16 Genética Molecular

LA BASE
QUÍMICA DE LA
HERENCIA:
GENÉTICA
MOLECULAR
NATURALEZA DEL MATERIAL GENÉTICO
2
La genética
molecular es la parte
de la Biología que se
ocupa del estudio de
la herencia biológica,
intentando explicar los
mecanismos íntimos y
circunstancias
mediante los cuales se
rige la transmisión de
los caracteres de
generación en
generación.
El estudio de la división celular y de
los ciclos biológicos
cromosomas
son los portadores del material
genético
Se duplican con precisión y se
dividen con exactitud en la mitosis,
proporcionando un juego completo
de cromosomas a cada célula.
Su comportamiento durante la
meiosis concuerda con lo que se
espera de la herencia
El entrecruzamiento y la
distribución al azar de los
cromosomas proporciona la
variabilidad que se observa en los
3
individuos
¿Quiénes son los portadores de la información genética, el
ADN o las proteínas?
Pruebas directas e indirectas demuestran que es el ac.
nucleico el portador de la información genética
PRUEBAS DIRECTAS
Los experimentos que realizó
Griffith en 1928 con la bacteria
causante de la pneumonía
demuestran que el material
genético es el ADN. Pero
no fue hasta 1944, cuando
Avery y col. confirmaron la
naturaleza química de ese
principio transformante
A. Hershey y M. Chase en 1952
mediante experimentos con el fago T2,
probaron definitivamente que el
ADN es el portador de la
información genética.
En 1953 Watson y Crick deducen la
estructura secundaria del ADN. es
el nacimiento de la Genética
Molecular y Bacteriana
EXPLICACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS DE GRIFFITH
EXPERIMENTOS DE AVERY Y COL.
EXPERIMENTOS DE
HERSHEY Y CHASE
PRUEBAS INDIRECTAS
La cantidad de ADN es constante en todos los
individuos de la especie
Es una molécula estable
Los gametos poseen la mitad
El ADN permanece invariable cuando las células no se
dividen
Mutaciones en el ADN se traducen en alteraciones en
el fenotipo de las células
BASE MOLECULAR DE LA HERENCIA.
EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN: DE LOS
ÁCIDOS NUCLEICOS A LAS PROTEÍNAS
El flujo de la
información genética
va desde el ADN
al ARNm y desde
el ARNm a las
proteínas,
Permite
conservar
la
información
genética
a
través
del
tiempo
El
ADN
es
la
base
molecular
de
la
herencia
Nuevo
replanteamiento
!
ADN
ARNm
Proteína
10
REPLICACIÓN DEL ADN
¿CÒMO ES EL PROCESO DE REPLICACIÓN DEL ADN?
El ADN es una molécula formada por dos cadenas
complementarias y antiparalelas. Una de las primeras
dudas que se plantearon fue la de cómo se lleva a cabo
en la célula la replicación del ADN.
Surgieron tres hipótesis
REPLICACIÓN CONSERVATIVA
Cada hebra de ADN
progenitora se replica
produciendo una molécula
con las dos cadenas antiguas
y otra con las dos hebras
modernas
REPLICACIÓN SEMICONSERVATIVA
Las nuevas dobles hélices
formadas tienen una cadena
antigua y una moderna
REPLICACIÓN DISPERSIVA
Las cadenas progenitoras se
rompen a intervalos, de manera
que los segmentos nuevos se
combinan con los antiguos para
formar las cadenas hijas.
Los experimentos de Messelson y Stahl demostraron que
la replicación es semiconservativa
R.Conservativa
R.Conservativa
R.Semiconservativa
R. Dispersiva
CARACTERÍSTICAS DE LA REPLICACIÓN ( sucede en la fase S
de la interfase del ciclo celular)
• Es semiconservativa: La molécula de ADN
hebra original y otra recién sintetizada
una
• Es bidireccional: La replicación avanza en dos sentidos
• En virus y bacterias hay un punto de replicación (ori-C)
en eucariotas hay varios
• Los mononucleótidos se añaden en dirección 5´
3´
• Es semidiscontinua: en una cadena es continua, pero en la
otra (hebra retardada) es discontinua
• La iniciación de la síntesis de cada fragmento requiere
un extremo hidroxilo libre, este es proporcionado por el
ARN cebador.
