El documento resume la historia de la genética y la biología molecular, incluyendo los descubrimientos clave de Mendel, Watson y Crick, y el Proyecto Genoma Humano. Explica conceptos como ADN, ARN, replicación, transcripción, traducción y el código genético. También describe técnicas de ingeniería genética como ADN recombinante, PCR y mutaciones, y aplicaciones como la biotecnología.

1. Tema 4 La revolución genética

2. 1.- HISTORIA DE LA GENÉTICA Ya en la prehistoria se aprovechaba la observación de que algunos caracteres pasaban de una generación a otra para seleccionar las variedades de animales y vegetales más deseables y mejorar así la agricultura y la ganadería Mendel puso de manifiesto que hay unos factores hereditarios incluidos en las células reproductoras que pasan de padres a hijos y que son los responsables de los caracteres externos de los seres vivos Desde 1910 esos factores hereditarios reciben el nombre de genes

3. 1.1 POSTULADOS PREMENDELIANOS DE LA HERENCIA Preformismo :La observación de espermatozoides con un microscopio en el s.XVIII hizo creer que tras la fecundación, solo por crecimiento, estos daban individuos adultos Epigénesis : Al mejorar las técnicas microscópicas se postuló que además de crecimiento había transformaciones estructurales. Pangénesis .Los órganos producen unas gémulas que viajan por la sangre a los genitales y de ahí a los hijos.

4. Caracteres adquiridos (Lamarck): Teoría de Lamarck, que consideraba que las variaciones eran adquiridas y hereditarias. Los individuos cambian para adaptarse al medio y estás características se transmiten a los descendientes Plasma germinal (Weissmann):Existe un plasma formado por los tejidos reproductores que se perpetúa a sí mismo. Las modificaciones del plasma germinal originarían modificaciones en el cuerpo. Hay diferencia entre células germinales y células somáticas.

5. 1.2 HERENCIA MENDELIANA Monje agustino católico y naturalista, en la actual República Checa, que describió las llamadas Leyes de Mendel que rigen la herencia genética, por medio de los trabajos que llevó a cabo con diferentes variedades de la planta del guisante. Su trabajo no fue valorado cuando lo publicó en el año 1866. Hugo de Vries, botánico holandés, junto a Carl Correns y Erich von Tschermak, redescubrieron las leyes de Mendel por separado en el año 1900 .

6. Mendel seleccionó siete caracteres para sus experimentos, cada uno de los cuales tenía dos posibilidades y obtuvo razas puras de guisantes para cada uno de estos caracteres. Posteriormente cruzó entre sí las razas puras que presentaban diferencias respecto a uno de los caracteres elegidos

7. Conclusiones de Mendel: a) La herencia se transmite por factores hereditarios almacenadas en los gametos. Dichos factores son de procedencia materna y paterna que se unen en el nuevo individuo sin mezclarse, y volviéndose a separar al formar las células reproductoras. b) La herencia sigue normas estadísticas sencillas.

8. 1.3 HERENCIA POSMENDELIANA 1900. Redescubrimiento de las Leyes de Mendel. 1910. Experimentos de Morgan. Demuestra que los genes están en los cromosomas, y los que están en el mismo cromosoma se transmiten juntos y los que están en cromosomas independientes se transmiten por separado. Se comprobó la existencia de recombinación o intercambio entre cromosomas homólogos (los dos cromosomas iguales que proceden uno del padre y otro de la madre) 1944. El ADN es el portador de la información genética (Experimentos de Avery)

9. 2.- BIOLOGÍA MOLECULAR Ciencia que nace a partir del descubrimiento de la estructura del ADN (1953, Watson y Crick) Se dedica a 1.-Estudio de la vida a nivel molecular 2.-Esclarece la estructura molecular del ADN 3.- Estudia los procesos de formación de un ser vivo a partir del ADN: Replicación del ADN Transcripción a ARN Síntesis de proteínas Regulación de los genes

10. 2.1 MODELO MOLECULAR DEL ADN El ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de nucleótidos. Los puentes de hidrógeno que unen ambas cadenas dan estabilidad a la estructura . La combinación de las secuencias de bases nitrogenadas (A, T, G y C) forma los distintos ADN’s. Esta enorme variabilidad origina todas las diferentes proteínas que podemos encontrar en los seres vivos . Las dos cadenas son complementarias Las uniones siempre son: A-T C-G

