Tema 3.3 La expresión génica - profebioygeo.es

Biología 2º Bachillerato

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TEMA 3.3: LA EXPRESIÓN GÉNICA

1- LA TRANSCRIPCIÓN 2- LA TRADUCCIÓN

2.1 EL CÓDIGO GENÉTICO 2.2 LA BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS

3- GENÉTICA APLICADA 3.1 LA INGENIERÍA GENÉTICA

3.2 LA CLONACIÓN 3.3 LA GENÓMICA Y EL PROYECTO GENOMA HUMANO

3.4 LA BIOÉTICA

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En un polisoma, un ARNm es traducido simultáneamente por numerosos ribosomas


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1- LA TRANSCRIPCIÓN

La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una molécula de ARN de cualquier tipo, constituyendo un flujo o transferencia de información. Para este proceso son necesarios el ADN, ribonucleótidos, las ARN polimerasas y unas proteínas que se denominan factores de transcripción.

Se trata de un proceso selectivo, en que no se transcribe todo el ADN, sino que lo hacen los genes o grupos de genes que son necesarios expresar en un momento dado. Además sólo se transcribe una de las dos cadenas de ADN y dependiendo del gen que se trate será una u otra. Los mecanismos difieren entre procariotas y eucariotas.

Transcripción en procariotas: se produce en el citoplasma y se distinguen tres etapas.

1 Iniciación: la ARN polimerasa se une a una zona concreta del ADN que se denomina promotor, una secuencia que no se transcribe y es rica en adenina y timina. A continuación esta enzima desenrolla una vuelta de hélice y separa las dos cadenas.

2 Elongación: una de las dos cadenas separadas (la determinada por el promotor), se utiliza de molde para la transcripción, por lo que se le denomina hebra patrón. La polimerasa recorre el ADN molde hacia su extremo 5’, por lo que la síntesis del ARN se hace en sentido 5’® 3’. Se añaden a la cadena los nucleótidos activados (en forma de trifosfato), siguiendo la complementarie-dad de bases, con la salvedad de que a cada adenina le corresponde un uracilo.

3 Terminación: al llegar a la secuencia de terminación (rica en guanina y citosina), la ARN polimerasa se detiene y las dos cadenas del ADN se vuelven a unir, quedando libre la cadena de ARN transcrita. En los ARNt y ARNr existe a continuación una maduración consistente en corte en fragmentos pequeños y empalme posterior.

Transcripción en eucariotas: existen algunas particularidades que las diferencian del proceso en procariotas.

- En las células eucariotas, el proceso se realiza en el núcleo, dado que es ahí donde se localiza el ADN en eucariotas. Posteriormente, los ARN tendrán que migrar al citoplasma a través de los poros nucleares.

- Existen tres tipos de ARN polimerasas, según el tipo de ARN que se sintetiza. - El ADN que se transcribe primero ha de disociarse de las histonas, para que se pueda

extender y así pueda actuar la polimerasa.


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- Poco después de iniciarse la transcripción, se añade al ARN transcrito una capucha de metil-guanosina trifosfato invertida (m7-Gppp).

- Al finalizar la transcripción, se añade una cola poli A, formado por varias centenas de ribonucleótidos de adenina. Se obtiene así el transcrito primario, también llamado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn).

- Existe una fase posterior a las tres consideradas en procariotas que es la maduración. Esta fase se realiza en el núcleo y consiste en una serie de modificaciones que se realizan en el transcrito primario. El más importante es la eliminación de secuencias sin sentido, denominadas intrones, que se encuentran dentro de los genes. A continuación las secuencias con sentido o exones se empalman, originando un ARN maduro.

En la eliminación de los intrones participan ribonucleoproteínas (las RNPpn) que forrman una estructura que el espliceosoma, que genera y corta unos bucles que contienen los intrones. Después unas ARN ligasas empalman los exones.


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2 - LA TRADUCCIÓN

2.1 EL CÓDIGO GENÉTICO La biosíntesis de proteínas supone una traducción, pues en la expresión de los genes (representado en el dogma central de la biología molecular) se pasa de un lenguaje de cuatro bases nitrogenadas (del ARN mensajero) a un lenguaje de veinte aminoácidos (del polipéptido). La correspondencia entre bases y aminoácidos se expresa en el código genético y se establece por tripletes o codones. Esto es así porque tres nucleótidos proporcionan las suficientes combinaciones para los 20 aminoácidos:

- 1 Base: 41 = 4 combinaciones - Dipletes: 42 = 16 combinaciones.

