Interiores

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CUESTIONES
Genética molecular
1. ¿Qué son los genes?
¿Dónde se encuentran?
2. ¿En qué consiste
la realización del mensaje
genético?
3. ¿Pueden los genes
cambiarse o eliminarse,
o introducirse en otro
organismo?
4.
¿Qué aplicaciones puede
tener la manipulación
de los genes?
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El ADN, la molécula de la herencia
Los genes son los portadores de la información biológica y, por ello, se
localizan en el interior de todas las células. Sin embargo, no se conoció
su localización hasta que se descubrió que el número cromosómico en las
células sexuales es la mitad del que existe en las demás células.
Te i n t e r e s a s a b e r
El ADN es el constituyente básico de
la cromatina, que en las células eucarióticas va asociado a proteínas.
De este modo, se pensó acertadamente que los genes estaban contenidos
en los cromosomas. No obstante, no se determinó cuál de las moléculas que
forman los cromosomas (ADN o proteínas) eran las moléculas de la herencia.
En la actualidad, se sabe que un gen está constituido por una molécula
conocida como ADN (ácido desoxirribonucleico). Esta molécula es la portadora de la información que dota a una célula y a un organismo de sus
características biológicas. Todo lo que un organismo es depende de su ADN;
por ello, el ADN es la molécula biológica fundamental.
P
A
O
nucleótido
ácido
fosfórico
adenina
P
La molécula de ADN está formada
por la unión de muchas moléculas
llamadas nucleótidos.
P
G
H
O
P
Cada nucleótido está constituido por
tres moléculas menores: desoxirribosa,
base nitrogenada y ácido fosfórico.
base
nitrogenada
H
Los nucleótidos del ADN se diferencian
en el tipo de base nitrogenada. Existen
cuatro tipos de bases nitrogenadas:
adenina (A), citosina (C), timina (T) y
guanina (G).
T
O
O
desoxirribosa
guanina
H
A
timina
bases nitrogenadas
A
G
adenina
P
C
H
O
citosina
C
T
timina
H
guanina
citosina
La unión de nucleótidos da lugar a una
larga cadena en la que se alternan las
desoxirribosas y los ácidos fosfóricos.
Las bases nitrogenadas quedan colgando de las desoxirribosas.
Primer grado de complejidad del ADN: la cadena simple.
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Descubridores del ADN
El ADN está constituido por
dos cadenas de nucleótidos.
Los estudios del ADN mediante
difracción de los rayos X, llevados a
cabo por Rosalynd Franklin, fueron
decisivos para que en 1953, James
Watson y Francis Crick elaboraran
el modelo de doble hélice de la
molécula de ADN.
C
G
A
T
La unión entre las bases de ambas
cadenas no se produce al azar, sino
que siempre se hace según este patrón: adenina-timina y citosina-guanina; se dice que una base es complementaria de la otra.
La doble cadena formada
se dispone en forma de
una doble hélice.
La unión de las dos cadenas de
nucleótidos es posible debido a
que las bases nitrogenadas enfrentadas están unidas.
James Watson y Francis Crick.
El empaquetamiento del ADN
dentro del núcleo celular es
enorme: en una célula humana,
existen 4 metros de ADN que se
acoplan en el espacio nuclear de
apenas 5 ␮m de diámetro.
Segundo grado de complejidad del ADN: la doble cadena.
La información genética es la misma en todas las células de un organismo.
Sin embargo, a lo largo del ciclo celular, la cantidad de ADN varía:
Citocinesis
Fase G1. Síntesis de proteínas
y crecimiento celular.
división
celular interfase
Fase de mitosis.
División nuclear.
Ciclo celular.
Fase S. Replicación de ADN y
síntesis de histonas (proteínas
que estabilizan el ADN).
Fase G2. Preparación para
la división celular.
Actividades
Escribe la cadena complementaria de esta secuencia de ADN simple:
TTGCCTACGTATG.
1
152 UNIDAD 7
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1.1. La duplicación de la información genética
Cada vez que una célula se divide, las dos células resultantes deben recibir
el mismo material genético. Para que esto sea posible, es imprescindible que,
previamente, el ADN forme copias de sí mismo, es decir, que se replique o se
duplique.
ADN: doble cadena en forma
de una doble hélice
Te i n t e r e s a s a b e r
El mecanismo por el que el ADN se
duplica debe ser muy preciso. De lo
contrario, se obtendrían moléculas
distintas: las células hijas que recibieran esas moléculas de ADN distintas tendrían diferente información
genética.
Nucleótidos libres
1. La doble hélice del ADN
se abre y las dos cadenas
que la forman se separan.
2. A cada hebra separada de
ADN se acoplan nucleótidos libres cuyas bases son complementarias a las bases existentes en esa hebra.
3. Los nucleótidos que
se van uniendo forman
las nuevas cadenas.
síntesis
4. Como resultado final, se obtienen dos copias idénticas del
ADN. Cada una de ellas tiene una hebra procedente del ADN
inicial y otra nueva que se forma. Esta es la razón por la que se
dice que la replicación del ADN es semiconservativa.
vieja
nueva
nueva
vieja
Actividades
¿Por qué es imprescindible que la molécula de ADN tenga
capacidad de duplicarse? ¿Qué ocurriría si esto no fuera
posible? ¿Por qué es tan importante que no existan errores
en la autoduplicación del ADN?
2
3
Define los siguientes términos:
a) Base nitrogenada complementaria.
b) Replicación semiconservativa del ADN.
Genética molecular
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2
La expresión de la información genética
2.1. La ejecución del mensaje genético
Un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para
la síntesis de una proteína.
