1
Información génica y proteínas 81. Expresión de la información genética 10 2. Fenotipos no observables a simple vista 11
3. ¿Qué son los genes? 12
4. ADN: la molécula de la herencia 14 5. Relación entre genes y proteína 18 6. Traspaso de la información desde los genes 21 a las proteínas
7. Estructura del ARN 22
8. Síntesis del ARN a partir del ADN 23
9. El código genético 25
10. Síntesis de proteínas 26
11. Mutaciones en el material genético 28 12. Continuidad del material genético: replicación del ADN 29 13. Biotecnología: manipulación del material genético 31
14. Proyecto Genoma Humano 33
15. Enzimas: proteínas con función catalítica 34 Proyecto: ¿Los tejidos vegetales presentan el mismo 37 contenido de ADN?
Trabajo con las actitudes: Organismos transgénicos: 38 legislación, aplicaciones y riesgos potenciales
Lectura científica: El ARN de interferencia y la regulación 42 de la expresión génica
Resumen de la Unidad 43
Comprueba lo que aprendiste 45
Glosario 47
2
Microbios, sistemas de defensa y salud 481. Las bacterias 50
2. Los virus 56
3. El sistema inmune 60
4. Tipos de inmunidad 62
5. Bacterias patógenas 69
6. Tratamiento de enfermedades bacterianas 70 7. Mecanismos de acción de los antibióticos 71
8. Infecciones virales agudas 72
9. La inmunodeficiencia adquirida 73
10. Las vacunas 80
11. Rechazo imnune y transfusiones de sangre 81 12. Rechazo inmune y trasplantes 83
13. Las alergias 84
Proyecto: Disposición a la donación de órganos 85 en mi colegio
Trabajo con las actitudes: Trasplante de órganos: 86 aspectos científicos, bioéticos y sociales
Lectura científica:Enfermedades autoinmunes: 90 un problema pendiente
Resumen de la Unidad 91
Comprueba lo que aprendiste 93
Glosario 95
Unidad
Medidas de seguridad en el trabajo de laboratorio 134
Anexo 2:
Uso del microscopio óptico 138
Anexo 3:
Secuencia de bases de la hormona del crecimiento 142
Anexo 4:
Actividad enzimática de la catalasa 144
Anexo 5:
¿Los tejidos vegetales presentan el mismo contenido
de ADN? 145
Anexo 6:
Observación de bacterias del yogur 146
Anexo 7:
Cultivo de microorganismos 147
Anexo 8:
Medidas de prevención del virus Hanta 154
Anexo 9:
Compatibilidad de los grupos sanguíneos 155
Anexo 10:
Diagrama de estructura de edades 156
Solucionario 157
Bibliografía 158
Agradecimientos 160
3
Organismo y ambiente 961. Interacciones entre los seres vivos 98
2. Competencia 99
3. Depredación 102
4. Herbivoría 105
5. Parasitismo 107
6. Comensalismo 109
7. Protocooperación 109
8. Mutualismo 109
9. Poblaciones y comunidades 111
10. Crecimiento de las poblaciones 112 11. Formas de crecimiento de las poblaciones 112 12. Factores que regulan el crecimiento de las poblaciones 115 13. Composición de las poblaciones 117
14. La población humana 118
15. Formación de las comunidades 120
16. Ecosistema y ser humano 122
Proyecto: Chile y su contribución relativa 123 al efecto de invernadero
Trabajo con las actitudes: Intervención humana 124 en los ecosistemas
Lectura científica: Impacto ecológico 128 de la colonización española
Resumen de la Unidad 129
Comprueba lo que aprendiste 131
Glosario 133
Información génica
y proteínas
¿En qué te pareces a tus padres? ¿Cómo se expresa en tu organismo lo heredado de tus padres? La herencia de carac-terísticas como el color de ojos, el grupo sanguíneo y otras tan “complejas” como la conducta, están influidas por la interacción de muchos genes y, además, por factores ambientales.
Desde el descubrimiento del ADN como la molécula res-ponsable de la herencia, hasta nuestros días, se han revelado muchas incógnitas relacionadas con la
natu-raleza de los genes. Estos avances han posibilitado el desarrollo de técnicas que permiten la manipulación
de la información genética en diferentes especies, y han permitido llevar a cabo
el llamado Proyecto Genoma Humano.
Conocerás y comprenderás:
• Los conceptos de gen y fenotipo, y la relación que existe entre ellos.
• La relación entre la información génica y las proteínas.
• Las propiedades de las enzimas y el papel que desempeñan en la regulación del meta-bolismo.
• El efecto de las enzimas sobre el fenotipo. • La relación existente entre los genes y las
enfermedades hereditarias.
• Las principales etapas de la síntesis de proteínas. • La relación entre genes, ADN, ARN y proteínas. • La relación que existe entre mutación, agentes
mutágenos y algunas enfermedades en seres humanos.
• Los principales fundamentos y aplicaciones de la Biotecnología y del Proyecto Genoma Humano.
Desarrollarás habilidades para:
• Analizar experimentos e interpretar sus resultados.
• Elaborar e interpretar esquemas y gráficos. • Analizar gráficos, esquemas y tablas.
• Formular hipótesis a partir de observaciones experimentales.
• Analizar y comparar información.
Desarrollarás actitudes para:
• Apreciar las dimensiones éticas y sociales de la manipulación genética en diferentes organismos.
Antes de comenzar…
De acuerdo a lo que ya sabes, indica si la afirmación es verdadera (V) o falsa (F). Luego, justifica tus respuestas en tu cuaderno.
•El fenotipo sólo depende del ambiente.
•Los genes son el resultado de la expresión de las proteínas en la célula.
•La síntesis de proteínas ocurre en el núcleo.
•El ADN y el ARN tienen los mismos tipos de nucleótidos.
•Algunas mutaciones provocan cambios en las secuencias de aminoácidos de una proteína.
•Hay técnicas biotecnológicas que permiten insertar genes de una especie en células de otra especie. En el transcurso de esta unidad
te invitamos a conocer la naturaleza química de los genes, su relación con la herencia, cómo expresan su información en las células y el papel que desempeñan en la síntesis de proteínas. También, podrás reflexionar acerca de las implicancias de la
manipulación genética, tanto con fines terapéuticos como comerciales, en torno
a sus efectos sobre la salud y el ambiente.
Niveles de organización desde el organismo hasta el material genético y la relación entre el genotipo y fenotipo.
ACTIVIDAD1
• Analiza el esquema de esta página y señala posibles fenotipos en los diferentes niveles de organización del organismo.
1. Expresión de la información
genética
Habitualmente escuchamos o leemos frases que incluyen los términos “genes” o “genoma”, como por ejemplo el descubrimiento de los “genes” involucrados en alguna enfermedad o las inves-tigaciones efectuadas en el marco del Proyecto Genoma Humano. Estos conceptos se relacionan con el material genético presente en los orga-nismos, el cual contiene la información genética, que se manifiesta en el fenotipo a distintos nive-les del organismo. ¿Cuánive-les son estos nivenive-les?
El fenotipo de un organismo depende del feno-tipo de las células que lo componen, el cual está determinado en gran medida por los genes (genotipo) presentes en dichas células. Pero, ¿el fenotipo está determinado exclusivamente por los genes? ¿Qué rasgos se pueden considerar fe-notipos y cuáles no?
El término fenotipo puede definirse como las propiedades observables, tanto estructurales como funcionales, producidas por la interacción del genotipo con el ambiente. Por ejemplo, la estructura ósea corresponde a un rasgo deter-minado por los genes heredados de nuestros padres y por el tipo de nutrición desde la ges-tación. Sin embargo, en los organismos existen características que han sido producidas directa-mente por el ambiente y que no son heredables, como el color de la piel luego de tomar el sol o una cicatriz, entre muchas otras.
Organismo
Células
Núcleo
Cromosomas
2. Fenotipos no observables a
simple vista
La observación del mundo microscópico, ha revelado un conjunto de características hereda-bles a nivel celular. La forma de un determinado tipo celular, como las neuronas motoras o los gametos, observados mediante el uso de micros-copios, corresponden a características heredita-rias que también dependen de la interacción genotipo-ambiente.
La utilización de herramientas bioquímicas más modernas ha permitido analizar la estructura y función de las moléculas en las células. Por lo tanto, en los seres vivos es posible analizar los fenotipos a nivel molecular.