- Tripletes: 43 = 64 combinaciones. Características del código genético:

1 Universal: el mismo para todos los seres vivos. 2 Degenerado: como hay 64 combinaciones

distintas para 20 aminoácidos, existen ami-noácidos codificados por más de un triplete.

3 Carácter “bamboleante” de la tercera base del codon. Las dos primeras bases son casi fijas para un aminoácido, mientras que la tercera generalmente puede variar, sin que por ello varíe el aminoácido (todo esto se debe a la degeneración del código).

4 Existencia de codones especiales: uno de iniciación (AUG, que también codifica la metionina) y tres de terminación (UAG, UAA, UGA, también denominados mudos).

2.2 LA BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS La traducción consiste en la síntesis de una proteína codificada en el ARNm, en que

los aminoácidos son transportados al ribosoma por los ARNt y dispuestos en el orden definido por la secuencia de codones del ARNm.

Moléculas necesarias: - ARN mensajero: transcrito del mensaje del ADN.

- ARN ribosómico: forman los ribosomas (lugar de unión de los aminoácidos entre sí). En estas estructuras se distinguen dos lugares: A (de aminoacil) y P (de peptidil).

- ARN transferente: son los adaptadores que los aminoácidos necesitan para reconocer los codones correspondientes. Poseen un lugar de unión al aminoácido (extreno 3’) y un lugar de reconocimiento del codon (anticodon). Existen 20 distintos.

- Aminoácidos.

- 10 factores proteicos de acción catalítica. - GTP, que aporta energía para la formación de los enlaces peptídicos.


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Fases de la biosíntesis de proteínas:

1 Activación de los aminoácidos: para cada uno de los 20 aminoácidos existe una ARNt específica y una enzima denominada aminoacil-ARNt sintetasa. La enzima se encarga de captar el aminoácido del medio y unirlo al ARNt específico por su extremo 3’, formando un aminoacil-ARNt, que es la forma activada del aminoácido. En este proceso se utiliza ATP y se libera AMP y pirofosfato.

2 Inicio de la síntesis. En el extremo 5’ del ARNm, hay una secuencia líder (de 20 a 600 bases) que finaliza con el codon de iniciación AUG. Sobre esta secuencia se instala la subunidad pequeña del ribosoma y sobre el codón de inciación, el ARNt con el anticodon UAC que porta la metionina (es un metionil-ARNt). Consecuentemente, en todas las proteínas se incorporará primero la metionina, aunque en la mayoría será posteriormente eliminado de forma enzimática. A continuación, se acopla la subunidad grande del ribosoma. Para esta fase de iniciación se necesitan los factores de iniciación (FI) y energía en forma de GTP.

3 Elongación. En el ribosoma se establecen dos zonas de unión al ARNt: el lugar P (de peptidil), donde se une el met-ARNt y un lugar A (de aminoacil), que está inicialmente desocupado y que deja libre un codon, al que se le unirá posteriormente el aminoacil-ARNt correspondiente. Mediante la enzima ribosomal peptidiltransferasa, el aminoácido que porta el ARNt del lugar P, se une mediante enlace peptídico al aminoácido recién entrado. De este modo, el ARNt del lugar P queda sin aminoácido y es expulsado cuando se produce el desplazamiento (de tres bases) del ribosoma a lo largo del ARNm, con lo que el ARNt que porta el dipéptido pasa del lugar A al P, quedando el primero libre para el ARNt que corresponde al siguiente codon. Se necesita para esta fase energía (GTP) y factores de elongación.


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4 Terminación: El proceso anterior se repite sucesivamente hasta que el ribosoma llega a uno de los tres codones mudos, que no son reconocidos por ningún ARNt, sino por los factores de terminación, que ocupan el lugar A. Esto provoca el desprendimiento de la cadena polipeptídica recién formada y la disociación del ribosoma en sus dos subunidades. La proteína adquiere la configuración tridimensional a la vez que se va sintetizando.

Tanto en procariotas como en eucariotas, un mismo ARNm puede ser leído por varios ribosomas al mismo tiempo, formando un polirribosoma o polisoma. 3- GENÉTICA APLICADA

En la biotecnología se incluyen todas aquellas técnicas en que se usan y manipulan seres vivos para obtener productos de utilidad para las personas. Técnicas tan ancestrales como la ganadería y la agricultura, que implican la domesticación de animales y plantas respectivamente, se incluirían aquí, al igual que la fabricación de productos que necesitan la participación de microorganismos como el vino, la cerveza o el queso. El moderno conocimiento de la genética ha permitido el impulso de la biotecnología mediante la manipulación directa del ADN de los organismos para mejorar las características de los productos.

