Tema 5 Genética molecular
1. Introducción 2. Los ácidos nucleicos 2.1. Ácido desoxirribonucleico 2.2. Ácido ribonucleico 2.3. Diferencias entre el ADN y el ARN 3. La replicación del ADN 4. La expresión génica 4.1. La transcripción 4.2. La traducción 4.3. El código genético 5. Las mutaciones 6. Ingeniería genética 7. Biotecnología
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1. Introducción Uno de los avances más importantes de la biología moderna es el descubrimiento del ADN, de su estructura y de su funcionamiento. El material genético está formado por unas unidades llamadas nucleótidos que se unen de forma lineal para formar una doble hebra que contiene la información de todos y cada uno de los organismos y especies que habitan nuestro planeta. La información del ADN se expresa para formar proteínas que ejecutan una función específica. El paso de la información de nucleótidos a aminoácidos es posible por un código genético formado por tres letras y dicho código es igual para todas las especies, constituyendo la mayor evidencia del pasado común que compartimos los seres vivos. Al conocer cómo funciona la información genética, se puede utilizar para manipular los genes de cualquier especie, formando con ello células, tejidos, órganos y organismos con menos genes, con genes duplicados o incluso con genes de otras especies. Las aplicaciones que esta tecnología aporta a la sociedad actual son ilimitadas, pero plantean toda una serie de dilemas éticos que deben ser abordados, ya que se pueden crear organismos en un laboratorio, dejando de lado la evolución natural de los mismos.
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2. Los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son macromoléculas que pueden ser de dos tipos: ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN), pero las dos están formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos. Los nucleótidos, a su vez, están formados por tres partes básicas: ➯ Monosacárido: Es una pentosa (posee cinco átomos de carbono) que puede ser de dos tipos: ribosa en el caso del ARN y desoxirribosa para el ADN. ➯ Ácido ortofosfórico (H3PO4): Esta molécula siempre es igual en todos los nucleótidos y en todos los tipos de ácido nucleico. ➯ Base nitrogenada: Son moléculas compuestas por átomos de nitrógeno que pueden ser de cinco tipos diferentes: adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) y uracilo (U).
Bases nitrogenadas Monosacárido
Nucleótido Ácido fosfórico
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Los diferentes nucleótidos se unen entre sí para formar largas cadenas llamadas polinucleótidos. La forma de unirse es mediante un enlace entre el ácido fosfórico de un nucleótido y la pentosa del siguiente, dejando a un lado las bases nitrogenadas. La estructura puede verse como la mitad de una escalera de mano donde las bases nitrogenadas serían los peldaños y la sucesión de fosfatos y pentosas el riel. Esto es importante porque la información que posee el ADN depende de la ordenación de las bases nitrogenadas de los nucleótidos a modo de letras que forman palabras y las palabras, frases específicas y diferentes para cada organismo.
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2.1.- Ácido desoxirribonucleico: Es la molécula que contiene la información genética en todos los seres vivos. Los nucleótidos que la forman son: ➯ Monosacárido: Siempre es el glúcido desoxirribosa. ➯ Ácido ortofosfórico: Siempre es el mismo. ➯ Bases nitrogenadas: Pueden ser adenina, timina, citosina o guanina. Como el monosacárido y el ácido fosfórico siempre son los mismos, solo existen cuatro tipos de nucleótidos según la base nitrogenada que tengan. Además, el ADN es una hebra formada por dos cadenas de polinucleótidos (bicatenaria) que se unen entre sí a través de sus bases nitrogenadas mediante unos enlaces llamados puentes de hidrógeno. La unión de ambas cadenas no se produce al azar, las bases nitrogenadas son complementarias, es decir, la adenina siempre se une a la timina y la citosina siempre se une con la guanina, formando lo que se conoce como par de bases. Por último, las dos cadenas de polinucleótidos van en sentidos opuestos y, por ello, son antiparalelas. Como la estructura del ADN contiene dos cadenas de polinucleótidos, se completa la estructura de escalera de mano con los rieles formados por una sucesión de fosfatos y pentosas y los peldaños compuestos por pares de bases.
