Tema 6 (II). La revolución genética.
La expresión de la información genética.
Tal información está codificada en el ADN y estructurada en genes.
Cada gen contiene información para sintetizar una proteína. Cuando ésta lleva a cabo su función el organismo manifiesta o expresa un determinado carácter.
La insulina normal permite la entrada de glucosa en las células para ser metabolizada. Si la insulina es defectuosa no funciona bien y el individuo que la posee es diabético.
La melanina es el pigmento que da color a la piel y al pelo. Un individuo que no produzca melanina será albino.
Está claro que para tener pigmentación debe fabricarse melanina. Las instrucciones para ello están codificadas en el gen “melanina” que estará situado en un determinado cromosoma.
Dibujo. Relación entre gen-proteína e información-función.
Las proteínas son polímeros cuyas cadenas se forman de 20 monómeros distintos llamados aminoácidos.
Los mecanismos que explican cómo se expresa la información contenida en el ADN se resumen en el llamado dogma central de la biología molecular que muestra como fluye del ADN a la proteína con la intervención de los tres tipos de ARN.
El traslado de información o síntesis proteica ocurre en dos pasos:
El gen que va a expresarse es copiado en ARNm y trasladado fuera del núcleo.
El ARNm se forma por complementariedad utilizando U en lugar de T.
La cadena que se copia es la que posee sentido 3´--- 5´ ya que el primer extremo de ARNm que se forma es el 5´.
La enzima que lleva a cabo el proceso es la ARN polimerasa.
Una vez sintetizado el ARNm es modificado para hacer posible su salida del núcleo en un proceso llamado maduración en el que:
Se eliminan unas secuencias llamadas intrones.
Se le añade un GTP al extremo 5´.
Se incorpora un poli-A al extremo 3´.
Dibujo. Representación de la transcripción y la maduración.
Es la formación de una cadena de aas a partir de la secuencia de nucleótidos del ARNm.
Proceso llevado a cabo por los ribosomas que “leen” el ARNm haciendo corresponder a cada triplete de nucleótidos un aa.
¿Por qué un triplete?
Si 1 nucleótido codificara 1 aa sólo tendríamos 4 posibilidades.
Si 2 nucleótidos codificaran 1 aa sólo podríamos formar 16.
Si 3 nucleótidos codifican 1 aa tenemos 64 posibilidades con lo cual tenemos para los 20 y aún nos sobra.
El número de variaciones con repetición se obtiene a partir de la fórmula VRnm = nm donde n es el número de nucleótidos, es decir 4, y m el número en qué los agrupamos.
La correspondencia entre tripletes y aas viene determinada por el código genético.
Tal código posee dos características:
Es universal y por tanto idéntico para todos los organismos.
Está degenerado pues existen aas codificados por más de un triplete.
El inicio de la traducción es el primer triplete AUG comenzando por el extremo 5´ por lo que todas las proteínas comienzan con el aa metionina (Met).
También existen tripletes stop o final de mensaje que marcan el final de la síntesis proteica. Estos son: UAA, UAG y UGA.
Cada triplete es llamado codón y se une a un ARNt cuyo anticodón es complementario.
Así se aportan los distintos aas a la síntesis de una proteína determinada.
El ribosoma actúa acoplando entre sí todas las moléculas y manteniendo la cadena polipeptídica en formación.
Al detectar un triplete de finalización las subunidades se separan y se libera la cadena proteica.
Ejercicios.
Representa con un dibujo la primera fase de la síntesis proteica en células eucariotas.
Investiga el nombra de los 20 aas proteicos a partir de las abreviaturas que aparecen en el código genético. Sigue el orden del mismo de izquierda a derecha y de arriba abajo.
Completa la siguiente tabla utilizando el código genético.
__ __ __ T __ __ __ __ __ __ __ __ ADN 5´ 3´
__ __ __ __ __ __ C A A __ __ __ ADN 3´ 5´
__ __ __ __ G U __ __ U __ __ __ ARNm
__ __ __ __ __ __ __ __ __ A U U Anticodón ARNt
Met __ __ __ __ __ __ __ __ __ Aminoácido
¿Qué ARNm habrá permitido formar el tetrapéptido Met-Ala-Asp-Pro?
Biotecnología e ingeniería genética.
La biotecnología es la aplicación de los descubrimientos realizados por la Biología al campo de la industria, la sanidad, la alimentación, la agricultura, la ganadería, etc.
Su finalidad es:
Solucionar problemas de distintas naturaleza (sanitarios, medioambientales, etc. ).
Obtener productos de valor comercial.
Distinguimos dos ámbitos:
Biotecnología tradicional.
Usa como herramientas productos de origen biológico como enzimas que aceleran ciertas reacciones químicas.
Utiliza microorganismos con fines industriales como levaduras para fabricar pan o bebidas alcohólicas o bacterias para obtener yogur o vinagre (fermentaciones).
Biotecnología actual.
Basada en la manipulación del ADN para obtener artificialmente organismos modificados genéticamente (transgénicos, clónicos, etc.).
Utiliza células y microorganismos modificados o sin alterar (bacterias, virus, células madres, etc.).
La ingeniería genética engloba el conjunto de técnicas que permiten manipular el ADN.
Otras técnicas muy importantes para la biotecnología actual son los cultivos celulares y la obtención de anticuerpos monoclonales.
