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Tema 4 "La revolución genética"

1. Leyes de Mendel

   Conviene aclarar que Mendel, por ser pionero, carecía de los conocimientos actuales sobre la presencia de pares de alelos en los seres vivos y sobre el mecanismo de transmisión de los cromosomas, por lo que esta exposición está basada en la interpretación posterior de los trabajos de Mendel.

        A continuación se explican brevemente las leyes de Mendel:

Primera ley de Mendel: A esta ley se le llama también Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación (F1), y dice que cuando se cruzan dos variedades individuos de raza pura, ambos homocigotos,  para un determinado carácter, todos los híbridos de la primera generación son iguales.

        Los individuos de esta primera generación filial (F1) son heterocigóticos o híbridos, pues sus genes alelos llevan información de las dos razas puras u homocigóticas: la dominante, que se manifiesta, y la recesiva, que no lo hace..

        Mendel llegó a esta conclusión trabajando con una variedad pura de plantas de guisantes que producían las semillas amarillas y con una variedad que producía las semillas verdes. Al hacer un cruzamiento entre estas plantas, obtenía siempre plantas con semillas amarillas.

 

 

        Otros casos para la primera ley.  La primera ley de Mendel se cumple también para el caso en que un determinado gen dé lugar a una herencia intermedia y no dominante, como es el caso del color de las flores del "dondiego de noche". Al cruzar las plantas de la variedad de flor blanca con plantas de la variedad de flor roja, se obtienen plantas de flores rosas,  como se puede observar a continuación:

 

 

Segunda ley de Mendel:  A la segunda ley de Mendel también se le llama de la separación o disyunción de los alelos.

        Experimento de Mendel. Mendel tomó plantas procedentes de las semillas de la primera generación (F1) del experimento anterior y las polinizó entre sí. Del cruce obtuvo semillas amarillas y verdes en la proporción que se indica en la figura. Así pues, aunque el alelo que determina la coloración verde de las semillas parecía haber desaparecido en la primera generación filial, vuelve a manifestarse en esta segunda generación.

 

 

        Los dos alelos distintos para el color de la semilla presentes en los individuos de la primera generación filial, no se han mezclado ni han desaparecido , simplemente ocurría que se manifestaba sólo uno de los dos. Cuando el individuo de fenotipo amarillo y genotipo Aa, forme los gametos, se separan los alelos, de tal forma que en cada gameto sólo habrá uno de los alelos y así puede explicarse los resultados obtenidos.

        Otros casos para la segunda ley. En el caso de los genes que presentan herencia intermedia, también se cumple el enunciado de la segunda ley. Si tomamos dos plantas de flores rosas de la primera generación filial (F1) y las cruzamos entre sí, se obtienen plantas con flores blancas, rosas y rojas. También en este caso se manifiestan los alelos para el color rojo y blanco, que permanecieron ocultos en la primera generación filial.

 

Retrocruzamiento

           Retrocruzamiento de prueba.

         En el caso de los genes que manifiestan herencia dominante, no existe ninguna diferencia aparente entre los individuos heterocigóticos (Aa) y los homocigóticos (AA), pues ambos individuos presentarían un fenotipo amarillo.
        La prueba del retrocruzamiento, o simplemente cruzamiento prueba, sirve para diferenciar el individuo homo- del heterocigótico. Consiste en cruzar el fenotipo dominante con la variedad homocigótica recesiva (aa).

     - Si es homocigótico, toda la descendencia será igual, en este caso se cumple la primera Ley de Mendel.

     - Si es heterocigótico, en la descendencia volverá a aparecer el carácter recesivo en una proporción del 50%.

 

Tercera ley de Mendel. Se conoce esta ley como la de la herencia independiente de caracteres, y hace referencia al caso de que se contemplen dos caracteres distintos. Cada uno de ellos se transmite siguiendo las leyes anteriores con independencia de la presencia del otro carácter.


Experimento de MendelMendel cruzó plantas de guisantes de semilla amarilla y lisa con plantas de semilla verde y rugosa ( Homocigóticas ambas para los dos caracteres).
Las semillas obtenidas en este cruzamiento eran todas amarillas y lisas, cumpliéndose así la primera ley para cada uno de los caracteres considerados , y revelándonos también que los alelos dominantes para esos caracteres son los que determinan el color amarillo y la forma lisa.
Las plantas obtenidas y que constituyen la F1 son dihíbridas (AaBb).