11. El ADN (más concretamente, los genes que contiene y que se definen como segmentos de ADN que codifican una proteína) contiene la información con las características de los seres vivos. Esta información se expresa en forma de proteínas. Las proteínas son las que finalmente definen al ser vivo, junto con la influencia que puede ejercer el medio ambiente 2.2 RELACIÓN ENTRE LOS GENES Y LAS PROTEÍNAS

12. La relación entre genes y proteínas se expresa a través del dogma central de la Biología Molecular (1970, Crick) : Si incluimos a algunos virus como los retrovirus ( ácido nucleico es el ARN) Replicación ADN Proteínas ARN m Transcripción Traducción ADN Proteínas ARN m Traducción Transcripción Retrotranscripción

13. A raíz de la modificación del Dogma central de la Biología Molecular se han cuestionado los conceptos de gen y ADN basura (ADN que no codifica información para proteínas). Actualmente se cree que este ADN basura puede tener un papel regulador importante, así como que un gen puede dar lugar a varias proteínas (hasta hace muy poco, el concepto fundamental era “un gen, una proteína”).

14. REPLICACIÓN: La replicación es el proceso en que se sintetizan dos copias idénticas de ADN tomando como molde otra cadena de ADN. Es una replicación semiconservativa ( los nuevos ADN tienen una hebra antigua y otra nueva) Se realiza antes de cada división celular para que las células hijas lleven la misma información que la célula madre. Se basa en la complementariedad de las bases nitrogenadas (al igual que en los procesos de reparación de secuencias dañadas y transcripción del ARN)

15. Para la replicación es necesario la separación de las dos hebras de la cadena ; cada una de las cuales servirá de molde para sintetizar la complementaria ( siempre A-T, G-C) Para esta síntesis se precisa desoxirribonucleótidos y una enzima que los una : ADN polimerasa

16. TRANSCRIPCION Es la síntesis de ARNm tomando como molde una hebra de ADN Se basa en el mismo mecanismo (complementariedad de bases) que la replicación, pero intervienen enzimas diferentes y se sustituye la base nitrogenada Timina por Uracilo. En eucariotas el ARN resultante sufre un proceso de maduración, y el ARN maduro sale al citoplasma celular. El ARNm lleva la información a los ribosomas donde se producirá la síntesis de proteínas

17. TRADUCCIÓN Es la formación de proteínas a partir de la información que lleva el ARNm Tiene lugar en los ribosomas (citoplasma) Son necesarias otras moléculas como: - ARNt - Aminoácidos -Enzimas diversos El proceso de traducción se hace según el Código Genético Las proteínas están formadas por aminoácidos. El orden de colocación de los aminoácidos viene dado por la secuencia de bases del ARNm. Cada tres bases de ARNm (triplete o codón) indica la colocación de un aminoácido.

18. AUG - CCU – AAG – UUU – GCU – CUC …. Con las 4 bases nitrogenadas (A, U, G, C) se pueden formar 64 tripletes diferentes, que llevan la información para los 20 aminoácidos que forman todas las proteínas de los seres vivos MET PRO LEU LYS PHE ARG PROTEÍNA

19. El código genético está compuesto por codones (codón= 3 bases nitrogenadas) que definen el proceso de traducción 61 codones para aminoácidos (existen 20 aminoácidos diferentes) 3 codones de terminación

20. Características del código genético: Es un código universal. Todos los seres vivos conocidos lo utilizan (hay una excepción, las mitocondrias, un orgánulo del interior de las células eucariotas). Es un código redundante o degenerado . Hay más tripletes de bases que aminoácidos. Es un código sin superposición o sin solapamientos : dos aminoácidos sucesivos no comparten nucleótidos de sus tripletes. La lectura del ARN mensajero es continua, sin interrupciones. Cualquier pérdida o ganancia de un sólo ribonucleótido produce a partir de ese punto una modificación de la pauta de lectura, cambiando todos los aminoácidos desde el lugar de la alteración.