La consecuencia de la expresión de la información genética es la síntesis
de una proteína específica. Las proteínas son moléculas grandes, con funciones muy importantes: estructurales, fisiológicas, etc. Entre ellas, se encuentran
las enzimas.
Las enzimas son proteínas que permiten que se realicen las reacciones bioquímicas que se producen en los seres vivos.
Como consecuencia de las reacciones enzimáticas, un organismo vivo
tiene unas características anatómicas y funcionales propias.
gen
enzima
reacción bioquímica
caracter: pelo moreno
Del gen al carácter.
Te i n t e r e s a s a b e r
Con los 20 aminoácidos proteicos se
pueden formar 20500 proteínas distintas que tengan 500 aminoácidos cada
una.
Las proteínas están formadas por la unión de otras moléculas menores
denominadas aminoácidos. Existen 20 aminoácidos distintos, con los que se
forman todas las proteínas. Las diferencias entre unas proteínas y otras radican
en el número y en el orden en que se unen los aminoácidos que las constituyen.
Actividades
¿Se puede establecer alguna similitud entre los aminoácidos y los
nucleótidos? Razona la respuesta.
4
La variedad de proteínas origina estructuras de todo tipo, como las plumas de las aves.
154 UNIDAD 7
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Los ribosomas, que se encuentran en el citoplasma, realizan la síntesis de
proteínas. Sin embargo, si el ADN no puede salir del núcleo, ¿cómo llega su
información genética al citoplasma?
El flujo de la información
genética
El ADN copia su mensaje genético en otra molécula: el ARN (ácido ribonucleico), que sale del núcleo y lleva la información al citoplasma.
El flujo de la información genética
se produce del siguiente modo:
El ARN se diferencia del ADN en que es una cadena sencilla, en que tiene ribosa en lugar de desoxirribosa y en que no tiene la base nitrogenada
timina, sino uracilo (U). Existen tres clases de ARN:
ADN
transcripción
쮿 ARN mensajero (ARNm). Es una copia del mensaje genético del
ADN, necesario para la síntesis de una proteína.
ADN
쮿 ARN ribosómico (ARNr). Forma parte de los ribosomas, orgánulos
donde se unen los aminoácidos para formar las cadenas proteicas.
traducción
쮿 ARN transferente (ARNt). Transporta, hasta los ribosomas, los aminoácidos que van a unirse.
proteína
A partir de la información proporcionada por el ADN, la síntesis de
proteínas se produce en dos etapas: transcripción y traducción.
Te i n t e r e s a s a b e r
Transcripción
El proceso de transcripción consiste en copiar una parte del mensaje
genético desde su forma original (ADN) a otra (ARNm) que se puede utilizar para la síntesis de una proteína específica.
Los ARN ribosómicos y transferentes
no son específicos de cada organismo;
en cambio, los ARN mensajeros sí lo
son, pues corresponden a la copia
de los genes concretos que posee un
individuo.
ADN doble
T
C
3. Solamente se copia una
C
G de las dos cadenas de ADN.
C
G
C
G
C
G
C
U
G
T
U
A
A
G
A
A
C
2. Los nucleótidos complementarios
se sitúan enfrente de una de las dos
cadenas (cadena molde).
G
1. Se abre la doble
hélice del ADN.
nucleótidos libres
ADN simple
T
A
A
ARN
T
A
G
C
C
T
¿Tiene un individuo los mismos
ARN ribosómicos que otro? ¿Y los
ARN transferentes?
6
T
G
¿Qué tipo de ARN corresponde a
una copia del gen que lleva la información para la síntesis de una proteína?
5
A
A
Actividades
4. Se obtiene una cadena de
ARN con una secuencia de bases
complementaria a la del ADN.
Si una secuencia de bases de
ARN es ACCGAG, ¿cuál será la secuencia de la cadena de ADN que ha
servido de molde para su síntesis?
7
Del ADN al ARN.
Genética molecular
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Traducción
ADN
núcleo
membrana
nuclear
ribosoma
1. El mensaje copiado en forma de ARN es
idéntico al que se encuentra en el ADN
(con la salvedad de que posee uracilo en
lugar de timina).
A
U
G A
C
aminoácidos
C
G
2. Este ARN es una molécula de cadena
sencilla y, al ser más pequeña que el ADN, ARNm
puede salir del núcleo.
citoplasma
A
U G C U A C
C
GUA
A U G A C C G A U
G C U A C C G U A
3. El ARNm se sitúa sobre los ribosomas, orgánulos
citoplasmáticos que sintetizan las proteínas.
A
G
C
G
U
G
C A U
A U G A C C G A U
G C U A C C G U A
C
4. El ARNt transporta los aminoácidos
libres del citoplasma hasta los ribosomas, según el orden que indica el mensaje del ARNm.
A
U
A
ARNt
5. Cada molécula de ARNt es específica
para cada aminoácido.
C
G
U G G
A U G A C C G A U
G C U A C C G U A
proteína
(cadena de
aminoácidos)
6. Los ribosomas recorren la cadena de
ARNm y van uniendo aminoácidos en el
orden adecuado, según la secuencia de
bases nitrogenadas: el ARNm es leído
por los ribosomas que lo traducen en
una proteína.
CGA
A U G A C C G A U
G C U A C C G U A
7. Para cada proteína existe un ARNm distinto y, por tanto,
un fragmento de ADN distinto con la información necesaria.
Lectura del mensaje genético para formar proteínas.
Actividades
Si comparamos la síntesis de una proteína con la construcción de un edificio,
¿qué molécula equivaldría al arquitecto?, ¿y a los obreros que transportan los
ladrillos?
8
9
¿Qué quiere decir la frase: «El ARN mensajero es leído por los ribosomas»?
