Replicación

Características

• Bidireccionalidad: ocurre en ambas direcciones a partir de un punto de origen específico en la molécula de ADN. Este punto de origen (origen de replicación) es donde se separan las dos hebras de ADN y comienza la replicación en direcciones opuestas.
• Semiconservativa: cada molécula hija resultante conserva una hebra original de la molécula de ADN parental y sintetiza una nueva hebra complementaria.
• Orientación 5′ a 3′: la síntesis de nuevas hebras de ADN ocurre en una dirección específica, que es de 5′ a 3′. Esto significa que la hebra recién sintetizada crece agregando nucleótidos a su extremo 3′, utilizando la hebra antigua como molde. La enzima responsable de la síntesis de ADN, es el ADN polimerasa, puede agregar nucleótidos solo en esta dirección, lo que da lugar a la formación de una nueva hebra de ADN que es complementaria a la hebra molde original.

Mutaciones

Una mutación genética es un cambio permanente en la secuencia de ADN que constituye un gen. Estos cambios pueden ocurrir de varias formas, como la sustitución de nucleótidos, la inserción o eliminación de segmentos de ADN, o inversiones de segmentos de ADN. Las mutaciones proporcionan la variación genética necesaria para que ocurra la evolución a través de procesos como:

• Generación de Variabilidad Genética: Las mutaciones introducen nuevas variantes genéticas en las poblaciones, que pueden alterar las características de un organismo.
• Selección Natural: actúa sobre la variación genética presente en una población. Las mutaciones pueden crear rasgos que ofrecen ventajas adaptativas en determinados entornos, lo que permite a los organismos portadores sobrevivir y reproducirse mejor.

Tipos de mutaciones

• Mutaciones Moleculares: afectan la secuencia de nucleótidos a nivel molecular en un gen específico dentro del ADN. Incluyen cambios en un solo nucleótido (mutaciones puntuales), inserciones, deleciones y duplicaciones de segmentos de ADN.
• Mutaciones Puntuales: afectan a un solo nucleótido en la secuencia de ADN. Pueden subdividirse en:
  • Sustituciones: Un nucleótido es reemplazado por otro. Pueden ser sinónimas (no cambian el aminoácido codificado) o no sinónimas (cambian el aminoácido codificado).
  • Inserciones: Uno o más nucleótidos son agregados a la secuencia de ADN.
  • Deleciones: Uno o más nucleótidos son eliminados de la secuencia de ADN.
• Mutaciones Cromosómicas: involucran cambios en la estructura o número de cromosomas. Pueden incluir:
  • Duplicaciones: Segmentos de cromosomas son duplicados.
  • Inversiones: Segmentos de cromosomas son invertidos en orientación.
  • Translocaciones: Segmentos de cromosomas son intercambiados entre cromosomas no homólogos.
• Mutaciones Genómicas: varían el número de cromosomas, como es el caso de las aneuploidias, o la dotación genética, como es el caso de las euploidias.

Agentes mutagénicos

Agentes mutagénicos químicos:

• Compuestos orgánicos: Como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (presentes en el humo del tabaco y la contaminación del aire), aflatoxinas (producidas por hongos en alimentos como el maní y el maíz) y benzopireno (presente en el humo del cigarrillo y la contaminación del aire).
• Productos químicos industriales: Incluyendo algunos solventes, compuestos orgánicos volátiles y productos químicos utilizados en la fabricación de plásticos y pesticidas.
• Productos químicos presentes en el ambiente: Como los nitritos y nitratos utilizados en la conservación de alimentos y los productos químicos presentes en el agua y el suelo contaminados.

Agentes mutagénicos físicos:

• Radiación ionizante: Como los rayos X, los rayos gamma y la radiación ultravioleta (UV) del sol.
• Radiación ultravioleta (UV): Puede causar la formación de dímeros de timina en el ADN, que pueden interferir con la replicación y la transcripción del ADN.
• Radiación cósmica: Que proviene del espacio exterior y puede afectar a los organismos expuestos a altitudes elevadas o en misiones espaciales.

Tipos de mutación según su origen

• Mutación espontánea: se produce de forma natural o normal en los individuos.
• Mutación inducida: se produce como consecuencia de la exposición a agentes mutagénicos químicos o físicos.

Si la mutación afecta a células germinales, existe una alta probabilidad de que se transmita a la descendencia. Esto es lo que sucede en la herencia genética, donde las mutaciones en los gametos pueden dar lugar a trastornos genéticos hereditarios en la descendencia.

