BIOLOGÍA El metabolismo TEMA 11 La Herencia. Genética molecular.
LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA: GENÉTICA MOLECULAR
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TEMA 16. La base química de la herencia: Genética molecular F.- Genómica y Proteómica. - Regulación de la expresión génica G.- Los errores en la información genética: mutaciones. - Tipos de mutaciones. - Agentes mutagénicos y cáncer. H.- Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies. I.- Organismos modificados genéticamente. Esta última parte del tema es más descriptiva y no creo que os cree problemas para entenderla
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TEMA 16. La base química de la herencia: Genética molecular
F.- Genómica y Proteómica.- Regulación de la expresión génica
G.- Los errores en la información genética: mutaciones. - Tipos de mutaciones.- Agentes mutagénicos y cáncer.
H.- Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies.
I.- Organismos modificados genéticamente.
Esta última parte del tema es más descriptiva y no creo que os cree problemas para entenderla
El Genoma es el conjunto de genes de una especie
El ADN de Escherichia coli tiene 4 600 000 pares de bases, y tiene unos 4000 genes.
La especie humana tiene entre 20000 y 25000 genes en 23 cromosomas, que en conjunto suponen 3000 millones de pares de bases en el ADN (3x 109)
El proyecto genoma humano consistió en secuenciar, es decir, identificar el orden de cada uno de los nucleótidos de nuestro ADN situado en los 23 cromosomas
Fue promovido por James Watson, uno de los descubridores de la estructura del ADN
GENÉTICA MOLECULAR
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El 16 de febrero de 2001 se publico el primer avance de este trabajo, en las dos revista científicas de más prestigio
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CROMOSOMA GENES TAMAÑO
1 4220 247 199 719
2 1491 242 751 149
3 1550 199 446 827
4 446 191 263 063
5 609 180 837 866
6 2281 170 896 993
7 2135 158 821 424
8 1106 146 274 826
9 1920 140 442 298
10 1793 135 374 737
11 379 134 452 384
12 1430 132 289 534
13 924 114 127 980
14 1347 106 360 585
15 921 100 338 915
16 909 88 822 254
17 1672 78 654 742
18 519 76 117 153
19 1555 63 806 651
20 1008 62 435 965
21 578 46 944 323
22 1092 49 528 953
X 1846 154 913 754
Y 454 57 741 652
Total 32 185 3 079 843 747
Número de genes y tamaño (en pares de bases) del ADN del genoma humano
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La genómica es la disciplina que estudia el genoma. Es decir, la estructura de los genes, su distribución , sus relaciones evolutivas…
Ten en cuenta que no sólo de la especie humana, sino de cualquier especie animal, vegetal o bacteriana…
Por ejemplo, el estudio del genoma del SARS Cov-2, el virus que produce la pandemia de Covid 19, ha sido crucial para desarrollar la técnica de detección en las personas contagiadas
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Como ya sabemos, los genes son los responsables del funcionamiento de la célula, pero cada célula dispone de un equipo de proteínas (enzimas, receptores, transportadores….) que son las que llevan a cabo el trabajo específico de cada una.
Llamamos proteoma al conjunto de proteínas expresadas en cada célula, o en un organismo completo.
El estudio de las proteínas que se expresan, es decir que están activas en cada individuo o tipo celular es la llamada proteómica
la genómica y la proteómica son dos disciplinas muy importantes de la biología moderna.
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Distribución de las proteínas del proteoma humano
Los genes de las proteínas que se necesitan permanentemente, como los de las enzimas de la glucólisis,o de proteínas del citoesqueleto (actina y tubulina) se transcriben de forma prácticamente constante: son los llamados genes constitutivos.
Los niveles de otras proteínas aumentan o disminuyen de acuerdo a las necesidades de la célula o gracias a la llegada de señales externas como hormonas o factores de crecimiento.
Esto es lo que se llama regulación de la expresión génica.
A este respecto puede haber genes inducibles y reprimibles, en función de si se expresan en presencia de determinada señal, o por el contrario se reprimen.
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Generalmente los genes se regulan en grupos relacionados denominados Operones
Un Operón incluye los genes denominados estructurales y los reguladores
La ARN polimerasa se une en una región llamada promotora y las sustancias reguladoras en el operador.
Genes estructuralesGenes reguladores
Promotor Operador
A CB
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Veamos un ejemplo:
El modelo del operón lactosa es un modelo de tipo inducible. Es decir, los genes para el metabolismo de la lactosa sólo se expresan en presencia de dicho disacárido
En bacterias, el operón lactosa consta de tres genes estructurales: una galactosidasa, una permeasa y una transacetilasa
Estas dos enzimas y una permeasa solo se necesitan sien el medio hay lactosa disponible
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Operón lactosa
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Estructura del operón
Operón lactosa
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En ausencia de lactosa no se transcriben los genes estructurales y no hay
proteínas
Operón lactosa
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En presencia de lactosa, esta se une al represor y se desbloquea el operador. La ARN poltranscribe los genes
TEMA 16. La base química de la herencia: Genética molecular
G.- Los errores en la información genética: mutaciones. - Tipos de mutaciones- Agentes mutagénicos y cáncer
El concepto de mutación lo estudiaste en 4º de ESO.
