0S4BL_12_07 25/1/12 16:46 Página 150 ESIONES enética 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?
1 El DN, 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. 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 (DN o proteínas) eran las moléculas de la herencia. En la actualidad, se sabe que un gen está constituido por una molécula conocida como DN (ácido desoxirribonucleico). Esta molécula es la portadora de la información que dota a una célula y a un organismo de sus características biológicas. odo lo que un organismo es depende de su DN; por ello, el DN es la molécula biológica fundamental. e interesa saber El DN es el constituyente básico de la cromatina, que en las células eucarióticas va asociado a proteínas. P P O H O adenina La molécula de DN está formada por la unión de muchas moléculas llamadas nucleótidos. guanina ada nucleótido está constituido por tres moléculas menores: desoxirribosa, base nitrogenada y ácido fosfórico. ácido fosfórico P O nucleótido desoxirribosa H base nitrogenada P H O timina Los nucleótidos del DN se diferencian en el tipo de base nitrogenada. Existen cuatro tipos de bases nitrogenadas: adenina (), citosina (), timina () y guanina (). bases nitrogenadas adenina guanina P H O citosina timina citosina H 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 DN: la cadena simple. enética molecular 151
Descubridores del DN Los estudios del DN mediante difracción de los rayos X, llevados a cabo por Rosalynd Franklin, fueron decisivos para que en 1953, James Watson y Francis rick elaboraran el modelo de doble hélice de la molécula de DN. El DN está constituido por dos cadenas de nucleótidos. 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. James Watson y Francis rick. El empaquetamiento del DN dentro del núcleo celular es enorme: en una célula humana, existen 4 metros de DN que se acoplan en el espacio nuclear de apenas 5 m de diámetro. La unión de las dos cadenas de nucleótidos es posible debido a que las bases nitrogenadas enfrentadas están unidas. Segundo grado de complejidad del DN: 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 DN varía: itocinesis Fase 1. Síntesis de proteínas y crecimiento celular. Fase de mitosis. División nuclear. división celular interfase Fase S. Replicación de DN y síntesis de histonas (proteínas que estabilizan el DN). iclo celular. ctividades Fase 2. Preparación para la división celular. 1 Escribe la cadena complementaria de esta secuencia de DN simple:. 152 NIDD 7
1.1. La duplicación de la información genética ada 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 DN forme copias de sí mismo, es decir, que se replique o se duplique. DN: doble cadena en forma de una doble hélice e interesa saber El mecanismo por el que el DN se duplica debe ser muy preciso. De lo contrario, se obtendrían moléculas distintas: las células hijas que recibieran esas moléculas de DN distintas tendrían diferente información genética. 1. La doble hélice del DN se abre y las dos cadenas que la forman se separan. Nucleótidos libres 2. cada hebra separada de DN 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. omo resultado final, se obtienen dos copias idénticas del DN. ada una de ellas tiene una hebra procedente del DN inicial y otra nueva que se forma. Esta es la razón por la que se dice que la replicación del DN es semiconservativa. vieja nueva nueva vieja ctividades 2 Por qué es imprescindible que la molécula de DN tenga capacidad de duplicarse? Qué ocurriría si esto no fuera posible? Por qué es tan importante que no existan errores en la autoduplicación del DN? 3 Define los siguientes términos: a) Base nitrogenada complementaria. b) Replicación semiconservativa del DN. enética molecular 153
2 La expresión de la información genética 2.1. La ejecución del mensaje genético n gen es un segmento de DN 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. omo 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. e interesa saber on los 20 aminoácidos proteicos se pueden formar 20 500 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. ctividades 4 Se puede establecer alguna similitud entre los aminoácidos y los nucleótidos? Razona la respuesta. La variedad de proteínas origina estructuras de todo tipo, como las plumas de las aves. 154 NIDD 7