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Columna de
azúcar-fosfato
Par de bases
Puente de hidrógeno
azúcar-fosfato
Columna de
Nucleótido
G
C
T
A
A
T
A
T
C
G
G
C
G
C
T
A
C
G
A
T
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La cadena bicatenaria se enrolla posteriormente sobre sí misma para formar la estructura de doble hélice propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953 gracias a los estudios previos de Erwin Chargaff, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, pudiendo determinar con precisión la organización del ADN. Para finalizar con la analogía de la escalera, el ADN adopta una forma de escalera de caracol formada por dos cadenas de polinucleótidos complementarias, antiparalelas y unidas por puentes de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas que, en su conjunto, forman una doble hélice.
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La hebra de ADN es muy larga, en las células humanas tiene una longitud de unos dos metros aproximadamente. Como se almacena en el núcleo celular, debe compactarse para que pueda coger en su interior, formando en primer lugar la cromatina y cuando la célula tenga que dividirse, tendrá que compactarse todavía más para formar los cromosomas. Esto se hace a través de una serie de proteínas que se unen a la larga cadena para reducir su longitud y, en el caso de los cromosomas, poder distribuir mejor la información genética a las células hijas. Por último, es importante recordar la localización del ADN en las células: ➯ Células procariotas: Su ADN forma el cromosoma bacteriano, es de doble cadena, circular y está disperso en el citoplasma. Las bacterias tienen además otros fragmentos de ADN circular más pequeños llamados plásmidos. ➯ Células eucariotas: Poseen el ADN del núcleo, que es de doble cadena, pero lineal y forma la cromatina y los cromosomas. También existe ADN circular de doble cadena en el interior de las mitocondrias y los cloroplastos. ➯ Virus: Los virus que poseen ADN pueden tenerlo de todas las formas posibles, existiendo de cadena simple (monocatenario), cadena doble, lineal o circular.
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Doble hélice
Histonas
Nucleosoma Fibra de cromatina
Cromatina condensada Cromosoma
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2.2.- Ácido ribonucleico: Son las moléculas que ayudan a que el ADN pueda expresarse, es decir, formar proteínas específicas a partir de la información que contiene un gen. Los nucleótidos que los forman son: ➯ Monosacárido: Siempre es el glúcido ribosa. ➯ Ácido ortofosfórico: Siempre es el mismo e igual que el del ADN. ➯ Bases nitrogenadas: Pueden ser adenina, uracilo, citosina o guanina. Los nucleótidos que forman el ARN se unen formando una cadena de polinucleótidos, pero aquí solo hay una cadena (es monocatenario). Los mecanismos que transforman la información genética en proteínas requieren pasos muy específicos y sin errores, existiendo tres tipos básicos de ARN implicados para conseguirlo: ➯ ARN mensajero o ARNm: Es una copia complementaria de un fragmento de una de las hebras de ADN (de un gen) y, para realizarla, el uracilo hace el papel de la timina, por lo que si hay una A en el ADN, se pondrá una U. Su función es llevar la información del ADN al citoplasma a través de los poros nucleares, evitando de esta manera que el ADN tenga que salir del núcleo.
Adenina Uracilo Guanina Citosina
Esqueleto de azúcar (ribosa)-fosfato
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➯ ARN transferente o ARNt: Se encarga de llevar los aminoácidos, uno por cada ARNt, a los ribosomas para que sean añadidos a la proteína que están formando.
Puentes de hidrógeno entre los pares de bases
Estructura tridimensional en forma de “L”
Estructura en forma de hoja de trébol
➯ ARN ribosómico o ARNr: Existen varios tipos y se unirán a varias proteínas para formar los ribosomas, orgánulos encargados de la síntesis de proteínas.
