LA REVOLUCIN GENTICA 1 LA GENTICA HERENCIA BIOLGICA

LA REVOLUCIÓN GENÉTICA 1. - LA GENÉTICA. HERENCIA BIOLÓGICA DE LOS CARACTERES. 2. - ADN: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN. 3. - LA EXPRESIÓN DE LOS GENES. EL CÓDIGO GENÉTICO Y EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA 4. - INGENIERÍA GENÉTICA Y SUS APLICACIONES. 4. 1 La producción de fármacos. 4. 2 La terapia génica. 4. 3 El diagnóstico clínico. 4. 4 Los organismos transgénicos. 4. 5 Aplicaciones medioambientales. 5. - LA CLONACIÓN Y SUS APLICACIONES. 6 - EL PROYECTO GENOMA HUMANO. 7 - LA BIOÉTICA.

1. - LA GENÉTICA. HERENCIA BIOLÓGICA DE LOS CARACTERES. n La genética estudia como se transmiten las características en los seres vivos de generación en generación, esto recibe el nombre de “herencia biológica de los caracteres”. n Es en definitiva el estudio de cómo se transmiten los genes y como se regula la expresión de éstos en los seres vivos.

UN POCO DE HISTORIA n n n Un monje austríaco, Gregor Mendel (18221884), desarrolló los principios fundamentales de que hoy es la moderna ciencia de la genética. Demostró que las características heredables son llevadas en unidades discretas que se heredan por separado en cada generación. Estas unidades discretas, que Mendel llamó elemente, se conocen hoy como genes. Mendel presentó sus experimentos en 1865. En esta época La teoría celular es comúnmente aceptada. Ya se habían descrito los principales orgánulos visibles con microscopía óptica. Se había publicado El Origen de las especies de Darwin que presentaba la selección natural como mecanismo de transmisión de ciertos caracteres.

n n independiente, comprobaran en sus trabajos que las llamadas “leyes de Mendel” representaban la primera luz en el descubrimiento de las unidades de la herencia biológica: los genes. Fueron destacados botánicos de principios del siglo XX: Hugo de Vries (Holanda), Carl Correns (Alemania) y Erich von Tschermak. Seysenegg (Austria). Es discutible si hubiera sido posible que comprendieran sus propios resultados sin haber leído con anterioridad el trabajo de Mendel estableció sus principios en el guisante y en la judía. Tschermak y Correns los confirmaron también en el guisante, y de Vires lo hizo en una docena de plantas, incluido el maíz, también corroborado por Correns.

n En 1882, Walther Flemming, un fisiólogo alemán que estudiaba la estructura de las células, descubrió en sus núcleos una sustancia de color que llamó cromatina y que, durante la división celular (que denominó mitosis), se separaba en filamentos a los que luego se dio el nombre de cromosomas. Los biólogos del siglo XIX sospecharon que los cromosomas estaban relacionados con la herencia, pero no conocían cómo.

n n En 1902, Theodor Boveri, un químico alemán, y Walter Sutton, un estudiante norteamericano de posgrado, lo descubrieron. Boveri primero trabajó con células de erizos de mar; Sutton con langostas terrestres o saltamontes, y señaló que había dado con “la base física de las leyes mendelianas de la herencia”. La teoría de Boveri-Sutton, como se la llamó, sostuvo que se podía atribuir a ciertas porciones de los cromosomas, que pasaron a llamarse genes, las funciones y el comportamiento de los objetos o partículas a los que Mendel se había referido (pero no había identificado física o químicamente). Mendel no utilizó el término gen; este fue acuñado en 1909 por Wilhelm Johannsen, un botánico danés.

n En 1953, James Watson y Francis Crick, basándose principalmente en los estudios de Wilkins, desarrollaron el modelo de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), compuesto químico del que recientemente (en ese entonces) se había llegado a concluir que era el soporte físico de la herencia. Crick, por su parte hipotetizó acerca del mecanismo de duplicación del ADN y luego acerca de la relación del ADN y la síntesis de las proteínas, esta hipótesis se conoce como el "dogma central" y, de acuerdo a él, la información fluye desde el ADN al ARN (ácido ribonucleico) y luego a las proteínas.

