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Tema 5. La revolución genética. Desvelando los secretos de la vida.
La revolución genética Lo que nos diferencia de las piedras Mendel y sus experimentos Genes, ¿dónde están y para qué sirven? Genoma humano Genética del desarrollo Biotecnología: la manipulación genética
Lo que nos diferencia de las piedras Objetos formados por átomos y moléculas Seres vivos Materia inerte Guardan información de  lo que son, hacen copias  de sí mismos,  heredan  los  caracteres Diversidad que permite  adaptarse Evolución Selección natural
Mendel y sus experimentos Darwin  explicaba la selección natural suponiendo una “ herencia mezclada ”: en los seres vivos con reproducción sexual, los caracteres se mezclan en los hijos. Según esto las poblaciones se harían homogéneas y no habría diversidad sobre la cual actuar la selección. Mendel  (1822-1884) demostró que las  unidades de la herencia  determinantes de los caracteres no se mezclan, sino que mantienen su individualidad, transmitiéndose independientemente a la descendencia. Más tarde llamaríamos  genes  a las unidades de la herencia de Mendel.
1ª Ley de Mendel      Al cruzar entre sí dos razas puras se obtiene una generación filial que es idéntica entre sí e idéntica a uno de los padres.
2ª Ley de Mendel        Al cruzar entre sí dos híbridos o heterocigotos, los factores hereditarios (alelos) de cada individuo se separan, ya que son independientes, y se combinan entre sí de todas las formas posibles.
3ª Ley de Mendel        Al cruzar entre sí dos dihíbridos los caracteres hereditarios se separan, puesto que son independientes, y se combinan entre sí de todas las formas posibles.
Conclusión de Mendel La reaparición en los nietos (F2) de los caracteres perdidos en los padres (F1) demuestra que los factores hereditarios  se transmiten independientemente  a lo largo de las generaciones. Por cada carácter de la planta hay dos versiones de factor, uno procedente del padre y otro de la madre. Si se manifiesta uno solo este se considera  dominante  sobre el otro. Si se manifiestan los dos, tendremos una herencia intermedia, con tres manifestaciones distintas.
Genes, ¿dónde están y para qué sirven? En 1909 el factor hereditario de Mendel fue denominado  gen  por Johannsen (1857-1927): unidad de información hereditaria, es decir, lo que controla un determinado carácter. Genotipo  es el conjunto de factores hereditarios que se reciben de los progenitores. Fenotipo  es el carácter manifestado.
¿Dónde se encuentran los genes? La célula es la unidad fundamental de los organismos vivos. En ella se distinguen sin excepción, membrana, citoplasma y material genético, muchas veces encerrado en un núcleo. En 1882, Walther Flemming descubrió en los núcleos la  cromatina . Durante la división celular la cromatina se condensaba en estructuras individualizadas llamadas  cromosomas , que se repartían entre las células hijas. Un gen es, por tanto, un fragmento de cromosoma que codifica para un determinado carácter. El  cariotipo  es el conjunto de todos los cromosomas de una célula ordenados.  En humanos está formado por 23 parejas. Todas las células poseen 46 cromosomas, excepto los gametos que, por una división especial llamada meiosis, tienen 23. Con la fecundación, se recupera el número de la especie.
¿Cómo se copian los genes? Los cromosomas están constituidos por ADN y proteínas (histonas y no histonas) En 1928, Frederick Griffith demostró con sus experimentos con ratones infectados con neumococo que los genes se encuentran en el ADN y que se copian gracias a un proceso llamado replicación en la fase previa a la división celular.
Las proteínas se destruyen por el calor, pero el ADN no. De manera que el principio transformante, que convertía neumococo rugoso, en neumococo liso era precisamente el ADN, donde se encontraba la información para sintetizar la cápsula de proteína que envolvía a la cepa lisa y la hacía así letal.
¿Y qué es el ADN? En 1953, Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice del ADN basándose en los estudios de otros investigadores: Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, que hicieron experimentos con difracción de rayos X e intuyeron la existencia de una hélice. Chargaff, que enunción sus leyes, según las cuales había la misma cantidad de A y T, de G y C, es decir, eran bases complementarias.