Estas plantas de la F1 se cruzan entre sí, teniendo en cuenta los gametos que formarán cada una de las plantas.  Se puede apreciar que los alelos de los distintos genes se transmiten con independencia unos de otros, ya que en la segunda generación filial F2 aparecen guisantes amarillos y rugosos y otros que son verdes y lisos, combinaciones que no se habían dado ni en la generación parental (P), ni en la filial primera (F1).
Asímismo, los resultados obtenidos para cada uno de los caracteres considerados por separado, responden a la segunda ley.

 

 

 2.Los ácidos nucléicos:

Los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son de dos tipos: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Ambos contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Están formados por la unión de muchas subunidades, que son unas moléculas pequeñas llamadas nucleótidos.

Los nucleótidos están compuestos por una base nitrogenada, un glúcido y una molécula de ácido fosfórico. Hay cuatro tipos de nucleótidos en función de las bases que contienen: guanina, citosina, adenina y timina en el ADN; o uracilo en lugar de la timina en el ARN. El glúcido que forma cada nucleótido es la desoxirribosa en el caso del ADN y la ribosa en el ARN.

Generalmente, la estructura del ADN es una cadena doble, con forma de hélice, mientras que el ARN está formado por una sola cadena o hebra.

3.Experimento de Griffitih


El experimento de Griffith, llevado a cabo en 1928, fue uno de los primeros experimentos que demostró que las bacterias eran capaces de transferir información genética mediante un proceso llamado transformación.
En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, que investigaba varias cepas de neumococo (Streptococcus pneumoniae), inyectó en ratones la cepa S y la cepa R de la bacteria. La cepa S era dañina, mientras que la rugosa (R), no lo era ya que la cepa S se cubre a si misma con una cápsula de polisacárido que la protege del sistema inmune del ser que ha sido infectado, resultando en la muerte de este, mientras que la cepa R no contiene esa cápsula protectora es derrotada por el sistema inmunitario. Cuando, inactiva por calor, la cepa S era inyectada, no había secuelas y el ratón vivía. Sorprendentemente, al combinar cepa R(no letal), con cepa S inactivada por calor (no letal), el ratón murió. Además, Griffith encontró células de cepa S vivas. En apariencia la cepa R se convirtió en cepa S. Este hallazgo no se pudo explicar, hasta que en 1944 Avery, McLeod, y McCarty, cultivaron cepa S y:
1. Produjeron extracto de lisado de células (extracto libre de células).
2. Luego que los lípidos, proteínas y polisacáridos se removieron, el estreptococo aún conservó su capacidad de replicar su ADN e introducirlo en neumococo R.
4.Dogma central de la biología molecular

FUNDAMENTO CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

La aceptación de la hipótesis de la secuencia propuesta por Crick (1958) significaba por un lado la existencia de un código o clave que permitiera pasar de un lenguaje escrito con cuatro letras (las cuatro bases nitrogenadas) en el ADN a un leguaje escrito con 20 letras (los aminoácidos) en las proteínas. Por otro lado, significaba la existencia de una serie de procesos que realizaran en la célula el trabajo de pasar de una estructura química como la de los ácidos nucleicos a una estructura química como la de las proteínas. Ya hemos visto en el capítulo anterior las características del código o clave genética y su desciframiento, ahora vamos a estudiar los procesos genéticos de la síntesis de proteínas.

Teniendo en cuenta que en las células eucariontes los cromosomas (material genético organizado) se encuentran en el núcleo y que la información que contienen los cromosomas (los genes) se expresa en el citoplasma, se supuso que tendría que haber alguna molécula intermediaria en el flujo de la información desde el ADN a las proteínas. Jacob y Monod en 1961 propusieron la Hipótesis del mensajero: "debe existir una molécula que transporte la información fielmente desde el ADN hasta las proteínas". En ese mismo año Brenner y colaboradores (1961) demostraron la existencia del este intermediario que resultó ser una molécula de ácido ribonucleico que se denominó ARN mensajero (ARN-m). Posteriormente, el ARN-m tenía que ser traducido a proteína.