10 ¿Cómo «saben» los aminoácidos el orden en que deben colocarse para ser
unidos y formar una proteína determinada?
156 UNIDAD 7
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2.2. El código genético
Se denomina código genético a la relación entre la secuencia de bases
nitrogenadas del ADN (o del ARNm) y la secuencia de los aminoácidos que
constituyen una proteína.
Te i n t e r e s a s a b e r
Un código es un sistema de símbolos
que contienen un mensaje.
Para que un código sea útil debe
existir una forma de interpretarlo.
Reflexiona
¿Cuántas bases nitrogenadas debe formar cada señal que codifica para un aminoácido, para que estén representados los 20 aminoácidos?, ¿por qué?
Necesariamente, tres bases nitrogenadas consecutivas (triplete) forman
cada señal que codifica para un aminoácido. Los tripletes del ADN se denominan codógenos y los tripletes del ARNm reciben el nombre de codones.
Características del código genético
El código genético es la clave que permite la traducción del mensaje genético,
expresado en una secuencia de bases nitrogenadas, a una proteína.
aminoácido
aminoácido
A
U
A
G
C
U
C
C
A
Es una secuencia
lineal
G
C
A
de bases nitrogenadas.
aminoácido Un mismo ami-
aminoácido
A
noácido puede
ser codificado
por más de un
codón.
U
U
G
No Chay separaciones
entre
A
C
U
U
los sucesivos codones.
G
U
A
A
Es universal, es decir, es
el
para todos los
U mismo
A
A
seres vivos.
Como el código es universal, los ribosomas de una célula pueden leer cualquier ARNm, aunque no proceda de ella misma.
SEGUNDA BASE
C
A
G
U
UUU
UUC
UUA
UUG
Fen
Fen
Leu
Leu
UCU
UCC
UCA
UCG
Ser
Ser
Ser
Ser
UAU
UAC
UAA
UAG
Tir
Tir
Final
Final
UGU
UGC
UGA
UGG
Cis
Cis
Final
Trp
U
C
A
G
C
CUU
CUC
CUA
CUG
Leu
Leu
Leu
Leu
CCU
CCC
CCA
CCG
Pro
Pro
Pro
Pro
CAU
CAC
CAA
CAG
His
His
Gln
Gln
CGU
CGC
CGA
CGG
Arg
Arg
Arg
Arg
U
C
A
G
Ile
Ile
Ile
Met
ACU
ACC
ACA
ACG
Tre
Tre
Tre
Tre
AAU
AAC
AAA
AAG
Asn
Asn
Lis
Lis
AGU
AGC
AGA
AGG
Ser
Ser
Arg
Arg
U
A
AUU
AUC
AUA
AUG
GUU
GUC
GUA
GUG
Val
Val
Val
Val
GCU
GCC
GCA
GCG
Ala
Ala
Ala
Ala
GAU
GAC
GAA
GAG
Asp
Asp
Glu
Glu
GGU
GGC
GGA
GGG
Gli
Gli
Gli
Gli
U
G
Código genético (la abreviatura del nombre de los aminoácidos figura a la derecha
de cada codón).
C
A
G
C
A
G
Actividades
Si comparamos la síntesis de
proteínas a partir de un mensaje
genético con la traducción de un
texto de un idioma a otro, ¿a qué
molécula le correspondería el papel
de texto original y a cuál el de texto
traducido? ¿Qué molécula haría el
papel de traductor?
11
TERCERA BASE
PRIMERA BASE
U
12 Con la ayuda de la tabla del có-
digo genético que se encuentra en
esta página, indica la secuencia de
aminoácidos que tendría un fragmento de proteína codificada por el
ARNm siguiente:
AUGCCAUGUAGCUUA
Genética molecular
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3
Ingeniería genética
La ingeniería genética es el conjunto de técnicas que permiten manipular el
material genético.
Gracias a la ingeniería genética se puede conseguir, entre otras cosas,
eliminar genes, introducir otros nuevos, modificar la información de un
gen o formar copias de un gen.
La manipulación de los genes se realiza en varias etapas:
bacteria
4. Se introduce el ADN recombinante en
una célula para que el gen se exprese y se
sintetice la proteína correspondiente.
1. Se localiza el gen que se quiere
manipular. Para ello, se debe conocer, previamente, su secuencia
de nucleótidos.
cromosoma
plásmido
2. Se aísla el gen. Para ello, se utilizan unas enzimas (endonucleasas
de restricción) que cortan el ADN
por lugares específicos.
3. Se une el gen a una molécula de
ADN transportador (vector), perteneciente a una bacteria o a un virus.
La unión del gen y el vector se denomina ADN recombinante.
Si se pretende conseguir copias de un gen determinado, el procedimiento
es el siguiente:
2. Se sintetiza la hebra complementaria de cada una de
las hebras separadas. Para
ello, se emplea una enzima
ADN polimerasa.
1. Se separan las dos hebras del ADN que se quiere
copiar. Para ello, se debe
calentar la muestra.
3. Se vuelven a separar las
hebras de las dobles hélices formadas.
158 UNIDAD 7
4. El ciclo se repite varias veces hasta conseguir un gran número
de copias del ADN inicial, pues las replicaciones siguen un proceso
exponencial.
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3.1. Aplicaciones de la ingeniería genética
La ingeniería genética es una técnica biológica frecuente: constituye una
herramienta básica para la utilización de algunos organismos con diversos
fines (biotecnología). Sus aplicaciones son variadas:
En investigación biológica
En investigación policial y medicina forense
ratón
gen
aislado
ADN
muestras
(pelo, sangre...)
célula humana
comparación
plásmido
ADN
recombinante
bacteria
célula de
ratón con el
gen humano
sospechoso
ADN
Introducción de un gen humano que produce cáncer en células de
ratón, para investigar esta enfermedad.