PROCARIOTAS
EUCARIOTAS
DUPLICACIÓN EN PROCARIOTAS
FASE DE INICIACIÓN
Desenrollamiento y apertura de la doble hélice en el
punto de iniciación u oriC
Enzimas implicadas
✤Helicasas
✤Girasas y topoisomerasas
✤Proteínas SSB
Se forma una burbuja de replicación ó replicón, en la que
hay dos zonas en forma de horquilla (Y)
Reconocen el punto de iniciación,
rompen los puentes de H
Girasas
SSB
Desenrollan
Estabilizan, impiden que se
vuelvan a enrollar
FASE DE ELONGACIÓN
La ARN primasa (ARN polimerasa ADN
dependiente) sintetiza el cebador (un pequeño fragmento de
ARN) que aporta el extremo 3‘libre
La ADN pol. III añade dnucleótidos complementarios en
el sentido 5´-----> 3´ (recorre la hebra molde 3’--->5’)
Al ser las cadenas antiparalelas, en una hebra la síntesis
es continua (hebra continua) pero en la otra es discontinua
(hebra retardada) y se forman los fragmentos de Okazaki.
Se dice que la síntesis es semidiscontinua
La ADN pol. I: tiene actividad exonucleasa y elimina los
ARN cebadores
FASE DE TERMINACIÓN
La ADN ligasa une todos los fragmentos (gasto de
ATP)
Las hebras se vuelven a enrollar
CORRECIÓN DE ERRORES
ADN pol. II actividad exonucleasa
Los errores son heredables (mutación puntual o génica)
variabilidad
evolución de las especies
DUPLICACIÓN EN EUCARIOTAS
El ADN es lineal (mayor tamaño) distribuido en
cromosomas y se empaqueta con histonas. De forma
coordinada se produce la síntesis de las histonas.
Varios orígenes de replicación (varios ojos de
replicación)
Fragmentos de Okazaki más pequeños
Los nucleosomas ralentizan la actuación de las
ADN polimerasas
Existen un total de cinco ADN polimerasas
Al ser los cromosomas lineales los extremos
(telómero) se va acortando relacionado procesos de
envejecimiento y muerte celular
TRANSCRIPCIÓN
CARACTERÍSTICAS
Proceso mediante el cual el
ARNm copia la información
del ADN
Es selectivo: sólo se transcriben algunas
regiones del ADN
Es reiterativo: un gen puede transcribirse
muchas veces
Sólo se copia una de las cadenas del
ADN. Las enzimas son ARN
polimerasas
TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS
• ARN pol.: varias subunidades. La subunidad
σ reconoce el promotor como señal de inicio (una
secuencia específica de nucleótidos)
• Precursor: nucleótido trisfosfato
• ARN pol. : añade ribonucleótidos 5´
• Fin de la síntesis: una secuencia específica
3´
INICIACIÓN: La subunidad σ (ARN pol) reconoce una
secuencia de nucleótidos , llamada promotor.
La enzima hace que la doble hélice se abra y así dejar
expuesta la secuencia de ADN que se va a transcribir y
coloca el primer nucleótido trifosfato complementario con el
dnucleótido de la hebra molde del ADN
ELONGACIÓN: La subunidad σ se libera y el resto de las
subunidades recorren la hebra molde que se
transcribe( 3’---->5’). los nucleótidos se unen en 3’
mediante enlace éster (El ARNm se forma 5’---->3’)
En eucariotas después de 30
nucleótidos se le añade al
ARN una cabeza (caperuza)
de metil-GTP en el extremo
5´con función protectora
TERMINACIÓN: La ARN pol llega a la secuencia de
termianción del gen. Se suelta del ADN y se libera el ARNm
transcrito. En procariotas es una secuencia palindrómica (se
lee de la misma forma de drch. a izq. y viveversa)
En eucariotas una poliA-pol.
añade en el extremo 3’ unos
200 nucleótidos de Adenina
“cola poli A”: interviene en la
maduración y transporte del
ARN fuera del núcleo
En
eucariotas
el
ARNm
sufre
un
proceso
de
maduración
5‘ATGCTTAAGCAT3’
3‘TACGAATTCGTA5’
EUCARIOTAS
DIFERENCIAS
Tiene
lugar
en
el
núcleo
(transcripción
y
tradución
separadas
en
el
espacio
y
tiempo)
Tres
ARN
polimerasas
ARN
pol.I:
transcribe
ARNr
ARN
pol.II:
transcribe
genes
estructurales
ARN
pol.III:
transcribe
ARNt
y
un
ARNr
ARN
monocistrónico
(
infomación
para
síntesis
de
una
proteína)
Extremo
5’:
caperuza
y
en
extremo
3’:
cola
poli-A
Genes
estructurales
discontinuos:
Procesado
del
ARNm
Los
nucleosomas
intervienen
en
el
proceso
PROCARIOTA
S
Citoplasma
(región
nucleoide)
(transcripción
y
traducción
a
la
vez)
Una
ARN
polimerasa
ARN
policistrónico
(información
para
síntesis
de
varias
proteínas)
No
hay
caperuza
ni
cola
poli-A
Genes
estructurales
continuos:
No
se
procesa
ARNm
No
hay
nucleosomas
EUCARIOTAS
PROCARIOTA
S
36
Sólo
eucariotas
E
I
E
I
E
MADURACIÓN:Proceso mediante el
cual en los genes estructurales se
eliminan los intrones (secuencias sin
información) y permanecen los
exones ( secuencias codificantes).