Ribosoma
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En resumen, se pueden extraer varias conclusiones del papel que desempeñan los ácidos nucleicos en las células: ➯ El ADN contiene la información en forma de genes. La información de los genes sirve para sintetizar unas proteínas u otras. ➯ El ADN está en el núcleo y la síntesis de proteínas la realizan los ribosomas, que están en el citoplasma, por lo que será el ARN el que se encargue de llevar la información de un lugar a otro. ➯ El ARNm copiará el gen que tenga que expresarse y saldrá al citoplasma. El ARNt llevará los aminoácidos necesarios a los ribosomas, que están compuestos, entre otras cosas, de ARNr.
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2.3.- Diferencias entre el ADN y el ARN: Las diferencias entre una molécula y otra a nivel de composición, estructura, función y localización son:
Composición
Estructura
Tipos Localización Función
ADN
ARN
Ácido fosfórico Desoxirribosa Bases nitrogenadas: A, T, C y G Estructura bicatenaria de dos cadenas de polinucleótidos unidos por las bases nitrogenadas de forma complementaria ADN nuclear que forma la cromatina y los cromosomas ADN de mitocondrias y cloroplastos Núcleo e interior de mitocondrias y cloroplastos Contiene la información genética del organismo
Ácido fosfórico Ribosa Bases nitrogenadas: A, U, C y G Estructura monocatenaria ARN mensajero ARN transferente ARN ribosómico Se forman en el núcleo y salen al citoplasma para realizar su función Llevan a cabo la síntesis de proteínas a partir de la información del ADN
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3. La replicación del ADN La primera función que debe tener una molécula que contenga la información de un organismo, es poder duplicarse para poder formar células hijas. Tal y como se vio en el tema anterior, el primer paso de la división celular es la replicación o duplicación del ADN que ocurre en la interfase del ciclo, es decir, se realiza una copia exacta de sí misma. Este proceso debe producirse sin ningún error, ya que cualquier cambio variará la información y provocará mutaciones. Debido a la estructura del ADN y a la complementariedad de bases nitrogenadas, la forma de realizarlo es ir rompiendo los puentes de hidrógeno que unen ambas hebras e ir formando una nueva cadena en cada parte, generando con ello dos cadenas idénticas que estarán compuestas por una de las hebras originales y una hebra de nueva formación. Por esta razón, se dice que la replicación del ADN es semiconservativa.
Hebra original
Hebras de nueva formación ADN original Hebra original
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Cada hebra original sirve de molde para producir una nueva hebra por complementariedad de bases
El primer paso es romper los puentes de hidrógeno para separar las dos cadenas que forman el ADN
Al final se obtienen dos moléculas idénticas formadas por una hebra original y una hebra nueva
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4. La expresión génica Una vez conocida la estructura del ADN ya se puede estudiar cómo se manifiesta la información que contiene. De la larga cadena de polinucleótidos, solo algunos segmentos contienen información, son los denominados genes, que se definen como fragmentos de ADN que contienen la información necesaria para sintetizar una proteína. Esto significa que el ADN tiene la información, el ARN lleva esa información al citoplasma para que los ribosomas sinteticen una proteína, y las proteínas serán las que realizan una función específica. Como el papel de las proteínas es tan importante, es necesario recordar que son cadenas de aminoácidos que forman una estructura tridimensional que les permitirá unirse a unas moléculas u otras para realizar sobre ellas alguna acción. El orden de los aminoácidos y su número determinará la proteína que se formará. Existen 20 aminoácidos diferentes y tendrán que relacionarse de alguna manera con la estructura del ADN para poder formar una proteína concreta.
