la revoluciÓn genÉtica: desvelando los secretos de la vida a.galeote dpto biología y geología

LA REVOLUCIÓN GENÉTICA:DESVELANDO LOS SECRETOS

DE LA VIDA

A.Galeote Dpto Biología y Geología

• Los hijos se parecen a los padres.– Esto demuestra que hay una información

que pasa de padres a hijos, pero:• ¿Dónde se almacena esta información?• ¿Cómo se almacena esta información?• ¿Cómo se utiliza esta información?


• Darwin ya descubrió que la diversidad era la base de la evolución y que la selección natural el mecanismo que actúa sobre esta diversidad.

• Pero a la hora de explicar el mecanismo que actuaría sobre la selección natural fracasa: el propone la “herencia mezclada” es decir que en los seres vivos con reproducción sexual los caracteres se mezclaban en los hijos, esto de ser cierto entraría en contradicción con su propia teoría ya que homogeneizaría las poblaciones.


• Fue un monje agustino Gregor J. Mendel (1822-1884) el que demostró que las unidades responsables de la transmisión de la herencia no se mezclaban sino que conservaban su individualidad.


• Mendel llegó a esta conclusión haciendo experimentos con plantas de guisante.

• Lo primero que hizo fue fijarse no en todas las características a la vez sino en una sola de forma independiente y ver como se transmitía

• Después seleccionó plantas que eran razas puras respecto a las variedades que se podían presentar respecto a ese carácter.


• Mendel también se fijó que ocurría cuando en lugar de fijarse en un único carácter observaba como se transmitían dos a la vez


• Mendel se fijó en distintos caracteres de la planta del guisante


• Basándose en sus experimentos Mendel llegó a la conclusión de que los caracteres se transmitían de forma independiente y llamó factores hereditarios a los responsables de la transmisión de estos caracteres.


• En 1909 los factores hereditarios de Mendel fueron rebautizados con el nombre de gen por Wilhem Johannsenn (1857-1927).

• Gen es una unidad de información hereditaria, es decir el responsable del control de un determinado carácter


• Una vez definido el concepto de GEN y su función quedaba por ver:

• ¿Dónde estaban los genes?.• ¿De qué están hechos los genes?• ¿Cómo funcionan los genes?.


¿Dónde están los genes?.

• En 1882 un fisiólogo alemán: Walther Flemming (1843-1905) descubrió en los núcleos de las células una sustancia de color: la cromatina que se condensa durante la división del núcleo (mitosis) en unas estructuras filamentosas llamadas cromosomas


• Se comprobó que los genes eran trozos de cromosomas.

• Además Walter Sutton (1877-1916) comprobó que en las células sexuales aparecían un solo juego de cromosomas al contrario que en el resto de las células que disponían de dos juegos de cromosomas, ya que estos son iguales dos a dos.


¿De qué están hechos los genes y cómo se copian?

• Desde que se descubrieron los cromosomas se sabía que estaban compuestos de ADN y Proteínas.

• Luego los genes podían estar formados por.

• ADN• Proteínas• Una mezcla de las dos moléculas


• En 1928 el médico británico Griffith realizaba experimentos de infección de ratones con los neumococos (bacterias que causan la neumonía en humanos)

• Aunque Griffith no sabía lo que había hecho posible que las bacterias inocuas se transformasen en dañinas lo llamó “principio transformante”.

Años más tarde Oswald Avery (1877-1955) y sus colegas Colin MacLeod y Maclyn McCarty haciendo otros experimentos comprobaron que el ADN era el “principio transformante” de Griffith


EL ADN

• Aunque se sabía que los genes eran trozos de ADN, ¿cómo lograban hacer copias de sí mismos y pasar a la siguiente generación?.

• La explicación debía encontrarse en la estructura del ADN


• La molécula de ADN está formada por la unión de tres tipos de moléculas más pequeñas:

• Ácido fosfórico• Un azúcar (desoxirribosa)• Moléculas de bases nitrogenadas que son 4:

» Adenina» Guanina» Citosina» Timina


• Quienes encontraron la estructura del ADN fueron James Watson (n. 1928) y Francis Crick (1916-2004) en 1953 en la Universidad de Cambridge.


