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2
Herencia Mendeliana

A mediados del siglo XIX, un monje austriaco llamado Gregor Mendel nacido en
República Checa el 20 de Julio de 1822 , descubrió uno de los más importantes
aportes de la genética al experimentar con guisantes, específicamente una arveja
común denominada Pisum sativum. Escogió estas por su fácil cultivo y rapidez en el
crecimiento.

Lo impresionante es que Mendel estudiaba matemáticas y otras ciencias relacionadas
con esta graduándose, después, en Ciencias Naturales en la Universidad de Viena.
Pero prontamente fracasó. Entonces realizó y expresó lo que ahora se conoce como
Las leyes de la herencia con tal experimento crucial.

Indudablemente, Mendel era una persona muy humilde, de raíces campesinas y su
trabajo no fue tomado en cuenta hasta 20 años después de su muerte. Esto se debió a
que Mendel no difundió sus trabajos en una revista. En vez de aquello usó una no muy
buena o no muy específica para cierto tipo de investigadores.




Los secretos del monje en el éxito de sus experimentos

El austriaco tomó en cuenta tres aspectos principales para su experimento:

       Elegir el organismo perfecto para el trabajo.
       Planear y ejecutar correctamente el experimento.
       Analizar los datos en forma adecuada.

¿Por qué Mendel escogió estos guisantes?

A parte de sus facilidades antes dichas, los chícharos pueden autopolinizarse, es
decir, cada flor de guisante suministra normalmente su propio polen, de tal forma que
los óvulos son fecundados por el esperma del polen de la misma flor.




                                          3
¿Qué hizo Mendel con los guisantes?

Mendel tuvo la brillante idea de no observar la planta completa, sino rasgos, o sea
características individuales que se manifiestan con diferentes formas distintivas.
Entonces reunió polen de una cepa parental y lo colocó sobre los estilos (órganos
femeninos) de la otra cepa cuyas anteras (órganos masculinos) habían sido
eliminadas de modo que la planta receptora no pudiera autofecundarse. Las plantas
que donaban y recibían el polen eran la generación parental, designada con una P,
cruzando una flor blanca con una flor púrpura.

Las semillas formadas por este cruce y las nuevas plantas, se las denominaba primera
generación filial, o F1. Esto dio como resultado, que todas las flores eran de color
púrpura.

Entonces salió a la luz un detalle muy interesante. El color blanco había desaparecido.

 Mendel permitió a esta generación, que se
autopolinizara y produjera una segunda
generación filial, F2.

Exactamente las cifras fueron 705 púrpuras y
224 blancas. El color blanco apareció. Pero ¿por
qué en la F1 no y en la F2 si lo hizo?

Esta capacidad estaba oculta, pero no había
desaparecido.

Siguiendo con el proceso, permitió también que la
F2 se autopolinizara y de cómo resultado una
nueva generación, la F3.

Todas las flores blancas tuvieron descendientes
blancos, es decir de raza pura. Pero las flores
púrpura eran de dos tipos: 1/3 eran púrpuras y 2/3
eran híbridos, características de flor blanca y
púrpura.

Híbridos, es un organismo vivo procedente del
cruce de dos organismos de razas o de algunas
cualidades diferentes.




                                           4
Después de estos resultados, Mendel llego a estas conclusiones:

       Cada rasgo está determinado por genes, pares de unidades físicas discretas.
       Cuando un organismo tiene dos alelos diferentes, uno de ellos (dominante)
       puede enmascarar la expresión del otro (alelo recesivo), sin embargo, el
       recesivo sigue presente.
       Los pares de genes de cromosomas homólogos se separan durante la
       formación de los gametos, de tal forma que cada gameto recibe un solo alelo
       de cada par.
       El azar determina cual alelo se incluye en un gameto determinado.
       Los organismos de raza pura tienen dos ejemplares del mismo alelo de un gen
       determinado.

Pero ¿Qué es homocigoto, heterocigoto?

Se sabe que un gen contiene la información necesaria para determinar una
característica.

Entonces un organismo homocigoto tiene los dos cromosomas homólogos en un
mismo alelo en un locus de gen específico, mientras que heterocigótico es cuando sus
dos cromosomas homólogos tienen diferentes alelos en un locus. A estos también se
los conoce como híbridos.

Ahora ¿qué es alelo y locus?

Un alelo es cada una de las formas alternativas de un gen que ocupa la misma
posición en cada par de cromosomas homólogos

Locus es el lugar físico que ocupa un gen dentro de un cromosoma.

Cabe nombrar también lo que es un genotipo y fenotipo

Un genotipo son los alelos presentes en un individuo determinado teniendo relación
con el fenotipo que expresa los rasgos físicos del organismo a tratar.




Después de estudiar la variable color, Mendel comenzó por cruzar plantas que diferían
en dos rasgos, como color de la semilla y forma de ésta.



                                         5
Con base en los resultados de otras cruzas de plantas con otros rasgos, Mendel ya
sabía que el alelo liso del gen da la forma de la semilla (S) es dominante respecto al
alelo rugoso (r). Mendel cruzó una planta de raza pura con semillas lisas y amarillas
(SSYY) con una planta de raza pura con semillas rugosas y verdes (ssyy). Todas las
descendientes de la F1, por lo tanto, eran genotípicamente SsYy. Además todas
tenían el mismo fenotipo: semillas lisas y amarillas.

Una posibilidad era que el alelo de la forma y el alelo del color presentes en cada
progenitor se separaran y se transmitieran de forma independiente. Esta hipótesis se
llama combinación independiente, porque los dos alelos se separarían y combinarían
en los gametos independientes . Otra posibilidad era que el alelo de la forma y el alelo
del color se transmitieran juntos a los gametos. Esta hipótesis se puede llamar
combinación dependiente, porque la transmisión de un alelo dependería de la
transmisión de otro.

Al permitir la autopolinización de estas plantas de la F1, Mendel encontró que la
generación F2 consistía en 315 plantas con semillas lisas y amarillas, 101 con semillas
rugosas y amarillas, 108 con semillas lisas y verdes, y 32 con semillas rugosas y
verdes: una proporción de aproximadamente 9:3:3:1.

Los términos dominancia y recesivo identifican únicamente qué fenotipo se observa en
individuos que llevan dos determinantes genéticos diferentes.




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Las leyes de Mendel

Tras sus explicaciones, Gregor Mendel concluyó sus trabajos enunciando 3 leyes,
consideradas a día de hoy la base de la genética actual. Estas leyes, explican y
predicen cómo serán los fenotipos (caracteres físicos) de un nuevo individio.

 Así pues, hay 3 leyes de Mendel que explican los caracteres de descendencia de dos
individuos, pero únicamente son dos de las leyes mendelianas las que se refieren a la
transmisión: la ley de segregación de caracteres independientes (segunda ley), y la ley
de herencia independiente de caracteres (tercera ley de Mendel)



Ley de la uniformidad

Si se cruzan dos líneas puras que difieren en un carácter, la primera generación filial
es uniforme y está formada por individuos idénticos que presentan solo uno de los
caracteres alternativos paternos.




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Ley de la segregación independiente de los caracteres

El carácter hereditario que se transmite como una unidad que no se combina, se
diluye o se pierde al pasar de una generación a otra, solo se agrega o se separa.Los
dos genes que rigen cada carácter no se mezcla ni se fusionan, sino que segregan a
la hora de formarse los gametos, teniendo cada gameto uno y sólo uno de los alelos
                                                                          diferentes




Ley de la independencia de caracteres

Los diferentes rasgos son heredados de manera independiente entre ellos; esto es,
que el patrón de herencia de un rango no afectará al patrón de herencia de otro. Esta
afirmación solo se cumple en aquellos genes que no están ligados en diferentes
cromosomas o que están en regiones muy separadas del mismo cromosoma. Es decir
las proporciones 9:3:3:1.

Como consecuencia del principio de la transmisión independiente, si consideramos
dos caracteres a la vez, al cruzar individuos dihíbridos de la F1 (híbridos por ambos
caracteres), en la segunda generación filial F2 aparecen las proporciones 9 (ambos
caracteres dominantes): 3 (uno dominante):3(el otro dominante):1(ambos caracteres
recesivos).




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En resumen, Mendel demostró que:

En la primera Ley, al realizar los cruces de dos razas puras, la primera generación
filial resultarían heterocigotos y dominantes.

Con la segunda ley, al cruzar unos ejemplares del resultado de la F1 observó que las
características que habían desaparecido en la primera generación, volvían a
manifestarse en la segunda generación.

En la tercera ley, se hace referencia al caso de que se contemplen dos caracteres
distintos. Cada uno de ellos se transmite siguiendo de manera independiente las leyes
anteriores, como si no existiera presencia del otro carácter.

                       Las leyes de Mendel en los humanos

¿Cómo saber la descendencia de una familia? Pues los árboles familiares que
muestran la aparición de fenotipos en varias generaciones de individuos relacionados,
se llama genealogía.

En este proceso podemos encontrar casamientos entre dos familiares. Esta
observación es resultado de la rareza de los alelos recesivos que dan lugar a los
fenotipos anormales. Para que dos padres fenotípicamente normales tengan un niño
afectado, ambos deben ser heterocigóticos

Si la pareja tuviera docenas de niños, la cuarta parte de ellos serían homocigotos
recesivos. Pero, la descendencia de una pareja probablemente sea demasiada
pequeña para mostrar la proporción exacta de un cuarto.

                          Anomalías Humanas heredadas

Una mutación en un alelo del gen que codifica una de las enzimas que replican el
ADN, puede resultar desfavorable o inhibir la función.

En muchos genes, un alelo normal que codifica una proteína en condiciones de
funcionamiento es dominante respecto a un alelo mutante que codifica una proteína
disfuncional. Pero también existen alelos dominantes que causan anomalías. Para que
una enfermedad dominante se transmita a los descendientes es necesario que al
menos uno de los progenitores la padezca; es decir, que al menos algunos individuos
con enfermedades dominantes deben ser suficientemente sanos como para sobrevivir
hasta la edad adulta y tener hijos.

Existen anomalías humanas ligadas a los cromosomas sexuales. Estas aparecen más
en los varones y por lo regular afectan a generaciones salteadas, o sea, un varón
afectado transmite la característica a una hija portadora fenotípicamente normal, quien
a la vez tendrá hijos afectados.

El número anormal de cromosomas sexuales dada por la no disyunción de los
cromosomas sexuales en los varones produce espermatozoides con 22 autosomas y
ningún cromosoma sexual o con dos cromosomas sexuales (XX, XY, YY). La no
disyunción de los cromosomas sexuales en las mujeres produce óvulos XX en vez de
óvulos con un cromosoma X. Cuando estos se juntan pueden dar XO, XXX, XXY y
XYY.

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También un número anormal de autosomas representa anomalías. El más
representativo es el Síndrome de Down.




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Fundamentos de la biología molecular

Herencia, genes y ADN

Podría decirse que la característica principal que tienen los seres vivos es la
capacidad de reproducirse. Todo organismo hereda una específica estructura y
función a partir de la información genética dada por sus progenitores. En si, toda célula
provino de otra célula, es decir el material genético de una célula madre ya prexistente
fue replicado y transferido a una célula hija siendo así la división celular el punto
central de la Biología.




Genes y cromosomas

Los principios básicos fueron deducidos por Gregor Mendel a partir de un experimento
con guisantes para descubrir las reglas generales de la transmisión de los patrones
genéticos y asumió que cada carácter esta dado por un par de factores heredados
llamado genes.

Estos experimentos no fueron tomados en cuenta hasta 1900 y poco después se
propuso el papel de los cromosomas como portadores de genes y que la mayor parte
de las células animales y vegetales son diploides; que contienen 2 par de cada
cromosoma. Sin embargo las células germinales animales son haploides su único
cromosoma de cada par se transmite a la célula hija por medio de la meiosis.

A principios del siglo pasado las alteraciones genéticas fueron identificadas. Hay
genes cuyas mutaciones se heredan de forma independiente como la Drosophila y
otros juntos como características emparejadas. El número de grupos de genes ligados
equivale al número de cromosomas apoyando la hipótesis de que los cromosomas
eran portadores de genes.




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Genes y enzimas

La identificación y localización cromosómica de los genes que controlan una
características observable fueron los principales estudios en la enfermedad hereditaria
humana fenilcetonuria (relacionado con enzimas) consiste en la deficiencia de una
enzima para catalizar una reacción metabolica en el metabolismo de una aminoácido
llevando a la conclusión de que los genes especifican la síntesis de enzimas.