JacobMonod

Brenner

Basándose en estos trabajos Crick (1970) alumbró la idea de un sistema fundamental de mantenimiento y flujo de la información genética en los organismos vivos que denominó Dogma Central de la Biología Molecular. De manera que la información genética contenida en el ADN se mantiene mediante su capacidad de replicación. La información contenida en el ADN se expresa dando lugar a proteínas, mediante los procesos de transcripción, paso por el que la información se transfiere a una molécula de ARN mensajero (ARN-m) y, mediante el proceso de la traducción el mensaje transportado por el ARN-m se traduce a proteína.

F. Crick"Dogma Central de la Biología Molecular"

Este esquema central de flujo de la información pronto fue modificado, ya que en algunos virus cuyo material hereditario es ARN, la información se conserva o mantiene mediante replicación del ARN. Además, también se comprobó que la información no va siempre del ADN hacia el ARN (ADNARN), en algunos casos la información puede fluir del ARN hacia el ADN (ARNADN), es decir sintetizar ADN tomando como molde ARN , teniendo lugar el fenómeno de la transcripción inversa. H. Temin recibió el Premio Nobel en 1975 por sus descubrimientos en relación con la interacción entre los virus tumorales y el material genético en la célula, en particular por el descubrimiento de la transcripción inversa en virus ARN-ADN.

TeminModificaciones del "Dogma Central de la Biología Molecular"

Por tal causa, en una ciencia como la Genética no debería emplearse la palabra "dogma" ya que como acabamos de ver en muy poco tiempo el fundamento central de la Biología Molecular propuesto por Crick tuvo que ser modificado.

TRANSCRIPCIÓN

La transcripción consiste en la síntesis de ARN tomando como molde ADN y significa el paso de la información contenida en el ADN hacia el ARN. La transferencia de la información del ADN hacia el ARN se realiza siguiendo las reglas de complementaridad de las bases nitrogenadas y es semejante al proceso de transcripción de textos, motivo por el que ha recibido este nombre. El ARN producto de la transcripción recibe el nombre de transcrito.

En las bacterias la transcripción y la traducción tienen lugar en el citoplasma bacteriano y al mismo tiempo, son simultáneas. Sin embargo, en eucariontes la transcripción tiene lugar en el núcleo y la traducción en el citoplasma.

Mediante experimentos de pulso y caza, se suministran precursores radiactivos que marcan específicamente el ARN (uridina tritiada) a las células durante un breve período de tiempo (pulso). Una vez que las células han incorporado la uridina tritiada se transfieren a un medio con precursores sin marcar (caza). De este forma es posible seguir el destino del ARN marcado durante el pulso, ya que la síntesis del nuevo ARN se produce con precursores sin marcar (uridina normal). Las muestras de células tomadas después de la caza, mostraban marcaje en el núcleo, indicando que ARN se sintetiza allí, sin embargo, las muestras de células tomadas después de la caza mostraban el marcaje radiactivo en el citoplasma. Por tanto, parece que el ARN se sintetiza en el núcleo y se transporta posteriormente al citoplasma.

Experimento de pulso y caza con precursores radiáctivos (uridina tritiada)Eucariontes: transcripción en el núcleo y traducción en el citoplasma

Volkin y Astrachan (1957) demostraron que después de la infección de E. coli por el fago T2 aumenta la síntesis de ARN y que este ARN inducido por la infección de T2 tiene una vida media muy corta. Infectaron bacterias con el fago T2 en un medio que contenía uridina tritiada, base nitrogenada específica del ARN (pulso), y después las pasaron a un medio con uridina normal no marcada (caza). El ARN recuperado después del pulso estaba marcado, pero el obtenido después de la caza no lo estaba, lo que indicaba que el ARN tenía una vida media muy corta. Por último cuando se comparó el porcentaje de los diferentes tipos de nucleótidos del ARN sintetizado inmediatamente después de la infección por T2 y del ADN del fago, se observó que era muy parecido, sugiriendo este resultado que el ARN sintetizado después de la infección por T2 procedía del ADN del fago.

6.Biotecnología

biotecnologia industrial

CONCEPTO DE BIOTECNOLOGÍA.
La biotecnología ha sido utilizada por el hombre desde los comienzos de la historia en actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o el mejoramiento de cultivos y de animales domésticos. Procesos como la producción de cerveza, vino, queso y yogurt implican el uso de bacterias o levaduras con el fin de convertir un producto natural como la leche, en un producto de fermentación más apetecible como el yogurt.
En términos generales biotecnología se puede definir como el uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de organismos vivos para obtener productos de valor para el hombre.
La biotecnología moderna está compuesta por una variedad de técnicas derivadas de la investigación en biología celular y molecular, las cuales pueden ser utilizadas en cualquier industria que utilice microorganismos o células vegetales o animales. Es la aplicación comercial de organismos vivos o sus productos, la cual involucra la manipulación deliberada de sus moléculas de DNA.