• Watson y Crick llegaron a establecer la estructura del ADN en base a estudios anteriores:

• La difracción de rayos X de la molécula de ADN realizada por Rosalind Franklin (1920-1958) y Maurice Wilkins (1916-2004) que sugerían que la molécula de ADN tenía la forma de una hélice y daban incluso algunas dimensiones de la misma.

• Las leyes de Edwin Chargaff (1905-2002) que el número de moléculas de Adenina era el mismo que el de las Timinas y el número de moléculas de Guanina era el mismo que el de Citosina.


R. Franklin

M. Wilkins


Difracción de Rayos X del ADN


E. Chargaff


Duplicación del ADN

• Los genes se copian gracias a la duplicación del ADN

• La molécula de ADN se abre como una cremallera y van entrando nucleótidos que van complementando las dos hebras del ADN formándose así dos moléculas de ADN exactamente iguales.


¿Cómo funcionan los genes?

• El funcionamiento de los genes se basa en el dogma central de la Biología Molecular:

• ADN ARN Proteínas

• 1: Transcripción

• 2: Traducción

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• El ADN conserva la información genética: tiene los genes y los transmite de una generación a la siguiente por medio de su replicación.

• La información contenida en los genes se pone de manifiesto por medio de proteínas que son sintetizadas en los Ribosomas de las células.


• El ADN no sale del núcleo y sin embargo tiene que haber una forma de que la información contenida en el GEN llegue hasta el Ribosoma que va a fabricar la Proteína que va a hacer posible dicha información.

• Esto se consigue mediante la síntesis de una molécula nueva: el ARNmensajeroque va a salir del núcleo y se va a poner en contacto con el Ribosoma sintetizándose así la proteína.

• El proceso de síntesis del ARNm es la TRANSCRIPCIÓN


• Si la información del ARNm (que antes estaba contenida en el GEN: en el ADN) está contenida en la secuencia de bases (Adenina, Guanina, Citosina o Uracilo)

• Y la Proteína que va a hacer posible esa información sintetizada en el Ribosoma es una secuencia de Amino-Ácidos (de los 20 posibles existentes)

• Debe haber una relación entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de amino-ácidos de la Proteína


• Esa relación existe:

– Cada tres bases del ARNm equivalen a un Amino-Ácido.

– Las tres bases del ARNm se llaman Codon– La equivalencia entre las bases del ARNm y los

amino-ácidos quedan recogidas en el CÓDIGO GENÉTICO


¿Cómo se lleva a cabo la Traducción?

• El ARNm se une al Ribosoma.

• Los distintos amino-ácidos van entrando al Ribosoma transportados por un ARN distinto al ARNm, es el ARNtransferente


EL GENOMA HUMANO

• Después de descubrir la estructura del ADN el siguiente paso fue averiguar la secuencia completa de bases del mismo.

• Se llama Genoma al conjunto de toda la información genética de un organismo.

• En el año 2003 se publicó el genoma humano


• En el ser humano hay 23.000 genes.• Los genes sólo representan el 2% del genoma.• Además dentro de los genes existen porciones

de ADN que no codifican proteínas. Son los Intrones.

• El resto del ADN está compuesto por genes de ARN y el llamado ADN basura que juntos forman el 98% del ADN.


• En realidad el número de Proteínas codificadas por los Exones de un mismo gen puede ser elevado porque los fragmentos de proteína codificados por los distintos Exones pueden combinarse entre sí para formar distintas proteínas.

• Así se sabe que mientras que el número de genes presentes en nuestro genoma es 23.000 el número de proteínas es 100.000


• EXONES

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PROTEINAS


• Resumiendo en el ADN podemos encontrar:

• Exones Son las porciones de ADN dentro del gen que codifican proteínas.

• Intrones Son las porciones de ADN dentro del gen que no codifican proteínas. En la mayor parte de los genes es la porción mayoritaria.

• ADN basura no corresponde a ningún gen


• Se piensa que el ADN basura debe tener alguna finalidad aunque todavía no se ha descubierto.

• Si no tuviese ninguna utilidad se hubiese eliminado en el transcurso de la evolución.