Los genes codifican la síntesis de una enzima única, muchas enzimas se
complementan de polipeptidos, por lo que se afirmo que cada gen codifica la
estructura de una cadena polipeptidica.




                                                       La simulación muestra una doble hélice de
                                                       ADN -verde y púrpura-, siendo separada
                                                       por un enzima helicasa -amarilla-. (Foto:
                                                       Chris Pelkie y Daniel Ripoll/Cornell Theory
                                                       Center)




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Identificación del ADN como el material genético

Los cromosomas poseen proteínas además de ADN, e inicialmente se creyó que los
genes eran proteínas. Se realizaron experimentes definiendo el papel del ADN; las
cepas virulentas de pneumococcus están rodeados por una capsula de polisacáridos
que protege a la bacteria del sistema inmune del huésped , la capsula tenia aspecto
liso se denominan L y las que han perdido su capacidad de sintetizar la capsula siendo
rugosas y no letales son R .cabe recalcar que las bacterias aisladas en el individuo
eran encapsuladas tipo S inactivas, todo individuo que contenía bacterias no
capsuladas y capsuladas inactivas con el calor desarrollaron neumonía y murieron por
lo tanto una sustancia en el extracto S era responsable de inducir la transformación
genética de bacteria R a S.

Cuando un virus afecta a una célula es preciso que el ADN viral penetrara en la
células pero no en las proteínas, ara que el virus se replicara, además las partículas
de las virales hijas se transmiten el ADN del virus progenitor y no de proteínas por lo
que concluye que el ADN es el material genético.




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Estructura del ADN

Se sabe que el ADN era un polímero compuestos de cuatro nucleótidos, dos purinas-
guanina y adenina- y dos pirimidinas- citosina y timina- unidas a azucares fosforilados.
Es una hélice que da giro cada 3,4 nm y la distancia entre cada base es de 0,34 nm,
en cada vuelta hay 10 bases. El diámetro de las bases es 2nm y compuesto no por
una sino por dos cadenas de ADN.

La principal característica del ADN tratada es el esqueleto de azúcar-fosfato en el
exterior de la molécula. Las bases del interior forman puentes de hidrógenos entre
purinas y pirimidinas de cadenas opuestas emparejando A con T y G con C. la
cantidad de adenina equivalía a la de timina así mismo con la guanina y citosina. Cada
hebra contiene información necesaria para especificar las secuencias de bases de la
otra.

Estructura




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Replicación del ADN

Es un proceso de división celular. Se propuso que la dos hebras de ADN se podían ser
parar servir como moldes para la síntesis de nuevas hebras complementarias cuya
secuencia seria dictada en el emparejamiento de bases. Es semiconservativa ya que
se conserva la hebra de ADN progenitor que fue usado como molde.

La capacidad del ADN de servir de molde para su propia replicación fue establecida
con la demostración de que una enzima purificada de E.coli podía catalizar la
replicación del ADN in vitro, la ADN polimerasa de este era capaz de dirigir la
incorporación de nucleótidos en una molécula de ADN codificante.




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Expresión de la información
genética

Los genes son secuencias de
ADN que determinan la estructura
de las proteínas, las cuales a su
vez son responsables de dirigir el
metabolismo celular a través de
su función como enzimas. Se
descubrió que la información
genética se especifica por el
orden de las cuatro bases
(Adenina, Guanina, Citosina,
Timina) que forman la molécula
de ADN a través de la
identificación del ADN como el material genético y la explicación de su estructura.

Las proteínas son secuencias de polímeros de 20 aminoácidos, cuya secuencia
determina su función y estructura. En 1957, se descubrió que los pacientes que tenían
anemia de células falciformes, una enfermedad hereditaria, tienen moléculas de
hemoglobina que se diferencian de las normales en una sola sustitución de un
aminoácido. Es aquí en donde se pudo obtener la primera relación directa entre una
alteración entre las secuencias de aminoácidos de una proteína y una mutación
genética. La bacteria E. coli y otros virus fueron fundamental para tener una mejor
entendimiento de la relación molecular entre ADN y proteínas tras una serie de
experimentos.

Colinealidad de genes y proteínas

Se creó una hipótesis a partir de los datos que se tenían para entender la relación
entre genes y enzimas. Ésta consistía en que el orden de los nucleótidos en el ADN
especificaba el orden de aminoácidos en la proteína. La hipótesis predecía que varias
mutaciones en el mismo gen alterarían distintos aminoácidos en la proteína codificada,
y que los lugares de las mutaciones en un gen se reflejarían en las posiciones de las
alteraciones en los aminoácidos a lo largo de la proteína.

La demostración de la relación lineal entre genes y proteínas fue posible gracias a la
bacteria E. coli debido a su crecimiento acelerado, la rapidez de su replicación y la
simplicidad de su sistema genético, con lo cual se hizo posible el mapeo y aislamiento
de mutaciones múltiples en el mismo gen. Charles Yanofsky y sus ayudantes
localizaron una serie de mutaciones en el gen que codifica una enzima necesaria para
la síntesis del aminoácido triptófano. Así como el orden de los nucleótidos en el ADN
especifica el orden de los aminoácidos en la proteína, es de esperarse que la
secuencia de aminoácidos en la proteína sea colineal con la de mutaciones en el gen.

Papel del ARN mensajero

La secuencia de nucleótidos en el ADN especifica el orden de los aminoácidos en las
proteínas pero esto no significa que el ADN dirige por sí mismo la síntesis de proteínas
puesto que el ADN se localiza en el núcelo de las células eucarióticas y la síntesis de

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proteínas se lleva a cabo en el citoplasma. Es aquí en donde vienen las dudas y se
investiga para saber que molécula hace posible la síntesis de proteínas en los
ribosomas.

El ARN era una buena opción para ser esa proteína debido a que la similitud de su
estructura con el ADN proponía que el ARN podía ser sintetizado a partir de un molde
de ADN. El ARN se diferencia del ADN en que posee una solo cadena en vez de ser
doble, contiene la base pirimidínica uracilo (U) en vez de timina (T) y sus azúcares son
ribosas en vez de desoxirribosas. A más de esto, el ARN se localiza en el citoplasma
por lo cual es un intermediario lógico para trasferir la información del ADN a los
ribosomas.

De acuerdo con el dogma central, una vía para el flujo de información genética, la
transcripción consiste en que las moléculas de ARN se sintetizan a partir de moldes de
ADN, y la traducción se basa en que las proteínas se sintetizan a partir de moldes de
ARN. De acuerdo a Francis Crick, la información fluye del ADN al ARN, y después del
ARN a la proteína.




Sidney Brenner, Francois JACOB Y Mathew Meselson obtuvieron evidencia
experimental sobre la intermediación del ARN postulada por el dogma central con
ayuda de estudios de E. coli infectados por el bacteriófago T4. Los ARN mensajeros
(ARNm) son moléculas intermediarias en el flujo de la información genética y sirven de
molde para la síntesis proteínica. Los ARN mensajeros son transcritos por el ARN
polimerasa, una enzima que cataliza la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN.
El ARN ribosómico (ARNr) es un componente de los ribosomas y el ARN de
transferencia
(ARNt) es una molécula adaptadora que alinea a los aminoácidos a lo largo del molde
de ARN mensajero.

Código genético

El ARN de transferencia se usa como adaptador entre los aminoácidos y el ARNm
durante la síntesis de proteínas. Cada aminoácido se une al extermo 3’ de una ARNt
por una enzima apropiada que en el caso de la histidina sería la aminoacil RNA
sintetasa). El ARNt se alinea sobre un molde de ARNm por complementariedad de
bases.

Son precisos al menos tres nucleótidos para codificar cada aminoácido dado que
cuatro nucleótidos deben codificar 20 aminoácidos. El código genético es la relación
entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos en las proteínas. Un codón o triplete es la

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secuencia de tres bases o nucleótidos que codifican un aminoácido. En total hay 64
codones que codifican sólo 20 aminoácidos por lo cual es factible que haya más de un
codón por cada aminoácido. De los 64 codones, 61 codifican algún aminoácido. Los
tres que sobran (UAA, UGA y UAG) son codones de parada o stop que determinan la
terminación de la síntesis de proteínas. La adición o deleción de tres nucleótidos lleva
a la adición o deleción de un solo aminoácido




Para la evidencia genética del código de tripletes se estudió una serie de mutaciones
que consistían en la adición de uno, dos o tres nucleótidos en el gen rII del
bacteriófago T4. La adición de uno o dos nucleotidso altera el marco de lectura de todo
el resto del gen. Por lo tanto, tanto los aminoácidos son anormales y se produce una
proteína inactiva, dando lugar a un fago mutante. La adición de tres nucleótidos, por el
contrario, altera un único aminoácido. El marco de lectura del resto del gen es normal,
y se produce una proteína activa que da lugar al fago de tipo salvaje (TS). Una
mutación en un par de bases de la región codificante de un gen puede resultar en
polipéptido prematuramente terminado o en un polipéptido con una secuencia
aminoacídica errónea, dependiendo de la mutación correcta.

El triplete UUU codifica a la fenilalanina. La traducción in vitro es el uso de sistema in
vitro que realiza síntesis proteínica. Este tipo de traducción de un ARN sintético
compuesto de uracilos repetidos (un molde de poli-U) lleva a la síntesis de in
polipéptido compuesto únicamente por fenilalanina.

Virus ARN y transcripción inversa

De acuerdo con el dogma central, el material genético es el ADN, que es capaz de
autorreplicarse además de transcribirse a ARNm, que sirve a si vez de molde para la
síntesis de proteínas.

Los genomas de ARN fueron descubiertos en virus vegetales, los cuales en su
mayoría se componen solo de ARN y proteínas. Por medio de experimentos como el
de los años 50 en donde se demostró que el ARN purificado del virus del mosaico del
tabaco podía infectar nuevas células que dio lugar a una progenie de virus infectivos,
se obtuvo evidencia de que el ARN actúa como material genético.


                                           18
El modo de replicación de la mayoría de los genomas virales se determinó en estudios
de los bacteriófagos ARN de E. coli. Estos virus codifican una enzima específica que
cataliza la síntesis de ARN a partir de un molde de ARN (síntesis de ARN dirigida por
ARN), utilizando el mismo mecanismo de apareamiento de bases entre hebras
complementarias se da durante la replicación del ADN o durante la transcripción de
ARN a partir de ADN.

Los virus tumorales de ARN, denominados retrovirus, se replican por medio de la
síntesis de un ADN intermediario, llamado provirus de ADN. En 1970, Howard Temin y
Dvid Baltimore descubrieron una forma independiente que el ARN de los virus
tumorales contenía una enzima que cataliza la síntesis de ADN desde un molde de
ARN. La síntesis de ADN a partir de ARN, denominada transcripción inversa se
estableció con un nuevo modo de transferencia de información en sistemas biológicos.
La transcripción inversa es importante en la replicación de los retrovirus pero también
ocurre en las células y es responsable en la transposición de secuencias de ADN de
una localización cromosómica a otra. Las enzimas que catalizan la síntesis de ADN
dirigida por ARN, las transcriptasas inversas, se utilizan en experimentos para generar
copias de ADN a partir de una molécula de ARN. Los retrovirus contienen genomas de
ARN en sus partículas virales, cuando un retrovirus infecta una célula huésped se
sintetiza una copia de ADN del ARN viral por medio de la transcriptasa inversa. Este
ADN viral se integra en el ADN cromosómico del huésped para constituir un provirus
de ADN, que se transcribe para dar lugar a virus ARN hijos.




                                          19
Detección de ácidos nucleicos y proteínas

Las enzimas de restricción son endonucleasas que clivan (hidrolizan) en una forma
específica puentes fosfodiéster 3' - 5' entre pares de bases adyacentes en la doble
cadena de DNA

Las enzimas de restricción cortan dejando extremos cohesivos o romos. Los extremos
cohesivos o adherentes son generados cuando la enzima corta las dos hebras
asimétricamente, dejando los extremos de cada hebra de simple cadena
complementarias en Los fragmentos de DNA generados por digestión con enzimas de
restricción pueden ser determinados por electroforesis en gel de agarosa.

La DNA ligasa es una enzima que cataliza la formación de puentes fosfodiéster entre
los extremos adyacentes 3' OH y 5' fosfato en el DNA. Para la actividad la enzima
requiere Mg++ y una unión covalente, derivada del ATP en el caso de la DNA ligasa
del bacteriófago T4.