Unas proteínas hacen que los intrones
adopten forma de bucle.
Unas
enzimas sompen los bucles y otras
sueldan los exones. Posteriormente
se añade la caperuza (5’)
5´
Poli A
3´
CÓDIGO GENÉTICO
¿cómo
el
ARNm
DESCIFRADO DE LA CLAVE GENÉTICA traduce
la
secuencia
de
aminoácidos?
lenguaje del ADN: un alfabeto de
4 letras (A, T, C, G)
Palabras (aminoácidos)
Mediante el código
genético
¿¿ Cuántas letras
debe constar cada
palabra del lenguaje
genético si
necesitamos como
mínimo 20 palabras
(aminoácidos)?
Si cada palabra: 1 letra. Se formarán 41
= 4 palabras
Si cada palabra : 2 letras. Se formarán
42 = 16 palabras
Si cada palabra : 3 letras. Se
“
43 = 64 palabras
Conclusión:
- Cada triplete de bases del ADN codifica la
información correspondiente a un aminoácido
- El conjunto de los 64 tripletes: CÓDIGO GENÉTICO
CARACTERÍSTICAS
Es un código de tripletes
No es ambiguo: ningún triplete codifica más de un
aminoácido
No tiene superposiciones. La mutación de un
nucleótido afecta sólo a ese aminoácido
Es degenerado. Sobra información pues hay 64
tripletes para 20 aminoácidos
Es universal: el mismo para todos los seres vivos
Existen 3 tripletes “sin sentido”: UAA, UAG y UGA.
Indican el fin de la síntesis
La secuencia de bases se lee secuencialmente
CÓDIGO GENÉTICO
Ejemplo de codificación de un péptido con seis aminoácidos
H 2N
COOH
TRADUCCIÓN
Proceso mediante el cual se sintetizan
proteínas a partir del ARNm.
En eucariotas tiene lugar en los
ribosomas e interviene además el
ARNr y el ARNt.
Reconocimiento de la aminoacilARNt-sintetasa
Brazo aceptor
Lugar de
reconocimiento
del ribosoma
Activación del aminoácido
aa´ + ATP
Aminoacil-ARNtsintetasa
aa´-AMP + PPi
ARNt
Aminoacil-ARNtsintetasa
aa´-ARNt + AMP
Iniciación
Se forma el complejo de iniciación, constituído por la subunidad
menor que se une al ARNm, luego se une el primer ARNt que
lleva el aa´metionina que se ancla en el codón AUG
Hacen falta factores de
iniciación (proteínas)
FI-1, FI-2 y FI3
Posteriormente se une la
subunidad mayor que presenta
las zonas: A (aminoacil) , la P
(peptidil) y E
Elongación
Entra el 2º ARNt en el centro
A de la subunidad mayor que
porta por ejemplo el aa´gln
Se forma el enlace peptídico (enzima:peptidil transferasa) entre el
grupo carboxilo de la met. y el grupo amino del 2º aminoácido (gln)
Elongación
El ARNt del primer aminácido, met, se libera
El ARNm junto con las dos subunidades del ribosoma se
desplaza un triplete, (TRANSLOCACIÓN) en la dirección 5´ 3´,
dejando libre la región A (aminoacil) para la entrada de otro
complejo aa´-ARNt
Intervienen factores de
elongación
Entrada en la región A (amianoacil) del complejo Cys- ARNt,
correspondiente al tercer aa´, la cysteína
Unión del péptido gln-met a la cys
Se libera el ARNt anterior
El ribosoma se desplaza otro triplete (5´---> 3´), quedando el
complejo ARNt Cys-Gln-Met en la región P (peptidil) del
ribosoma
Entrada del complejo ARNt-leu correspondiente al 4º
aminoácido, la leu.
Éste se sitúa en la región A (aminoacil)
Unión del péptido met-Gln-Cys con el 4º aa´ leu. Liberación
del ARNt-del centro P. El ribosoma y el ARNm se
desplaza a la 5º posición
Entra el 5º aa´ la Arginin, ARNt-arg
Unión del péptido Met-Gln-Cys-Leu con eon 5º aa´ (Arg).
Liberación del ARNt del centro P. El ribosoma se
desplaza un triplete, es el codón de finalización (“sin sentido”)
UAA, UGA,
UAG.
Finalización
Se producen unos factores de liberación que
interpretan la señal de fin de síntesis.
