8871-Material N - 5-Libro 1 Parte Ii-Unidad 4-5-6-Bio Molecular y Celular-Bm 2017-3

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

󰁍󰁡󰁴󰁥󰁲󰁩󰁡󰁬 󰁎󰂰5

󰁌󰁩󰁢󰁲󰁯 󰀱 󰀭 󰁐󰁡󰁲󰁴󰁥 󰀲

󰁂󰁉󰁏󰁌󰁏󰁇󰃍󰁁 󰁍󰁏󰁌󰁅󰁃󰁕󰁌󰁁󰁒 󰁙 󰁃󰁅󰁌󰁕󰁌󰁁󰁒

󰁎󰁯󰁭󰁢󰁲󰁥󰀺

1 

 

 

ÍNDICE LIBRO 1 PARTE 2 INTRODUCCIÓN................................................................................................ UNIDAD 4. CÉLULA PROCARIONTE Y EUCARIONTE......................................... EUCARIONTE......................................... CÉLULAS PROCARIONTES...................................... PROCARIONTES................................................................................ ............................................ .. CÉLULA EUCARIONTE.................................................................. EUCARIONTE....................................................................................... .....................

3 5 5 8

LÍMITE CELULAR........................................................... CELULAR.............................................................................................. ................................... 916 TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA.......................................................... TRANSPORTE PASIVO......................................................................................... 19 TRANSPORTE ACTIVO........................................................................................ ACTIVO............................................................... ......................... 22 MOVIMIENTO A TRAVÉS DE VESÍCULAS VESÍCULAS MEMBRANOSAS......................................... MEMBRANOSAS......................................... 25 AUTOEVALUACIÓN AUTOEVALUAC IÓN DE CONCEPTOS CONCEPTOS CLAVE............................................................ CLAVE.................................................. .......... 32 ORGANIZACIÓN ORGANIZA CIÓN Y FUNCIÓN INTERNA INTERNA CELULAR............................................. CELULAR..................................................... ........ 33 ORGANELOS CON DOS MEMBRANA....................................................................... 37 ORGANELOS CON UNA MEMBRANA....................................................................... MEMBRANA............................................................. .......... 50 ESTRUCTURAS ESTRUCTURA S NO MEMBRANOSAS........................................ MEMBRANOSAS...................................................................... .............................. 55 AUTOEVALUACIÓN AUTOEVALUAC IÓN DE CONCEPTOS CONCEPTOS CLAVE............................................................ CLAVE.................................................. .......... 61 UNIDAD 5. REPRODUCCIÓN CELULAR............................................................. CELULAR............................................................. CICLO CELULAR Y MITOSIS................................................................................. MITOSIS............................................................. .................... CONTROL DE LA DIVISIÓN CELULAR.................................................................... CELULAR............................................................. ....... CÁNCER........................................................................................................... CÉLULAS MADRES............................................................................................. MADRES............................................................. ................................ CLONACIÓN...................................................................................................... MEIOSIS........................................................................................................... PRIMERA DIVISIÓN MEIÓTICA (MEIOSIS (MEIOSIS I): REDUCCIONAL.................................... REDUCCIONAL.................................... SEGUNDA DIVISIÓN MEIÓTICA (MEIOSIS II): ECUACIONAL................................... GAMETOGÉNESIS.............................................................................................. MUTACIONES CROMOSÓMICAS............................................. CROMOSÓMICAS........................................................................... .............................. AUTOEVALUACIÓN AUTOEVALUAC IÓN DE CONCEPTOS CONCEPTOS CLAVE............................................................ CLAVE.................................................. ..........

62 63 77 78 83 85 88 90 92 97 99 103

UNIDAD 6. ADN, FLUJO FLUJO DE LA INFORMACIÓN INFORMACIÓN E INGENIERÍA GENÉTICA......... GENÉTICA......... DEL ADN A LA PROTEÍNA...................................................... PROTEÍNA.................................................................................... .............................. ADN: EL MATERIAL MATERIAL GENÉTICO............................................................. GENÉTICO............................................................................. ................ EXPRESIÓN GÉNICA........................................................................................... GÉNICA.......................................................... ................................. TRANSCRIPCIÓN TRANSCRI PCIÓN O SÍNTESIS DEL ARN....................................................... ARN................................................................. .......... CÓDIGO GENÉTICO............................................................................................ TRADUCCIÓN TRADUCCIÓ N O SÍNTESIS DE LAS CADENAS CADENAS POLIPEPTÍDICAS POLIPEPTÍDICAS................................. ................................. MUTACIONES GÉNICAS O PUNTUALES........................................... PUNTUALES.................................................................. ....................... BIOTECNOLOGÍA................................................................................................ MANIPULACIÓN DE ADN...................................................................................... INGENIERÍA GENÉTICA....................................................................................... APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA......................................... BIOTECNOLOGÍA................................................................ ....................... AUTOEVALUACIÓN AUTOEVALUAC IÓN DE CONCEPTOS CLAVE.............................................................

104 104 104 118 118 128 129 134 138 139 147 149 154

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

INTRODUCCIÓN  Antes de comenzar, comenzar, ten presente que: que:

Las células eucariontes tienen del orden de 10 a 100 veces (200 µm) el tamaño de una procarionte (2 µm), tal y como señala esta escala.

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DEBES TENER EN CUENTA QUE… ⇒

  La célula es el

nivel donde surge la “vida” como nueva propiedad. ⇒

  Toda célula está

conformada por un mínimo de componentes que cono cere mos como las “3M”. ⇒

 eEls tipol ode célula que

posteriormente permite clasificar a todos los seres v iv o s en lo s d i f e r e n t e s Dom in ios y Reinos que existen en la Tierra.

La célula es considerada la unidad estructural, funcional y de origen de los seres vivos y como tal requiere mantener su integridad tanto de su organización como de su composición interna. La membrana plasmática es la estructura esencial para cumplir dichas funciones. Desde el punto de vista evolutivo, la membrana es considerada la condición “sine quo non” en la formación de una unidad viviente y punto de partida de la evolución biológica. Las membranas celulares  (membrana plasmática y las del interior) desempeñan importantes funciones en la multicelularidad y en la actividad celular. En primer lugar le permite a la célula aislarse del entorno y mantener control sobre las condiciones intracelulares y en segundo lugar le permite a la célula separar y organizar el medio intracelular en compartimentos subcelulares   y con ello crear subcelulares microambientes donde es absolutamente necesario contar con mecanismos específicos de transferencia de moléculas a través de las membranas. Esta compartimentalización alcanza su

máximo desarrollo en las células eucariontes, eucariontes, las cuales están formadas por diferentes estructuras y organelos que realizan funciones específicas, no obstante las células procariontes presentan también algún grado de compartimentalización. La estructura básica de las membranas celulares se describe a través del modelo conocido como Mosaico Fluido el cual describe a membranas en una bicapa lip íd ica co n p ro t e ín as embebidas en ella donde sus elementos están en permanente movimiento lo que le otorga fluidez y dinamismo. Dados sus componentes, las membranas son estructuras de permeabilidad selectiva donde muy pocas sustancias pueden cruzarlas libremente y la mayor parte del tránsito de sustancias a través de las membranas es regulado por los componentes proteicos. Todas las células constituidas por

EL ORIGEN...

∗ Membrana (s)

En algún momento debe haber existido “algo más simple” incluso que la más simple de las células.

∗ M aterial

A esta singulares estructuras se les conoce como coacervados, los cuales eran micelas de bicapas lipídicas capaces de separar medios acuosos externos e internos, de tal manera de que dicha bicapa se comportase como una membrana  primordial.

están

Genético (ADN) ∗Metabolismo propio “Las 3M”

Desde ahí, el paso crucial de los coacervados  hacia las primera células  (procariontes, probablemente) fue la condensación y organización de sub-estructuras y funciones tanto dentro de ella como a nivel de su bicapa

En esta sección revisaremos las diversas formas que tiene la célula para mover sustancias a través de las membranas biológicas, atendiendo a la naturaleza de la membrana, de las

lipídica. De esto veremos que se derivarán otras estructuras tales como los mesosomas y los organelos.

sustancias movilizar necesidadesade la célula.  célula.y  las

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UNIDAD 4. CÉLULA PROCARIONTE Y EUCARIONTE

Conceptos

clave.

Célula

Procarionte—Estructuras

procariontes—Célula

eucarionte—Organelos—Pared Celular—Membrana celular—Comunicación Celular— Transporte Celular Pasivo—Difusión—Osmosis—Difusión Facilitada—Transporte Celular Activo—Endocitosis—Exocitosis.

CÉLULAS PROCARIONTES PROCARIONTES.. Una de las particularidades más destacables de estas células es que no poseen núcleo ni ningún tipo de organelo. Las células procariontes suelen ser más pequeñas que las eucariontes. Por lo tanto, no siempre son visibles a microscopía óptica y sus subestructuras sólo lo son con el microscopio electrónico. Cada organismo procarionte es una célula aislada, pero muchos tipos de procariontes se encuentran normalmente en cadenas, grupos pequeños o aun colonias que contienen cientos de individuos. Los procariontes pueden vivir a partir de formas de energía más diversas y diferentes que cualquier otra tipo de organismo. Habitan en ambientes extremos, como fuentes termales o salares. Aun cuando las células procariontes son estructuralmente menos complejas que las eucariontes son funcionalmente tan complicadas como ellas, llevando a cabo miles de transformaciones bioquímicas.

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Características básicas de las células procariontes

∗ La membrana plasmática rodea la célula,

regulando el tránsito de materiales desde y hacia la célula separándola del ambiente. ∗ Una región llamada nucleoide nucleoide   contiene el

material hereditario (ADN) de la célula.

El ADN se encuentra libre en el citoplasma en forma circular y cerrada (cromosoma bacteriano). Al lugar que ocupa en el citoplasma se le denomina nucleoide. Además, puede contar con trozos pequeños que ADNllevan circulares extracromosómicos pocos genes, están relacionados con la resistencia a los antibióticos y se denominan plásmidos. El resto del material incluido en la membrana plasmática se denomina citoplasma formado por una solución coloidal que recibe el nombre de citosol. Su fase dispersante formada básicamente por agua y su fase dispersa por moléculas orgánicas y electrolitos. Además presenta un complejo molecular los ribosomas de 70s, de aproximadamente 25 nm de diámetro, sitio de síntesis proteica.

Organización general para bacteria hipotética

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Estructuras procariontes Cápsula. Rodeando a la pared celular y a la membrana externa en algunas bacterias se encuentra la cápsula formada principalmente por polisacáridos. En algunas bacterias esta estru ctur a puede protegerlas del ataque de los leucocitos del huésped que infectan. También ayuda a la célula a evitar la desecación. Muchos procariontes no producen ninguna cápsula y los que la poseen pueden sobrevivir cuando la pierdan, deaun modo que no es esencial para la vida celular.

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR Pared celular. Ubicada por fuera de la membrana plasmática. La rigidez de la pared celular sostiene la célula y determina su forma. Las paredes celulares de la mayoría de las bacterias, contienen peptidoglucano, un polímero de aminoglúcidos. Laminillas. Algunos grupos de bac teri as –la s cianobacterias y otrasrealizan fotosíntesis. En est as b act eri as fotosintéticas, la membrana plasmática se pliega en el citoplasma para formar laminillas que contienen clorofila bacteriana y otros compuestos necesarios para

fotosintéticos, los mesos omas están formados por el pliegue de la membrana plasmática. Flagelos. Algunos procariontes. Se desplazan nadan utilizando apéndices denominados flagelos que permiten la movilidad de la célula. Algunos grupos de bacterias poseen Pili Pili,, proyecciones más cortas que los flagelos que ayudan a las bacterias a adherirse entre sí y con la célula huésped y algunos participan en mecanismos de transferencia genética.

la fotosíntesis. Mesosomas. Otros grupos procariontes poseen otros tipos de estructuras membranosas denominadas mesosomas que pueden funcionar en la división celular o en distintas reacciones que liberan energía. Al igual que los sistemas de membrana

Según su nutrición nutrición,, hay bacterias autótrofas (fotosintéticas y quimiosintéticas) y otras heterótrofas. Unas beneficiosas que se utilizan en la industria y otras, las parásitas que heterótrofas. nos causan enfermedades y las saprófitas, que son degradadores y participan en los ciclos biogeoquímicos, función ecológicamente muy importante, tal como se muestra en la siguiente figura:

Bacterias y su función de descomponedora.

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CÉLU CÉ LULA LA EUC ARI ONT E Los organismos del dominio eukarya  poseen células cuyo material genético se encuentra encerrado por una membrana denominada carioteca, formando el núcleo. El material genético de los eucariotas está formado por ADN asociado a proteínas quienes forman un nuevo nivel de organización del material genético llamada cromatina. cromatina.