Identificación de los supuestos implicados en un hecho delictivo
(víctimas o delincuentes).
En pruebas de paternidad
En estudios históricos y arqueológicos
ADN
bebé
comparación
adulto
ADN
Investigación de una supuesta paternidad mediante la comparación
de muestras de ADN.
El ADN de restos humanos puede ofrecer una valiosa información
sobre la persona a la que perteneció.
La ingeniería genética puede aplicarse tanto a los animales y a las plantas
como al ser humano. Asimismo, resulta útil en la lucha contra algunos problemas medioambientales. Ya existen bacterias modificadas genéticamente capaces de sintetizar moléculas muy semejantes a los plásticos que utilizamos en la
actualidad. La ventaja es que esos plásticos son biodegradables, a diferencia de
estos últimos.
Actividades
Descubrimientos inesperados
En enero de 2008, la secuenciación del ADN de las jirafas, realizado por técnicas de ingeniería genética, permitió descubrir la existencia de seis especies
distintas de jirafas, no una, como se pensaba.
13 Explica el papel que desempe-
ñan los plásmidos en la ingeniería
genética.
Genética molecular
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3.2. Implicaciones de la ingeniería genética
La aparición de la ingeniería genética ha supuesto un cambio radical en la
biología: actualmente, es posible modificar la información genética y adaptarla al interés humano. Las implicaciones de esta posibilidad son enormes:
쮿 Las expectativas sobre el tratamiento de las enfermedades genéticas
abren una vía de esperanza para muchas personas.
쮿 La modificación genética de plantas y animales podrá mejorar (en
calidad y en cantidad) las fuentes de alimentación.
No obstante, la ingeniería genética también crea recelos y temores:
Consecuencias imprevisibles y dilemas éticos
Los organismos modificados, particularmente las bacterias y los virus, podrían
diseminarse desde los laboratorios y llegar hasta el ser humano. Asimismo,
algunos genes indeseables podrían transferirse de unos organismos a otros.
Las técnicas utilizadas conllevan unos dilemas éticos muy importantes, pues
algunos de ellos afectan a la vida humana, como la posibilidad de interferir en
las características de los hijos y la obtención de seres humanos modificados.
El primer ADN artificial
En 2008, el científico estadounidense Craig Venter consiguió copiar por primera vez de un modo
artificial el ADN completo de una
especie libre: la bacteria Micoplasma
genitalium, un parásito del tracto
urogenital humano.
Algunos experimentos pueden tener consecuencias peligrosas; por este
motivo, resulta imprescindible alcanzar un compromiso entre el avance
científico y los riesgos que suponen las nuevas tecnologías.
¿Cuáles deben ser los límites de la investigación?, ¿quién establece esos
límites? En las respuestas a estas cuestiones debe implicarse el conjunto de
la sociedad: científicos, filósofos, pensadores, instituciones sociales y religiosas, comités de bioética…
Este logro avanza un paso más en
la creación del primer «organismo
de laboratorio».
Actividades
14 Elabora una lista donde figuren
las ventajas del uso de la ingeniería
genética humana y otra con las desventajas. Compáralas y establece las
conclusiones que creas oportunas.
15 ¿Por qué en las investigaciones
genéticas no solamente se deben
tener en cuenta las opiniones de los
científicos?
160 UNIDAD 7
¿Es lícito crear seres humanos idénticos?
En la actualidad, todavía no se ha desarrollado una legislación sobre estos
temas. Además, las técnicas y los descubrimientos avanzan tan rápidamente
que resulta dif ícil anticiparse a sus consecuencias éticas y sociales.
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Página 161
El proyecto Genoma Humano
Se denomina genoma al conjunto de genes de un organismo.
En el genoma se encuentra toda la información biológica que identifica
una especie. Conocer el genoma significa:
쮿 Averiguar la secuencia completa de bases nitrogenadas de su ADN.
쮿 Localizar y situar todos los genes en los cromosomas.
쮿 Comprender las relaciones entre los genes.
쮿 Descubrir e identificar genes antes desconocidos.
A principios de los años 90 del siglo pasado, comenzó la investigación
acerca del ser humano con el llamado proyecto Genoma Humano. En
abril de 2003, se completó toda la secuencia de nucleótidos del genoma
humano. Actualmente, se sabe que:
쮿 Nuestro genoma haploide (los 23 cromosomas distintos que poseemos) contiene 3 000 millones de pares de bases nitrogenadas, lo que
equivale a unos 30 000 genes.
쮿 El 99,9 % de estos genes son iguales en todas las personas: las diferencias entre nosotros no representan más del 0,1 % del genoma.
쮿 El 90 % del genoma no tiene una función codificante conocida, lo cual
no significa que no posea funciones como la regulación genética o
diversos controles biológicos. Asimismo, se piensa que parte de este
ADN puede corresponder a restos genéticos de nuestros antepasados.
Aplicaciones
ser humano
(30 000 genes)
Las aplicaciones prácticas que se
derivan del conocimiento del genoma humano son muy importantes:
gusano
(19 000 genes)
mosca
(13 000 genes)
20 % idéntico
70 % idéntico
쮿 Terapia génica, es decir, tratamiento de enfermedades mediante la modificación de los genes
responsables.
60 % idéntico
98 % idéntico
쮿 Diagnóstico y prevención de
enfermedades genéticas.
chimpancé
(30 000 genes)
ratón
(30 000 genes)
쮿 Diseño de fármacos más eficaces que actúen de forma personalizada, según las características
genéticas individuales.
쮿 Nuevas investigaciones en genética humana.