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El dogma central de la biología molecular explica los mecanismos de transmisión y expresión de la herencia genética y se resumen de la siguiente manera:
ADN Replicación
Transcripción
ARN
Traducción
Transcripción inversa Ribozimas
Los procesos básicos son los marcados en gris, donde el ADN se duplicará cuando la célula tenga que dividirse, pero cuando quiera expresar su información, se producirá un proceso llamado transcripción donde un gen será copiado en un ARNm que saldrá al citoplasma y mediante la traducción se producirá la síntesis de una proteína. Todos los procesos marcados en rojo han sido descubrimientos posteriores que ocurren en casos muy particulares, como la transcripción inversa que ocurre en los virus que tienen ARN como material genético y son capaces de formar un ADN a partir de él.
Proteínas Priones
Transcripción
Traducción
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4.1.- La transcripción: Es el proceso en el que un gen del ADN (un fragmento de una de las dos hebras) se copia, de forma complementaria, a una molécula de ARNm. Por las diferencias entre ambos ácidos nucleicos, cuando el ADN tenga una A, se pondrá un U en lugar de una T. Para realizar este proceso, primero se tienen que romper los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de esa porción para que se unan una serie de proteínas que se encargarán de copiar la información. Esta copia ha de ser precisa y sin errores para que no se pierda la información original y producir la proteína correcta. Cualquier error supondrá un cambio en los aminoácidos y la proteína no será funcional. Por último, este proceso ocurre en el núcleo, por lo que una vez que se ha formado el ARNm, saldrá al citoplasma a través de los poros nucleares para empezar el siguiente paso, la traducción.
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4.2.- La traducción: Una vez que el ARNm está en el citoplasma, se unirá a un ribosoma para que se pueda “leer” su información y formar una proteína. Para realizar el proceso se necesitan los siguientes elementos: ➯ ARNm: Contiene la información de un gen (es una copia complementaria de una de las hebras del ADN) y ha salido al citoplasma. ➯ Ribosoma: Son los orgánulos que forman la proteína. Pueden estar libres en el citoplasma o unidos a las membranas del retículo endoplasmático rugoso. ➯ ARNt: Se encargan de llevar los aminoácidos hasta los ribosomas, pero de forma específica, es decir, que existe un ARNt específico para cada aminoácido. La célula también debe contar con los 20 aminoácidos que existen para que se pueda formar cualquier proteína. El proceso empieza con la unión del ARNm al ribosoma y éste empezará a “leer” sus bases nitrogenadas. A medida que se va leyendo la información, irán llegando los diferentes ARNt para ir añadiendo los aminoácidos adecuados, uno detrás de otro. El ribosoma se irá desplazando por todo el ARNm hasta llegar al final, momento en el que se soltará, quedando formada la proteína. El orden de las bases nitrogenadas determinará el aminoácido que hay que añadir y el número de bases determinará la cantidad de aminoácidos que tendrá la proteína.
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Aminoácido 2 Aminoácido 1
ARNt
Anticodón
Ribosoma
ARNm
Aminoácido 3
Codón de inicio
Codón
Los ARNt que llegan al ribosoma se unen al ARNm porque tienen una secuencia complementaria de tres bases nitrogenadas (triplete), como las dos moléculas son ARN, tendrán U en lugar de T. En función del triplete que tengan llevarán un aminoácido u otro. El triplete del ARNm se llama codón y el triplete complementario del ARNt se llama anticodón.
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➀
➁
La traducción se inicia con la unión del ribosoma al ARNm y se irá desplazando para leer las bases que contiene (lectura de triplete en triplete) y en función del orden de las mismas se unirá un ARNt específico que añadirá el aminoácido concreto según la secuencia. Este proceso se va repitiendo durante todo el recorrido del ribosoma por el ARNm hasta llegar al final, momento en el que se soltará, al igual que la secuencia de aminoácidos que se ha ido formando, sintetizando con ello la proteína deseada.