Efectos de los agentes mutagénicos en las células

Cuando una célula de un organismo pluricelular se expone a un agente mutágeno, este puede causar varios efectos sobre la secuencia de bases del ADN:

• Sustituciones de bases: El agente mutágeno puede provocar cambios en la secuencia de nucleótidos, sustituyendo un nucleótido por otro. Esto puede alterar la codificación de proteínas y cambiar su función.
• Inserciones o deleciones: El agente mutágeno puede inducir la inserción o eliminación de uno o varios nucleótidos en la secuencia de ADN. Esto puede causar cambios en el marco de lectura de un gen, alterando la traducción del ARNm y resultando en la producción de una proteína diferente o en la ausencia de una proteína funcional.
• Daño estructural del ADN: Algunos agentes mutágenos pueden causar daño directo al ADN, como roturas en las hebras de ADN o la formación de enlaces cruzados entre hebras. Esto puede interferir con la replicación y la transcripción del ADN, causando mutaciones o incluso la muerte celular.

Consecuencias de las mutaciones

Las consecuencias de las mutaciones génicas pueden variar dependiendo del tipo y la ubicación de la mutación en el genoma. Algunas consecuencias posibles incluyen:

• Cambios en la secuencia de aminoácidos: puede alterar su estructura y función (enfermedades genéticas, trastornos metabólicos o cáncer).
• Inactivación de genes: puede interferir con las funciones celulares normales y contribuir al desarrollo de enfermedades genéticas o trastornos hereditarios.
• Activación de genes oncogénicos: promueven el crecimiento celular descontrolado y pueden contribuir al desarrollo de cáncer.
• Cambios en la regulación génica: alteran la cantidad de proteínas producidas por un gen y contribuyendo a diversas enfermedades y trastornos.

Diferencias entre mutaciones moleculares y cromosómicas

• Las mutaciones moleculares afectan a la secuencia de nucleótidos dentro de un solo gen, mientras que las mutaciones cromosómicas pueden afectar a múltiples genes y segmentos de cromosomas enteros.
• Las mutaciones moleculares generalmente tienen un impacto puntual en la estructura y función de una proteína específica, mientras que las mutaciones cromosómicas pueden tener efectos más amplios, como cambios en la expresión génica global o la función de procesos celulares.

Ejemplos de malformaciones por mutaciones cromosómicas

• Síndrome de Down: hay una copia extra del cromosoma 21 presente en todas o la mayoría de las células del cuerpo. Esto resulta en características físicas distintivas y discapacidad intelectual.
• Síndrome de Turner: las mujeres tienen solo un cromosoma X en lugar de los dos habituales. Esto puede causar una variedad de características físicas, incluida la baja estatura y anomalías en los órganos reproductores.

ARN de transferencia

Es una molécula de ARN transferente y tiene forma de trébol. El ARN de transferencia (ARNt) es una molécula de ARN que desempeña un papel crucial en el proceso de traducción, llevando los aminoácidos correspondientes a los codones de ARN mensajero (ARNm) durante la síntesis de proteínas. El ARNt es una molécula pequeña, que generalmente consta de aproximadamente 70-90 nucleótidos. Está formado por ribonucleótidos (A, U, G y C). En su estructura se distinguen partes características como el brazo aceptor (2), el brazo D, el brazo T y el brazo del anticodón (1).

Su función es llevar los aminoácidos correspondientes a los codones de ARN mensajero (ARNm) durante la síntesis de proteínas. 1 es el brazo del anticodón, que se corresponde con un triplete de bases capaz de identificar la secuencia complementaria al mismo en la cadena de ARN mensajero para que el ARN transferente pueda colocar el triplete correcto. 2, por su parte, es el brazo aceptor del aminoácido, que se encarga de unirse al aminoácido correcto para llevarlo hasta el ARN mensajero.

Transcripción

Proceso por el que se sintetiza ARN a partir de una molécula de ADN. Tiene lugar en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma de las procariotas y es esencial para la expresión génica y la síntesis de proteínas. La transcripción se lleva a cabo en tres etapas principales: iniciación, elongación y terminación.