2.1 Proteínas: fenotipos a nivel
bioquímico
Como hemos visto, los fenotipos pueden ser analizados a escala microscópica o macroscópica. Por lo tanto, cualquier molécula puede ser con-siderada un fenotipo, siempre y cuando sea el resultado de la interacción del genotipo y el ambiente.
En las células, las proteínas son el resultado directo de la expresión de los genesy, además, son las responsables de la aparición de muchos otros fenotipos a nivel macroscópico. Por ejem-plo, el que tu pelo sea liso, ondulado o crespo, depende del ambiente y del tipo de proteínas que “fabrican” las células de las glándulas pilosas, a partir de la información genética que contienen. A través de la alimentación, incorporamos diversas proteínas presentes en los tejidos de otros seres vivos. En el sistema digestivo estas proteínas son digeridas hasta aminoácidos, los que son incorporados a nuestras células a tra-vés del sistema circulatorio. Los aminoácidos obtenidos son utilizados como materia prima para la síntesis de nuevas proteínasen nuestro organismo.
2.2 El papel de los genes en la síntesis
de proteínas
La mayoría de los genes tienen como función constituir el “código” para la síntesis de proteínas, es decir, la síntesis de una proteína se realiza a través de la lectura de la información contenida en un gen. Por lo tanto, las miles de proteínas diferentes que existen en nuestras células son sintetizadas a partir de la información contenida en miles de genes diferentes.
Las proteínas pueden considerarse el fenotipo inicial de una gran cantidad de fenotipos, en un organismo, observables directamente. ¿Qué rasgos fenotípicos reconoces en esta joven?
ACTIVIDAD2
a. Averigua ejemplos de fenotipos en los que participen proteínas.
3. ¿Qué son los genes?
Si un árbol tiene frutos grandes y dulces o si un animal es rápido y fuerte, probablemente sus descendientes también lo serán, pero ¿cómo se transmiten estos rasgos de progenitores a hijos? Esta interrogante se pudo comenzar a dilucidar después de la publicación, en 1865, de los tra-bajos del monje agustino Gregorio Mendel, con lo que se logró conocer los mecanismos básicos que explican la herencia de los rasgos o carac-teres de padres a hijos.
Los trabajos realizados por Mendel, en plantas de arveja, le permitieron establecer que los caracteres heredados están determinados por unidades de la herencia, que se encuentran en cada célula y que se transmiten a los hijos a través de los gametos. Mendel llamó a estas unidades “factores de la herencia”, y corresponden a lo que hoy conocemos como genes. Así, nació la Genética, ciencia que estudia los problemas relacionados con la herencia y la variabilidad que existe entre los organismos vivos.
A partir de los trabajos realizados por Mendel, se pudo determinar que los genes corresponden apartículas ubicadas en los gametos.
• Reúnete con un compañero o compañera para desarrollar las tareas que se proponen a continuación.
a. Observen las fotografías de seres vivos que aparecen a continuación y elaboren una lista de rasgos que sus descendientes probablemente hereden.
b. Elaboren un glosario con los siguientes conceptos: herencia, variabilidad, meiosis, célula haploide, célula diploide, alelos, cromosomas y cromosomas homólogos. En una puesta en común, compartan sus definiciones con el curso.
ACTIVIDAD3
3.1 Propiedades de los genes
Los genes corresponden a la unidad de la heren-cia, segregación, mutaciónyrecombinaciónen los seres vivos. A continuación analizaremos cada una de estas propiedades.
•El hecho de que los cromosomas homólogos se separen durante la meiosis, llevó a pensar que las moléculas de la herenciase encontraban en los cromosomas. El análisis bioquímico de los cromosomas, a mediados del siglo XX, permitió identificar un tipo de molécula, el ácido desoxi-rribonucleico o ADN, como responsable de la transmisión de la herencia en los seres vivos. Así, cada una de las propiedades establecidas para los genes se pudo detectar en la molécula de ADN.
•Durante la formación de los gametos, mediante lameiosis, los genes deben tener la capacidad de segregar, es decir, separarse al azar de tal modo que cada célula sexual tenga una copia de ellos.
•La información contenida en los genes puede modificarse, es decir, experimentar mutaciones que originan nuevas variantes de genes o alelos. •En las células sexuales, las copias de genes tie-nen la capacidad de intercambiar información durante la formación de los gametos, mediante el proceso de recombinación.
En el interior de las células somáticas y sexuales se encuentran los cromosomas que portan los genes. ¿Cómo es la dotación genética en ambos tipos de células?
• En tu cuaderno, responde las siguientes preguntas.
a. ¿Cuántas “copias” de genes tienen las células diploides?
b. ¿Dónde se encuentran los genes?
c. ¿En qué etapa de la meiosis ocurre la recombinación?
d. ¿Qué importancia crees que tienen los trabajos de Mendel en la determinación de las características de los genes?
ACTIVIDAD 4
Biodatos
4. ADN: la molécula de la herencia
Como ya sabes, en el siglo XX se identificó al ADN como la molécula responsable de la trans-misión de la herencia, pero ¿de qué modo se llegó a este descubrimiento?
En 1928,Friedrich Griffith realizó un importante experimento, llamado transformación bacteria-na, en el que demostró que las
“molé-culas de la herencia” podían pasar de una célula a otra y modificar el feno-tipo de las bacterias.
Para el experimento, Griffith utilizó dos cepas de la bacteria Streptoccocus pneu-moniae: una cepa llamada “S”, cuyas colonias poseen una superficie lisa y produce la muerte de ratones, y otra cepa llamada “R”, cuyas colonias tie-nen superficie rugosa y queno produce letalidaden los ratones de laboratorio. El experimento de Griffith fue un avance, al reconocer la existencia de una molé-cula de la herencia, pero aún no se sabía específicamente cuál era tal molécula. En 1944,Oswald Averyy su equipo de investigadores se propusieron identifi-car la molécula responsable de la trans-formación bacteriana, descubierta por Griffith. Para esto, aislaron las diferen-tes clases de moléculas de la cepa S y analizaron el efecto de cada una sobre el fenotipo de las células de la cepa R, al añadirlas al medio de cultivo. El resultado de su investigación fue que solo una clase de moléculas, el ácido
desoxirribonucleico(ADN), produjo la transfor-mación bacteriana observada por Griffith. Este experimento permitió identificar al ADN como la molécula responsable de la herencia. Aunque estos resultados no fueron aceptados de inmediato por los científicos de la época, otros experimentos, en diversos grupos de organismos, terminaron por confirmar el hecho de que el ADN es la molécula de la herencia.
• Junto a un compañero(a), analicen el esquema que se muestra en esta página, y respondan las siguientes preguntas.
a. ¿Cuál es el problema que se quiere investigar con este experimento?
b. ¿Por qué se utilizaron células muertas de la cepa S en la situación D? ¿A qué se habría debido la muerte del ratón si se hubiesen empleado células S vivas?
c. ¿Qué transformación experimenta la cepa R al estar en un medio de cultivo con células S muertas?
ACTIVIDAD5
A
B
C
D
C Células de la cepa S vivas
Inyección
Inyección
El ratón muere
El ratón muere El ratón sobrevive
El ratón sobrevive Inyección
Inyección Células de la cepa R vivas
Células de la cepa R vivas
Células de la cepa S muertas
Células de la cepa R vivas y
4.1 Composición química del ADN
¿Cómo se identificaron los componentes y la estructura tridimensional del ADN? Sus elementos básicos fueron aislados e identificados, a través del análisis de ADN purificado y sometido a rom-pimiento por agentes físicos y químicos.
Es así como se logró establecer que el ADN corresponde a un polímeroformado por la com-binación de cuatro monómeros: los nucleótidos.
Cada nucleótido está formado por moléculas más pequeñas: una base nitrogenada, un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Los cuatro tipos de nucleótidos difieren solo en el tipo de base nitrogenada que contienen. Esta base puede ser:adenina, timina, guanina ycitosina, abreviadas como A,T, Gy C, respectivamente. Así, cada tipo de nucleótido puede nombrarse por la base nitrogenada que posee. Por ejemplo, un nucleótido que contiene adenina se deno-mina “nucleótido de adenina” o simplemente se designa con la letra “A”.
Existen dos tipos de bases nitrogenadas: aquellas que tienen dos anillos fusionados en su estruc-tura (un hexágono y un pentágono) y las que tienen solo un anillo (un hexágono). Las bases que presentan dos anillos se denominanpurinas, estas sonadeninay guanina; mientras que aque-llas que presentan solo un anillo se denominan pirimidinas, que son timina y citosina.