➂
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4.3.- El código genético: En la traducción se añade un aminoácido por cada triplete de bases nitrogenadas del ARNm (codón) y esta relación se conoce como código genético, pero ¿por qué se basa en tres letras? la respuesta radica en que existen 20 aminoácidos diferentes, por lo que debe existir un código que tenga, como mínimo, 20 posibilidades. Si tenemos en cuenta que solo existen cuatro bases distintas: ➯ Código de una letra: 41 = 4 posibilidades. ➯ Código de dos letras: 42 = 16 posibilidades. ➯ Código de tres letras: 43 = 64 posibilidades. El código genético debe tener tres letras para dar información de los 20 aminoácidos que existen, pero al tener 64 posibilidades, existen varias combinaciones que dan lugar al mismo aminoácido. Además, hay un codón que indica el inicio de la proteína y tres codones que indican el final de la misma, así el ribosoma puede “saber” el lugar de inicio y de parada. El código genético constituye uno de los mayores descubrimientos en biología ya que ha permitido dilucidar cómo se almacena la información en el ADN y saber cómo se expresa, abriendo la puerta a multitud de aplicaciones en el sector sanitario, agrícola, ganadero e industrial. Las características que presenta el código son:
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➯ El código genético es universal, por lo que todos los seres vivos de nuestro planeta tienen el mismo. Esto significa que el mismo codón codifica para el mismo aminoácidos en todos los seres vivos. Este hecho prueba que todos los seres vivos han tenido un origen común. ➯ El código genético está degenerado: Como existen 64 combinaciones y solo hay 20 aminoácidos, existen varias combinaciones que dan lugar al mismo aminoácido. Además, hay un codón de inicio y tres de terminación. ➯ El código genético es específico, por lo que un codón solo codifica a un único aminoácido. Si no fuera así, se producirían muchos errores al formar una proteína por añadir aminoácidos distintos a los deseados. ➯ El código genético no presenta solapamientos: Esto significa que los tripletes están dispuestos de manera lineal y continua, es decir, un codón no comparte ninguna de sus bases con el codón siguiente y tampoco existen separaciones o espacios entre un codón y el siguiente (si el ARNm tiene 9 nucleótidos, siempre tendrá tres codones y la proteína tendrá 3 aminoácidos). ➯ Por último, la lectura siempre se hace en sentido 5´→3´ desde el codón de inicio hasta el codón de parada.
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5. Las mutaciones Una mutación se define como cualquier cambio en el material genético de una célula. Puede producirse por algún error durante la duplicación del ADN o durante el reparto cromosómico de la división celular, pero existen más causas como la radiación, sustancias químicas mutagénicas o por infecciones víricas. Si la mutación se genera en una célula somática, el error no pasará a la descendencia, pero si ocurre en un gameto (óvulo o espermatozoide), será heredable. Existen muchas formas de clasificar a las mutaciones, pero la más habitual se realiza según la cantidad de material genético que ha sido afectado: ➯ Mutación génica: Es aquella que afecta a la secuencia de nucleótidos, ya sea añadiendo o quitando bases nitrogenadas, o sustituyendo unas por otras. Si esta mutación ocurre en un lugar donde no hay ningún gen, no se producirá ninguna alteración, pero si afecta a un gen, se formará una proteína diferente (cambiarán sus aminoácidos). Cuando ocurre esto, en la mayoría de los casos se forma una proteína que no es funcional, otras veces la proteína funciona peor y, en pocas ocasiones, la proteína funciona mejor. Un ejemplo de este tipo de mutaciones es la anemia falciforme, provocada por el cambio de un nucleótido por otro. Este cambio hace que se ponga un aminoácido diferente en una de las cadenas que forman la hemoglobina, afectando a su función.
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Glóbulo rojo normal
Glóbulo rojo en la anemia falciforme La forma de los glóbulos rojos bloquea el flujo sanguíneo
El cambio en un único nucleótido provoca la inserción de un aminoácido erróneo que modifica la estructura de la hemoglobina
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➯ Mutación cromosómica: Afecta a una porción de un cromosoma, ya sea duplicando (duplicación) o eliminando (deleción) un fragmento, cambiando su orden (inversión) o intercambiando un fragmento con otro cromosoma (translocación). En estos casos se afectan varios genes y se cambia la forma del cromosoma, siendo visible al microscopio.