• Iniciación: La ARN polimerasa (ARN pol) se une a la región promotora del ADN, que está situada antes del gen a transcribir. La ARN pol desenrolla la doble hélice de ADN y comienza a sintetizar una cadena de ARN complementaria al molde de ADN. Esto ocurre en la dirección 5′ a 3′.
• Elongación: La ARN pol avanza a lo largo del ADN molde, añadiendo nucleótidos complementarios a la cadena de ARN. La secuencia de nucleótidos en el ARN complementario se determina por la secuencia de bases en el ADN molde, siguiendo las reglas de complementariedad. La ARN pol sigue transcribiendo hasta que llega a una secuencia específica de terminación, donde se detiene la síntesis de ARN.
• Terminación: En las procariotas, la terminación ocurre cuando la ARN pol alcanza una secuencia de terminación específica en el ADN, que está seguida por una serie de adeninas (A). Esto produce una señal de terminación que hace que la ARN pol se separe del ADN y libere la molécula de ARN recién sintetizada. En las eucariotas, el proceso de terminación es más complejo e implica la acción de proteínas adicionales.

Código genético

Es la correspondencia que establece entre cada grupo de 3 nucleótidos consecutivos de la cadena de ARNm y un aminoácido. Estos grupos se llaman codones.

Propiedades del código genético

• Universalidad del código genético: en la mayoría de los seres vivos, el conjunto de codones de ARN (tripletes de nucleótidos) y los aminoácidos que codifican son prácticamente los mismos. Los mismos codones codifican para los mismos aminoácidos en el proceso de traducción del ARNm a proteínas.
• Degeneración del código genético: hay más de un codón que puede codificar para el mismo aminoácido. Hay 64 codones posibles (4 nucleótidos en tripletes) y solo 20 aminoácidos estándar, lo que lleva a que algunos aminoácidos sean codificados por más de un codón.

Codones especiales

Existen tripletes especiales;

• AUG, codifica para metionina y corresponde al inicio de la síntesis.
• UAA, UGA, UAG, determinan el fin de la síntesis.

Secuenciación del ADN

Conjunto de métodos y técnicas bioquímicas cuya finalidad es la determinación del orden de los nucleótidos en un oligonucleótido de ADN. La secuencia de ADN constituye la información genética heredable que forman la base de los programas de desarrollo de los seres vivos.

Gen

Secuencia de ADN que constituye la unidad funcional para la transmisión de los caracteres hereditarios. Contiene la información genética para la síntesis de proteínas.

Diferencias entre ADN y ARN

La estructura del ADN suele ser de doble hélice, mientras que el ARN es de cadena simple. Las bases que componen el ADN son A, G C y T, mientras que en el ARN la T se sustituye por U.

Organismos genéticamente modificados

Un organismo genéticamente modificado o transgénico, es un organismo cuyo material genético ha sido alterado usando técnicas de ingeniería genética. Se emplean para modificar y mejorar las propiedades de un organismo dado. Se obtienen mediante diferentes técnicas, por ejemplo, cortando mediante enzimas de restricción el gen requerido y uniéndolo al genoma principal de la célula huésped mediante enzimas de restricción y ADN ligasas. Un ejemplo viene dado por plantas transgénicas a las que se les introduce el gen de resistencia a herbicidas y a insecticidas.

Traducción

Proceso mediante el cual la secuencia de nucleótidos en una molécula de ARN mensajero (ARNm) se traduce en una secuencia de aminoácidos para formar una proteína específica. Este proceso ocurre en los ribosomas, que son complejos celulares compuestos de ARN ribosómico y proteínas.

Fases de la traducción

• Inicio: El ribosoma se une al extremo 5′ del ARNm, donde comienza la secuencia codificante. Luego, el ribosoma “lee” el código de ARNm, que se organiza en tripletes de nucleótidos llamados codones.
• Elongación: Durante esta fase, se añaden aminoácidos a la cadena polipeptídica en crecimiento. El ARN de transferencia (ARNt) transporta los aminoácidos al ribosoma. Cada ARNt tiene un anticodón que es complementario al codón del ARNm, lo que permite el emparejamiento específico entre codones y anticodones. La enzima peptidil transferasa cataliza la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos, lo que resulta en la elongación de la cadena polipeptídica.
• Terminación: La traducción continúa hasta que el ribosoma alcanza un codón de terminación en el ARNm. Estos codones de terminación no están asociados con ningún ARNt, pero señalan el final de la síntesis de proteínas. En lugar de un ARNt, una proteína de liberación se une al ribosoma, lo que lleva a la liberación de la cadena polipeptídica y al desmontaje del ribosoma del ARNm.