                                      El uso en la digestión / restricción del DNA
                                      seguido por unión covalente de extremos
                                      cohesivos de diferentes fragmentos de DNA
                                      forma la base de la enzimología del DNA
                                      recombinante

                                      El DNA extraño clonado que está en esta
                                      biblioteca son moléculas de DNA de doble
                                      cadena      sintetizadas  por     la   enzima
                                      transcriptasa inversa a partir de la población
                                      de RNA mensajeros, moldes encontrados en
                                      un tejido específico.

Amplificación de ADN con la reacción cadena de la polimerasa

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) el método alternativo para conseguir un
gran número de fragmentos de material genético a partir de una copia de ADN.
Siempre que se conozca la secuencia de la molécula de ADN se lleva a cabo
completamente en in vitro

El numero de secuencia va aumentando doblando con cada ciclo de replicación puede
obtener las ADN iniciales

Los múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento por sistema de ciclos de
calentamiento y enfriamiento: TERMOCICLADORES. El ADN polimerasa empleadas
con enzimas termoestables de bacterias como la Thermus Aquaticus, , las polimerasa
son estables en temperaturas altas empleadas para separar las hebras del ADN de
doble hebra y la ampliación se de una manera rápido y automático

Las únicas moléculas de ADN que será amplificado por PCR proporcionan un método
muy poderoso de detección de pequeñas cantidades

Las únicas moléculas de ADN que serán amplificadas por el PCR son aquellas que
contengan secuencia complementaria de los cebadores empleados en la reacción

                                        20
Hibridación de Ácidos Nucleicos

La clave es que apareamiento de bases entre hebras de ARN o ADN en un proceso
de hibridación de ácidos nucleicos si puede hibridar entre sí dos hebras de ADN , 2
hebras de ARN y una de ADN con otra de ARN

La transferencia southerm s e utiliza de modo generalizado para la detección de genes
específicos en el ADN celular

La transferencia Northerm es utilizada para la detección de ARN en vez de ADN

La hibridación de ácidos nucleicos también puede emplearse para identificar clones
moleculares contiene insertos específicos de ADN celular, la hibridación a Microarrays
de ADN permite el análisis simultaneo de miles de genes, un Microarray de ADN
consiste en un lamina de cristal o membrana sobre a que se imprimen oligonucleótidos
o fragmentos de adnc por un sistema de robótica en pequeños puntos a elevada
intensidad.

La hibridación de ácidos nucleicos se emplea para detectar secuencias de ADN o ARN
homologas no solo en extractos celulares, también cromosomas o células intactas
llamado Hibridación in situ esta también puede emplearse para detectar ARNm
específicos en los distintos tipos celulares de un tejido




Bancos de Screening de clones

El screening es a menudo realizado por hibridación selectiva con una indagación de
DNA (DNA probe). La hibridación se refiere al proceso por el que bases apareadas o
fortalecidas ocurre entre cadenas complementarias de una sola hebra de DNA. La
indagación puede ser un fragmento de DNA o varios cientos de pares de bases o con
más homología al gen a ser aislado. También una indagación pequeña de hebra única
de DNA puede hacerse sintéticamente, el que hibridará con el código genético por una
secuencia aminoacídica conocida. Luego de transferir de una biblioteca de colonias
bacterianas de una o más placas de Petri a un papel de filtro o de nylon, el resto
bacteriano es removido dejando el DNA celular y el plásmido unidos al filtro en
precisamente la misma posición como la colonia bacteriana original (una réplica de la
placa bacteriana es retenida). El DNA en el filtro es luego desnaturalizado e
hibridizado con una indagación del DNA alterado marcado radiactivamente.

Se lava del filtro el exceso de solución que contiene las sondas que no han hibridado.
Las moléculas de doble cadena que se hayan formado permanecen en su lugar en el

                                         21
filtro y su visualización se realiza por medio de auto-radiografía, técnica en la cual
primero, cada filtro es cubierto con una película fotográfica y dejado en la oscuridad.
Durante el período de exposición, el radioisótopo libera energía que impacta la
emulsión fotográfica.

Las bibliotecas de genes de screening también pueden ser determinadas usando un
anticuerpo específico que reconocerá y unirá a la proteína del gen a ser aislado. El
anticuerpo puede ser contra la proteína entera o dirigida contra un péptido sintético
derivado de la secuencia primaria de la proteína. El anticuerpo puede ser marcado
radiactiva o enzimáticamente y usado para filtrar bancos de clones bacterianos en los
que los genes extraños han sido clonados en un plásmido de expresión especial. En
este plásmido el gen inserto es transcripto a RNAm y traducido a proteína por la RNA
polimerasa y ribosomas bacterianos. Las colonias bacterianas en el papel de filtro son
lisadas, así la proteína expresada en una colonia específica puede ser detectada por
el anticuerpo. Se han desarrollado nuevos métodos de marcaje de ácidos nucleicos
que usan compuestos no radioactivos que se incorporan al DNA y pueden detectarse
o bien porque dan un color determinado o incluso porque emiten luz (y

Sondas de anticuerpos para proteínas

La expresión y función génica de proteínas específicas. Los anticuerpos ocupan las
sondas de acido nucleicos como reactantes que interactúan de modo selectivo

La clonación molecular permita la obtención de anticuerpos dirigidos contra proteínas
eucarioticas de difícil aislamiento. También es posible crear anticuerpos contra
péptidos

Los anticuerpos pueden ser utilizados para detectarse proteína en extractos celulares

La inmunotransferencia y la inmunoprecipitacion, la proteínas precedentes de los
extractos celulares son separadas por electroforesis en gel según su tamaño, las
proteínas se separan por técnica electroforesis en gel de SDS-POLIACRILAMIDA

Tras un a electroforesis las proteínas se transfieren a un filtro que incuba con los
anticuerpos que reaccionan con la proteína de interés

La inmunoprecipitacion los anticuerpos son utilizados para aislar las proteínas contra
las que reaccionen también puede emplearse para detectar interacciones proteína-
proteína interior celular la co-inmunoprecipitacion de dos proteínas que se encuentran
interaccionando

Secuenciamiento del DNA.

La habilidad para secuenciar grandes fragmentos de DNA ha evolucionado la
biología. En los Estados Unidos se investigará en los próximos veinte años para lograr
el mapeo y secuenciamiento de las 3 x 109 pb del genoma humano.

Existen dos metodologías básicas para secuenciar el DNA: (1) Método de Maxam-
Gilbert: degradación química de fragmentos de DNA y (2) Método enzimático de
Sanger o dideoxi: reacciones de terminación de cadenas durante la síntesis de DNA



                                          22
dirigida por moldes. Los fragmentos de DNA a ser secuenciados son clonados en el
genoma de bacteriófago que 19

existe como una molécula de DNA de doble cadena durante la replicación, sino es una
cadena única. El fago de DNA de cadena única contiene una de las cadenas del DNA
extraño a ser secuenciado, y es sometido a una síntesis de DNA in Vitro usando la
DNA polimerasa y un oligonucleótido sintético específico como molde de hibridación
que une el molde del bacteriófago corriente arriba del DNA extraño insertado. La
síntesis in Vitro del DNA es realizada en cuatro recipientes separados de reacción,
cada uno conteniendo 4 dNTPS (uno marcado radiactivamente) más una pequeña
cantidad de solo un dideoxinucleótido (ddGTP - ddATP - ddCTP o ddTTP). El
deoxinucleótido contiene un azúcar 2'H y 3'OH y el dideoxinucleótido contiene
hidrógenos en posiciones 2' y 3'. Una vez que son incorporados a la cadena de DNA
en crecimiento durante la síntesis 5' fosfato se agrega a 3' OH, termina la síntesis de la
cadena porque bloquean el 3'OH requerido para la adición del próximo 5' fosfato
dNTP. Debido a que los dideoxinucleótidos están presentes en pequeñas
concentraciones en relación a los dNTPs en reacciones individuales, la terminación de




la cadena es al azar y resulta en un amplio rango de tamaños de cadenas nuevas
sintetizadas (20 a 1.000b). Como la electroforesis en gel de acrilamida es capaz de
determinar las cadenas individuales que difieren en una base, las cuatro mezclas de
reacción son sometidas a electroforesis a través de acrilamida polimerizada en
caminos adyacentes. Luego el gel es expuesto a una película de rayos X donde los
productos de terminación de la cadena radiactiva se revelan como bandas de diferente
movilidad electroforética. La secuencia nueva sintetizada es leída en incrementos de
una base a través de cuatro caminos de reacción (ddG, ddA, ddT, ddC) de arriba a
abajo la dirección 5' a 3'. El complemento de esta secuencia será la secuencia del
molde de DNA extraño en dirección 3' a 5'.

Otras técnicas relevantes de la Biología Molecular

En la técnica del Southern blott el DNA es sometido a electroforesis y luego transferido
al papel o nylon. RNA y proteínas pueden ser analizados en forma similar. La
electroforesis del RNA por agarosa o acrilamida seguida de transferencia al papel o
nylon se llama NORTHERN TRANSFER. El RNA transferido puede ser detectado por
hibridación con una PROBE radioactiva. El NORTHERN BLOTT revela el modelo de
expresión génica a nivel de RNA en células o tejidos. La electroforesis de proteínas
desnaturalizadas por acrilamida seguida por transferencia al papel se llama
WESTERN BLOTTING. La proteína transferida puede ser detectada más fácilmente
por métodos inmunológicos. Por ejemplo, un anticuerpo de conejo específico puede


                                           23
unirse a su antígeno proteico en
                                                   el papel. Otro anticuerpo (anti-
                                                   conejo) conjugado con una
                                                   enzima     (fosfatasa    alcalina)
                                                   luego     pueden      unirse    al
                                                   anticuerpo original del conejo en
                                                   el papel. Cuando el papel es
                                                   humedecido en una coloración
                                                   un precipitado oscuro se
                                                   depositará sobre la banda del
                                                   antígeno. El Western Blott se
                                                   usa para detectar la presencia
de antígenos HIV o anticuerpos para HIV en suero humano así como otros agentes
virales. La hibridación in situ es un proceso por el cual las PROBES de ácidos
nucleicos se hibridan a ácidos nucleicos complementarios dentro de células fijas y
cortes de tejidos (in situ).

Esto permite localizar secuencias específicas de DNA o RNA en células y tejidos
mediante el uso de sondas de ácidos nucleicos.

Organismos genéticamente modificados

Los organismos genéticamente modificados se
crean introduciendo uno o más genes,
pertenecientes a otros seres, o quitando uno o
más genes, pertenecientes al organismo.

Los      organismos         transgénicos     están
genéticamente modificados, pero con genes
pertenecientes a otros organismos muy
distintos a ellos (distinta especie). Por ejemplo,
un organismo genéticamente modificado podría
ser una rata con genes de otra rata. Un
organismo transgénico sería una merluza
modificada con genes de un salmón. Los
organismos genéticamente modificados han
sido desarrollados para facilitar la mejora animal y vegetal, ya que acortan los tiempos
de espera en la depuración de la especie por selección de individuos. También, se ha
investigado en su desarrollo con otro fin distinto, el de crear organismos que, de otro
modo no se formarían en la Naturaleza, como por ejemplo permitir la incorporación de
ADN de otra especie. Las aplicaciones de los organismos genéticamente modificados
son muy variadas. Se pueden destacar las siguientes:

En investigación: para el estudio de la expresión de genes y la creación de genéticas.

En medicina: para la obtención de fármacos o proteínas cuya síntesis es difícil
conseguir "in Vitro". También, para la obtención de tejidos u órganos, o la reparación
de anomalías genéticas en humanos.



                                          24
En agricultura y ganadería: para la mejora (no de forma tradicional) de plantas y
animales.

En la industria alimenticia: para la mejora de procesos biotecnológicos de elaboración
de alimentos (pan, vino, cerveza, yogur, etc.) y para la creación de alimentos nuevos.

La creación y utilización de organismos genéticamente modificados tiene muchas
trabas legales, debido al rechazo social existente. Los alimentos manufacturados a
partir de este tipo de organismos sólo se aceptan para el consumo humano si no
queda proteína o ADN del organismo genéticamente modificado. Si esto no se cumple,
debe ponerlo en la etiqueta. Por ejemplo, en la fabricación del pan utilizamos levadura.
Cuando el pan se cuece la levadura queda destruida. Esa levadura destruida puede
ser natural o genéticamente modificada, pero nunca lo sabremos.