21. 3.- INGENIERÍA GENÉTICA Se puede definir como la formación in vitro de nuevas combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su introducción en un organismo huésped, el ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente expresarse Aplicaciones: ayuda a averiguar el funcionamiento de los genes y se utiliza en la secuenciación de genomas, diagnóstico de enfermedades, terapia génica, síntesis de sustancias de interés, obtención de animales y vegetales transgénicos

22. ADN recombinante El ADN recombinante es aquel que tiene fragmentos de distinta procedencia . De forma natural existen ADN recombinantes, cuando los virus insertan su ADN en el ADN de la célula huésped. Se pensó hacer lo mismo de manera artificial en el laboratorio utilizando enzimas de restricción. Estas enzimas, procedentes de bacterias, tienen la capacidad de reconocer una secuencia determinada de nucleótidos y las cortan por lugares concretos

23. Los fragmentos tienen bordes cohesivos o complementarios a otros extremos de ADN cortados con la misma enzima Por lo tanto, es posible quitar un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro De esta manera es posible introducir ADN de unos organismos en el genoma de otros. El ADN introducido se expresará como propio, fabricándose en el organismo receptor la proteína para la que codifica

24. Para llevar el ADN recombinante desde un donador hasta la célula receptora se utilizan los llamados vectores génicos en los que se inserta el gen a transferir. Son fácilmente manipulables y pueden transferirse hasta la célula huésped para obtener las células transgénicas. Los principales vectores utilizados son: Plásmidos Bacteriófagos Cósmidos Cromosomas artificiales de levaduras

25. En los vectores, además del gen de interés se colocan otros genes denominados marcadores. Son genes que permiten identificar aquellas células que han incorporado el ADN del vector. En general, estos genes dan a la célula que los contiene resistencia a antibióticos, de tal forma que si añadimos el antibiótico a una mezcla de células con y sin el ADN de interés, las que no lo tengan (y por tanto, tampoco el gen de resistencia al antibiótico), morirán

27. b) Amplificación del ADN El estudio y manipulación del ADN requiere muchas copias de los fragmentos de ADN que se quieren estudiar. El método clásico de obtención de copias era la clonación mediante bacterias. Era un proceso lento y costoso. En 1983, Mullis diseño un mecanismo para obtener múltiples copias de forma mucho más sencilla. Este método denominado PCR (Polimerasa Chain Reaction) ha sido determinante en múltiples áreas del conocimiento que utilizan ADN

28. Esta técnica se fundamenta en la propiedad natural de las ADN polimerasas para replicar hebras de ADN, para lo cual emplea ciclos de altas y bajas temperaturas alternadas para separar las hebras de ADN recién formadas entre sí tras cada fase de replicación y, a continuación, dejar que vuelvan a unirse a polimerasas para que vuelvan a duplicarlas.

29. c) Mutaciones Es todo cambio en la información hereditaria (ADN, cromosomas o cariotipo). Las mutaciones pueden producirse tanto en células somáticas (no se heredan) como en células germinales (se transmiten a la descendencia). Las mutaciones pueden ser: naturales (espontáneas) o inducidas (provocadas artificialmente con radiaciones, sustancias químicas u otros agentes mutágenos). Las propiedades adquiridas por mutaciones son por lo común negativas para el organismo, a veces son neutras y en ocasiones pueden ser beneficiosas en determinados ambientes

30. Según la extensión del material genético afectado se distinguen los siguientes tipos de mutaciones: 1) Génicas. Son aquellas que producen alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. 2) Cromosómicas estructurales. Son los cambios en la estructura interna de los cromosomas. 3) Cromosómicas numéricas o genómicas. Son alteraciones en el número de los cromosomas propios de la especie. Pueden ser: Euploidías y Aneuploidías

31. 4.- PROYECTO GENOMA HUMANO El proyecto fue fundado en 1990 por el Departamento de Energía y los Institutos de la Salud de los Estados Unidos, con un plazo de realización de 15 años. Debido a la amplia colaboración internacional (más de 20 países implicados), a los avances en el campo de la genómica y la informática un borrador inicial del genoma fue terminado en el año 2000. El objetivo inicial del Proyecto Genoma Humano fue no sólo determinar los 3 mil millones de pares de bases en el genoma humano, sino también identificar todos lo genes en esta gran cantidad de datos.

32. Este proyecto supone la realización de dos tipos de mapas: Mapas genéticos: Estos mapas indican la posición relativa de los diferentes genes Mapas Físicos: de mayor resolución, pues muestra la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN que constituye el cromosoma. Se establece la situación real de los genes en los cromosomas

33. RESULTADOS: Algunos de los aspectos que más han llamado la atención es el bajo número de genes encontrados (en comparación a lo esperado), así como lo repetitivo, similar y duplicado que es el genoma humano. Las células humanas tienen 46 cromosomas (44 autosomas y2 cromosomas sexuales), distribuidos en dos series (una de procedencia paterna y otra materna). Cada serie tiene unos 3200 millones de bases y menos de 25000 genes. El resto es el “ADN basura” (cerca del 95%) El trabajo de interpretación del genoma no ha hecho nada más que empezar. Los beneficios de conocer e interpretar el genoma se esperan fructíferos en los campos de la medicina y de la biotecnología.