• El genoma (entendido tanto como el contenido de nucleótidos como el número de genes) no guarda relación con la complejidad del organismo.


Ser Vivo Tamaño del genoma(Millones de pares de bases)

Mosca de la fruta 180

Pez globo 400

Serpiente 2100

Hombre 2850

Cebolla 18000

Tritón 84000

Helecho 160000

Ameba 670000


• Lo que sí está relacionado con el grado evolutivo de los organismos es el número de diferencias entre el genoma de los mismos y el grado de parentesco evolutivo que presentan.

• Así cuanto más nucleótidos comunes tengan entre sí dos organismos en su genoma más reciente ha sido la separación de las especies en su camino evolutivo.


• La Genómica es la parte de la Biología que estudia los genomas. Con esta ciencia se han estudiado patologías complejas como el cáncer o el alcoholismo que están determinados por la acción conjunta de un grupo de genes.

• La Proteómica se encarga de estudiar las Proteínas codificadas por el genoma


Genética del desarrollo

• Mediante la genética del desarrollo se han descifrado las reglas que rigen la transformación de los organismos desde el óvulo fecundado hasta el adulto.


• El desarrollo de un organismo supone dos procesos:

– La Proliferación, es decir la división de las células para que el número de éstas aumenten.

– La Diferenciación es decir la conversión de unas células germinales indiferenciadas en otras específicas.


• El estudio de la Diferenciación tiene una gran importancia en Medicina ya que permitiría programar las células para que se conviertan en cualquier tipo celular; por lo que podríamos, en principio, fabricar a partir de una sola célula trozos de nuestro cuerpo listos para ser transplantados.


• Dos investigadores españoles:

• Antonio García-Bellido (n. 1936)• Ginés Morata (n. 1945)• Ambos trabajando en el Centro de Biología

Molecular del CSIC-UAM.

• Han contribuido a sentar las bases de la investigación en este campo.


La Epigenética

• Es la rama de la Genética que estudia que características del individuo no están determinadas por la secuencia de bases del ADN


• Existen ciertos factores que pueden influir en la expresión de los genes:

• El grado de enrollamiento del ADN• La adhesión de determinadas moléculas al ADN

que inhiben la expresión de determinados genes.• La existencia de proteínas y otras moléculas que

pueden influir en la síntesis de proteínas.


• Hay ciertas enfermedades que se deben a estos fenómenos, por ejemplo determinados tipos de cáncer.

• Por eso se estan desarrollando fármacos llamados “Fármacos Epigenéticos” que se basan en estas interacciones.


BIOTECNOLOGÍA• Una vez que ya se conocía el papel del

ADN y se empezaba a saber el mecanismo de regulación de los genes el siguiente paso era el de intervenir en la información genética: la manipulación genética.


• Las herramientas para manipular el ADN son las siguientes:– Enzimas de Restricción, para cortar actúan como

“tijeras moleculares” cortando por sitios específicos.– ADN ligasa, para pegar, une fragmentos de ADN que

han sido cortados por otras enzimas.– Plásmidos, para copiar, son pequeños fragmentos

circulares de ADN que están en el interior de las bacterias y que se usan como vectores en Ingeniería Genética.

– Además se necesita una técnica de introducción del Plásmido en el interior del organismo al que se le quiere transferir la información. Esto se consigue mediante la técnica de Transformación,


Biotecnología: Fabricación de Proteínas

• Al aplicar las técnicas anteriores para la obtención de ciertos productos comerciales nació en 1975 una nueva industria: La Biotecnológía.

• El primer producto que se produjo y se comercializó fue la Insulina Humana sintetizada en bacterias (Humulina) que evitó los problemas de rechazo de la anterior Insulina, que utilizaban los diabéticos, extraída de cerdo o vaca.


• Otras proteínas sintetizadas por la industria farmacéutica han sido:

• Interferón humano usado en la Esclerosis Múltiple• Hormona de Crecimiento para tratar el enanismo

hipofisiario y que antes se extraía de cadáveres.• ADN polimerasa I para tratar la Fibrosis quística.• Vacunas como la de la Hepatitis B


• En la industria alimentaria:

• Quimosina (para la elaboración de quesos duros)• Somatotropina bovina, que es la hormona de

crecimiento bovina.