El producto final de la traducción es una cadena polipeptídica que se pliega para formar una proteína funcional. La secuencia de aminoácidos determina la estructura tridimensional y, por lo tanto, la función de la proteína. La traducción es un proceso altamente regulado y esencial para la síntesis de proteínas, que son los principales actores en la mayoría de las funciones celulares.

De 5’a 3’ será: TAAGTCCTACTGTCATAC

Tomando de referencia la del apartado a, de 3’a 5’ : AUUCAGGAUGACAGUAUG

Producción de proteínas recombinantes en bacterias

Las bacterias que producen hormonas humanas se obtienen mediante técnicas de ingeniería genética. Este proceso implica la introducción de genes humanos que codifican las hormonas deseadas en el genoma de la bacteria.

Células madre

Las células madre son un tipo especial de células que tienen la capacidad de autorrenovarse y diferenciarse en diferentes tipos celulares especializados. Estas células tienen la capacidad única de dividirse y producir células hijas que pueden convertirse en células especializadas con funciones específicas en el cuerpo. Se clasifican en varios tipos según su potencial de diferenciación:

• Células madre totipotentes: Pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula, incluyendo las que forman los tejidos embrionarios y extraembrionarios. Estas células se encuentran en el cigoto y en las primeras etapas del desarrollo embrionario.
• Células madre pluripotentes: Pueden diferenciarse en células de cualquiera de los tres linajes germinales: ectodermo, endodermo y mesodermo. Estas células se encuentran en los blastocistos y en las células madre embrionarias.

Terapia génica

La terapia génica es una estrategia médica que busca tratar enfermedades genéticas o adquiridas mediante la introducción de genes saludables en las células del paciente. Estos genes pueden corregir anomalías genéticas, reemplazar genes defectuosos, o introducir nuevas funciones terapéuticas en las células.

Existen varias formas de llevar a cabo la terapia génica, pero una de las más comunes es mediante el uso de vectores virales o no virales que son virus modificados para llevar genes terapéuticos en lugar de material genético viral dañino y se utilizan para infectar células humanas y entregar los genes terapéuticos dentro de ellas.

Ingeniería genética

Ingeniería genética: es una disciplina que se centra en la manipulación y modificación de material genético para alterar las características de organismos vivos. Utiliza técnicas de biología molecular para aislar, modificar y transferir genes entre diferentes organismos, lo que permite la creación de organismos genéticamente modificados con características específicas.

Célula hospedadora

Célula hospedadora: es una célula viva que se utiliza como recipiente para introducir y replicar material genético extraño, como genes de interés, que pueden ser insertados en la célula hospedadora por técnicas como la transformación, y dentro de la célula, pueden ser expresados y dar lugar a las características deseadas.

Clonación

Clonación: es el proceso de creación de copias genéticamente idénticas de un organismo, célula o fragmento de ADN. Implica la producción de múltiples copias de un gen específico utilizando técnicas de amplificación de ADN, como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Además, la clonación también puede referirse a la creación de un organismo completo que sea genéticamente idéntico a otro, mediante técnicas como la transferencia nuclear o la división de embriones.

Enzima de restricción

Enzima de restricción: son proteínas en bacterias con la capacidad de cortar el ADN en secuencias específicas. Estas secuencias de corte o sitios de restricción, suelen ser secuencias cortas de nucleótidos que tienen la misma secuencia de nucleótidos en ambas hebras. Estos enzimas se utilizan en la ingeniería genética para cortar el ADN en fragmentos específicos, lo que facilita la manipulación y la inserción de genes en vectores de clonación.

Aplicaciones del ADN recombinante

La utilidad del ADN recombinante es enorme en diferentes campos, entre los que destacan:

• Investigación científica
• Producción de proteínas
• Agricultura y ganadería
• Medicina

Plásmido

Un plásmido bacteriano es una pequeña molécula de ADN circular que se encuentra en algunas bacterias. A diferencia del cromosoma bacteriano, que es el principal portador del material genético de la bacteria, los plásmidos suelen ser pequeños y no son esenciales para la supervivencia de la bacteria.

Producción de ADN recombinante in vitro

La producción de ADN recombinante in vitro implica una serie de pasos cuidadosamente controlados que se llevan a cabo en el laboratorio. Aquí tienes una descripción general de los pasos involucrados:

• Selección de genes
• Aislamiento del ADN
• Amplificación del ADN
• Corte con enzimas de restricción
• Vector de clonación
• Ligación
• Transformación
• Selección de células transformadas