                                          25
VIH

Introducción

Las tres clases de retrovirus humanos son: oncornavirus, lentivirus y espumavirus,
están integrados por virus RNA cubiertos con una envoltura de composición muy
similar a la membrana celular. Los virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 y 2
(VIH-1 y VIH-2, respectivamente) se clasifican como lentivirus por tener una
organización genómica y por producir patologías similares a otros miembros de esta
subfamilia, como el virus caprino Visna/Maevi.

El genoma de los retrovirus, un RNA de simple hebra, se replica a través de un
proceso único. La enzima transcriptasa reversa, un producto viral, cataliza el ciclo de
replicación tan peculiar de estos virus al convertir el RNA genómico en un DNA de
doble hebra denominado provirus. Otro producto viral, la enzima integrase, incorpora
el provirus al genoma celular, integración que constituye un evento esencial para la
expresión de los genes virales, ya que además de permitir a los retrovirus persistir en
las células de por vida, también contribuye a la extensa latencia que caracteriza las
enfermedades producidas por los retrovirus humanos.

Los tipos de virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), derivados de los lentivirus
primates, son el agente etiológico del SIDA. La enfermedad fue descrita por primera
vez en 1981. Desde entonces el SIDA se ha convertido en una epidemia mundial, la
cual se extiende en alcance y magnitud a medida que la infección por VIH afecta a
diferentes poblaciones y regiones geográficas. En la actualidad se ha infectado
millones de personas por todo el mundo; una vez infectados los individuos
permanecen así durante toda la vida. Sin tratamiento, antes de un decenio la gran
mayoría de personas infectadas con VIH desarrollan infecciones oportunistas mortales
como consecuencia de las deficiencias inducidas por este virus en el sistema
inmunitario. El SIDA es uno de los problemas más importantes de la salud pública en
todo el mundo en el comienzo del siglo XXI.



Propiedades del virus

El virus de la inmunodeficiencia           humana (VIH)      es   un lentivirus (de   la
familia Retroviridae)

Propiedades importantes de los lentivirus (retrovirus no oncógenos)
Virión         Esférico de 80 a 100 nm de diámetro, centro cilíndrico
Genoma         RNA de cadena sencilla, lineal, de sentido positivo, 9 a 10 Kb,
               diploe, genoma más complejo que el de los retrovirus oncógenos,
               contiene hasta 6 genes adicionales de replicación.
Proteínas      La glicoproteína de la envoltura sufre variación antigénica; los
               viriones contienen la enzima transcriptasa inversa; se requiere una
               proteasa para la producción de virus infectante.
Envoltura      Presente
Replicación    La transcriptasa inversa elabora copias del DNA del RNA genómico;
               el provirus del DNA es la plantilla para el RNA viral.
Maduración     Las partículas geman a través de la membrana plasmática.

                                          26
Características    Infectan las células del sistema inmunitario.
notables           Tienen expresión viral in vivo restringida en algunas células.
                   Causan enfermedad crónica levemente progresiva.
                   La replicación es muy específica de especie.
                   El grupo incluye el agente causal del SIDA.


Estructura (retrovirus)

Los retrovirus son virus de ARN de aproximadamente 80 a 100 nm. La envoltura
contiene glucoproteinas víricas y se adquiere por gemación a través de la membrana
plasmática. La envoltura rodea una capside que que contiene dos copias idénticas del
genoma de ARN de cadena positiva dentro de un centro vírico denso a los electrones.

El virión también contiene entre 10 y 50 copias de las enzimas trasncriptasa inversa e
integrasa y dos ARN celulares de transferencia (ARNt). Estos ARNt emparejan sus
bases con cada copia del genoma para ser usados como cebadores por la
transcriptasa inversa.

La morfología del centro vírico varía en distintos virus, lo que se estudia para clasificar
los retrovirus. Siendo el centro vírico del VIH un cono truncado.

El genoma del retrovirus tiene una cabeza en el extremo 5’ y una cola de poliadenina
en el extremo 3’. A pesar de que el genoma se asemeja a un ARN mensajero, no es
infeccioso debido a que no codifica ninguna polimerasa que pueda generar
directamente otras moléculas de ARN mensajero. El genoma de los retrovirus simples
se compone de tres genes principales que codifican poli proteínas para las siguientes
poli proteínas enzimáticas:

       Gag (antígeno específico de grupo, proteínas de capside, matriz y unión de
       ácidos nucleicos)
       Pol (polimerasa, proteasa e integrasa)
       Env (envoltura, glucoproteinas)

En cada extremo del genoma encontramos secuencias de repeticiones terminales
(LTR), estas estructuras contienen secuencias promotoras, potenciadoras y otras
secuencias genéticas utilizadas para generar distintos factores de transcripción celular.

Las glucoproteinas víricas se producen por escisión proteolítica de la poli proteína
codificada por el gen Env. Ejemplos:

       La (glucoproteína) gp160 del VIH se escinde en la gp41 y gp120. Estas
       glucoproteinas forman una punta de trímero que son visibles en la superficie
       del virión. La glucoproteína mayor se une a los receptores de la superficie
       celular, determina inicialmente el tropismo tisular del virus y es reconocido por
       el anticuerpo neutralizante.

       La glucoproteína menor en el VIH (la gp41) consiste en la base de la punta de
       trímero y estimula la fusión de una cadena con otra.



                                            27
La gp120 del VIH está intensamente glucosilada, y su antigenicidad y
      especificidad de receptor pueden variar durante la infección crónica por VIH.
      Estos factores impiden que la inmunidad sea capaz de eliminar al virus.




Replicación

   1) La replicación del VIH empieza con la unión de
      las puntas de glucoproteinas vírica (Trímero de
      moléculas gp120 y gp41) a la proteína receptora
      de superficie CD4 expresada en las células
      como macrófagos, células dendríticas, linfocitos
      T.     Así mismo un segundo receptor, una
      quimiocina receptora de transmembrana-7 unida
      a la proteína G. En una fase posterior el virus
      muta y la gp120 se une a la CD4 y a distintos
      receptores de quimiocinas [CXCR4] y [CCR5] en
      linfocitos T y otros linfocitos T cooperadores. La
      unión al receptor de quimiocina pone en
      contacto a la envoltura vírica y la membrana
      plasmática de la célula y hace posible que la
      gp41 interaccione y favorezca la fusión de
      ambas membranas.


   2) La fase precoz del proceso de replicación se
      inicia tras la introducción del virus al citoplasma.
      Donde se separan las 3 enzimas de replicación
      del virus que son: la transcriptasa inversa, la
      integrasa y la proteasa.

   3) La transcriptasa inversa empieza la transcripción inversa del ARN viral, esta
      posee dos puntos catalíticos que son: el sitio activo de RNAsa H y el citio activo
      de la polimerasa; aquí la única cadena de ARN viral es transcrita en una doble
      hélice ARN-ADN



                                           28
4) La transcriptasa inversa actúa, igualmente con el sitio activo de RNAsa H, la
      cual degrada la cadena de ARN y luego sintetiza la cadena positiva de ADN
      complementario [ADNc]. La transcriptasa es muy propensa a cometer errores
      se dice que puede cometer 1 error por cada 2000 pares de bases o
      aproximadamente 5 errores por genoma.

   5) El ADNc se introduce en el centro vírico y se inserta en el cromosoma del
      anfitrión con la ayuda de una enzima codificada por el virus y transportada por
      el virión, La integrasa.

   6) La integración requiere la proliferación celular, aunque el ADNc del VIH puede
      permanecer en el núcleo y el citoplasma en una forma circular no integrada de
      ADN hasta que la célula este activada.

   7) Una vez integrado comienza la fase tardía, y el ADN vírico es transcrito como
      un gen celular por parte de la polimerasa de ARN II de la célula anfitriona. La
      transcripción del genoma produce un ARNm que contiene las secuencias gag,
      gag-pol o env.

   8) El ARNm migra hacia el citoplasma donde se sintetizan los componentes de
      nuevos virus.

   9) Algunos de estos deben de ser procesados por la proteasa viral, ésta corta
      proteínas largas en más cortas, proceso crucial para crear virus infecciosos.

   10) Las glucoproteinas víricas también se sintetizan, glucosilan y procesan en el
       retículo Endoplásmico y el aparato de Golgi, después estas se degradan para
       formar una fracción transmembrana y subunidades extracelulares de la
       proteína de una unión vírica la cual se asocia para formar los trímeros y
       emigrar hacia la membrana plasmática.

   11) Más tarde las enzimas de replicación, las proteínas infecciosas formadas, el
       ARN viral y las glucoproteinas virales de reconocimiento se unen para formar el
       nuevo virus infeccioso por medio del proceso de Gemación que es la expulsión
       del virus por la membrana plasmática de la célula anfitriona.


El virus replicado está listo para infectar más células del organismo, el virus del VIH
tiene la capacidad de replicarse miles de millones de veces al día, provocando un
grave efecto sobre las células de sistema inmunológico.




                                          29
Efectos inmunológicos de la infección

El principal efecto de la infección por el VIH en el organismo es una progresiva pérdida
del número de células T CD4+ en sangre periférica y en tejido linfoide. Se observan
defectos funcionales en las células, que incluyen fallos en la proliferación y en la
producción de citocinas en respuesta a antígenos comúnmente encontrados y anergia
para hipersensibilidad retardada en piel. Además de la profunda deficiencia inmune, el
VIH también induce un estado de activación inmune crónica en las células T CD4+, T
CD8+ y monocitos. Este hecho limita la capacidad del huésped para proveer defensas
contra patógenos oportunistas, potenciando la propagación del VIH ya que las células
T CD4+ activadas son más permisivas a la replicación del virus.



Enfermedades clínicas

El SIDA es una de las epidemias más devastadoras que se recuerdan. La mayoría de
los individuos infectados por VIH acaban presentando sintomatología y la inmensa
mayoría sucumbe finalmente a la enfermedad en ausencia de tratamiento.

Aunque es raro existen casos de supervivientes de larga duración. Algunos de estos
casos se deben a la infección por cepas del VIH que carecen de la proteína funcional
nef.

Los síntomas iniciales tras la infección por VIH (2 a 4 semanas después de la
infección) se pueden parecer a los de la gripe o la mononucleosis, con una meningitis
o un exantema que aparece hasta 3 meses después de la infección. Al igual que la
mononucleosis, los síntomas se derivan de las respuestas inmunitarias
desencadenadas por una extensa infección de células linfoides.

El deterioro de la respuesta inmunitaria está indicado por el aumento en la sensibilidad
a los microorganismos patógenos oportunistas, especialmente aquellas controladas
por los linfocitos T4, los macrófagos activados y los linfocitos T8.

Transmisión

La presencia del VIH en sangre, semen y secreciones vaginales de los individuos
infectados y el prolongado periodo de infección asintomático son los factores que han

                                          30
favorecido la diseminación de la enfermedad por contacto sexual y contagio con
sangre y hemoderivados.

Sin embargo el VIH no se transmite por contacto casual, las manos abrazos, besos,
tos, estornudos, picaduras de insectos, agua, alimentos, utensilios, retretes, piscinas o
baños públicos.

Fármacos antivirales

Un número creciente de fármacos antivirales han sido aprobados para el tratamiento
por infección de VIH. Las clases de fármacos incluyen análogos de nucleosidos
inhibidores de la enzima proteasa viral. Los inhibidores de la proteasa viral son
antivirales potentes, debido a que la actividad de proteasa es absolutamente
indispensable para la producción de virus infectante y la enzima viral es distinta de las
proteasas de las células humanas.