Liberación del péptido o proteína
Codón sin sentido
H 2N
COOH
Después de unos minutos los ARNm son digeridos por las
enzimas del hialoplasma
Una
molécula
de
ARNm
leída
siultaneamente
por
varios
ribosomas
EUCARIOTAS
La
traducción
es
post-transcripcional,
tiene
lugar
despues
de
que
el
ARNm
ha
abandonado
el
núcleo.
transcripción
y
traducción
:
procesos
separados
(tiempo
y
espacio).
Ribosomas
de
80s.
Lor
ARNr
mayores.
El
ARNm
solo
tiene
un
punto
de
inicio.
El
primer
aminoácido
que
se
incorpora
es
la
metionina.
La
caperuza
es
la
señal
reconocida
por
la
subunidad
menor.
Los
factores
de
iniciación,
elongación
y
termianción
son
diferentes
PROCARIOTA
S
Traducción
simultánea
a
la
trasncripción
y
en
el
mismo
lugar
(citoplasma).
Ribosomas
de
70s.
Los
ARNr
menores.
El
ARNm
tinen
varios
puntos
de
iniciaicón.
El
primer
aminoácido
que
se
incorpora
es
la
formilmetionina.
El
ARNm
no
tiene
caperuza.
64
MUTACIONES
Son cambios que se producen en el material genético.
Aparecen de manera natural (espontáneas) o son
inducidas por agentes mutagénicos (químicos, físicos,…)
Pueden afectar a las células germinales o gametos
(heredables) ó a las células somáticas (sólo afectan al
individuo)
MUTACIONES COMO FUENTE PRIMARIA
DE LA VARIABILIDAD GENÉTICA
Si en un determinado ambiente las mutaciones provocan
cambios beneficiosos en una parte de la población. Este
cambio se mantendrá de generación en generacion , produciendo
la adaptación de la población a dicho medio. Si no se reproduce
con otras poblaciones de la misma especie ---> otra especie
La evolución biológica es el proceso de transformación de unas
especies en otras mediante una serie de variaciones que se han ido
sucediendo, generación tras generación, a lo largo del tiempo.
CONCEP`TOS CLAVE DE
LA TEORÍA DE DARWIN
Todos los individuos presentan
variación. Algunas son heredables
Todas las especies producen
más descendientes de los que
Pueden sobrevivir
Existe entre los individuos una
lucha por la supervivencia
Algunos individuos tienen más
probabilidades de sobrevivir
que otros
La
supervivencia
del
más
apto
Entre 1938 y 1940 surge la Teoría Sintética o Neodarwinismo. En esta
teoría se aceptan los principios Darwinistas de la variabilidad de
la descendencia y de la selección natural, y se aporta la explicación
de dicha variabilidad. Además, se establece el concepto de
población genética como unidad de evolución y el concepto genético
de especie, que sustituyó al basado simplemente en las simples
diferencias morfológicas.
Reproducción
sexual
VARIABILIDAD
RECOMBINACIÓN
Reordenación de genes,
aparecen nuevos genotipos,
pero no nuevo material
hereditario
Reproducción
asexual y sexual
MUTACIÓN
Aparecen nuevos genes. La
mayoría son perjudiciales y se
mantienen con una frecuencia
baja dentro de la población,
MUTACIÓN se produce al azar. Es la base de la
variabilidad y la aparición de nuevas especies. Es
responsable de que surjan alelos distintos para un
mismo carácter.
Varios alelos/carácter y numerosos caracteres --->
imposible que dos individuos tengan la misma
constitución genética ---> gran variabilidad genética
(poblaciones).
El medio seleccionará aquellos alelos que presenten
ventajas adaptativas ( + sobrevivir---> + reproducirse--> + descendientes) y de esta manera aumentará su
frecuencia en la población las poblaciones (importante
cuando colonizan nuevas zonas ó cuando se produce un
cambio medioambiental importante)
La acción progresiva y conjunta de mutación y selección
constituye la base del mecanismo que conduce a la
diferenciación de las especies
70
71
TIPOS DE MUTACIONES
MUTACIONES
CROMOSÓMICAS
MUTACIONE
S GÉNICAS
NUMÉRICAS O
GENÓMICAS
EUPLOIDÍA
ESTRUCTURA
LES
ANEUPLOIDÍ
A
MUTACIONES GÉNICAS: Son aquellas que producen alteraciones
en la secuencia de nucleótidos de un gen.
PERJUDICIALES!!!!
SUSTITUCIONES
Transiciones: Se
sustituye una base del
mismo tipo (A≤->G o
C≤->T)
Transversión: Sustitución
de una base por otra
distinta (A≤->C)
CORRIMIENTO DE LECTURA
Adicciones: inserción de
nucleótidos en la secuencia del gen
Delecciones: pérdida de
nucleótidos
CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES GÉNICAS:
Las sustituciones provocan la alteración de un triplete y salvo
que indique parada o sea un aa´del centro activo de una enzima,
no suelen ser perjudiciales. Sin embargo, las adicciones o
delecciones pueden alterar la secuencia de aa´de la proteína y sus
consecuencias suelen ser graves.