CONCLUSIONES n n LA UNIDAD DE HERENCIA SE DENOMINA GEN. LOS GENES SE TRANSMITEN SEGÚN REGLAS O LEYES DEFINIDAS. LOS GENES SE LOCALIZAN EN LOS CROMOSOMAS, ESTRUCTURAS FORMADAS POR UNA SUSTANCIA DEL NÚCLEO CELULAR. EL SEXO ESTÁ DETERMINADO POR LOS GENES O LOS CROMOSOMAS EN LA MAYORÍA DE LOS ORGANISMOS VIVOS.

2. - ADN: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN n n n Existe en todas las células de todos los seres vivos En las CÉLULAS EUCARIÓTICAS esta molécula está encerrada en el núcleo y contiene la información, a modo de biblioteca, donde se encuentran las instrucciones para desarrollar las características básicas del ser vivo que las porta. En las CÉLULAS PROCARIOTAS (Bacterias) el ADN esta en el citoplasma.

LA QUÍMICA DE LOS ÁCIDOS NUCLEÍCOS ADN Y ARN n n Están constituidos por unidades denominadas nucleótidos que se unen formando largas cadenas. Un nucleótido está formados por tres componentes: una pentosa, ácido fosfórico y una base nitrogenada

n n Las bases nitrogenadas pueden ser PÚRICAS: ADENINA Y GUANINA PIRIMIDÍNICAS: CITOSINA, TIMINA Y URACILO n

LA DOBLE HÉLICE DEL ADN n n La molécula de ADN tiene una forma parecida a una escalera de caracol formada por dos cadenas enfrentadas o hebras unidas por las bases mediante enlaces de hidrógeno. Las bases serían los peldaños, y el pasamanos, la cadena de desoxirribosas-fosfatos. Las bases de las dos hebras son complementarias, la ADENINA es complementaria de la TIMINA y la CITOSINA de la GUANINA.

REPLICACIÓN Es la capacidad que tienen la molécula del ADN de fabricar una molécula idéntica a ella misma. Se produce en tres fases 1. ª fase. La replicación comienza con el desenrollamiento y separación de las dos cadenas de la doble hélice. 2. ª fase. Cada cadena se duplica de manera independiente, sirviendo cada una de molde para fabricar una nueva cadena complementaria mediante el acoplamiento de los nucleótidos (nucleótidos de adenina se emparejan siempre con los de timina y los nucleótidos que contienen guanina con los de citosina). 3. ª fase. El resultado final son dos nuevas dobles hélices, que son una copia exacta de la molécula de partida.

3. - LA EXPRESIÓN DE LOS GENES. EL CÓDIGO GENÉTICO Y EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA Los GENES son trozos más o menos grandes de ADN llevan las instrucciones precisas para la síntesis de una determinada proteína.

¿Qué es una proteína? Las proteínas son moléculas de gran tamaño que se forman por la unión de otras más sencillas, los aminoácidos, de los que existen 20 tipos diferentes. Cada proteína se caracteriza por la estructura que adopta en el espacio y por su secuencia, es decir, el número, el tipo y el orden específico en que están dispuestos sus aminoácidos.

FUNCIONES Son muy diversas: algunas forman estructuras, como los músculos las uñas, otras regulan y coordinan las funciones de los distintos órganos. Las proteínas son las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada individuo su especificidad (la forma de los guisantes lisa o rugosa, el color de ojos azules o negros, etcétera).

LA HEMOGLOBINA n n Se encuentra dentro de los glóbulos rojos Transporta el Oxígeno desde los pulmones hasta todas las células del organismo

INMUNOGLOBULINA O ANTICUERPO n Forma parte de los mecanismos de Inmunidad Adquirida que protegen al cuerpo de los antígenos

FIBRINA n Participa en la Coagulación Sanguínea

MIOSINA Y ACTINA n Participan en la contracción muscular

n INSULINA Hormona fabricada por el Páncreas Endocrino que rebaja el nivel de glucosa en sangre

COLÁGENO Y QUERATINA n Forman parte de estructuras del organismo como pelo, uñas, cuernos, o del tejido conjuntivo para darle firmeza al mismo.