Los ribosomas, que se encuentran en el citoplasma, realizan la síntesis de proteínas. Sin embargo, si el DN no puede salir del núcleo, cómo llega su información genética al citoplasma? El DN copia su mensaje genético en otra molécula: el RN (ácido ribonucleico), que sale del núcleo y lleva la información al citoplasma. El RN se diferencia del DN 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 (). Existen tres clases de RN: RN mensajero (RNm). Es una copia del mensaje genético del DN, necesario para la síntesis de una proteína. RN ribosómico (RNr). Forma parte de los ribosomas, orgánulos donde se unen los aminoácidos para formar las cadenas proteicas. RN transferente (RNt). ransporta, hasta los ribosomas, los aminoácidos que van a unirse. partir de la información proporcionada por el DN, la síntesis de proteínas se produce en dos etapas: transcripción y traducción. ranscripción El proceso de transcripción consiste en copiar una parte del mensaje genético desde su forma original (DN) a otra (RNm) que se puede utilizar para la síntesis de una proteína específica. El flujo de la información genética El flujo de la información genética se produce del siguiente modo: DN transcripción DN traducción proteína e interesa saber Los RN ribosómicos y transferentes no son específicos de cada organismo; en cambio, los RN mensajeros sí lo son, pues corresponden a la copia de los genes concretos que posee un individuo. DN doble 1. Se abre la doble hélice del DN. Del DN al RN. 2. Los nucleótidos complementarios se sitúan enfrente de una de las dos cadenas (cadena molde). 3. Solamente se copia una de las dos cadenas de DN. nucleótidos libres RN DN simple 4. Se obtiene una cadena de RN con una secuencia de bases complementaria a la del DN. ctividades 5 Qué tipo de RN corresponde a una copia del gen que lleva la información para la síntesis de una proteína? 6 iene un individuo los mismos RN ribosómicos que otro? Y los RN transferentes? 7 Si una secuencia de bases de RN es, cuál será la secuencia de la cadena de DN que ha servido de molde para su síntesis? enética molecular 155
raducción DN núcleo membrana nuclear ribosoma 1. El mensaje copiado en forma de RN es idéntico al que se encuentra en el DN (con la salvedad de que posee uracilo en lugar de timina). aminoácidos 2. Este RN es una molécula de cadena sencilla y, al ser más pequeña que el DN, puede salir del núcleo. RNm citoplasma 3. El RNm se sitúa sobre los ribosomas, orgánulos citoplasmáticos que sintetizan las proteínas. 4. El RNt transporta los aminoácidos libres del citoplasma hasta los ribosomas, según el orden que indica el mensaje del RNm. RNt 5. ada molécula de RNt es específica para cada aminoácido. proteína (cadena de aminoácidos) 6. Los ribosomas recorren la cadena de RNm y van uniendo aminoácidos en el orden adecuado, según la secuencia de bases nitrogenadas: el RNm es leído por los ribosomas que lo traducen en una proteína. 7. Para cada proteína existe un RNm distinto y, por tanto, un fragmento de DN distinto con la información necesaria. Lectura del mensaje genético para formar proteínas. ctividades 8 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? 9 Qué quiere decir la frase: «El RN mensajero es leído por los ribosomas»? 10 ómo «saben» los aminoácidos el orden en que deben colocarse para ser unidos y formar una proteína determinada? 156 NIDD 7
2.2. El código genético Se denomina código genético a la relación entre la secuencia de bases nitrogenadas del DN (o del RNm) y la secuencia de los aminoácidos que constituyen una proteína. Reflexiona uántas bases nitrogenadas debe formar cada señal que codifica para un aminoácido, para que estén representados los 20 aminoácidos?, por qué? e interesa saber n código es un sistema de símbolos que contienen un mensaje. Para que un código sea útil debe existir una forma de interpretarlo. Necesariamente, tres bases nitrogenadas consecutivas (triplete) forman cada señal que codifica para un aminoácido. Los tripletes del DN se denominan codógenos y los tripletes del RNm reciben el nombre de codones. aracterísticas 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 aminoácido aminoácido n mismo aminoácido puede ser codificado por más de un codón. Es una secuencia lineal de bases nitrogenadas. los sucesivos codones. No hay separaciones entre Es universal, es decir, es el mismo para todos los seres vivos. omo el código es universal, los ribosomas de una célula pueden leer cualquier RNm, aunque no proceda de ella misma. SEND BSE PRIMER BSE Fen Ser ir Fen Ser ir Leu Ser Final Leu Ser Final Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met Val Val Val Val Pro Pro Pro Pro re re re re la la la la His His ln ln sn sn Lis Lis sp sp lu lu is is Final rp ódigo genético (la abreviatura del nombre de los aminoácidos figura a la derecha de cada codón). rg rg rg rg Ser Ser rg rg li li li li ERER BSE ctividades 11 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? 12 on la ayuda de la tabla del código genético que se encuentra en esta página, indica la secuencia de aminoácidos que tendría un fragmento de proteína codificada por el RNm siguiente: enética molecular 157