La comparación del genoma humano con el de otras especies revela el grado de semejanza
que existe entre ellos.
Actividades
16 Si comparamos el genoma de un pez con el de una lagartija y con el de una
mosca, ¿en qué caso habrá más genes comunes? ¿Por qué?
Genética molecular
161
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5
Biotecnología
La biotecnología es un campo de aplicación de la biología que utiliza
organismos vivos en beneficio humano.
Sin conocer su fundamento, el ser humano ha utilizado procesos biotecnológicos para fabricar productos de uso común desde tiempos remotos. No
obstante, la biotecnología actual dispone de conocimientos adecuados para
diseñar procesos biotecnológicos en función de las necesidades humanas.
Se distinguen dos tipos de biotecnología: la biotecnología tradicional y la
biotecnología actual.
5.1. Biotecnología tradicional
La biotecnología tradicional se basa en el empleo de microorganismos
para la obtención de productos útiles. Las industrias alimentarias se
encuentran entre las más conocidas:
El pan
Productos lácteos
El pan es un producto biotecnológico en el que participa la
levadura Saccharomyces cerevisiae.
A partir de la leche y gracias a la acción de algunas bacterias,
se fabrican productos lácteos como el queso y el yogur.
bacterias
lácticas
harina
yogur
levadura
agua
cocción
leche
bífidus
leche
fermentada
fermentación
queso
Bebidas alcohólicas
Las bebidas alcohólicas también se producen por la fermentación realizada por Saccharomyces cerevisiae.
uva
Esta levadura utiliza como sustrato los glúcidos presentes
en diversos productos (mosto, malta, etcétera).
levadura
prensa
exprimidora
cuba de
fermentación
envejecimiento
cuba de
sedimentación
embotellado
filtrado
Proceso de fabricación del vino.
162 UNIDAD 7
cuba de
fermentación
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Página 163
Además de algunos alimentos, existen otros muchos productos obtenidos
por biotecnología:
Vacunas
Antibióticos
Productos químicos industriales
Las vacunas consisten en micoorganismos
o parte de ellos, sin virulencia.
Los antibióticos son producidos
por microorganismos, como ciertos mohos.
Algunos microorganismos producen
sustancias que se utilizan en la industria.
Asimismo, se han utilizado microorganismos en la conservación del
medio ambiente:
La descomposición de la materia
orgánica de las basuras se realiza
por microorganismos.
En las plantas de tratamiento
de aguas residuales se utiliza
la acción bacteriana.
Ciertas bacterias almacenan moléculas muy parecidas a los plásticos
(bioplásticos) como sustancias de reserva. Aunque el coste de su obtención
es superior al de los plásticos tradicionales, los bioplásticos tienen la ventaja
de ser biodegradables, con lo que se evita el problema de su acumulación
en el medio ambiente.
Algunas bacterias son capaces de degradar
hidrocarburos: resultan muy útiles
en la lucha contra los vertidos de petróleo.
Actividades
17
Indica alguna semejanza entre:
a) Fabricación de pan y de vino.
b) Degradación de manchas de petróleo y producción de bioplásticos.
Genética molecular
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5.2. Biotecnología actual
La biotecnología actual está basada en los logros obtenidos por la ingeniería genética, y su desarrollo causará cambios importantes en algunos
aspectos de nuestra forma de vida.
Aplicaciones agrícolas y ganaderas
La modificación de las plantas y de los animales con la finalidad de obtener
una mejora en la producción de alimentos humanos se desarrolla en dos
direcciones: la clonación y la obtención de organismos transgénicos.
Clonación
La clonación consiste en obtener varias copias de un gen (clonación génica)
o en conseguir organismos genéticamente iguales (clonación de organismos).
1. Se fragmenta el ADN con enzimas
de restricción y se aísla el gen.
plásmido
2. Se obtiene un vector
bacteriano.
3. Se forma un ADN recombinante con
la participación de una enzima ligasa.
4. Se introduce en la célula hospedadora.
5. Se selecciona el clon deseado
y se producen las células.
replicación
La clonación génica permite obtener copias idénticas de un gen que interese introducir en un organismo.
Te i n t e r e s a s a b e r
Con la clonación se podrían obtener
muchos animales iguales a uno que
cuente con una característica interesante (mayor producción de leche, de
carne o de lana, por ejemplo).
Los animales clónicos se pueden conseguir separando células embrionarias o implantando un núcleo en un óvulo al que se ha extirpado el suyo.
1. Se extrae un óvulo
inmaduro de una oveja
y se elimina su núcleo.
3. Se implanta el embrión
obtenido en una tercera
oveja («madre de alquiler»)
que lleva el embarazo.
2. Se sustituye el núcleo del óvulo
por el de una célula somática de
otra oveja mediante fusión celular.
Proceso de clonación de una oveja.
164 UNIDAD 7
4. La oveja que nace
es idéntica a la oveja
donadora del núcleo.
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Obtención de plantas y animales transgénicos
Los organismos transgénicos son animales o plantas con genes procedentes de otro organismo, con lo cual adquieren características que no
posee la especie original (resistencia a plagas, mayor producción de leche,
crecimiento más rápido, etcétera).
ADN bacteriano
gen responsable
de la toxicidad
4. Se cultivan las plantas
en el laboratorio.
1. Se corta el ADN y se selecciona el
fragmento que porta el gen para la
síntesis de una sustancia insecticida.
planta de maíz
no resistente
a insectos
2. Se introduce el ADN
de la bacteria en la célula
vegetal.
ADN planta
3. Se inserta el material
genético de la bacteria en
el ADN de la planta.
5. Se obtienen plantas
resistentes al insecto.
célula vegetal
Proceso de obtención de una planta transgénica resistente a insectos.
