TEMA 4º LA REVOLUCIÓN
GENÉTICA: BIOTECNOLOGÍA
Ciencias para el mundo
contemporáneo
IDEAS PREVIAS
• ¿Sabes por qué nos parecemos a
nuestros padres?
• ¿Sabrías explicar qué se entiende por
ADN, cromosoma y gen?
• ¿Qué es para ti la ingeniería genética?
• ¿Sabes qué es el proyecto Genoma
Humano?
Sabes qué es un niño
probeta?
¿Sabes si los hermanos
gemelos son clónicos?
¿Sabes lo que representan
la siguiente imagen?
1 El ADN: el secreto de la vida
• El ADN es una macromolécula
formada por la unión de otras
moléculas más sencillas
llamadas nucleótidos.
• Los nucleótidos están
compuestos a su vez por tres
tipos de moléculas más
sencillas:
– El ácido fosfórico.
– Un azúcar de cinco carbonos
(pentosa) que se denomina
desoxirribosa
– Una base nitrogenada que
puede ser Adenina (A), Guanina
(G), Citosina (C) y Timina (T).
Dos de las bases A y G,
presentan una estructura de
doble anillo (purinas). Las otras
dos C y T están formadas por
un solo anillo (pirimidinas).
1 El ADN: el secreto de la vida
• El orden en el que se unen los
nucleótidos se denomina
secuencia tiene una gran
importancia ya que en ella
reside la información necesaria
para la síntesis de proteínas.
• La estructura del ADN está
formada por dos cadenas de
nucleótidos enrolladas en
espiral. Las cadenas son
complementarias químicamente
debido a la forma en la que se
enfrentan las bases
nitrogenadas A-T y G-C. La
unión específica de unas bases
con otras se denomina par de
bases.
1 El ADN: el secreto de la vida
• El ADN de los virus está
formado por una molécula lineal
o circular encerrada en una
cubierta de proteínas llamada
cápsida.
• El ADN de las células
procariotas, las mitocondrias y
los cloroplastos es una doble
hélice circular.
• En el interior del núcleo de las
células eucariotas, el ADN está
asociado a unas proteínas
llamadas histonas formando la
cromatina. Durante la división
celular la cromatina se
condensa y forma los
cromosomas.
1 El ADN: el secreto de la vida
• El ADN es la única
molécula de los seres
vivos que puede realizar
una copia exacta de si
mismo, es decir de
replicarse.
• Tanto en las células
procariotas como en las
eucariotas la replicación
del ADN ocurre justo antes
de la duplicación, por lo
que las células hijas
reciben la misma dotación
genética que la célula
madre, así la información
genética se trasmite de
generación en generación.
1 El ADN: el secreto de la vida
• En la replicación de la molécula ADN, se libera de las histonas y se
abre como una cremallera de forma que cada una de las hebras sirve
de molde para que se sintetice la cadena complementaria.
• A partir de un punto determinado una enzima (ADN polimerasa) van
uniendo uno a uno los nucleótidos. De este modo se forma una
nueva cadena que es complementaria a la que sirvió de molde. Al
final del proceso habrá dos cadenas formadas por una cadena del
ADN inicial y otra nueva.
1 El ADN: el secreto de la vida
• Los genes llevan
instrucciones para la síntesis
de una proteína.
• Las proteínas son moléculas
de gran tamaño que se
forma por la unión de otras
mas sencillas llamadas
aminoácidos de los que
existen 20 diferentes.
• Cada proteína se caracteriza
por la estructura que adopta
en el espacio y por su
secuencia, es decir, por el
número, tipo y orden en el
que están dispuestos los
aminoácidos.
1 El ADN: el secreto de la vida
• Las funciones de las proteínas
son muy diferentes, algunas
estructuras como los músculos,
otras regulan y coordinan las
funciones de los distintos
órganos. Son las moléculas
responsables de la actividad
biológica y las que confieren a
cada individuo su especificidad.
• En las células eucariotas el
ADN se encuentra protegido en
el interior del núcleo de donde
no puede salir. La síntesis de
proteínas sin embargo, se
realiza en los ribosomas
situados en el citoplasma de la
célula.
1 El ADN: el secreto de la vida
• ¿Cómo llegan las instrucciones del el ADN hasta los ribosomas?
• Existe otro ácido nucleico o ARN es el encargado de leer la
información del ADN y de llevarla al citoplasma.