Las células eucariontes no todas son iguales, pues algunas presentan estructuras externas e internas en las que difieren. Esto conlleva a recordar que existe una subclasificación de reinos que acotan dichas características, entre las cuales, nosotros haremos reiterada mención a la comparación entre eucariontes animales y vegetales, con sus respectivas similitudes y diferencias.

En el citoplasma se encuentran otras estructuras membranosas llamadas organelos, los cuales realizan funciones específicas, como ocurre en mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, vacuolas o peroxisomas, entre otros.

Las principales características que permiten comparar a las células eucariontes animal y vegetal se incluyen a continuación en esta imagen. Más adelante, veremos en detalle la estructura y función de elementos como la pared celular, la membrana, el citoesqueleto y los organelos.

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LIMITE CELULAR Pared Celular Si bien la membrana plasmática es una estructura que está presente en TODO tipo de célula y constituye el límite entre el medio intracelular y el medio extracelular, hay algunos organismos cuyas células forman una pared que rodea a la membrana. Esta pared es una estructura rígida y tiene un carácter semipermeable. Los carbohidratos son los principales componentes de las paredes celulares: celulosa, pectinas y otros en células vegetales; quitina en hongos; peptidoglicano (con componentes peptídicos) en bacterias; celulosa, agar-agar y otros compuestos muy diversos en protistas (algas, uni y pluricelulares). A pesar de la diversidad de las moléculas constituyentes de las paredes celulares de bacterias y de los reinos protista, fungi y plantas, la pared es la que le otorga a cada célula la  la forma típica, resistencia y protección. La pared entonces, cumple funciones complementarias a la membrana como un límite celular, defensa y adhesión en aquellos organismos que poseen.

Pared Celular

Membrana Celular La membrana celular  celular  es el límite de la célula, definiendo su extensión y mantiene las diferencias esenciales entre el contenido de la misma (lo intracelular) y su entorno (lo extracelular). Aunque realicen diferentes funciones, todas las membranas biológicas tienen una estructura básica común: una doble capa de lípidos que conforman el principal soporte estructural y proteínas que  “nadan” en este “mar” de lípidos. Estos componentes se mantienen unidos fundamentalmente por interacciones no covalentes.

Esta disposición de los componentes de membrana se conoce como el modelo del mosaico fluido, fluido, propuesto por S.J. Singer y G.L. Nicholson en 1972 y corroborado posteriormente con técnicas de microscopía electrónica de alta resolución. El nombre de mosaico alude mosaico  alude a una variedad de moléculas que componen la membrana y fluido porque la mayor parte de las moléculas se mueven libremente manteniendo la estructura. Las principales características de las membranas biológicas es ser dinámicas y fluidas.

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La mayoría de los fosfolípidos contienen una cola hidrocarbonada saturada y la otra insaturada. El grado de fluidez de una bicapa lipídica a una cierta temperatura depende de su composición fosfolipídica y por sobre todo de la naturaleza de las colas hidrocarbonadas que los componen. Una menor longitud de las colas hidrocarbonadas y un mayor porcentaje de colas insaturadas aumentan la fluidez.

󰁇󰁬󰁩󰁣󰁯󰁬󰃭󰁰󰁩󰁤󰁯 

Moléculas de colesterol insertas en la bicapa lipídica de células animales. Proporcionan estabilidad mecánica, reducen la fluidez y la permeabilidad.

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Proteínas en membranas celulares La composición de proteínas de las membranas es muy variada tanto es su cantidad como en su tipo, y muchas de ellas se desplazan en el “mar” de lípidos, es decir, no se encuentran fijas. Al igual que los lípidos, las proteínas tienen una distribución asimétrica. Las proteínas pueden asociarse de diferentes maneras a la bicapa lipídica. Las que se insertan en la bicapa ya sea atravesándola completamente proteínas transmembrana  transmembrana  o de manera sonson las las proteínas integrales o o intrínsecas intrínsecas, , mientras que las que se ubican en la parcial superficie proteínas periféricas extrínsecas extrínsecas. . Aunque la estructura básica de las membranas biológicas está determinada por la bicapa lipídica, el principal soporte funcional lo proporcionan las proteínas. Ellas cumplen distintas funciones tales como, transporte, actividad enzimática, receptores, reconocimiento y uniones celulares, entre otras (vea la figura adjunta abajo).

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Carbohidratos en membranas celulares Los carbohidratos son un componente común en las membranas plasmáticas de las células animales y participan en el reconocimiento celular.

externa asociados con lípidos (constituyendo los glicolípidos) o unidos a proteínas (formando las glicoproteínas), constituyendo el glucocálix, como se muestra a

Corresponden a cadenas ramificadas cortas de oligosacáridos limitados a la superficie

continuación.

En los esquemas presentados hasta ahora, siempre el glucocálix apunta hacia la l a cara externa de la membrana plasmática en aquellas células que lo poseen.

Los carbohidratos de la membrana plasmática presentan una alta diversidad cuantitativa y cualitativa entre un tipo celular y otro. La diversidad de estas moléculas y su localización permiten funcionar como marcadores que distinguen una célula de otra.

Por ejemplo, los cuatro tipos de grupos sanguíneos denominados A, B, AB y O, reflejan variaciones en los carbohidratos de la superficie de los glóbulos rojos.

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En resumen... Funciones de la membrana plasmática 1.

Constituir el límite fundamental de toda célula.

2. 3.

Regular los movimientos de sustancias desde y hacia la célula. Conducir potenciales de acción electroquímicos (en células excitables, tales como, las neuronas).

4.

Participar en interacciones directas formando así las uniones intercelulares.

5.

Mantener la forma celular junto a estructuras del citoesqueleto y de

la matriz

extracelular. 6.

Transducir señales hormonales y nerviosas.

Función de comunicación celular Para el control de la homeostasis se requiere de la cooperación e integración entre los distintos sistemas, órganos, tejidos y tipos celulares del organismo. Los tres elementos básicos para la unión física y funcional entre células a nivel de tejidos son: la matriz extracelular (MEC), las uniones intracelulares, y la señalización química.

Veremos a continuación los componentes de Matriz Extracelular y los tipos de Uniones Intercelulares. Recuerda no solamente existen eucariontes como plantas y animales, también los dominios y reinos de bacterias, que difieren levemente de composición.

los sino las esta

En el caso de las células procariontes (bacterias), como la membrana plasmática está rodeada por una pared celular, la función de comunicación la ejercen estructuras denominadas pilis que permiten el reconocimiento celular y químico alrededor de la bacteria. y pilis sexuales, que posibilitan el intercambio de materiales entre bacterias.

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Matriz Extracelular (MEC) Los principales componentes son glucoproteínas. La más abundante de las glucoproteínas en la MEC de mayoría de las células animales es el colágeno, que forma fibras fuertes fuera de las células. De hecho, el colágeno constituye cerca de la mitad del total de proteínas del cuerpo humano. Las fibras de colágeno están embebidas en una trama reticulada de proteoglucanos, constituidas por un 95% por polisacáridos. Estos polisacáridos forman la fase fundamental para la difusión de señales químicas tal como las hormonas entre la sangre y la célula.

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Uniones intercelulares Las células de un animal o una planta están organizadas en tejidos, órganos y sistemas orgánicos. Las células vecinas con frecuencia se adhieren, interactúan y se comunican a través de regiones especiales de contacto físico directo. En los animales hay tres tipos principales de uniones intercelulares: las uniones estrechas, los desmosomas  y las uniones en hendidura o comunicantes. Los tres tipos son especialmente frecuentes en el tejido epitelial, que reviste las superficies internas del cuerpo. En las uniones estrechas las membranas de las células adyacentes están  “ e s t r e c h a m e n t e presionadas” una contra la otra, mantenidas  j u n t a s mediante proteínas específicas. Estas uniones sellan los tejidos y evitan fugas, por ello se las encuentra en la región que circu n d ad a la lu z (cavidad o lumen) de los ó rg an o s, co m o el intestino. Los desmosomas funcionan como remaches, que aseguran a las células juntas dentro de fuertes vainas. Los fi lam ent os intermedios por el Se muestran las células del revestimiento intestinal donde se citoesqueleto. presentan los tres tipos principales de uniones celulares: las uniones estrechas, los desmosomas y la unión en hendidura o comunicante.

Estas uniones de anclaje (como también se les dice), proporcionan gran estabilidad mecánica a los tejidos epiteliales. Las uniones hendiduras o uniones de tipo gap son estructuras constituidas por proteínas conectoras de transmembrana denominadas conexinas. Las uniones en hendidura (también denominadas uniones comunicantes) forman canales citoplasmáticos entre células adyacentes. Las uniones en hendidura están constituidas por proteínas de membrana especiales que rodean un poro, a través del cual pueden pasar iones, hidratos de carbono, aminoácidos y otras moléculas pequeñas. Las uniones en hendidura son necesarias para la comunicación entre las células en diferentes tipos de tejidos, entre ellos, el músculo cardíaco y el embrión animal. 15 

 

 

TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Durante este tema revisaremos los diferentes tipos de transporte celular que ocurren en las membranas plasmáticas. La versatilidad y diversidad e estos transportes posibilita el intercambio de sustancias entre el interior celular (LIC ) hacia sus vecinas o con el medio circundante (LEC) y viceversa. Debido a esto, es necesario comprender cómo se organizan y funcionan estos diversos tipos de transporte para permitir el intercambio y comunicación celular, además de funciones como la digestión de partículas o secreción de elementos útiles o la excreción de desechos, etc.

Cuadro sinóptico de transporte celular

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Permeabilidad celular Las bicapas lipídicas tiene un carácter altamente hidrofóbico por lo que son muy impermeables a las moléculas polares y cargadas (iones). De esta forma, la carga y el elevado grado de hidratación de tales moléculas, les impiden penetrar en la fase hidrocarbonada de la bicapa. A continuación, se presentan los tipos de moléculas que pueden atravesar la bicapa lipídica y las que se ven imposibilitadas de hacerlo.

Permeabilidad diferencial de la bicapa de fosfolípidos frente a distintas sustancias.  sustancias. 

Las sustancias que no pueden atravesar libremente la bicapa lipídica lo hacen a través de las proteínas de transporte. De esta manera la membrana es capaz de regular el tránsito de sustancias que entran o salen de la célula. A esta propiedad la denominamos permeabilidad selectiva.. selectiva

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En virtud de la permeabilidad selectiva de la membrana, la célula es capaz de mantener concentraciones en un medio intracelular bastante diferente de las de su entorno, el extracelular. La

concentración

es

el

número

de

moléculas o iones por volumen unitario de líquido. Una diferencia de concentración entre dos regiones adyacentes se llama gradiente de concentración. Las sustancias tienden a desplazarse siguiendo el gradiente, desde la zona de mayor concentración hacia la zona de menor concentración (esto es lo que denominamos a favor del gradiente).

La difusión es el movimiento de sustancias a favor de gradiente. gradiente.

Difusión. Es el desplazamiento neto de moléculas a presión y temperatura constante desde mayor concentración hacia zonas zonas de de menor concentración. Ocurre sin gasto de energía (transporte pasivo). La velocidad de difusión puede verse afectada por varios factores como el tamaño de las partículas, la temperatura o la magnitud del gradiente. Si alguna vez haz visto con detención como se va coloreando el agua de una taza de té tras sumergir la bolsita, has estado presente entonces ante un evento de simple difusión de sustancias (partículas odoríferas, saborizantes y colorantes del té) a través de una membrana (la tela de la bolsita del té). Las membranas se comprenden en función del modelo del “Mosaico fluido”, fluido”, que describe y representa a las membranas celulares como un mosaico de varias moléculas de proteínas inmersas en una doble capa de fosfolípidos. Esta no es una barrera estática,, es dinámica y permite la difusión de sustancias, estática sustancias, pero no aleatoriamente, sino que hay restricciones y una selección selección de  de lo que puede o no cruzar la membrana plasmática.

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TRANSPORTE PASIVO Es el transporte donde el movimiento de las partículas a través de la membrana está impulsado por la gradiente de concentración y sin uso de energía. Dadas las características de las membranas son muy pocas las sustancias que pueden pasar libremente, mientras que otras lo harán con la ayuda de proteínas de transporte. A continuación revisaremos varios tipos de transporte pasivo.

Osmosis Corresponde a la difusión de agua (solvente) a través de una membrana semipermeable. Si se tienen dos soluciones con distinta concentración de soluto, el flujo neto del agua se moverá desde la solución con menor concentración de soluto (más diluida) hacia la de mayor concentración de soluto (solución más concentrada), o sea, desde una zona con mayor potencial hídrico hacia el lado con menor potencial hídrico, hasta que se logre el equilibrio. Una vez alcanzado el equilibrio siempre seguirá pasando agua a un lado y otro, pero no habrá un cambio neto de sus concentraciones. Otro concepto asociado a la cantidad de solutos en solución, es el de presión osmótica y que equivale a la fuerza con que los solutos atraen y/o retienen al solvente.

