UNIDAD 7 GENÉTICA MOLECULAR

El experimento de Griffith Griffith usó 2 cepas de una especie bacteriana (Streptococcus pneumoniae): Cepa S, con cápsula, que provoca enfermedad en ratones (es virulenta). Cepa R, sin cápsula, que no provoca enfermedad (no virulenta). Infectó ratones con bacterias R + bacterias S muertas: Se producía enfermedad y se recuperaban bacterias S vivas. Explicación: las bacterias R habían cogido “algo” de las S que provocaba la virulencia. Después se demostró que ese “algo” era ADN: El ADN es responsable de las características de un individuo.

Concepto de gen Un gen contiene información para un determinado carácter

¿Para qué sirven los genes? Proteínas importantes del cuerpo humano Gen: fragmento de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar una proteína. Las proteínas constituyen la mayor parte de la célula y realizan la mayoría de las funciones biológicas a través de reacciones químicas. Las proteínas son cadenas de aminoácidos (hay 20 distintos). Los aminoácidos se disponen ordenadamente, en una secuencia determinada. La información del ADN determina el tipo y el orden de aminoácidos de cada proteína. Proteínas importantes del cuerpo humano • Albúmina: abunda en el plasma sanguíneo. • Anticuerpos: encargados de la defensa del organismo. • Caseína: forma parte de la leche materna. • Colágeno: componente mayoritario de la piel y el hueso. • Hemoglobina: transporta el oxígeno en la sangre. • Insulina: mantiene la concentración adecuada de glucosa en el organismo. • Actina, miosina: proteínas contráctiles de los músculos. • Queratina: componente principal de pelo y uñas. • Enzimas: responsables de realizar las reacciones químicas del organismo.

¿Qué son los ácidos nucleicos? Los ácidos nucleicos son largas cadenas, formadas por compuestos químicos llamados nucleótidos. Cada nucleótido tiene 3 componentes: Ácido fosfórico. Un azúcar (monosacárido), llamado desoxirribosa (ADN) o ribosa (ARN). Una base nitrogenada. Hay 4 distintas en cada tipo de ác. nucleico: En el ADN: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). En el ARN: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U). Esquema de un nucleótido de ADN

Componentes del nucleotido

La doble hélice del ADN Los científicos J. Watson y F. Crick elaboraron en 1953 el modelo de doble hélice del ADN. Las dos cadenas del ADN se disponen enrolladas la una sobre la otra en helicoidal → estructura de doble hélice.

→ se dice que son complementarias. El ADN La molécula de ADN está formada por 2 cadenas de nucleótidos, dispuestas en paralelo. Las bases de una de las cadenas se unen con las de la otra de la siguiente forma: La adenina con la timina (A ·· T). La citosina con la guanina (G ·· C). Bases complementarias  cadenas complementarias. Cadenas antiparalelas → se dice que son complementarias. La secuencia (orden en el que se colocan las parejas de las 4 bases en el ADN) es la clave para almacenar la información genética. Con este “alfabeto” de 4 “letras” se forman infinidad de “palabras” distintas de gran longitud.

Características del ADN Doble hélice Puentes de hidrogeno Polinucleótidos Cadenas antiparalelas

El ARN Es una cadena sencilla de nucleótidos. Se forma al “transcribirse” (copiarse) una porción de ADN (gen). Hay varios tipos de ARN, que intervienen en la formación de las proteínas. Sus funciones son: Formar los ribosomas (orgánulos de la célula donde se forman las proteínas) → ARN ribosómico Llevar la información genética para formar una determinada proteína (del núcleo al citoplasma) → ARN mensajero. “Traducir” dicha información, aportando los aminoácidos necesarios → ARN de transferencia.

Diferencias ADN, ARN

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

Propiedades y funciones de los ácidos nucleicos Dogma central de la biología molecular

Replicación del ADN

Representación esquemática del proceso de duplicación del ADN Cadenas de ADN originales Cadenas de ADN nuevas Nucleótidos

TRANSCRIPCIÓN Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ADN se transmite en forma de ARN mensajero

TRADUCCIÓN Es el proceso que hace posible la fabricación de una proteína en los ribosomas a partir del mensaje transcrito en el ARNm.

Tabla del código genético Es la relación entre las bases nitrogenadas (ADN y ARN) y los aminoácidos (proteína) El código genético, en el que trabajaron muchos científicos (entre ellos Severo Ochoa) fue descifrado en 1962. Cada grupo de 3 bases consecutivas (del ADN / ARN) codifica un aminoácido diferente. El código genético es “universal”: es el mismo para cualquier ser vivo. Tabla del código genético En negro, las distintas combinaciones de 3 bases del ARN. En rojo, las abreviaturas de los aminoácidos correspondientes. “Stop”: combinaciones que no codifican ningún aminoácido e indican el final de la proteína.

