TEMA 15. EXPRESIÓN GÉNICA:
DEL ADN A LAS PROTEÍNAS.
1.El ADN, portador del mensaje genético.
2.Teoría "UN GEN-UNA ENZIMA".
3.Expresión del mensaje genético
4.Transcripción del ADN.
5.El código genético.
6.Traducción o biosíntesis de proteínas.
7.La regulación de la expresión génica: el operón
8.Mutaciones
▪ Según el tipo de célula que se vea afectada. - Mutaciones germinales
- Mutaciones somáticas
▪ Según como sea la alteración del material genético. - Génicas
a. Mutaciones por sustitución. b. Mutaciones por delección. c. Mutaciones por inserción. - Cromosómicas.
a. Translocaciones, b. Inversiones c. Deleciones d. Duplicaciones - Genómicas.
a. Aneuploidía. b. Euploidía.
9.Consecuencias evolutivas. Selección natural
10.Ingeniería genética
10.1. Concepto de clonación
10.2 La manipulación del ADN (de la información genética). 10.3. Aplicaciones de la ingeniería genética.
► Aplicaciones en medicina
► Aplicaciones en animales y plantas. 11. Proyecto Genoma Humano
1. EL ADN, PORTADOR DEL MENSAJE GENÉTICO.
En la década de los 40 se desarrollaron técnicas de tinción y análisis que permitieron estudiar en qué lugares de las células aparecían los ácidos nucleicos. Se observó que el ADN solía aparecer casi exclusivamente en el núcleo y en pequeñas cantidades en algún orgánulo celular como las mitocondrias y los cloroplastos, mientras que el ARN aparecía repartido por el citoplasma, sobre todo en los ribosomas, y en ciertas cantidades también en el núcleo. Se comprobó también que existía ADN en los cromosomas, unido a proteínas, viéndose cómo la cantidad de ADN era siempre constante y propia de cada especie, lo que llevó a sospechar que tal vez existía relación entre el ADN de los cromosomas y los genes o factores
hereditarios.
Una primera pista la obtuvo en 1928 F. Griffith, trabajando con dos cepas de neumococos, una de envoltura lisa y otra de
envoltura rugosa. Cuando Griffith mezclaba bacterias rugosas vivas con bacterias lisas muertas y esta mezcla se inyectaba en ratones, de éstos se obtenían bacterias lisas vivas, lo cual sólo se podía explicar si algo de las lisas muertas había pasado a las rugosas vivas y las había transformado. La cuestión era averiguar la naturaleza de ese "algo", que llamó
principio transformante.
Avery y col., en 1944, demuestran de forma clara que la molécula responsable de la
transformación (principio transformante) era el ADN, pues sólo enzimas destructoras del ADN eliminaban la capacidad transformante del ADN.
2. TEORÍA "UN GEN-UNA
ENZIMA".
En la década de 1940 Beadle y Tatum fueron los primeros en establecer la existencia de una relación directa entre la molécula de ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima, y propusieron la hipótesis de “un gen, una enzima”. Según esta hipótesis, un gen contiene la información para que los aminoácidos se unan en un determinado orden y formen una enzima.
3. EXPRESIÓN DEL MENSAJE
GENÉTICO
Como ya sabemos, el ADN se
encuentra en el núcleo y la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas (situados en el citoplasma). Para llevar la información desde el núcleo a los ribosomas tenemos un
intermediario, que es el ARN mensajero(ARNm).
Según el “dogma de la biología” el ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división celular mediante un proceso de replicación; además, transmite su información a una molécula de ARNm por el proceso de transcripción y el ARNm lo transmite a una secuencia de aminoácidos de una proteína en el proceso denominado traducción, en este
proceso intervienen otros tipos de ARN, el ARN ribosómico (ARNr), componente
fundamental de los ribosomas y el ARN transferente (ARNt), que transporta los
aminoácidos hasta los ribosomas.
Este "dogma" se ha completado con dos nuevos procesos como son la transcripción inversa
4. TRANSCRIPCIÓN DEL ADN.
La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARN, ya sea ARNm, ARNr o ARNt, y tiene lugar en el núcleo celular. En ella intervienen:
*Una cadena de ADN que actúa como molde. *Ribonucleótidos trifosfato de A, C, G y U
*ARN-polimerasas I, II y III:
▪I para la síntesis de ARNr ▪II " " " " ARNm
▪III " " " " ARNt y ARNr
Etapas de la Transcripción:
Iniciación: La ARN-polimerasa reconoce y se une a una zona del ADN (delante del
ADN que se quiere transcribir) denominada región promotora o promotor. A
continuación se separan las dos cadenas del ADN, iniciándose el proceso de copia del ADN a ARNm.
Elongación: La ARN-polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al ADN leyendo en sentido 3’→5’, la ARN-polimerasa selecciona el
ribonucleótido trífosfato cuya base es complementaria con la cadena de ADN que actúa como molde.
Terminación: La ARN-polimerasa llega a la región terminadoraque indica el final de la transcripción. Esto implica la separación de la ARN-polimerasa del ARN transcrito, el cierre de la doble helice de ADN. Una vez finaliza la transcripción, al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la
Maduración del ARN: La mayor parte de los genes que codifican una proteína están fragmentados. Cada gen consta de varios fragmentos denominados intrones y exones. Durante la maduración se eliminan secuencias "sin sentido" o repetitivas (Intrones), y luego se unen entre si las secuencias útiles o "con sentido" (Exones) por las ARN-ligasas.
Tras estos procesos se habrá formado un ARN (mensajero, transferente o ribosómico), que se desplazará hasta el lugar donde llevan a cabo su función, que generalmente es en el citoplasma.
5.- EL CÓDIGO GENÉTICO.
Watson y Crick, con su modelo de ADN y la hipótesis de la colinearidad, señalaron que la secuencia de nucleótidos debía especificar la secuencia de aminoácidos.
En los seres vivos hay 20 Aminoácidos que forman parte de las proteínas; como el número de nucleótidos es 4, difícilmente puede darse una correspondencia uno a uno.