Detalle del movimiento de agua. Las partículas del soluto “retienen” agua, de modo que el potencial hídrico está dado por el agua no retenida y por lo tanto es mayor en el medio hipotónico, y desde ahí se mueven hacia el lado que tiene más soluto, es decir, mayor presión osmótica (hipertónico ).

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Diálisis Es la difusión de un soluto a través de una membrana permeable a ciertos solutos. La sustancia pasa a favor del gradiente de concentración hasta quedar en equilibrio (en la situación de equilibrio sigue pasando soluto de un lado al otro de la membrana, sin haber un cambio neto en las concentraciones). Por ejemplo, en medicina es muy importante la diálisis para retirar desechos desde la sangre de personas con riñones afectados por alguna enfermedad. La diálisis es un las concepto que se sólo a membranas ya que en las membranas biológicas sustancias se aplica mueven pasivamente por artificiales difusión simple o con ayuda de proteínas (difusión facilitada).

Difusión simple Se refiere al movimiento de sustancias a través de la membrana por la bicapa lipídica. Las moléculas que pueden atravesarla deben ser pequeñas, sin carga y apolares o hidrofóbicas como lo son los gases respiratorios (oxígeno y dióxido de carbono), hormonas lipídicas (testosterona, estrógenos, cortisol, etc.), y otros compuestos liposolubles como los ácidos grasos, hormonas tiroideas, etc. Esta forma de transporte pasivo es la única que NO requiere ningún tipo de proteína para funcionar.. funcionar

Difusión facilitada por proteínas En este ítem revisaremos dos modalidades de movimiento pasivo de sustancias a través de la membrana, pero usando proteínas transmembrana ya que las sustancias son hidrofílicas. Estas proteínas pueden ser de 2 tipos: canales y proteínas transportadoras.

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Proteínas de canal Son proteínas que forman un verdadero poro en la membrana a través del cual se desplazan iones a favor del gradiente electroquímico. Este proceso ocurre sin gasto de energía. Hay canales que pueden estar siempre abiertos y también hay canales que permanecen cerrados y su apertura depende de distintos estímulos (unión de una sustancia, acción mecánica, cambio de carga eléctrica en la membrana, etc.), son altamente específicos y no se saturan.  saturan. 

La abundancia de canales depende del tipo de célula. Por ejemplo, en el tejido nervioso y en el tejido muscular encontramos la más alta cantidad y diversidad de canales iónicos.

Proteínas transportadoras (Carriers, Permeasas) Estas proteínas permiten el movimiento de sustancias a favor del gradiente químico, sin uso de energía, por lo tanto es un tipo de transporte pasivo. Las proteínas transportadoras, poseen uno o más sitios de unión específicos para las sustancias que transportarán, por lo tanto, tienen una capacidad limitada, es decir, se saturan.

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A diferencia de lo que ocurre en las proteínas canal, la sustancia transportada se une a la proteína transportadora y ésta sufre un cambio de forma produciendo el traslado a través de la membrana. Glucosa, aminoácidos y otras moléculas hidrofílicas o hidrosolubles son transportadas por proteínas carriers.

La difusión simple y la difusión facilitada comparten el hecho que ambas requieren de un gradiente para que se realice, sin embargo, a bajas concentraciones, la difusión facilitada ocurre más rápidamente que la difusión simple. El gráfico muestra que a bajas concentraciones de la sustancia transportada, el movimiento es mucho más rápido con ayuda de proteínas transportadoras, pero a concentraciones mayores, ellas ya no pueden superar la capacidad de transporte.

TRANSPORTE ACTIVO El transporte activo es el que ocurre en contra el gradiente electroquímico de las sustancias (de menor a mayor concentración) y requiere gasto de energía. Este tipo de transporte es realizado por proteínas de membrana que llamamos bombas o ATPasas,, ya que obtienen energía al hidrolizar ATP y de esa manera moviliza sustancias en ATPasas contra el gradiente de concentración.

Tabla 1. Concentraciones intracelulares y extracelulares de los cationes sodio (Na+) y potasio (K+). Ion   Ion

[Medio intracelular]  intracelular] 

[Medio extracelular]  extracelular] 

Na+ 

10 mmol/L

150 mmol/L

K+ 

140 mmol/L

4 mmol/L

Uno de los ejemplos más conocidos es la bomba sodio-potasio que permite mantener concentraciones intracelulares de sodio y de potasio muy diferentes a las del medio extracelular. Esto genera un gradiente gradiente   para cada uno de estos iones que las células nerviosas usan para propagar impulsos nerviosos.

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Mecanismo de funcionamiento de la Bomba Na+  / K+  ATPasa. Se observa como el K+  es impulsado en contra de su gradiente hacia el interior del citoplasma, mientras que el Na+  es expulsado hacia el fluido extracelular. En el proceso el ATP permite a la proteína cambiar de forma para expulsar el sodio y luego ingresar el potasio. La tasa de acción de la bomba es por cada ATP propulsa 3 Na+ al exterior (hacia el LEC) por 2 K+  que reincorpora al citoplasma (LIC).

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Transporte activo secundario Existe otra modalidad de transporte activo que no usa directamente la hidrólisis de ATP como fuente de energía, sino que la fuerza impulsora está dada de la formación de un gradiente. Esa diferencia de concentración es aprovechada por la célula para cotransportar dos sustancias simultáneamente.

Este tipo de transporte se denomina transporte activo secundario y uno de los ejemplos está en las células intestinales al absorber glucosa en conjunto con el sodio ( cotransportador sodio-glucosa ). La siguiente figura nos muestra un esquema de dicho ejemplo de transporte.

Cotransportadorr sodio-glucosa Cotransportado

24 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Cantidad de moléculas transportadas De lo estudiado te habrás dado cuenta que existen diversos tipos de proteínas de transporte. Algunas son capaces de mover un tipo de soluto y otras dos tipos de solutos lo que llamamos transporte acoplado. En la siguiente figura se muestra la clasificación de estos transportadores: El esquema de la izquierda representa el uniporte: se transporta una sola molécula, ya sea hacia adentro o hacia afuera. Los otros dos reciben el nombre de transportes acoplados, y se conocen como simporte (si ambas sustancias transportadas van en el mismo sentido) o antiporte (si son transportadas en sentidos contrarios.). 󰁕󰁮󰁩󰁰󰁯󰁲󰁴󰁥

󰁓󰁩󰁭󰁰󰁯󰁲󰁴󰁥

󰁮󰁰󰁯󰁲󰁴󰁥

MOVIMIENTO A TRAVÉS DE VESÍCULAS MEMBRANOSAS Las células también requieren movilizar partículas grandes o en gran cantidad, ya sea hacia el citoplasma o hacia el medio extracelular. Los lípidos de la membrana tienen la capacidad de auto-sellado, lo que les permite formar vesículas y no discontinuar la membrana.

Endocitosis Es la incorporación de partículas disueltas (pinocitosis (pinocitosis)) o partículas sólidas grandes (fagocitosis fagocitosis) ) a través de una vesícula la membrana se invagina engloba la sustancia a endocitar. De estaformada manera,por dicha sustancia esque incorporada a lay célula en la vesícula y su contenido no toma contacto con el citoplasma. Un tipo especial de endocitosis es la mediada por receptor. En este caso la formación de la vesícula endocítica depende de la unión de la sustancia a incorporar con un receptor específico en la superficie celular. En ese lugar, la membrana tiene una pequeña depresión y por la cara intracelular está recubierta con proteínas específicas (por ejemplo las clatrinas) que le señalan su destino en el intracelular. Este tipo de transporte es muy frecuente en células animales para incorporar grandes partículas.

25 

 

 

Endocitosis

Exocitosis   Exocitosis

Es la expulsión de sustancias a través de una vesícula. En tal caso, la vesícula se forma en el citoplasma y es llevada hasta la superficie donde el material es liberado y la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana plasmática. Si lo expulsado es un material de desecho hablamos de exocitosis de excreción, por el contrario, si la sustancia expulsada se fabrica en el interior para ejercer su función fuera de la célula (como por ejemplo las hormonas y neurotransmisores), hablamos de exocitosis de secreción. A pesar de sus diferencias, la endocitosis y la exocitosis comparten el hecho de requerir de energía para la formación y el transporte de las vesículas y también que ambas producen pequeñas variaciones en el área de la membrana. 󰁐󰁡󰁲󰁡 󰁱󰁵󰁥 󰁶󰁥󰁡󰁳 󰁥󰁮 󰁙󰁯󰁵󰁴󰁵󰁢󰁥󰀬 󰁰󰁲󰁵󰁥󰁢󰁡 󰁬󰁡󰁳 󰁳󰁩󰁧󰁵󰁩󰁥󰁮󰁴󰁥󰁳 󰁢󰃺󰁳󰁱󰁵󰁥󰁤󰁡󰁳󰀺

󰀾󰀾 󰁆󰁡󰁧󰁯󰁣󰁩󰁴󰁯󰁳󰁩󰁳 󰀾󰀾 󰁅󰁸󰁯󰁣󰁩󰁴󰁯󰁳󰁩󰁳

Unidad 4 LÍMITE CELULAR Y TRANSPORTE

Módulo 1

26 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Resumen esquemático de los distintos tipos de transportes a través de membrana

Los distintos tipos de transporte por vesículas membranosas: (A) endocitosis (fagocitosis, pinocitosis); (B) exocitosis y (C) ( C) endocitosis mediada por receptor.

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Mecanismos de transporte a través de membrana Proceso

Como trabaja

Ejemplo

Los movimientos al azar de las moléculas producen una migración neta de las partículas apolares hacia la zona de menor concentración.

Movimiento de O2 hacia el interior celular

Canal proteico

Las moléculas polares o iones se mueven a través de una proteína canal; el movimiento neto es hacia la región de menor concentración.

Movimiento de iones hacia el intra o extracelular

Proteína transportadora

La molécula se une a la proteína Movimiento transportadora en la membrana hacia de glucosa

P R O C E S O S P A S I V O S  Difusión 

Directa Difusión facilitada 

el medio intra o hacia extracelular; el hacia medioel movimiento neto es la región de intracelular. menor concentración. Osmosis 

Aquaporina

Difusión de agua a través de la membrana vía osmosis; requiere gradiente osmótico.

Movimiento del agua en las células colocadas en una solución hipotónica.

El transportador utiliza energía para mover una sustancia a través de la membrana contra su gradiente de concentración.

Na+  y K+  contra sus gradientes de concentración

Las moléculas se transportan contra sus gradientes de concentración por el co-transporte de iones de sodio o protones que se mueven a favor de sus gradientes de concentración.

Cotransporte Na+-glucosa, el ion va a favor de su gradiente.

P R O C E S O S A C T I V O S  Transporte activo 

Proteína transportadora Bomba Na+/ K+

Transporte acoplado

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Mecanismos de transporte a través de membrana Proceso

Como trabaja

Ejemplo

Endocitosis 

Vesículas de membrana Fagocitosis

La partícula es englobada por la membrana, que se pliega a su alrededor y forma una vesícula. 

Ingesta de bacterias por los glóbulos blancos.

Pinocitosis

Las gotitas de fluidos son engullidas por la membrana, que forma las vesículas alrededor de ellas. 

Las células epiteliales en los capilares, usan la pinocitosis para tomar la porción líquida de la sangre en la superficie capilar.

Endocitosis mediada por receptor Exocitosis Vesículas de membrana

La endocitosis desencadenada por un receptor específico, formando vesículas recubiertas de clatrina. 

Captación de colesterol

Las vesículas formadas en el aparato de Golgi, se fusionan con la membrana plasmática y expulsan su contenido.

Secreción de mucus, liberación de hormonas, neurotransmi sores.

29 

 

 

Desarrolle Movimiento y Transporte de Sustancias. Sustancias. 1. Un investigador está estudiando el movimiento de sustancias a través de las membranas biológicas. Para esto, monta dos experimentos, en el 1 utiliza una bicapa lipídica y en el 2 una membrana. Complete con las sustancias que esperaría encontrar en cada uno de los casos. Sustancias: H2O, Na+, O2, Glucosa, ácidos grasos

2. Se tienen tres osmómetros, en cada uno de ellos se coloca suero fisiológico (0,9% NaCl) y en el tubo curvado se coloca un líquido coloreado que permite ver su desplazamiento. Cada osmómetro se introduce en recipientes que contiene soluciones de NaCl de distinta concentración señaladas como A, B y C.

