1Tema 4: La revolución genética. 2 Antes de Mendel Preformismo: La observación de espermatozoides...

La revolución genética

1Tema 4: La revolución genética

Tema 4: La revolución genética 2

Antes de MendelPreformismo:

La observación de espermatozoides con un microscopio en el s.XVIII hizo creer que tras la fecundación, solo por crecimiento, estos daban individuos adultos.

Epigénesis:

Al mejorar las técnicas microscópicas se postuló que además de crecimiento había transformaciones estructurales.

Pangénesis.

Los órganos producen unas gémulas que viajan por la sangre a los genitales y de ahí a los hijos.


Caracteres adquiridos (Lamarck):

Teoría de Lamarck, que consideraba que las variaciones eran adquiridas y hereditarias. Los individuos cambian para adaptarse al medio y estás características se transmiten a los descendientes.


Herencia mendelianaMonje agustino católico y naturalista, en la actual República Checa, que describió las llamadas Leyes de Mendel que rigen la herencia genética, por medio de los trabajos que llevó a cabo con diferentes variedades de la planta del guisante.

Su trabajo no fue valorado cuando lo publicó en el año 1866.

Hugo de Vries, botánico holandés, junto a Carl Correns y Erich von Tschermak, redescubrieron las leyes de Mendel por separado en el año 1900.

Experimentos de Mendel


Mendel seleccionó siete caracteres para sus experimentos, cada uno de los cuales tenía dos posibilidades y obtuvo razas puras de guisantes para cada uno de estos caracteres.

Posteriormente cruzó entre sí las razas puras

que presentaban diferencias respecto a uno de los caracteres

elegidos


Conclusiones de Mendel1. La herencia se transmite por factores hereditarios

almacenadas en los gametos. Dichos factores son de procedencia materna y paterna que se unen en el nuevo individuo sin mezclarse, y volviéndose a separar al formar las células reproductoras.

2. La herencia sigue normas estadísticas sencillas.


Leyes de MendelPrimera Ley de Mendel o Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación (F1). , y dice que cuando se cruzan dos variedades individuos de raza pura ambos (homocigotos) para un determinado carácter, todos los híbridos (hereocigotos) de la primera generación son iguales.

AA aa

Aa

P (generación paterna)

F1 (generación filial)


Interpretación del experimento:

El polen de la planta progenitora aporta a la descendencia un alelo para el color de la semilla, y el óvulo de la otra planta progenitora aporta el otro alelo para el color de la semilla ; de los dos alelos, solamente se manifiesta aquél que es dominante (A), mientras que el recesivo (a) permanece oculto.


Segunda ley, o Principio de la segregación: “Ciertos individuos son capaces de transmitir un carácter aunque en ellos no se manifieste”.

El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a pesar de que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A“

Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había desaparecido, sino que sólo había sido "opacado" por el carácter "A", pero que al reproducirse un individuo, cada carácter segrega por separado.

Aa

Aa Aa

aaAA Aa


Tercera ley, o Principio de la transmisión independiente:

Esta ley hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: cuando se considera un carácter; polihibrido: cuando se consideran dos o más caracteres).

Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que los caracteres se transmitían independientemente unos de otros.

Esta ley sólo se cumple si los caracteres estudiados están en cromosomas distintos.


Después de Mendel

1900. Redescubrimiento de las Leyes de Mendel.

1910. Experimentos de Morgan. Demuestra que los genes están en los cromosomas, y los que están en el mismo cromosoma se transmiten juntos y los que están en cromosomas independientes se transmiten por separado. Se comprobó la existencia de recombinación o intercambio entre cromosomas homólogos (los dos cromosomas iguales que proceden uno del padre y otro de la madre)

1944. El ADN es el portador de la información genética (Experimentos de Avery)


Estas experiencias demostraban que el ADN era la molécula que contenía la información necesaria para que las bacterias S fueran virulentas y que, a pesar de estar muertas, su ADN no estaba destruido y podía pasar al medio y de aquí a las bacterias de cepa R integrándose en el genoma de éstas y transformándolas en virulentas


Biología molecular

• Estudio de la vida a nivel molecular• Esclarece la estructura molecular del ADN• Estudia los procesos de formación de un ser

vivo a partir del ADN:

Replicación del ADN Transcripción a ARN Síntesis de proteínas Regulación de los genes

Ciencia que nace a partir del descubrimiento de la estructura del ADN (1953, Watson y Crick)

Ácidos nucleicos

Introducción

• Los ácidos nucleicos son moléculas fundamentales en todos los organismos vivos

• De ellas dependen las demás moléculas y su actividad biológica.

• Los ácidos nucleicos dirigen y controlan todos los procesos biológicos de los seres vivos.

• Existen dos tipos de ácidos nucleicos; ADN y ARN.

• El ADN es el material hereditario de las células y contiene las instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita.

• El ARN está asociado a la transmisión de la información genética desde el núcleo al citoplasma, donde tiene lugar la síntesis proteica. Hay varios tipos de ARN– ARN mensajero– ARN transferente– ARN ribosómico

• Los ácidos nucleicos (ADN, ARN) son macromoléculas formadas por la unión de monómeros denominados nucleótidos

• Los nucleótidos son moléculas complejas.• Cada nucleótido es una molécula formada por la

unión de tres unidades:– Monosacárido (pentosa)– Base nitrogenada– Ácido fosfórico

Monosacárido • Es una pentosa, que puede ser:

– Ribosa: b-D-ribofuranosa (ARN) – Desoxirribosa: b-D-2-desoxirribofuranosa (ADN). El

prefijo desoxi hace referencia a que la pentosa carece de un átomo de oxígeno.