El descifrado del código se inició con Severo Ochoa, que utilizo un enzima descubierta por él, la polinucleótido-fosforilasa, que une nucleótidos sin necesidad de molde. Sintetizando un ARN con un solo nucleótido, por ejemplo de ác. uridílico (poli-U), al traducirlo en presencia de todos los AAc se obtenía un polipéptido compuesto sólo por fenilalanina. De este modo quedaba claro que el codón para la fenilalanina era el UUU. Un poli-A daba lugar a un polipéptido de lisina (codón AAA), etc.
Luego se sintetizaron ARN a partir de dos ribonucleótidos en cantidades variables, lo que permitió aclarar algunas combinaciones del código, y finalmente usando técnicas de marcado radiactivo se descifró el código completo.
1ª BASE 2ª BASE 3ª BASE
U C A G
U UUU Phe UUC Phe UUA Leu UUG Leu UCU Ser UCC Ser UCA Ser UCG Ser UAU Tyr UAC Tyr
UAA -UAG
-UGU Cys
UGC Cys
UGA
-UGG Trp U C A G C CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Leu CCU Pro CCC Pro CCA Pro CCG Pro CAU His CAC His CAA Gln CAG Gln CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg U C A G A AUU Ile AUC Ile AUA Ile AUG Met ACU Thr ACC Thr ACA Thr ACG Thr AAU Asn AAC Asn AAA Lys AAG Lys AGU Ser AGC Ser AGA Arg AGG Arg U C A G G GUU Val GUC Val GUA Val GUG Val GCU Ala GCC Ala GCA Ala GCG Ala GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu GGU Gly GGC Gly GGA Gly GGG Gly U C A G
Características del código genético:
▪ Es universal. Es compartido por todos los organismos vivos. Sólo se han encontrado excepciones en alguna mitocondria, en las que algún triplete tiene un significado distinto.
▪Es degenerativo.A excepción de la Metionina y el Triptófano, existen dos o más codones
para cada aminoácido (AAc).
▪ En la mayoría de los casos, los distintos codones correspondientes a un mismo aminoácido, difieren en la tercera base, pero coinciden en las dos primeras.
6.- TRADUCCIÓN O BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS.
En la traducción se necesitan:
▪Ribosomas, donde se realiza la síntesis de proteínas
▪ ARNm, que lleva la información para sintetizar cada proteína. ▪ ARNt, que aporta los aminoácidos
▪Aminoácidos, que van a formar la cadena polipeptidica
▪ Enzimas y energía, necesaria en toda reacción de biosíntesis.
6.1. Los ribosomas.
Son orgánulos celulares, químicamente están compuestos por ARNr (ribosómico) y proteínas. Estructuralmente están formados por dos subunidades, una mayor y otra menor, a la subunidad menor se une el ARNm y a la mayor los ARNt.En las subunidades mayores de los ribosomas se distinguen tres lugares (locus) diferentes de unión de los ARNt: el sitio A (aminoacil), donde entran ARNt con los aminoácidos; el sitio P (peptidil), donde se sitúa la cadena polipeptidica en formación; yel sitio E, donde se
coloca el ARNt antes de salir del ribosoma.
Antes de la biosíntesis las subunidades ribosomicas se
encuentran separadas y cuando se inicia aparecen las dos subunidades juntas y, además, es frecuente que se encuentren asociados, en grupos de 5 a 20, formando los denominados “polisomas”. Estos ribosomas se mantienen unidos por una molécula de ARNm. La función concreta de los ribosomas es acoplar los tripletes de bases (anticodones) de los ARNt (transportadores de los aminoácidos) a los tripletes de bases (codones) del ARNm.
6.2. Los ARNt.
Son los encargados de transportar los aminoácidos hasta los ribosomas, los ARNt poseen un triplete de bases específico, que se conoce comoanticodón y es complementario del codón del ARNm
Para que se produzca la síntesis de una proteína se requiere que la información contenida en el ADN llegue a los ribosomas, los cuales se encargarán de traducir esta información y de unir los aminoácidos para formar las cadenas polipeptídica.
Las moléculas de ADN, situadas en el interior del núcleo, no pueden, debido a su tamaño, salir al citoplasma y llevar la información a los ribosomas; por ello, es necesaria una etapa intermedia en la que la información del ADN sea copiada en moléculas más pequeñas que puedan salir al citoplasma y llevar el mensaje genético. Estas moléculas son de ARNm, y la copia del mensaje de los segmentos de ADN en forma de ARNm recibe el nombre de “transcripción”.
Posteriormente, el ARNm se unirá a los ribosomas, que “traducirán”, según el código genético, el mensaje de los ácidos nucleicos (contenidos en la secuencia de tripletes de bases nitrogenadas), en las secuencias de aminoácidos de las cadenas polipeptídicas.
6.3. Fases de la traducción.
●
Activación de los aminoácidos.
Los aminoácidos se encuentran libres en el hialoplasma de la célula, su activación consiste en la unión de cada uno de ellos a su ARNt. La característica especial que posee un ARNt para poder ser reconocido por su correspondiente aminoácido reside en un grupo de tres bases, llamado “anticodón” (Por ejemplo, el ARNt que transporta al aminoácido metionina, lleva en su anticodón el triplete UAC).
La unión específica entre el aminoácido y su correspondiente ARNt se hace en el extremo 3' del ARNt gracia a la presencia de una enzima, la aminoacil-ARNt sintetasa, que da lugar a un complejo denominado aminoacil-ARNt y requiere gasto de energía aportada en forma de ATP, que pasa a AMP + PPi.
A-A-T
U-U-A Transcripción
El ARNt deberá “situarse”, con el aminoácido transportado, en el lugar del ARNm en el que localice un triplete de bases, llamado codón, complementario de su anticodón (por ejemplo en el caso que transporte el aminoácido metionina se unirá al codón AUG)
Fig.- Activación de los aminoácidos y unión al ARNt
●
Inicio de la síntesis.
Las subunidades ribosómicas se encuentran separadas mientras no están interviniendo en un proceso de síntesis. Cuando una molécula de ARNm llega al citoplasma con su mensaje, una subunidad ribosómica pequeña se une al extremo 5' del ARNm donde se encuentra el codón AUG iniciador de la biosíntesis; este triplete es reconocido por el ARNt (con el anticodón complementario UAC), específico del aminoácido metionina,. Una vez unido este ARNt al mensajero se forma el complejo de iniciación. La metionina es siempre el primer aminoácido en cualquier cadena polipeptídica, aunque posteriormente este aminoácido puede ser eliminado. Sólo después de haberse formado el complejo de iniciación, se acopla la subunidad grande y queda totalmente constituido el ribosoma completo.
