GENES Y MANIPULACIÓN GENÉTICA

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1 GENES Y MANIPULACIÓN GENÉTICA El ADN, material de los genes La información que controla la aparición de los caracteres hereditarios se localiza en el interior del núcleo celular y se transmite de célula a célula empaquetada en cromosomas. El material hereditario Los cromosomas están formados por dos tipos diferentes de moléculas: Proteínas: histonas. ADN: ácido desoxirribonucleico (material hereditario). El ADN es un compuesto que se tiñe muy bien con un colorante rojo (fucsina C 20 H 17 N 3 Na 2 O 9 S 3 ). Gracias a esta tinción podemos observarlo en: Interfase: todo el núcleo aparece coloreado porque las moléculas de ADN forman filamentos muy finos y largos empaquetados en un apretado ovillo (cromatina). Mitosis: la coloración se localiza en los cromosomas. Cada molécula de ADN se compacta, se enrolla y origina un cromosoma. El ADN es el material del que están compuestos los genes. Cada cromosoma lleva una molécula de ADN, aunque durante gran parte de la mitosis estos aparecen como estructuras dobles, es decir, con dos moléculas de ADN idénticas. Estructura de la molécula del ADN En 1953 Crick y Watson (investigadores de la Universidad de Cambridge), construyeron un modelo de la molécula de ADN por el que merecieron el Premio Nobel de Medicina en También podemos ver otro tipo de ácido, el ARN (ácido ribonucleico), que está presente en las células procariotas o eucariotas y en la mayoría de virus. Aprovechamos para comparar y definir ambos conceptos: ADN ARN Formación 2 cadenas de polinucleótidos 1 cadena de polinucleótidos Composición Nucleótidos: Pentosa desoxirribosa. Nucleótidos: Pentosa ribosa. Base nitrogenada (adenina, timina, Base nitrogenada (uracilo, citosina, guanina). Grupo fosfato. adenina, guanina, citosina). Grupo fosfato. Complementariedad de A T y C G bases Agrupación de nucleótidos

2 Las funciones del ADN Si el ADN es el material del que están hechos los genes, esta molécula deberá realizar las funciones que se atribuyen a los genes, es decir: Llevar la información genética. Controlar la aparición de caracteres. Pasar la información de una célula a sus descendientes durante el proceso de la división celular. El ADN contiene información Todos llevamos 46 moléculas de ADN en nuestras células y todas las moléculas de ADN están formadas por la repetición de los mismos cuatro nucleótidos. Si se comparan dos moléculas de ADN, la única diferencia observable entre ellas es el orden en que se suceden los nucleótidos es, por tanto, la secuencia de nucleótidos quien contiene la información. Cada cromosoma está formado por una única molécula de ADN y un cromosoma contiene muchos genes, por lo tanto podemos enunciar: Un gen es un segmento de ADN que lleva codificada la información para un determinado carácter. Información que contienen los genes Un individuo no puede manifestar un determinado carácter si no posee el gen correspondiente. Además, para que aparezca el carácter es necesario que el individuo sintetice una proteína que es diferente en cada caso. Un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para construir una determinada proteína que, a su vez, controla la aparición de un determinado carácter. El código genético El código que utiliza el lenguaje del ADN se conoce como código genético; en él cada trío de nucleótidos sucesivos forma un triplete que constituye un aminoácido. SÍNTESIS PROTEICA Gen Proteína Carácter 3 nucleótidos Aminoácido Proteína La traducción del mensaje genético Las instrucciones genéticas para fabricar proteínas están contenidas en el núcleo de la célula, en el ADN. Los orgánulos encargados de fabricarlas, los ribosomas, están en el citoplasma. El proceso de traducción del mensaje genético en una proteína se realiza en dos etapas: Transcripción: tiene lugar en el núcleo y consiste en hacer una copia de la porción del ADN que lleva la información necesaria para fabricar la proteína deseada y trasladarla al citoplasma. De aquí surge el ARN que más tarde será leído por los ribosomas. El ADN se abre y, a partir de una cadena, se transcribe la información y se crea una única cadena de ARN. Traducción: tiene lugar en el citoplasma, donde se encuentran los ribosomas. Esta etapa consiste en fabricar la proteína correspondiente uniendo aminoácidos en el orden indicado. El papel que desempeñan los ribosomas es traducir la molécula de ARN e ir agrupando por tres los nucleótidos, formando aminoácidos y proteínas.