Base nitrogenada• Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos:

– Bases púricas: derivadas de las purinas.• Las bases púricas son ADENINA Y GUANINA

– Bases pirimidínicas: derivadas de la pirimidina.• Las bases pirimidínicas son: CITOSINA, TIMINA y URACILO (esta

se encuentra en el ARN)

purina

pirimidina

Ácido fosfórico

• En forma de grupo fosfato.

NUCLEÓTIDO = NUCLEÓSIDO + GRUPO FOSFATO

ADN. Ácido desoxirribonucleico

• Son biopolímeros lineales de desoxirribonucleótidos 5´monofosfato de adenina, guanina, citosina y timina.

• Poseen desoxirribosa + A, G, C, T.• Nunca poseen uracilo como base nitrogenada.• Con excepción del algunos virus, el ADN está constituido por dos

cadenas de polinucleótidos unidas entre sí en toda su longitud.• Esta doble cadena puede disponerse de dos maneras:

– Forma lineal en el caso de células eucariotas (núcleo)– Forma circular en el caso de células procariotas, algunos virus y

en los orgánulos de las células eucariotas

Estructura primaria

• Está formada por la secuencia de desoxirribonucleótidos-5´-monofosfato, unidos por enlace nucleotídico.

• Se puede distinguir un esqueleto de pentosa-fosfato y las bases colgando de esta estructura.

• Una sola cadena• Los análisis químicos han demostrado que el porcentaje

de bases (A, G, C, T) es el mismo para todos los individuos de una misma especie.

• La diferencia entre los ADN radica en la secuencia de bases nitrogenadas.

• En todos los polinucleótidos existe un extremo (llamado 3´), con una pentosa con el grupo OH del carbono 3` libre y otro extremo (llamado 5´), donde se localiza el grupo fosfato libre, unido al carbono 5´de la pentosa. Esto implica que ambos extremos son distintos

Estructura secundaria

• Es una doble hélice dextrógira, formada por dos cadenas de polinucleótidos enfrentadas por sus bases y unidas entre si por puentes de hidrógeno entre bases complementarias.

• Este modelo de estructura secundaria fue propuesto por Watson y Crick, en 1953

Chargaff observó que todos los ADN tenían tantas moléculas de adenina (A) como de timina (T), y tantas de citosina (C) como de guanina (G).

1. Proporción de Adenina es igual a la de Timina

A = T

2. Proporción de Guanina es igual de la de Citosina

G = C

3. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas A + G = C + T

Los estudios mediante difracción de rayos X aportaron nuevos datos sobre la estructura del ADN.

A partir de los estudios del ADN mediante la difracción de los rayos X, Rosalind Franklin y Wilkins observaron que el ADN tenía una estructura fibrilar de 20 Å de diámetro, en la que se repetían ciertas unidades cada 3,4 Å, y que había otra repetición mayor cada 34 Å.

20 Amstrongs

3,4 Amstrongs

• Watson y Crick llegaron a la conclusión, basándose en los estudios previos, que el ADN estaba formado por una doble hélice dextrógira

Características del ADN B (modelo propuesto por Watson y Crick)

• El ADN está formado por dos cadenas polinucleotídicas unidas en toda su longitud.

• Las dos cadenas son antiparalelas (tienen extremos 3´-5´opuestos)

• La unión de las cadenas se realiza por medio de enlaces por puentes de hidrógeno entre bases complementarias de ambas cadenas.– Adenina forma 2 puentes de hidrógeno con la Timina.– Guanina forma 3 puentes de hidrógeno con la Citosina

• El hecho de que una cadena posea mayor proporción de Guanina y Citosina, indica que presenta mayor estabilidad térmica.

• Las dos cadenas no son idénticas, sin complementarias.

• Las dos cadenas están enrolladas en espiral, formando una hélice dextrógira en torno a un eje central imaginario.

• Las bases quedan en el interior de la doble hélice, mientras que el esqueleto de pentosa-fosfato se encuentran en el exterior.

• Las bases son perpendiculares al eje de la doble hélice.

• El enrollamiento es plectonémico (las cadenas no se pueden separar sin desenrollarse)

• Existen 10 nucleótidos por vuelta de la hélice.

• Dos cadenas polinucleótidas unidas entre sí• Antiparalelas• Complementarias• Estabilizadas por puentes de hidrógeno entre bases

nitrogenadas• Enrolladas en espiral alrededor de un eje imaginario• Esqueleto azúcar fosfato hacia fuera –• Planos de las bases perpendiculares al eje y

paralelos entre sí• Enrollamiento plectonémico• Gira en sentido dextrógiro (reloj)• 10 pares de nucleótidos por vuelta (3,4 nm)

Resumen de las características de la doble hélice de ADN

Desnaturalización del ADN

• Se produce cuando el incremento de temperatura, variación de pH.

• Se rompen los enlaces por puentes de hidrógeno entre bases complementarias y las dos cadenas se separan.

• No se ven afectados los enlaces fosfodiester (enlace nucleotidico)

• Cuando se restablecen las condiciones originales el ADN se renaturaliza.