●
Alargamiento de la cadena.
En esta fase, los dos aminoácidos están muy próximos, el nuevo aminoácido se unirá a la metionina mediante un enlace peptídico; la metionina se incorpora así al segundo aminoácido. Esta unión es catalizada por una enzima situada en la subunidad grande del ribosoma, la peptidil-transferasa, que además transfiere el ARNt del lugar A al lugar P, expulsando al primer ARNt, ya libre de aminoácido, que ocupaba este lugar del codón y por lo tanto del ribosoma. Ahora el mensajero se desplaza un puesto (un codón) con respecto al ribosoma, de manera que el segundo codón pasa a ocupar el lugar del primero. El siguiente codón, ahora en el ribosoma, es ocupado por un nuevo ARNt que también aporta su correspondiente aminoácido. Otra vez se encuentran juntos dos aminoácidos, se forma un nuevo enlace peptídico y el ARNt libre abandona el ribosoma y deja espacio para que el ARNm se deslice un puesto, equivalente a tres bases; queda de nuevo un codón libre y el proceso continúa hasta que se sintetiza la proteína completa. Esta fase supone también gasto energético y requiere la presencia de un conjunto de moléculas llamadas factores de alargamiento (FA).
●
Terminación.
El proceso anterior se repite hasta que al lugar A llega un codón de los llamados “mudos” o “stop” (UAA, UAG o UGA) es decir, que no pueden ser traducidos por ningún aminoácido. Entonces se produce la terminación de la síntesis.
A.1.- ¿Qué triplete codifica el aminoácido “Ala”?
A.2.- Indica que tripletes codifican el aminoácido “Ser”
A.3.- A partir de la siguiente secuencia de ADN: C-T-A-C-G-A-A-T-G-A-G-G-T-C-T-A
a.- ¿Qué secuencia de bases tendrá el ARNm, formado a partir de la hebra de ADN? b.- Teniendo en cuenta el codón inicial AUG ¿Cuántos codones poseerá?
c.- ¿Qué secuencia de aminoácidos tendrá ese polipeptído.
d.- ¿Cuántos ARNt serán necesarios en la biosíntesis de ese polipeptído? e.- ¿Qué anticodones deberá poseer?.
A.4.- Dada la siguiente secuencia de bases de la cadena de ADN que sirve de molde al ARNm, escribe, consultando el código genético, qué secuencia de aminoácidos tendrá la cadena polipeptídica que se forme (Nota: ten en cuenta que el codón inicial es el AUG)
T-A-T-A-C-C-C-G-A-T-G-T-T-G-G-A-T-G-A-A-A-C-T-A-C-T
A.5.- Complete los espacios en blanco, utilizando la tabla del código genético:
Cadena de ADN que se transcribe ... 3' C _ _ _ _ _ A C T
ARNm ... 5' _ C A _ _ _ U _ _ Anticodón del ARNt ... 3' _ _ _ _ _ _ _ _ _
Aminoácido incorporado... _ _ _ Trp _ _ _
A.6.- La transcripción de la siguiente cadena de ADN:
3' G G T T A T A C G C A T T T G C A T A C G T T 5'
¿Cuál es la secuencia de AAc del polipéptido que codifica dicha región, si la síntesis se inicia a partir del triplete de iniciación AUG?
A.7.- Una cadena de ácido nucleico presenta la siguiente secuencia de bases: 5' G G A T C A A C T G A G 3'
Indica, razonando la respuesta, si se trata de ADN o de ARN y cuál sería la secuencia de bases de la cadena complementaria.
Si el ARN es largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez, formando un polirribosoma o polisoma.
7. LA REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA: EL OPERÓN
Uno de los principios básicos del metabolismo celular es el de la economía. Así, una célula no sintetiza todas las proteínas que es capaz, sino las que necesita en un momento determinado.
Regulación de le expresión génica en los procariotas.
Existen, por tanto, dos aspectos a considerar en esta regulación:▪La diferenciación celular, es decir, la conversión de una célula totipotente en otra
especializada que forma parte de un tejido.
▪La regulación génica como respuesta a factores ambientales que provocan
necesidades en las células.
▪Una, que la ARN-polimerasa se una al promotor.
▪Otra, que el represor no esté unido al operador, y por tanto al estar el operador
libre, la ARN-polimerasa pueda moverse hasta el gen.
Si alguna de estas circunstancias no sucede, la transcripción no se lleva a cabo. En procariotas y, de forma similar en eucariotas, la célula produce el represor o modifica la forma del promotor, según le interese que se dé la transcripción o no, regulando de está manera la síntesis proteica, es decir, la expresión génica.
Parece que los operones no existen en los organismos complejos, aunque es muy posible que cada gen tenga su propio sistema individual de promotores y operadores, y que los intrones y las secuencias repetidas desempeñen también algún papel en este proceso.
El operón lactosa
▪Si no hay lactosa el represor está en su forma activa, y los genes estructurales no se transcribe, con lo que la célula no tendrá los enzimas para metabolizarla.
▪Si hay lactosa, esta se une al represor y lo inactiva. El operador, al estar libre,
desencadena la transcripción de los genes estructurales, con lo que se sintetizarán las enzimas necesarias para metabolizar la lactosa. Cuando haya desaparecido la lactosa el represor volverá a su estado activo y dejarán de transcribirse los genes.
8. MUTACIONES
Una de las características del material hereditario (ADN), es la gran fidelidad con la que se transmite de generación en generación, sin embargo, en ocasiones puede sufrir
mutaciones la cual se define como todo cambios en el ADN que se pueden transmitir a la descendencia.
Éstas pueden serbeneficiosaspara el individuo que la posee, perjudiciales (llegando a ser letales) oneutras.
Tipos de mutaciones
▪ Según el tipo de célula que se vea afectada.