A partir del experimento, indica cual solución es hipertónica, hipotónica e isotónica. A󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦 B󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦 C󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦.󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦

30 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

3. Si reemplazara el osmómetro por eritrocitos. ¿Qué ocurriría en cada caso? Esquematice y represente la curva de variación del volumen celular en cada caso

Volumen Celular

Tiempo 4. Se tiene el siguiente sistema de dos soluciones separadas por una membrana semipermeable

󰁓󰁯󰁬󰁵󰁣󰁩󰃳󰁮 󰁤󰁩󰁬󰁵󰁩󰁤󰁡

󰁓󰁯󰁬󰁵󰁣󰁩󰃳󰁮 󰁣󰁯󰁮󰁣󰁥󰁮󰁴󰁲󰁡󰁤󰁡

A) ¿Qué ocurriría si la membrana es semipermeable al solvente? Esquematice

B) ¿Qué ocurriría si la membrana es semipermeable al soluto? Esquematice

31 

 

 

AUTO EVALUACIÓN DE CONCEPTOS CLAVE

CONCEPTOS CLAVE

SI

NO

Célula Procarionte Estructuras procariontes Célula eucarionte Organelos Pared Celular Membrana celular Comunicación Celular Transporte Celular Pasivo Difusión Osmosis Difusión Facilitada Transporte Celular Activo Endocitosis Exocitosis

32 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

ORGANIZACIÓN ORGANIZACIÓ N Y FUNCIÓN INTERNA CELULAR Cloroplastos con 2 membranas membranas

Mitocondrias Núcleo (s)

Endomembranas

RER REL Peroxisomas con 1 membrana membrana

Lisosomas Aparato de Golgi Vacuolas

Citoplasma

Citoesqueleto Cilios y Flagelos Flagelos

Otras e structuras

Centrosomas Ribosomas

Complete el siguiente esquema Procariontes

CÉLULA

estructura u organelo exclusivo Célula animal

Eucariontes

se clasifican en Célula vegetal estructura u organelo organelo exc exclusi lusivo vo

33 

 

 

Conceptos clave. Organelo—Citosol—Citoplasma—Núcleo—Cromatina— Nucléolo—Mitocondrias—Respiración Celular—Cloroplastos—Fotosíntesis— Retículo Endoplasmático Rugoso—Retículo Endoplasmático Liso—Complejo de Golgi—Lisosomas—Proxisomas—Ribosomas—Citoesqueleto

Estudio de las células: microscopios y técnicas bioquímicas El microscopio es la herramienta más importante de la citología. Aunque las células fueron descubiertas por Robert Hooke en 1665, la estructura de la célula se llegó a conocer recién en la década de 1950, a través del microscopio óptico. La biología celular avanzó enormemente en esa década con la introducción del microscopio electrónico. Los microscopios electrónicos modernos alcanzan una resolución de 0,002 nm, pero el límite práctico en el caso de estructuras biológicas es generalmente de alrededor de 2 nm, aun así, representa una resolución de cien veces con respecto al microscopio óptico. Existen dos tipos básicos; el Microscopio Electrónico de Barrido (MEB (MEB)) y el Microscopio Electrónico de Transmisión (MET (MET). ). Véase la siguiente tabla a continuación:

TÉCNICA

RESULTADOS  

Cilios

1

µm

a)   Microscopio Electrónico de Barrido (MEB). Las microfotografías obtenidas mediante microscopio electrónico de barrido muestran una imagen tridimensional de la superficie de una célula. Este MEB muestra la superficie de una célula traqueal de conejo recubierta por estructuras móviles que se denominan cilios. El movimiento de los cilios desplaza los residuos inhalados hacia arriba en dirección a la garganta.

Sección transversal de un cilio

b)

 

Microscopio Electrónico de Transmisión (MET). Con el microscopio electrónico de transmisión se obtiene la imagen de una sección delgada de un cilio. Aquí vemos una sección a través de una célula traqueal, que revela su ultraestructura. Al preparar la sección de muestra, algunos cilios se cortan a lo largo de su extensión, lo que origina secciones longitudinales, mientras que otros cilios se cortan perpendicularmente, originando secciones transversales.

Sección longitudinal de un cilio

34 

1

µm

 

 

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Recuerde las células células,, ya sean estas procariontes o eucariontes, eucariontes, siempre poseen las “3M” : “3M” : Membrana celular, Material genético y Metabolismo propio  La biología celular moderna se desarrolló a partir de la integración de la citología  con la bioquímica, el estudio de las moléculas y los procesos químicos (metabolismo) de las células. Un método de análisis bioquímico denominado fraccionamiento celular  celular  y las técnicas de tinción  tinción  para individualizar los componentes subcelulares, han sido

Fraccionamiento celular: aislamiento de estructuras celulares El objetivo de fraccionamiento celular es aislar y separar las principales estructuras de la célula. célula. El instrumento utilizado es la centrífuga, que puede hacer girar los tubos contenedores a diferentes velocidades. La fuerza centrífuga separa los componentes celulares por tamaño y densidad. densidad. El fraccionamiento celular permite al investigador preparar componentes celulares en cantidades masivas para estudiar su composición y funciones. Utilizando este método, los biólogos han sido capaces de asignar funciones a las diferentes estructuras subcelulares.

La suspensión de las células rotas contiene componentes subcelulares como lisosomas, peroxisomas,  y fragmentos de membrana

Centrifugado 800 X gravedad (10 min.)

Centrifugado 15.000 X gravedad (10 min.)

Sedimento nuclear Sobrenadante centrifugado 100.000 X gravedad Sedimento de mitocondrias, lisosomas,  y peroxisomas

Sedimento de fragmentos de la membrana plasmática y el retículo endoplasmático

(60 min.)

Sobrenadante centrifugado 200.000 X gravedad (3 horas)

Citosol Sedimento de ribosomas

35 

 

 

Estructura y función de los componentes subcelulares En los organismos eucariontes, las membranas internas dividen al citoplasma en compartimentos, que corresponden a estructuras que los biólogos denominan organelos.. Es así que muchas de las organelos

Si se excluyen los compartimientos rodeados por membranas del citoplasma, lo que queda se denomina citosol. En general, el citosol en las células eucarióticas ocupa el espacio mayor y en las bacterias es lo único

actividades bioquímicas que las células realizan (metabolismo celular), ocurren en dichos compartimentos. Estas estructuras son locaciones donde se mantienen las condiciones químicas específicas ideales para el buen funcionamiento celular, que incluso, varían de organelo en organelo.

que se observa porque éstas no poseen un sistema de endomembranas. El citosol es un coloide que se comporta como un gel acuoso por la gran cantidad de moléculas grandes y pequeñas que se encuentran en él, principalmente proteínas.

Los procesos metabólicos que requieren condiciones diferentes, pueden tener lugar simultáneamente en una única célula porque se desarrollan en organelos separados, pero, relacionados. Otro efecto de las membranas internas es que aumentan el área total membranosa de una célula eucariótica. Una célula eucariótica típica, con un diámetro diez veces mayor que una célula procariótica, tiene un volumen citoplasmático mil veces mayor, pero el área de la membrana plasmática es cien veces mayor que la de la célula procariótica. Además, la célula posee otras estructuras no membranosas, que también cumplen importantes y variadas funciones.

Debido a la composición del citosol, en él tienen lugar la mayoría de las reacciones químicas del metabolismo, como la glucólisis, gran parte de las reacciones de la gluconeogénesis, así como la biosíntesis de numerosas moléculas. También, se encuentran en el citosol los ribosomas, las inclusiones y los filamentos proteicos que forman el citoesqueleto. A continuación, se revisarán los compartimientos membranosos (organelos (organelos)) del citoplasma y también las estructuras que se encuentran en el citosol. Los organelos intramembranosos están distribuidos en todo el citoplasma. (A) Existe una variedad de compartimientos rodeados de membrana en las células eucariontes, cada uno especializado para efectuar diferentes funciones. (B) El resto de la célula, con exclusión de sombreada). los organelos, citosol (área En se estedenomina espacio ocurre parte del metabolismo celular.

36 

 

 

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ORGANELOS CON DOS MEMBRANAS Núcleo. Control de la herencia y metabolismo Es considerado el organelo o compartimiento más importante para las células eucariontes debido a que es el lugar físico donde se encuentra el material genético o ADN, macromolécula responsable tanto del control metabólico de la célula así como de la continuidad de la vida del organismo.

Su tamaño, ubicación y número es variable dependiendo de la actividad metabólica celular. Por ejemplo, células hepáticas de gran tamaño pueden tener dos o tres núcleos, lo mismo ocurre con las células musculares estriadas que también son multinucleadas. Esto se debe a la necesidad del control metabólico por parte de la célula.

En un núcleo interfásico se distinguen y se describen los siguientes componentes: Componentes Membrana nuclear   nuclear (carioteca)   (carioteca)

Descripción estructural Es doble, en su cara que mira hacia el citoplasma se observan ribosomas adheridos y se postula como parte del sistema de endomembranas (conectado ( conectado al RER )).. En su cara nuclear se encuentra una capa proteica llamada lámina lámina   (laminilla interna), que sujeta a la heterocromatina. La atraviesan los  los   complejos de poro formados por proteínas globulares que permiten el transporte bidireccional a través de la membrana, por ejemplo ARNs, subunidades ribosomales, enzimas u hormonas.

Es la matriz nuclear, cariolinfa  o nucleoplasma. Es la parte líquida del núcleo que puede tener en estado soluble minerales, nucleótidos u otro componente Cariolinfa (carioplasma) necesario para la conformación de la cromatina. Presenta dos estados que es posible observar al microscopio: heterocromatina y eucromatina. eucromatina.   Heterocromatina:: es la forma condensada en que se organiza la cromatina. Se Heterocromatina ve como manchas densas de cromatina, frecuentemente está adherida a la

Cromatina

Nucléolo(s)

membrana donde presenta espacios más m ás claros sobre membrana.nuclear La heterocromatina es considerada inactiva desdelos el poros punto de de dicha vista de la transcripción. Eucromatina: tiene el aspecto de granulación fina y homogénea, es decir, descondensada y laxa. Es más abundante en células que están en activa replicación o transcripción de DNA, DNA, lo que requiere que la cromatina esté  “desenrollada”,  “desenroll ada”, de tal forma que exista el máximo máxim o contacto entre los componentes del nucleoplasma, como los sistemas enzimáticos para la lectura del código genético, genético, o bien, entre las sustancias que se van a incorporar incorporar a las cadenas de ADN, como los nucleótidos. Subestructura(s) que no posee(n) membrana. Es la porción del ADN, de los cromosomas que contienen genes para que se realice la transcripción de ARN ribosomal (ARNr). Dichas zonas especiales del ADN se llaman zonas organizadoras nucleolares (más conocidas como regiones como regiones o zonas NOR) lugar donde se arman las sub-unidades ribosomales.  ribosomales.  Su número depende de la cantidad de proteínas que tenga que sintetizar la célula. célula. 

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Esquema con detalles del núcleo celular.

Como se mencionó en la tabla anterior, dentro del núcleo existe la cariolinfa o nucleoplasma, que a su vez está compuesta de una sustancia fundamental: la cromatina, la cual es un estado compactado (condensado) del ADN y sus proteínas estructurales (histonas) que ayudan a mantenerlo en dicho estado. En la siguiente imagen llamada Niveles de organización del material genético desde ADN a cromosoma. se muestra un esquema de la compactación de la cromatina hasta llegar a un estado ultracondensado, conocido como cromosoma. La cromatina puede fragmentarse para formar diversos cromosomas, siendo así la materia prima para constituir los famosos pares de cromosomas homólogos, visibles durante las etapas de cariocinesis (Mitosis y Meiosis). Más adelante veremos con mayor detalle estos conceptos y la Reproducción Celular, así como también veremos posteriormente la Replicación del ADN. 38 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

B󰁵󰁳󰁣󰁡 󰁥󰁮 󰁙󰁯󰁵󰁴󰁵󰁢󰁥 󰁃󰁯󰁮󰁤󰁥󰁮󰁳󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 󰁤󰁥󰁬 󰁁󰁄󰁎  

Para reforzar estos contenidos accede a:

󰁷󰁷󰁷.󰁰󰁲󰁥󰁵󰁰󰁤󰁶󰁯󰁮󰁬󰁩󰁮󰁥.󰁣󰁬  Unidad 6 Módulo 1

Niveles de organización del material genético desde ADN a cromosoma. A partir de la doble hélice de la molécula de ADN y de la incorporación progresiva de proteínas, se organiza la fibra de cromatina y desde esta última, a su vez, se forman los cromosomas. Cabe destacar que los cromosomas no tienen ningún tipo de membrana. 39 

 

 

Mitocondrias. Centrales abastecedoras de ATP Las mitocondrias llevan a cabo la respiración celular, celular, proceso en eell cual la energía química que se encuentra contenida en las moléculas que constituyen los alimentos es convertida en ATP, principal fuente de energía para el trabajo celular. La mitocondria está rodeada por dos membranas, una externa y otra interna, y dos compartimentos. La mitocondria contiene ADN libre y circular, enzimas como también ribosomas lo que le confiere autonomía, por ello se la considera un organelo semiautónomo. La teoría de la endosimbiosis, propone un origen procariota para este organelo, por su semejanza con las bacterias.