El ADN es la molécula almacén de la información genética y contiene todas las instrucciones necesarias para construir todas las moléculas del cuerpo de un ser vivo. Para ello tiene que ser capaz de realizar copias de si mismo (replicarse) mediante un proceso basado en la complementariedad de las bases.

FUNCIÓN BIOLÓGICA DEL ADN

Replicación

• En la replicación, el ADN se libera de las histonas y se abre.

• Cada una de las hebras sirve de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.

• La replicación del ADN es semiconservativa (una de las cadenas es la cadena molde y otra es de nueva formación)

• Transcripción de la información genética contenida en los genes.– Se sintetiza ARN mensajero a partir de una de las

hebras de ADN.• Traducción del mensaje contenido en el ARN

mensajero.– El ARN mensajero se une al ribosoma y comienza

la síntesis de proteínas.

• Polímero de ribonucleótidos-5- monofosfato• El ARN difiere del ADN en:

– La pentosa es ribosa – Posee uracilo en lugar de timina. El uracilo es

complementario a la adenina.– Las cadenas son más cortas y aparecen en el núcleo y

en el citoplasma.– Está formado por una sola cadena (monocatenario), a

excepción de algunos virus (reovirus), aunque en algunos ARN aparece una estructura más compleja por apareamiento intracatenario.

• Existen varios tipos de ARN:– ARN mensajero– ARN ribosómico– ARN transferente

ARN mensajero• Es una copia de una parte del ADN (la que

corresponda a un gen o grupos de genes que van a expresarse).

• EL ARN mensajero sirve de molde para la síntesis proteica.

• Poseen una vida muy corta. Se destruyen por enzimas específicas

ARN ribosómico• Forma parte de los ribosomas• EL ARNr contribuye a que las subunidades ribosómicas posean una

superficie acanalada, con hendiduras o sitios donde albergar simultáneamente a una molécula de ARNm (subunidad pequeña) y a los diferentes aminoácidos unidos a los ARNt (subunidad grande).

ARNm ARNr ARNt

ARN transferente

• Se encarga de transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma hasta los ribosomas, donde se unirán a otros (por medio de enlace peptídico) siguiendo las directrices de la secuencia de ARNm

• Cada ARNt porta un aminoácido específico• Los ARNt se diferencian en la secuencia de bases

(anticodón) que es complementaria (codón) presente en el ARNm.

• El ARNt es monocatenario, pero presenta zonas con estructura secundaria en doble hélice (brazos), y zonas con estructura primaria o lineal (asas o bucles), lo que confiere a la molécula una forma de hoja de trébol.

• En ella se distinguen varios brazos pero el que nos interesa en este momento es el Brazo A (del anticodón).

Diferencias entre ADN y ARNDNA RNA

Doble cadena helicoidal Cadena Simple

Tiene las bases A, T, G y C Tiene las bases A, U, G y C

La pentosa es una desoxirribosa La pentosa es una ribosa

Es una Macromolécula Es más pequeña que el DNA

Esta en el Núcleo Se encuentra en el citoplasma

Constituye los Genes (se replica o se trascribe a RNA)

Es una molécula involucrada en la síntesis de proteínas


El ADNEl ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de nucleótidos. Los puentes de hidrógeno que unen ambas cadenas dan estabilidad a la estructura . La combinación de las secuencias de bases nitrogenadas (A, T, G y C) forma los distintos ADN’s.

Esta enorme variabilidad origina todas las diferentes proteínas que podemos encontrar en los seres vivos.

Las uniones siempre son:

A-T C-G


Relación entre genes y proteínas

El ADN (más concretamente, los genes que contiene y que se definen como segmentos de ADN que codifican una proteína) contiene la información con las características de los seres vivos. Esta información se expresa en forma de proteínas.

Las proteínas son las que finalmente definen al ser vivo, junto con la influencia que puede ejercer el medio ambiente.

La relación entre genes y proteínas se expresa a través del dogma central de la Biología Molecular (1970, Crick)


ADN ProteínasARN mTranscripción Traducción

Replicación

ADN ProteínasARN m Traducción

Replicación

Transcripción

Retrotranscripción


A raíz de la modificación del Dogma central de la Biología Molecular se han cuestionado los conceptos de gen y ADN basura (ADN que no codifica información para proteínas).

Actualmente se cree que este ADN basura puede tener un papel regulador importante, así como que un gen puede dar lugar a varias proteínas (hasta hace muy poco, el concepto fundamental era “un gen, una proteína”).


Replicación del ADN1. La replicación es el proceso en que se sintetizan dos copias

idénticas de ADN tomando como molde otra cadena de ADN. Es una replicación semiconservativa.

2. Tiene lugar en el núcleo de la célula

3. Se basa en la complementariedad de las bases nitrogenadas (al igual que en los procesos de reparación de secuencias dañadas y transcripción del ARN)

4. Se realiza antes de cada división celular para que las células hijas lleven la misma información que la célula madre.


Modelo conservativo

Modelo dispersivo

Modelo semiconservativo

Modelos de replicación del ADN

Replicación del ADN


Complementariedad de bases


La complementariedad de bases es útil para saber el contenido de bases de un ADN o conocer a partir de una secuencia como será la cadena complementaria:

Si un ADN tiene un contenido de C+G del 42%, ¿qué porcentaje habrá de cada una de las bases?