-
Mutaciones germinales, si afectan a las células reproductoras, con lo que se
-
Mutaciones somáticas
si la alteración ocurre en células no reproductoras, pudiendo ocasionar enfermedades (como un cáncer) pero no pueden ser heredados.▪ Según como sea la alteración del material genético.
-
Génicas
. Son aquellas que sólo afectan a nucleótidos de un solo gen.- Mutaciones por sustitución.Cambio de uno o más pares de nucleótidos.
- Mutaciones por delección.Pérdida de nucleótidos.
- Mutaciones por inserción.Se añaden nucleótidos.
-
Cromosómicas
. Son modificaciones en la estructura de los cromosomas, afectando al orden o al número de los genes dentro de un cromosoma. Pueden ser:a)
Translocaciones, homólogas (entre cromosomas homólogos) o heterólogas
(entre dos cromosomas no homólogos), consisten en el cambio de lugar de un
segmento de cromosoma. ABCDEFGH →ABCXYZDEFGH
b)
Inversiones, un segmento de cromosoma se rompe, gira 180º y se suelda.
ABCDEFGH → ABFEDCGH
c)
Deleciones, pérdida de un segmento de cromosoma. AB
CDEFGH →ABGH d)Duplicaciones, un segmento de cromosoma se repite.
ABCDEFGH→ABCDECDEFGH
-
Genómicas
. Son alteraciones en el número normal de cromosomas de las células de una especie. Suelen ocurrir durante la meiosis al no producirse correctamente la separación de los cromosomas o de las cromátidas. Se diferencian dos clases:a) Aneuploidías. Alteraciones en el número normal de una dotación cromosómica.
Así, en las células diploides se tiene un cromosoma de más (trisomía) o de menos (monosomía) con respecto a la dotación normal. Como ejemplo tenemos la trisomía del par 21 que origina la enfermedad conocida como síndrome de Down (mongolismo). Un caso de monosomía es el sindrome de Turner, las personas, de sexo femenino, sólo tienen un cromosoma X, en lugar de los dos habituales; son estériles y con los caracteres sexuales poco desarrollados.b
)
Euploidías. Alteraciones en el número de dotaciones cromosómicas completa
(n). En una especie diploide lo normal son dos (2n); cuando sólo existe una dotación se llama monoploidía (n) (se han observado en algunas plantas), si se tienen tres (3n)9. CONSECUENCIAS EVOLUTIVAS. SELECCIÓN NATURAL
La variabilidad genética de las especies debidas a los mecanismos vistos hasta ahora (mutaciones y recombinaciones génicas homóloga y trasnsposicional) produce un gran número de genotipos que se manifiesta en numerosos fenotipos. Las características fenotípicas van a determinar la viabilidad de una especie según presente caracteres favorables o desfavorables para sobrevivir en un ambiente concreto.
La selección natural propugnada por Darwin como mecanismo para la supervivencia de los más aptos se apoya en una serie de hechos naturales:
a) Variabilidad individual dentro de una especie: no existen dos individuos exactos, en sus caracteres morfológicos o fisiológicos, dentro de una especie (salvo casos de reproducción asexual o de clonación). Este hecho es debido precisamente a la variabilidad genética de los individuos que proporciona un elevado número de genotipos.
b) Capacidad reproductiva alta: de modo que las especies pueden formar poblaciones numerosas.
10. INGENIERÍA GENÉTICA
Se trata de una serie de técnicas que se basan en retirar, modificar o introducir genes en el genoma de un individuo que no los presente.
Los procedimientos de ingeniera genética suelen comenzar con la clonación, mediante la cual se lleva a cabo el aislamiento y replicación de determinados genes. La finalidad de la clonación es generar grandes cantidades del gen en cuestión.
10.1. CONCEPTO DE CLONACIÓN
El proceso de clonación está encaminado a la obtención de un clon. Un clon es un
conjunto de elementos genéticamente iguales. Todos los elementos del clon son iguales entre sí e iguales al elemento precursor. Los clones pueden ser moléculas, células u organismos completos.
Hay que entender que la clonación es un proceso natural, ya que, por ejemplo, las células somáticas pertenecientes a un mismo tejido son células clónicas. Incluso, los hermanos gemelos univitelinos son un clon.
Podemos distinguir distintos tipos de clonación, atendiendo a la finalidad perseguida:
Clonación de ADN o ARN mediante la técnica de clonación acelular (PCR), o la de clonación celular (ADN recombinante)
Se utiliza para aumentar el número de moléculas de ácido nucleico que se utilizan en una investigación.
Clonación de células. No hay que confundirla con la clonación celular. En este proceso se pueden clonar células aisladas, tejidos u órganos. Puede utilizarse para terapias génicas, por ejemplo, en enfermos diabéticos.
Clonación de organismos completos, tanto plantas como animales. Se suele utilizar en procesos de mejora genética de especies
10.2 LA MANIPULACIÓN DEL ADN (de la información genética).
Durante muchos siglos la mejora genética de plantas y animales se consiguió por cruzamientos de razas y variedades seleccionadas por el hombre; era un proceso largo pues se requerían varías generaciones para alcanzar los resultados buscados. Actualmente, las nuevas técnicas de manipulación directa del ADN permiten provocar cambios genéticos importantes en casi todos los seres vivos en un plazo corto.►
Secuenciación del ADN
secuencia de bases de un gen se pueden identificar las regiones que son secuencias
codificadoras de proteínas, y a partir de ella se puede deducir la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada.
►
ADN recombinante o clonación celular
El ADN recombinante se utiliza en ingeniería genética para la síntesis de proteínas como la Insulina o la hormona del crecimiento, en el desarrollo de organismos transgénicos y en la amplificación del ADN, es decir, en obtener un gran número de copias de un gen determinado.
La técnica consiste en aislar el gen deseado, introducir el gen seleccionado en el interior de un vectory éste, a su vez, dentro de una célula, denominada célula anfitriona. Aprovechando la maquinaria celular, el gen se expresa, sintetizándose así la proteína codificada en el gen. Además, al dividirse la célula, las nuevas células formadas contienen ese gen que también sintetizan esa proteína. Se genera un grupo celular que contiene un genoma distinto.