• El ARN esta formado por una sola cadena de nucleótidos de ribosa
y por las mismas bases nitrogenadas excepto la timina que es
sustituida por el uracilo U-A. El proceso de síntesis de ARN se
denomina transcripción y el ARN que lleva la información es el
ARN mensajero
1 El ADN: el secreto de la vida
• Una vez en el citoplasma el ARNm se une a un ribosoma que lee y
traduce el mensaje cifrado que utiliza para sintetizar la proteína.
Este proceso se denomina traducción en el que se usa el código
genético que asigna las equivalencia entre el lenguaje del ARNm y
el lenguaje de las proteínas.
• A cada grupo de tres bases del ARNm se le llama codón o triplete,
le corresponde uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas.
Los aminoácidos son trasportados al ribosoma por el ARN de
transferencia.
2 Biotecnología: un conjunto de
tecnologías
• Desde hace miles de años
la humanidad ha mejorado
las razas de los animales
que ha domesticado, y las
plantas que ha cultivado,
ha utilizado los procesos
de fermentación
microbiana. En el siglo XIX
los microorganismos se
utilizaban para incrementar
las cosechas y controlar
los insectos. En el siglo XX
también han sido
empleados para producir
antibióticos, vacunas
vitaminas, aminoácidos,
enzimas, etc
12
Proceso de producción del vino
Uva sin
tallos ni
pedúnculos
Levadura
SO2
Trituración
Prensa
Orujo
Cuba de
fermentació
n
Cuba de
sedimentaci
ón
Filtrado
Embotellad
o
Envejecimie
nto
Tanque de
fermentació
n
Final
2 Biotecnología: un conjunto de
tecnologías
• Por tanto la biotecnología
no es nueva, ¿qué se
entiende ahora por
biotecnología?
• La biotecnología moderna
implica la manipulación
deliberada de material
genético (ADN) de los
organismos vivos con el
fin de fabricar o modificar
un producto, mejorar
plantas o animales o
desarrollar organismos
con capacidades
determinadas para usos
específicos.
2 Biotecnología: un conjunto de
tecnologías
• El progreso de la biotecnología ha requerido
numerosos estudios genéticos y el desarrollo de
herramientas y técnicas muy precisas entre las que
destacamos:
– La tecnología del ADN recombinante, que permite aislar
cualquier fragmento de ADN, crear miles de copias y averiguar
la secuencia de nucleótidos.
2 Biotecnología: un conjunto de
tecnologías
– Las técnicas de ingeniería
genética, permiten la
transferencia de genes de
unos organismos a otros y
así conseguir organismos
genéticamente modificados
(OGM) o transgénicos.
– Las técnicas de clonación
celular que permiten la
reparación de tejidos y
órganos adultos dañados o
defectuosos.
– Las técnicas de cultivo de
células y tejidos, que
permiten mantener y crecer
in vitro células órganos y
embriones durante largos
periodos de tiempo.
3 Tecnología del ADN recombinante
• Esta tecnología
comprende una serie de
técnicas que permiten
manipular el ADN, es decir
cortar, aislar, pegar,
reproducir y secuenciar
fragmentos específicos del
ADN de cualquier
organismo.
• El ADN recombinante es
cualquier molécula de
ADN formada por la unión
de segmentos de origen
diferente.
3 Tecnología del ADN recombinante
• En las células vivas el ADN
es cortado y vuelto a unir
por enzimas que han sido
identificadas y purificadas
para su uso en laboratorios.
• Las enzimas de
restricción o
endonucleasas de
restricción, funcionan como
una tijeras que cortan el
ADN en fragmentos.
• Las ligasas son enzimas
que unen distintos
fragmentos de ADN
pegando sus extremos.
3 Tecnología del ADN recombinante
• Clonación del ADN.
• La clonación de un fragmento
de ADN consiste en la
obtención de miles de millones
de copias idénticas de dicho
fragmento.
• Para clonar un fragmento de
ADN se debe de introducir en
una molécula llamada “vector”
que consiste en una molécula
pequeña capaz de entrar en
una bacteria y de
autorreplicarse en ella.
• En la actualidad los vectores
más utilizados son los
plásmidos bacterianos.
4 Técnicas de ingeniería genética
• Los organismos
genéticamente modificados
(OGM) o transgénicos son
organismos que contienen un
gen procedente de otro
organismo o transgen.