El primer compartimiento lleno de fluido se encuentra entre las dos membranas cuya función es acumular protones (H+). La membrana interna rodea al segundo compartimento o matriz mitocondrial, lugar donde ocurren la mayoría de las reacciones químicas relacionadas con la respiración celular. El plegamiento de la membrana interna forma las crestas mitocondriales, estructuras que aumentan el área, favoreciendo la capacidad de las mitocondrias para producir ATP.

Respiración celular. El catabolismo de la glucosa  glucosa 

La oxidación de los polisacáridos comienza con la despolimerización para obtener unidades sencillas de monosacáridos. Estos últimos se degradan hasta constituir una molécula más sencilla y más oxidada denominada ácido pirúvico (piruvato). Esta ruta, denominada glucólisis, es común a la mayor parte de los organismos, y en algunos que viven en ausencia de oxígeno (anaerobios), la oxidación no continúa. En su lugar, el ácido pirúvico se modifica ligeramente. Estos procesos se denominan fermentaciones. En los organismos que viven en medios con oxígeno (aerobios) el ácido pirúvico ingresa a la mitocondria y se transforma en acetilacetil-coenzimaA. El acetil-coenzima A procedente de la glucólisis pasa a un proceso cíclico denominado ciclo de Krebs, durante el cual los dos carbonos de los grupos acetilo son totalmente oxidados, y en esta transformación se origina dióxido de carbono.

Estructura de una mitocondria. 󰁅󰁴󰁡󰁰󰁡

  

G󰁬󰁵󰁣󰃳󰁬󰁩󰁳󰁩󰁳

C󰁩󰁴󰁯󰁳󰁯󰁬 󰁤󰁥 󰁬󰁡 󰁣󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡

󰁏󰁸󰁩󰁤󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 󰁤󰁥 󰁐󰁩󰁲󰁵󰁶󰁡󰁴󰁯󰁳

󰁍󰁡󰁴󰁲󰁩󰁺 󰁭󰁩󰁴󰁯󰁣󰁯󰁮󰁤󰁲󰁩󰁡󰁬

C󰁩󰁣󰁬󰁯 󰁤󰁥󰁬 󰃡󰁣󰁩󰁤󰁯 󰁣󰃭󰁴󰁲󰁩󰁣󰁯 (󰁋󰁲󰁥󰁢󰁳)

󰁍󰁡󰁴󰁲󰁩󰁺 󰁭󰁩󰁴󰁯󰁣󰁯󰁮󰁤󰁲󰁩󰁡󰁬

C󰁡󰁤󰁥󰁮󰁡 󰁔󰁲󰁡󰁮󰁳󰁰󰁯󰁲󰁴󰁡󰁤󰁯󰁲󰁡 󰁤󰁥

C󰁲󰁥󰁳󰁴󰁡󰁳 󰁤󰁥 󰁬󰁡 󰁭󰁥󰁭󰁢󰁲󰁡󰁮󰁡

󰁥󰁬󰁥󰁣󰁴󰁲󰁯󰁮󰁥󰁳

󰁭󰁩󰁴󰁯󰁣󰁯󰁮󰁤󰁲󰁩󰁡󰁬 󰁩󰁮󰁴󰁥󰁲󰁮󰁡

Durante el ciclo de Krebs y en las rutas anteriores se desprenden protones y electrones, los cuales son capturados por diversas coenzimas que se reducen y posteriormente se vuelven a oxidar mediante una serie de reacciones redox acopladas que concluyen con la transferencia de los electrones al oxígeno, que al tomar los dos protones (H+) forma agua. La energía desprendida durante esta reacción se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi (fósforo inorgánico). 40 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Como se resume en la tabla anterior, las múltiples reacciones que ocurren en la célula para completar la Respiración Celular se organizan en los siguientes pasos: 1. Glucólisis, oxidación del piruvato. 2. 3.

Formación del acetil CoA. Ciclo de Krebs.

4.

Transporte de electrones fosforilación oxidativa.

y

Se detallan en el resumen en la siguiente secuencia de esquemas en las figuras que se adjuntan. Si existen las condiciones propicias en cuánto a los recursos de glucosa y oxígeno, la secuencia se cumple completa, pero si no hay oxígeno para las mitocondrias, la opción es continuar produciendo ATP en el citoplasma mediando las reacciones de fermentación: alcohólica (en levaduras, por ejemplo) o láctica (en eritrocitos y hepatocitos, por ejemplo).

Respiración aeróbica y fermentación.

Etapas de la Respiración aeróbica en el citoplasma y las mitocondrias.

41 

 

 

En resumen, las reacciones de la respiración celular se pueden sintetizar en Etapas de la Respiración Celular Aeróbica C6 H12 O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O + ATP + calor

Fermentación. La alternativa anaeróbica a la respiración aeróbica.  aeróbica.   Las células musculares normalmente utilizan, la respiración aeróbica, obteniendo 36 o 38 ATP por molécula de glucosa, pero también son capaces de sobrevivir sin O2, con las dos moléculas de ATP de la glucólisis. El inconveniente de utilizar esta vía, está en el suministro de NAD (oxidado), que debe ser capaz de reponer el NADH (reducido).

Las células musculares mantienen el suministro de NAD (oxidado), a costa de la reducción del ácido pirúvico obtenido en la glucólisis. De esta manera, el ácido pirúvico queda como ácido láctico (lactato). La producción de ácido láctico a partir de la glucosa se denomina fermentación láctica. Las levaduras también utilizan normalmente la vía aeróbica, pero son capaces de vivir en ambientes sin oxígeno, realizando la fermentación alcohólica, en la cual produce etanol y libera CO2.

Reacciones químicas de la Fermentación. A. Fermentación Acido Láctica. B. Fermentación Alcohólica.

Es importante recordar que varios de los productos de la respiración celular indirectamente pasarán a ser “convertidos a ATP” gracias a una reacción que hace rendir el “valor redox” de diversas moléculas transportadoras de electrones a lo largo de la cadena de citocromos. Moléculas como NADH y FADH2  son las responsables de cargar a estos citocromos con electrones para que exista un bombeo de hidrógeno que, tras formar una gradiente entre el espacio intermembranas y la matriz mitocondrial, dicha gradiente activa a la bomba de H+ATPsintetasa. Esta produce ATP conforme gasta la gradiente de H+  formada por los citocromos. En la siguiente tabla se resume este rendimiento energético de la oxidación completa de la glucosa a CO2  y H2O. Se sintetizan 3 moléculas de ATP, al oxidar una molécula de NADH y 2 moléculas de ATP al oxidar una molécula de FADH 2. 42 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2 ETAPAS

Glucólisis Formación de Acetil CoA Ciclo de Krebs Fosforilación Fosforilació n Oxidativa

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR TRANSPORTADORES REDUCIDOS

NÚMERO DE ATP

2 NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH 2 

2 ATP

Total

2 ATP 34 ATP :

38 ATP

Como se aprecia, la etapa de mayor ganancia es la fosforilación oxidativa, pues es ahí donde los procesos redox que comprometen a los NADH y FADH 2 se llevan a cabo para lograr que la ATP sintetasa funcione y vuelva a recargar el ADP + P i en ATP.

Esquema resumen de la Respiración Celular.

Se advierte que la fermentación es una de las dos posibilidades de obtener ATP en caso de condiciones anaeróbicas o de insuficiente oxígeno. el rendimientoenmayor se obtiene al lograr la reacción total incluidas todasSin lasembargo, etapas mencionadas la tabla anterior. 43 

 

 

Cloroplastos. Fábricas de alimento Todas las partes verdes de una planta poseen cloroplastos y pueden llevar a cabo la fotosíntesis. Son organelos de doble membrana. La interna forma las granas granas   que contienen los tilacoides donde se encuentra la clorofila,, pigmento de color verde. El clorofila espacio restante se denomina estroma.. La clorofila absorbe la estroma energía solar que le permite al cloroplasto fabricar las moléculas de alimento. Los cloroplastos al igual que las mitocondrias contiene DNA libre y circular, enzimas como también ribosomas lo que le confiere autonomía por ello también se le considera un organelo semiautónomo y teoría de la endosimbiosis tambien da cuenta de su origen procarionte.

Estructura de un cloroplasto.

Fotosíntesis La fotosíntesis es un proceso anabólico que se lleva a cabo en los cloroplastos, la realizan los organismos que poseen clorofila. Este proceso consiste en la formación de moléculas orgánicas ricas en energía (carbohidratos), a partir de moléculas inorgánicas simples como el CO2 y H2O, usando como fuente de energía la luz solar: CO2 + H2O + Luz →  Carbohidratos + O2 

Fase dependiente de la luz (fase clara o reacciones luminosas)

Ocurre en las m membranas embranas tilacoideas de las granas de los cloroplastos. Estas reacciones convierten la energía luminosa en energía química (ATP y NADPH), liberando O2 gaseoso como producto

La etapa independiente de la luz o fase clara ocurre a nivel de los tilacoides en el cloroplasto. 44 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Fase independiente de la luz (fase oscura o Ciclo De Calvin) Ocurre en el estroma del cloroplasto. No es fotodependiente, sin embargo, necesita de los productos de la fase clara. Esta fase consta de una serie cíclica de reacciones, que ensamblan moléculas de carbohidratos, utilizando moléculas de CO2  y una molécula de 5 carbonos denominada ribulosa bifosfato la que actúa como aceptora de éste.

Reacciones no luminosa (Fase oscura).

En resumen:

45 

 

 

Fotosíntesis y longitud de onda La luz es la fuente de energía del proceso fotosintético. Llega a las plantas en forma de paquetes separados llamados fotones. También se comporta como si se propagara en ondas.

¿Por qué vemos las plantas de color verdes?

Los humanos percibimos la luz visible (400 a 700 nm) como si tuviera colores. Los colores se relacionan con la longitud de onda. Cuando un fotón encuentra una molécula, puede suceder una de tres cosas.

pigmento, se luz. absorben ciertas longitudes de ondas de Las otras longitudes que se reflejan o transmiten hacen que el pigmento nos parezca coloreado. Por ejemplo, si un pigmento absorbe luz azul y luz roja, como lo hace la clorofila, lo que vemos es la luz remanente, principalmente verde.

1. El fotón puede rebotar en la molécula (REFLEJARSE). 2. El fotón puede pasar a través de la molécula (TRANSMITIRSE). Ninguna de estas dos alternativas produce cambios en laquímica. molécula ni acarrea alguna consecuencia

Cuando un haz de luz blanca (luz visible de todas las longitudes de onda), cae en un

El espectro de acción es acción es una gráfica en la cual se muestra la eficiencia de la actividad fotosintética en las diversas longitudes de onda de luz. Un espectro de absorción es la gráfica que muestra el grado en que las distintas longitudes de onda de la luz son absorbidas por una sustancia determinada.

3. El fotón puede ser absorbido por la molécula (ABSORBERSE) Esto es lo que ocurre con la clorofila y otros pigmentos fotosintéticos.

Espectro de absorción de la clorofila a y tasa fotosintética.

Unidad 4 ORGANELOS DE MEMBRANA DOBLE

Módulo 2

46 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

¿Por qué el espectro de acción de la fotosíntesis es distinto del espectro de absorción de la clorofila a si este pigmento debe ser excitado para iniciar el proceso fotosintético? Si la clorofila a fuese el único pigmento que participara en la captura de electrones, el espectro de acción debería coincidir con la absorción efectiva de luz (espectro de absorción) para dicho pigmento. Sin embargo, en cada fotosistema hay una variedad de pigmentos secundarios que abren la posibilidad de que ocurra fotosíntesis, incluso cuando la clorofila a no absorbe directamente la luz.

Otras clorofilas, al igual que los pigmentos carotenoides, pueden absorber luz conforme a sus espectros de absorción y transmitir la energía adquirida, a lo largo de una cadena de pigmentos del fotosistema, hasta la clorofila a del centro de reacción. Estacuyas es lalongitudes razón pordela onda que incluso las luces corresponden al amarillo y al verde pueden servir para la fotosíntesis a pesar de que son mucho menos eficaces que las luces roja o azul.

Resumen del proceso de fotosíntesis

󰁌󰁧󰁡   

󰁈󰁨󰁳 󰁱  

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󰁓󰁥 󰁣󰁡󰁰󰁴󰁡 󰁬󰁡 󰁥󰁮󰁥󰁲󰁧󰃭󰁡 󰁹

󰁄󰁰󰁴  󰁬󰁡 󰁌󰁺 

(F󰁡󰁳󰁥 󰁬󰁵󰁭󰁩󰁮󰁯󰁳󰁡

󰁳󰁴󰁡󰁴󰁳 󰁱 󰁴󰁶 

AD󰁐 

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󰁮󰁵󰁣󰁬󰁥󰃳󰁤󰁯󰁳 󰁲󰁥󰁤󰁵󰁣󰁩󰁤󰁯󰁳

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A󰁔󰁐  󰁎AD󰁐H 

 

(󰁎AD󰁐H + H )

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󰁲󰁥󰁤󰁵󰁣󰁩󰁤󰁯󰁳 󰁱󰁵󰁥 󰁳󰁥 󰁨󰁡󰁮

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󰁯󰁢󰁴󰁥󰁮󰁩󰁤󰁯 󰁥󰁮 󰁬󰁡 󰁦󰁡󰁳󰁥

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AD󰁐 

󰁣󰁬󰁯󰁲󰁯󰁰󰁬󰁡󰁳󰁴󰁯󰁳 

󰁬󰁵󰁭󰁩󰁮󰁯󰁳󰁡 󰁰󰁡󰁲󰁡

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󰁳󰁩󰁮󰁴󰁥󰁺󰁡󰁲 󰁭󰁯󰁬󰃩󰁣󰁵󰁬󰁡󰁳 󰁯󰁲󰁧󰃡󰁮󰁩󰁣󰁡󰁳.