●Las etapas en la producción de ADN recombinante son las siguientes:
1. El primer paso consiste en aislar pequeños fragmentos de ADN que contengan los genes a clonar.
Es la parte esencial del proceso, ya que el ADN debe separarse y concentrarse.
Partimos de células con núcleo, que deben ser lisadas (rotas).
Las proteínas estructurales, enzimas, ARN y restos moleculares deben separarse del ADN.
El ADN obtenido se concentra y se fragmenta por acción de las enzimas de
restricción.
Se aísla el ADN que se desea clonar.
2. Preparación de un vector de clonación
Los vectores de clonación son pequeños elementos genéticos (moléculas de ADN) utilizados para recombinar y replicar genes que faciliten el transporte de segmentos de ADN a otra célula (plásmidos, fagos, etc)
▪ Cortar el vector con enzimas de restricción, las mismas enzimas que se utilizaron para cortar el ADN que se quiere insertar.
▪ Unir el vector y el ADN que se va a clonar mediante los llamados extremos
3. Unión del ADN con el vector de clonación. Formación del ADN recombinante
En esta etapa se produce la unión covalente del vector y el ADN inserto mediante una ligasa.
4. Introducción del ADN recombinante en la célula anfitriona
Para la clonación (replicación del ADN recombinante) se necesita la maquinaria celular. Por ello, hay que introducir el ADN recombinante en una célula anfitriona.
Los tipos de células anfitrionas son:
Células bacterianas: son las más utilizadas, ya que tienen una alta velocidad de replicación, un bajo coste de mantenimiento de las colonias y son fácilmente manipulables.
Células eucariotas: aunque las células eucariotas son, en general, difíciles de mantener se usan levaduras y células tumorales:
5. Propagación del cultivo
Se induce la división de células anfitrionas, de forma que se producen también copias de ADN recombinante y, por ello, la clonación. Primero se efectúa una siembra en placas Petri con agar como medio de cultivo. Se dejan crecer las colonias. Cada una de ellas será seleccionada y transferida a distintos medios líquidos, donde seguirá aumentando el número de individuos de la colonia.
6. Detección y selección de los clones recombinantes
No todas las células producidas contienen el gen que se desea clonar por lo que hay que detectarlo y separar las células que contienen ADN recombinante de las que no lo contienen. Finalmente se hace un cultivo para producir gran cantidad de células que contengan el clon buscado, para su aislamiento y estudio
10.3. APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA.
La ingeniería genética es un nuevo campo de la Biología, nacido de la manipulación del ADN, que tiene como objetivo cambiar o alterar el genoma de un ser vivo.
▪Introducir nuevos genes en un genoma.
▪Modificar la información contenida en un gen determinado.
▪Clonar seres vivos o alguno se sus órganos o tejidos.
► APLICACIONES EN MEDICINA
Las aplicaciones de la ingeniería genética en biomedicina aumentan
espectacularmente. Entre ellas destacan:
1) Fabricación de productos farmacéuticos. En la actualidad, una de las técnicas de ingeniería genética más empleada consiste en la producción de sustancias humanas por bacterias a las que se les ha introducido el gen correspondiente. Entre las sustancias que ya se obtienen mediante esta técnica están algunas hormonas como la insulina (Se consiguió introducir en una bacteria el gen que codifica para la síntesis de la insulina. Esta bacteria produce Insulina humana vital para la regulación del metabolismo de los glucidos en el organismo), hormona del crecimiento y proteínas de la sangre tienen un interés medico y comercial enorme.
2) Terapia génica. Es un tratamiento médico que consiste en manipular la información genética de células enfermas para corregir un defecto genético o para dotar a las células de una nueva función que les permita superar una alteración.
En principio existen tres formas de tratar enfermedades con estas terapias:
Sustituir genes alterados. Se pueden corregir mutaciones mediante cirugía génica, sustituyendo el gen defectuoso o reparando la secuencia mutada. Inhibir o contrarrestar efectos dañinos. Se silencia un gen que produce
una proteína dañina. Para ello, se actúa sobre el ARN mensajero, haciendo que hibride. Así la proteína no se produce.
Insertar genes nuevos. Se insertan genes suicidas que destruyen a la propia célula que los aloja o genes estimuladores de la respuesta inmune. También se puede introducir una copia de un gen normal para sustituir la función de un gen mutante que no fabrica una proteína correcta. Por ejemplo, en el tratamiento de los cánceres que se realiza hoy día, una de las principales vías de investigación es la de marcar genéticamente a las células tumorales de un cáncer para que el organismo las reconozca como extrañas y pueda luchar contra ellas, estimulando la respuesta inmune.
Otras estrategias que se siguen en la actualidad contra el cáncer son: - Inactivar oncogenes.
- Introducir genes que aumenten sensibilidad a fármacos.
► APLICACIONES EN ANIMALES Y PLANTAS.
Las técnicas de ingeniería genética se aplican a la agricultura y a la ganadería para obtener mayores cosechas y mejores alimentos con plantas y mayor cantidad y calidad en la cría de ganado, etc.
●
Organismos transgénicos.
Se denomina organismos transgénicos a los animales y plantas que llevan en su genoma genes “extraños”, es decir, genes introducidos artificialmente y que no proceden de sus antepasados por herencia.
♦Plantas transgénicas. Las aplicaciones agrícolas tienen como objetivo:
▪ Conseguir plantas resistentes a herbicidas.
▪ Conseguir plantas resistentes a los insectos.
▪ Conseguir plantas mas resistentes a enfermedades
▪ Mejorar del producto, más calidad y características nuevas.
♦Animales transgénicos. Las aplicaciones son múltiples, desde el uso de animales para la producción de proteínas de interés (humanas o de otro tipo), la posibilidad de la terapia génica en humanos.
Los mejores resultados se han obtenido con peces, como el salmón, la carpa y la lubina. A individuos de estas especies se les ha añadido el gen de la hormona del crecimiento, lo que produce un aumento de tamaño del pez en muy poco tiempo. En el salmón se ha introducido otro gen, "el anticongelante". Así puede ser criado en aguas muy frías.