• Se utiliza un vector (plásmido
o virus) en los que se han
insertado los genes y que
posteriormente se utilizan
para introducir dichos genes
en el organismo que nos
interesa.
• La utilización de organismos
de diseño patentados es cada
vez más frecuente.
PRODUCCIÓN DE INSULINA HUMANA
La forma activa de la insulina consta de dos polipéptidos (A y B), que están
codificados por partes separadas de un mismo gen. Estos se pueden obtener en
cultivos bacterianos separados.
Proteína de fusión con subunidad A
del gen de la insulina
Promotor
Subunidad A
del gen de la
insulina
Transformación
en E. coli
Extracción de
las proteínas
de fusión
Promotor
Separación de
los polipéptidos
AyB
Formación de
insulina activa
Subunidad B
del gen de la
insulina
Proteína de fusión con subunidad B
del gen de la insulina
Animales transgénicos para la
obtención de sustancias de
interés
Transferencia génica
Óvulo de oveja
fecundado
Oveja nodriza
Rebaño de descendientes
transgénicos que producen
la proteína
PRODUCCIÓN
DE LECHE
Purificación
de la proteína
Medicamento como la
-1-antitripsina o el
activador del
plasminógeno.
4 Técnicas de ingeniería genética
• Su utilidad es muy amplia:
• Biorremediación
microorganismos dirigidos a
eliminar la contaminación
ambiental.
– Mareas negras, eliminación de
metales pesados, producir
biocombustibles,
biodegradación de plásticos,
etc.
• Productos industriales,
farmacéuticos y médicos.
Microorganismos genéticamente
modificados programados para
fabricar productos útiles.
– Enzimas, antibióticos,
Proteínas humanas, como la
insulina, hormonas del
crecimiento.
4 Técnicas de ingeniería genética
• Animales transgénicos.
• Los animales transgénicos
son los que llevan algún gen
procedente de otro
organismo. Sus aplicaciones
son variadas:
– Aumentar la resistencia a
enfermedades y mejorar
la producción animal.
– Diseñar animales
Knockaut donde se
sustituye un gen funcional
por otro mutante con el fin
de examinar sus efectos.
– Fabricar órganos para
transplantes.
– Crear granjas
farmacéuticas.
4 Técnicas de ingeniería genética
• Plantas transgénicas.
• La ingeniería genética en
vegetales tiene como objetivo
transferir genes a las plantas
que nunca se hubiera
conseguido de forma natural.
• Los genes se introducen a
través de plásmidos de
bacterias del suelo, por
microinyecciones y con una
pistola de genes que lanza
balas microscópicas de ADN,
por estos métodos se pretende
que los genes puedan
alcanzar el núcleo y se
incorporen al genoma de la
planta.
4 Técnicas de ingeniería genética
• Mediante las técnicas de
ingeniería genética se han
conseguido plantas
transgénicas con fines muy
diferentes:
– Resistencias contra
herbicidas o plagas.
– Resistencia a las heladas,
las sequías, o al exceso
de acidez y salinidad del
suelo.
– Retrasar la maduración.
– Mejorar el valor nutritivo
de las plantas empleadas
en la agricultura.
– Producir plantas de
interés farmacológico.
4 Técnicas de ingeniería genética
• La terapia génica tiene
como objetivo tratar, curar y
prevenir enfermedades
producidas por un solo gen
defectuoso introduciendo en
el paciente un gen
terapéutico o funcional.
• Existen dos tipos de terapia
génica, la somática y la
germinal.
• La terapia génica somática,
consiste en tratar algunas
células del cuerpo de la
persona enferma de forma
que disminuyan los síntomas
de la enfermedad. Para
introducir el gen terapéutico
se utilizan virus.
4 Técnicas de ingeniería genética
• Terapia génica de la línea
germinal, consiste en
introducir células
transgénicas en un óvulo
fecundado, por lo que
cualquier célula contiene el
gen terapéutico incluida la
línea germinal futura. No se
ha experimentado en
humanos y se asocia a
problemas éticos complejos
y eugenésicos. Además
existen enormes barreras
técnicas antes de poder
desarrollar todo el potencial
de la terapia génica para
curar enfermedades
hereditarias.