Ya sé que seguramente no te acuerdas bien. Te lo digo porque, como verás, es relativamente sencillo
Vamos empezar definiendo mutación
Una mutación es un cambio en la información genética de una célula o de un organismo completo
No tiene la misma importancia si ese error sucede en las células germinales (gametos), que si es en las células somáticas
En el primer caso todas las células de ese individuo portarán la mutación
En el segundo, las células que deriven de la que porta la mutación también la tendrán, pero sólo esas células
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Un error habitual en textos periodísticos es hablar de “mutaciones en el código genético”. Intenta comprender por qué
Las mutaciones son relativamente frecuentes y se deben a factores ambientales, y a los procesos metabólicos habituales dentro de la célula.
Se producen a un ritmo de entre mil y un millón de lesiones moleculares por célula y día. Esto se llama tasa de mutación
Pero esto sólo representa un 0,000165% de las tres mil millones de pares de bases del genoma humano
Las mutaciones no reparadas en genes críticos (como los genes supresores de tumores) pueden impedir que una célula lleve a cabo su función y aumentar de manera significativa la posibilidad de que se forme un tumor
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La causa de las mutaciones son los llamados agentes mutagénicos
Que pueden ser…
• Naturaleza física: temperaturas altas, radiaciones ionizantes y radiación ultravioleta
• Mutágenos químicos: Agentes alquilantes, análogos de bases, agentes hidroxilantes, sustancias intercalantes…
• Mutágenos biológicos: virus
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Dependiendo del nivel donde se produce el error pueden ser…
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1.-Génicas
2.-Cromosómicas
Falta el gen B en el cromosoma
3.-Genómicas
Agente físico o químico
T A G C T T G G A A A C G T G
A T C G A A C C G T T G C A C
T A G C T T G G C A A C G T G
A T C G A A C C G T T G C A C
ADN original
ADN con mutación génica
5´
5´
5´
5´
3´
3´
3´
3´
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Mutaciones génicas: afectan a la secuencia de un genSe producen cuando se altera la secuencia de nucleótidos del gen debido a cualquier tipo de agente mutagénico
Un caso bien conocido de mutación puntual es el de la anemia falciforme: una simple mutación en una base de un triplete produce la sustitución de un Ac glutámico por una valina…
ADN …TACTTAA…
ARNm …AUGAAUU…
Proteína …Glu…Hemoglobina
normal
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ADN …TACATAA…
ARNm …AUGUAUU…
Proteína …Val…Hemoglobina
falciforme
Mutación génica puntual
Este tipo de mutaciones génicas que afectan a una única base se llaman mutaciones puntuales
El simple cambio de un nucleótido de Timina por otro de Adenina puede significar la diferencia entre la vida y la muerte
Eritrocitos falciformes con hemoglobina S
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Mutaciones cromosómicas: alteran la estructura de un cromosoma, duplicando, eliminando, cambiando el orden o translocando un gen a otro cromosoma
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DeleciónDuplicación Inversión Translocación
original mutado
Mutaciones genómicas: aneuploidias alteran el número genómica natural de la especie
Por ejemplo las poliploidías: 4, 6, 8n …
Son raras, pero en especies vegetales se pueden dar. Las sandías sin pepitas son tetraploides (4n)
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Alopoliploidías. se producen cuando se combina el genoma de dos especies que deben ser cercanas genéticamente
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Nabo x Col (Raphanobrassica)
Se hicieron muchas artificialmente entre especies cercanas para obtener híbridos que tuvieran las características de cadaespecie.
A la derecha veis un experimento fallidlo. La col por el rábano. Se obtuvo una planta con hojas de rábano y raíz de col
X
Trisomías y monosomías. No afectan al juego completo de cromosomas. Sobra o falta un cromosoma
Síndrome de Down 46+1
Trisomía del cromosoma 21 humano
Síndrome de Turner X0
45 cromosomas, falta el Y
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Las mutaciones en células somáticas son el origen del cáncer
Para que una célula sana se convierta en cancerígena debe acumular mutaciones en los llamados protoncogenes que mutan a oncogenes
A continuación tenéis las fases de un cáncer que ya vimos cuando estudiamos el cáncer desde el punto de vista de la alteración del ciclo celular
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Las etapas por las que pasa una célula transformada hasta producir la enfermedad cancerosa son:
• Hiperplasia: crecimiento manteniendo el aspecto normal
• Displasia: las células aparecen con una morfología alterada
• Neoplasia: son células ya propiamente cancerígenas, pero no invaden otros tejidos
• Metástasis: las células neoplásicas invaden otros tejidos
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Las mutaciones son el origen de variación, y por tanto, imprescindibles para la aparición de nuevas especies
Sin mutaciones no podría haber nuevos fenotipos que puedan ser sometidos a la selección natural.
Hay que tener en cuenta que las mutaciones son en general un proceso gradual, y a veces pueden suponer cambios más importantes
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H.- Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies.
Sin cambios en la información genética no habría evolución, pero esos cambios no pueden ser muy grandes, porque en ese caso el organismo no sería viable.