La clonación.
Es la obtención de elementos clónicos o clones.
Tradicionalmente un clon es un conjunto de células obtenidas por la reproducción mitótica de una célula inicial. Todas son idénticas entre sí e iguales al progenitor.
Para la biología molecular un clon es una copia genéticamente exacta de una molécula, una célula, un tejido o un organismo.
Clonar equivale pues a “copiar genéticamente”. Así clonar un gen es obtener muchas copias del mismo, clonar una célula es obtener un cultivo y clonar un organismo conseguir una copia idéntica.
La clonación puede ser reproductiva si genera organismos idénticos o terapeútica si produce moléculas o células iguales con fines curativos.
Potencialmente podemos realizar clonación reproductiva en mamíferos de dos formas:
El cigoto y cualquiera de las células que se producen en los primeros días del desarrollo embrionario son células totipotentes pues pueden formar un individuo completo.
Si en estos días el embrión se divide en dos grupos celulares se forman gemelos univitelinos.
Si transferimos a diferentes úteros varias de estas células totipotentes a partir de embriones obtenidos por fecundación in vitro deberíamos obtener individuos idénticos.
Eliminamos el núcleo de un óvulo.
Le introducimos el núcleo de una célula del individuo que queremos clonar.
Hemos obtenido un cigoto potencial que desarrollamos hasta embrión en un medio de cultivo.
Insertamos en un útero y obtendremos un individuo igual al que cedió el núcleo.
Las células madres.
También llamadas células troncales.
Se multiplican ilimitadamente y generan distintos tipos de células especializadas. Su división genera otra célula troncal y una que se especializa.
Existen dos tipos: embrionarias y adultas.
Se obtienen de la masa celular interna o blastocisto de embriones tempranos creados por fecundación in vitro y que han sobrado tras el proceso de implantación en el útero materno.
También pueden conseguirse de células germinales de fetos abortados.
Estas células se mantienen indefinidamente en cultivos.
Pueden formar cada uno de los 200 tipos celulares. Son por tanto células pluripotentes.
Si las usamos para implantarlas y reparar un tejido dañado en un paciente suelen producir rechazo ya que no son sus propias células.
Pero podríamos obtener embriones somáticos por transferencia nuclear a partir de células de nuestro paciente y no implantarlos en ningún útero sino mantenerlos como productores de células madre embrionarias como las suyas con lo que no habría ningún tipo de rechazo.
Sin embrago eso equivaldría a clonar al paciente y la clonación está prohibida en seres humanos.
Todo esto puede resultar ilegal o cuestionable pues “¿qué se hace con los embriones?”, “¿estamos jugando con vidas potenciales?”…
Aparecen en tejidos adultos sometidos a un fuerte desgaste natural como la piel, la mucosa intestinal o la médula ósea roja.
Pueden formar algunos tipos celulares pero no todos. Son por tanto células multipotentes.
Las células madre mesenquimales se encuentran en algunos tipos de tejdio conjuntivo y debidamente estimuladas pueden regenerar los tejidos óseo, cartilaginoso, muscular e incluso nervioso.
Estas células pueden proceder del paciente y no producen rechazo ni plantean problemas éticos. Sin embargo no pueden mantenerse en cultivo y son muy difíciles de aislar.
Son muy útiles las que proceden de la sangre del cordón umbilical pues:
Son compatibles con el recién nacido y adaptables a otros miembros de la familia.
Se recolectan fácilmente y apenas producen rechazo.
Son similares a las de la medula ósea roja.
Se conservan mediante crionización.
Pueden ser la clave para curar muchas enfermedades degenerativas.
Actualmente las principales líneas de investigación utilizan células adultas reprogramadas, normalmente fibroblastos procedentes del tejido conjuntivo.
Estas células son modificadas añadiéndoles ciertos genes y se comportan igual que las células madre embrionarias.
Las enzimas de restricción.
Son enzimas que cortan el ADN por lugares específicos determinados por ciertas secuencias palindrómicas:
Iguales en ambas cadenas pero con distinta orientación.
Complementarias respecto a un eje.
Son secuencias pequeñas, no más seis u ocho pares de bases.
Cada restrictasa sólo reconoce una secuencia y corta en un lugar concreto.
Son una herramienta básica en ingeniería genética pues producen fragmentos con extremos cohesivos complementarios entre si.
El ADN recombinante.
Se obtiene al mezclar fragmentos de ADN de seres distintos que han sido tratados con el mismo enzima de restricción.
La adición de ADN ligasa permite unir los fragmentos de las moléculas resultantes.
La electroforesis.
Las moléculas de ADN tienen cargas eléctricas negativas en los grupos fosfatos.
Si la situamos en un campo eléctrico serán atraídas por el polo positivo.
Esta técnica permite separar mezclas de moléculas en una matriz sólida, que puede ser papel o gel, aplicando electricidad y en función de las cargas que estas posean.
Si tratamos un ADN con una enzima de restricción los fragmentos generados se desplazan en el gel en función de su tamaño, a mayor tamaño menor velocidad, generando un patrón de bandas característico.
Para “ver” la posición de las distintas bandas de fragmentos añadimos bromuro de etidio, que unido al ADN es fluorescente al iluminar con luz ultravioleta.
La posición de cada banda indica el número de pares de bases que posee el fragmento.
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