3.1 LA INGENIERÍA GENÉTICA La ingeniería genética es una técnica biotecnológica consistente en la introducción de genes exógenos en el genoma de un organismo que carece de ellos. Se le conoce también como la técnica del ADN recombinante. Se obtiene así una mejora genética de organismos en un plazo mucho menor que la mejora que se obtiene tradicionalmente por selección artificial, es decir, la selección de organismos que tienen un mayor rendimiento y el posterior cruce hasta la obtención de razas puras. Etapas de la técnica del ADN recombinante:

1- Corte del fragmento de ADN (con uno o varios genes) que se desea introducir (el ADN pasajero), por las enzimas de restricción. Estas endonucleasas proceden de algunas bacterias que las utilizan para destruir ADN víricos que les puedan infectar. Tienen la particularidad de que reconocen una secuencia específica y cortan el ADN por ese punto. Además, algunas dejan unas cortas secuencias monocatenarias llamados extremos cohesivos.

2- Transporte del ADN cortado a la célula diana (que puede ser procariota o eucariota) mediante un vector, que puede ser:

- Un plásmido: pequeños ADN circulares presentes en bacterias que además se replican de forma independiente.

- Un virus al que se le puede manipular quitando y poniendo genes. Puede ser un bacteriófago (infecta a bacterias) o un retrovirus (utilizado para introducir genes en animales)

- Cósmidos: vectores de origen artificial similares a los plásmidos.


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3- Inserción del fragmento de ADN pasajero en el ADN receptor, que se convierte en el ADN recombinante. Las mismas enzimas de restricción que aíslan el gen del ADN pasajero cortan el vector, de tal modo que los extremos cohesivos de ambos (gen y plásmido) tienden a unirse, algo que se realiza mediante la acción de una ADN ligasa.

4- Introducción del ADN recombinante en la célula huésped, por conjugación bacteriana, infección víri-ca, fusión de protoplastos, microinyección, etc.

5- Clonación: una vez aislados los organismos recombinantes (con el ADN recombinante y por tanto con los genes insertados), se producen múltiples copias idénticas de los mismos por métodos de reproducción asexual.

Reacción en cadena de la Polimerasa (PCR): Uno de los inconve-nientes en las técnicas del ADN recombinante es la escasa cantidad de ADN que se obtiene para que tengan éxito los sucesivos intentos que requiere esta tecnología. La solución la aporta la técnica PCR, dado que permite la obtención de una elevada cantidad de copias de un ADN. Esto se realiza mediante numerosos ciclos exponen-ciales, cada uno de los cuales tiene estas tres etapas: - Desnaturalización del

ADN, sometiéndolo a casi 100 º C durante 5 minutos.

- Hibridación de cebadores (un ADN monocatenario específico) al reducir la temperatura a unos 60 º C.

- Elongación de la cadena mediante la acción de una ADN polimerasa termo-rresistente, que sintetiza las cadenas complementarias.


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Aplicaciones de la ingeniería genética:

En medicina: 1. Obtención de proteínas humanas con funciones terapéuticas como la insulina, la

hormona del crecimiento, el interferón o el factor VIII de la coagulación. Para ello se utilizan bacterias transgénicas, lo que favorece su producción industrial en grandes cultivos bacterianos (obteniéndose grandes cantidades de producto a bajo coste). También incluiríamos aquí la obtención de anticuerpos específicos contra un determinado patógeno (un tipo de suero artificial).

2. Obtención a escala industrial de fármacos que producen algunos microorganismos como los antibióticos.

3. Producción de vacunas mediante la introducción en bacterias de genes del agente patógeno. Las proteínas resultantes actúan de antígeno al introducirlos en el paciente, lo que aumenta la seguridad comparándola con las vacunas que introducen al patógeno debilitado o muerto.

4. Diagnóstico de enfermedades genéticas mediante el uso de enzimas de restricción que cortan de forma diferente genes sanos y genes defectuosos (el bandeo que se genera por electroforesis será distinto en uno u otro caso) o secuencias de ADN fluorescente que hibridan con los genes defectuosos.

5. La medicina forense utiliza la técnica PCR para obtener, a partir de una pequeña muestra de ADN procedente de un resto biológico, una cantidad necesaria para poder realizar la huella genética o prueba del ADN, consistente la comparación el bandeado de la muestra obtenida con otras de identidad conocida y establecer así la identidad del primero. Se utiliza en criminología o en pruebas de paternidad.