C+G=42% A+T=58%C= 42:2= 21%; G= 42:2= 21%; A= 58:2= 28%; C= 58:2= 28%


Ejercicio. Dada una hebra simple de ADN 3’-TACGGAATTCAT-5’, construye la hebra complementaria y la cadena de ADN que se formaría tomando como referencia la hebra inicial.Solo debes recordar que el ADN no tiene uracilo

Hebra ADN: 3’-TACGGAATTCAT - 5’Cadena complementaria:


Ejercicio. Dada una hebra simple de ADN 3’-TACGGAATTCAT-5’, construye la hebra complementaria y la cadena de ADN que se formaría tomando como referencia la hebra inicial.Solo debes recordar que el ADN no tiene timina

Hebra ADN: 3’-TACGGAATTCAT - 5’Cadena complementaria: 5’- ATGCCTTAAGTA - 3’

Hebra ADN: 3’- TACGGAATTCAT- 5’Cadena de ARM m: 5’- AUGCCUUAAGUA-3’


Transcripción del ADN1. Se basa en el mismo mecanismo (complementariedad de

bases) que la replicación, pero intervienen enzimas diferentes y se sustituye la base nitrogenada Timina por Uracilo.

2. Tiene lugar en el núcleo celular.

3. El ARN resultante sufre un proceso de maduración, y el ARN maduro sale al citoplasma celular.

4. El ARNm lleva la información a los ribosomas donde se producirá la síntesis de proteínas


Traducción del ADN

1. Es la formación de proteínas a partir de la información que lleva el ARNm

2. Tiene lugar en los ribosomas (citoplasma)

3. Son necesarias otras moléculas como:• ARNt• Aminoácidos• Enzimas diversos

4. El proceso de traducción se hace según el Código Genético


Traducción del ADN

1. Las proteínas están formadas por aminoácidos.

2. El orden de colocación de los aminoácidos viene dado por la secuencia de bases del ARNm. Cada tres bases de ARNm (triplete o codón) indica la colocación de un aminoácido.

3. Con las 4 bases nitrogenadas (A, U, G, C) se pueden formar 64 tripletes diferentes, que llevan la información para los 20 aminoácidos que forman todas las proteínas de los seres vivos

El código genético está compuesto por codones (codón= 3 bases nitrogenadas) que definen el proceso de traducción

•61 codones para aminoácidos (existen 20 aminoácidos diferentes)•3 codones de terminación

El código genético es universal

El código genético es redundante (varios codones para un mismo aminoácido)

Ejemplo: El aminoácido glicina está codificado por GGU, GGC, GGA y GGG


Código genético



AUG - CCU – AAG – UUU – GCU – CUC ….

A partir de un ARN m:

MET PRO LEULYS PHE ARG

PROTEÍNA

El Código genético


1. Es un código universal. Todos los seres vivos conocidos lo utilizan

2. Es un código redundante o degenerado. Hay más tripletes de bases que aminoácidos.

3. Es un código sin superposición o sin solapamientos:

4. La lectura del ARN mensajero es continua, sin interrupciones. Cualquier pérdida o ganancia de un sólo ribonucleótido produce a partir de ese punto una modificación de la pauta de lectura, cambiando todos los aminoácidos desde el lugar de la alteración.


Ingeniería genéticaSe puede definir como la formación in vitro de nuevas combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su introducción en un organismo huésped, el ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente expresarse.

Lo que se pretende mediante la ingeniería genética es lograr ciertos fines tanto en la ciencia pura como en la aplicada (producción microbiana de productos, plantas y animales transgénicos, nuevos diagnósticos).


ADN recombinante

El ADN recombinante es aquel que tiene fragmentos de distinta procedencia.

De forma natural existen ADN recombinantes, cuando los virus insertan su ADN en el ADN de la célula huésped.

Se pensó hacer lo mismo de manera artificial en el laboratorio utilizando enzimas de restricción.

Enzimas de restricción


1. Estas enzimas, procedentes de bacterias, tienen la capacidad de reconocer una secuencia determinada de nucleótidos y extraerla del resto de la cadena.

2. Esta secuencia puede volver a colocarse con la ayuda de otra clase de enzimas, las ligasas.

3. La enzima de restricción actúa como una "tijera de ADN", y la ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro.

Vectores génicos


Son elementos móviles, en los que se inserta el gen a transferir.

Son fácilmente manipulables y pueden transferirse hasta la célula huésped para obtener las células transgénicas.

Los principales vectores utilizados son:

1. Plásmidos2. Bacteriófagos3. Cromosomas artificiales de levaduras (YAC)

Genes marcadores


En los vectores, además del gen de interés se colocan otros genes denominados marcadores.

Son genes que permiten identificar aquellas células que han incorporado el ADN del vector.

En general, estos genes dan a la célula que los contiene resistencia a antibióticos, de tal forma que si añadimos el antibiótico a una mezcla de células con y sin el ADN de interés, las que no lo tengan (y por tanto, tampoco el gen de resistencia al antibiótico), morirán.

Amplificación del ADN


El estudio y manipulación del ADN requiere muchas copias de los fragmentos de ADN que se quieren estudiar.

El método clásico de obtención de copias era la clonación mediante bacterias. Era un proceso lento y costoso.