ENZIMAS n Catalizan las reacciones bioquímicas del metabolismo celular. (Purina nucleósido fosforilasa)

OVOALBÚMINA n Proteína de reserva del huevo, para que se alimente el embrión en desarrollo.

VENENO DE SERPIENTE n Tiene una función tóxica paralizar a sus presas

¿DE QUE FORMA SE EXPRESAN LOS GENES? n n n En las células eucariotas, el ADN se encuentra protegido en el interior del núcleo, del cual no puede salir. La síntesis de proteínas se realiza en unos orgánulos, los ribosomas, situados en el citoplasma celular. Entonces, ¿cómo llegan las instrucciones desde un gen hasta los ribosomas?

LA TRANSCRIPCIÓN Es el proceso de síntesis de ARN que sale del núcleo Ilevando el mensaje genético para dirigir la síntesis de proteínas, ARN mensajero (ARNm).

El ARN está formado por una sola cadena de nucleótidos de ribosa (en lugar de desoxirribosa) y por las mismas bases que el ADN, excepto la TIMINA, que es sustituida por el URACILO (U). Dicho URACILO se une a la adenina (U=A, A=U) como hacía la TIMINA, conservando así la complementariedad de bases.

TRADUCCIÓN n n Es el proceso que tiene lugar en los ribosomas del citoplasma, y consiste en “leer” el mensaje cifrado que utilizará para sintetizar una proteína. A cada grupo de tres bases del ARNm se le llama codón o triplete, y le corresponde uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas. El ribosoma se mueve a lo largo de la cadena del ARNm leyendo codón tras codón y va uniendo los aminoácidos que llegan al ribosoma transportados por otro tipo de ARN llamado ARN de transferencia (ARNt).

EL CÓDIGO GENÉTICO n n Es universal. Asigna las equivalencias entre el lenguaje del ARNm (secuencia de bases) y el lenguaje de las proteínas (secuencia de aminoácidos).

EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA

4. - INGENIERÍA GENÉTICA Y SUS APLICACIONES. n n n La Ingeniería Genética se basa en la TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE Se localizan genes Se fragmenta el ADN Se empalman unos trozos con otros Se duplican los fragmentos Se introducen en una célula con algún fin determinado: obtención de sustancias para producir medicamentos, mejora del rendimiento de un animal o planta, etc.

ORGANISMOS TRANSGÉNICOS n Se llaman así a los seres vivos que se desarrollan a partir de una célula en la que se ha introducido un fragmento de ADN, procedente de otro ser vivo, que se integra en su genoma.

LAS APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA 4. 1 LA PRODUCCIÓN DE FÁRMACOS. Uno de los éxitos de la ingeniería genética es la producción de moléculas que no se podían obtener por otros métodos o que eran demasiado costosas. La primera fue el INTERFERÓN, una sustancia antivírica celular que activa el sistema inmunitario y que se emplea en el tratamiento de infecciones víricas y del cáncer.

El interferón es una proteína natural que producen las células humanas en muy pequeña cantidad. Era muy difícil extraerla en cantidades suficientes para los tratamientos de muchos esperanzados enfermos. En los años ochenta se logró introducir el gen que codifica esta proteína en una bacteria y una vez clonada, se pudo producir interferón en grandes cantidades.

LA PRODUCIÓN DE INSULINA En la actualidad, los diabéticos ya se suministran insulina humana obtenida de cultivos de bacterias que contienen el correspondiente gen humano. Con anterioridad, se les proporcionaba la hormona procedente de animales (vaca o cerdo). Las sustancias obtenidas a partir de genes humanos son perfectamente compatibles y no generan reacciones alérgicas.

n 4. 2 LA TERAPIA GÉNICA Es el tratamiento de una enfermedad que se basa en la introducción de genes en el organismo. La terapia génica se plantea como forma de atacar en el futuro numerosas enfermedades con base genética (cáncer) o hereditarias.

n n n Una buena técnica de terapia génica ha de conseguir: Introducir el gen deseado en células. Introducir las células en el organismo. Que los genes lleguen en condiciones a su objetivo. Controlar la expresión de estos genes. n n Para la introducción de genes en el organismo receptor, se emplean vectores, siendo los más utilizados determinados virus. También, en ocasiones, se suministra el ADN desnudo.