6. La terapia génica consiste en sustituir genes defectuosos que generan enfermedades genéticas por genes sanos. Se realiza primero una extracción de células somáticas para introducirles el gen sano a través de un retrovirus. Las células sanas obtenidas se inoculan en el paciente. Estas técnicas se están ensayando en tratamientos de algunos cánceres (introduciendo genes suicidas) o en enfermedades como la talasemia y la fibrosis quística.

7. En la investigación biomédica se utilizan animales modificados genéticamente como modelo de enfermedades humanas durante la fase preclínica en el desarrollo de terapias.

En la industria alimentaria:

1. Obtención de organismos modificados genéticamente o transgénicos, con notable éxito en vegetales. Por ejemplo, vegetales resistentes a heladas (incorporando un gen de un pez antártico), a plagas o a herbicidas (insertando genes procedentes de insectos o bacterias), vegetales de maduración más lenta o vegetales capaces de fijar el N2 atmosférico (por incorporación del gen de la nitrogenasa). También se tiende a mejorar las características nutritivas del alimento que producen los vegetales al incorporar algunas vitaminas o aminoácidos esenciales.

2. Los animales transgénicos son más complejos de obtener y se suele hacer inyectando genes en el cigoto. Se han obtenido peces con una mayor tasa de rendimiento o mayor resistencia a las bajas temperaturas, y el objetivo es conseguir vacas que produzcan proteínas terapéuticas que incorporen a la leche, u órganos histocom-patibles con humanos (procedentes generalmente del cerdo) en xenotransplantes.


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3. Producción de enzimas para alimentos y detergentes.

4. Control del origen de los alimentos y su preservación, a través de la identificación de microorganismos por su huella genética.

En el medio ambiente: 1. Biorremediación: conjunto de técnicas consistentes en la utilización de

microorganismos recombinantes que degradan sustancias químicas contaminantes para así mejorar las condiciones del medio ambiente. Estos microorganismos contribuyen a tratar residuos (aguas residuales y compostaje), eliminar manchas de petróleo (combinando en un sólo organismo todos aquellos genes que codifican proteínas capaces de degradar cada uno de los hidrocarburos del petróleo) o a reducir la contaminación de suelos y agua con metales pesados o pesticidas (ambas son sustancias químicas tóxicas que tienden a bioacumularse a lo largo de la cadena trófica). También el desarrollo de microorganismos recombinantes puede contribuir al control de plagas al actuar de patógenos específicos de las especies que los generan.

2. Producción de sustancias de las cuales se obtiene energía como el etanol o metano. 3.2 LA CLONACIÓN

Un clon es una copia genética idéntica a un organismo, algo que se obtiene de forma natural mediante los procesos de reproducción asexual. La clonación es el proceso artificial de obtención de organismos genéticamente iguales. En las plantas se lleva realizando la clonación de forma tradicional mediante las técnicas de injertos y esquejes, basados en la reproducción asexual vegetativa y en la totipotencia de los tejidos meristemáticos. En los animales, la totipotencia sólo se encuentra en los estadíos embrionarios tempranos como la mórula y la blástula, lo que hace que la clonación sea un proceso técnicamente más complejo. Existen dos modalidades de la clonación, con diferentes fines (e incluso límites morales y legales):

1. Clonación reproductiva: consiste en la obtención de individuos genéticamente iguales al original. En animales se sigue la técnica de la transferencia nuclear somática que permitió clonar el primer mamífero (la oveja Dolly):

- Eliminación del núcleo de un óvulo de un do-nante.

- Introducción en el óvulo un núcleo de una célula somática del donante genético (el animal que se quiere clonar).

- Implantación del em-brión resultante en el útero de un tercer in-dividuo.

- Desarrollo y nacimiento de un clon del donante de la célula somática.


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La clonación reproductiva no está permitida legalmente en seres humanos, pero puede ser utilizado en la recuperación de aquellas especies ya extinguidas de las que se guarden o se puedan obtener muestras de ADN (especies recientemente extinguidas como el bucardo pirenaico e incluso restos congelados de mamut).

2. La clonación terapéutica consiste en la obtención de células madre embrionarias no diferenciadas de carácter totipotente, es decir, capaces de generar cualquier línea celular e incluso seres completos. A partir de estas células, activándolas de forma conveniente, se pueden obtener los distintos tipos celulares en grandes cantidades para regenerar órganos y tejidos. Como el embrión se obtiene por la técnica de la transferencia nuclear, tendrá la misma información genética que el donante, por lo que éste, al recibir los tejidos u órganos, no tendrá los problemas de rechazo al considerarse un autotransplante.