3 Ingeniería genética La ingeniería genética es el conjunto de técnicas que permiten manipular el material genético. racias 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 DN 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 DN por lugares específicos. 3. Se une el gen a una molécula de DN transportador (vector), perteneciente a una bacteria o a un virus. La unión del gen y el vector se denomina DN recombinante. 1. Se separan las dos hebras del DN que se quiere copiar. Para ello, se debe calentar la muestra. 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 DN polimerasa. 3. Se vuelven a separar las hebras de las dobles hélices formadas. 4. El ciclo se repite varias veces hasta conseguir un gran número de copias del DN inicial, pues las replicaciones siguen un proceso exponencial. 158 NIDD 7
3.1. plicaciones 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 DN célula humana gen aislado muestras (pelo, sangre...) bacteria plásmido Introducción de un gen humano que produce cáncer en células de ratón, para investigar esta enfermedad. En pruebas de paternidad DN recombinante célula de ratón con el gen humano DN sospechoso Identificación de los supuestos implicados en un hecho delictivo (víctimas o delincuentes). En estudios históricos y arqueológicos comparación DN bebé comparación adulto DN Investigación de una supuesta paternidad mediante la comparación de muestras de DN. El DN 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. simismo, 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. Descubrimientos inesperados En enero de 2008, la secuenciación del DN de las jirafas, realizado por técnicas de ingeniería genética, permitió descubrir la existencia de seis especies distintas de jirafas, no una, como se pensaba. ctividades 13 Explica el papel que desempeñan los plásmidos en la ingeniería genética. enética molecular 159
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: Las expectativas sobre el tratamiento de las enfermedades genéticas abren una vía de esperanza para muchas personas. 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: onsecuencias imprevisibles y dilemas éticos Los organismos modificados, particularmente las bacterias y los virus, podrían diseminarse desde los laboratorios y llegar hasta el ser humano. simismo, 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 DN artificial En 2008, el científico estadounidense raig Venter consiguió copiar por primera vez de un modo artificial el DN completo de una especie libre: la bacteria Micoplasma genitalium, un parásito del tracto urogenital humano. Este logro avanza un paso más en la creación del primer «organismo de laboratorio». lgunos 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. uáles 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 ctividades 14 Elabora una lista donde figuren las ventajas del uso de la ingeniería genética humana y otra con las desventajas. ompáralas 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? Es lícito crear seres humanos idénticos? En la actualidad, todavía no se ha desarrollado una legislación sobre estos temas. demás, las técnicas y los descubrimientos avanzan tan rápidamente que resulta difícil anticiparse a sus consecuencias éticas y sociales. 160 NIDD 7