La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

• Esta técnica, desarrollada por Kary B. Mullis en 1986 permite obtener multitud de copias de ADN a partir de un fragmento pequeño de ADN, es decir obtener múltiples muestras de un fragmento de ADN pero haciéndolo in vitro sin utilizar células vivas y haciéndolo en unas pocas horas


Los Transgénicos

• Con las técnicas de la biotecnología podemos manipular la información genética de un determinado organismo con el fin de añadirle características nuevas al introducirle un nuevo gen.

• A estos organismos así manipulados se les denomina Organismos Modificados Genéticamente


• Así se han obtenido:

• Bacterias superdegradoras del petróleo• Bacterias productoras de plásticos biodegradables• Plantas con resistencia a los insectos


Ventajas de los Transgénicos• El uso de especies modificadas genéticamente resistentes a plagas

(de forma selectiva) reducirá el uso de plaguicidas (que actúan tanto sobre especies dañinas como beneficiosas).

• Se obtiene un mayor rendimiento al conseguir especies más grandes o que desarrollan más sus partes comestibles.

• Disminución de las labores de labranza, con lo que la erosión del suelo disminuye.

• Se pueden obtener especies con menos necesidades, por ejemplo plantas que necesiten menos agua o se adapten mejor al frío.

• Se habla de paliar a nivel mundial el hambre y la desnutrición, con la posibilidad de obtener alimentos con mejores características nutricionales (más vitaminas o menos grasas).

• Retraso en la maduración y aumento de la durabilidad de los alimentos.


Inconvenientes de los Transgénicos

• En general se critica la falta de una investigación más seria sobre sus posibles efectos, como pueden ser la aparición de alergias o nuevos tóxicos.

• Al utilizarse genes que producen resistencia no sólo a herbicidas sino también a los antibióticos, éstos podrían pasar a bacterias que se harían resistentes a los mismos.

• Contaminación de las plantas naturales por transporte de semillas modificadas.

• Las malas hierbas podrían hacerse también resistentes a los herbicidas, que se usan en grandes cantidades.

• Las plantas transgénicas con efectos insecticidas pueden afectar a especies de beneficiosas.

• El control del mercado (el 90% de los transgénicos está en manos de Monsanto) puede pasar a unas pocas empresas que poseen las patentes de estos cultivos.


Células madre y Clonación

• Las células madre son células no diferenciadas capaces de convertirse en una célula de cualquier tipo, en una célula componente de cualquier tejido

• Así se podrían fabricar tejidos o incluso órganos en cualquier persona evitando así los problemas de rechazo.

• Además serviría para curar las enfermedades degenerativas (como el Parkinson o el Alzheimer) injertando células madre en la zona que ha degenerado e induciendo en ellas su transformación


• Existen distintos tipos de células madre:• Células madre embrionarias que proceden de

embriones excedentes de fertilización in vitro.• Células madre procedentes de cordón umbilical o

de adultos.• Células madre inducidas que se obtienen de

células adultas de la piel. Descubiertas en 2007 por James Thompson (n. 1958).


• Los clones son copias de individuos obtenidos a partir de una célula madre extraída de un organismo adulto.


Terapia Genética

• Mediante técnicas de Biotecnología es posible la curación de enfermedades genéticas, introduciendo genes que sustituirían a los genes defectuosos.

• Existen diversas formas de aplicación de estas terapias:

• In vivo• Ex Vivo


• En las técnicas IN VIVO se introduce al paciente el ADN recombinante utilizando diversos vectores (Liposomas o Virus)

• En las técnicas EX VIVO se extraen células del paciente se cultivan con el ADN recombinante y luego las células modificadas se vuelven a introducir en el paciente


Identificación Genética

• Mediante la utilización de técnicas de Biotecnología (=Ingeniería Genética) se pueden determinar “Huellas Genéticas” que permiten la identificación de delincuentes en Medicina Forense.

• También se utilizan en pruebas de paternidad, en identificación de víctimas de accidentes,…


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