Deleción
Duplicación
Inversión
Translocación
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➯ Mutación genómica: Afecta al número de cromosomas, por lo que se ve afectada mucha información genética. Puede ser de dos tipos: ➺ Aneuploidía: En estos casos se añade o se elimina un cromosoma, siendo frecuentes las trisomías (tener un cromosoma más). ➺ Euploidía: Se ven alterados todos los pares cromosómicos, originando individuos triploides (3n), tetraploides (4n), etc.
Trisomía en el par 21
Triploidía
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La mayoría de las mutaciones provocan alteraciones perjudiciales que desencadenan graves enfermedades, otras veces son neutras y no producen efectos, pero en algunas ocasiones pueden ser beneficiosas, razón por la cual provocan variabilidad genética en las poblaciones, siendo un factor clave en la evolución de las especies. Además, las mutaciones se producen al azar, no ocurren con un objetivo. Si la coloración de una especie cambia por una mutación y ayuda a mejorar su camuflaje, esta variedad tendrá más probabilidad de vivir y dejar descendencia. Si la mutación afecta a los gametos podrá heredarse, dando lugar a una generación con mayores probabilidades de sobrevivir. Con el tiempo, la mutación se fijará en las poblaciones y la especie podrá evolucionar al estar más adaptada al medio.
La mutación crea variación
Los escarabajos de la hojarasca que tienen colores similares a las hojas secas se camuflan mejor, por lo que después de muchas generaciones, serán más abundantes
Las mutaciones desfavorables son eliminadas Las mutaciones favorables dejan mayor descendencia
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6. Ingeniería genética Tras los descubrimientos de la estructura del ADN, de la duplicación, de los procesos que transforman la secuencia de bases nitrogenadas a una proteína, del código genético y de toda la maquinaria implicada en todos estos procesos, el paso siguiente es ver qué posibles aplicaciones puede tener. La respuesta es que las aplicaciones son ilimitadas y necesarias en la sociedad actual, pero también suponen implicaciones éticas que deben plantearse y analizarse con detenimiento. La ingeniería genética es el conjunto de técnicas que permiten manipular el material genético de un organismo para eliminarlo, duplicarlo o transferirlo a otro y que se exprese en él. Para realizar esto, se necesita de toda una serie de técnicas que se han ido desarrollando y perfeccionando durante los últimos 30 años y que veremos a continuación para poder entender el conocimiento que han aportado y las aplicaciones que se derivan:
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- Enzimas implicadas: Las enzimas son proteínas que desempeñan funciones específicas en las células, favoreciendo y aumentando la velocidad de las reacciones en las que participan. Las más importantes en la ingeniería genética tienen que ver con los procesos de duplicación y transcripción: ➯ Exonucleasas, endonucleasas y endonucleasas de restricción: Enzimas que cortan nucleótidos; pueden hacerlo en los extremos de la cadena, en el interior o en zonas específicas de la secuencia respectivamente. ➯ Polimerasas: Pueden sintetizar una cadena complementaria de nucleótidos a partir de una secuencia existente. Pueden ser ADN polimerasas o ARN polimerasas según la cadena que formen, pero como molde utilizan ADN. ➯ Ligasas: Unen hebras de ADN enlazando nucleótidos para formar una única cadena de polinucleótidos.
Enzima de restricción
ADN polimerasa
ADN ligasa
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- Vector de transferencia: Agente encargado de transferir la información genética de un organismo a otro. Normalmente se utilizan los plásmidos bacterianos, pequeñas moléculas de ADN circular. - ADN recombinante: Molécula de ADN manipulada en el laboratorio para que contenga el gen de un organismo en un vector de transferencia. Para realizarlo se utilizan las enzimas comentadas anteriormente y un vector (en este caso un plásmido): ➯ Se extrae el plásmido que se usará de vector. ➯ Se localiza el gen de interés y se aisla utilizando endonucleasas de restricción. ➯ El gen aislado se introduce en el vector, formando de esta manera el ADN recombinante. Ahora ya se podrá introducir en la célula deseada para que empiece a sintetizar la proteína correspondiente.