4 El proyecto enoma Humano Se denomina genoma al conjunto de genes de un organismo. En el genoma se encuentra toda la información biológica que identifica una especie. onocer el genoma significa: veriguar la secuencia completa de bases nitrogenadas de su DN. Localizar y situar todos los genes en los cromosomas. omprender las relaciones entre los genes. Descubrir e identificar genes antes desconocidos. principios de los años 90 del siglo pasado, comenzó la investigación acerca del ser humano con el llamado proyecto enoma Humano. En abril de 2003, se completó toda la secuencia de nucleótidos del genoma humano. ctualmente, se sabe que: 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. El 99,9 % de estos genes son iguales en todas las personas: las diferencias entre nosotros no representan más del 0,1 % del genoma. 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. simismo, se piensa que parte de este DN puede corresponder a restos genéticos de nuestros antepasados. gusano (19 000 genes) ser humano (30 000 genes) 20 % idéntico 60 % idéntico mosca (13 000 genes) plicaciones Las aplicaciones prácticas que se derivan del conocimiento del genoma humano son muy importantes: Diagnóstico y prevención de enfermedades genéticas. erapia génica, es decir, tratamiento de enfermedades mediante la modificación de los genes responsables. Diseño de fármacos más eficaces que actúen de forma personalizada, según las características genéticas individuales. Nuevas investigaciones en genética humana. ratón (30 000 genes) 70 % idéntico 98 % idéntico chimpancé (30 000 genes) La comparación del genoma humano con el de otras especies revela el grado de semejanza que existe entre ellos. ctividades 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? enética molecular 161
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 El pan es un producto biotecnológico en el que participa la levadura Saccharomyces cerevisiae. Productos lácteos partir de la leche y gracias a la acción de algunas bacterias, se fabrican productos lácteos como el queso y el yogur. harina bacterias lácticas agua levadura cocción leche yogur bífidus fermentación leche fermentada queso Bebidas alcohólicas Las bebidas alcohólicas también se producen por la fermentación realizada por Saccharomyces cerevisiae. Esta levadura utiliza como sustrato los glúcidos presentes en diversos productos (mosto, malta, etcétera). uva levadura prensa exprimidora embotellado cuba de fermentación envejecimiento cuba de sedimentación filtrado cuba de fermentación Proceso de fabricación del vino. 162 NIDD 7
demás de algunos alimentos, existen otros muchos productos obtenidos por biotecnología: Vacunas ntibióticos Productos químicos industriales Las vacunas consisten en micoorganismos o parte de ellos, sin virulencia. Los antibióticos son producidos por microorganismos, como ciertos mohos. lgunos microorganismos producen sustancias que se utilizan en la industria. simismo, 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. iertas bacterias almacenan moléculas muy parecidas a los plásticos (bioplásticos) como sustancias de reserva. unque 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. lgunas bacterias son capaces de degradar hidrocarburos: resultan muy útiles en la lucha contra los vertidos de petróleo. ctividades 17 Indica alguna semejanza entre: a) Fabricación de pan y de vino. b) Degradación de manchas de petróleo y producción de bioplásticos. enética molecular 163
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. plicaciones 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. lonación 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 DN con enzimas de restricción y se aísla el gen. plásmido 3. Se forma un DN recombinante con la participación de una enzima ligasa. 2. Se obtiene un vector bacteriano. 4. Se introduce en la célula hospedadora. replicación 5. Se selecciona el clon deseado y se producen las células. La clonación génica permite obtener copias idénticas de un gen que interese introducir en un organismo. e interesa saber on 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. 4. La oveja que nace es idéntica a la oveja donadora del núcleo. Proceso de clonación de una oveja. 164 NIDD 7
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). DN bacteriano gen responsable de la toxicidad 4. Se cultivan las plantas en el laboratorio. 1. Se corta el DN y se selecciona el fragmento que porta el gen para la síntesis de una sustancia insecticida. planta de maíz no resistente a insectos DN planta 2. Se introduce el DN de la bacteria en la célula vegetal. 3. Se inserta el material genético de la bacteria en el DN de la planta. célula vegetal Proceso de obtención de una planta transgénica resistente a insectos. 5. Se obtienen plantas resistentes al insecto. 1. Para llevar a cabo la fecundación (externa), los peces liberan sus células sexuales al agua. Los peces transgénicos crecen más rápido. 50 % Proceso para conseguir carpas y salmones transgénicos. ctividades 18 Explica la diferencia entre: 2. l poco de la fecundación, los embriones reciben una microinyección de DN con la información deseada. a) lonación génica y clonación de organismos. b) Organismo clónico y organismo transgénico. embriones viables entre 10 y 70 % peces con la proteína deseada 3. Peces transgénicos: se ha insertado el DN extraño en el suyo propio. hormonas del crecimiento proteína anticongelante Estos peces sobreviven en ambientes más fríos. 19 Por qué se dice que la oveja Dolly tiene tres madres y ningún padre? enética molecular 165