                                           31
Repartición de Temas

Carlos Pachucho:

Herencia Mendeliana

      Experimentos con los guisantes
      Genotipo y Fenotipo
      Leyes de Mendel
      Leyes de Mendel en los humanos
      Anomalías humanas heredadas

Geovanna Cobo:

Fundamentos de la Biología molecular

      Genes y cromosomas
      Genes y enzimas
      Identificación del ADN como el material genético
      Estructura del ADN
      Replicación del ADN

Belén Pimentel:

Expresión de la información genética

      Colinealidad de genes y proteínas
      Papel de ARN mensajero
      Código genético
      Virus, ARN y transcripción a la inversa

Ximena Ortega:

Detección de ácidos nucleicos y proteínas

      Amplificación de ADN con la reacción cadena de la polimerasa
      Hibridación de ácidos nucleicos
      Bancos de Screening de clones
      Sondas de anticuerpo para proteínas
      Secuenciamiento del ADN
      Otras técnicas relevantes de la biología molecular
      Organismos genéticamente modificadas

Alex Cuzco:

VIH

      Propiedades del virus
      Estructura (retrovirus)
      Replicación
      Elementos inmunológicos de la infección

                                         32
Enfermedades Clínicas
Transmisión
Fármacos antivirales




                        33
Bibliografía:

Cooper, Geoffrey. La célula. Quinta edición. Marban Libros, S.L., 2011.
España.
http://payala.mayo.uson.mx/QOnline/genemende.html
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http://sociedadinformacion.fundacion.telefonica.com/telos/anteriores/num_033/c
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Microbiología Médica de Jawetz, Melnick y Adelberg 19ª Edición
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Revista chilena de pediatríaversión impresa ISSN 0370-4106 Rev. chil.
pediatr. v.71 n.2 Santiago mar. 2000 doi: 10.4067/S0370-41062000000200002