El descubrimiento y posterior caracterización del ADN como molécula responsable de la herencia, fue un hallazgo que sorprendió a los científicos debido a la notable simpleza de esta molécula, ya que la combinación de solo cuatro tipos de nucleótidos es la responsable de las caracterís-ticas hereditarias de los seres vivos.
Nucleótido de guanina. Nucleótido de citosina. Nucleótido de timina. Nucleótido de adenina. Biodatos
En el tiempo de los experimentos de Avery se pensaba que la molécula de ADN consistía en una monótona secuencia de nucleótidos uno tras otro, que se repetía en conjuntos de cuatro, una y otra vez en un orden fijo.
O P O = O = O O H P O O CH2 O
O H
O H
O= P O
O CH2 O
O = P O
O CH2 O
4.2 Estructura del ADN
Una vez conocida la composición química del ADN, era importante determinar la estructura de esta molécula, y en ello trabajaron dos cien-tíficos:James Watsony Francis Crick.
En 1953, estos científicos analizaron los resultados obtenidos del análisis con difracción de rayos X de la molécula de ADN, que habían realizado otros investigadores. Esta metodología consiste en dirigir rayos X sobre fibras de ADN, de manera que los rayos X, al chocar con los átomos de la molécula, desvían su trayectoria y son captados a través de una película fotográfica. Esta técnica equivale a “fotografiar” la molécula de ADN, produciendo imágenes cuya interpretación es muy compleja. Este tipo de análisis, sumado a otros antecedentes, permitió proponer un modelo tridimensional de la molécula de ADN. Una de las propiedades del modelo de Watson y Crick es que una hebra del ADN se une a la otra hebra a través de sus bases nitrogenadas, de acuerdo a la siguiente regla: una base púrica se une con una base pirimídica. Más aún, la adenina se une con la timina y la guanina lo hace con la citosina. Por lo tanto, cada secuencia de nucleótidos tiene una secuencia complemen-taria. Por ejemplo, la secuencia complementaria de AATCGTTA es: TTAGCAAT.
En la molécula de ADN, las bases nitrogenadas de ambas hebras se unen mediante enlaces quí-micos, llamados puentes de hidrógeno, que son enlaces de baja energía y fáciles de romper. La adenina se encuentra apareada con la timina a través de dospuentes de hidrógeno, mientras que la guanina se aparea con la citosina mediante trespuentes de hidrógeno. La presencia de miles de estos puentes de hidrógeno contribuyen con la principal fuerza química que da estabilidad al ADN.
Watson y Crick propusieron la estructura del ADN como una doble hélice. El sentido de polimerización de los nucleótidos de una hebra de ADN, tiene una orientación 5’ – 3’, debido a que en el primer nucleótido de la hebra, en el carbono 5 de la pentosa queda un fosfato libre. En cambio, en el carbono 3 de la desoxirribosa del nucleótido terminal, queda un grupo hidroxilo libre. Entonces, ¿qué orientación debería tener la hebra complementaria?
• En tu cuaderno responde las preguntas que se plantean a continuación.
a. ¿Cuál es la secuencia complementaria de una hebra cuya secuencia es: TTAGCTTTACCCGGA?
b. ¿Qué sucederá con la estructura de la molécula de ADN si se cambia una purina por una pirimidina en una de las hebras, sin cambiar su base complementaria?
c. ¿A qué crees que se debe el hecho de que los puentes de hidrógeno son uniones fáciles de romper?
• Confecciona un modelo de la estructura del ADN y monta una exposición con tu curso. Utiliza, en lo posible, materiales de desecho.
ACTIVIDAD6
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Biologí@net
Después de la división celular, las células hijas quedan con la misma dotación genética que su célula progenitora. ¿Qué ocurriría si antes de iniciar la mitosis no se duplicara el material genético?
En las células el ADN se encuentra disperso en el núcleo y previamente a la mitosis se condensa asociándose a proteínas y dando origen a los cromosomas.
• Averigua, en enciclopedias o en Internet, y responde las preguntas que se plantean a continuación.
a. ¿Qué diferencias estructurales presenta el ADN de las células procariontes en comparación al ADN de las células eucariontes?
b. ¿Cómo se denominan las proteínas que están asociadas al ADN y que posibilitan su enrollamiento?
c. ¿Qué enfermedades se producen cuando varía la cantidad de cromosomas en nuestras células? Indica tres ejemplos.
ACTIVIDAD 7
4.3 El ADN dentro de la célula
¿Cuántas células forman nuestro cuerpo? El cuer-po humano está formado cuer-por alrededor de 10 billones de células, y en la mayoría de ellas, ex-cepto en los gametos, hay aproximadamente 2 metros de ADN empaquetado en 46 cromosomas dentro de cada núcleo. El diámetro promedio de los núcleos celulares es de 0,006 milímetros, lo que nos da una idea del extraordinario empa-quetamiento que experimenta el ADN dentro del núcleo celular. Este empaquetamiento es posible gracias a que, en eucariontes, el ADN se encuentra asociado con diferentes tipos de proteínas que posibilitan el enrollamiento de las hebras de ADN en cada cromosoma.
¿Cuántas moléculas de ADN existen en nuestras células? Cada cromosoma constituye un gran segmento de ADN altamente empaquetado.
Por lo tanto, los 46 cromosomas presentes en nuestras células somáticas corresponden a 46 moléculas de ADN asociadas con proteínas. Antes de la división celular ocurre la duplicación del material genético, el que luego es repartido entre las células hijas. Luego de la duplicación, cada cromosoma contiene dos moléculas de ADN de doble hebra cada uno. Es decir, cada célula puede llegar a contener 92 moléculas de ADN.
5. Relación entre genes y proteínas
Los genes y el ambiente determinan los dife-rentes tipos de fenotipos de los organismos, pero ¿cómo intervienen los genes en la produc-ción de fenotipos? Los primeros avances que han permitido dilucidar esta interrogante, se lograron a partir del estudio de enfermedades hereditarias en humanos. A principios del siglo XX, el físico Archibald Garrod, hizo notar que muchas enfermedades de base hereditaria eran producidas por alelos recesivos en estado homocigoto. Por ejemplo, aa en vez de AA o Aa.
5.1 Los alelos y las proteínas
Un gen ocupa un lugar definido en un cromo-soma y puede estar representado por más de un alelo, es decir, pueden existir variantes de un mismo gen. ¿Cuál es la diferencia molecular que existe entre los diferentes alelos? ¿Qué relación existe entre esta diferencia y la estruc-tura y función de las proteínas?
Como hemos visto, la información genética está almacenada en forma de “palabras” cons-truidas a partir de secuencias de cuatro “letras” (nucleótidos): A (adenina), G (guanina), C (cito-sina) y T (timina). Así, dos alelos difieren entre sí en la secuencia nucleotídica que contienen. Por ejemplo, si un gen está constituido por 2.000 nucleótidos y la secuencia de los últimos 10 nucleótidos de uno de sus alelos es AATCGCCTAT, otro alelo de este mismo gen podría contener la siguiente secuencia nucleo-tídica: AAACGCCTAT. La diferencia en uno o más nucleótidos puede dar origen a la síntesis de proteínas similares, pero que difieren en la composición de los aminoácidos que las consti-tuyen. En este sentido, la variación en la com-posición nucleotídica, entre diferentes alelos, da origen a diferencias en la estructura y, por lo tanto, en la función de una proteína.
• Reunidos en parejas, analicen la genea-logía de la enfermedad fenilcetonuria y respondan las preguntas que se plantean a continuación.
a. ¿Qué tipo de herencia presenta esta enfermedad: dominante o recesiva?
b. ¿Por qué los heterocigotos son sanos y los homocigotos recesivos son enfermos?
c. Si esta enfermedad se debe a una alteración de la enzima que convierte la fenilalanina en tirosina, ¿cuántos genes están involucrados en esta enfermedad?
ACTIVIDAD 8
Biodatos
Entre las enfermedades de base hereditaria encontramos la fenilcetonuria. Esta enfermedad se caracteriza por la ausencia de la enzima fenilalanina hidroxilasaque convierte el aminoácido fenilalanina, en tirosina. Como resultado no se puede metabolizar la fenilalanina. Los altos niveles de este aminoácido son tóxicos para el sistema nervioso central durante los primeros años de vida, período durante el cual el cerebro se encuentra en desarrollo. Por lo que, si no se trata a tiempo, puede ocasionar un retardo mental severo. Averigua la frecuencia de esta enfermedad y cómo puede detectarse en recien nacidos.