plicaciones 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. 3. Se introduce el gen en el plásmido. 4. Se introduce el plásmido modificado en una bacteria. 7. La insulina se emplea para tratar la diabetes. 6. Estas bacterias producen insulina humana. Esquema de fabricación de la insulina. 5. Las bacterias se reproducen con rapidez. 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. vector con gen sano óvulo fecundado 3. Se obtiene un cultivo transformado. célula corregida genéticamente 1. Se realiza un cultivo celular con el óvulo fecundado. núcleo 4. Se extrae el núcleo de la célula corregida y se introduce en un óvulo sin núcleo. óvulo sin núcleo orrección genética en el ser humano. óvulo genéticamente corregido embarazo bebé sano 166 NIDD 7
erapia génica La curación de enfermedades de origen genético parecía ciencia ficción hace unos años. ctualmente, existen grandes esperanzas al respecto. Para que pueda aplicarse una terapia génica deben cumplirse varias condiciones: Que la enfermedad esté causada por una anomalía génica. Que se haya localizado el gen defectuoso. Que se pueda clonar el gen «normal» no defectuoso. Que la introducción de este gen sea técnicamente posible. Que el gen se exprese correctamente y no haya reacciones adversas. Diagnóstico racias 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. 1. Se inserta el gen humano «normal» en virus del resfriado común. gen humano sano inhalador 4. La información genética de los virus se incorpora a la de las células pulmonares, que adquieren el gen normal. 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. tilización de transgénicos El empleo de organismos transgénicos en medicina tiene un gran futuro. través de estos organismos modificados genéticamente, se podrán proporcionar sustancias diversas. 1. Se seleccionan y se extraen ciertos genes bacterianos. bacteria platanera 2. Se introducen en células de una planta. 4. Se realizan cultivos en laboratorio. 5. Se obtienen plátanos que sirven como vacunas. célula Quizás, la vacunación del futuro pueda realizarse a través de algunos alimentos. 3. Se integran los genes de la bacteria en el núcleo celular. ctividades 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. enética molecular 167
El DN, la molécula de la herencia El DN es la molécula portadora de la información genética. Está constituida por la unión de nucleótidos. ada nucleótido consta de desoxirribosa, ácido fosfórico y base nitrogenada. Las distintas moléculas de DN se diferencian en la secuencia de las bases nitrogenadas de sus nucleótidos. El DN se puede replicar y formar copias idénticas de sí mismo. Se trata de una replicación semiconservativa. La expresión de la información genética n gen es un segmento de DN 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: DN RN proteína. La transcripción del mensaje genético consiste en la obtención de una cadena de RN a partir de una cadena de DN complementaria. El código genético establece la relación entre la secuencia de bases nitrogenadas y la secuencia de aminoácidos que forman una proteína. Ingeniería genética La manipulación de los genes es el objetivo de la ingeniería genética. racias 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 enoma Humano El proyecto enoma Humano pretende conocer la secuencia completa del genoma humano, es decir, el conjunto de genes que lo integran. Biotecnología on la biotecnología se obtienen muchos productos de consumo habitual y se desarrollan importantes aplicaciones biosanitarias, agrícolas y ganaderas. La clonación y la obtención de organismos transgénicos son dos procesos biotecnológicos basados en la ingeniería genética. 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 DN en forma de RNm. El RNt transporta los aminoácidos del citoplasma hasta los ribosomas. Los ribosomas recorren la cadena de RNm 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. 168 NIDD 7 Elabora un mapa conceptual con los principales contenidos de la nidad.