Duplicación del ADN Los genes se copian duplicando la molécula de ADN, como si fuera una cremallera. Una proteína controla el proceso abriendo la doble hélice, de modo que cada hebra sirve de molde para generar una nueva cadena hija idéntica a la cadena original. La duplicación se logra gracias al apareamiento de las bases. Un error en el proceso conduce a una  mutación , y por ello, a un cambio genético en la descendencia.
¿Para qué sirven los genes?  El dogma central de la biología molecular El gen es una unidad de información que se copiará a sí mismo para transmitirse a la descendencia. Además, un gen se transcribirá y traducirá a otro tipo de molécula, la proteína, que será la que manifieste un carácter. El  código genético  es un conjunto de instrucciones que sirven para fabricar las proteínas a partir del orden o secuencia de los nucleótidos que constituyen el ADN. Este código determina que cada grupo de tres nucleótidos codifica un aminoácido (la unidad estructural de las proteínas).
Del ADN a la proteína La hélice de ADN se abre y un fragmento se transcribe formándose el ARN mensajero. El ARNm sale del núcleo y se une a un ribosoma. Cada triplete del ARNm constituye un codón. Un ARN de transferencia, unido a un aminoácido, tiene el anticodón correspondiente y complementario. Se une al ribosoma y, al tiempo, entre un aminoácido y el siguiente se forma un enlace peptídico. La cadena de proteína se alarga a medida que se lee el ARNm y se enganchan nuevos aminoácidos. La proteína completa, madura y adquiere su estructura funcional dentro del retículo endoplasmático, pasando a realizar su misión en la célula o fuera de ella. Para salir al medio extracelular, por ejemplo en el caso de hormonas, esa proteína será empaquetada por el aparato de Golgi y secretada a través de la membrana celular.
El genoma humano El genoma de una especie  es el conjunto de toda la información genética de la misma. En 2003 se publicó la secuencia del genoma humano. Una vez secuenciado el ADN, se hace necesario localizar cada gen y, por tanto, cartografiar los distintos caracteres de un organismo. De todo el ADN, sólo una parte codifica para los distintos caracteres, mientras otras, son secuencias de control o sencillamente no se sabe para qué sirven. Se distinguen así: Intrones.  El 22 %. Porciones de ADN dentro de un gen que no se emplean en la síntesis proteíca. Exones.  2 %. Porción del ADN de un gen que codifica proteínas. ADN basura.  76 %. La mayor parte del ADN de nuestra célula es ADN basura formada por secuencias repetidas que no codifican ninguna proteína (55 %) o por secuencias únicas (21 %). Se desconoce su función pero parece ser que la tiene, puesto que si no la selección natural la habría eliminado para favorecer el ahorro de energía en el momento de la duplicación. GENÓMICA.  Es la parte de la Biología que estudia los genomas. Se utiliza en  el estudio de enfermedades como el cáncer o el alcoholismo, que a diferencia de los caracteres mendelianos están determinadas por la acción conjunta de equipos de genes (poligenes). PROTEÓMICA.  Se encarga de estudiar todas las proteínas codificadas por el genoma. Él número de genes no está en relación directa con la complejidad del organismo que genera. Así la mosca de la fruta tiene 14.000 genes mientras el trigo tiene 100.000.
Genética del desarrollo Ha hecho posible descifrar las reglas que rigen el desarrollo de los organismo (la transformación del óvulo fecundado en un organismo adulto). Antonio García-Bellido y Ginés Morata han contribuido a sentar las bases genéticas en este campo, demostrando que los animales se construyen de forma modular, es decir con la expresión de determinados genes se construyen determinadas regiones del cuerpo, y la ordenación de ambos parece ser la misma. El desarrollo de un organismo conlleva: La proliferación  o multiplicación celular, con replicación del genoma. La diferenciación  que requiere la regulación de la expresión del genoma para que se expresen unos genes y otros no, dependiendo de las células que forman cada tejido. (Expresión diferencial) La secuencia de los genes indica lo que tiene que desarrollarse en cada región.
Epigenética La EPIGENÉTICA  es la rama de la genética que estudia qué características de un individuo no están determinadas por la secuencia de nucleótidos del ADN. Pueden influir varias cosas: El enrollamiento de la cromatina.  Un exceso de enrollamiento podría bloquear la expresión de algunas proteínas. La adhesión de ciertas moléculas a los átomos del ADN.  También podría inhibir la expresión de algunos genes y por lo tanto, la formación de proteínas. Existencia en el citoplasma celular de moléculas  que puede influir en la síntesis de proteínas en el ribosoma. Esto puede estar relacionado con ciertas formas de cáncer, contra las cuales se han desarrollado fármacos epigenéticos.