34. 5.- BIOTECNOLOGÍA Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología se define como: “ Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos 6000 a. C.: Medio Oriente, elaboración de cerveza con levadura. 4000 a. C.: China, fabricación de yogur y queso por fermentación láctica utilizando bacterias. 2300 a. C.: Egipto, producción de pan con levadura Se han aplicado procesos biotecnológicos desde muy antiguo (aunque sin saber nada de biotecnología):

35. Inconvenientes de la biotecnología: Falta de control sobre los microorganismo manipulados. Producción y almacenamiento de armas biológicas. Aparición de especies nuevas con función desconocida en los ecosistemas. Transito de genes entre especies. Agudizar la diferencia entre países ricos y pobres. Hoy en día, la biotecnología moderna se basa en la ingeniería genética.

36. 5.1 BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Algunos ejemplos de las aplicaciones en medicina son: Diseño de organismos para producir antibióticos. Desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos. Diagnósticos moleculares. Terapias regenerativas Desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación génica. Trasplante de órganos a partir de animales modificados genéticamente….

37. Las dos aplicaciones principales son: 1.- obtención de fármacos Se obtienen a partir de microorganismos que contienen el gen que produce la proteína de interés farmacológico (insulina, hormona del crecimiento…) Las principales ventajas son: Se controla mejor la producción, disminuye el riesgo de contaminación, se abaratan los costes… Por el mismo procedimiento se pueden fabricar vacunas, evitando el riesgo de utilizar virus atenuados

38. 2.- DETECCIÓN DE ENFERMEDADES Consiste en poner en contacto ADN de un individuo con secuencias de genes responsables de una determinada enfermedad. Las hebras del ADN del paciente se separan y si hibridan con el ADN de la enfermedad, es que el paciente tiene ese gen. L a terapia génica consiste en modificar los genes anómalos para impedir que se manifieste la enfermedad o curarla una vez manifestada. En las células afectadas se puede introducir una copia correcta del gen defectuoso mediante vectores (infección vírica), corrigiendo el problema.

39. El proceso se podría hacer incluso en las células germinales, pero esto plantea problemas éticos. Es una técnica prometedora pero aún en una fase muy temprana, con todavía muy pocos logros significativos.

40. 5.2 BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Se basa en la modificación de plantas por IG para que generen proteínas de interés. Son las plantas transgénicas. Los principales objetivos son: Lograr plantas resistentes a herbicidas, bacterias, virus e insectos Aumentar el rendimiento fotosintético (más producción) Fijación del nitrógeno atmosférico Mayor calidad de los productos Obtener plantas con proteínas de interés comercial (vacunas, interferones, vitaminas…)

41. 5.3 BIOTECNOLOGÍA GANADERA Consiste en la alteración genética de animales para mejorar el rendimiento que de ellos se obtiene. La investigación se centra en la obtención de animales que produzcan proteínas y compuestos de interés farmacológico y a obtener órganos destinados a trasplantes humanos (fundamentalmente a partir de cerdos)

42. 5.4 BIORREMEDIACIÓN Microorganismos y plantas son utilizados para eliminar contaminantes del medio, fundamentalmente de suelos y agua. Los genes de los organismos que intervienen en estos procesos pueden ser aislados y posteriormente clonados en otros organismos Podría servir para la eliminación de vertidos tóxicos, mareas negras , tratamiento de aguas residuales

43. 6 REPRODUCCIÓN ASISTIDA La reproducción asistida tiene como finalidad solucionar problemas de esterilidad Una pareja es estéril cuando no consigue tener descendencia después de doce meses de relaciones sexuales sin usar anticonceptivos Actualmente también se utilizan para evitar la aparición de enfermedades genéticas (diagnostico genético preimplantacional) y obtener bebes sanos cuyas células del cordón umbilical sirvan para salvar vidas de familiares enfermos

44. 6.1 INSEMINACIÓN ARTIFICIAL Consiste en la introducción médica del semen, previamente tratado, en el útero de la mujer El protocolo es el siguiente: Control y estimulación de la ovulación mediante hormonas. Obtención y preparación del semen. Selección de espermatozoides. Inseminación en el momento adecuado del ciclo. Tratamiento hormonal para favorecer el desarrollo del embrión.