Ángel está muy triste esta semana. Su profesora de iencias, 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. 2. Se seleccionan las precursoras del sistema inmune. 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 (SID, 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 2 3 Qué es una enfermedad genética? Son contagiosas estas enfermedades? ómo puede corregirse un defecto genético? 7. l cabo de dos semanas el sistema inmune se ha desarrollado y protege al bebé. 6. Las células transformadas se reinyectan en el bebé. 3. rtificialmente se crea el gen que le falta al niño y se introduce en un virus de gibón (un tipo de mono) inactivado. 5. on 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: 4 Qué métodos se utilizan para introducir un gen en una célula? 5 Si pudieran tratar a su hermano con esta terapia, sería un niño transgénico? 6 Si el niño es tratado con terapia génica y logra curarse, podría transmitir esta enfermedad a su descendencia si la tuviera cuando sea adulto? enética molecular 169
1 Explica lo que ocurriría en los siguientes casos: a) na célula realiza dos mitosis seguidas sin una interfase entre ambas. b) Si no existieran RNt. c) Si el DN se transcribiera continuamente. d) Si se copiaran las dos cadenas del DN durante la transcripción. e) Si las señales codificadoras de un aminoácido fueran dos bases nitrogenadas. 2 lgunas de las siguientes afirmaciones son falsas. orrígelas para que sean verdaderas: a) Los nucleótidos que contienen uracilo se encuentran en el DN. b) Los nucleótidos que llevan ribosa se encuentran en el RN. c) La transcripción del mensaje genético no se lleva a cabo en los ribosomas. d) Los tripletes de bases nitrogenadas presentes en el DN se llaman codones. e) Las moléculas de RN están constituidas por una doble hélice. f) La cantidad de DN existente en la fase 1 del ciclo celular es la misma que en la fase 2. 3 opia y completa el siguiente esquema e indica el nombre de los procesos X, Y y Z. 4 X Y opia y completa el siguiente cuadro: Ácido nucleico Bases nitrogenadas Función RNr,,, proteina 5 uántos aminoácidos tendrá una proteína sintetizada gracias a la información proporcionada por una cadena de RNm de 600 nucleótidos? uántos nucleótidos tendrá el DN correspondiente? Z ransporta aminoácidos 6 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 7 tilizando la información que aparece en la página 157, indica los aminoácidos que constituyen las cadenas proteicas codificadas por las siguientes cadenas de RNm: a) b) 8 DN RNm ranscripción raducción Replicación Ordena cronológicamente los siguientes procesos: ranscripción del DN. nión de aminoácidos. Salida del RNm del núcleo. nión del RNm a los ribosomas. 9 Qué será más grave para un individuo en cada uno de los siguientes casos? a) n cambio en una base nitrogenada del RN o del DN. b) La inserción de una base nitrogenada o el cambio de una base por otra en el DN. 10 Explica el significado de las siguientes frases: a) La replicación del DN es semiconservativa. b) El RN es el ejecutor del mensaje genético. 11 Define correctamente los siguientes términos y establece una relación entre ellos: a) RN mensajero. b) ódigo genético. c) Ribosomas. 12 opia y completa el siguiente cuadro que expresa el porcentaje de bases nitrogenadas existentes en una molécula de DN. denina (%) 22 racilo (%) uanina (%) Ribosomas Nucléolo Núcleo imina (%) itosina (%) 13 El RN mensajero tiene una vida más corta que el RN ribosómico y ambas moléculas son mucho menos estables que el DN. Explica por qué. 170 NIDD 7
.................... 14 Indica los nombres de las moléculas y de las estructuras participantes en el siguiente esquema: D B 19 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 Si se descubriera que una especie de mono es capaz de sintetizar una proteína capaz de curar el cáncer, cómo se conseguiría fabricar un medicamento contra esta enfermedad? 21 qué proceso corresponde el siguiente esquema? Explica en qué consiste. 15 El siguiente esquema representa un proceso llevado a cabo en una célula: a) De qué proceso se trata? b) Hay algún error? c) En qué lugar de la célula se lleva a cabo? 16 Explica cómo puede investigarse la posible paternidad de un hombre por medio de técnicas de genética molecular. 17 Por qué se dice que la fabricación del pan es un proceso biotecnológico? Qué otros alimentos también se consideran fabricados por biotecnología? 18 Se quiere obtener una planta que resista bien las bajas temperaturas: a) Qué organismos serán necesarios para conseguirlo? b) ómo se llevará a cabo el proceso? c) Qué ventajas tendrán estas plantas para los agricultores? d) endrá algún inconveniente su consumo? 22 qué se llama DN recombinante? En cuáles de los siguientes procesos participa? a) Fabricación de yogur. b) Obtención de una planta transgénica. c) Obtención de un animal clónico. d) Fabricación de vacunas. 23 Elabora un esquema de algún proceso en el que puedas incluir los siguientes términos: plásmido, cromosoma, bacteria, gen, ser humano, proteína humana. ómo llamarías a ese proceso? 24 La ingeniería genética aporta una prueba indiscutible de que el DN constituye la molécula que lleva la información genética. Razona por qué. 25 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 RNm). concentración de proteína 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? B enética molecular 171