Biotecnología: manipulación genética A partir de 1972, la biología molecular dejó de observar y comenzó su carrera dentro del campo de la manipulación genética. Estos trabajos, en relación con la medicina, han conseguido “salvar de la selección natural” genotipos que sin esta tecnología habrían sucumbido. Esta tecnología se denomina del ADN recombinante o ingeniería genética o clonación molecular y permite diseñar moléculas de ADN que no existían en la naturaleza. Las herramientas de la biotecnología son: Para cortar . Las enzimas de restricción cortan el ADN en secuencias específicas. Para pegar.  La ADN ligasa permite unir fragmentos de ADN cortados por otras enzimas. Para copiar . Los plásmidos son pequeñas moléculas circulares de ADN que viven en el interior de las bacterias y que tienen capacidad de autorreplicarse. Se usan como vehículos de los fragmentos deseados. Para multiplicar la información.  Se usa la bacteria  Escherichia coli  en la cual se introducen los plásmidos recombinantes para multiplicarlos a través de su división celular, y para que la bacteria produzca la sustancia deseada. (Transformación)
Un caso práctico
Insulina bacteriana para la diabetes. (A) Hormona del crecimiento sintetizada por bacterias y tratamiento del enanismo. (B) Alimentos transgénicos vegetales. (A) Animales transgénicos. (B) Células madre y clonación de órganos. (A) Clonación de individuos. (B) Terapia génica. Reparación de tejidos tras quemaduras severas. (A) Terapia génica y enfermedad de Parkinson. (B) Terapia génica y cáncer. (A) Terapia génica y enfermedades congénitas. Ej. Fenilcetonuria. (B) Identificación genética de criminales. Huellas genéticas. (A) Medicina forense: identificación de cadáveres. (B) Temas para investigar

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Tema 5 La revolución genética

  • 1. Tema 5. La revolución genética. Desvelando los secretos de la vida.
  • 2. La revolución genética Lo que nos diferencia de las piedras Mendel y sus experimentos Genes, ¿dónde están y para qué sirven? Genoma humano Genética del desarrollo Biotecnología: la manipulación genética
  • 3. Lo que nos diferencia de las piedras Objetos formados por átomos y moléculas Seres vivos Materia inerte Guardan información de lo que son, hacen copias de sí mismos, heredan los caracteres Diversidad que permite adaptarse Evolución Selección natural
  • 4. Mendel y sus experimentos Darwin explicaba la selección natural suponiendo una “ herencia mezclada ”: en los seres vivos con reproducción sexual, los caracteres se mezclan en los hijos. Según esto las poblaciones se harían homogéneas y no habría diversidad sobre la cual actuar la selección. Mendel (1822-1884) demostró que las unidades de la herencia determinantes de los caracteres no se mezclan, sino que mantienen su individualidad, transmitiéndose independientemente a la descendencia. Más tarde llamaríamos genes a las unidades de la herencia de Mendel.
  • 5. 1ª Ley de Mendel      Al cruzar entre sí dos razas puras se obtiene una generación filial que es idéntica entre sí e idéntica a uno de los padres.
  • 6. 2ª Ley de Mendel        Al cruzar entre sí dos híbridos o heterocigotos, los factores hereditarios (alelos) de cada individuo se separan, ya que son independientes, y se combinan entre sí de todas las formas posibles.
  • 7. 3ª Ley de Mendel        Al cruzar entre sí dos dihíbridos los caracteres hereditarios se separan, puesto que son independientes, y se combinan entre sí de todas las formas posibles.
  • 8. Conclusión de Mendel La reaparición en los nietos (F2) de los caracteres perdidos en los padres (F1) demuestra que los factores hereditarios se transmiten independientemente a lo largo de las generaciones. Por cada carácter de la planta hay dos versiones de factor, uno procedente del padre y otro de la madre. Si se manifiesta uno solo este se considera dominante sobre el otro. Si se manifiestan los dos, tendremos una herencia intermedia, con tres manifestaciones distintas.