47 

 

 

Factores que afectan la tasa fotosintética 1.

Intensidad Luminosa. La tasa fotosintética aumenta al aumentar la intensidad lumínica (hasta 600 Watts) sobre este valor, inicialmente se mantiene constante, y luego desciende.

2.

Temperatura. El proceso es eficiente Temperatura. entre los 10 oC y 35 oC.

3.

Concentración de CO2. Es el sustrato inorgánico más importante de la fotosíntesis, ya que es la fuente de carbono para la síntesis de moléculas orgánicas.

4. Agua. Esta materia prima es importante ya que no solo aporta electrones y protones sino también, porque participa en todas las reacciones químicas de este proceso. 5. Sales minerales. Son necesarias para la síntesis de moléculas orgánicas como la clorofila y para algunos cofactores enzimáticos.

Factores que inciden en la tasa fotosintética.

Desarrolle La siguiente ecuación representa la fijación de CO2 en un tipo de organismo autótrofo. ¿Qué producto representa X  en la ecuación? …………………………………………………………………………………………………………………….. ¿De dónde proviene el producto X? …………………………………………………………………………………………………………………….. 48 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Teoría endosimbiótica La Teoría Endosimbiótica propuesta por Margulis explica el origen procarionte de mitocondrias y cloroplastos. Hace aproximadamente 2500 millones de años, la atmósfera habría cambiado su condición, de reductora a oxidante, gracias a las bacterias fotosintéticas, ciertas células procariontes habían comenzado a utilizar este gas en sus procesos de obtención de energía y habían prosperado y proliferado. Más tarde estos organismos aeróbicos fueron fagocitados por células de mayor tamaño sin que se produjese digestión intracelular. La célula mayor (célula eucarionte precursora), obtuvo los beneficios de huésped “respirador” de oxígeno y este a su vez encuentra protección y nutrientes originando así las mitocondrias, esta relación simbiótica les permitió a los organismos conquistar nuevos ambientes y por el mismo mecanismo algunas de estas asociaciones simbióticas englobaron a bacterias fotosintéticas, originando los cloroplastos. De eesta sta m manera anera se explica el origen de mitocondrias y cloroplastos y se da cuenta de la presencia de sus dobles membranas, del DNA circular, cerrado no asociado a histonas y ribosomas de menor tamaño (similares a los procariontes), como también su capacidad de dividirse.

49 

 

 

ORGANELOS CON UNA MEMBRANA Retículos endoplasmáticos Son organelos formados por membrana simple de igual naturaleza que la membrana celular y poseen diversas funciones. En conjunto forman la “vía de vesiculación”, pues son capaces de fabricar vesículas y endosomas de diversa complejidad. Existen tres variedades. 1. 1.  

Retículo Endoplasmático Rugoso Rugoso   (RER). (RER).   El término rugoso se refiere a la apariencia de este organelo en las microfotografías electrónicas, como resultado de la presencia de ribosomas en su superficie externa. Este  retículo participa en tres funciones principales: Este

  ⇒  ⇒ 

Colabora con REL en la fabricación de membranas. Síntesis de proteínas de secreción. Glicosilación parcial de proteínas y lípidos.

2.

Retículo Endoplasmático Liso (REL).  (REL).  Este retículo carece de ribosomas  ribosomas  adheridos. La mayor parte de su actividad es llevada a cabo por enzimas que se encuentran en su interior y en su membrana, las que son capaces de:

  ⇒  ⇒ 

Sintetizar y modificar diversos lípidos, como fosfolípidos y colesterol (esteroides). Participar en la inactivación de toxinas (detoxificación intracelular). Almacena calcio en las células musculares, donde recibe el nombre de retículo sarcoplásmico (sarcos = carne, músculo).  músculo). 

⇒

⇒

Complejo de Golgi o Aparato de Golgi, Dictiosoma. También se le denomina Retículo Endoplasmático secretor (RES), es un organelo empaquetador, clasificador y exportador. Sus funciones son:  son:    ⇒  ⇒  ⇒  ⇒

Glicosilación final de proteínas y de lípidos (clasificación y destinación). Empaquetamiento de ambos tipos de moléculas. Formación de lisosomas y vesículas de secreción. Formación de la pared celular primaria en células vegetales y fragmoplasto, durante la división celular vegetal.

50 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Formación del fragmoplasto en células vegetales.

Es importante recalcar que, salvo la vía de vesiculación que es una constante en las distintas células que poseen retículos endoplásmicos, las funciones de los retículos endoplásmicos lisos y rugosos, además del Golgi, puede diferir levemente de un tejido a otro. Además, y como se mencionó recientemente para el fragmoplasto en el caso de las células vegetales, existen otras funciones que hemos de dejar documentadas para que se entienda la gran importancia de este grupo de organelos de membrana simple. Por ejemplo, dentro de sus capacidades como productores de endosomas (vesículas llenas de enzimas), estos retículos y aparatos pueden producir un grupo de endosomas altamente especializados (organelos secundarios, pues surgen desde estos). Tal es el caso de los Lisosomas y Peroxisomas, que revisaremos en breve.

51 

 

 

Sistema de endomembranas. El tráfico de vesículas dentro de la célula. Este diagrama ilustra la interacción de los ribosomas, los retículos endoplasmáticos (REL y RER), el complejo de Golgi y las vesículas. Estos organelos cooperan en la síntesis, el procesamiento químico, el empaquetamiento y la distribución de macromoléculas, y en el aporte de nuevo material a las membranas.

Lisosomas. Digestión intracelular Los lisosomas son organelos que contienen en su interior enzimas digestivas provenientes del RER, y tienen por función realizar la hidrólisis de macromoléculas orgánicas como proteínas (diversas proteasas), polisacáridos, ácidos nucleicos (nucleasas) y lípidos (lipasas). También degrada sustancias extrañas capt captadas adas por la célula (lisozima). Respecto deselaorigina membrana de losdelisosomas ellacerca estádeformada una bicapa de fosfolípidos, en el aparato Golgi y mide 1 mm depor diámetro. La degradación de los nutrientes y de las sustancias extrañas captadas por la célula, ingresan en un proceso denominado fagocitosis, formándose así un fagosoma o fagolisosoma. Éste se fusiona con un lisosoma para así formar finalmente una vacuola digestiva, estructura en la que ocurre la digestión intracelular. Las enzimas de la vacuola digestiva hidrolizan rápidamente las partículas de los nutrientes. Estas reacciones se incrementan por la leve acidez del interior del lisosoma, donde el pH es inferior al del citoplasma circundante. Los productos de la digestión salen a través de la membrana del lisosoma y proporciona moléculas de combustible y materias primas necesarias para otros procesos celulares. Una vez finalizado este proceso, la vacuola digestiva que aún contiene partículas no digeridas (residuos) se mueve hacia la membrana plasmática, se fusiona con ella y libera su contenido al exterior de la célula (exocitosis).

52 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Los lisosomas también tienen por función eliminar organelos envejecidos y, en general, digerir sus propias macromoléculas, proceso denominado autofagia. En este proceso se forma la vacuola autofágica en la cual se digieren las macromoléculas complejas a moléculas simples que salen del lisosoma a través de su membrana para ser reutilizados en el citoplasma de la célula.

Unidad 4 ORGANELOS DE MEMBRANA SIMPLE

Módulo 3

Lisosomas y formación de vacuolas digestivas y autofágica.

53 

 

 

Peroxisomas. Detoxificador intracelular Organelo que contiene enzimas oxidativas que degradan ácidos grasos hasta Acetil-CoA, proceso denominado beta-oxidación. Durante este proceso se genera una sustancia tóxica para las células, el peróxido de hidrógeno o agua oxigenada (H2O2). El peroxisoma posee enzimas llamadas peroxidasa y catalasa que escinden (rompen) moléculas como peróxido de hidrógeno y alcohol etílico, convirtiéndolos en agua y oxígeno, con ello desintoxicando a la célula. Estos organelos abundan en las células del hígado donde eliminan sustancias tóxicas como el etanol (alcohol etílico, CH3CH2OH). Comparte esta función con el REL en los hepatocitos.  Las enzimas de los peroxisomas se sintetizan en ribosomas libres, los fosfolípidos también se importan a los peroxisomas desde el retículo endoplasmáticos liso. La incorporación de proteínas y fosfolípidos permite el crecimiento de los peroxisomas y la formación de nuevos peroxisomas mediante la división de los más viejos (autorreplicación).

Vacuolas o Tonoplastos Se las puede considerar como reservorios limitados por membranas (tonoplasto) que funcionan como “despensas” y pueden contener distintas sustancias, por lo tanto, prestando diferentes funciones a la célula, tales como contener nutrientes, reguladores del pH del citosol, reguladores osmóticos y de tonicidad celular, etc. Estos organelos son de variados tamaños, por ejemplo, en las células vegetales ocupan el 80% o más del volumen celular. Esta gran vacuola resulta de la fusión de membranas provenientes de los retículos o del dictiosoma (complejo de Golgi) y puede contener sales minerales, almidón, proteínas y pigmentos, todo este conjunto de sustancias le confiere a esta vacuola un carácter hipertónico, es decir, con una alta capacidad para atraer agua, lo que en la célula vegetal genera la denominada presión de turgencia. En células animales las vacuolas no se requieren para generar turgencia, pues son isotónicas. En organismos protistas, como por ejemplo, el paramecio que vive en ambientes hipotónicos, por lo que ganan agua permanentemente, tienen una vacuola pulsátil que les permite eliminar Otros el exceso de aguacomo de manera activa ocupándola mecanismo de propulsión). protistas, la ameba de(incluso vida libre, tienen como vacuolas de tipo fagocitaria, de excreción, residual, entre otras. otras.  

Flujo de agua controlado por Vacuolas en la célula vegetal. 

54 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

ESTRUCTURAS NO MEMBRANOSAS  Ribosomas Son estructuras del tipo ribonucleoproteínas, es decir, contienen ácido ribonucleico (ARNr) en un 70% y el restante 30% corresponde a variadas proteínas de pequeño tamaño. Su rol fundamental es realizar la síntesis de proteínas. Se observan en todo tipo de células. En los procariontes están libres en el citosol, en cambio, en los eucariontes pueden estar libres en el citosol, donde ocurre síntesis de proteínas de uso interno, y también se encuentran adheridos a la carioteca y en el RER, organelo que sintetiza proteínas de exportación o secreción. También se les encuentra en el interior de mitocondrias y cloroplastos.

Es importante recalcar que es en los Ribosomas donde se unen aminoácidos en una reacción en serie que se conoce como Traducción (Biosíntesis de Proteínas). Esquema de son la estructura subunidades fabricadasde un ribosoma. Ambas por separado, pero sólo una vez ensambladas una sobre la otra tendrán la función de Traducción lista para iniciar.

Citoesqueleto El citoesqueleto es la base arquitectónica y dinámica de todas las células eucarióticas, por lo tanto, su organización tiene directa influencia en la estructura de los tejidos. Molecularmente, es una compleja asociación entre polímeros proteicos c o m o l o s microfilamentos , microtúbulos   y los microtúbulos f i l a m e n t o s intermedios   con un intermedios conjunto variable de otras proteínas asociadas.

55 

 

 

Microfilamentos   Microfilamentos Son polimerizaciones de proteína globular actina y entre las funciones se destacan, dar rigidez a las microvellosidades de las células intestinales; formar o emitir pseudópodos permitiéndole a las células realizar el movimiento ameboideo; también son responsables de los movimientos citoplasmáticos llamados ciclosis; formar, en células animales, un anillo contráctil asociado con amiosinas en elen tabique interfásico en laprovocando citodiéresislay también se encuentran asociados la miosina la célula muscular contracción muscular.

Estructura de un sarcómero. El sarcómero, es la unidad anatómica y fisiológica que permite la contracción y la relajación muscular. Se muestran los microfilamentos proteicos de actina y miosina.