5.2 ¿Cómo se producen las variaciones
en la composición nucleotídica de un
gen?
Como aprendiste en años anteriores, en las células de nuestro organismo pueden ocurrir una serie de alteraciones en la información genética producto del azar, o por acción de fac-tores físicos o químicos. A los cambios que experimenta la información genética se les denomina mutación. ¿Todas las mutaciones tie-nen efectos negativos en el organismo? No, algunas mutaciones pueden ser ventajosas, mientras que otras son consideradas neutras. Sin embargo, cuando una mutación afecta la estructura y función de una proteína, pueden verse afectadas funciones importantes del organismo.
Coma ya vimos, la información para la síntesis de proteínas está contenida en los genes, por lo que el cambio en solo un nucleótido del ADN puede originar la síntesis de proteínas “anor-males”. Las enfermedades causadas por muta-ciones en el material genético, se denominan enfermedades de base hereditaria.
A partir del análisis de la herencia de enferme-dades metabólicas, en donde las enzimas tienen un papel protagónico, se propuso una hipótesis para explicar la relación gen-fenotipo. Esta hipótesis, denominada “un gen, una enzima”,
establece que los genes corresponden a secuencias de ADN que tienen como principal función producir enzimas. Actualmente se sabe que los genes codifican no solo para enzimas, sino que para cualquier tipo de proteína. Así, cada gen codificaría una proteína estructural, o alguna enzima específica que participa en una cadena metabólica.
Esta hipótesis permitió establecer la relación gen-fenotipo a nivel bioquímico, y sirvió de base para lo que hoy sabemos acerca de la manera en que “trabajan” los genes.
a. Busca, en libros e Internet, información sobre una de las enfermedades hereditarias que aparecen en la sección Biodatosde esta página.
b. Con la información recopilada, realiza una exposición de la enfermedad selec-cionada, señalando el tipo de alteración genética que la provoca y sus principales características.
ACTIVIDAD 9
Biodatos
Alguna de las enfermedades de base hereditaria son: - Anemia falciforme
- Fibrosis quística - Corea de Hungtington - Síndrome de Down - Síndrome de Turner - Síndrome de Klinefelter - Síndromecri du chat - Fenilcetonuria - Neurofibromatosis - Daltonismo - Hemofilia
- Distrofia muscular de Duchenne - Espina bífida
- Albinismo
Gentileza FONADIS.
5.3 Relación gen-proteína
y enfermedades de base hereditaria
Las mutaciones pueden determinar una altera-ción en la forma y funaltera-ción de una proteína, lo cual puede tener consecuencias a nivel celular y en el fenotipo del organismo. En muchas enfer-medades los cambios de nucléotidos en los genes causan que las proteínas resultantes no cumplan su función normal. Por ejemplo, en la cadena metabólica que culmina con la produc-ción de melanina(pigmento que da color a la piel, al pelo y al iris del ojo), participan varias enzimas, cada una codificada por un gen distinto. Un cambio en los genes que codifican enzimas que participan en la producción de melanina, puede producir un cambio en el producto final y, por lo tanto, en el fenotipo, como ocurre con el albinismo.
Como sabes, las proteínas están formadas por monómeros, llamados aminoácidos. Algunas veces, basta que ocurra el cambio en solo uno, o unos pocos aminoácidos de una proteína, para originar una patología.
La anemia falciforme, por ejemplo, es una enfermedad de base hereditaria, provocada por la sustitución de un aminoácido en la pro-teína hemoglobina, que es la responsable del transporte de oxígeno a través de la sangre. Esta patología se produce por la sustitución aminoacídica del glutamato, presente en la proteína normal, por valina. Los glóbulos rojos de estos pacientes se caracterizan por presentar forma de hoz.
Valina Histidina Leucina Treonina Prolina Glutamato Glutamato
Valina Histidina Leucina Treonina Prolina Valina Glutamato Secuencia de los primeros siete aminoácidos que constituyen la hemoglobina normal.
Secuencia de los primeros siete aminoácidos que constituyen la hemoglobina alterada.
Esquema que muestra las consecuencias de la sustitución de aminoácidos en la hemoglobina. ¿Qué sistemas
orgánicos se ven alterados en las personas que padecen anemia falciforme?
Base incorrecta en el ADN
Hemoglobina anormal
Glóbulos rojos en forma de hoz
Destrucción de los glóbulos rojos
Alteración de la circulación (por acumulación)
Acumulación de glóbulos rojos
en ganglios
Anemia Falla en la irrigación
sanguínea Daño ganglionar
Daño renal Daño cardíaco
Daño
gastrointestinal Daño cerebral Daño pulmonar
determina
que provoca
que determinan
que produce
que ocasiona
6. Traspaso de la información
desde los genes a las proteínas
Si el ADN se encuentra en el núcleo de las células eucariontes y la síntesis de proteínas se realiza en el citoplasma, ¿de qué manera la información codificada en los genes se “traslada” desde el núcleo hasta el citoplasma? Antes del conoci-miento de la respuesta definitiva a esta pre-gunta, los investigadores sospechaban la exis-tencia de una molécula intermediaria que transmitía la información desde los genes hasta las proteínas.
Alrededor de 1920 se descubrió una molécula de ácido nucleico formada por unidades nucleo-tídicas similares al ADN, y que se denominó ácido ribonucleico o ARN. La similitud de la composición entre ambas moléculas y el hecho de que el ARN se encontraba en gran cantidad en células con mayor actividad de síntesis pro-teica, convertían al ARN en el candidato de inter-mediario entre el gen y la proteína.
6.1 Experimento de pulso y caza
A través de experimentos de “pulso y caza”, se pudo establecer que el ácido ribonucleicoo ARN, correspondía a la molécula intermediaria entre genes y proteínas. Este experimento consiste en hacer crecer células, en medios de cultivo adecuados, y agregar moléculas precursoras de ARN previamente “marcadas” con pulsos de uracilo radiactivo. El uracilo es una base nitro-genada presente en el ARN. La célula incorpora estos precursores marcados y los utiliza para producir moléculas de ARN. De esta manera, es posible seguir la pista del movimiento de las moléculas de ARN en las células, puesto que la radiación de los precursores puede ser detectada con películas fotográficas sobre las que las par-tículas irradiadas dejan huellas fotográficas. Así se pudo establecer que el ARN era producido en el núcleo celular y luego de un tiempo se trasla-daba hacia el citoplasma. El ARN se constituyó así, en la molécula “candidata” para el traspaso de la información desde los genes a las proteínas.
• Analiza el esquema del experimento de pulso y caza, y luego responde las preguntas que se plantean a continuación.
a. ¿Por qué es necesario detectar la posición del ARN a diferentes tiempos?
b. ¿Cuál es la hipótesis que este experimento intenta poner a prueba?
c. ¿Qué resultados habrían permitido rechazar la hipótesis? Dibújalos en tu cuaderno.
ACTIVIDAD 10
Precursores de ARN irradiados
Citoplasma Núcleo
Tiempo Tiempo
7. Estructura del ARN
Aunque la molécula de ARN es bastante similar a la de ADN, ya que corresponde a una molécula de ácido nucleico, existen algunas diferencias estructurales que implican grandes diferencias en sus propiedades químicas. En primer lugar, la molécula de ARN es usualmente de simple hebra, a diferencia del ADN que cuenta con una doble hebra. Además, mientras la molécula de ADN tiene desoxirribosa como azúcar, el ARN posee el azúcarribosa. Finalmente, el ARN posee las siguientes bases nucleotídicas en su estructura: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U), es decir, las mismas que las del ADN, excepto que la base uracilo remplaza a la timina.
7.1 Traspaso de la información
desde los genes a las proteínas
Experimentos de pulso y caza, similares al descrito ante-riormente, permitieron establecer que el tiempo de vida de las moléculas de ARN es muy corto, a diferencia de las de ADN. Por lo tanto, las moléculas de ARN eran producidas en el núcleo, luego transportadas al citoplasma para la síntesis de proteínas, y finalmente eran degra-dadas. El proceso de síntesis de proteí-nas requiere, entonces, de la continua síntesis de ARN en el núcleo.
La similitud entre ARN y ADN, y las características del ARN descritas, permitieron proponer que el ARN se sintetiza a partir de la información con-tenida en el ADN.
Las moléculas de ARN sintetizadas en el núcleo, transportan la información genética hasta el citoplasma, en donde esta información es tra-ducida en moléculas de proteínas. Esta dirección del traspaso de la información hereditaria se ha denominado dogma central de la biología molecular.