  • 9. Genes, ¿dónde están y para qué sirven? En 1909 el factor hereditario de Mendel fue denominado gen por Johannsen (1857-1927): unidad de información hereditaria, es decir, lo que controla un determinado carácter. Genotipo es el conjunto de factores hereditarios que se reciben de los progenitores. Fenotipo es el carácter manifestado.
  • 10. ¿Dónde se encuentran los genes? La célula es la unidad fundamental de los organismos vivos. En ella se distinguen sin excepción, membrana, citoplasma y material genético, muchas veces encerrado en un núcleo. En 1882, Walther Flemming descubrió en los núcleos la cromatina . Durante la división celular la cromatina se condensaba en estructuras individualizadas llamadas cromosomas , que se repartían entre las células hijas. Un gen es, por tanto, un fragmento de cromosoma que codifica para un determinado carácter. El cariotipo es el conjunto de todos los cromosomas de una célula ordenados. En humanos está formado por 23 parejas. Todas las células poseen 46 cromosomas, excepto los gametos que, por una división especial llamada meiosis, tienen 23. Con la fecundación, se recupera el número de la especie.
  • 11. ¿Cómo se copian los genes? Los cromosomas están constituidos por ADN y proteínas (histonas y no histonas) En 1928, Frederick Griffith demostró con sus experimentos con ratones infectados con neumococo que los genes se encuentran en el ADN y que se copian gracias a un proceso llamado replicación en la fase previa a la división celular.
  • 12. Las proteínas se destruyen por el calor, pero el ADN no. De manera que el principio transformante, que convertía neumococo rugoso, en neumococo liso era precisamente el ADN, donde se encontraba la información para sintetizar la cápsula de proteína que envolvía a la cepa lisa y la hacía así letal.
  • 13. ¿Y qué es el ADN? En 1953, Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice del ADN basándose en los estudios de otros investigadores: Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, que hicieron experimentos con difracción de rayos X e intuyeron la existencia de una hélice. Chargaff, que enunción sus leyes, según las cuales había la misma cantidad de A y T, de G y C, es decir, eran bases complementarias.
  • 14. Duplicación del ADN Los genes se copian duplicando la molécula de ADN, como si fuera una cremallera. Una proteína controla el proceso abriendo la doble hélice, de modo que cada hebra sirve de molde para generar una nueva cadena hija idéntica a la cadena original. La duplicación se logra gracias al apareamiento de las bases. Un error en el proceso conduce a una mutación , y por ello, a un cambio genético en la descendencia.
  • 15. ¿Para qué sirven los genes? El dogma central de la biología molecular El gen es una unidad de información que se copiará a sí mismo para transmitirse a la descendencia. Además, un gen se transcribirá y traducirá a otro tipo de molécula, la proteína, que será la que manifieste un carácter. El código genético es un conjunto de instrucciones que sirven para fabricar las proteínas a partir del orden o secuencia de los nucleótidos que constituyen el ADN. Este código determina que cada grupo de tres nucleótidos codifica un aminoácido (la unidad estructural de las proteínas).
  • 16. Del ADN a la proteína La hélice de ADN se abre y un fragmento se transcribe formándose el ARN mensajero. El ARNm sale del núcleo y se une a un ribosoma. Cada triplete del ARNm constituye un codón. Un ARN de transferencia, unido a un aminoácido, tiene el anticodón correspondiente y complementario. Se une al ribosoma y, al tiempo, entre un aminoácido y el siguiente se forma un enlace peptídico. La cadena de proteína se alarga a medida que se lee el ARNm y se enganchan nuevos aminoácidos. La proteína completa, madura y adquiere su estructura funcional dentro del retículo endoplasmático, pasando a realizar su misión en la célula o fuera de ella. Para salir al medio extracelular, por ejemplo en el caso de hormonas, esa proteína será empaquetada por el aparato de Golgi y secretada a través de la membrana celular.