En 1983, Mullis diseño un mecanismo para obtener múltiples copias de forma mucho más sencilla. Este método denominado PCR (Polimerasa Chain Reaction) ha sido determinante en múltiples áreas del conocimiento que utilizan ADN

PCR


PCR


Esta técnica requiere conocer la secuencia de nucleótidos de los extremos del fragmento que se quiere amplificar para diseñar dos oligonucleótidos sintéticos (P1 y P2) de DNA complementarios a una porción de cada una de las dos cadena de la doble hélice.

La mezcla de reacción contiene la secuencia de DNA que se quiere amplificar, los dos oligonucleótidos sintéticos, una DNA polimerasa termoestable (Taq) y los cuatro nucleótidos (dATP, dGTP, dCTP y dTTP)

La mezcla de reacción se somete a ciclos que constan cada uno de una fase de desnaturalización, una de hibridación y una de elongación.

Durante la desnaturalización, que se realiza por calentamiento de la mezcla a 95 ºC, se separan las dos cadenas del DNA molde.

Durante la hibridación, la temperatura de incubación se reduce para permitir el apareamiento de las bases de ambos cebadores en el sitio donde encuentran una secuencia complementaria.

Durante la fase de elongación, la mezcla se calienta a 72 ºC, temperatura a la cual la DNA polimerasa extiende la cadena complementaria a partir del extremo 3' de los cebadores. Al finalizar cada ciclo, tenemos el doble de ADN

Mutaciones


1. Es todo cambio en la información hereditaria (ADN, cromosomas o cariotipo).

2. Las mutaciones pueden producirse tanto en células somáticas (no se heredan) como en células germinales (se transmiten a la descendencia).

3. Las mutaciones pueden ser: naturales (espontáneas) o inducidas (provocadas artificialmente con radiaciones, sustancias químicas u otros agentes mutágenos).


Genoma humanoEl Proyecto Genoma Humano es una investigación internacional que busca seleccionar un modelo de organismo humano por medio del mapeo de la secuencia de su DNA.

El proyecto fue fundado en 1990 por el Departamento de Energía y los Institutos de la Salud de los Estados Unidos, con un plazo de realización de 15 años.

Debido a la amplia colaboración internacional (más de 20 países implicados), a los avances en el campo de la genómica y la informática un borrador inicial del genoma fue terminado en el año 2000.

Objetivos


El objetivo inicial del Proyecto Genoma Humano fue no sólo determinar los 3 mil millones de pares de bases en el genoma humano, sino también identificar todos lo genes en esta gran cantidad de datos.

También tuvo como objetivo el desarrollo rápido de métodos eficientes para secuenciar los aproximadamente cien mil genes del ADN.

Otros objetivos fueron:

• Guardar toda esta información en bases de datos de libre acceso.

• Desarrollar herramientas para facilitar el análisis de esta información, y trabajar los aspectos éticos, legales y sociales


Este proyecto supone la realización de dos tipos de mapas:

Mapas genéticos: Estos mapas indican la posición relativa de los diferentes genes. Para esta confección se están estudiando la transmisión de caracteres hereditarios, capaces de ser objetivados de una generación a otra en grandes familias.

Por ejemplo, en Estados Unidos se han localizado muchos genes gracias a estudios realizados en comunidades mormonas, cuya endogamia es notoria.

En 1994 se terminó el primer mapa genético de todo el genoma humano.

Mapa genético



Mapas Físicos: de mayor resolución, pues muestra la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN que constituye el cromosoma. Se establece la situación real de los genes en los cromosomas (en los mapas genéticos era un posición relativa).

Se obtiene la secuencia de nucleótidos de un gen. Se realiza fundamentalmente mediante la electroforesis en gel de distintos fragmentos de ADN y la ayuda de ordenadores. El completar este mapa se ha conseguido cinco años antes de lo que se esperaba.

Secuenciación de ADN por ordenador con letras y colores.

Resultados del PGH


Algunos de los aspectos que más han llamado la atención es el bajo número de genes encontrados (en comparación a lo esperado), así como lo repetitivo, similar y duplicado que es el genoma humano.

También ha sorprendido la presencia de genes más afines con las bacterias que con cualquier otro organismo estudiado.

Otros datos importantes son:

Las células humanas tienen 46 cromosomas (44 autosomas y2 cromosomas sexuales), distribuidos en dos series (una de procedencia paterna y otra materna).

Cada serie tiene unos 3200 millones de pb y menos de 25000 genes. El resto es el “ADN basura” (cerca del 95%)

Beneficios


1. Prevenir y curar enfermedades hereditarias.

2. Conseguir mayor longevidad a partir del estudio de los genes implicados en el envejecimiento.

3. Recaudar información acerca de nuestro origen, el de nuestros antepasados y el de otras civilizaciones a través el análisis del ADN.

4. Conocer la huella genética de un delincuente a través del análisis del pelo, uñas o una gota de sangre.

El trabajo de interpretación del genoma no ha hecho nada más que empezar. Los beneficios de conocer e interpretar el genoma se esperan fructíferos en los campos de la medicina y de la biotecnología.

Problemas éticos


Pero el conocimiento del código de un genoma abre las puertas para nuevos conflictos ético-morales.

Esto atentaría contra la diversidad biológica y reinstalaría entre otras, la cultura de una raza superior, dejando marginados a los demás.

Quienes tengan desventaja genética serían discriminados.

Desventajas


• Que las compañías aseguradoras, empresarios, ejército u otras personas utilizaras de manera deshonesta este tipo de información.