Microtúbulos   Microtúbulos Resultan por polimerización de la proteína globular tubulina. Forman parte de cilios y flagelos, esenciales en el desplazamiento de protistas unicelulares, gametos y larvas de invertebrados; muy importantes en epitelios del oviducto y de las vías respiratorias; contribuyen en la morfogénesis celulares; sirven como guías por las cuales se transportan proteínas y organelos en el citoplasma celular; formar el huso mitótico a partir del centro celular, por lo tanto, ser responsables de los movimientos de los cromosomas; constituir los centríolos y los cuerpos basales que son las estructuras de anclaje de cilios y flagelos. Participan en la traslación de vacuolas.

56 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Centrosomas   Centrosomas El centrosoma está localizado cerca del núcleo. Lo compone un par de centríolos centríolos   y el material pericentriolar.  pericentriolar.  Sin embargo, los centriolos son sólo observables en la célula animal. animal. Cada centríolo centríolo es  es una estructura cilíndrica compuesta por nueve complejos de tres microtúbulos (tripletes) microtúbulos (tripletes) dispuestos en forma circular. El eje longitudinal de uno de los centríolos está en ángulo recto con el eje longitudinal del otro. Alrededor de los centríolos se encuentra el material pericentriolar pericentriolar, , que contiene cientos de complejos anulares formados por la proteína tubulina. Estos complejos de tubulina constituyen el centro de organización de microtúbulos (COMT), (COMT), para el  el  crecimiento del huso mitótico,   estructura fundamental en la división celular y también en la formación de mitótico, microtúbulos en las células que no están en división activa. Previo a la división celular, los centríolos se replican de manera que las siguientes generaciones celulares tengan la capacidad de dividirse al heredar uno de estos complejos por cada célula hija resultante.

Los CENTROSOMAS de las células vegetales carecen de CENTRÍOLOS pero tienen microtúbulos bien organizados. Por eso, durante sus mitosis, el proceso se observa SIN ÁSTERES en los polos y se denomina ANASTRAL.

󰁡)

E󰁳󰁴󰁲󰁵󰁣󰁴󰁵󰁲󰁡 󰁤󰁥󰁬 󰁣󰁥󰁮󰁴󰁲󰁯󰁳󰁯󰁭󰁡. B) 󰁯󰁲󰁧󰁡󰁮󰁩󰁺󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 󰁭󰁩󰁣󰁲󰁯󰁴󰁵󰁢󰁵󰁬󰁡󰁲 󰁤󰁥󰁬 󰁣󰁥󰁮󰁴󰁲󰁯󰁳󰁯󰁭󰁡 

57 

 

 

Cilios y flagelos  flagelos  Los cilios y flagelos son proyecciones celulares especializadas y móviles de la superficie celular. Se presentan sólo en ciertos tipos celulares, cumpliendo funciones de desplazamiento celular. Cada cilio contiene un núcleo microtúbulos rodeado por la complejos membranados plasmática. Los microtúbulos se disponen así: de dos20centrales rodeados por nueve microtúbulos fusionados o dobletes. Cada cilio permanece unido a un cuerpo basal que se haya por debajo de la superficie de la membrana plasmática. La estructura de un cuerpo basal es similar a la de un centriolo y cumple funciones en el ensamblado tanto de cilios y de flagelos. El epitelio ciliado del tracto respiratorio, permite sacar fuera de los pulmones las partículas externas atrapadas en el moco, en la fibrosis quística la densidad anormal de mucosidad no permite el trabajo ciliar y con ello el funcionamiento normal del tracto respiratorio. El movimiento de los cilios también es paralizado por el humo del cigarrillo, por ello los fumadores tosen con frecuencia para eliminar las partículas extrañas de sus vías respiratorias. Las células ciliadas que revisten las trompas uterinas (tubas u oviductos) desplazan al ovocito II, cigoto y embrión temprano hacia el útero. No es de extrañar que las mujeres que fuman tengan mayor riesgo de embarazo ectópico (fuera del útero). Los flagelos mueven una célula entera, el único ejemplo en el cuerpo humano es la cola de los espermatozoides, que propulsa a éstos hacia su encuentro con el ovocito. Organismos ciliados. ciliados. Protistas unicelulares, que se distinguen por sus numerosos cilios, a la derecha Paramecium.  Los cilios se distribuyen regularmente en la superficie celular. Nótese que estas estructuras funcionan semejantes a microscópicos “remos” que en masivas cantidades permiten el desplazamiento de estos organismos. En la figura de abajo, una bacteria flagelada.. Si bien sus flagelos flagelada tienen como base estructural una proteína diferente (flagelina) la función de aloslosflagelos procariontes es análoga eucariontes: Permitir la locomoción y el traslado de la célula.  célula. 

S. typhi

58 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Esquema de un cilio con su cuerpo basal subyacente. subyacente. Observe que el centro del cilio se encuentra un par de microtúbulos a diferencia de los cuerpos basales y los centríolos.

Unidad 4 ESTRUCTURAS NO MEMBRANOSAS

Módulo 4

Filamentos intermedios  intermedios  Su nombre deriva de su diámetro, de 10 nm, menor que el de los microtúbulos, de 25 nm, pero mayor que el de los microfilamentos, de 7 nm. Son únicos de las células animales. Están formados por varias proteínas como queratina y vimentina. Son fibrosos. No se polimerizan ni despolimerizan como los microtúbulos y los microfilamentos. Su función es resistir la tensión. Hay diferentes tipos de filamentos intermedios en función a la composición de sus proteínas y su distribución celular. Son ejemplos de filamentos intermedios, los filamentos de queratina de las células epiteliales, los neurofilamentos que constituyen el citoesqueleto de las neuronas formando haces llamados neurofibrillas dando el soporte estructural y formando vías de transporte hacia y desde el cuerpo celular al axón y los filamentos que componen la lámina de la cara interna de la carioteca.

59 

 

 

Resumen de las funciones del citoesqueleto 1.

Participar en el movimiento ameboideo y en la emisión de seudópodos (microfilamentos).

2.

Participar en la citodiéresis (microfilamentos).

3.

Determinar el movimiento y separación de los cromosomas (husos de microtúbulos).

4.

Producir el movimiento de cilios y/o flagelos (microtúbulos).

5.

Participar en la contracción muscular (microfilamentos de actina-miosina).

6.

Determina la forma y el volumen celular, microtúbulos principalmente.

7.

Mantener los organelos en el lugar más adecuado para la célula y movilizarlos de un punto a otro (ciclosis).

Inclusiones No son considerados organelos ni estructuras específicas, pues son acúmulos de material de reserva o de sustancias no protoplasmáticas dentro del citosol. Son, generalmente, productos metabólicos de desecho o secreciones en tránsito, entre otras (por ejemplo, como depósitos de sustancias útiles, o sustancias inútiles en camino a exocitosis). Como ejemplo de inclusiones se puede citar a la melanina en el citoplasma de células de la piel (melanocitos), así como otros pigmentos en las células del iris de los ojos; el glucógeno en células musculares e hígado y los triglicéridos en los adipocitos.

60 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

EVALUACIÓN DE CONCEPTOS CLAVE Terminada la revisión y estudio de la unidad, marca en sí o en no si has comprendido y puedes explicar: CONCEPTO CLAVE

SI

NO

Organelo Citosol Citoplasma Núcleo Cromatina Nucléolo Mitocondrias Respiración Celular Cloroplastos Fotosíntesis Retículo Endoplasmático Rugoso Retículo Endoplasmático Liso Complejo de Golgi Lisosomas Proxisomas Ribosomas Citoesqueleto Repasa y refuerza con tu profesor aquellos conceptos clave que aun no dominas. 61 

 

 

UNIDAD 5. REPRODUCCIÓN CELULAR

Conceptos clave. Ciclo celular—Mitosis—Duplicación del ADN—Ploidía— Cariotipo—Cromosoma—Cromátida—Cáncer—Metástasis—Células madres— Clonación—Meiosis—Variabilidad genética—Gametogénesis—Mutaciones cromosómicas—Aneuploidías.

Introducción

La característica que mejor distingue a los organismos :

Todas las células provienen de otras células pre-existentes. Así Rudolf Virchow completaba, en 1858, la teoría celular. Posteriormente, en 1860, Pasteur amplía el aforismo señalando:

“la capacidad de reproducirse”   

vivum e vivo (todo lo vivo proviene de lo vivo) y “Omne refuta definitivamente la"idea de la generación espontánea. Al Esta única capacidad de respecto, hoy sabemos que todos los organismos vivos utilizan la procrear, como todas las división celular, como mecanismo de reproducción y desarrollo, funciones biológicas, tiene una base celular.  formación de órganos, reparación de tejidos y crecimiento del individuo. Los organismos unicelulares utilizan la división celular para la reproducción y perpetuación de la especie, una célula se divide en dos células hijas genéticamente idénticas entre sí e iguales a la original (a esto se le llama clones), manteniendo el número cromosómico y la identidad genética de la especie.

En cambio, en los organismos pluricelulares la división celular se convierte en un proceso cíclico destinado a la producción de múltiples células, todas idénticas entre sí, pero que posteriormente pueden derivar en una especialización y diferenciación dentro del individuo. Lo anterior permite la formación de distintos tejidos, órganos y sistemas. Es así como en los seres humanos podemos encontrar unas 1014  células, todas originadas por divisiones sucesivas de una célula progenitora, el cigoto, todas genéticamente iguales, pero diferentes en morfología y función. ¿Cómo podrías explicar esta aparente contradicción, células idénticas genéticamente y diferentes en forma y función ? 

62 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

El concepto de ciclo celular se utiliza para describir el proceso que se inicia al término de una división celular y acaba con el final de la siguiente división, en la que se habrán formado dos nuevas células, por lo tanto, el ciclo celular puede ser considerado como una compleja serie de fenómenos que culminan cuando el material celular duplicado se distribuy distribuyee en las células hijas. Esta división celular es sólo la fase final y microscópicamente visible de cambios previos a nivel molecular. Dicho de otro modo, el ciclo celular es la serie de eventos que transcurren desde que una célula se forma por división de una preexistente hasta que se divide y da origen a dos células hijas.

El axioma de Rudolf Virchow, lleva implícito el concepto de división celular. Esto significa que, una vez terminado su desarrollo, toda célula tiene dos posibilidades: dividirse hasta alcanzar un cierto tamaño o, por el contrario, diferenciarse o morir si ha perdido la capacidad de división celular .

CICLO CELULAR Y MITOSIS En los procariontes el proceso de división es sencillo y recibe el nombre de fisión binaria o simple bipartición. En cambio, en los eucariontes el proceso divisional es mucho más complejo, debido a que en los eucariontes el ADN está organizado en forma de cromatina, la que se compacta antes de llevarse a efecto la división del material genético propiamente tal, formando unidades denominadas cromosomas. A pesar de las diferencias observadas entre procariontes y eucariontes, existen numerosos puntos en común entre la división celular de ambos tipos de células. 63 

Todas las células deben pasar por cuatro etapas. 1. Crecimiento  2. Duplicación del ADN.  3. Separación del ADN.  4. Formación

de células "hijas" con lo que finaliza la división celular. 

 

 

División en procariontes  procariontes  Los procariotas se reproducen típicamente por fisión binaria o simple bipartición. Una célula "madre" duplica su material genético y

trata de una reproducción asexual. Luego de numerosas multiplicaciones a partir de una célula, se obtiene un clon o colonia de células

celular, que se reparte equitativamente dando lugar a dos células "hijas" genéticamente idénticas a la original. Se

iguales. En este caso, los genes se transfieren verticalmente, de generación en generación, de la célula madre a las células hijas.

Reproducción asexual 

Las bacterias se multiplican por bipartición o división binaria, tras la replicación del ADN, que está dirigida por la ADN polimerasa de los mesosomas, la pared bacteriana crece hasta formar un tabique transversal que separa las dos nuevas bacterias (Simple división). 

El material genético se reparte equitativamente entre las células hijas de las células procariontes, gracias a una estructura membranosa denominada mesosoma que forma parte de la membrana.

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

División en eucariontes La división celular en eucariontes es un proceso complejo, regulado por numerosos genes. En general, cuando

de un ciclo celular. Así, toda vez que una célula es estimulada para dividirse repite paso a paso lo experimentado por las células

una célula eucarionte es estimulada para dividirse, ésta debe iniciar una serie de procesos secuenciales, que en definitiva culminan con la división celular. Dado que esta secuencia de procesos siempre debe darse, se habla

que a su vez la originaron. Es importante recordar, que las células originadas en estas divisiones son genéticamente idénticas entre sí e idénticas con las células precursoras (progenitoras). Por esto, puede afirmarse que las células formadas constituyen clones de las células anteriores.

Representación tradicional del ciclo celular mostrando sus etapas; interfase y división celular.

Representación de los cambios en la estructura del material genético en las diferentes etapas del ciclo celular.