El albinismo es
producido por una
mutación génica, que
afecta a la enzima
responsable de la
activación de la
melanina
La anemia falciforme o
drepanocitosis, se debe al
cambio de un aa´(ac.
glutámico por valina) en
una de las cadenas beta.
Esto hace que los glóbulos
rojos adopten una forma de
hoz, obstruyendo los
capilares sanguíneos
MUTACIONES CROMOSÓMICAS ESTRUCTURALES: Son los
cambios en la estructura interna de los cromosomas. Afectan a la
secuencia de los genes.
DELECCIÓN:
la pérdida de un
segmento del
cromosoma.
DUPLICACIÓN:
la repetición de
un fragmento del
cromosoma.
INVERSIÓN: un segmento del cromosoma
cambia de sentido. S separa, gira 180º y se
ensambla. Si incluye el centrómero pericéntrica,
si no lo incluye: paracéntrica.
TRANSLOCACIÓN RECÍPROCA: el
intercambio de segmentos se produce entre
cromosomas no homólogos.
TRANSPOSICIÓN: traslación de un segmento
a otro lugar (mismo cromosoma) o a otro
cromosoma, sin reciprocidad.
!
77
CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES CROMOSÓMICAS
ESTRUCTURALES:
Puede afectar a la meiosis ( el cambio en la estructura del cromosoma
entropece el emparejamiento)
Los efectos de las delecciones y duplicaciones suelen ser deletéreos
(mortales).
Inversiones y translocaciones no suelen tener efecto fenotípico marcado
( tienen el número adecuado de genes).
La duplicación , inversion y translocación son importantes desde el
Delección en el cromosoma 5 provoca el síndrome “cri du chat”
que se caracteriza por llanto muy agudo, microcefalia, retraso
mental profundo , problemas del lenguaje y retraso del
crecimiento.
Translocación de un fragmento del cromosoma 21 provoca
síndrome de Dwon familiar.
MUTACIONES
CROMOSÓMICAS NUMÉRICAS O
Cromosoma 2
(metacéntrico)
GENÓMICAS:
Son
alteraciones
en
el
número
de
humano--->
cromosomas
propios
de
una
especie.
fusión de dos
Causas:
segragación
anormal
de
cromosomas
o
cromosomas
cromátidas
durante
la
meiosis.
Fusión
o
acrocéntricos.
fisión
de
cromosomas.
Especie
humana 23
pares y
EUPLOIDÍA: afecta al número completo de juegos orangutanes y
de cromosomas (dotación cromosómica)
chimpancés 24
Monoploidía: Si las células presentan un juego n de
pares
cromosomas ( los gametos son n , no se considera
mutación)
Polipoloidía: si presentan más de dos juegos de
cromosomas, triploides (3n), tetraploides (4n),...
i
Diploid
e
Triploid Tetraploid
e
e
Triploid
e
ANEUPLOIDÍA: sólo afecta a una parte del juego cromosómico
y el zigoto presenta cromosomas de más o de menos.
Puede afectar a los autosomas o heterocromosomas
Monosomía: Si falta uno de los cromosomas de una pareja de
homólogos (2n-1)
Trisomía: si tienen tres cromosomas en lugar de dos (2n+1)
Tetrasomía: si tiene cuatro (2n+2)
CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES GENÓMICAS (CROMOSÓMICAS
NUMÉRICAS):
Individuos no viables o enfermedades importantes.
AUTOSOMAS
•Retraso
mental
•Rostro
con
aspecto
oriental
•Enfermedad
cardiaca
congénita.
•Retraso
en
el
cricimiento
Trisomía
en
el
par
21
AUTOSOMAS
•Retraso
mental
•Retraso
en
el
desarrollo.
•Hipertensión
Trisomía
en
el
par
18
HETEROCROMOSOMA
Aspecto eunicoide, escaso desarrollo de las
gónadas
HETEROCROMOSOMAS
Aspecto hombruno, atrofia de ovarios,
enanismo
Estudios genéticos
para detectar
anomalías
cromosómicas:
Amniocentesis
87
AGENTES
MUTAGÉNICOS
MUTÁGENOS: agentes fisicos (temperatura, radiación...),
químicos (gas mostaza, ácido nitroso,...)o biológicos
(transposones, virus,...) que causan mutaciones (alteraciones en el
ADN).
88
MUTÁGENOS ENDÓGENOS: producen mutaciones espontáneas
METABOLITOS REACTIVOS:
- Radicales libres
- Productos finales de la
glucosilación avanzada
(AGE).