La utilización de células madre embrionarias para la medicina regenerativa plantea problemas éticos y morales en cuanto se manipulan y destruyen embriones humanos, por lo que en la actualidad (en nuestro país) no se permite generar embriones para la investigación en clonación terapéutica, aunque sí se permite investigar en aquellos embriones generados por las técnicas de fecundación asistida y que hayan superado los cinco años de espera para su implantación.

Una alternativa a estos dilemas morales es el uso de células madre adultas multipotentes (como los de la médula ósea), más fáciles de obtener, también sin problemas de rechazo y sin el riesgo de generación de tumores que tienen las células madre embrionarias. Como inconveniente principal, presentan una menor capacidad de generación de líneas celulares (menor potencialidad).

3.3 LA GENÓMICA Y EL PROYECTO GENOMA HUMANO

El proyecto genoma humano (P.G.H.) comenzó a finales de los años 80 del pasado siglo y trata de conocer la secuencia de bases de los 100.000 genes humanos que se creía entonces que existían. Para ello, una vez obtenido el mapa genético humano (en 1996), en que se señala el orden y la distancia entre sí de los genes, se inicia la secuenciación de cada gen por elecroforésis en gel y ayuda de ordenadores mediante la implicación y el trabajo coordinado de numerosos equipos de trabajo. En el año 2003 se consideró finalizado el trabajo de secuenciación completa del genoma y se inició la actual fase de identificación de todos los genes y de almacenamiento de la información en una base de datos electrónica de acceso libre (Database of Human Genome). Las conclusiones que se pueden sacar de este estudio son las siguientes:


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- El ser humano posee entre 20.000 y 25.000 genes.

- Los intrones constituyen el 22 % del genoma humano. - El 55% del ADN lo constituyen secuencias repetitivas no codificantes (mal llamado

ADN basura) - Las secuencias realmente codificantes (los exones) sólo suponen un 2 % del genoma.

- Existe un 99 % de genes comunes. Por otra parte, la consecución del genoma humano permite el diagnóstico precoz de aquellas enfermedades que no se manifiestan en los primeros años de vida y así obtener medicamentos y terapias contra esas enfermedades.

El P.G.H. inició la era de la genómica, ciencia que se encarga del estudio de los genomas de los seres vivos. De este modo, se han secuenciado los genomas de virus, bacterias, levaduras, un gusano, la mosca del vinagre, del ratón y de algunas plantas. Esto permite la comparación de los genomas de varias especies y así estudiar su origen y los mecanismos de la evolución biológica. La proteómica estudia el conjunto de proteínas de un organismo (el proteoma) y trata de identificar todas las proteínas que expresa un organismo en un momento dado y en determinadas condiciones, la interacción entre las proteínas y las modificaciones postraduccionales que puedan sufrir. De este modo, se considera que el ser humano produce un número de proteínas mayor que el de genes puesto que un ARN mensajero puede producir diferentes proteínas en función de su patrón de eliminación de intrones. 3.4 LA BIOÉTICA

La bioética es una rama de la ética que trata de limitar las investigaciones biomédicas que atenten contra la dignidad humana o supongan riesgos derivados de su aplicación. Por una parte, vela por la calidad, eficacia y seguridad de los productos y por otra parte plantea las cuestiones éticas (reflexionar lo que es bueno y es malo) y su relación con procesos legislativos (determinar lo que se permite y lo que no se permite). Los límites que se plantean son los siguientes:

- Límites éticos y morales. Muchas aplicaciones que pueden ser lícitas en animales o vegetales (como la clonación), no lo son en humanos. Se considera deseable la terapia génica, mientras que la manipulación de embriones sólo es deseable en determinadas circunstancias (con el consentimiento de los padres). La selección genética en gametos no es correcta, salvo que tenga intención curativa, dado que puede romper el equilibrio génico o de sexos en una población.

- Límites sociales, basados en el derecho a la intimidad como, por ejemplo, impedir legalmente la exigencia de un sondeo genético para acceder a puestos de trabajo, asistencia sanitaria o pólizas de seguro.

- Límites políticos al uso de patentes de genes u organismos transgénicos, para que favorezcan a toda la humanidad y no sólo a los grupos que dispongan de las técnicas.

- Límites sanitarios, dado que las técnicas de manipulación de genes pueden suponer la aparición de nuevas enfermedades (nuevos virus o bacterias, más virulentas) o nuevos contaminantes (nuevos procesos metabólicos).

- Límites ecológicos en la producción de organismos transgénicos, puesto que su introducción puede generar la extinción de especies naturales.

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