En un futuro debe resolver algunos problemas como la integración de los genes, que se produce al azar en la molécula de ADN, con lo que puede ocurrir que se fragmente un gen importante, como un supresor de tumores, y estaríamos induciendo un defecto genético al intentar arreglar otro.

n 4. 3 EL DIAGNÓSTICO CLÍNICO La identificación de los genes responsables permite realizar un diagnóstico precoz, esencial en muchos casos para evitar o paliar una enfermedad. Se han localizado genes responsables de la fibrosis quística, de alguna distrofia muscular, de la enfermedad de Alzheimer y de la aparición de tumores (oncogenes).

SONDAS DE ADN n n n Sirven para detectar una enfermedad mucho antes de que aparezcan los síntomas. Se debe conocer al menos parte de la secuencia de estos genes. Las sondas de ADN son fragmentos, marcados radiactivamente, de secuencia conocida y complementaria de alguno de los genes buscados en el diagnóstico. Estas técnicas servirán para el diagnóstico precoz de enfermedades. La información obtenida debe ser conocida por el paciente y por los médicos que lo traten.

n n n 4. 4 APLICACIONES EN AGRICULTURA Y GANADERÍA. Desde que se comenzó a cultivar plantas y a criar animales, en el Neolítico, se han seleccionado numerosos caracteres que han mejorado el rendimiento de la producción agrícola y ganadera. La genética molecular ha dado un vuelco espectacular a las posibilidades de manipulación genética de las especies de interés agrícola y ganadero. El caso más notable es el de la obtención de ORGANISMOS TRANSGÉNICOS.

n n n n n EN LA AGRICULTURA Las nuevas técnicas de ingeniería genética abren amplias expectativas. POTENCIACIÓN DE CARACTERÍSTICAS DESEABLES Mayor rendimiento de los cultivos, Resistencia a herbicidas, Resistencia a la sequía Resistencia a las plagas COMO EN LA CREACIÓN DE VARIEDADES Y ESPECIES NUEVAS. A partir de cultivos de células vegetales, se pretende crear clones de plantas genéticamente idénticas en las que se ha introducido un gen que incorpora alguna resistencia; o donar variedades ya resistentes a ciertas enfermedades o con mayor capacidad reproductiva.

n n n EN LA GANADERÍA Se busca evitar ciertas patologías y aumentar la producción de carne o de leche sin los riesgos (biológicos y legales) que implica el engorde artificial con hormonas. Por otro lado, los animales transgénicos que incorporan genes humanos abren expectativas, además de como modelos de investigación médica, para la obtención de proteínas humanas o como una futura fuente de órganos para trasplantes (xenotrasplantes).

n n 4. 5 Aplicaciones medioambientales La biorremediación. Los vertidos de petróleo y sus derivados se han convertido en uno de los problemas medioambientales más graves generados por las actividades humanas. Algunas bacterias y mohos tienen en su genoma genes que les permiten degradar, de forma natural, los hidrocarburos del petroleo. LIMITACIONES Variaciones de la temperatura del agua, Corrientes marinas. Condiciones nutricionales en el mar o en el suelo. Necesidad ciertos nutrientes. Por ingeniería genética se pueden «diseñar» organismos con capacidad para degradar estos compuestos y para desarrollarse en condiciones concretas, como: temperaturas bajas, alta concentración salina, etc. En 1989 se emplearon por primera vez bacterias modificadas genéticamente que degradan el petróleo para luchar contra la contaminación de las costas de Alaska provocada por el hundimiento del petrolero Exxon Valdez.