Por tanto, podemos decir que la biotecnología abarca desde la biotecnología tradicional, muy conocidas y establecidas, y por tanto utilizadas, como por ejemplo la fermentación de alimentos, hasta la biotecnología moderna, basada en la utilización de las nuevas técnicas del DNA recombinante (ingeniería genética), los anticuerpos monoclonales y los nuevos métodos de cultivo de células y tejidos.


Objetivos de la Carrera.
Mejorar los procesos productivos, lograr industrias más limpias y como consecuencia una mejor protección del medio ambiente.
Mantener atención a los vertiginosos cambios que experimenta la ciencia y la tecnología, con el fin de responder adecuadamente a los requerimientos de la industria y toda la sociedad.

Descripción de Carrera o Perfil Profesional.
La biotecnología no sólo es ciencia sino también tecnología.
La biotecnología integra los conocimientos de la biología, bioquímica, microbiología e ingeniería, para lograr diversas aplicaciones a problemas específicos dentro del ámbito de la industria a partir de la utilización de agentes biológicos* como microorganismos, células vegetales, células animales (bacterias, levaduras, microalgas, etc.) y partes derivadas de ellos.
*agente biológico: Componente biológico que puede producir un efecto sobre algo determinado.
En general podemos decir que está orientada al óptimo aprovechamiento de la materia y energía de origen biológico en favor del ser humano.
En la práctica, la Biotecnología desarrolla procesos tales como la producción de alimentos, por medio de la fermentación realizada por microorganismos. Un claro ejemplo de lo anterior es la elaboración de la cerveza, que en una de sus etapas fermenta la cebada.
La Biotecnología, además, amplía su campo de acción a otras áreas, como la salud o la minería, donde el profesional debe estar capacitado para el manejo integral de los Bioprocesos.

Aplicaciones o tareas específicas que se realizan en la profesión.
Diseñar procedimientos científico-tecnológicos que den mayor valor agregado a recursos naturales. 
Desarrollar y operar procesos industriales que hagan uso de material biológico.
Controlar el proceso.
Realizar control de calidad de los productos.
Manejo, tratamiento y aprovechamiento de los residuos que genere la industria.
Realizar investigación bioquímica e investigación aplicada de ella.

Ejemplos:
La biorremediación: Esto consiste en encontrar los microorganismos capaces de convertir los contaminantes en materias menos agresivas para el medio ambiente. Como bacterias capaces de digerir el petróleo que se ha depositado en una playa; convertir el azufre que sale de las chimeneas en materiales sólidos manipulables, o hacer menos peligrosos los convertidores catalíticos.
Trabajar en el abatimiento de contaminantes en Siderúrgica (industria de acero).
Trabajar en la optimización de microorganismos clonados.
Trabajar en terapia génica, que es el cultivo de células y tejidos que permitirá la cura de enfermedades como el cáncer, el Mal de Parkinson y el SIDA.
Procurar que la humanidad llegue pronto a un promedio de vida de 100 a 150 años.
Trabajar en técnicas de recombinación genética, cultivos celulares, manipulación embrionaria.

  
7.Ingeniería genética

La Ingeniería Genética (en adelante IG) es una rama de la genética que se concentra en el estudio del ADN, pero con el fin su manipulación. En otras palabras, es la manipulación genética de organismos con un propósito predeterminado.

En este punto se profundizará el conocimiento sobre los métodos de manipulación génica. El fin con el cual se realizan dichas manipulaciones se tratará más adelante, cuando se analicen los alcances de esta ciencia.

Enzimas de restricción.

Como ya se dijo, la IG consiste la manipulación del ADN. En este proceso son muy importantes las llamadas enzimas de restricción, producidas por varias bacterias. Estas enzimas tienen la capacidad de reconocer una secuencia determinada de nucleótidos y extraerla del resto de la cadena. Esta secuencia, que se denomina Restriction Fragment Lenght Polymophism o RLPM, puede volver a colocarse con la ayuda de otra clase de enzimas, las ligasas. Análogamente, la enzima de restricción se convierte en una "tijera de ADN", y la ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro.




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