• Pérdida de la privacidad y confidencialidad de la información.

• Impacto psicológico y estigmatización de la sociedad ante un individuo genéticamente diferente.

• Mejoras genéticas para determinar características específicas de los individuos, pero que no están relacionadas con el tratamiento de enfermedades.

• Comercialización de la información genética.


BiotecnologíaSegún el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología se define como:

“Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos".

El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad Biológica define la biotecnología moderna como la aplicación de:

Técnicas in vitro de ácido nucleico, incluidos el ADN recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células u orgánulos, o la fusión de células más allá de la familia taxonómica que superan las barreras fisiológicas naturales de la reproducción o de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección tradicional.

Historia


Se han aplicado procesos biotecnológicos desde muy antiguo (aunque sin saber nada de biotecnología):

• 8000 a. C.: Recolección de semillas para replantación. Evidencias de que en Mesopotamia se utilizaba crianza selectiva en ganadería.

• 6000 a. C.: Medio Oriente, elaboración de cerveza con levadura.• 4000 a. C.: China, fabricación de yogur y queso por fermentación

láctica utilizando bacterias. • 2300 a. C.: Egipto, producción de pan con levadura.

En épocas más modernas, se puede considerar biotecnología la obtención de antibióticos u otros productos a partir de hongos.

Hoy en día, la biotecnología moderna se basa en la ingeniería genética.


Inconvenientes de la biotecnología

1. Falta de control sobre los microorganismo manipulados.

2. Producción y almacenamiento de armas biológicas.

3. Aparición de especies nuevas con función desconocida en los ecosistemas.

4. Transito de genes entre especies.

5. Agudizar la diferencia entre países ricos y pobres.

Todo ello ha provocado rechazo por parte de grupos con distinto tipo de ideologías por motivos ecológicos, filosóficos, éticos o religiosos.


Biotecnología: Aplicaciones

A pesar de los inconvenientes, las aplicaciones de la biotecnología son numerosas y se suelen clasificar como:

1. Biotecnología roja o médica.

2. Biotecnología blanca o industrial.

3. Biotecnología verde o biotecnología agrícola.

4. Biotecnología azul o biotecnología marina.

Biotecnología médica


Se aplica en procesos médicos. Algunos ejemplos son:

1. Diseño de organismos para producir antibióticos.2. Desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos.3. Diagnósticos moleculares.4. Terapias regenerativas5. Desarrollo de la ingeniería genética para curar

enfermedades a través de la manipulación génica.6. Trasplante de órganos a partir de animales modificados

genéticamente….

Obtención de fármacos


Se obtienen a partir de microorganismos que contienen el gen que produce la proteína de interés farmacológico (insulina, hormona del crecimiento…)

Las principales ventajas son:

Se controla mejor la producción, disminuye el riesgo de contaminación, se abaratan los costes…

Por el mismo procedimiento se pueden fabricar vacunas, evitando el riesgo de utilizar virus atenuados.

Determinación de enfermedades


Consiste en poner en contacto ADN de un individuo con secuencias de genes responsables de una determinada enfermedad.

Las hebras del ADN del paciente se separan y si hibridan con el ADN de la enfermedad, es que el paciente tiene ese gen.

Terapia génica


• Consiste en modificar los genes anómalos para impedir que se manifieste la enfermedad o curarla una vez manifestada.

• En las células afectadas se puede introducir una copia correcta del gen defectuoso mediante vectores (infección vírica), corrigiendo el problema.

• El proceso se podría hacer incluso en las células germinales, pero esto plantea problemas éticos.

• Es una técnica prometedora pero aún en una fase muy temprana, con todavía muy pocos logros significativos.

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Biotecnología agrícola


Se basa en la modificación de plantas por IG para que generen proteínas de interés. Son las plantas transgénicas.

Los principales objetivos son:

1. Lograr plantas resistentes a herbicidas, bacterias, virus e insectos

2. Aumentar el rendimiento fotosintético (más producción)3. Fijación del nitrógeno atmosférico4. Mayor calidad de los productos5. Obtener plantas con proteínas de interés comercial (vacunas,

interferones, vitaminas…)

Tecnología Era Intervenciones genéticas

TradicionalUnos 10 000 años a.C. Se domestican plantas y animales, comienzan a seleccionar material

vegetal para su propagación y animales para su mejoramiento.

Unos 3 000 años a.C. Se fabrica cerveza y queso, se fermenta vino.

Convencional

Finales del siglo XIX Gregor Mendel identifica en 1865 los principios de la herencia, sentando las bases para los métodos clásicos de mejoramiento.

Década de 1930 Se obtienen cultivos híbridos comerciales.

de la década de 1940 a la década de 1960 Se aplica la mutagénesis, el cultivo de tejidos y la regeneración de plantas.

Moderna

Década de 1970Transferencia de genes mediante técnicas de recombinación de ADN. Aislamiento y cultivo de embriones y a la fusión de protoplasmas en la fitogenética y a la inseminación artificial en la reproducción animal.

Década de 1980La insulina es el primer producto comercial obtenido mediante transferencia de genes. Se recurre al cultivo de tejidos para la propagación en gran escala de plantas y al trasplante de embriones para la producción animal.

Década de 1990

Se aplica la caracterización genética a una gran variedad de organismos. En 1990 se realizan los primeros ensayos de campo de variedades de plantas obtenidas mediante ingeniería genética, que se distribuyen comercialmente en 1992. Se obtienen vacunas y hormonas mediante ingeniería genética y se clonan animales.