FLUCTUACIONES TÉRMICAS: - Despurinación (pérdida de
bases púricas)
- Desaminación (transformación
del grupo amino de una base, en
grupo ceto)
ERRORES DE APAREAMIENTO:
TRANSPOSICIONES: “genes saltarines”
- Frecuencia baja, un error por
cada 1010 pares de bases
89
MUTÁGENOS EXÓGENOS: producen mutaciones inducidas
BIOLÓGICOS:
• Oncovirus (virus animales) capaces de desarrollar
cáncer.
– Virus de la hepatitis B y C: cáncer hígado
– Papilomavirus, virus del herpes genital: cáncer de
cuello de útero.
– Virus de Epstein-Barr (causante de la
mononucleosis infecciosa) predispone al linfoma
de Burkitt y carcinomas nasofaríngeos.
• La bacteria Helicobacter pilori (causante de úlceras
gástricas) relacionada con cáncer de estómago.
90
FÍSICOS:
Radiciones ionizantes:
energéticas, ionizan los atomos de las sustancias
( longitud de onda corta)
Rompen anillos nitrogenados, enlaces fosfodiester
( ruptura del ADN)
Rayos X, gamma partículas alfa, beta, neutrones.
Radiaciones no ionizantes: muy energéticas. Los
electrones saltan a niveles energéticos superiores,
facilitando la formación de enlaces covalentes: dímeros
de timina.
Favorecen las formas tautómeras que dan lugar a
transiciones (mutación génica)
91
QUÍMICOS: reaccionan con el ADN
• Modificaciones de bases nitrogenadas: ácido
nitroso (desaminación), gas mostaza (añade
grupos metilo, etilo,...), hidroxilamina (añade
grupos hidroxilo).
• Sustitución de una base por otra (análogos): 5bromouracilo, sustituye a la timina.
• Intercalación de moléculas: sustancias que se
intercalan entre dos bases, como los colorantes
(proflavina, naranja de acridina)o entre dos
cadenas de ADN, como los benzopirenos
( humo del tabac, carne a la brasa, café
torrefacto,..)
• OTros: asbesto (asilante construción), cromo y
cadmio (pinturas), dioxinas (combustión de
PVC y plásticos)
V. Yushchenko, rostro
desfigurado por el acné clórico.
BIOTECNOLOGÍA
93
Es un conjunto de técnicas que utilizan las
potencialidades de los organismos vivos o de
compuestos procedentes de ellos (enzimas), para la
obtención de productos, bienes y servicios.
La biotecnología empezó hace años
con los procesos de fermentación
bacteriana para obtener alcohol, pan
queso, yogures...Actualmente las
técnicas son más complicadas como
la reprogramación nuclear, clonación,
aotecnología..
Las aplicaciones son
diversas en el campo de
la medicina,
agricultura, ganadería,
procesos industriales,...
94
95
INGENIERÍA
GENÉTICA
ADN recombinante: formado
por la unión de fragmentos de
ADN de diferentes
organismos (“in vitro”)
Los métodos de trabajo de la
ingeniería genética son
conocidos como técnicas del
ADN-recombinante.
Técnicas que manipulan el ADN de los
organismos. Consisten en
introducir nuevos genes en el
genoma de un individuo que
carecía de ellos. Se obtiene un
organismo genéticamente
modificado (OMG) Los organismos transgénicos:
aquellos a los que se les ha
insertado algún gen (transgen) de
otro organismo
96
LAS TIJERAS Y EL PEGAMENTO MOLECULARES
Endonucleasas de restricción: son enzimas
(obtenidas de bacterias )que cortan el
ADN en puntos concretos y en secuencias
determinadas (secuencias de reconocimiento),
son “auténticas tijeras” biológicas. Dan lugar
a extremos cohesivos (pegajosos). La
mayoría de sitios de restricción son
simétricos ( la secuencia de nucleótidos es la
misma en ambos sentidos) es decir secuencias
palindrómicas.
Los extremos cohesivos posibilitan la
formación de ADN-recombinante pues
se pueden unir a otros fragmentos de
ADN cortados por la misma enzima de
restricción.
Las ADN ligasas son enzimas“pegamento” que
unen los extremos
cohesivos de
fragmentos de
ADN generados
por las
endonucleasas de
restricción mediante
la formación de
enlaces covalentes
97
LA CONSTRUCCIÓN DE UN ADN
RECOMBINANTE
98
TÉCNICA DE LA
HIBRIDACIÓN
- Averiguar el grado de parentesco
entre especies.
- Detectar secuencias complementarias.