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  • 2. 2
  • 3. Herencia Mendeliana A mediados del siglo XIX, un monje austriaco llamado Gregor Mendel nacido en República Checa el 20 de Julio de 1822 , descubrió uno de los más importantes aportes de la genética al experimentar con guisantes, específicamente una arveja común denominada Pisum sativum. Escogió estas por su fácil cultivo y rapidez en el crecimiento. Lo impresionante es que Mendel estudiaba matemáticas y otras ciencias relacionadas con esta graduándose, después, en Ciencias Naturales en la Universidad de Viena. Pero prontamente fracasó. Entonces realizó y expresó lo que ahora se conoce como Las leyes de la herencia con tal experimento crucial. Indudablemente, Mendel era una persona muy humilde, de raíces campesinas y su trabajo no fue tomado en cuenta hasta 20 años después de su muerte. Esto se debió a que Mendel no difundió sus trabajos en una revista. En vez de aquello usó una no muy buena o no muy específica para cierto tipo de investigadores. Los secretos del monje en el éxito de sus experimentos El austriaco tomó en cuenta tres aspectos principales para su experimento: Elegir el organismo perfecto para el trabajo. Planear y ejecutar correctamente el experimento. Analizar los datos en forma adecuada. ¿Por qué Mendel escogió estos guisantes? A parte de sus facilidades antes dichas, los chícharos pueden autopolinizarse, es decir, cada flor de guisante suministra normalmente su propio polen, de tal forma que los óvulos son fecundados por el esperma del polen de la misma flor. 3
  • 4. ¿Qué hizo Mendel con los guisantes? Mendel tuvo la brillante idea de no observar la planta completa, sino rasgos, o sea características individuales que se manifiestan con diferentes formas distintivas. Entonces reunió polen de una cepa parental y lo colocó sobre los estilos (órganos femeninos) de la otra cepa cuyas anteras (órganos masculinos) habían sido eliminadas de modo que la planta receptora no pudiera autofecundarse. Las plantas que donaban y recibían el polen eran la generación parental, designada con una P, cruzando una flor blanca con una flor púrpura. Las semillas formadas por este cruce y las nuevas plantas, se las denominaba primera generación filial, o F1. Esto dio como resultado, que todas las flores eran de color púrpura. Entonces salió a la luz un detalle muy interesante. El color blanco había desaparecido. Mendel permitió a esta generación, que se autopolinizara y produjera una segunda generación filial, F2. Exactamente las cifras fueron 705 púrpuras y 224 blancas. El color blanco apareció. Pero ¿por qué en la F1 no y en la F2 si lo hizo? Esta capacidad estaba oculta, pero no había desaparecido. Siguiendo con el proceso, permitió también que la F2 se autopolinizara y de cómo resultado una nueva generación, la F3. Todas las flores blancas tuvieron descendientes blancos, es decir de raza pura. Pero las flores púrpura eran de dos tipos: 1/3 eran púrpuras y 2/3 eran híbridos, características de flor blanca y púrpura. Híbridos, es un organismo vivo procedente del cruce de dos organismos de razas o de algunas cualidades diferentes. 4
  • 5. Después de estos resultados, Mendel llego a estas conclusiones: Cada rasgo está determinado por genes, pares de unidades físicas discretas. Cuando un organismo tiene dos alelos diferentes, uno de ellos (dominante) puede enmascarar la expresión del otro (alelo recesivo), sin embargo, el recesivo sigue presente. Los pares de genes de cromosomas homólogos se separan durante la formación de los gametos, de tal forma que cada gameto recibe un solo alelo de cada par. El azar determina cual alelo se incluye en un gameto determinado. Los organismos de raza pura tienen dos ejemplares del mismo alelo de un gen determinado. Pero ¿Qué es homocigoto, heterocigoto? Se sabe que un gen contiene la información necesaria para determinar una característica. Entonces un organismo homocigoto tiene los dos cromosomas homólogos en un mismo alelo en un locus de gen específico, mientras que heterocigótico es cuando sus dos cromosomas homólogos tienen diferentes alelos en un locus. A estos también se los conoce como híbridos. Ahora ¿qué es alelo y locus? Un alelo es cada una de las formas alternativas de un gen que ocupa la misma posición en cada par de cromosomas homólogos Locus es el lugar físico que ocupa un gen dentro de un cromosoma. Cabe nombrar también lo que es un genotipo y fenotipo Un genotipo son los alelos presentes en un individuo determinado teniendo relación con el fenotipo que expresa los rasgos físicos del organismo a tratar. Después de estudiar la variable color, Mendel comenzó por cruzar plantas que diferían en dos rasgos, como color de la semilla y forma de ésta. 5
  • 6. Con base en los resultados de otras cruzas de plantas con otros rasgos, Mendel ya sabía que el alelo liso del gen da la forma de la semilla (S) es dominante respecto al alelo rugoso (r). Mendel cruzó una planta de raza pura con semillas lisas y amarillas (SSYY) con una planta de raza pura con semillas rugosas y verdes (ssyy). Todas las descendientes de la F1, por lo tanto, eran genotípicamente SsYy. Además todas tenían el mismo fenotipo: semillas lisas y amarillas. Una posibilidad era que el alelo de la forma y el alelo del color presentes en cada progenitor se separaran y se transmitieran de forma independiente. Esta hipótesis se llama combinación independiente, porque los dos alelos se separarían y combinarían en los gametos independientes . Otra posibilidad era que el alelo de la forma y el alelo del color se transmitieran juntos a los gametos. Esta hipótesis se puede llamar combinación dependiente, porque la transmisión de un alelo dependería de la transmisión de otro. Al permitir la autopolinización de estas plantas de la F1, Mendel encontró que la generación F2 consistía en 315 plantas con semillas lisas y amarillas, 101 con semillas rugosas y amarillas, 108 con semillas lisas y verdes, y 32 con semillas rugosas y verdes: una proporción de aproximadamente 9:3:3:1. Los términos dominancia y recesivo identifican únicamente qué fenotipo se observa en individuos que llevan dos determinantes genéticos diferentes. 6
  • 7. Las leyes de Mendel Tras sus explicaciones, Gregor Mendel concluyó sus trabajos enunciando 3 leyes, consideradas a día de hoy la base de la genética actual. Estas leyes, explican y predicen cómo serán los fenotipos (caracteres físicos) de un nuevo individio. Así pues, hay 3 leyes de Mendel que explican los caracteres de descendencia de dos individuos, pero únicamente son dos de las leyes mendelianas las que se refieren a la transmisión: la ley de segregación de caracteres independientes (segunda ley), y la ley de herencia independiente de caracteres (tercera ley de Mendel) Ley de la uniformidad Si se cruzan dos líneas puras que difieren en un carácter, la primera generación filial es uniforme y está formada por individuos idénticos que presentan solo uno de los caracteres alternativos paternos. 7
  • 8. Ley de la segregación independiente de los caracteres El carácter hereditario que se transmite como una unidad que no se combina, se diluye o se pierde al pasar de una generación a otra, solo se agrega o se separa.Los dos genes que rigen cada carácter no se mezcla ni se fusionan, sino que segregan a la hora de formarse los gametos, teniendo cada gameto uno y sólo uno de los alelos diferentes Ley de la independencia de caracteres Los diferentes rasgos son heredados de manera independiente entre ellos; esto es, que el patrón de herencia de un rango no afectará al patrón de herencia de otro. Esta afirmación solo se cumple en aquellos genes que no están ligados en diferentes cromosomas o que están en regiones muy separadas del mismo cromosoma. Es decir las proporciones 9:3:3:1. Como consecuencia del principio de la transmisión independiente, si consideramos dos caracteres a la vez, al cruzar individuos dihíbridos de la F1 (híbridos por ambos caracteres), en la segunda generación filial F2 aparecen las proporciones 9 (ambos caracteres dominantes): 3 (uno dominante):3(el otro dominante):1(ambos caracteres recesivos). 8
  • 9. En resumen, Mendel demostró que: En la primera Ley, al realizar los cruces de dos razas puras, la primera generación filial resultarían heterocigotos y dominantes. Con la segunda ley, al cruzar unos ejemplares del resultado de la F1 observó que las características que habían desaparecido en la primera generación, volvían a manifestarse en la segunda generación. En la tercera ley, se hace referencia al caso de que se contemplen dos caracteres distintos. Cada uno de ellos se transmite siguiendo de manera independiente las leyes anteriores, como si no existiera presencia del otro carácter. Las leyes de Mendel en los humanos ¿Cómo saber la descendencia de una familia? Pues los árboles familiares que muestran la aparición de fenotipos en varias generaciones de individuos relacionados, se llama genealogía. En este proceso podemos encontrar casamientos entre dos familiares. Esta observación es resultado de la rareza de los alelos recesivos que dan lugar a los fenotipos anormales. Para que dos padres fenotípicamente normales tengan un niño afectado, ambos deben ser heterocigóticos Si la pareja tuviera docenas de niños, la cuarta parte de ellos serían homocigotos recesivos. Pero, la descendencia de una pareja probablemente sea demasiada pequeña para mostrar la proporción exacta de un cuarto. Anomalías Humanas heredadas Una mutación en un alelo del gen que codifica una de las enzimas que replican el ADN, puede resultar desfavorable o inhibir la función. En muchos genes, un alelo normal que codifica una proteína en condiciones de funcionamiento es dominante respecto a un alelo mutante que codifica una proteína disfuncional. Pero también existen alelos dominantes que causan anomalías. Para que una enfermedad dominante se transmita a los descendientes es necesario que al menos uno de los progenitores la padezca; es decir, que al menos algunos individuos con enfermedades dominantes deben ser suficientemente sanos como para sobrevivir hasta la edad adulta y tener hijos. Existen anomalías humanas ligadas a los cromosomas sexuales. Estas aparecen más en los varones y por lo regular afectan a generaciones salteadas, o sea, un varón afectado transmite la característica a una hija portadora fenotípicamente normal, quien a la vez tendrá hijos afectados. El número anormal de cromosomas sexuales dada por la no disyunción de los cromosomas sexuales en los varones produce espermatozoides con 22 autosomas y ningún cromosoma sexual o con dos cromosomas sexuales (XX, XY, YY). La no disyunción de los cromosomas sexuales en las mujeres produce óvulos XX en vez de óvulos con un cromosoma X. Cuando estos se juntan pueden dar XO, XXX, XXY y XYY. 9
  • 10. También un número anormal de autosomas representa anomalías. El más representativo es el Síndrome de Down. 10
  • 11. Fundamentos de la biología molecular Herencia, genes y ADN Podría decirse que la característica principal que tienen los seres vivos es la capacidad de reproducirse. Todo organismo hereda una específica estructura y función a partir de la información genética dada por sus progenitores. En si, toda célula provino de otra célula, es decir el material genético de una célula madre ya prexistente fue replicado y transferido a una célula hija siendo así la división celular el punto central de la Biología. Genes y cromosomas Los principios básicos fueron deducidos por Gregor Mendel a partir de un experimento con guisantes para descubrir las reglas generales de la transmisión de los patrones genéticos y asumió que cada carácter esta dado por un par de factores heredados llamado genes. Estos experimentos no fueron tomados en cuenta hasta 1900 y poco después se propuso el papel de los cromosomas como portadores de genes y que la mayor parte de las células animales y vegetales son diploides; que contienen 2 par de cada cromosoma. Sin embargo las células germinales animales son haploides su único cromosoma de cada par se transmite a la célula hija por medio de la meiosis. A principios del siglo pasado las alteraciones genéticas fueron identificadas. Hay genes cuyas mutaciones se heredan de forma independiente como la Drosophila y otros juntos como características emparejadas. El número de grupos de genes ligados equivale al número de cromosomas apoyando la hipótesis de que los cromosomas eran portadores de genes. 11
  • 12. Genes y enzimas La identificación y localización cromosómica de los genes que controlan una características observable fueron los principales estudios en la enfermedad hereditaria humana fenilcetonuria (relacionado con enzimas) consiste en la deficiencia de una enzima para catalizar una reacción metabolica en el metabolismo de una aminoácido llevando a la conclusión de que los genes especifican la síntesis de enzimas. Los genes codifican la síntesis de una enzima única, muchas enzimas se complementan de polipeptidos, por lo que se afirmo que cada gen codifica la estructura de una cadena polipeptidica. La simulación muestra una doble hélice de ADN -verde y púrpura-, siendo separada por un enzima helicasa -amarilla-. (Foto: Chris Pelkie y Daniel Ripoll/Cornell Theory Center) 12
  • 13. Identificación del ADN como el material genético Los cromosomas poseen proteínas además de ADN, e inicialmente se creyó que los genes eran proteínas. Se realizaron experimentes definiendo el papel del ADN; las cepas virulentas de pneumococcus están rodeados por una capsula de polisacáridos que protege a la bacteria del sistema inmune del huésped , la capsula tenia aspecto liso se denominan L y las que han perdido su capacidad de sintetizar la capsula siendo rugosas y no letales son R .cabe recalcar que las bacterias aisladas en el individuo eran encapsuladas tipo S inactivas, todo individuo que contenía bacterias no capsuladas y capsuladas inactivas con el calor desarrollaron neumonía y murieron por lo tanto una sustancia en el extracto S era responsable de inducir la transformación genética de bacteria R a S. Cuando un virus afecta a una célula es preciso que el ADN viral penetrara en la células pero no en las proteínas, ara que el virus se replicara, además las partículas de las virales hijas se transmiten el ADN del virus progenitor y no de proteínas por lo que concluye que el ADN es el material genético. 13
  • 14. Estructura del ADN Se sabe que el ADN era un polímero compuestos de cuatro nucleótidos, dos purinas- guanina y adenina- y dos pirimidinas- citosina y timina- unidas a azucares fosforilados. Es una hélice que da giro cada 3,4 nm y la distancia entre cada base es de 0,34 nm, en cada vuelta hay 10 bases. El diámetro de las bases es 2nm y compuesto no por una sino por dos cadenas de ADN. La principal característica del ADN tratada es el esqueleto de azúcar-fosfato en el exterior de la molécula. Las bases del interior forman puentes de hidrógenos entre purinas y pirimidinas de cadenas opuestas emparejando A con T y G con C. la cantidad de adenina equivalía a la de timina así mismo con la guanina y citosina. Cada hebra contiene información necesaria para especificar las secuencias de bases de la otra. Estructura 14
  • 15. Replicación del ADN Es un proceso de división celular. Se propuso que la dos hebras de ADN se podían ser parar servir como moldes para la síntesis de nuevas hebras complementarias cuya secuencia seria dictada en el emparejamiento de bases. Es semiconservativa ya que se conserva la hebra de ADN progenitor que fue usado como molde. La capacidad del ADN de servir de molde para su propia replicación fue establecida con la demostración de que una enzima purificada de E.coli podía catalizar la replicación del ADN in vitro, la ADN polimerasa de este era capaz de dirigir la incorporación de nucleótidos en una molécula de ADN codificante. 15