El flujo de la información desde el ADN al ARN y a las proteínas, ha sido el centro de interés de quienes han estudiado las bases moleculares de la herencia.
Representación de las etapas de la síntesis de proteínas en una célula eucarionte.
• En el proceso de síntesis de proteínas existen dos etapas: la transcripcióny la traducción. Analiza el esquema que representa etapas de la síntesis de proteínas en una célula eucarionte e infiere en qué consiste cada una de esas etapas. Luego, realiza un esquema en tu cuaderno que represente ambas etapas.
ACTIVIDAD11
Núcleo
Citoplasma
ADN
ARN ARN
8. Síntesis del ARN a partir
del ADN
De acuerdo con lo analizado hasta ahora, se puede concluir que el ARN es una molécula intermediaria entre genes y proteínas, dado que “transporta” la información genética hasta los sitios de síntesis de proteínas. El “mensaje” de los genes es “leído” en el núcleo y transfor-mado en un mensaje de ARN. El ARN se traslada desde el núcleo al citoplasma celular y su men-saje es leído, pero esta vez para sintetizar una cadena de aminoácidos, es decir, una proteína. De esta manera, el ADN contiene información que determina primero el tipo de ARN y luego el tipo de proteínas sintetizadas.
El proceso de lectura de la secuencia de un gen para producir una molécula de ARN y luego una proteína, se denomina expresión génica. Un gen se expresa cuando enzimas nuclearesy citoplasmáticas leen la información genética para formar ARN y proteínas, respectivamente. Este proceso se inicia con la síntesis de una molécula de ARN a partir de ADN, proceso denominado transcripción.
Para que la transcripción se inicie, deben existir señales al interior de la célula que indiquen qué genes deben expresarse. Por ejemplo, la hormona del crecimiento estimula la expresión de genes que codificanpara proteínas y enzimas involucradas en la proliferación de algunos tipos celulares en nuestro cuerpo.
La transcripción es un proceso complejo que ocurre en varias etapas, y en el que participan muchas enzimas. Esta maquinaria de enzimas lee la secuencia de ADN contenida en un gen y, a la vez, sintetiza una molécula de ARN com-plementaria. Esto quiere decir que cuando en la secuencia de ADN existe una C (citosina), la maquinaria enzimática agrega una G (guanina) a la molécula de ARN en formación, y vicecersa. Si existe una T (timina) en la molécula de ADN, agrega una A (adenina) en la de ARN. Sin embargo, como en el ARN no existe timina (T)
sino que uracilo (U), la secuencia TAAGCCG será transcrita como AUUCGGC en el ARN respectivo. La molécula de ARN experimentará algunas transformaciones antes de salir del núcleo de la célula, proceso denominado maduración. Como la molécula de ARN resultante de la transcripción lleva un “mensaje” genético desde el núcleo al citoplasma, a este tipo de ARN se le ha denomi-nado ARN mensajeroo, simplemente, ARNm.
Durante el proceso de transcripción, una de las hebras de la molécula de ADN es leída para dar origen a una hebra de ARN complementaria.
• A partir de la siguiente secuencia de ADN:
a. Escribe la secuencia de la hebra de ADN complementaria.
b. Escribe la secuencia del ARNm que se formaría a partir de cada hebra de ADN.
ACTIVIDAD12
ADN AACAATTTGCGTTTCGGAA
UUGUUAAACGCAAAGCCUU ARN
Transcripción
Biodatos
Mientras algunos genes son transcritos a baja velocidad, otros son transcritos constantemente, acumulándose una gran cantidad de ARNm en el núcleo y en el citoplasma. Estas diferencias están relacionadas con los requerimientos de proteínas de cada célula. Una vez que el ARNm participa en la síntesis de proteínas, muchas de estas moléculas son degradadas por enzimas especiales, llamadas endonucleasas.
8.1 Inicio de la transcripción
El ADN que va a transcribirse debe ser “leído” por las enzimas, es decir, la secuencia de nucleó-tidos de ADN debe estar “disponible” para que la maquinaria enzimática actúe. Pero, ¿cómo se encuentra el ADN en el interior del núcleo de las células eucariontes? La molécula de ADN en estos organismos se encuentra empaquetada en los cromosomas, formando una estructura compacta o condensada. Por lo tanto, la trans-cripción de un gen debe iniciarse con la descon-densación de la cromatinaque, como recordarás, corresponde a ADN asociado a diferentes proteí-nas. Si no se produjera esta descondensación, las enzimas encargadas de la transcripción no podrían “leer” el mensaje contenido en los genes.
¿Qué sucede una vez que ocurre la descondensa-ción del material genético? ¿Se transcriben simultáneamente las dos hebras de un fragmento de ADN? Una vez que el ADN se encuentra en estado “laxo”, es decir menos empaquetado, una serie de enzimas producen la separación de las hebras de ADN. Este proceso es impor-tante, pues la eliminación de los enlaces entre ambas cadenas permite que la maquinaria de transcripción reconozca y lea aquella hebra de ADN que contiene la secuencia del gen a trans-cribir. Al mismo tiempo, proteínas especiales “detectan” la localización de un gen uniéndose a una región cercana al sitio de inicio. Este sitio está constituido por la secuencia de tres nucleó-tidos: TAC. Estas proteínas se denominan factores de transcripción, y facilitan la actividad de las enzimas de transcripción.
Una vez que el factor de transcripción se ha unido a una región cercana al gen por transcribir, la enzima ARN polimerasa inicia la lectura del ADN y la síntesis del ARNm complementario. El nombre de esta enzima refleja su función: sinte-tizar polímeros de ARN.
La ARN polimerasa comienza la síntesis de ARN a partir de la lectura de la secuencia TAC y finaliza al llegar a una secuencia de término, conformada por alguno de los siguientes trinucleótidos: ATT,ACToATC.
A: En la transcripción, la enzima helicasasepara las hebras de ADN; y un factor de transcripción se une a una de las hebras de ADN, cerca de la secuencia de inicio. B: Luego, la ADN polimerasacomienza la síntesis del ARNm, hasta llegar a una secuencia de término.
A
B Factor de transcripción
ARN polimerasa
ARNm
Secuencia de inicio
Secuencia de término Enzima que separa las hebras de ADN (helicasa)
9. El código genético
¿Cuál es el código de los genes?, ¿cómo está contenida la información en las secuencias de ADN? La información genética, como en todo código, esta “escrita” en algún “lenguaje” que pueda ser interpretado por la maquinaria encargada de la síntesis de proteínas. Este lengua-je, debe estar codificado por las diferentes bases nucleotídicas del ADN. Así, en una secuencia de ADN existen “palabras” formadas por la combi-nación de los cuatro nucleótidos (A, T, C y G). En los seres vivos existen20
aminoácidos diferentes, a partir de los cuales se forman las diferentes proteínas. Cadaaminoácidoestá espe-cificado o “codificado” por secuencias de tres nucleóti-dos en el ARNm, llamadas codones. Pero, ¿por qué tres nucleótidos y no uno, o dos? Como sabes, existen 4 tipos de nucleótidos: A, T, C y G; y son 20 los aminoácidos necesarios para sintetizar las proteínas. Por lo tanto, las secuencias de ADN formadas por tres nucleótidos, deben ser suficientes como para
codificar los veinte aminoácidos. Si los codones estuvieran formados por 2 nucleótidos, existiría un total de tan solo 16 codones diferentes (42). Por lo tanto, no sería posible codificar cada uno de los aminoácidos. Sin embargo, al estar for-mados por tres nucleótidos, el número de codo-nes que se pueden formar son 64 (43). Cada codón contiene el código para un solo aminoá-cido y como son solo veinte los aminoáaminoá-cidos, cada aminoácido puede estar codificado por más de un codón. Por este motivo, se dice que el código genético es degenerado o redundante.
U C A G
El código genético constituye el “diccionario” a través del cual la información genética es expresada en la síntesis de proteínas.
• Busca el Anexo 3 de la página 142y consigue lápices de colores. Reúnete con tu compañero o compañera de banco para analizar la secuencia del gen de la hormona del crecimiento y desarrollar las actividades que se proponen en la página.