Década del 2000 Aparecen la bioinformática, la genómica, la proteómica y la metabolómica.


Plantas transgénicas

tumores

célula vegetal

Proliferación de hormonas crecimiento. Se forman tumores en las zonas de la lesión

Plásmido Ti

núcleo

cromosoma

cromosoma

Agrobacterium

inductor de tumorescontiene oncogenes(genes onc)

Ingeniero genético natural tras sutitución de genes onc por genes de interés

Transgénesis= introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares.

Agrobacterium tumefaciens es patógena de plantas. Produce tumores


Efectos negativos


1. El uso masivo de cultivos transgénicos representa riesgos potenciales desde un punto de vista ecológico.

2. Los efectos ecológicos no están limitados a la resistencia en las plagas o a la creación de nuevas variedades de malezas o de virus.

3. Los cultivos transgénicos pueden producir toxinas ambientales que se mueven a través de las cadenas tróficas y que también pueden llegar al suelo y al agua, afectando así a los invertebrados y probablemente a procesos tales como el ciclo de nutrientes.

4. En realidad, nadie puede predecir los impactos a largo plazo que pueden resultar de la diseminación masiva de estos cultivos.


Biotecnología ganadera Consiste en la alteración genética de animales para mejorar el rendimiento que de ellos se obtiene.

La investigación se centra en la obtención de animales que produzcan proteínas y compuestos de interés farmacológico y a obtener órganos destinados a trasplantes humanos (fundamentalmente a partir de cerdos)


BiorremediaciónLa naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los elementos contaminantes. Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana.

La biorremediación consiste en acelerar este proceso natural

para mitigar la contaminación

ambiental.


Los expertos en ingeniería genética creen que la utilización de organismos modificados genéticamente traerá un mayor desarrollo de la biorremediación.

Los ejemplos son muy variados:

• La introducción de un gen en el organismo específico para el vertido.

• El desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes, que permitirían monitorizar el proceso de degradación.

• La creación de plantas transgénicas para limpiar suelos contaminados.

Sin embargo, sus detractores advierten de sus posibles efectos secundarios sobre el medio ambiente, por lo que deben hacer frente a importantes restricciones legales, y recuerdan que en la mayoría de los casos los organismos naturales pueden servir igualmente.


BiolixiviaciónTambién denominada lixiviación bacteriana, consiste en el ataque químico de distintas materias primas naturales, de residuos o de productos reciclados mediante la participación directa o indirecta de bacterias.

Estas son generalmente mesófilas, como la Thiobacillus ferrooxidans, aunque cada vez se utilizan más las de naturaleza termófila con temperaturas de crecimiento de hasta 80 ºC.


Reproducción asistida

La reproducción asistida tiene como finalidad solucionar problemas de esterilidad

Actualmente se trabaja en evitar la aparición de enfermedades genéticas (diagnostico genético preimplantacional) y obtener bebes sanos cuyas células del cordón umbilical sirvan para salvar vidas de familiares enfermos.

Técnicas de reproducción asistida


1. Estimulación ovárica2. Inseminación artificial3. Fecundación “in vitro”4. Inyección citoplasmática de espermatozoides5. Transferencia de embriones clonados


Inseminación artificial

1. Control y estimulación de la ovulación mediante hormonas.

2. Obtención y preparación del semen.

3. Selección de espermatozoides.

4. Inseminación en el momento adecuado del ciclo.

5. Tratamiento hormonal para favorecer el desarrollo del embrión.

Usos y Problemas


Se utiliza fundamentalmente en los siguientes casos:

• Infertilidad masculina• Enfermedades venéreas• Enfermedades hereditarias• Obtención de hijos sin relaciones sexuales

Riesgo de embarazo múltiple

Se estima que en España 35.000 mujeres se someten a este procedimiento cada año. El estrés, el aumento de la edad de la maternidad y la mala calidad del semen son algunas de las causas para recurrir a este proceso.


Fecundación in vitroLa fecundación in vitro es una técnica por la cual la fecundación de los óvulos por los espermatozoides se realiza fuera del cuerpo de la madre. La FIV es el principal tratamiento para la infertilidad cuando otros métodos de reproducción asistida no han tenido éxito.

El ovulo fecundado (preembrión) se implanta en la madre

Proceso FIV


1. Estimulación ovárica por medio de hormonas

2. Extracción de óvulos y espermatozoides

3. Fecundación extrauterina

4. Divisiones de los preembriones

5. Implantación de los preembriones seleccionados

Es una técnica con un elevado porcentaje de éxito

Inconvenientes


1. Embarazos múltiples

2. Embarazos ectópicos

3. Problemas de tipo moral (por la acumulación de embriones congelados no utilizados)

Inyección intracitoplasmática


El procedimiento consiste en la inyección de un espermatozoide en el interior del óvulo. De esta forma cualquier varón del que se pueda obtener un espermatozoide del semen, epidídimo o testículo puede convertirse en padre, situación que antes no se podía corregir en muchos casos.

Las pruebas genéticas (particularmente en caso de alteraciones genéticas como la fibrosis quística y las microdelecciones del cromosoma Y) a veces aconsejan esta técnica para mejorar los resultados reproductivos


Transferencia de embriones

Se usa cuando los dos miembros de la pareja son estériles.