La síntesis de las proteínas sigue los siguientes pasos: Síntesis de proteínas La síntesis de las proteínas sigue los siguientes pasos: 1. El ADN transcribe el mensaje codificado al ARN mensajero (ARNm). 2. El ARN mensajero sale del núcleo → citoplasma → se une a un ribosoma. Allí será traducido el mensaje codificado. 3. El ARN de transferencia (ARNt), selecciona un aminoácido específico para cada grupo de 3 nucleótidos del ARNm. Así se unen los aminoácidos de acuerdo con la información codificada → cadena de aminoácidos (proteína).

Esquema del proceso de formación de una proteína

Las mutaciones Son alteraciones en el orden de las bases nitrogenadas del ADN → proteínas defectuosas. Pueden provocarlas sustancias químicas y algunos agentes físicos (radiaciones...). Pueden pasar inadvertidas, producir cáncer, enfermedades, malformaciones o la muerte. Pero también originan nuevos caracteres que mejoran la supervivencia de los organismos y dan lugar a la evolución de las especies.

Ingeniería genética Conjunto de técnicas cuyo objetivo es trasplantar genes entre las especies de seres vivos. Consisten en aislar, manipular e introducir determinados genes en el genoma de otro individuo. Los pasos que se siguen son: La identificación del gen que se quiere manipular. Se puede alterar dicho gen, introduciendo mutaciones en él. El corte y aislamiento del gen. La transmisión del gen a otra célula (bacteriana o de un ser pluricelular). Cuando la célula traduzca dicho gen, producirá una proteína.

Herramientas de la ingeniería genética Para cortar. Enzimas de restricción: cortan el ADN en secuencias específicas. Para unir. La ADN ligasa: Une fragmentos de ADN cortados por las enzimas de restricción. Para transmitir. Los plásmidos: pequeñas moléculas circulares de ADN (con capacidad de autorreplicarse) que están dentro de las bacterias. Se usan como vehículos o vectores.

Enzimas de restricción Las producen las bacterias para defenderse de los virus. Rompen el ADN en trozos → reconocen determinadas secuencias de bases nitrogenadas y por allí cortan el ADN. Cada enzima efectúa el corte en distinto lugar.

Biotecnología: fabricación de proteínas Nació en 1975, como resultado de aplicar la ingeniería genética a la obtención de productos comerciales. Las principales proteínas recombinantes comercializadas son: También hay aplicaciones en la industria alimentaria y de los detergentes. La insulina humana, que sustituyó a las insulinas de cerdo o vaca que producían reacciones inmunológicas adversas. Fue el 1º producto que se comercializó. El factor VIII de coagulación sanguínea, para tratar la hemofilia. El interferón humano: tratamiento de la esclerosis múltiple. La hormona de crecimiento: para tratar el enanismo hipofisario. La ADN polimerasa I: tratamiento de la fibrosis quística. Vacunas basadas en proteínas recombinantes (hepatitis B).

Proceso de obtención de insulina humana recombinante

Usos actuales de la biotecnología Eliminación de metales pesados Producción de sustancias terapéuticas Insulina Biorremediación Producción de energía Producción de alimentos

Transgénicos u organismos modificados genéticamente (OMC) Son organismos que portan un gen de otra especie (transgén). Ejemplos: Bacterias superdegradadoras de manchas de petróleo. Bacterias productoras de plásticos biodegradables. Plantas con resistencia a plagas de insectos (para evitar el uso de pesticidas), como el maíz. Variedades de tomate con maduración muy lenta o con resistencia a la salinidad. Plantas de arroz que producen betacaroteno (precursor de la vitamina A). Para incluir genes en plantas se usan plásmidos obtenidos de la bacteria Agrobacterium (que parasita células vegetales).

Terapia génica Consiste en reparar genes defectuosos en los seres humanos Puede curar o tratar enfermedades hereditarias o que tienen componentes genéticos (cáncer, Parkinson, etc). Se crean retrovirus no patógenos a los que se inserta el gen humano Esos virus infectan las células humanas, e incluyen en ellas su material genético (junto con el gen deseado). Un paso más sería la terapia de células reproductoras humanas, puesto que los cambios en estas células serían hereditarios.