3 La secuencia de nucleótidos de un gen constituye una información que se utiliza para situar en el orden adecuado los aminoácidos que forman una proteína. Cada gen se traduce en la célula en una proteína diferente, responsable directa de un determinado carácter. La replicación del ADN La información contenida en el ADN es idéntica para todas las células del individuo y se transmite en cada división celular con total exactitud. Para lograrlo, cada molécula de ADN hace una réplica de sí misma en un proceso conocido como replicación, llevado a cabo en la interfase. La complementariedad de las dos cadenas que constituyen la molécula de ADN es una característica fundamental para comprender cómo el material hereditario puede hacer copias exactas de sí mismo. El proceso consiste en lo siguiente: Las uniones entre las parejas de nucleótidos complementarios se rompen y las dos cadenas de la doble hélice se separan (despirilación de la cadena de ADN). Cada cadena sirve de molde para fabricar una nueva cadena complementaria acoplando los nucleótidos correspondientes. El resultado final de la replicación son dos moléculas de ADN que son una copia exacta de la molécula original y, por tanto, contienen la misma información genética. Pero el mecanismo que permite la copia del ADN no es perfecto y, en ocasiones, se produce una secuencia de nucleótidos errónea que provoca malformaciones, denominadas mutaciones. Mutaciones La aparición de forma súbita y al azar de cambios en la información contenida en el ADN recibe el nombre de mutación. Las mutaciones se producen espontáneamente, aunque pueden estar estimuladas por algunos agentes externos, denominados, agentes mutagénicos como: Radicaciones: rayos X, luz ultravioleta Sustancias químicas: ácido nitroso, uranio Tipos de mutaciones Las mutaciones podemos clasificarlas según si son o no heredables o según su grado de afección. No heredables: afectan a células somáticas y, por tanto, desaparecerán con la muerte de la célula o el organismo. Algunas pueden provocar tumores, células que han sufrido más de una mutación. Heredables: se producen en células germinales y, en el momento de la fecundación, se transmiten de generación en generación. Génicas: afectan a 1 ó varios genes. Albinismo, hemofilia Cromosómicas: afectan a un cromosoma. Síndrome de Down, síndrome de Turner

4 Las mutaciones son el origen de la diversidad Al comparar la secuencia de nucleótidos de dos genes alelos, es frecuente que las diferencias se reduzcan a uno o dos nucleótidos. La causa de estas diferencias son una o varias mutaciones. La existencia de dos o más alelos para un mismo gen es la base de la diversidad genética originada por diversas mutaciones. La ingeniería genética En los años posteriores al descubrimiento del ADN los científicos se esforzaron en comprender cómo esta molécula era capaz de contener información. Tan solo 25 años después ya eran capaces de reproducir en el laboratorio procesos que suceden de modo natural en las células y modificarlos. Nació así la ingeniería genética. La ingeniería genética agrupa un conjunto de complejas técnicas que permiten retirar, modificar o agregar genes a una molécula de ADN de un organismo. Los genes incorporados pueden proceder de un organismo de la misma especie o de otra diferente. Modificación del ADN de un organismo Uno de los primeros experimentos de la ingeniería genética fue la introducción de la insulina en el ADN de una bacteria consiguiendo así que ésta produzca insulina. 1.- Localización del gen que se ha de transferir. 2.- Aislar el gen utilizando enzimas que cortan el ADN por lugares precisos: tijeras moleculares. 3.- Insertar el gen en otro segmento de ADN. El ADN resultante se denomina ADN recombinante. 4.- Introducir el ADN recombinado en la célula huésped. 5.- Confirmar que la célula huésped es capaz de fabricar la proteína correspondiente. 6.- Clonar el gen. Dejar que se multipliquen las células consiguiendo así grandes cantidades de la proteína. La ingeniería genética permite identificar y aislar genes correctos y producir copias idénticas del gen. Además, el gen clonado puede ser transferido a células que fabricarán el producto que codifican.