Bacteria
ADN Plásmido bacteriano
Plásmido aislado
Gen insertado en el plásmido
Célula que contiene el gen de interés ADN aislado
Gen de interés ADN recombinante (plásmido)
ADN
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- Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): Técnica que se utiliza para producir millones de copias de un fragmento de ADN. Para ello primero se calienta la doble hélice para romper los puentes de hidrógeno que unen ambas hebras y posteriormente se añade ADN polimerasa y nucleótidos para sintetizar las hebras complementarias. En este primer ciclo se han obtenido dos fragmentos idénticos, ahora se repetirá para formar cuatro y así sucesivamente hasta conseguir la cantidad deseada. En muy poco tiempo se pueden obtener miles de copias. Esta técnica tiene multitud de aplicaciones en medicina para realizar diagnósticos a partir de muestras pequeñas, también se utiliza en paleontología para obtener pequeñas muestras de ADN y es fundamental en la investigación científica para casi cualquier proceso que implique la manipulación de ADN.
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- Clonación: Es el proceso utilizado para obtener copias idénticas de una molécula, célula u organismo. Se pueden realizar clonaciones a partir de ADN recombinante para que un organismo produzca proteínas de otra especie, como ocurre con la obtención de insulina humana a partir de bacterias modificadas.
Bacteria
Plásmido aislado
ADN Plásmido bacteriano ADN recombinante (plásmido) Bacteria recombinante
Gen insertado en el plásmido
Célula que contiene el gen de interés ADN aislado
Gen de interés El plásmido se coloca en una célula
ADN
La célula con el gen de interés se multiplica La bacteria recombinante ahora producirá la proteína de interés que codifica el gen insertado de otra especie
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Otro método de clonación es el que se lleva a cabo en animales a partir del ADN original del individuo (no es recombinante) para producir tejidos u organismos genéticamente idénticos (clones). Existen dos métodos principales de clonación: ➯ Clonación terapéutica: Se utiliza para formar tejidos u órganos para ser trasplantados a un paciente enfermo, evitando de esta forma que existan rechazos, ya que el tejido formado tiene el mismo ADN que el paciente. Para realizarlo se extrae el núcleo de una célula del paciente y se introduce en un ovocito al que previamente se le ha extraído el núcleo. Esta célula ahora será un embrión con el ADN del paciente a partir de la cual se obtendrán células madre que podrán diferenciarse en cualquier tejido u órgano para ser trasplantado.
Extracción del ADN de un ovocito no fecundado
Célula del paciente Transferencia del ADN del paciente al ovocito Diferenciación de las células madre al tejido deseado
Desarrollo del blastocito Cultivo in vitro de las células madre embrionarias
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➯ Clonación reproductiva: Su objetivo es clonar un individuo entero genéticamente idéntico. El principio es similar al proceso anterior, ya que se extrae el núcleo del individuo a clonar y se inserta en un óvulo de la misma especie al que previamente se le ha eliminado su núcleo. El óvulo se inserta en el útero de otra hembra para que se desarrolle como un embrión, formando un clon que tendrá el mismo ADN. El primer mamífero clonado con éxito fue la oveja Dolly en 1996, pero esta técnica está prohibida en seres humanos. Citoplasma Micropipeta
Individuo a clonar
Núcleo ADN
Ovocito
Eliminación del núcleo Clon del individuo donante
Implantación del embrión
Extracción de células
Células del donante Citoplasma Núcleo
Individuo donante de óvulos
Embrión
ADN
División celular Medio de cultivo
Fusión celular Pulsos eléctricos
Fertilización
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- Organismos modificados genéticamente (OMG): Son los organismos que poseen un material genético que ha sido alterado utilizando técnicas de ingeniería genética. Se puede silenciar un gen o añadir más copias para que se exprese más y sus aplicaciones son ilimitadas: ➯ En investigación es una técnica imprescindible para conocer la función de los genes y comprender mejor el funcionamiento de los seres vivos. ➯ Modificación de virus para la fabricación de vacunas. ➯ Alteración de plantas para que sean más resistentes a plagas, herbicidas o condiciones de estrés como la sequía o la salinidad. ➯ Modificación de plantas y animales para que tengan mayor productividad o se potencie una característica importante para su comercialización. ➯ Aumentar la eficacia de determinados procesos industriales para producir o eliminar determinadas sustancias. Los OMG son organismos cuyo material genético ha sido modificado, mientras que un organismo transgénico es aquel al que se le han insertado genes de una especie diferente. Cuando un alimento procede de estos organismos, se llaman alimentos transgénicos.