n n n La bioadsorción. Consiste en la obtención, mediante ingeniería, de cepas bacterianas capaces de fijar en la superficie de sus células (adsorber) ciertos metales que interesa retirar del medio. APLICACIONES Retirada de iones tóxicos de suelos contaminados. Enriquecimiento de fangos activos de las depuradoras de aguas residuales con cepas capaces de acumular grandes cantidades de metales. Fabricación de biofiltros preparados para retener iones tóxicos

5. - LA CLONACIÓN Y SUS APLICACIONES n n n Un Clon es una copia genética exacta, de una molécula, de una célula, de un tejido, de un animal o de una planta Se pueden clonar moléculas de ADN, células u organismos. Es un proceso natural que ahora puede dirigirse intencionadamente. La donación natural de ADN se efectúa por el proceso de replicación, la de células se lleva a cabo por mitosis: de una célula madre se obtienen dos células hijas genéticamente iguales entre ellas e iguales a la célula de procedencia

La clonación de organismos n 1. - Por reproducción asexual en bacterias, hongos y vegetales.

n n 2. - Por formación de dos embriones a partir de la escisión de uno preexistente gemelos univitelinos; en este caso, son iguales entre ellos pero diferentes a la madre. El gran salto dado por la ciencia fue crear individuos sexuales obviando el proceso de fecundación (sin fusión de gametos).

Clonación por transferencia de núcleos de células n En el laboratorio, el ADN de individuos ya nacidos se tranfiere a óvulos o cigotos enucleados; así se obtienen individuos iguales al que donó el núcleo, del cual sí se conocen sus características

LA CLONACIÓN DE LA OVEJA DOLLY n n n Fue la primera donación en mamíferos, la realizó por Ian Wilmut (Edimburgo, 1996). Se utilizaron tres ovejas: La donadora del óvulo La que donó la célula somática (extraída de la glándula mamaria), portadora de toda la información genética nuclear La oveja nodriza donde se implantó el preembrión y se tradujo el desarrollo y el parto

n Tras Dolly, se desencadenó una carrera por clonar todo tipo de anímales: sobre todo aves y mamíferos (gallinas, macacos, ratones, cerdos, terneros, etc. ), con diferentes resultados. Cada día la técnica da más sorpresas y se demuestra que copiar una vida no es tan fácil como se pensaba. El éxito es muy bajo y, además, cuando llegan a nacer, los animales clónicos presentan numerosos problemas (a Dolly hubo que sacrificarla a los seis años, tras detectársele una artrosis impropia de su edad y una grave enfermedad pulmonar).

6 - EL PROYECTO GENOMA HUMANO n n n Es la secuencia de su ADN. Se presentó y publicó en febrero de 2001. Esta presentación se hizo de forma conjunta entre el consorcio público Proyecto Genoma Humano (PGH) y la empresa Celera Genomics, tras una dura competencia por la paternidad del hallazgo. El 14 de abril de 2003 se obtuvo el mapa completo del genoma del ser humano, de las instrucciones de su funcionamiento o, como se dijo entonces, del «libro de la vida» . Habían pasado 13 años desde el comienzo de las investigaciones, 3 años desde la publicación del primer borrador y 50 años desde del descubrimiento de la estructura del ADN.

n n El entusiasmo de científicos y políticos saltó a los medios de comunicación y enseguida se empezó a especular sobre las posibles aplicaciones. El genoma se puede consultar, el acceso a los datos es público y numerosas empresas y universidades han comenzado a investigar sobre la base genética de diversas enfermedades y sobre el diagnóstico precoz por medio del análisis del ADN. Aunque este hecho no es más que un primer paso para tener una guía de actuación con las técnicas de terapia génica y otras técnicas antes descritas, ya se han obtenido algunos datos importantes.

n n n El genoma humano contiene menos de 30. 000 genes y no los 100. 000 que se pensaba. La mayoría del ADN está formado por secuencias repetitivas procedentes de duplicaciones, recombinaciones, de virus, etc. , que se han ido incorporando a lo largo de la evolución. A estas secuencias se las ha denominado «ADN basura» , aunque es seguro que algunas tengan alguna utilidad, hasta ahora desconocida. n n n Las diferencias que se presentan con otras especies son menores de las esperadas. Con los datos más recientes se sabe que el genoma del chimpancé es igual al humano en más de un 98, 5%. Entre los humanos, las diferencias son inferiores al 0, 1%. La especie humana es mucho más homogénea que otras, debido a su origen muy reciente en el tiempo evolutivo. Tener la relación completa de los nucleótidos (bases) de los genes humanos sirve para poco si no se determina dónde comienza y termina cada gen, en qué cromosoma se localiza y, sobre todo, cuál es el efecto de la expresión de cada uno de ellos. Aunque el hallazgo es espectacular, sus frutos se harán esperar todavía.