  • 16. Expresión de la información genética Los genes son secuencias de ADN que determinan la estructura de las proteínas, las cuales a su vez son responsables de dirigir el metabolismo celular a través de su función como enzimas. Se descubrió que la información genética se especifica por el orden de las cuatro bases (Adenina, Guanina, Citosina, Timina) que forman la molécula de ADN a través de la identificación del ADN como el material genético y la explicación de su estructura. Las proteínas son secuencias de polímeros de 20 aminoácidos, cuya secuencia determina su función y estructura. En 1957, se descubrió que los pacientes que tenían anemia de células falciformes, una enfermedad hereditaria, tienen moléculas de hemoglobina que se diferencian de las normales en una sola sustitución de un aminoácido. Es aquí en donde se pudo obtener la primera relación directa entre una alteración entre las secuencias de aminoácidos de una proteína y una mutación genética. La bacteria E. coli y otros virus fueron fundamental para tener una mejor entendimiento de la relación molecular entre ADN y proteínas tras una serie de experimentos. Colinealidad de genes y proteínas Se creó una hipótesis a partir de los datos que se tenían para entender la relación entre genes y enzimas. Ésta consistía en que el orden de los nucleótidos en el ADN especificaba el orden de aminoácidos en la proteína. La hipótesis predecía que varias mutaciones en el mismo gen alterarían distintos aminoácidos en la proteína codificada, y que los lugares de las mutaciones en un gen se reflejarían en las posiciones de las alteraciones en los aminoácidos a lo largo de la proteína. La demostración de la relación lineal entre genes y proteínas fue posible gracias a la bacteria E. coli debido a su crecimiento acelerado, la rapidez de su replicación y la simplicidad de su sistema genético, con lo cual se hizo posible el mapeo y aislamiento de mutaciones múltiples en el mismo gen. Charles Yanofsky y sus ayudantes localizaron una serie de mutaciones en el gen que codifica una enzima necesaria para la síntesis del aminoácido triptófano. Así como el orden de los nucleótidos en el ADN especifica el orden de los aminoácidos en la proteína, es de esperarse que la secuencia de aminoácidos en la proteína sea colineal con la de mutaciones en el gen. Papel del ARN mensajero La secuencia de nucleótidos en el ADN especifica el orden de los aminoácidos en las proteínas pero esto no significa que el ADN dirige por sí mismo la síntesis de proteínas puesto que el ADN se localiza en el núcelo de las células eucarióticas y la síntesis de 16
  • 17. proteínas se lleva a cabo en el citoplasma. Es aquí en donde vienen las dudas y se investiga para saber que molécula hace posible la síntesis de proteínas en los ribosomas. El ARN era una buena opción para ser esa proteína debido a que la similitud de su estructura con el ADN proponía que el ARN podía ser sintetizado a partir de un molde de ADN. El ARN se diferencia del ADN en que posee una solo cadena en vez de ser doble, contiene la base pirimidínica uracilo (U) en vez de timina (T) y sus azúcares son ribosas en vez de desoxirribosas. A más de esto, el ARN se localiza en el citoplasma por lo cual es un intermediario lógico para trasferir la información del ADN a los ribosomas. De acuerdo con el dogma central, una vía para el flujo de información genética, la transcripción consiste en que las moléculas de ARN se sintetizan a partir de moldes de ADN, y la traducción se basa en que las proteínas se sintetizan a partir de moldes de ARN. De acuerdo a Francis Crick, la información fluye del ADN al ARN, y después del ARN a la proteína. Sidney Brenner, Francois JACOB Y Mathew Meselson obtuvieron evidencia experimental sobre la intermediación del ARN postulada por el dogma central con ayuda de estudios de E. coli infectados por el bacteriófago T4. Los ARN mensajeros (ARNm) son moléculas intermediarias en el flujo de la información genética y sirven de molde para la síntesis proteínica. Los ARN mensajeros son transcritos por el ARN polimerasa, una enzima que cataliza la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN. El ARN ribosómico (ARNr) es un componente de los ribosomas y el ARN de transferencia (ARNt) es una molécula adaptadora que alinea a los aminoácidos a lo largo del molde de ARN mensajero. Código genético El ARN de transferencia se usa como adaptador entre los aminoácidos y el ARNm durante la síntesis de proteínas. Cada aminoácido se une al extermo 3’ de una ARNt por una enzima apropiada que en el caso de la histidina sería la aminoacil RNA sintetasa). El ARNt se alinea sobre un molde de ARNm por complementariedad de bases. Son precisos al menos tres nucleótidos para codificar cada aminoácido dado que cuatro nucleótidos deben codificar 20 aminoácidos. El código genético es la relación entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos en las proteínas. Un codón o triplete es la 17
  • 18. secuencia de tres bases o nucleótidos que codifican un aminoácido. En total hay 64 codones que codifican sólo 20 aminoácidos por lo cual es factible que haya más de un codón por cada aminoácido. De los 64 codones, 61 codifican algún aminoácido. Los tres que sobran (UAA, UGA y UAG) son codones de parada o stop que determinan la terminación de la síntesis de proteínas. La adición o deleción de tres nucleótidos lleva a la adición o deleción de un solo aminoácido Para la evidencia genética del código de tripletes se estudió una serie de mutaciones que consistían en la adición de uno, dos o tres nucleótidos en el gen rII del bacteriófago T4. La adición de uno o dos nucleotidso altera el marco de lectura de todo el resto del gen. Por lo tanto, tanto los aminoácidos son anormales y se produce una proteína inactiva, dando lugar a un fago mutante. La adición de tres nucleótidos, por el contrario, altera un único aminoácido. El marco de lectura del resto del gen es normal, y se produce una proteína activa que da lugar al fago de tipo salvaje (TS). Una mutación en un par de bases de la región codificante de un gen puede resultar en polipéptido prematuramente terminado o en un polipéptido con una secuencia aminoacídica errónea, dependiendo de la mutación correcta. El triplete UUU codifica a la fenilalanina. La traducción in vitro es el uso de sistema in vitro que realiza síntesis proteínica. Este tipo de traducción de un ARN sintético compuesto de uracilos repetidos (un molde de poli-U) lleva a la síntesis de in polipéptido compuesto únicamente por fenilalanina. Virus ARN y transcripción inversa De acuerdo con el dogma central, el material genético es el ADN, que es capaz de autorreplicarse además de transcribirse a ARNm, que sirve a si vez de molde para la síntesis de proteínas. Los genomas de ARN fueron descubiertos en virus vegetales, los cuales en su mayoría se componen solo de ARN y proteínas. Por medio de experimentos como el de los años 50 en donde se demostró que el ARN purificado del virus del mosaico del tabaco podía infectar nuevas células que dio lugar a una progenie de virus infectivos, se obtuvo evidencia de que el ARN actúa como material genético. 18
  • 19. El modo de replicación de la mayoría de los genomas virales se determinó en estudios de los bacteriófagos ARN de E. coli. Estos virus codifican una enzima específica que cataliza la síntesis de ARN a partir de un molde de ARN (síntesis de ARN dirigida por ARN), utilizando el mismo mecanismo de apareamiento de bases entre hebras complementarias se da durante la replicación del ADN o durante la transcripción de ARN a partir de ADN. Los virus tumorales de ARN, denominados retrovirus, se replican por medio de la síntesis de un ADN intermediario, llamado provirus de ADN. En 1970, Howard Temin y Dvid Baltimore descubrieron una forma independiente que el ARN de los virus tumorales contenía una enzima que cataliza la síntesis de ADN desde un molde de ARN. La síntesis de ADN a partir de ARN, denominada transcripción inversa se estableció con un nuevo modo de transferencia de información en sistemas biológicos. La transcripción inversa es importante en la replicación de los retrovirus pero también ocurre en las células y es responsable en la transposición de secuencias de ADN de una localización cromosómica a otra. Las enzimas que catalizan la síntesis de ADN dirigida por ARN, las transcriptasas inversas, se utilizan en experimentos para generar copias de ADN a partir de una molécula de ARN. Los retrovirus contienen genomas de ARN en sus partículas virales, cuando un retrovirus infecta una célula huésped se sintetiza una copia de ADN del ARN viral por medio de la transcriptasa inversa. Este ADN viral se integra en el ADN cromosómico del huésped para constituir un provirus de ADN, que se transcribe para dar lugar a virus ARN hijos. 19
  • 20. Detección de ácidos nucleicos y proteínas Las enzimas de restricción son endonucleasas que clivan (hidrolizan) en una forma específica puentes fosfodiéster 3' - 5' entre pares de bases adyacentes en la doble cadena de DNA Las enzimas de restricción cortan dejando extremos cohesivos o romos. Los extremos cohesivos o adherentes son generados cuando la enzima corta las dos hebras asimétricamente, dejando los extremos de cada hebra de simple cadena complementarias en Los fragmentos de DNA generados por digestión con enzimas de restricción pueden ser determinados por electroforesis en gel de agarosa. La DNA ligasa es una enzima que cataliza la formación de puentes fosfodiéster entre los extremos adyacentes 3' OH y 5' fosfato en el DNA. Para la actividad la enzima requiere Mg++ y una unión covalente, derivada del ATP en el caso de la DNA ligasa del bacteriófago T4. El uso en la digestión / restricción del DNA seguido por unión covalente de extremos cohesivos de diferentes fragmentos de DNA forma la base de la enzimología del DNA recombinante El DNA extraño clonado que está en esta biblioteca son moléculas de DNA de doble cadena sintetizadas por la enzima transcriptasa inversa a partir de la población de RNA mensajeros, moldes encontrados en un tejido específico. Amplificación de ADN con la reacción cadena de la polimerasa Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) el método alternativo para conseguir un gran número de fragmentos de material genético a partir de una copia de ADN. Siempre que se conozca la secuencia de la molécula de ADN se lleva a cabo completamente en in vitro El numero de secuencia va aumentando doblando con cada ciclo de replicación puede obtener las ADN iniciales Los múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento por sistema de ciclos de calentamiento y enfriamiento: TERMOCICLADORES. El ADN polimerasa empleadas con enzimas termoestables de bacterias como la Thermus Aquaticus, , las polimerasa son estables en temperaturas altas empleadas para separar las hebras del ADN de doble hebra y la ampliación se de una manera rápido y automático Las únicas moléculas de ADN que será amplificado por PCR proporcionan un método muy poderoso de detección de pequeñas cantidades Las únicas moléculas de ADN que serán amplificadas por el PCR son aquellas que contengan secuencia complementaria de los cebadores empleados en la reacción 20
  • 21. Hibridación de Ácidos Nucleicos La clave es que apareamiento de bases entre hebras de ARN o ADN en un proceso de hibridación de ácidos nucleicos si puede hibridar entre sí dos hebras de ADN , 2 hebras de ARN y una de ADN con otra de ARN La transferencia southerm s e utiliza de modo generalizado para la detección de genes específicos en el ADN celular La transferencia Northerm es utilizada para la detección de ARN en vez de ADN La hibridación de ácidos nucleicos también puede emplearse para identificar clones moleculares contiene insertos específicos de ADN celular, la hibridación a Microarrays de ADN permite el análisis simultaneo de miles de genes, un Microarray de ADN consiste en un lamina de cristal o membrana sobre a que se imprimen oligonucleótidos o fragmentos de adnc por un sistema de robótica en pequeños puntos a elevada intensidad. La hibridación de ácidos nucleicos se emplea para detectar secuencias de ADN o ARN homologas no solo en extractos celulares, también cromosomas o células intactas llamado Hibridación in situ esta también puede emplearse para detectar ARNm específicos en los distintos tipos celulares de un tejido Bancos de Screening de clones El screening es a menudo realizado por hibridación selectiva con una indagación de DNA (DNA probe). La hibridación se refiere al proceso por el que bases apareadas o fortalecidas ocurre entre cadenas complementarias de una sola hebra de DNA. La indagación puede ser un fragmento de DNA o varios cientos de pares de bases o con más homología al gen a ser aislado. También una indagación pequeña de hebra única de DNA puede hacerse sintéticamente, el que hibridará con el código genético por una secuencia aminoacídica conocida. Luego de transferir de una biblioteca de colonias bacterianas de una o más placas de Petri a un papel de filtro o de nylon, el resto bacteriano es removido dejando el DNA celular y el plásmido unidos al filtro en precisamente la misma posición como la colonia bacteriana original (una réplica de la placa bacteriana es retenida). El DNA en el filtro es luego desnaturalizado e hibridizado con una indagación del DNA alterado marcado radiactivamente. Se lava del filtro el exceso de solución que contiene las sondas que no han hibridado. Las moléculas de doble cadena que se hayan formado permanecen en su lugar en el 21
  • 22. filtro y su visualización se realiza por medio de auto-radiografía, técnica en la cual primero, cada filtro es cubierto con una película fotográfica y dejado en la oscuridad. Durante el período de exposición, el radioisótopo libera energía que impacta la emulsión fotográfica. Las bibliotecas de genes de screening también pueden ser determinadas usando un anticuerpo específico que reconocerá y unirá a la proteína del gen a ser aislado. El anticuerpo puede ser contra la proteína entera o dirigida contra un péptido sintético derivado de la secuencia primaria de la proteína. El anticuerpo puede ser marcado radiactiva o enzimáticamente y usado para filtrar bancos de clones bacterianos en los que los genes extraños han sido clonados en un plásmido de expresión especial. En este plásmido el gen inserto es transcripto a RNAm y traducido a proteína por la RNA polimerasa y ribosomas bacterianos. Las colonias bacterianas en el papel de filtro son lisadas, así la proteína expresada en una colonia específica puede ser detectada por el anticuerpo. Se han desarrollado nuevos métodos de marcaje de ácidos nucleicos que usan compuestos no radioactivos que se incorporan al DNA y pueden detectarse o bien porque dan un color determinado o incluso porque emiten luz (y Sondas de anticuerpos para proteínas La expresión y función génica de proteínas específicas. Los anticuerpos ocupan las sondas de acido nucleicos como reactantes que interactúan de modo selectivo La clonación molecular permita la obtención de anticuerpos dirigidos contra proteínas eucarioticas de difícil aislamiento. También es posible crear anticuerpos contra péptidos Los anticuerpos pueden ser utilizados para detectarse proteína en extractos celulares La inmunotransferencia y la inmunoprecipitacion, la proteínas precedentes de los extractos celulares son separadas por electroforesis en gel según su tamaño, las proteínas se separan por técnica electroforesis en gel de SDS-POLIACRILAMIDA Tras un a electroforesis las proteínas se transfieren a un filtro que incuba con los anticuerpos que reaccionan con la proteína de interés La inmunoprecipitacion los anticuerpos son utilizados para aislar las proteínas contra las que reaccionen también puede emplearse para detectar interacciones proteína- proteína interior celular la co-inmunoprecipitacion de dos proteínas que se encuentran interaccionando Secuenciamiento del DNA. La habilidad para secuenciar grandes fragmentos de DNA ha evolucionado la biología. En los Estados Unidos se investigará en los próximos veinte años para lograr el mapeo y secuenciamiento de las 3 x 109 pb del genoma humano. Existen dos metodologías básicas para secuenciar el DNA: (1) Método de Maxam- Gilbert: degradación química de fragmentos de DNA y (2) Método enzimático de Sanger o dideoxi: reacciones de terminación de cadenas durante la síntesis de DNA 22
  • 23. dirigida por moldes. Los fragmentos de DNA a ser secuenciados son clonados en el genoma de bacteriófago que 19 existe como una molécula de DNA de doble cadena durante la replicación, sino es una cadena única. El fago de DNA de cadena única contiene una de las cadenas del DNA extraño a ser secuenciado, y es sometido a una síntesis de DNA in Vitro usando la DNA polimerasa y un oligonucleótido sintético específico como molde de hibridación que une el molde del bacteriófago corriente arriba del DNA extraño insertado. La síntesis in Vitro del DNA es realizada en cuatro recipientes separados de reacción, cada uno conteniendo 4 dNTPS (uno marcado radiactivamente) más una pequeña cantidad de solo un dideoxinucleótido (ddGTP - ddATP - ddCTP o ddTTP). El deoxinucleótido contiene un azúcar 2'H y 3'OH y el dideoxinucleótido contiene hidrógenos en posiciones 2' y 3'. Una vez que son incorporados a la cadena de DNA en crecimiento durante la síntesis 5' fosfato se agrega a 3' OH, termina la síntesis de la cadena porque bloquean el 3'OH requerido para la adición del próximo 5' fosfato dNTP. Debido a que los dideoxinucleótidos están presentes en pequeñas concentraciones en relación a los dNTPs en reacciones individuales, la terminación de la cadena es al azar y resulta en un amplio rango de tamaños de cadenas nuevas sintetizadas (20 a 1.000b). Como la electroforesis en gel de acrilamida es capaz de determinar las cadenas individuales que difieren en una base, las cuatro mezclas de reacción son sometidas a electroforesis a través de acrilamida polimerizada en caminos adyacentes. Luego el gel es expuesto a una película de rayos X donde los productos de terminación de la cadena radiactiva se revelan como bandas de diferente movilidad electroforética. La secuencia nueva sintetizada es leída en incrementos de una base a través de cuatro caminos de reacción (ddG, ddA, ddT, ddC) de arriba a abajo la dirección 5' a 3'. El complemento de esta secuencia será la secuencia del molde de DNA extraño en dirección 3' a 5'. Otras técnicas relevantes de la Biología Molecular En la técnica del Southern blott el DNA es sometido a electroforesis y luego transferido al papel o nylon. RNA y proteínas pueden ser analizados en forma similar. La electroforesis del RNA por agarosa o acrilamida seguida de transferencia al papel o nylon se llama NORTHERN TRANSFER. El RNA transferido puede ser detectado por hibridación con una PROBE radioactiva. El NORTHERN BLOTT revela el modelo de expresión génica a nivel de RNA en células o tejidos. La electroforesis de proteínas desnaturalizadas por acrilamida seguida por transferencia al papel se llama WESTERN BLOTTING. La proteína transferida puede ser detectada más fácilmente por métodos inmunológicos. Por ejemplo, un anticuerpo de conejo específico puede 23