1. Para llevar a cabo la fecundación (externa), los peces liberan
sus células sexuales al agua.
Los peces transgénicos
crecen más rápido.
hormonas del
crecimiento
50 %
2. Al poco de la fecundación,
los embriones reciben una
microinyección de ADN con la
información deseada.
embriones
viables
entre
10 y 70 %
peces con la
proteína deseada
3. Peces transgénicos: se ha
insertado el ADN extraño en
el suyo propio.
proteína
anticongelante
Estos peces sobreviven
en ambientes más fríos.
Proceso para conseguir carpas y salmones transgénicos.
Actividades
18 Explica la diferencia entre:
a) Clonación génica y clonación de organismos.
b) Organismo clónico y organismo transgénico.
19 ¿Por qué se dice que la oveja Dolly tiene tres madres y ningún padre?
Genética molecular
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Aplicaciones biosanitarias
La salud humana es la gran beneficiada de la biotecnología actual. Los
logros obtenidos en este campo hubieran sido impensables hace poco tiempo.
Obtención de insulina humana
Diversas sustancias, como antibióticos, vitaminas, aminoácidos, algunas
hormonas, enzimas, anticuerpos o proteínas antivíricas que se utilizan en
vacunas, pueden producirse con técnicas de ingeniería genética.
2. Se aísla el gen que codifica
la insulina humana.
1. Se extrae el plásmido de
una bacteria.
4. Se introduce el plásmido
modificado en una bacteria.
3. Se introduce el gen
en el plásmido.
7. La insulina se emplea
para tratar la diabetes.
5. Las bacterias se reproducen
con rapidez.
6. Estas bacterias producen
insulina humana.
Esquema de fabricación de la insulina.
Prevención de enfermedades genéticas
Si se detectase la existencia de un gen defectuoso que se transmite a los
gametos, podría sustituirse por el gen correcto. De este modo, podría evitarse
que el cigoto (y, por tanto, el nuevo individuo) padeciera la enfermedad.
padres con enfermedad congénita
2. Se introduce en el cultivo
un vector con el gen sano.
óvulo
fecundado
3. Se obtiene un cultivo
transformado.
1. Se realiza un cultivo celular
con el óvulo fecundado.
vector con
gen sano
célula corregida
genéticamente
núcleo
4. Se extrae el núcleo de la célula
corregida y se introduce en un
óvulo sin núcleo.
óvulo sin núcleo
bebé sano
óvulo
genéticamente
corregido
Corrección genética en el ser humano.
166 UNIDAD 7
embarazo
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Página 167
Terapia génica
La curación de enfermedades de origen genético parecía ciencia ficción
hace unos años. Actualmente, existen grandes esperanzas al respecto. Para
que pueda aplicarse una terapia génica deben cumplirse varias condiciones:
쮿 Que la enfermedad esté causada por una anomalía génica.
쮿 Que se haya localizado el gen defectuoso.
쮿 Que se pueda clonar el gen «normal» no defectuoso.
쮿 Que la introducción de este gen sea técnicamente posible.
Diagnóstico
Gracias a la ingeniería genética
podrá realizarse un diagnóstico
rápido de enfermedades causadas
por genes defectuosos. La rapidez
en el diagnóstico permitirá una
mejor asistencia a los enfermos.
쮿 Que el gen se exprese correctamente y no haya reacciones adversas.
4. La información genética de los
virus se incorpora a la de las células pulmonares, que adquieren el
gen normal.
1. Se inserta el gen humano «normal»
en virus del resfriado común.
inhalador
gen
humano
sano
2. Se realiza un cultivo
de los virus.
3. Los virus se introducen en
un inhalador y, al aplicarse,
llegan a los pulmones.
La fibrosis quística es una de las primeras enfermedades génicas que podrían ser curadas
por terapia génica.
Utilización de transgénicos
El empleo de organismos transgénicos en medicina tiene un gran futuro.
A través de estos organismos modificados genéticamente, se podrán proporcionar sustancias diversas.
1. Se seleccionan y se extraen
ciertos genes bacterianos.
bacteria
platanera
4. Se realizan cultivos
en laboratorio.
5. Se obtienen plátanos
que sirven como vacunas.
2. Se introducen en
células de una planta.
célula
3. Se integran los genes de la
bacteria en el núcleo celular.
Quizás, la vacunación del futuro pueda realizarse a través de algunos alimentos.
Actividades
20 Haz unos esquemas de los pasos que seguirías para:
a) Buscar un tratamiento contra una enfermedad genética provocada por un
gen defectuoso.
b) Obtener mucha cantidad de una determinada molécula humana necesaria
para el tratamiento de una enfermedad.
Genética molecular
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Página 168
El ADN, la molécula de la herencia
El ADN es la molécula portadora de la información genética. Está constituida por la unión de nucleótidos.
El código genético establece la relación entre la secuencia de bases nitrogenadas y la secuencia de aminoácidos
que forman una proteína.
Cada nucleótido consta de desoxirribosa, ácido fosfórico y base nitrogenada. Las distintas moléculas de ADN se
diferencian en la secuencia de las bases nitrogenadas de sus
nucleótidos.
El ADN se puede replicar y formar copias idénticas de sí
mismo. Se trata de una replicación semiconservativa.
La expresión de la información genética
A
A
Un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína.
Las proteínas están formadas por la unión de otras moléculas menores denominadas aminoácidos. Existen 20 aminoácidos distintos, con los que se forman todas las proteínas.
El flujo de la información genética se produce del
siguiente modo: ADN 씮 ARN 씮 proteína.
La transcripción del mensaje genético consiste en la
obtención de una cadena de ARN a partir de una cadena de
ADN complementaria.