Implicaciones de los avances en biotecnología Implicaciones ecológicas Implicaciones sanitarias Implicaciones sociales Implicaciones éticas Implicaciones legales Extinción de especies naturales Aparición de nuevos virus o bacterias que provoquen enfermedades desconocidas Vulneración del derecho a la intimidad La manipulación de material genético de nuestra especie La posibilidad de patentar plantas y animales transgénicos, así como secuencias del genoma humano

El proyecto Genoma Humano A finales de los 80 se propuso el objetivo de identificar y conocer la secuencia de nucleótidos de los genes humanos. Dicho proyecto (Proyecto Genoma Humano) se inició en 1990. El conocimiento de la secuencia normal de los genes permitirá conocer dónde están las mutaciones que provocan enfermedades genéticas. Permite la producción de sondas genéticas para detectar enfermedades genéticas y sus portadores. Una de las primeras sorpresas es que nuestra especie tiene solo unos 30000 genes, cuando se creía que serían unos 100000. Una vía de trabajo es conocer la posición de los genes y elaborar el mapa genético humano. La otra vía es deducir la secuencia de cada gen. Para ello se utilizan técnicas de fragmentación del ADN y de análisis de los fragmentos obtenidos.

Huellas genéticas El ADN de un individuo sólo coincide en su totalidad con el de un gemelo idéntico. Como el 99,9% del genoma es igual entre todos los seres humanos, lo difícil es encontrar las diferencias en el 0,1% restante. Pero hay regiones del ADN en las que unos pequeños fragmentos (minisatélites) se repiten una y otra vez. Las veces que se repite cada minisatélite cambia de un individuo a otro. Analizando la repetición de esas secuencias se obtiene una especie de “código de barras” que identifica a cualquier ser vivo.

En este caso se demuestra que el hombre no es el padre Aplicaciones a) Pruebas de paternidad: Se comparan las huellas genéticas de la madre, del hijo y de dos posibles padres. La del hijo contiene una serie de bandas que corresponden a la madre y el resto corresponden al padre. Huellas genéticas de un niño y de sus padres En este caso se demuestra que el hombre no es el padre

b) Investigaciones criminales: se compara la huella genética obtenida de una muestra encontrada en el lugar del crimen con las huellas genéticas de los sospechosos, para comprobar si el patrón de las bandas de la muestra hallada coincide con la de uno de ellos. c) Otras aplicaciones: Demostrar la denominación de origen y la composición de los alimentos. Comprobar la identificación y parentesco de personas no documentadas (p. ej., en casos de inmigración ilegal).

Las células madre Fecundación (óvulo + espermatozoide) → cigoto → tras 4 o 5 días → blastocisto (esfera hueca formada por unas 150 células). En su interior están las células madre embrionarias. Tras la implantación en el útero: las células del exterior → la placenta las interiores → el feto.

Células madre: concepto y tipos Son las células que no están especializadas en ninguna función, pueden multiplicarse activamente y diferenciarse para formar tejidos (cardíaco, nervioso…). Son fundamentales en el crecimiento y la reparación de tejidos dañados. Se pueden obtener de tejidos (médula ósea, cordón umbilical, hígado), pero abundan (lógicamente) en embriones y fetos. Se aislaron por primera vez en 1998. Hay 3 tipos de células madre, según su capacidad de transformación: Tipo Características Se forman… Totipotentes Pueden dar lugar a un organismo completo. A los 2 días de la fecundación Pluripotentes Generarán células de cualquier tejido. A los 4-5 días Multipotentes Solo crean células de un tejido determinado. A partir de 5 días Los dos primeros tipos se llaman células madre embrionarias.

Clonación En 1997 una oveja inglesa, Dolly era el 1º mamífero concebido en laboratorio por clonación. Se extrajo el núcleo de un óvulo de oveja (II) y se implantó en su lugar el núcleo de una célula mamaria de otra oveja adulta (I). Esta técnica se llama transferencia nuclear. La oveja Dolly era genéticamente idéntica a la oveja adulta de la que se había obtenido el núcleo celular.

La clonación también puede suceder de forma natural: en muchos organismos unicelulares, en plantas (reproducción por esqueje) e incluso en el ser humano (gemelos univitelinos). “Clonación” natural “Clonación” artificial

Aplicaciones (futuras) de la clonación Nuevos tratamientos médicos: La clonación terapéutica busca conseguir células madre para regenerar tejidos dañados sin rechazo (lesiones de infartos, quemaduras, tejidos afectados por enfermedades). La reproducción humana (lograr embriones humanos con el ADN de otra persona para conseguir un recién nacido idéntico a ella). Esta utilidad es muy polémica. Recuperar especies de animales y plantas desaparecidas o en peligro de extinción. Obtener animales mejorados para una determinada producción (carne, lana, leche enriquecida, hormonas humanas como la insulina).