  • 24. unirse a su antígeno proteico en el papel. Otro anticuerpo (anti- conejo) conjugado con una enzima (fosfatasa alcalina) luego pueden unirse al anticuerpo original del conejo en el papel. Cuando el papel es humedecido en una coloración un precipitado oscuro se depositará sobre la banda del antígeno. El Western Blott se usa para detectar la presencia de antígenos HIV o anticuerpos para HIV en suero humano así como otros agentes virales. La hibridación in situ es un proceso por el cual las PROBES de ácidos nucleicos se hibridan a ácidos nucleicos complementarios dentro de células fijas y cortes de tejidos (in situ). Esto permite localizar secuencias específicas de DNA o RNA en células y tejidos mediante el uso de sondas de ácidos nucleicos. Organismos genéticamente modificados Los organismos genéticamente modificados se crean introduciendo uno o más genes, pertenecientes a otros seres, o quitando uno o más genes, pertenecientes al organismo. Los organismos transgénicos están genéticamente modificados, pero con genes pertenecientes a otros organismos muy distintos a ellos (distinta especie). Por ejemplo, un organismo genéticamente modificado podría ser una rata con genes de otra rata. Un organismo transgénico sería una merluza modificada con genes de un salmón. Los organismos genéticamente modificados han sido desarrollados para facilitar la mejora animal y vegetal, ya que acortan los tiempos de espera en la depuración de la especie por selección de individuos. También, se ha investigado en su desarrollo con otro fin distinto, el de crear organismos que, de otro modo no se formarían en la Naturaleza, como por ejemplo permitir la incorporación de ADN de otra especie. Las aplicaciones de los organismos genéticamente modificados son muy variadas. Se pueden destacar las siguientes: En investigación: para el estudio de la expresión de genes y la creación de genéticas. En medicina: para la obtención de fármacos o proteínas cuya síntesis es difícil conseguir "in Vitro". También, para la obtención de tejidos u órganos, o la reparación de anomalías genéticas en humanos. 24
  • 25. En agricultura y ganadería: para la mejora (no de forma tradicional) de plantas y animales. En la industria alimenticia: para la mejora de procesos biotecnológicos de elaboración de alimentos (pan, vino, cerveza, yogur, etc.) y para la creación de alimentos nuevos. La creación y utilización de organismos genéticamente modificados tiene muchas trabas legales, debido al rechazo social existente. Los alimentos manufacturados a partir de este tipo de organismos sólo se aceptan para el consumo humano si no queda proteína o ADN del organismo genéticamente modificado. Si esto no se cumple, debe ponerlo en la etiqueta. Por ejemplo, en la fabricación del pan utilizamos levadura. Cuando el pan se cuece la levadura queda destruida. Esa levadura destruida puede ser natural o genéticamente modificada, pero nunca lo sabremos. 25
  • 26. VIH Introducción Las tres clases de retrovirus humanos son: oncornavirus, lentivirus y espumavirus, están integrados por virus RNA cubiertos con una envoltura de composición muy similar a la membrana celular. Los virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 y 2 (VIH-1 y VIH-2, respectivamente) se clasifican como lentivirus por tener una organización genómica y por producir patologías similares a otros miembros de esta subfamilia, como el virus caprino Visna/Maevi. El genoma de los retrovirus, un RNA de simple hebra, se replica a través de un proceso único. La enzima transcriptasa reversa, un producto viral, cataliza el ciclo de replicación tan peculiar de estos virus al convertir el RNA genómico en un DNA de doble hebra denominado provirus. Otro producto viral, la enzima integrase, incorpora el provirus al genoma celular, integración que constituye un evento esencial para la expresión de los genes virales, ya que además de permitir a los retrovirus persistir en las células de por vida, también contribuye a la extensa latencia que caracteriza las enfermedades producidas por los retrovirus humanos. Los tipos de virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), derivados de los lentivirus primates, son el agente etiológico del SIDA. La enfermedad fue descrita por primera vez en 1981. Desde entonces el SIDA se ha convertido en una epidemia mundial, la cual se extiende en alcance y magnitud a medida que la infección por VIH afecta a diferentes poblaciones y regiones geográficas. En la actualidad se ha infectado millones de personas por todo el mundo; una vez infectados los individuos permanecen así durante toda la vida. Sin tratamiento, antes de un decenio la gran mayoría de personas infectadas con VIH desarrollan infecciones oportunistas mortales como consecuencia de las deficiencias inducidas por este virus en el sistema inmunitario. El SIDA es uno de los problemas más importantes de la salud pública en todo el mundo en el comienzo del siglo XXI. Propiedades del virus El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es un lentivirus (de la familia Retroviridae) Propiedades importantes de los lentivirus (retrovirus no oncógenos) Virión Esférico de 80 a 100 nm de diámetro, centro cilíndrico Genoma RNA de cadena sencilla, lineal, de sentido positivo, 9 a 10 Kb, diploe, genoma más complejo que el de los retrovirus oncógenos, contiene hasta 6 genes adicionales de replicación. Proteínas La glicoproteína de la envoltura sufre variación antigénica; los viriones contienen la enzima transcriptasa inversa; se requiere una proteasa para la producción de virus infectante. Envoltura Presente Replicación La transcriptasa inversa elabora copias del DNA del RNA genómico; el provirus del DNA es la plantilla para el RNA viral. Maduración Las partículas geman a través de la membrana plasmática. 26
  • 27. Características Infectan las células del sistema inmunitario. notables Tienen expresión viral in vivo restringida en algunas células. Causan enfermedad crónica levemente progresiva. La replicación es muy específica de especie. El grupo incluye el agente causal del SIDA. Estructura (retrovirus) Los retrovirus son virus de ARN de aproximadamente 80 a 100 nm. La envoltura contiene glucoproteinas víricas y se adquiere por gemación a través de la membrana plasmática. La envoltura rodea una capside que que contiene dos copias idénticas del genoma de ARN de cadena positiva dentro de un centro vírico denso a los electrones. El virión también contiene entre 10 y 50 copias de las enzimas trasncriptasa inversa e integrasa y dos ARN celulares de transferencia (ARNt). Estos ARNt emparejan sus bases con cada copia del genoma para ser usados como cebadores por la transcriptasa inversa. La morfología del centro vírico varía en distintos virus, lo que se estudia para clasificar los retrovirus. Siendo el centro vírico del VIH un cono truncado. El genoma del retrovirus tiene una cabeza en el extremo 5’ y una cola de poliadenina en el extremo 3’. A pesar de que el genoma se asemeja a un ARN mensajero, no es infeccioso debido a que no codifica ninguna polimerasa que pueda generar directamente otras moléculas de ARN mensajero. El genoma de los retrovirus simples se compone de tres genes principales que codifican poli proteínas para las siguientes poli proteínas enzimáticas: Gag (antígeno específico de grupo, proteínas de capside, matriz y unión de ácidos nucleicos) Pol (polimerasa, proteasa e integrasa) Env (envoltura, glucoproteinas) En cada extremo del genoma encontramos secuencias de repeticiones terminales (LTR), estas estructuras contienen secuencias promotoras, potenciadoras y otras secuencias genéticas utilizadas para generar distintos factores de transcripción celular. Las glucoproteinas víricas se producen por escisión proteolítica de la poli proteína codificada por el gen Env. Ejemplos: La (glucoproteína) gp160 del VIH se escinde en la gp41 y gp120. Estas glucoproteinas forman una punta de trímero que son visibles en la superficie del virión. La glucoproteína mayor se une a los receptores de la superficie celular, determina inicialmente el tropismo tisular del virus y es reconocido por el anticuerpo neutralizante. La glucoproteína menor en el VIH (la gp41) consiste en la base de la punta de trímero y estimula la fusión de una cadena con otra. 27
  • 28. La gp120 del VIH está intensamente glucosilada, y su antigenicidad y especificidad de receptor pueden variar durante la infección crónica por VIH. Estos factores impiden que la inmunidad sea capaz de eliminar al virus. Replicación 1) La replicación del VIH empieza con la unión de las puntas de glucoproteinas vírica (Trímero de moléculas gp120 y gp41) a la proteína receptora de superficie CD4 expresada en las células como macrófagos, células dendríticas, linfocitos T. Así mismo un segundo receptor, una quimiocina receptora de transmembrana-7 unida a la proteína G. En una fase posterior el virus muta y la gp120 se une a la CD4 y a distintos receptores de quimiocinas [CXCR4] y [CCR5] en linfocitos T y otros linfocitos T cooperadores. La unión al receptor de quimiocina pone en contacto a la envoltura vírica y la membrana plasmática de la célula y hace posible que la gp41 interaccione y favorezca la fusión de ambas membranas. 2) La fase precoz del proceso de replicación se inicia tras la introducción del virus al citoplasma. Donde se separan las 3 enzimas de replicación del virus que son: la transcriptasa inversa, la integrasa y la proteasa. 3) La transcriptasa inversa empieza la transcripción inversa del ARN viral, esta posee dos puntos catalíticos que son: el sitio activo de RNAsa H y el citio activo de la polimerasa; aquí la única cadena de ARN viral es transcrita en una doble hélice ARN-ADN 28
  • 29. 4) La transcriptasa inversa actúa, igualmente con el sitio activo de RNAsa H, la cual degrada la cadena de ARN y luego sintetiza la cadena positiva de ADN complementario [ADNc]. La transcriptasa es muy propensa a cometer errores se dice que puede cometer 1 error por cada 2000 pares de bases o aproximadamente 5 errores por genoma. 5) El ADNc se introduce en el centro vírico y se inserta en el cromosoma del anfitrión con la ayuda de una enzima codificada por el virus y transportada por el virión, La integrasa. 6) La integración requiere la proliferación celular, aunque el ADNc del VIH puede permanecer en el núcleo y el citoplasma en una forma circular no integrada de ADN hasta que la célula este activada. 7) Una vez integrado comienza la fase tardía, y el ADN vírico es transcrito como un gen celular por parte de la polimerasa de ARN II de la célula anfitriona. La transcripción del genoma produce un ARNm que contiene las secuencias gag, gag-pol o env. 8) El ARNm migra hacia el citoplasma donde se sintetizan los componentes de nuevos virus. 9) Algunos de estos deben de ser procesados por la proteasa viral, ésta corta proteínas largas en más cortas, proceso crucial para crear virus infecciosos. 10) Las glucoproteinas víricas también se sintetizan, glucosilan y procesan en el retículo Endoplásmico y el aparato de Golgi, después estas se degradan para formar una fracción transmembrana y subunidades extracelulares de la proteína de una unión vírica la cual se asocia para formar los trímeros y emigrar hacia la membrana plasmática. 11) Más tarde las enzimas de replicación, las proteínas infecciosas formadas, el ARN viral y las glucoproteinas virales de reconocimiento se unen para formar el nuevo virus infeccioso por medio del proceso de Gemación que es la expulsión del virus por la membrana plasmática de la célula anfitriona. El virus replicado está listo para infectar más células del organismo, el virus del VIH tiene la capacidad de replicarse miles de millones de veces al día, provocando un grave efecto sobre las células de sistema inmunológico. 29
  • 30. Efectos inmunológicos de la infección El principal efecto de la infección por el VIH en el organismo es una progresiva pérdida del número de células T CD4+ en sangre periférica y en tejido linfoide. Se observan defectos funcionales en las células, que incluyen fallos en la proliferación y en la producción de citocinas en respuesta a antígenos comúnmente encontrados y anergia para hipersensibilidad retardada en piel. Además de la profunda deficiencia inmune, el VIH también induce un estado de activación inmune crónica en las células T CD4+, T CD8+ y monocitos. Este hecho limita la capacidad del huésped para proveer defensas contra patógenos oportunistas, potenciando la propagación del VIH ya que las células T CD4+ activadas son más permisivas a la replicación del virus. Enfermedades clínicas El SIDA es una de las epidemias más devastadoras que se recuerdan. La mayoría de los individuos infectados por VIH acaban presentando sintomatología y la inmensa mayoría sucumbe finalmente a la enfermedad en ausencia de tratamiento. Aunque es raro existen casos de supervivientes de larga duración. Algunos de estos casos se deben a la infección por cepas del VIH que carecen de la proteína funcional nef. Los síntomas iniciales tras la infección por VIH (2 a 4 semanas después de la infección) se pueden parecer a los de la gripe o la mononucleosis, con una meningitis o un exantema que aparece hasta 3 meses después de la infección. Al igual que la mononucleosis, los síntomas se derivan de las respuestas inmunitarias desencadenadas por una extensa infección de células linfoides. El deterioro de la respuesta inmunitaria está indicado por el aumento en la sensibilidad a los microorganismos patógenos oportunistas, especialmente aquellas controladas por los linfocitos T4, los macrófagos activados y los linfocitos T8. Transmisión La presencia del VIH en sangre, semen y secreciones vaginales de los individuos infectados y el prolongado periodo de infección asintomático son los factores que han 30
  • 31. favorecido la diseminación de la enfermedad por contacto sexual y contagio con sangre y hemoderivados. Sin embargo el VIH no se transmite por contacto casual, las manos abrazos, besos, tos, estornudos, picaduras de insectos, agua, alimentos, utensilios, retretes, piscinas o baños públicos. Fármacos antivirales Un número creciente de fármacos antivirales han sido aprobados para el tratamiento por infección de VIH. Las clases de fármacos incluyen análogos de nucleosidos inhibidores de la enzima proteasa viral. Los inhibidores de la proteasa viral son antivirales potentes, debido a que la actividad de proteasa es absolutamente indispensable para la producción de virus infectante y la enzima viral es distinta de las proteasas de las células humanas. 31
  • 32. Repartición de Temas Carlos Pachucho: Herencia Mendeliana Experimentos con los guisantes Genotipo y Fenotipo Leyes de Mendel Leyes de Mendel en los humanos Anomalías humanas heredadas Geovanna Cobo: Fundamentos de la Biología molecular Genes y cromosomas Genes y enzimas Identificación del ADN como el material genético Estructura del ADN Replicación del ADN Belén Pimentel: Expresión de la información genética Colinealidad de genes y proteínas Papel de ARN mensajero Código genético Virus, ARN y transcripción a la inversa Ximena Ortega: Detección de ácidos nucleicos y proteínas Amplificación de ADN con la reacción cadena de la polimerasa Hibridación de ácidos nucleicos Bancos de Screening de clones Sondas de anticuerpo para proteínas Secuenciamiento del ADN Otras técnicas relevantes de la biología molecular Organismos genéticamente modificadas Alex Cuzco: VIH Propiedades del virus Estructura (retrovirus) Replicación Elementos inmunológicos de la infección 32
  • 34. Bibliografía: Cooper, Geoffrey. La célula. Quinta edición. Marban Libros, S.L., 2011. España. http://payala.mayo.uson.mx/QOnline/genemende.html http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000024/lecciones/cap03/03_05 _01_02_03.htm http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?GUID=0db38b6 7-46cb-4a4d-92d8-9651cde08448&ID=93003 http://sociedadinformacion.fundacion.telefonica.com/telos/anteriores/num_033/c uaderno_central3.html#7 http://www.med.unne.edu.ar/catedras/bioquimica/pdf/dnarec07.pdf Microbiología Médica de Jawetz, Melnick y Adelberg 19ª Edición Microbiología y Parasitología Médicas, Alina Llop http://epidemiologiamolecular.com/efectos-inmunologicos-infeccion/ Revista chilena de pediatríaversión impresa ISSN 0370-4106 Rev. chil. pediatr. v.71 n.2 Santiago mar. 2000 doi: 10.4067/S0370-41062000000200002 34