11. PROYECTO GENOMA HUMANO
El Genoma Humano es el conjunto de todos los genes que posee nuestra especie distribuidos entre los 23 pares de cromosomas que tenemos en nuestras células. A principios de los años 90 del siglo XX y a instancias de J. Crick, uno de los descubridores de la estructura del DNA, se puso en marcha un ambicioso proyecto, el Proyecto Genoma Humano, concebido para localizar, secuenciar y estudiar la función de todos los genes de la especie humana.
uno de los casos más llamativos de competencia entre investigación privada e investigación financiada con fondos públicos. Esta situación fue debida a que ciertas multinacionales estadounidenses se sumaron a la carrera con la idea de patentar genes y obtener beneficio de las posibles aplicaciones de ese conocimiento, lo que ha desatado en algunos momentos una cierta polémica.
Los objetivos del Proyecto son:
1. Conocer la secuencia de bases de todo el ADN
2. Obtener un mapa genético de los cromosomas,es decir, localizar y situar todos los genes de cada cromosoma.
3. Secuenciar cada gen, es decir, averiguar la secuencia de nucleótidos que lo forman.
3. Determinar la función de los genes.
Las aplicaciones prácticas del Proyecto son enormes, pensando en la posibilidad de detectar y curar enfermedades genéticas antes de que se produzcan, cambiar genes defectuosos, etc. Estas posibilidades también han levantado enormes recelos en amplios sectores de la sociedad, puesto que existen otras posibilidades menos aceptables, tales como la posibilidad de que se conozca con antelación qué enfermedades puede desarrollar una persona, o discriminar a alguien por sus genes. Esto hace que las cuestiones bioéticas que rodean al Proyecto constituyan una de las partes fundamentales del mismo, razón por la que existen ciertas reticencias ante la intervención de empresas privadas.
11.1. RIESGOS Y ASPECTOS ÉTICOS DE LAS TÉCNICAS DE
INGENIERÍA GENÉTICA
Los organismos genéticamente modificados se crean para resistir plagas, herbicidas o condiciones extremas. Por esto, son más fuertes que otras especies naturales. Al competir unas y otras por los recursos podría ocurrir que desaparecieran las especies naturales.
Con los datos que se obtuvieran de la secuenciación de ADN se podría elegir el tipo de hijo que se desea, no sólo que careciera de taras genéticas, sino que se podría escoger el color de ojos, de la piel, complexión, etc.
La legislación actual impide que los seres humanos sean considerados objetos de compra-venta, pero las compañías biotecnológicas pueden patentar parte de un ser humano, como son los genes, las células y los tejidos, así como la posibilidad de patentar los procesos para la creación de estas partes. Podría parecer que los intereses de mercado están por encima del individuo o de la Humanidad.
* BIOSANITARIOS.- La mayoría de los productos se destinan al consumo humano y aún no se puede afirmar que no sean perjudiciales para la salud.
* BIOÉTICO.- ¿Hay derecho a monopolizar el uso de la información genética presente en la naturaleza?
* BIOTECNOLÓGICO.- ¿Qué pasaría si el material genético de un virus tumoral terminara formando parte del genoma de alguna bacteria simbionte del ser humano? ¿Y si los genes que permiten la resistencia a los antibióticos entraran en el genoma de los patógenos? ¿O si los microorganismos inocuos adquirieran los genes para producir toxinas potentes como la difteria, el cólera, el botulismo o el tétanos?
12. ACTIVIDADES PAU
Sept 02 Las proteínasson uno de los más abundantes componentes de las células
¿Cómo se denomina el mecanismo de la síntesis de proteínas? ¿Dónde ocurre? ¿Qué orgánulo celular interviene?¿Qué papel tienen los aminoacil-ARNt? 1 punto.
a) Supongamos una proteína con la secuencia de la imagen adjunta. Copia la imagen en tu hoja de examen y complétala, usando para ello el código genético que se adjunta. 1 punto.
3’ 5’
5’ 3’
Met
Ala
Pro
Thr
Trp COOH3’ 5’
5’ 3’
Met
Ala
Pro
Thr
H2N
A
A A
AUG GCU CC ACU UGG
A
A A A A ~3´
5´~ Ac. Nucleico
A
A A A A
Anticodón
H2N ~ Péptido ~ COOH
Ac. Nucleico 3´~ C C C C C ~5´
1
1
2
2 A
A A A A ~3´
5´~AA AA AA AA AA ~3´ 5´~
Ac. Nucleico
A
A A A A A
A A A A
Anticodón
H2N ~ Péptido ~ COOH
Ac. Nucleico 3´~ CC CC CC CC CC ~5´~5´
1
1
2
2
b) (Elige una (solamenteUNA) de estas dos preguntas y contéstala:
cI) Las proteínas las encontramos también en los virus. Describe brevemente el ciclo de vida de un virus (ciclo lítico). 1 punto. cII) Los anticuerpos son proteínas. Describe la estructura de los anticuerpos. 1 punto.
Jun 03 La figura adjunta esquematiza el Dogma Central de la Biología Molecular.a) Completa las casillas con la secuencia de bases de cada una de las macromoléculas. b) ¿Cómo se denominan los pasos señalados por las flechas 1 y 2?c)¿Cuántos aminoácidos contendrá el péptido?
Sept 03El segmento 3´-CAACCCAACACACACAAA-5´ del ADN determinará la secuencia de aminoácidos Val-Gly-Leu-Cys-Val-Phe.a) ¿Cuál es la secuencia de la cadena que es leída por el ribosoma? b)Como consecuencia de la exposición a un agente mutagénico, se sustituye la cisteína subrayada(C) por una alanina en el ADN. ¿Qué secuencia de aminoácidos se obtendría?c)¿Qué significa que el Código Genético es degenerado?
Sept 03La mayoría de losgenesnucleares presentansecuencias codificadoras interrumpidas. En la figura adjunta se esquematiza una serie de procesos que acontecen en el interior de una célula eucariota.a)¿Qué procesos representan los pasos I y II?b)¿Qué moléculas son las señaladas como 1, 2 y 3?
Sept 03La síntesis de ARNm a partir de un gen concreto es un proceso sujeto a regulación, es decir, ocurre sólo cuando es necesario para la célula.a) ¿Cómo se denomina el proceso de síntesis de ARNm?b)¿Qué enzima la cataliza?c)Explica qué ventajas tiene el hecho de que este proceso sea regulable.