  • 17. El genoma humano El genoma de una especie es el conjunto de toda la información genética de la misma. En 2003 se publicó la secuencia del genoma humano. Una vez secuenciado el ADN, se hace necesario localizar cada gen y, por tanto, cartografiar los distintos caracteres de un organismo. De todo el ADN, sólo una parte codifica para los distintos caracteres, mientras otras, son secuencias de control o sencillamente no se sabe para qué sirven. Se distinguen así: Intrones. El 22 %. Porciones de ADN dentro de un gen que no se emplean en la síntesis proteíca. Exones. 2 %. Porción del ADN de un gen que codifica proteínas. ADN basura. 76 %. La mayor parte del ADN de nuestra célula es ADN basura formada por secuencias repetidas que no codifican ninguna proteína (55 %) o por secuencias únicas (21 %). Se desconoce su función pero parece ser que la tiene, puesto que si no la selección natural la habría eliminado para favorecer el ahorro de energía en el momento de la duplicación. GENÓMICA. Es la parte de la Biología que estudia los genomas. Se utiliza en el estudio de enfermedades como el cáncer o el alcoholismo, que a diferencia de los caracteres mendelianos están determinadas por la acción conjunta de equipos de genes (poligenes). PROTEÓMICA. Se encarga de estudiar todas las proteínas codificadas por el genoma. Él número de genes no está en relación directa con la complejidad del organismo que genera. Así la mosca de la fruta tiene 14.000 genes mientras el trigo tiene 100.000.
  • 18. Genética del desarrollo Ha hecho posible descifrar las reglas que rigen el desarrollo de los organismo (la transformación del óvulo fecundado en un organismo adulto). Antonio García-Bellido y Ginés Morata han contribuido a sentar las bases genéticas en este campo, demostrando que los animales se construyen de forma modular, es decir con la expresión de determinados genes se construyen determinadas regiones del cuerpo, y la ordenación de ambos parece ser la misma. El desarrollo de un organismo conlleva: La proliferación o multiplicación celular, con replicación del genoma. La diferenciación que requiere la regulación de la expresión del genoma para que se expresen unos genes y otros no, dependiendo de las células que forman cada tejido. (Expresión diferencial) La secuencia de los genes indica lo que tiene que desarrollarse en cada región.
  • 19. Epigenética La EPIGENÉTICA es la rama de la genética que estudia qué características de un individuo no están determinadas por la secuencia de nucleótidos del ADN. Pueden influir varias cosas: El enrollamiento de la cromatina. Un exceso de enrollamiento podría bloquear la expresión de algunas proteínas. La adhesión de ciertas moléculas a los átomos del ADN. También podría inhibir la expresión de algunos genes y por lo tanto, la formación de proteínas. Existencia en el citoplasma celular de moléculas que puede influir en la síntesis de proteínas en el ribosoma. Esto puede estar relacionado con ciertas formas de cáncer, contra las cuales se han desarrollado fármacos epigenéticos.
  • 20. Biotecnología: manipulación genética A partir de 1972, la biología molecular dejó de observar y comenzó su carrera dentro del campo de la manipulación genética. Estos trabajos, en relación con la medicina, han conseguido “salvar de la selección natural” genotipos que sin esta tecnología habrían sucumbido. Esta tecnología se denomina del ADN recombinante o ingeniería genética o clonación molecular y permite diseñar moléculas de ADN que no existían en la naturaleza. Las herramientas de la biotecnología son: Para cortar . Las enzimas de restricción cortan el ADN en secuencias específicas. Para pegar. La ADN ligasa permite unir fragmentos de ADN cortados por otras enzimas. Para copiar . Los plásmidos son pequeñas moléculas circulares de ADN que viven en el interior de las bacterias y que tienen capacidad de autorreplicarse. Se usan como vehículos de los fragmentos deseados. Para multiplicar la información. Se usa la bacteria Escherichia coli en la cual se introducen los plásmidos recombinantes para multiplicarlos a través de su división celular, y para que la bacteria produzca la sustancia deseada. (Transformación)
  • 22. Insulina bacteriana para la diabetes. (A) Hormona del crecimiento sintetizada por bacterias y tratamiento del enanismo. (B) Alimentos transgénicos vegetales. (A) Animales transgénicos. (B) Células madre y clonación de órganos. (A) Clonación de individuos. (B) Terapia génica. Reparación de tejidos tras quemaduras severas. (A) Terapia génica y enfermedad de Parkinson. (B) Terapia génica y cáncer. (A) Terapia génica y enfermedades congénitas. Ej. Fenilcetonuria. (B) Identificación genética de criminales. Huellas genéticas. (A) Medicina forense: identificación de cadáveres. (B) Temas para investigar