- Localizar genes (enfermedades)
Se basa en la propiedad del ADN de
desnaturalizarse a Tº o pH elevados,
debido a que los puentes de hidrógeno
de las dos cadenas se rompen,
quedando las dos hélices
desenrolladlas y separadas. Como
sabemos este proceso es reversible
renaturalización. En el laboratorio se
pueden hibridar ADN de diferentes
orígenes
99
En ingeniería genética esta técnica se usa para detectar
genes relacionados con enfermedades genéticas
100
OBTENCIÓN DE VARIAS COPIAS DE ADN
Introducir el fragmento de ADN en un organismo u hospedador
(bacterias, levaduras). Al reproducirse el organismo ( asexual) se
multiplicara también el ADN introducido ---> clonación
Técnica de la PCR (reacción en cadena de la polimerasa): a partir
de poca cantidad de ADN obtener en un tubo de ensayo y en poco
tiempo muchas copias del fragmento. (en una tarde a partir de una
molécula de ADN---> 100.000 millones de moléculas idénticas)
-
En estudios evolutivos.
obtener huellas dactilares genéticas.
Medicina forense
Investigaciones policiales 101
TÉCNICA DE LA CLONACIÓN
Vectores de clonación
Características:
- Llevar su propio origen
de replicació´n.
Llevar genes marcadores
(de resistencia a
antibióticos, o
productores de
bioluminiscencia).
Características del hospedador:
- Crecimiento rápido
- No debe ser patógeno
- Debe favorecer la entrada del transgén.
- Facilmente manipulable
Pueden ser:
Mediante la clonación se obtienen
plásmidos, cósmidos,
fagos.
colecciones de clones que forman
Referido al ADN,
las genotecas de ADN.
102
TÉCNICA DE LA CLONACIÓN
VECTORES DE CLONACIÓN
Son los medios
biológicos que se emplean
para introducir material
Deben llevar su propio origen de
replicación y unos marcadores (genes
de resistencia a antibióticos o genes
que produzcan bioluminiscencia)
genético en una célula
Los vectores más
frecuentes son plásmidos,
cósmidos y bacteriófagos
Plásmidos: pequeñas moléculasde circulares de ADN bicatenario ,
fuera del cromosoma bacteriano que se duplica autónomamente y de
manera independiente del ADN bacteriano.
103
ETAPAS DE
LA CLONACIÓN
1 Selección del fragmento de
ADN.
2 Obtención del plásmido
recombinante
3 Transformación de las
bacterias
4 Selección de las bacterias
transformadas
5 Crecimiento en un cultivo de
las bacterias transformadas
5 Aislamiento de los
plásmidos y las copias del
gen
Genoteca:
conjunto
de
todos
los
fragmentos
de
ADN
clonados
a
partir
de
un
genoma
104
OBTECIÓN DEL PLÁSMIDO
RECOMBINANTE
1º.- Obtenemos el gen(color rojo)
que interesa insertar en un
plásmido (color turquesa)
2 2º.- Con una enzima de restricción
se corta el gen y el plásmido,
quedando unos bordes cohesivos o
pegajosos.
3º.- Mediante las enzimas ADN ligasas se une el fragmento que contiene el
gen que nos interesa y el plásmido
4º.- El resultado es una molécula de ADN recombinante, ya que contiene
fragmentos de ADN de distinta procedencia.
105
APLICACIONES DE LA
INGENIERÍA GENÉTICA
106
EN AGRICULTURA
OMG: Organismos a los
cuales se les ha introducido
genes extraños.
En una planta se puede
introducir ADN procedente de
otra especie (planta, animal,
bacteri), obteniendo plantas
transgénicas con diferentes
características
¿Qué se pretende?
★Plantas resistentes a
herbicidas.
★Conseguir una mayor
productividad en los cultivos
★Plantas resistentes a
insectos
★Plantas que resistan
condiciones ambientales
adversas (heladas, sequías,...)
★Mejorar las características
nutritivas del producto
107
¿Cómo
se
introducen
genes
en
células
veget
ales?
Se utiliza una bacteria del suelo el plásmido Ti de Agrobacterium
tumefaciens, que es capaz de infectar células vegetales y
trasnferirles sus genes. Produce tumores “agalla de la corona”.
Esta bacteria presenta un plásmido Ti (vector de clonación).
La bacteria trasnfiere un fragmento del plásmido Ti y lo integra en
el cromosoma de la célula. Se denomina ADN-T
Producción
de
plantas
trasngénicas
TRANSFORMACIÓN: Proceso de inserción en la célula vegetal del
gen o genes que interesan.