Junio 04 7.-Lasmutacionesse pueden clasificar según la extensión del material genético alterado o por el tipo de células afectadas. a.-Define qué son las mutaciones génicas.
b.-Define qué son las mutaciones genómicas
c.-¿Por qué se distingue entre mutaciones que se producen en células somáticas de las que se ocasionan en células germinales?
33
5´ 1 3´
3´ 5´ I II 2 3 Célula 5´ 3´ 33
5´ 1 3´
1
2
3
Gppp AAAAAA
4 5 6 7
Gppp AAAAAA 8 11 22 33 Gppp AAAAAA
44 55 66 7
Gppp AAAAAA
88
Junio 04 8.1.-La secuencia5´- U C U C C U C U C U C U – 3´corresponde a unácido nucleico. a.- Escriba el anticodón del ARNtdel primer codón
b.-¿Cuántos aminoácidos especifica esta secuencia?
c.-¿Cuántas moléculas peptídicas se producirán sI pasaran 10 ribosomas por la secuencia?
Junio 04 7.-El pasado mes de Abril entraba en vigor dos nuevos reglamentos europeos sobre el etiquetado y seguimiento de los productos alimentarios elaborados con o a partir de un organismo transgénico.
a.-¿Qué es un organismo transgénico?
b.-¿Cuál es la razón por la que se fabrican estos organismos?
Sep 04 7.- A finales de Abril, aparecía en los medios de comunicación, el siguiente titular “Un equipo de científicos españoles cree que la
presencia de ungeny un herpes-virus ayudan a que la enfermedad del Alzheimer se extienda”.
a.-¿Qué es un gen?.
b.-¿Qué relación hay entre el gen y la cromatina?. c.-¿Y el gen con el genoma?.
Sep 04 8.1.-Se esquematiza un proceso que acontece en el interior celular. a.-¿Cómo se denomina el proceso?.
b.-Completa las casillas enumeradas
c.-¿En qué lugar de la célula se realiza el proceso?
Sep 04 7.-Recientemente se ha conseguidosecuenciarel genoma humano casi al completo. Su estudio nos permitirá saber el número de genes que poseemos y conocer muchas de lasmutacionesque ocasionan enfermedades hereditarias. Entre otras cosas, este conocimiento permitirá fabricar medicamentos más eficaces porque estarán adaptados al genoma de cada persona.
a.-Define cada uno de los conceptos resaltados en negrita. b.-¿En qué consiste una mutación genómica?.
Sep 04 8.1El esquema representa un importante proceso celular. a.-¿Cómo se llama este proceso?.
b.-Sustituye los números por el nombre que corresponde.
c.-¿Cómo se llama la molécula final obtenida y para qué se usa en la célula?.
Junio 05. A.-En el esquema adjunto se muestra elDogma central de la Biología Molecular.
a.- Copia el esquema en tu hoja de examen y complétalo indicando la secuencia del ARN y la secuencia de proteínas, usando cuando sea necesario el código genético.
b.- ¿Qué quiere decir que el código genético es universal?.
c.- Se dice del código genético que es degenerado. Explica qué significa esto y señala para cuáles de los aminoácidos de la tabla del d.- código genético esto no se cumple.
3´
5´
5´
3´
5´
4 5 6
C
A
A
1 2 3
3´
5´
5´
3´
5´
4 5 6
C
A
A
1 2 3
4 5 6
4 5 6
C
A
A
1 2 3
C
A
A
Junio 05. B- Conceptos demanipulación genética. a.- ¿Que es la clonación?.
b.- Nombre un vector de clonación.
c.- Nombre un tipo de enzimas empleadas en la manipulación del ADN.
Sept. 05. A.-La mayoría de losgenes nuclearespresentan secuencias codificadoras interrumpidas. a.- Con respecto a la información que contienen, ¿Qué diferencia existe entre los exones y los intrones? b.- En el proceso de expresión del mensaje genético, ¿un mismo codón puede codificar varios aminoácidos? c.- ¿Qué orgánulo celular participa en la lectura de la información?
d.- ¿Qué tipo de ácido nucleico contiene la información leída por el orgánulo?
Sept 05. B.- El esquema representa el dogma Central de la Biología Molecular.
a.- ¿Cómo se denominan los pasos 1 y 2 señalados por las flechas? b.- b.- ¿Cómo se llaman las biomoléculas incluidas en los compartimentos I, II y III?
c.- c.- serán losanticodonesque participanIndica por orden, cuáles en la síntesis de la biomolécula del compartimento III
Sep. 05. 9-Un equipo de investigación de la UAB desarrolla un nuevo analizador deADNmás rápido y miniaturizado. El dispositivo permitirá hacer rápidamente pruebas de paternidad, identificar infecciones y detectar la presencia detransgénicos. Por ejemplo, para detectar la presencia de Salmonella en una muestra de mayonesa, la sonda tiene fragmentos complementarios al de un grupo de genesque identifican la bacteria en cuatro horas y media.(Universia.es5/04/05)
a.- Define los términos subrayados en el texto.
b.- Cita una finalidad para la obtención de organismos transgénicos
Junio 06. 7.A Latraducciónde la información contenida en los seres vivos implica la existencia de unCódigo Genético a.- Define el Código Genético.
b.- ¿Qué es uncodóny unanticodón?
c.- ¿Qué quiere decir que el código genético es degenerado y universal? d.- ¿Qué es untransposóno lo que es lo mismo genes saltarines?
Junio 06 8.A.- Los laboratorios GTC Biotherapeutics han desarrollado un método de producción de fármacos mediante animales transgénicos, actualmente en fase de evaluación por la autoridad reguladora europea. La compañía ha sido pionera también en la producción de medicamentos medianteclonación.
a.- Definir los términos subrayados en el texto
b.- ¿Qué diferencia existe entre la ingeniería genética y los procesos naturales?
Junio 06. 8.BLos cambios inducidos pormutacionespueden ser de diferentes tipos. a.- Diferencia entre mutaciones cromosómicas y mutaciones genómicas.
b.- ¿Qué tipo de mutación aparece asociada alsíndrome de Down?
c.- ¿Las mutaciones son alteraciones al azar o dirigidas hacia un cambio concreto? d.- ¿Por qué las mutaciones son la base de la selección de las especies?