EL ADN HUMANO Y EL DE OTROS PRIMATES

Presente y futuro del proyecto n n Test genéticos. Para diferentes tipos de cáncer, para la diabetes, las cardiopatías, etc. Con ellos se podrá saber la probabilidad de padecer estas enfermedades y, por tanto, se podrán emplear medios de prevención y de detección precoz.

n n n Terapia génica. Numerosos «niños burbuja» (con inmunodeficiencia de origen genético) han sido ya tratados por los procedimientos descritos antes. Diagnóstico genético pretransplante (PGD). Un bebé sano pudo salvar la vida de su hermana enferma, gracias a un trasplante.

n n Conocimiento sobre la evolución humana y las migraciones de las distintas poblaciones a lo largo de la historia. En definitiva, se podrá disponer de una tarjeta de registro de las enfermedades de las que se portan genes, para lograr una medicina más personalizada. Sin embargo, a nadie se le escapa la necesidad de privacidad de estos datos.

7 - LA BIOÉTICA n n n 7. 1. Los problemas éticos de la ingeniería genética La posibilidad de intervenir en la reproducción o en las características genéticas de los seres humanos tiene consecuencias éticas o sociales que es necesario tener en cuenta. En los últimos años, la investigación biológica ha logrado abrir el camino, y los resultados obtenidos, todavía parciales, proporcionarán importantes aplicaciones en la producción agrícola o ganadera y en el diagnóstico, tratamiento o curación de determinadas enfermedades. El debate está abierto en los medios de comunicación, y las informaciones que llegan a los ciudadanos pueden contener desde flagrantes inexactitudes por desconocimiento hasta errores interesados.

n n Conviene situar los problemas que se plantean en sus justos términos con el fin de evitar caer en un entusiasmo inconsciente o en un rechazo temeroso. Las técnicas descritas son en su mayoría posibilidades futuras que, hoy por hoy, no se han llevado a cabo por razones técnicas. Sin embargo, la investigación se desarrollará en mayor o menor medida en función de las decisiones que se adopten por parte de responsables políticos, científicos, sociales, jurídicos, etc.

n n n n 7. 2 El Origen de la bioética Después de la Segunda Guerra Mundial y como consecuencia de las terribles actividades experimentales que desarrollaron los nazis en seres humanos, se promulgó el Código de Núremberg, de él parten los conceptos de: Consentimiento voluntario Necesidad de experimentación animal previa Obligación de evitar sufrimiento La adopción de precauciones adecuadas Limitación de su realización a personas cualificadas

n n n . Desde 1964, en que se elabora la Declaración de Helsinki, que define los principios básicos para toda investigación médica, se han sucedido acuerdos y convenios en la ONU y en otros organismos internacionales. En los años setenta del siglo XX se acuñó el término bioética para señalar las obligaciones morales del ser humano con respecto al mundo vivo, incluida su propia especie. La bioética se define como la aplicación de la ética a las ciencias de la vida.

n n n El 11 de noviembre de 1997, la UNESCO aprobó la Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los Derechos Humanos, en cuyo texto hace referencia a la necesidad de educar a la sociedad en bioética y a institucionalizar la presencia de los comités de bioética en la toma de decisiones. En el documento, firmado por los 186 países, se destacan dos necesidades básicas: Promover la educación en bioética y concienciar a los individuos y a la sociedad de su responsabilidad en la defensa de la dignidad humana en temas relacionados con la biología, la genética y la medicina. Promover la creación de comités de bioética independientes, pluridisciplinares y pluralistas.