U
U
G
G
C
C
A
A
C
C
C
C
A
A
U
U
G
U
U
G
U
U
A
A
A
A
Ingeniería genética
La manipulación de los genes es el objetivo de la ingeniería genética. Gracias a estas técnicas, en la actualidad se
pueden eliminar, añadir o cambiar los genes de una célula u
organismo.
La ingeniería genética tiene múltiples aplicaciones, desde la investigación hasta la biotecnología.
El proyecto Genoma Humano
El proyecto Genoma Humano pretende conocer la
secuencia completa del genoma humano, es decir, el conjunto de genes que lo integran.
Biotecnología
G
Con la biotecnología se obtienen muchos productos de
consumo habitual y se desarrollan importantes aplicaciones
biosanitarias, agrícolas y ganaderas.
G
T
T
A
A
C
G
C
C
G
C
G
C
La clonación y la obtención de organismos transgénicos son dos procesos biotecnológicos basados en la ingeniería genética.
U
C
G
A
C
A
U
G
A
T
A
A
A
T
A
T
G
C
G
T
C
La traducción del mensaje genético consiste en la síntesis de una proteína específica. El proceso se realiza en los
ribosomas que reciben una copia del ADN en forma de
ARNm. El ARNt transporta los aminoácidos del citoplasma
hasta los ribosomas. Los ribosomas recorren la cadena de
ARNm y van uniendo los aminoácidos en el orden adecuado.
La manipulación de genes tiene implicaciones éticas y
sociales que hacen necesaria una regulación de su investigación y de su aplicación.
Elabora un mapa conceptual con los principales contenidos de la Unidad.
168 UNIDAD 7
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Página 169
Ángel está muy triste esta semana. Su profesora de
Ciencias, que lo ha notado, le pregunta el motivo y él le
dice que está preocupado porque a su hermano pequeño,
de 10 meses, le han diagnosticado una inmunodeficiencia
combinada severa. Ángel piensa que tendrá que vivir
aislado en una burbuja de plástico toda su vida.
La profesora, que es muy realista y no quiere dar a
su alumno falsas expectativas, le dice que no es tan sencillo como parece y que en bastantes casos el niño tratado desarrolla leucemia, uno de los efectos secundarios
que más controversia genera esta técnica.
Sin duda, la terapia génica es un gran avance, aunque los científicos que la aplican reconocen que hay que
conseguir una técnica más segura, porque la forma en la
que se reparan los genes en la célula y se introducen de
nuevo en el organismo podría ser la causa del desarrollo
de leucemia o de cualquier otro efecto secundario no
deseado.
En un intento de aclararle a Ángel el protocolo
seguido en la terapia génica, su profesora dibuja el
siguiente esquema:
1. Se extraen células
madre de la médula
ósea del niño enfermo.
La profesora intenta levantar su ánimo y le informa
de que los avances científicos abren una gran ventana a
la esperanza para su hermano gracias a la terapia génica. Para que Ángel comprenda que esto tiene un fundamento, le explica lo siguiente:
«La terapia génica es la técnica terapéutica mediante
la cual se inserta, en las células de un paciente, un gen
funcional capaz de corregir un defecto genético o de
dotar a las células de una nueva función.
En la actualidad, los científicos están trabajando en
la curación de algunas enfermedades genéticas, entre
ellas la que afecta a los niños burbuja o con inmunodeficiencia combinada severa (SCID, según sus siglas en
inglés) como el hermano de Ángel.
El protocolo que se sigue consiste en extraer células
madre hematopoyéticas del niño enfermo, reparar el
defecto genético que portan y volverlas a introducir en
el paciente para que puedan multiplicarse, reemplazar
poco a poco a las defectuosas y restaurar el sistema
inmune.»
Inmediatamente, Ángel bombardea a su profesora
con preguntas como estas:
1
¿Qué es una enfermedad genética?
2
¿Son contagiosas estas enfermedades?
3
¿Cómo puede corregirse un defecto genético?
7. Al cabo de dos
semanas el sistema
inmune se ha
desarrollado
y protege
al bebé.
2. Se seleccionan
las precursoras
del sistema
inmune.
3. Artificialmente se crea
el gen que le falta al niño
y se introduce en un virus
de gibón (un tipo de mono)
inactivado.
6. Las células
transformadas
se reinyectan
en el bebé.
5. Con la infección,
las células
adquieren el gen.
4. Las células
se infectan
con el virus.
Ángel está muy interesado; ve una posible salida a
la enfermedad de su hermano y quiere saber más
cosas. Y sigue preguntando:
¿Qué métodos se utilizan para introducir un gen en
una célula?
4
Si pudieran tratar a su hermano con esta terapia, ¿sería
un niño transgénico?
5
Si el niño es tratado con terapia génica y logra curarse,
¿podría transmitir esta enfermedad a su descendencia —si
la tuviera— cuando sea adulto?
6
Genética molecular
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Página 170
쐌 Explica lo que ocurriría en los siguientes casos:
1
a) Una célula realiza dos mitosis seguidas sin una interfase entre ambas.
쐌 Relaciona cada uno de los procesos o moléculas
que figuran en la columna de la izquierda con los lugares celulares de la columna de la derecha
6
b) Si no existieran ARNt.
ADN
c) Si el ADN se transcribiera continuamente.
ARNm
Ribosomas
d) Si se copiaran las dos cadenas del ADN durante la
transcripción.
Transcripción
Nucléolo
Traducción
Núcleo
e) Si las señales codificadoras de un aminoácido fueran
dos bases nitrogenadas.
Replicación
쐌 Algunas de las siguientes afirmaciones son falsas.