Sept 06. 7.A. Lasmutacionesproducen cambios en el material genético y pueden ser de varios tipos. a.- ¿Qué es una mutación?.
b.- Diferencias entre mutacióngénica y cromosómica.
c.- ¿Tienen las mismas consecuencias las mutaciones que se producen en las células somáticas que las que se producen en las células germinales? Razona la respuesta
Sept 06. 8.A. En la expresión del mensaje genético están implicados diversos procesos.
a.- Indica la secuencia numérica de los procesos implicados desde el gen a la proteína.
b.- Indica los nombres de los procesos señalados en el esquema adjunto por losnúmeros: 1, 2 y 3.
c.- ¿Qué tipo de organismo puede llevar a cabo el paso
33
ARNProteínas
Sept 06.8.B-Ingeniería genética. a.- ¿Qué es un organismo transgénico? b.- ¿Qué son losenzimas de restricción?
c.- ¿Qué funciones desempeñan las enzimas de restricción?
d.- ¿Qué peligro respecto al equilibrio ecológico y respecto a la salud humana se puede derivar de laIngeniería genética?
Junio 07.Para laexpresión de la información genéticaparticipan diferentes tipos de ARN a.- ¿Qué tipos de ARN?
b.- ¿Cuál es la función de cada tipo de ARN en el proceso de biosíntesis?
c.- En la maduración de uno de los tipos de ARN en células eucariotas es necesario la eliminación de segmentos, ¿cómo se llaman?
d.- ¿Cuál es el papel de la ARN polimerasa?
Junio 07. Un fragmento deADNposee la secuencia de bases siguiente: 3’…AGAGAGA..5´ a.-¿Cuál es la secuencia tras la replicación?
b.-¿Cuál es la secuencia después de la transcripción? c.-¿Cuál es el objetivo de la transcripción?
Sept 07.Los premios Nobel de Fisiología y Medicina, y de Química de 2006 fueron para estudios relacionados con la expresión de la información genética donde participan distintos tipos de ARN.
a.- ¿Qué tipos de ARN conoces?
b.- ¿Dónde se originan cada uno de ellos?
c.- En las células eucariotas ¿Cómo se llaman los segmentos que se eliminan en la maduración de uno de los tipos de ARN? d.- ¿Cómo se denominan los segmentos quequedan y se traducen?
Sept 07.Un profesor de veterinaria de la Universidad Nacional de Seúl ha asegurado recientemente que ha clonado con éxito dos lobos. Los análisis demostraron que los dos lobos, bautizados como"Snuwolf"y"Snuwolffy", son clones, sin embargo, todavía no se han entregado una verificación independiente de los exámenes de ADN. Según expertos consultados, de confirmarse este hallazgo, servirá para la protección de los lobos, una especie que en muchos países se encuentra en peligro de extinción. (Noticia enprensa. 2 abril 2007).
a.- Define, de forma concreta, el término clon.
b.- ¿Cómo se codifica la información genética dentro del ADN? c.- Explica qué son los intrones y los exones
Junio 08.El Dogma Central de La Biología Molecular se esquematiza en la imagen. a.- Copia el esquema y completa las
casillas en blanco con la secuencia de bases de cada una de las macromoléculas. b.- Nombra el tipo de ácido nucleico que
corresponde a los números representados como I, II y III.
c.- ¿Cómo se denominan los pasos señalados por las flechas 1 y 2? d.- ¿Cuántos aminoácidos contendrá el
péptido?
Junio 08. Se ha cumplido los 300 años del nacimiento del científico y naturalista sueco Carl von Linné (Linneo) creador de la nomenclatura binomial que permite nombrar todas las especies de seres vivos sin lugar a confusión. Cada especie posee una dotación cromosómica particular y las mutaciones son de gran importancia para la selección natural, la adaptación y la evolución de las especies.
a.- ¿Qué significa que una especie sea haploide o diploide?
Junio 08.El potencial de la biotecnología se explotará en plenitud cuando las técnicas de secuenciación genómica y otros de sus instrumentos se manejen como un ordenador personal y valgan lo que cuesta éste (Investigación y Ciencia.)
a.- ¿Qué significa el término secuenciación?
b.- El genoma humano es complejo dado que existen genes que presentan exones e intrones, ¿qué secuencias se traducen? c.- ¿Qué orgánulo participa en la expresión de un gen?
d.- Una aplicación biotecnológica es la obtención de organismos transgénicos. ¿Qué es un organismo transgénico?
Sept. 08. El proceso adjunto se puede dividir en varias etapas donde aa simboliza a las subunidades de la biomolécula sintetizada.
a.- ¿Cómo se denomina el proceso global? b.- ¿Qué orgánulo participa?
c.- ¿Cómo se denominan los sitios indicados comoIyII? d.- Sustituye los números del 1 al 6 por lo que corresponda
Sept 08.El precio detu genoma.Como quien se compra un coche o una obra de arte. A los caprichos de la gente adinerada se puede sumar ahora un nuevo objeto de deseo: la secuenciación del propio genoma. Por algo menos de un millón de dólares (aproximadamente 628.000 euros) y en sólo dos meses, quien lo desee puede tener en casa una copia de su material genético. Los expertos apuntan que el perfeccionamiento de las técnicas de secuenciación hará que los precios bajen en un futuro próximo.(El Mundo, Abril 2008).
a.- Define genoma.
b.- Indica el tipo de biomoléculas que constituyen el genoma. c.- ¿Cuál es el significado de secuenciación?
Sept 07.LaLey de Reproducción Humana Asistida aprobada por el Congreso permite que las familias puedan iniciar los trámites para la
selección genéticade un embrión que además de nacer sano, sirva como donante para tratar a su hermano enfermo.
a.- ¿Todas las células del embrión contienen el mismo tipo de ácido nucleico y los ismos genes?
b.- ¿Qué es un gen?
c.- ¿Cómo se transfieren los genes de unas células a sus descendientes (Tipo de molécula y proceso)?
Sept 08. Las mutacionesson cambios en la cantidad o estructura del material genético. a.- ¿Cómo se denomina la mutación que da lugar al síndrome de Down?