3 Tecnología del ADN recombinante
• Para analizar los trozos de ADN
recombinante se pueden
analizar mediante
electroforesis en gel de
agarosa. La técnica consiste en
la separación de una mezcla de
moléculas de ADN en bandas
formada por miles de
fragmentos de ADN de longitud
muy parecida. Esta técnica
permite obtener el patrón de
bandas característico y
exclusivo de cualquier
organismo al que se denomina
huella génica. Permite compara
la identidad de un individuo, se
utiliza para investigar la autoria
de un delito y para las pruebas
de paternidad
3 Tecnología del ADN recombinante
• Hibridación mediante
sondas de ADN: búsqueda
específica de un gen.
• La hibridación e ADN es el
proceso en el que dos
hebras de ADN de cadena
sencilla con una secuencia
de bases complementarias
se unen para originar una
molécula de ADN de cadena
doble correctamente
apareada. Esta técnica es
fundamental en
biotecnología, porque
permite identificar la
presencia de un gen.
3 Tecnología del ADN recombinante
• Una sonda de ADN es un
fragmento artificial de ADN de
cadena sencilla marcada por
radiactividad o fluorescencia y
cuya secuencia de nucleótidos
es complementaria a la
secuencia del gen que se
desea detectar.
• Los biochips son láminas de
vidrio dónde se fija en cada una
de sus microscópicas celdillas
una cantidad ínfima de
fragmentos de ADN de cadena
simple cuya secuencia de
nucleótidos actúa como sonda
para un gen determinado.
3 Tecnología del ADN recombinante
• La posición de las sondas es
conocida en los biochips, de
forma que cualquier fragmento
de ADN que hibride con ellos
puede ser identificado como un
gen concreto, simplemente
localizando la posición en la
sonda.
• Esta tecnología se utiliza:
– Detectar mutaciones que
pueden causar enfermedades.
– Controlar la expresión de los
genes en líneas cancerosas
humanas.
– Diagnosticar enfermedades
infecciosas
– Personalizar los tratamientos.
– Para nuevas técnicas
diagnósticas y terapias.
3 Tecnología del ADN recombinante
• Amplificación del ADN:
reacción en cadena de la
polimerasa.
• La reacción en cadena de la
polimerasa (PCR) es una
reacción que origina millones de
copias de un segmento específico
de ADN mediante la repetición de
múltiples ciclos de replicación del
ADN in vitro.
• Para realizar esta técnica se
necesitan: la muestrea de ADN
que se quiere copiar, nucleótidos
dos moléculas de ADN de cadena
simple (cebadores) y ADN
polimerasa resistente al calor.
• La PCR es una herramienta
utilizada para amplificar
segmentos de ADN, de fluidos de
la escena de un crimen, de
microorganismos patógenos, o de
células embrionarias.
3 Tecnología del ADN recombinante
• Secuenciación del ADN.
• La determinación de la
secuencia de nucleótidos
es una parte fundamental
de la información sobre
cualquier fragmento de
ADN.
• En la actualidad se utilizan
técnicas automatizadas e
informatizadas que
permiten una
secuenciación rápida y
sencilla.
5 Técnicas de clonación: clonación
reproductiva.
• La clonación consiste en el proceso por el que se producen
organismos genéticamente idénticos entre si e idénticos al organismo
del que proceden.
• La biotecnología actual permite crear clones de animales gracias a
una técnica que se conoce como clonación reproductiva.
• La técnica consiste en eliminar el núcleo de un óvulo de un animal
donante y reemplazarlo por el núcleo de una célula somática
procedente del animal que se quiere clonar. Se crea un embrión
artificial que se implanta en el útero de una hembra de la misma
especie.
How is cloning portrayed by the media?
Natural human clones????
Human clones already exist!
Identical twins have exactly the
same genes and are therefore
clones of each other.
Identical twins are created
when a fertilized egg splits in
two, creating two separate but
genetically-identical embryos.
+
=
+
How does the creation of identical twins differ from that of
non-identical twins?
6 Células madres o células
troncales.
• Las células madres o
células troncales son
células indiferenciadas que
pueden dividirse
indefinidamente produciendo
nuevas células madres o
diferenciarse en diferentes
tipos especializados.
• No todas las células madres
son iguales, se diferencian
por su capacidad de producir
otros tipos de células.
• Células madre
embrionarias (ESC) son
células pluripotentes son el
origen de todos los tipos
celulares y tejidos del
individuo adulto
6 Células madres o células
troncales.
• Células madre adultas, (ASC) son células madre que se encuentran
en los organismos adultos, son células multipotentes capaces de
originar muchos tipos de células pero no todos.