ACTIVIDAD13
T e rcer nucleótido U C U C A G A U C A G G U C A G UAU UAC UAA UAG Tyr Término UGU UGC UGA UGG Cys Término Trp UUU UUC UUA UUG Phe Leu UCU UCC UCA UCG Ser AAU AAC AAA AAG Asn Lys AGU AGC AGA AGG Ser Arg AUU AUC AUA AUG Ile Met GAU GAC GAA GAG Asp Glu CAU CAC CAA CAG His Gln ACU ACC ACA ACG Thr CUU CUC CUA CUG Leu CCU CCC CCA CCG Pro CGU CGC CGA CGG Arg GUU GUC GUA GUG Val GCU GCC GCA GCG Ala GGU GGC GGA GGG Gly Primer nucleótido Segundo nucleótido G
10. Síntesis de proteínas
Una vez que el ARNm se ha sintetizado y ha madurado en el núcleo celular, tiene lugar la síntesis de las proteínas en el citoplasma, a partir de la “lectura” de este ARNm. Este proceso se denomina traducción.
La maduración del ARNm no forma parte de la etapa de traducción, sin embargo, es necesario conocer este proceso, pues el ARNm que participa en la traducción no es idéntico al ARNm resultante de la transcripción. La maduración del ARNm se caracteriza por la eliminación de segmentos que no participan de la síntesis de proteí-nas, denominados intrones. Estos seg-mentos son eliminados por enzimas especiales que se encuentran en el núcleo. En cambio, los segmentos de ARN que sí participan en la síntesis de proteínas se denominan exones, y son unidos entre sí por otro conjunto de enzimas presentes en el núcleo celular.
Por lo tanto, en las células de organismos euca-riontes, la maduración del ARNm incluye un proceso de corte de intrones y empalme de exones, lo que determina que la molécula de ARNm recién transcrita, sea más larga que la molécula de ARNm maduro.
10.1 Proceso de traducción
A partir de la información contenida en el ARNm se produce la síntesis de proteínas en los ribosomas. Estos organelos corresponden a un conjunto de proteínas y ARN; este último es diferente al ARNm, y como forma parte de estos organelos se denomina ARN ribosomal (ARNr). A las proteínas que forman parte de los ribosomas se les llama proteínas ribosomales. Entonces la traducción ocurre cuando la molé-cula de ARNm, que contiene la información para la síntesis de una proteína, se “desplaza” a través del ribosoma. A la vez, en el ribosoma ocurre la “lectura” de cada uno de los codones del ARNm.
Cada vez que un codón es leído, se añade un nuevo aminoácido a la proteína que se está sin-tetizando. Este proceso de traducción comienza con la lectura del primer codón en el ARNm, que corresponde a AUG (secuencia comple-mentaria al sitio de inicio de la transcripción: TAC). Este codón codifica para el aminoácido metionina. Por lo tanto, este aminoácido se encuentra en el extremo inicial de todas las proteínas. La traducción termina cuando en el ribosoma se “leen” algunos de los codones de término: UAA, UGAy UAG, que son las secuencias complementarias a las secuencias de término de la transcripción.
ADN
ARNm inmaduro
ARNm maduro
Transcripción
Corte de intrones
Empalme de exones
Traducción
Proteína
10.2 ¿Cómo ocurre el reconocimiento del
aminoácido preciso para cada codón?
Existe un tipo de molécula capaz de “traducir” el mensaje de los codones para la síntesis de proteínas. Estas moléculas se denominan ARN de transferencia, o simplemente, ARNt.
Los ARNt se unen a un codón específico a tra-vés de una de sus regiones, llamadaanticodón. Esta unión se realiza por complementariedad de bases, es decir, un ARNt que se une al codón AUG lo hace a través de una región que contiene la secuencia UAC (anticodón). Cada molécula de ARNt contiene un solo anticodón. Por lo tanto, para cada codón en el ARNm existen moléculas de ARNt que contienen un anticodón complementario.
Además del anticodón, el ARNt presenta una región a través de la cual se une a un aminoá-cido específico, entre todos los que se encuen-tran dispersos en el citoplasma, el cual está especificado por el codón al que se unirá el anticodón. Por ejemplo, si una molécula de ARNt presenta un anticodón UAC, entonces se unirá al codón AUG y, además, se unirá al ami-noácido metionina.
Pero, ¿cuántas moléculas de ARNt existen? Co-mo existen 64 codones diferentes, existen tam-bién 64 moléculas de ARNt, cada una con un anticodón diferente. La unión codón-anticodón no está catalizada por enzimas, sino que ocurre “espontáneamente”, en cambio, la unión del ami-noácido al ARNt es catalizada por un grupo de enzimas denominadas aminoacil ARNt sintetasa.
• Analiza el esquema de esta página y describe las etapas A, B, C y D. Compara tus descripciones con las de un compañero o compañera y, de ser necesario, comple-menten su trabajo.
ACTIVIDAD 14
Esquemas que representan el proceso de traducción en la síntesis de proteínas.
A ARNt
ARNm A
B
C
D
Met
Met Leu
Phe Trp
Met Leu Phe
Trp
Met Leu
Phe
Trp
Trp
Phe Aminoácido
Ribosoma Leu
Anticodón U G C U GUA
A CC
A A G
A G
A A GA C C
A A G A C C
A C C
U C U G G C A G A G A
A U G C U GU U C U G G C A G A G A
A U G C U GU U C U G G C A GA GA
A U G C U GU U C U G G C A G A G A
IR A L A WE B
11. Mutaciones en el material
genético
Como aprendiste en años anteriores, una muta-ción corresponde a una alteramuta-ción en la infor-mación genética y puede afectar al genoma de diferentes maneras.
Algunas mutaciones pueden alterar la estructura de grandes trozos de ADN, como cuando ocurre laeliminación de un trozo completo de un cro-mosoma, involucrando la pérdida de millones de nucleótidos a la vez. Otras alteraciones cromosó-micas involucran un cambio en la posición de un trozo de ADN, lo cual puede cambiar el fun-cionamiento de los genes contenidos en este seg-mento. Se denomina mutación cromosómica, al cambio en la estructura de los cromosomas. Por otro lado, lasmutaciones puntuales corres-ponden, habitualmente, a un cambio de un nucleótido. Existen mutaciones puntuales que alteran el tipo de nucleótido que se encuentran en un segmento de ADN. A estos tipos de muta-ciones de remplazo de nucleótidosse les deno-mina sustituciones.
Pero, ¿cómo se originan las mutaciones? Diver -sos agentes, llamados agentes mutágenos, pue-den inducir una alteración en la información genética. La mayoría de estos agentes actúan produciendo un daño directo sobre las secuen-cias nucleotídicas, o bien, provocando el quie-bre o fractura de los cromosomas. En otros casos, los agentes mutágenos actúan de manera indirecta, alterando la eficacia de la maquinaria de reparación de daño sobre el ADN que existe en cada célula.
¿Todas las mutaciones se heredan? Numerosas mutaciones pueden originarse en las células somáticas, y estas se transmiten a las células hijas, no a la descendencia. En cambio, cuando las mutaciones afectan el genoma de los game-tos de los progenitores, esta alteración puede ser transmitida a su descendencia.
Biodatos
Las radiaciones ionizantes (que producen la formación de iones en la materia) provenientes de la radiación solar, provocan el “salto” de un electrón en las bases nucleotídicas. De esta manera, la base queda expuesta a unirse con otros compuestos químicos, provocando una alteración en la estructura de la molécula y una modificación en la información genética.
• Imagina que en la secuencia de ADN del gen de la hormona del crecimiento, del Anexo 3de la página 142, se ha eliminado la base nitrogenada número 12, debido a una mutación.
• Escribe en tu cuaderno la secuencia de los primeros 10 aminoácidos a partir del sitio de inicio (UAC), y compárala con la obtenida en la actividad de la página 25. Utiliza el código genético que aparece en ella.
• A partir del trabajo realizado, responde las preguntas que se plantean a continuación:
a. ¿Cómo se llama el tipo de mutación que simulaste en el ejercicio?
b. ¿Qué efecto tiene este tipo de mutación sobre la síntesis de proteínas?
ACTIVIDAD15
AT G A C C A A C
AT G A C T A A C Mutación
a. A partir del siguiente esquema de ADN, coloca las bases nucleotídicas que faltan en los recuadros.
b. Luego, escribe el producto de la replicación, señalando cuáles son las nuevas hebras de ADN sintetizadas a partir de cada hebra molde.