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El increíble Hulk no es una mutación muy probable
Un ejemplo que está descrito en todos los libros de biología es el caso de la polilla Biston betularia
Biston betularia: fenotipo salvaje Biston betularia mutante: fenotipo melánico
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Esta mariposa tiene dos fenotipos el salvaje (izquierda), y el mutante melánico (derecha)
TEMA 16. La base química de la herencia: Genética molecular
Ambiente natural
En un ambiente natural la forma melánica sobre la superficie de los árboles destaca mucho, por tanto está desfavorecida porque la eliminan las aves¿Ves la mariposa con fenotipo salvaje en la imagen superior?
TEMA 16. La base química de la herencia: Genética molecular
Ambiente contaminado
En cambio, en un medio con alta contaminación, la superficie de los árboles se oscurece, y en ese ambiente son las melánicas las favorecidas. ¿las ves en la imagen?
Por tanto, primero se produce la mutación, que siempre es al azar, y luego el ambiente selecciona el fenotipo mejor adaptado
TEMA 16. La base química de la herencia: Genética molecular
I.- Organismos modificados genéticamente.
La humanidad lleva siglos haciendo manipulación genética de especies animales y vegetales: es lo que se llama selección artificial, que ha podido obtener , por ejemplo las dos razas de perro que ves
Durante siglos la manipulación genética ha sido muy tosca y de resultados inciertos…
A partir del desarrollo de la genética, en la primera mitad del siglo XX, se comenzó a manipular los organismos vivos con cierta precisión
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Triticale: Triticum aestivum x Secale cereale
A la derecha tenéis un ejemplo de híbrido exitoso el triticale.Un tipo de manipulación citogenética de medios del siglo XX
La biotecnología es el conjunto de técnicas aplicadas a los procesos biológicos
En estas se incluyen aplicaciones de tipo microbiológico, bioquímico, celular y genético
Se clasifica por colores. Roja aplicaciones sanitarias, verde en agricultura…
A continuación tienes un cuadro resumen de los ámbitosde actuación de las diferentes ramas biotecnológicas
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Gracias al desarrollo de la biología molecular, la manipulación de los seres vivos es mucho más precisa y dirigida.
Desde hace unos años podemos introducir selectivamente aquellos genes que nos interesan en un ser vivo.
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Una de las técnicas más importantes de la biotecnologíaes el uso de los conocimientos de genética molecular para la modificación de seres vivos. La llamada ingenieríagenética
Las herramientas de la ingeniería genética
ENZIMASADN polimerasas, ARN polimerasas, endonucleasas de restricción, ligasas, Transcriptasas inversas, Taqpolimerasa
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PCR
VECTORES. Permiten introducir genes en los oragnismos
Plásmidos y bacteriófagos
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El sistema CRISPR es un mecanismo de defensa propio de procariotas que les permite evitar el ataque de fagos y plásmidos ajenos a la propia célula
Reconoce determinadas secuencias que activan nucleasas
Fue descrito por Francisco Mojica en 2005 y actualmente se utiliza como base para las técnicas de edición genética. Una de las técnicas de ingeniería genética más prometedoras
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Un organismo transgénico , u organismo modificado geneticamente, es aquel al que se le introduce un gen de otra especie diferente
Para conseguir esta modificación es esencial producir el llamado ADN recombinante: moléculas de ADN artificial provenientes de la fusión de dos organismos vivos distintos
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Veamos un ejemplo de transgénico y como se lleva a cabo…
• La Green fluorescent Protein es una proteína de 238 aa que absorbe luz de dos longitudes de onda:
• 475 nm (luz azul)
• 395 nm (ultravioleta)
• Al ser excitada esta proteína emite luz de 508 nm(Luz verde)
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GFP
475 nm
395 nm
508 nm
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Esta proteína se extrae de una medusa: Aequoreavictoria
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Estructura del plásmido obtenido por ingeniería genética que contiene el gen de la medusa
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Las cepas de bacterias de la izquierda han captado el gende la medusa, son por tanto transgénicas y al seriluminadas con una luz ultravioleta producen luz verde
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Estas modificaciones son mucho más complejas en células eucariotas y especialmente en animales, aún así, aquí tenéis cerdos transgénicos que expresan la proteína en su piel
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Otra de las técnicas básicas de la biotecnología es la clonación
Originalmente clonar significa hacer copias idénticas de un organismo o una célulaTenemos que recordar que las células que se obtienen por mitosis son clones entre si y respecto de la célula madre
Pero también podemos clonar un gen, es decir, multiplicamos ciento o miles de veces un ADN
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Una de las aplicaciones biotecnológicas más prometedoras es la llamada terapia génica o genética
Consiste, básicamente, en corregir el funcionamiento de genes defectuosos sustituyéndolos, reparándolos o añadiendo otros nuevos, para el cual es primordial la técnica CRISPR que vimos antes
Por último, uno de los usos biotecnológicos más interesantes es el de las células madre
Son células sin diferenciar que pueden ser reconducidas al tipo celular que sea necesario reparar o sustituir: páncreas, células dopaminérgicas….