• Existen otros tipos como las células madre fetales, que pueden
aislarse de fetos; las células madres del cordón umbilical que son
semejantes a las células fetales y las células germinales
embrionarias que son células madre de células germinales y
capaces de dar todos los tipos de células de un adulto.
6 Células madres o células
troncales.
• Aplicaciones de las células
madre.
• Las células madre tienen
numerosas aplicaciones:
– Testar toxinas y probar
nuevos fármacos.
– Estudiar las primeras fases
del desarrollo embrionario y
su control genético.
– Terapias celulares y
transplantes. Se basan en el
transplante de células madres
adultas, como lo transplantes de
médula o células cardíacas. Sin
embargo la medicina
regenerativa comenzará cuando
se puedan utilizar células
madres embrionarias del propio
paciente
7 El genoma humano: nuestro libro
de instrucciones.
• El genoma humano es el
conjunto de todos los genes que
posee nuestra especie
distribuidos entre los 23 pares de
cromosomas que tenemos en
nuestras células su estudio
constituye el campo de trabajo
de la genómica.
• Desde 1953 en que se descubre
la estructura del ADN se
pensaba en la posibilidad de
conocer la secuencia completa
de nuestro genoma. En 1990 se
propuso el Proyecto Genoma
Humano que pretendía localizar,
secuenciar y estudiar la función
de todos los genes humanos.
7 El genoma humano: nuestro libro
de instrucciones.
• A lo largo de 13 años, el
consorcio internacional para
la secuenciación del genoma
humano consiguió un
borrador inicial del genoma y
el Proyecto Genoma
Humano se dio por
finalizado.
• El PGH, ha secuenciado
3150 millones de pares de
nucleótidos, con 35.000
genes, el 25% está
aparentemente casi vacío y
sólo un 5% del ADN contiene
genes portadores de
sintetizar proteínas.
15
Ingeniería genética y bioética
El vertiginoso avance de la ingeniería genética, plantea numerosas cuestiones éticas.
LIMITACIONES ÉTICAS A LA MANIPULACIÓN DE GENES
HUMANOS
El 11 de noviembre de 1997 la ONU aprobaba la
Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los
Derechos Humanos.
El genoma humano es Patrimonio de la Humanidad.
Oposición a la comercialización del genoma humano.
Derecho a la protección de la información genética propia de cada
individuo.
Prohibición de la clonación de seres humanos con fines
reproductivos.
Subordinación de las investigaciones sobre genoma humano a los
principios éticos de respeto por la libertad y la dignidad.
PATENTES DE GENES
El Parlamento europeo se pronunció en contra de las patentes de
genes en 1995
La Unión Europea aprobó en agosto de 1998 una directiva por la
que se propone que un gen puede ser patentado si es producido
por un procedimiento técnico, aunque éste sea igual al gen natural.
Final
8 Bioética: la ética de la vida.
• La bioética es una actividad
multidisciplinar que estudia
los problemas éticos que
surgen en la aplicación de
las ciencias médicas y sus
tecnologías que pueden
influir y modificar la vida
humana y la de otros
organismos. Los principales
riesgos de las técnicas de
biotecnología son:
• Terapia génica, nunca
debería aplicarse como
método para la mejora
genética de la humanidad.
8 Bioética: la ética de la vida.
• Clonación humana con
fines reproductivos, es
una técnica que está
rechazada por todas las
legislaciones, ya que debe
prevalecer la individualidad
de cada persona.
• Células madre, el principal
inconveniente se basa en
la obtención de embriones
que tendrían que ser
destruidos al extraer las
células madre. Este
problema no existe con las
células madre adultas.
8 Bioética: la ética de la vida.
• Genoma humano, presenta el
inconveniente de las patentes de
genes que crean dependencia
sanitaria y económica. El
conocimiento de las
características genéticas de los
individuos podría ser utilizada en
el mundo laboral como una forma
de discriminación.
• Organismos genéticamente
modificados, las dudas que
plantean los OGM son:
– el fin con el que son diseñados,
– la capacidad de modificar o
invadir los ecosistemas naturales
cercanos a campos de cultivo,
– transferir los transgenes con el
peligro de contaminación
genética,
8 Bioética: la ética de la vida.
– El consumo de
alimentos
transgénicos puede
desencadenar
reacciones alérgicas
desconocidas en las
personas.
– La inserción en las
plantas de genes
terminator.
Descargar

tema 4º la revolución genética: biotecnología