Corrígelas para que sean verdaderas:
2
a) Los nucleótidos que contienen uracilo se encuentran
en el ADN.
b) Los nucleótidos que llevan ribosa se encuentran en
el ARN.
쐌쐌 Utilizando la información que aparece en la página 157, indica los aminoácidos que constituyen las
cadenas proteicas codificadas por las siguientes cadenas de ARNm:
7
a) AUGUUGCAUAGUGACUGA
b) AUGCUCCACAGCGAUUAA
쐌 Ordena cronológicamente los siguientes procesos:
c) La transcripción del mensaje genético no se lleva a
cabo en los ribosomas.
8
d) Los tripletes de bases nitrogenadas presentes en el
ADN se llaman codones.
쮿 Unión de aminoácidos.
e) Las moléculas de ARN están constituidas por una
doble hélice.
쮿 Unión del ARNm a los ribosomas.
쮿 Transcripción del ADN.
쮿 Salida del ARNm del núcleo.
쐌쐌 ¿Qué será más grave para un individuo en cada
uno de los siguientes casos?
f) La cantidad de ADN existente en la fase G1 del ciclo
celular es la misma que en la fase G2.
9
쐌 Copia y completa el siguiente esquema e indica el
nombre de los procesos X, Y y Z.
a) Un cambio en una base nitrogenada del ARN o del
ADN.
3
T
T C
G A
A C
T
A
X
A
T
C
G
T
A
C
C
G
proteina
C
b) La inserción de una base nitrogenada o el cambio de
una base por otra en el ADN.
A
10 쐌 Explica el significado de las siguientes frases:
a) La replicación del ADN es semiconservativa.
Y
b) El ARN es el ejecutor del mensaje genético.
T
U
Z
쐌 Define correctamente los siguientes términos y
establece una relación entre ellos:
11
U
a) ARN mensajero.
b) Código genético.
쐌 Copia y completa el siguiente cuadro:
4
Ácido nucleico
Bases nitrogenadas
Función
c) Ribosomas.
12 쐌쐌쐌 Copia y completa el siguiente cuadro que
expresa el porcentaje de bases nitrogenadas existentes
en una molécula de ADN.
ARNr
A, C, T, G
Transporta
aminoácidos
Adenina
(%)
Uracilo
(%)
Guanina
(%)
Timina
(%)
Citosina
(%)
22
쐌 ¿Cuántos aminoácidos tendrá una proteína sintetizada gracias a la información proporcionada por una
cadena de ARNm de 600 nucleótidos? ¿Cuántos nucleótidos tendrá el ADN correspondiente?
5
170 UNIDAD 7
13 쐌쐌 El ARN mensajero tiene una vida más corta que
el ARN ribosómico y ambas moléculas son mucho
menos estables que el ADN. Explica por qué.
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14 쐌 Indica los nombres de las moléculas y de las
estructuras participantes en el siguiente esquema:
A
19 쐌 Busca información sobre los transgénicos: formas
de obtenerlos, organismos de este tipo que se utilizan en
la actualidad, ventajas e inconvenientes de su consumo.
20 쐌쐌 Si se descubriera que una especie de mono es
D
C
capaz de sintetizar una proteína capaz de curar el cáncer,
¿cómo se conseguiría fabricar un medicamento contra
esta enfermedad?
21 쐌 ¿A qué proceso corresponde el siguiente esquema?
B
Explica en qué consiste.
15 쐌 El siguiente esquema representa un proceso llevado
a cabo en una célula:
G
C
T
los siguientes procesos participa?
a) Fabricación de yogur.
b) Obtención de una planta transgénica.
c) Obtención de un animal clónico.
C
T
C
G
C
T
A
C
G
G
d) Fabricación de vacunas.
G
C
23 쐌쐌 Elabora un esquema de algún proceso en el que
T
A
puedas incluir los siguientes términos: plásmido, cromosoma, bacteria, gen, ser humano, proteína humana.
C
G
C
G
A
U
쮿 ¿Cómo llamarías a ese proceso?
T
A
G
C
G
C
a) ¿De qué proceso se trata?
b) ¿Hay algún error?
c) ¿En qué lugar de la célula se lleva a cabo?
16 쐌쐌 Explica cómo puede investigarse la posible paternidad de un hombre por medio de técnicas de genética
molecular.
쐌 ¿Por qué se dice que la fabricación del pan es un
proceso biotecnológico? ¿Qué otros alimentos también
se consideran fabricados por biotecnología?
17
18 쐌쐌 Se quiere obtener una planta que resista bien las
bajas temperaturas:
a) ¿Qué organismos serán necesarios para conseguirlo?
b) ¿Cómo se llevará a cabo el proceso?
c) ¿Qué ventajas tendrán estas plantas para los agricultores?
d) ¿Tendrá algún inconveniente su consumo?
24 쐌쐌 La ingeniería genética aporta una prueba indis-
cutible de que el ADN constituye la molécula que lleva
la información genética. Razona por qué.
25 쐌쐌 La siguiente gráfica representa la producción de
una proteína en un cultivo de células a lo largo del tiempo.
En el momento B se añade actinomicina (antibiótico
que inhibe la síntesis de ARNm).
concentración
de proteína
.
.
.
.
.
.
.
.
G
A
.
.
.
.
C
A
.
.
.
.
T
T
.
.
.
.
22 쐌 ¿A qué se llama ADN recombinante? ¿En cuáles de
A
A
B
tiempo
a) Explica la evolución del proceso de producción de la
proteína teniendo en cuenta los datos de la gráfica.
b) ¿Qué proceso se detiene a partir del momento B?
c) ¿Qué proceso ha ocurrido antes del momento A?
Genética molecular
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