las personas con hemofilia. 2) Producción de alimentos (industria agroalimentaria). Ejemplos: - Aumentar la productividad de las cosechas. - Obtener plantas resistentes a plagas o tolerantes a la sequía, el frío o la salinidad. - Aumentar el contenido de vitaminas en muchas frutas.

3) Biorremediación. Consiste en la utilización de organismos vivos (bacterias, hongos o plantas) para eliminar sustancias contaminantes del medio natural. Ejemplos: - Eliminación de metales pesados en suelos contaminados mediante el uso de bacterias especiales o de ciertas plantas (fitorremediación). - Degradación de pesticidas en suelos y aguas contaminadas. - Degradación del petróleo, tras un derrame accidental en el mar.

4) Producción de energía. Ejemplos: - A partir del gas metano, obtenido de la fermentación de los residuos orgánicos (lodos, etc). - A partir del bioetanol, obtenido de la fermentación de la caña de azúcar.

Usos actuales de la biotecnología 1. Producción de sustancias terapéuticas Insulina 2. Producción de alimentos 3. Biorremediación 4. Producción de energía

8. LA INGENIERÍA GENÉTICA. Concepto. La ingeniería genética es el conjunto de técnicas que permiten la manipulación del ADN de un organismo para conseguir un objetivo práctico (obtención de fármacos, mejora en la producción agrícola y animal, terapia génica, etc). Se denomina organismo transgénico a aquel cuyo ADN ha sido modificado artificialmente con la inserción de genes procedentes de otro organismo. Y el ADN resultante se denomina ADN recombinante. Las herramientas que usa la ingeniería genética son: - Enzimas de restricción. Proteínas que actúan como “tijeras químicas”, cortando el ADN en puntos concretos.

- Vectores de transferencia. Son plásmidos, ADN de ciertos virus, etc - Vectores de transferencia. Son plásmidos, ADN de ciertos virus, etc. a los que se incorporan fragmentos de ADN (genes) de un organismo para transferirlos a otro distinto. - ADN ligasas. Enzimas encargadas de unir el ADN transferido al ADN del organismo receptor.

Plásmidos de Escherichia coli Características de la ingeniería genética Obtención de una molécula de ADN recombinante Herramientas necesarias para la manipulación de genes ADN “2” ADN “1” Enzimas de restricción Vector de transferencia Plásmidos de Escherichia coli ADN ligasas ADN recombinante

Etapas de un proyecto de ingeniería genética 1. Localización y aislamiento del gen que se desea transferir. 4. Inserción del vector con el gen en la célula hospedadora. Enzimas de restricción 3. Unión del gen al ADN del vector. Gen aislado Gen de interés ADN ligasa ADN recombinante Plásmido Enzimas de restricción Vector de transferencia 5. Multiplicación del organismo transgénico. 2. Selección del vector.

9. APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA 2. Mejora de la producción agrícola y animal. 1. Obtención de fármacos: Insulina Proteínas de coagulación de la sangre. Vacunas Carpas y salmones portadores del gen de la hormona del crecimiento Tratamiento de enfermedades humanas sustituyendo el gen defectuoso por otro sano: 3. Terapia génica Diabetes Hemofilia Parkinson Maíz resistente al frío

10. LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS 10. LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS. Son alimentos obtenidos de organismos modificados genéticamente (OMG), bien por la introducción de un gen procedente de otro organismo (transgén), bien por supresión o modificación de un gen propio. Ejemplo: obtención de una planta transgénica. Se introduce el vector con el transgén en una bacteria para su multiplicación Gen de interés (transgén) Vector con el transgén Se transfiere el vector con el transgén a un cultivo de la planta en el laboratorio Vector (plásmido) Organismo transgénico Se activa el crecimiento de las plántulas transformadas El transgén se incorpora al ADN de la plantas Se cultivan las plantas transgénicas en el suelo

Algunas mejoras en alimentos transgénicos Soja resistente a herbicidas Café más aromático y con menos cafeína Maíz resistente a insectos 2. Mejora de la calidad 1. Resistencia a herbicidas e insectos Patatas que inmunizan contra enfermedades Arroz que produce provitamina A Tomate Flavr Svr 4. Producción de sustancias 3. Retraso en la maduración

11. LA CLONACIÓN. Consiste en obtener una o más copias idénticas de un organismo, célula o molécula. Hay dos tipos: Oveja 1 Oveja 2 Clonación reproductiva Tiene como objetivo conseguir individuos nuevos idénticos entre sí y al original. Ej.: clonación de la oveja Dolly (1997), primer mamífero clonado mediante la técnica conocida como transferencia nuclear. Transferencia nuclear Clonación terapéutica Tiene como objetivo tratar enfermedades y regenerar tejidos mediante el uso de células madre. Actualmente, estas células pueden obtenerse de cualquier célula adulta sometiéndola a un proceso de desdiferenciación. Oveja 3 Dolly

12. EL PROYECTO GENOMA HUMANO 12. EL PROYECTO GENOMA HUMANO. Investigación internacional iniciada en 1990 con el fin de identificar, secuenciar y averiguar la función de todos los genes humanos. Haemophilus influenzae En 1995 se publicó por primera vez la secuencia completa de su genoma. El genoma del chimpancé es igual al humano en más de un 98,5 %. Algunos resultados obtenidos son: Nuestro genoma tiene unos 25 000 genes. Su tamaño es de 2 900 millones de pares de bases. El 99,99 % de los datos genéticos son comunes a todas las personas. ▪ Sólo el 2% de los genes codifican proteínas.