Los preembriones llevan una información genética diferente a la de los padres (preembriones sin utilizar de otras parejas, congelados o no)


Regulación de la fecundación asistida

En España está regulada desde 1988.

Posteriormente se promulgó una nueva ley del año 2003 (se impedía la fecundación de más de tres óvulos, no se podían usar los embriones originados con otra finalidad que la reproducción) y más recientemente se ha aprobado otra ley (2006) con bastante polémica.

Legislación actual


• Acota el concepto de preembrión (embrión de menos de 14 días y formado “in vitro”

• Regula la aplicación de las Técnicas de Reproducción Asistida.

• No hay límite a la generación de óvulos pero solo autoriza la transferencia de tres preembriones. Los embriones sobrantes se usan según decisión de los donantes.

• Regula la donación de semen, ovulos y preembriones

• Permite la selección de embriones mediante diagnostico genético preimplantacional

• Prohibe las madres de alquiler y la clonación humana

• Regula los centros de reproducción asistida


Clonación

Es la obtención de copias (ADN, células u organismos) genéticamente iguales.

Las primeras clonaciones de organismos se hicieron por fisión de embriones tempranos.

Un embrión, obtenido por procedimientos normales, se dividía, y los embriones resultantes eran genéticamente idénticos, pero no se sabía las características que iban a tener.

Esto ya se puede saber a partir de la primera clonación por transferencia de núcleos de células de individuos adultos. Los embriones resultantes eran genéticamente idénticos al donante del núcleo.

Dolly


La primera clonación de mamíferos fue realizada por Ian Wilmut en 1996 utilizando tres ovejas, la donadora de la información (núcleo) la donadora del ovulo y la “madre de alquiler” (oveja nodriza). El resultado fue la oveja Dolly

Aplicaciones


• Obtención de animales que contengan y produzcan proteínas de interés médico.

• Mejora controlada del ganado

• Recuperación de especies extintas o en peligro de extinción.

Problemas• Éxito de clonación muy bajo

• Individuos clonados con problemas


Células madre

• La clonación humana con fines reproductivos está prohibida, pero la clonación terapéutica si es legal en muchos países.

• Consiste en implantar, en un óvulo, material genético de un individuo, y del embrión obtenido sacar células madre embrionarias, que podrían dar lugar a los diferentes tejidos, y por lo tanto evitar los problemas de rechazo en los trasplantes.

• Además se podrían ensayar tratamientos médicos sobre estas células antes de dar los medicamentos al paciente, para conocer la respuesta.

Son aquellas que tienen capacidad de multiplicarse y la posibilidad de desarrollarse y diferenciarse dando lugar a células especializadas

Tipos de células madre


Embrionarias o troncales:

Se obtienen de embriones de menos de 14 días. Pueden generar un organismo completo (totipotentes).

Adultas o somáticas

Están en los adultos. Pueden generar células especializadas de diferentes tejidos (no son totipotentes)

Controversia


¿Qué tipo de célula madre es más conveniente usar (embrionaria o adulta)?, y sobre todo el estatus de un embrión humano, aunque tenga menos de 14 días y haya sido obtenido “in vitro” y esté congelado.

Hay un importante debate (político, ético y científico) sobre el uso de las células madre.

La solución puede venir de los últimos avances científicos. Se ha logrado obtener células madre pluripotenciales a partir de células adultas (se comportar como células madre embrionarias)


BioéticaEs una consecuencia del enorme desarrollo alcanzado, pero de también los efectos negativos de la ciencia (experimentos con prisioneros, Hiroshima, deterioro ambiental, guerras químicas y bacteriológicas…)

La ciencia no es neutral desde un punto de vista ético o económico y se puede utilizar con buenos fines u otros no tan buenos. Lo que esto nos indica es que hay cosas que la ciencia puede lograr, pero “no todo lo que puede hacerse, debe ser hecho”

La Bioética nace para establecer unos principios que permitan afrontar los avances de la ciencia con respeto y responsabilidad. El criterio ético fundamental que regula esta disciplina es el respeto al ser humano, a sus derechos inalienables, a su bien verdadero e integral: la dignidad de la persona.

Principios de Bioética


En 1979, se definieron como cuatro los principios de la Bioética: autonomía, no maleficencia, beneficencia y justicia. En un primer momento definieron que estos principios son prima facie, esto es, que vinculan siempre que no colisionen entre ellos, en cuyo caso habrá que dar prioridad a uno u otro dependiendo del caso.

Sin embargo en 2003, se considera que los principios deben ser especificados para aplicarlos a los análisis de los casos concretos.


Principio de autonomía.

Es un principio de respeto a las personas que impone la obligación de asegurar las condiciones necesarias para que actúen de forma autónoma.

Principio de beneficencia:

Obligación de actuar en beneficio de otros, promoviendo sus legítimos intereses y suprimiendo perjuicios.

Principio de no maleficencia (Primum non nocere):

Abstenerse intencionadamente de realizar acciones que puedan causar daño o perjudicar a otros. Es un imperativo ético válido para todos, no sólo en el ámbito biomédico sino en todos los sectores de la vida humana.

Principio de justicia:

Tratar a cada uno como corresponda con la finalidad de disminuir las situaciones de desigualdad (biológica, social, cultural, económica, etc.)

1Tema 4: La revolución genética. 2 Antes de Mendel Preformismo: La observación de espermatozoides...

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