12. Continuidad del material
genético: replicación del ADN
La continuidad de la información genética desde una célula madre a cada célula hija es una de las propiedades más importantes de los seres vivos. Esta continuidad de la información genética es el resultado de un proceso que ase-gura que el ADN sea “copiado” antes de cada división celular. Este proceso de copia del ADN se denomina replicación. Como aprendiste ante-riormente, este proceso también es conocido como síntesis, o bien, duplicación del ADN. La replicación del ADN es importante, pues ase-gura la continuidad de la información genética durante el crecimiento y la reparación de los tejidos. Además, este proceso asegura la conti-nuidad de la información genética de padres a hijos, a través de las generaciones. Por otro lado, gracias a la replicación ha sido posible la continuidad de la vida desde los organismos primitivos, nuestros ancestros, hasta los orga-nismos actuales, entre ellos, los seres humanos.
12.1 Condiciones previas a la replicación
Al igual que en la transcripción, para que el ADN pueda ser leído por las enzimas, primero debe ser liberado de las proteínas con las que se encuentra asociado. A medida que cada cro-mosoma se va descondensando o desempaque-tando de sus proteínas, comienzan a unirse al ADN las enzimas que iniciarán la replicación. Además del desempaquetamiento de los cro-mosomas, antes del inicio de la replicación, debe ocurrir la separación de las dos hebras de ADN. Esta separación de las hebras se produce gracias a la actividad de una enzima llamada helicasa. De esta manera, las hebras de ADN forman una estructura en forma de Y, llamada horquilla de replicación, a través de la cual se desplazan las enzimas que catalizan la replica-ción del ADN. A medida que estas enzimas van sintetizando el nuevo ADN, se va formando nuevamente la doble hebra y la horquilla de replicación se va desplazando, permitiendo así el avance de las enzimas replicativas.
ACTIVIDAD16
La replicación, junto con los procesos de transcripción y traducción, forman parte del llamado “dogma central de la Biología Molecular”.
ADN ARN Proteínas
Replicación
Transcripción Traducción
A
T T G G G T G T A A C A G
12.2 El proceso de replicación
La principal enzima que cataliza la replicación es la ADN polimerasa. La hebra de ADN leída por esta enzima, sirve como molde
para la síntesis de una hebra com-plementaria. Por ejemplo, si la secuencia de un trozo de la hebra molde es AATCTCGAG,
la enzima “leerá” esta secuencia y sin-tetizará la secuencia complementaria: TTAGAGCTC.
En cada uno de los cromosomas que constituyen el cariotipo de un mamífero, existen numerosos orígenes de replicación, por lo que la replicación ocurre simultáneamente en varios puntos, lo que permite que la replicación de un cromosoma completo ocurra en pocos minutos. A pesar de la alta velocidad en que ocurre la replicación, este es un proceso altamente eficiente, pues muchos de los errores de la replicación son corregidos por la ADN polimerasa, a medida que va sintetizando la nueva hebra. Además, existen otras enzimas de reparación que corrigen los errores de replicación.
12.3 Replicación y corrección de errores
durante el ciclo celular
Como sabes, el ciclo celular se divide, general-mente, en cuatro etapas: M (mitosis), G1, S (sín-tesis de ADN) y G2.
Durante la etapa G1, la célula “chequea” sus condiciones para dividirse, tales como el tamaño y el estado del ADN. Durante la etapa S, tiene lugar la replicación del ADN. Luego, durante la etapa G2 la “maquinaria de reparación” del ADN repara los errores que podrían haber ocu-rrido durante la replicación. De esta manera, si durante la replicación se han acumulado sufi-cientes errores, la etapa G2 se alarga, hasta que el ADN esté en condiciones de continuar el ciclo celular.
Horquilla de replicación
ADN polimerasa
Hebra de ADN molde
Hebra de ADN complementaria
La replicación del ADN es “semiconservativa”, pues mantiene una hebra antigua y sintetiza una nueva.
Grupo control.
Células sometidas a rayos UV.
• Reúnanse en parejas para analizar los gráficos que representan la duración de las etapas del ciclo celular en células que han sido sometidas a rayos ultravioleta y en un grupo control. Luego, respondan las preguntas que se plantean a continuación.
a. ¿Qué etapas han experimentado un cambio en el tiempo de duración?
b. ¿Cómo podrían explicar lo anterior?
c. ¿Cuál sería el efecto de los rayos ultravioleta?
ACTIVIDAD 17
2 horas
2 horas 10 horas
10 horas 8 horas
8 horas 8 horas
4 horas
G2
G2
G1 S
S G1
M
13. Biotecnología: manipulación
del material genético
La biotecnologíaes la disciplina que tiene como objetivo el diseño de procedimientos para la modificación genética de los organismos. Entre los procedimientos utilizados por esta dis-ciplina para manipular la información genética se encuentra la tecnología del ADN recombinante. Este procedimiento se basa en la incorporación de genes de una especie en parte del genoma (conjunto de genes) de otra especie. De esta manera, una característica presente en una especie puede ser “incorporada” en organismos de otra especie. A los organismos que han sido modificados a través de esta práctica, se les denomina “organismos transgénicos”.
13.1 ¿Cómo se originan los organismos
transgénicos?
El proceso se inicia con el aislamiento del gen que se desea incorporar a un organismo. Para esto se usan enzimas de restricción, de origen bacteriano, capaces de reconocer secuencias cortas de ADN y cortarlo en lugares específicos. Una vez que el gen ha sido aislado de las células, es necesario multiplicar su número de copias. Para esto, el gen aislado es incorporado al cito-plasma de bacterias, lo que se logra adicionando el ADN a medios de cultivo bacteriano. Cada vez que una bacteria se divide, replica también el gen incorporado, de manera que a partir de unas pocas copias del gen, se obtienen cientos de miles de nuevas copias.
Las copias obtenidas del gen son extraídas desde las bacterias, para ser introducidas en las células del organismo que se desea manipular genéticamente. Actualmente, y como se muestra en el esquema, existen diversas técnicas para introducir las copias del gen en las células receptoras.
Representación de las cuatro maneras de incorporar un gen en una célula.
Proyectiles. Se “disparan” pequeñas esferas de material sólido, que ingresan a la célula y que llevan consigo copias del gen foráneo.
1 1
Inyección. El ADN se inyecta en las células a través de agujas muy finas.
2 2
Difusión. El gen puede atravesar la membrana plasmática y llegar hasta el núcleo.
3 3
Virus. Los virus se caracterizan por “inyectar” su ADN en las células.
13.2 Aplicaciones de la tecnología del
ADN recombinante
Una vez en el núcleo celular, el segmento de ADN manipulado puede incorporarse al genoma de la célula receptora. Si la incorporación del gen se realiza en unas pocas células de un organismo ya adulto, entonces el gen foráneo se encontrará en todas las células hijas de aquellas que llevan consigo dicho gen. En cambio, si esta célula corresponde a un huevo fecundado, entonces el gen incorporado se encontrará en todas las células del organismo adulto. Pero, ¿qué sucede con estos genes foráneos en las células receptoras y en sus células hijas?
La tecnología del ADN recombinante presenta una gran gama de posibilidades de mejora-miento de plantas y animales para beneficio del ser humano. Por ejemplo, pueden incorporarse genes que codifiquen para una proteína, en bacterias o en animales, de manera que los organismos transgénicos pueden transformarse en verdaderas “fábricas” de proteínas de nuestro interés.
Los productos transgénicos, ¿son tan beneficiosos como los productos naturales? Si bien la biotec-nología permite el mejoramiento de ciertas características de plantas y animales, se debe tener en consideración que los productos transgénicos son artificiales, por lo tanto, aún queda por establecer si constituyen algún tipo de riesgo para nuestra salud.
Uno de los problemas que se ha detectado en los animales y plantas transgénicos es el efecto de los genes insertados, sobre el metabolismo de las células. Una nueva proteína, por ejemplo, podría eventualmente producir una alteración en las vías metabólicas de la célula, generándose un conjunto de nuevos compuestos químicos que no se encuentran, de manera natural, en estos organismos.
13.3 Impacto sobre el ecosistema
Grandes extensiones de terreno han sido utili-zadas para el cultivo de plantas transgénicas, por lo que algunos ecologistas han planteado la necesidad de estudiar el impacto que podrían tener sobre el ambiente los cultivos de estas plantas. Por otro lado, muchas de estas plantas son resistentes a insec-tos que constituyen plagas, los que se ven afectados negativamente, al igual que los organismos que se ali-mentan de ellos.
Tipo de gen utilizado en transgénesis Carácter que confiere a la planta
Toxina de Bacillus thuringensis. Resistencia a insectos. Proteína de la cubierta viral. Resistencia a virus. Quitinasas, glucanasas de plantas
y otros organismos. Resistencia a hongos.