5 Organismos transgénicos Un organismo (procariota) cuyo genoma se ha modificado mediante ingeniería genética se denomina organismo genéticamente modificado (OGM). Sin embargo, los organismos eucarióticos que han sido modificados por ingeniería genética se denominan organismos transgénicos. Ej.: Existen dos ratones, que poseen la misma dieta y uno es mayor que otro. El último es un animal transgénico. Ya en 1980, se obtuvo el primer animal transgénico (un ratón gigante). Para conseguirlo se introdujo en una célula huevo de ratón el gen humano que controla la síntesis de la hormona del crecimiento. Organismo transgénico: ratón. Gen: gen regulador de la segregación de la hormona del crecimiento humano. Donador: ser humano. Beneficio: crecimiento veloz y excesivo del ratón. Más de 100 millones de hectáreas están dedicadas a las plantas transgénicas (maíz y soja). Un variedad muy extendida de maíz transgénico (Maíz-BT) tiene la propiedad de resistir al ataque de los taladros (larvas de mariposas). Esto sucede gracias a la incorporación de ciertas bacterias que fabrican una proteína venenosa. Organismo transgénico: maíz-bt Gen: vector de una bacteria que segrega veneno ante los taladros. Donador: bacteria. Beneficio: el maíz es resistente al ataque de los taladros. La producción de organismos transgénicos Se realiza en dos etapas: Transformación: introducir el gen deseado en el genoma de una célula del organismo que se desea modificar. Regeneración: obtener un animal o planta transgénico mediante ingeniería genética es muy caro. Para solventar el gasto económico se producen técnicas de clonación conseguir el mayor número de organismos de una misma célula. Los proyectos Genoma El genoma de un organismo es el conjunto de genes que posee y su estudio tiene como principal objetivo localizar cada uno de estos. La secuenciación del ADN es posible hoy día gracias a las técnicas aportadas pos la ingeniería genética. La cual ha permitido que en los últimos años se haya conseguido secuenciar centenares de genomas de múltiples especies. Secuenciar el ADN del genoma de un organismo requiere esfuerzo y trabajo. Por ello, a menudo los científicos de diferentes laboratorios establecen colaboraciones denominadas proyectos Genoma. El Proyecto Genoma Humano El Proyecto Genoma Humano (PGH) empezó a funcionar en 1990 bajo la dirección de James Watson. Los objetivos propuestos en este proyecto eran los siguientes: Elaborar mapas para identificar cuáles son los genes existentes y, determinar en qué cromosoma y en qué lugar se encuentran. Determinar la secuencia exacta de nucleótidos de cada gen, con el objetivo de poder conocer la proteína que codifica y sus posibles alteraciones. En abril de 2003 se completó la secuenciación del ADN humano, pero todavía sigue investigándose dentro del PGH. Características del genoma humano El Proyecto Genoma Humano ha revelado que: El genoma humano contiene 3200 millones de pares de bases. Sólo el 2% del genoma contiene genes.

6 El genoma es casi idéntico en todas las personas. Sólo un 0 1% varía de unas a otras. Contiene genes. Aproximadamente la mitad de las proteínas humanas comparten semejanzas con las de otros seres vivos. Aplicaciones del PGH Gracias al conocimiento del genoma humano se ha podido avanzar en aplicaciones directas en el campo de la salud. Con él podemos diagnosticar de modo precoz enfermedades hereditarias, fabricar medicamentos e, incluso, realizar terapias genéticas (posibilidad de sustituir el gen responsable de una enfermedad por su alelo normal).

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