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7. Biotecnología Es la aplicación tecnológica en la que se utilizan seres vivos o parte de ellos para la creación o modificación de productos o procesos que tengan algún tipo de interés para las personas. Los organismos utilizados pueden o no estar modificados genéticamente, por lo que no hay que confundir biotecnología con ingeniería genética. La biotecnología se utiliza desde la antigüedad aunque las personas no lo supieran, pero con las técnicas actuales de ingeniería genética los procesos se han acelerado y perfeccionado para mejorar los resultados. Diferenciamos dos tipos: - Biotecnología tradicional: Se utilizan organismos que no están modificados genéticamente para obtener productos de interés. Destacan cuatro campos donde se aplican estas técnicas: ➯ Agricultura y ganadería: Selección de organismos que tengan características de interés como mayor producción o un mejor aspecto. ➯ Industria alimentaria: Producción de determinados alimentos como el queso, el pan, el yogur o las bebidas alcohólicas. ➯ Industria farmacéutica: Producción de vacunas o antibióticos. ➯ Medioambiental: Utilización de organismos para descomponer la materia orgánica para depurar las aguas residuales u otros residuos urbanos.
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Teosinte: Especie silvestre de maíz antes de que el ser humano desarrollara la agricultura
Variedades de maíz desarrolladas por el ser humano con la agricultura
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- Biotecnología actual: Se utilizan las técnicas desarrolladas por la ingeniería genética para crear OMG y organismos transgénicos para que tengan una función específica y única que mejore la biotecnología tradicional. Las aplicaciones más importantes pertenecen a los siguientes sectores: ➯ Sector agrícola y ganadero: Se duplican o eliminan genes de la especie o se insertan genes de otras especies para conseguir plantas resistentes a agentes de estrés como sequía o plagas, produciendo sustancias químicas que actúan como herbicidas, insecticidas o fungicidas. También se utiliza para crear individuos más productivos, consiguiendo con ello alimentos más baratos. ➯ Sector farmacéutico: Se insertan genes en bacterias para que produzcan diferentes sustancias como la insulina humana, la hormona del crecimiento o antibióticos, también se modifican virus para crear vacunas. ➯ Sector sanitario: Se realizan terapias génicas basadas en la modificación de células somáticas (nunca en células gaméticas) para combatir enfermedades, ya sea por inhibición, inserción o sustitución de un gen. También se utiliza para realizar análisis genéticos para diagnosticar enfermedades genéticas o se utiliza la clonación terapeútica para realizar trasplantes de tejidos y órganos. El conocimiento científico, cada vez más amplio y completo, y las técnicas que van apareciendo, hace que cada día se descubran nuevas aplicaciones en multitud de sectores, haciendo que su uso sea cada vez más frecuente.
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¿Qué implicaciones éticas, sociales y medioambientales tiene la ingeniería genética y la creación de OMG y organismos transgénicos?
Sandía sin semillas (3n)
Cultivo in vitro de células animales
Cultivo in vitro de plantas