REGENERACIÓN: Obtención de una planta completa a partir de una
célula vegetal trasnformada
108
herbicida no selectivo queOBmata
aun
h
TENCIÓa las plantas
c
El glifosato
es
e
s
o
c
N
DE
PL
a
n
u
e
ANTde
d unaorenzima
Rel
as
E
l
%
S
AS
I
0
porque
inhibe
(EPSP
sintasa)
implicada
en
metabolismo
S
1
T
l
p
E
E
NT
e
d
r
e
i
p
as
b
se
r
e
los aminoácidos.
i
h
malas
ES
AL
ATO
GLIFOS
Las plantas tolerantes a este herbicida tienen una variante de gen
de la cepa CP4 de
Agrobacterium
tumefaciens, resistente al glifosato.
Mediante la técnica de clonación se ha aislado el gen y se ha
introducido en el genoma de las plantas, volviéndose estas resisitentes a
este herbicida.
1º Introducción del gen en región T del plásmido de Agrobacterium.
2º Introducción en las células vegetales.
3º Selección de las células resistentes al herbicida(células
trasnformadas)
109
4º Obtención de plasntas transgénicas completas (regeneración)
EN MEDIO AMBIENTE
La acción descomponedora y la
capacidad de transformación de
la materia por los
microorganismos es utilizada
en la lucha contra la
contaminación del medio
ambiente. Esta aplicación recibe
el nombre de biorremediación. y
consiste en utilizar la actividad
biológica
de
los
microorganismos para restaurar
ambientes contaminados
as
bacterias
son
los
organismos
con
mayor
capacidad
metabólica
.
Degradan
prácicamente
todo
(
aerobiosis
y
anaerobiosis):
-Mineralización
-Biotorasnformación
- S u s t a n c i a s
recalcitrantes
L
110
EN MEDIO AMBIENTE
BIORREMEDACIÓN
-
In
situ
-
Ex
situ
(biorreactores)
1- Biodegradación del petróleo : bacterias , mohos y levaduras son
capaces de oxidar los hidrocarburos y hacer desaparecer las manchas
de petróleo en el mar o en las costas.
2- Biodegradación de los compuestos y sustancias químicas de
origen industrial que no han existido en la naturaleza: plásticos y
similares usados en embalajes, como poliuretano, poliestireno ….o de
plaguicidas, herbicidas, fungicidas usados en agricultura.
3- Metales pesados ( bioacumulativos) son difíciles de
biorremediar por m.o. Se utiliza la fitorremedación (plantas
trasngénicas) que concentran estasa toxinas en las partes aéreas
(eliminar o reciclar en usos industriales)
111
EN MEDICINA
Obtención de productos
far macéúticos: algunas
hormonas (insulina,
hormona del crecimiento) y
Terapia genica: eliminar el
proteínas de la sangre
gen anómalo, o introducir
tienen un interés médico y
mediante virus el gen no
comercial extraordinario.
anómalo (manipulación
Actualmente gracias a la
genética).
tecnología del ADN
Tratamiento: enfermedades,
recombinante, se clonan los
como la distrofia muscular o
la fibrosis quística.
genes de estas proteínas en
microorganismos adecuados
para su fabricación
comercial
112
PRODUCCIÓN DE INSULINA
HUMANA
Producción de un
precursor de la
Producción de las
hormona , la
cadenas A y B por
proinsulina, que
separado y su unión
mediante métodos
posterior para formar
químicos se transforma
la insulina
en insulina.
113
Se fabrica ADN sintético (63 bases) que codifica la cadena
A y el fragmento
(90 bases) de
de la
cadena B humana
+ triplete de met +
Producción
insulina
fragmentos
específicos
de enzimas
La forma activa
de la insulina
constade
derestricción.
dos polipéptidos (A y B), que están
codificados por partes separadas de un mismo gen. Estos se pueden obtener
en cultivos
separados.
Cada bacterianos
polinucleótido
se inserta por separado en un plásmido de
Proteína
de fusión con subunidad A
E.coli
que
contiene
el
gen
de
la
B-galactosidasa.
Promotor
del gen de la insulina
Se insertan por separado en cultivos de E.coli
Al expresarse se obtienen proteínas de fusión (más estables):
Subunidad
A del
cadena
de insulina
A o B unidas a una cadena de B-galactosidasa
gen de la insulina
Extracción de
Separación de
las
proteínas
de
en E. coli
los polipéptidos
fusión
A y B la met
bromuro cianógeno (BrCN) que destruye
Transformación
por un resto de met.
Promotor
Se tratan
con
Quedan libres las cadenas A y B
Se purifican
Proteína de fusión
con subunidad
B del
(oxidación)
y se
establecen
gen de la insulina
Se unen
químicamente
Subunidad
B del
gen de la insulina
disulfuro.
Se obtiene la insulina
activa.
los
Formación
de insulina
puentes
de
activa
114
• ENLACE
DE
INTERÉS
SOBRE
CLONACIÓN
HUMANA
http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/
2bachillerato/biotec/actividades/presentaclon/clonhumano.htm
115