Lisozima humana y de cerdo.
Otros péptidos bactericidas. Resistencia a bacterias.
Genes cuyos productos afectan la biosíntesis de aminoácidos, o la fotosíntesis.
Resistencia a herbicidas.
Genes cuyos productos afectan la biosíntesis del etileno, o la forma-ción de la pared celular.
Retraso en la maduración de frutos.
14. El Proyecto Genoma Humano
Después de la identificación de la molécula de ADN como la responsable de la herencia, en el año 1944, se ha avanzado aceleradamente en el estudio de los genes y de la herencia. Una de las metas propuestas por los científicos ha sido obtener la secuencia completa de cada uno de los 23 pares de cromosomas humanos. En otras palabras, obtener la secuencia completa del genoma humano.
A este proyecto se le denominó Proyecto Genoma Humano(PGH). Comenzó en 1989, y ha involucrado a unos veinte centros de investiga-ción en todo el mundo. Este proyecto concluyó, en más del 95%, en febrero del año 2001, arro-jando interesantes resultados y también dearro-jando abiertos un gran número de interrogantes y potenciales aplicaciones médicas.
El éxito del Proyecto Genoma Humano se debe, en parte, al avance tecnológico desarrollado por científicos de diversas áreas. Uno de estos avances corresponde a la construcción de máquinas diseñadas para la secuenciación automatizada del ADN. A través de esta tecno-logía, un lector especial es capaz de registrar cientos de nucleótidos en pocos segundos. Pero, ¿qué importancia tiene conocer la secuencia de ADN de todos los cromosomas humanos? Podemos considerar la secuencia del genoma humano como un “gran libro” que contiene todas las instrucciones que hacen po-sible la vida. Conociendo estas secuencias, los
científicos podrían identificar muchas proteí-nas hasta ahora desconocidas. Por otra parte, este logro podría permitir, en poco tiempo, detec-tar genes vinculados a enfermedades, lo que per-mitiría su oportuno diagnóstico y tratamiento.
El Proyecto Genoma Humano (PGH) tuvo como propósito, en el año 1989, determinar la secuencia completa del geno-tipo de nuestra especie. El descubrimiento de los genes res-ponsables de enfermedades en el ser humano hará factible la creación de curas efectivas, que podrán ser aplicadas incluso antes que el individuo nazca, mediante diagnósticos más certeros que los actuales. No obstante, es importante reconocer las desventajas que generaría el conocimiento acabado del código de la vida y su utilización como herra-mienta discriminatoria al conocerse de antemano las poten-cialidades de una persona o el mejoramiento antinatural de las capacidades humanas.
Sin embargo, el PGH es solo la descripción de las “letras” que forman el libro de la vida, el que hoy es necesario “leer”. Para lograr esto, se abrió otro capítulo en la investi-gación biológica: la Proteómica, una nueva disciplina que busca describir las proteínas que actúan en nuestro cuerpo en base a los resultados del PGH.
¿Qué efectos tendrá, a tu juicio, la aplicación de este nuevo conocimiento en el mejoramiento de la calidad de vida de la población mundial? Dado el gran valor que tiene este conocimiento, ¿qué importancia tiene la regulación del uso de esta información?
Biodatos
Se ha estimado que el genoma humano está constituido por unos 30.000 genes codificantes de proteínas (menos del 5 % del ADN), número muy inferior a los 100.000 mil esperados al comienzo de este proyecto. Esta evidencia hace pensar que muchas de las mutaciones producidas en el material genético no afectan la síntesis de proteínas.
RE F L E X I O N A
15. Enzimas: proteínas
con función catalítica
Hasta ahora hemos analizado diversos aspectos relacionados con la expresión de la información genética, lo cual determina, en parte, el fenotipo de los organismos. Esta expresión tiene como proceso central la síntesis de proteínas. Es decir, en el genoma de un organismo se encuentran los genes que codifican para diversas proteínas, muchas de las cuales son estructurales, como las proteínas de la membrana celular. Sin em-bargo, existen muchas proteínas que participan en el metabolismo celular, permitiendo la obtención de energía por parte de la célula o la producción de otros compuestos químicos fun-damentales para el funcionamiento celular en particular, y del organismo en general. Estas proteínas son las enzimas.
15.1 Las reacciones químicas en la
célula
La mayoría de las transformaciones de la mate-ria que ocurren en los seres vivos son el resulta-do de reacciones químicas. Muchas de estas reacciones no ocurren espontáneamente en el ambiente, sino que requieren energía y tiempo para que se produzcan.
En nuestras células, estas transformaciones pue-den ocurrir en pocos segundos y a temperatura corporal. Esto es posible gracias a la actividad de las enzimas, un tipo especial de proteínas que presentan actividad catalítica, es decir, aceleran las reacciones químicas.
15.2 Energía de activación
en las reacciones químicas
En los enlaces químicos “existe” gran cantidad de energía química que une fuertemente a los átomos. Aunque las reacciones catabólicas (reacciones que consisten en la ruptura de enla-ces químicos presentes en las moléculas, para dar origen a moléculas simples), generalmente, liberan energía, estas no siempre ocurren de manera espontánea, sino que se requiere cierta cantidad de energía para iniciarse. A esta energía se le denomina energía de activación. Entonces, el rol de las enzimas consiste en disminuir la energía de activación necesaria para que se lle-ven a cabo las reacciones químicas.
Busca el Anexo 4, de la página 144del libro, para realizar los experimentos que ahí se proponen. Recuerda leer atentamente las instrucciones.
BI O L A B
• Analiza el siguiente gráfico y luego responde las preguntas que se plantean a partir de él.
a. ¿Qué sucede con la energía que se requiere para que ocurra la reacción en presencia de la enzima (A), en relación a la requerida en ausencia de esta (B)?
b. ¿Qué puedes concluir?
ACTIVIDAD18
Transcurso de la reacción Reactantes
A(con enzima)
B(sin enzima)
Productos
15.3 Mecanismo de acción enzimática
¿Cómo disminuyen las enzimas la energía de activación de las reacciones químicas? Para res-ponder a esta pregunta es necesario conocer las características estructurales de las enzimas y analizar su forma de acción.
Como vimos anteriormente, las enzimas son un tipo especial de proteínas que se caracterizan por su actividad catalítica. Por lo tanto, las enzi-mas deben tener la capacidad de interactuar con las moléculas que van a ser transformadas en las reacciones químicas, es decir, con los sus-tratos. A las moléculas resultantes de la interac-ción enzima-sustrato, se les denomina productos. En cada enzima es posible reconocer uno o más sitios estructuralmente aptos para el contacto con el sustrato. A estos sitios de la enzima se les denominasitios activos. La unión de los amino-ácidos del sitio activo con el sustrato, está determinada por el tipo de grupos radicales que presentan en esta región de la enzima. Algunos radicales cargados positivamente, por ejemplo, se unen a los sitios eléctricamente negativos de la molécula del sustrato.
Por otro lado, el sitio activo presenta una estructura tridimensional particular, que favorece este tipo de interacción. Por lo tanto, cada enzima es capaz de reconocer un tipo de sustrato, con el que presenta afinidad a nivel del sitio activo, y cataliza, entonces, un tipo específico de reac-ción química. A esta propiedad de las enzimas se le denomina especificidad enzimática. La unión de la enzima con el sustrato da como resultado una estructura llamada complejo enzima-sustrato. Esta unión dura un tiempo definido, unos pocos milisegundos, tiempo durante el cual ocurren importantes cambios en la estructura tridimensional de la enzima, que facilitan la transformación del sustrato en producto. Una vez que se origina el producto, la enzima puede seguir catalizando miles de otras reacciones en pocos segundos.
Esquema representativo de la unión de la enzima con el sustrato.
Aminoácidos cargados positivamente. Sustrato
Enzima
Aminoácidos cargados negativamente.
• Reunidos en grupos de 3 o 4 integrantes, busquen información sobre el modelo de llave-cerradura que representa la interacción de una enzima con un sustrato. Pueden consultar su texto de Biología de Primer Año Medio, enciclopedias multimediales e Internet.
• Reproduzcan el modelo empleando diferentes materiales, como plasticina, papel lustre, etcétera.
• Adjunten a su modelo una breve explicación y una vez que lo hayan confeccionado expónganlo al curso, junto con los de los otros grupos de trabajo.
• Averigüen acerca de otros modelos de unión de las enzimas con los sustratos.