45. Se utiliza fundamentalmente en los siguientes casos: Infertilidad masculina Enfermedades venéreas Enfermedades hereditarias Obtención de hijos sin relaciones sexuales Riesgo de embarazo múltiple derivado de la estimulación ovárica

46. 6.2 FECUNDACION IN VITRO Es una técnica de reproducción asistida en la que la unión espermatozoide y del óvulo se realiza en el laboratorio La FIV es el principal tratamiento para la infertilidad cuando otros métodos de reproducción asistida no han tenido éxito. El ovulo fecundado (preembrión) se implanta en la madre

47. Los pasos son los siguientes Estimulación ovárica por medio de hormonas Extracción de óvulos y espermatozoides Fecundación extrauterina Divisiones de los preembriones Implantación de los preembriones seleccionados

48. Inconvenientes: Embarazos múltiples Embarazos ectópicos (embarazo que se desarrolla fuera del útero) Problemas de tipo moral (por la acumulación de embriones congelados no utilizados) La inyección intracitoplasmática consiste en la inyección de un espermatozoide en el interior del óvulo

49. 6.3 TRANSFERENCIA DE EMBRIONES DONADOS Se usa cuando los dos miembros de la pareja son estériles. Los preembriones llevan una información genética diferente a la de los padres (preembriones sin utilizar de otras parejas, congelados o no)

50. 7.- CLONACIÓN Es la obtención de copias (ADN, células u organismos) genéticamente iguales. Las primeras clonaciones de organismos se hicieron por fisión de embriones tempranos. Un embrión, obtenido por procedimientos normales, se dividía, y los embriones resultantes eran genéticamente idénticos, pero no se sabía las características que iban a tener. Esto ya se puede saber a partir de la primera clonación por transferencia de núcleos de células de individuos adultos. Los embriones resultantes eran genéticamente idénticos al donante del núcleo.

51. La primera clonación de mamíferos fue realizada por Ian Wilmut en 1996 utilizando tres ovejas, la donadora de la información (núcleo) la donadora del ovulo y la “madre de alquiler” (oveja nodriza). El resultado fue la oveja Dolly

52. Aplicaciones: Obtención de animales que contengan y produzcan proteínas de interés médico. Mejora controlada del ganado Recuperación de especies extintas o en peligro de extinción. Inconvenientes: Éxito de clonación muy bajo Individuos clonados con problemas

53. CÉLULAS MADRE La clonación humana con fines reproductivos está prohibida, pero la clonación terapéutica si es legal en muchos países. Consiste en implantar, en un óvulo, material genético de un individuo, y del embrión obtenido sacar células madre embrionarias, que podrían dar lugar a los diferentes tejidos, y por lo tanto evitar los problemas de rechazo en los trasplantes. Además se podrían ensayar tratamientos médicos sobre estas células antes de dar los medicamentos al paciente, para conocer la respuesta. Células Madre son aquellas que tienen capacidad de multiplicarse y la posibilidad de desarrollarse y diferenciarse dando lugar a células especializadas

54. Tipos: Embrionarias o troncales: Se obtienen de embriones de menos de 14 días. Pueden generar un organismo completo (totipotentes). Adultas o somáticas Están en los adultos. Pueden generar células especializadas de diferentes tejidos (no son totipotentes)

55. Hay un importante debate (político, ético y científico) sobre el uso de las células madre Hay un importante debate (político, ético y científico) sobre el uso de las células madre ¿Qué tipo de célula madre es más conveniente usar (embrionaria o adulta)? La solución puede venir de los últimos avances científicos. Se ha logrado obtener células madre pluripotenciales a partir de células adultas (se comportan como células madre embrionarias)

56. En 1979, se definieron como cuatro los principios de la Bioética: autonomía , no maleficencia , beneficencia y justicia Principio de autonomía . Es un principio de respeto a las personas que impone la obligación de asegurar las condiciones necesarias para que actúen de forma autónoma. Principio de beneficencia : Obligación de actuar en beneficio de otros, promoviendo sus legítimos intereses y suprimiendo perjuicios.

57. Principio de no maleficencia (Primum non nocere): Abstenerse intencionadamente de realizar acciones que puedan causar daño o perjudicar a otros. Es un imperativo ético válido para todos, no sólo en el ámbito biomédico sino en todos los sectores de la vida humana. Principio de justicia : Tratar a cada uno como corresponda con la finalidad de disminuir las situaciones de desigualdad (biológica, social, cultural, económica, etc.)