65 

 

 

Cromosomas y ADN durante el ciclo celular El número de cromosomas célula es igual al número centrómeros y el número moléculas de ADN equivale número de cromátidas.

por de de al

Ploidía Una célula humana lleva duplicada su información genética, diríamos que sus cromosomas están literalmente repetidos. Portamos para cada tipo de cromosomas dos unidades, una materna y otra paterna (cromosomas (cromosomas homólogos). homólogos). En general los dos cromosomas de un par homólogo se parecen en su estructura y tamaño y cada uno contiene información genética para el mismo conjunto de características hereditarias. Por ejemplo si un gen de un cromosoma particular codifica una característica, como el color del cabello otro gen denominado alelo en la  la  misma posición   (locus),  posición (locus),  en su cromosoma homólogo también codifica el color del cabello, sin embargo no es necesario que los alelos sean idénticos: uno puede determinar el cabello negro y el otro alelo el cabello rubio. Si una célula posee doble información genética es diploide (2n) pero no todas las células eucariontes son diploides: las células reproductoras como los óvulos y los espermatozoides poseen un solo conjunto de cromosomas células denominadas haploides haploides   (n). Las células haploides poseen una sola copia de cada gen.

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Variación de la cantidad de ADN (c) durante un ciclo celular. En la especie humana, por ejemplo, 46 cromosomas y 46 macromoléculas de ADN. Diríamos que por cada “n”  habría un “n” habría número idéntico de ADN, que llamaremos “c”.. Luego como la célula humana es “c” diploide es “2n” “2n”   y tendría, “2c” “2c”   en cantidad de ADN. Sin embargo, esto puede cambiar, dado que durante la fase S se duplica la cantidad de ADN y no se altera la cantidad de cromosomas. Así, en G2  se inducirían cromosomas de aspecto similar a los formados en Profase, cromosomas dobles; es decir, en G2 por cada “n” habrá  “2c”, por consiguiente diríamos que estamos en presencia de una célula “2n” y “4c”.  “4c”. 

Anteriormente se enfatizó que una misma célula puede mantener la cantidad de cromosomas (mantener la ploidía) y sin embargo, ver modificado su contenido de ADN. Las células que están en G1  o que se encuentran en reposo proliferativo (G0), formarían, si fuesen inducidos, cromosomas simples. En consecuencia, por cada cromosoma habría una macromolécula de ADN.

Variación en la cantidad de ADN durante el ciclo celular.

El valor C (expresión creada por Hweson Swift) se define como la cantidad de ADN por genoma haploide (un solo juego cromosómico), en el caso d e los organismos diploides como el ser humano, el valor C es la cantidad correspondiente a un ju ego de 23 cromosomas. La cantidad de ADN de una célula se expresa en picogramos (pg) unidad de masa que equivalen a la billonésima parte de un gramo. 1 pg pg =  = 0,000000000001 g = 10 -1 2  g

67 

 

 

Cariotipos

 

Para estudiar la constitución cromosómica de un individuo, y, por extensión, la de la especie a la cual pertenece, los cromosomas son fotografiados a partir de células detenidas en metafase, la fase más adecuada para la observación de los cromosomas. Para ello se rompe la célula, por ejemplo: mediante choque osmótico, los cromosomas se tiñen, se aplastan para que se extiendan y a continuación se fotografían, se ordenan de mayor a menor tamaño en parejas de homólogos. Luego se usa un segundo criterio que corresponde a la ubicación del centrómero y finalmente los pares homólogos se enumeran, en este ejemplo, del 1 al 22 los pares de cromosomas autosómicos y sin numerar el par sexual. Este ordenamiento se denomina cariotipo.

68 

 

 

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Ciclo celular En una célula en proceso de división, se alterna con la interfase interfase   o período de crecimiento. La primera parte de la interfase, llamada G 1, va seguida de la fase S, cuando los cromosomas se duplican; la última parte de la interfase se llama G2. En la fase M, la mitosis divide el núcleo y distribuye sus cromosomas de manera equilibrada, y la citocinesis el en citoplasma hijas . A continuación se revisan estosdivide procesos detalle: para producir dos células hijas.

Interfase La interfase es de gran importancia para el adecuado desarrollo del ciclo celular. No es un momento de reposo, pues en ella tiene lugar una gran actividad metabólica (bioquímica),, caracterizada por la síntesis de importantes tipos de macromoléculas e (bioquímica) incluso la duplicación de organelos celulares. La mayoría de las células pasan la parte más extensa de su vida en interfase. Ésta se puede subdividir para su estudio en tres periodos: G1, S y G2.

G1:  este periodo  periodo  sigue a la mitosis anterior y

corresponde a la fase de crecimiento celular. No se aprecian los cromosomas, ya que el material genético se encuentra disperso en el interior del núcleo celular en forma de cromatina (ADN asociado a múltiples tipos de proteínas de las que sobresalen las Histonas). Los genes se transcriben de acuerdo con los requerimientos metabólicos que presenta la célula en cada momento. En el Interfase en célula animal. citoplasma se suceden los diferentes procesos metabólicos y los organelos celulares se multiplican, mientras la célula crece. No hay síntesis de ADN, sí puede haber reparación del DNA dañado. El período de G1 es el más variable, puede durar días, meses o años .Una vez que la célula ha crecido, donde deberá “decidir” si inicia un nuevo camino que la lleve a volver a dividirse o bien, se encamine hacia un estado no proliferativo (llamado estado G0). Este último estado se caracteriza por la adquisición de funciones específicas de cada tipo de tejido en el individuo pluricelular (diferenciación celular). Si la célula es estimulada para iniciar un nuevo proceso divisional, la célula inicia las síntesis de sustancias que se requerirán en la siguiente fase.

S:  Es el período  período  de síntesis de ADN. En él, la doble hélice se abre en diversos puntos

(horquillas de replicación) donde replicación) donde se inicia la síntesis del ADN (replicación del ADN). No queda ningún sector del ADN sin duplicar.

G2: periodo que antecede a la mitosis. En este periodo el ADN ya está duplicado, es decir,

la célula contiene el doble de ADN que una célula en estado G1. Además, al final de este período se inicia un lento pero sostenido empaquetamiento que conducirá, durante la mitosis, a la formación de los diferentes cromosomas. También reparación dañado yque comienza síntesis de su proteínas necesariasy para la existe conformación dedellaADN cromatina inicia lalentamente enrollamiento compactación. 69 

 

 

Duplicación cromosómica y distribución durante la división celular.  La célula eucarionte se prepara para dividirse duplicando cada uno de sus cromosomas, esto ocurre en la interfase, periodo S. S. Luego las copias de cada cromosoma se distribuyen entre las dos células hijas durante la división celular (M y citoquinesis o citodiéresis). Una célula eucarionte tiene múltiples cromosomas, uno de los cuales está representado aquí. Ant es de la duplicación cada cromosoma tiene una única molécula de ADN.

Una vez duplicado un cromosoma se compone de dos cromátidas hermanas conectadas en el centrómero. Cada cromátida contiene una copia de la molécula de ADN.

Procesos mecánicos separ an las cromátidas hermanas en dos cromosomas y los distribuyen en dos células hijas.

Unidad 5 CICLO CELULAR

Módulo 1 70

70 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Fase M Es la última etapa de ciclo celular y culmina produciendo a la vez dos sucesos; mitosis mitosis   y citocinesis citocinesis,, en la que los cromosomas y el contenido citoplasmático (organelos) se distribuyen equitativamente entre las células hijas. En esta fase no no   se aprecia actividad metabólica, la célula está comprometida con la división.  división.  La Mitosis Mitosis   corresponde a la división del núcleo,, por ello es importante recalcar que núcleo una célula no se divide por mitosis, sino que en la división celular el material genético primero se reparte equitativamente y ese proceso recibe el nombre de mitosis.

Recuerda que puede haber mitosis y no citodiéresis, en cuyo caso no ha existido división celular, originándose dos o más núcleos por célula. Aunque la mitosis es un proceso continuo se acostumbra a dividirlo para su estudio y reconocimiento en cuatro fases distintas llamadas: profase, metafase, anafase y telofase. Se puede destacar que aunque el estudio lo haremos en una célula animal, este proceso se produce de una manera similar en las células de otros tipos de eucariontes, incluidos vegetales. Las fases de la mitosis son: profase, metafase, anafase y telofase. En esta guía como en textos que usted consulte las puede encontrar en su fase temprana (inicios) o tardía (más hacia el término).

Fases de la mitosis en célula animal.

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Etapas de la Mitosis a) Profase En Es la fase más larga y en ella suceden una serie de fenómenos tanto en el núcleo como en el citoplasma. La envoltura nuclear empieza a fragmentarse y los nucléolos van desapareciendo progresivamente. Durante la mayor parte de la vida de una célula eucarionte, el ADN se encuentra confinado en el núcleo asociado a proteínas, constituyendo cromatina. Sin embargo, cuando las células están en división, la cromatina se compacta formando estructuras discretas visibles al microscopio, los cromosomas.  cromosomas.  La compactación de la cromatina es tal que el cromosoma es aproximadamente 10.000 veces más corto que la macromolécula de ADN que contiene. Puesto que el ADN se duplicó en el periodo S de la interfase, cada cromosoma está formado por dos cromátidas, las que se mantienen unidas por el centrómero. Cada cromátida está constituida por una fibra de cromatina idéntica a la de la otra cromátida. Cada fibra de cromatina porta una macromolécula de ADN bicatenario.

las células animales un

par de

centríolos (ubicados en el centrosoma centrosoma) han duplicado en interfase (fase S y G)2)sey han dado lugar a dos pares de centriolos que constituirán los focos de los ásteres (distribución radial de microtúbulos). Los dos ásteres que al principio están juntos se separan a polos opuestos de la célula y los haces de microtúbulos se alargan y forman un huso mitótico o huso acromático bipolar.. bipolar as células vegetales no tienen centríolos y el huso acromático se forma a partir del centrosoma acentriolado. acentriolado. Estos husos sin centríolos se llaman husos anastrales y están menos centrados en los notar polos.que En este punto, es importante hacer en las células animales, en las que se han destruido los centríolos, la mitosis se lleva a efecto normalmente.

Esquema de Profase en célula animal.

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b)

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Metafase

El huso mitótico ya está perfectamente desarrollado. Los cinetocoros de los cromosomas interaccionan por medio de unos microtúbulos con los filamentos del huso y los cromosomas son alineados en la placa ecuatorial de ecuatorial de la célula o placa metafásica. metafásica. En esta fase los cromosomas se encuentran todos en la zona ecuatorial, orientados perpendicularmente a los microtúbulos que forman el huso acromático constituyendo la denominada placa ecuatorial. ecuatorial .

Organización de la placa ecuatorial durante la metafase en una célula animal. 

c)

Anafase

Los cinetocoros se separan y cada cromátida es arrastrada hacia un polo de la célula. El movimiento se produce por un desensamblaje de los microtúbulos, fundamentalmente a nivel de los cinetocoros. Al desplazarse cada cromátida, sus brazos se retrasan formando estructuras en V con los vértices dirigidos hacia los polos.

Anafase en célula animal donde se destaca la separación de las cromátidas.  73 

 

 

d) Telofase

Telofase en célula animal.

Los cromosomas son revestidos por fragmentos del retículo endoplasmático que terminarán “soldándose” para constituir la envoltura nuclear. Poco a poco los cromosomas van desenrollándose y se desfiguran adquiriendo el núcleo un aspecto cada vez más interfásico, los nucléolos comienzan a reaparecer. Los microtúbulos del huso se agrupan en haces por la aparición en la región media de cilindros de una sustancia densa y pierden sus conexiones con los polos. Finalmente los cilindros se fusionan en un solo haz y la célula se divide en dos.

Citocinesis La división del citoplasma se inicia ya al final de anafase y continúa a lo largo de la telofase. Se produce de manera distinta en las células animales y en las vegetales. En las células animales tiene lugar por simple estrangulación de la célula a nivel del ecuador del huso. La estrangulación se lleva a cabo gracias a proteínas ligadas a la membrana que formarán un anillo contráctil.

Citocinesis de célula animal, donde se destaca el surco de segmentación que terminara separando la célula en dos.

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

En las células vegetales aparece un sistema de fibras formado por microtúbulos: el fragmoplasto fragmoplasto.. En su plano ecuatorial se depositan pequeñas vesículas que provienen de Estas los dictiosomas  dictiosomas   del aparato de Golgi. vesículas contienen sustancias pécticas que formarán la lámina media. media. Todo ello crece desde adentro hacia afuera. La división no es completa entre ambas células hijas, manteniéndose algunos poros de comunicación citoplasmática: los plasmodemos.. plasmodemos Posteriormente se depositan el resto de las capas que forman la pared celular. Es más, cada célula hija depositará a su alrededor una nueva pared celular. Las paredes celulares de las células vegetales se estiran hijas y secrecer. rompen permitiendo a las células

Unidad 5 MITOSIS

Módulo 2

Citocinesis de célula vegetal.

75 

 

 

Desarrolle 1. Células en reposo proliferativo (G0) son inducidas a entrar en división y al mismo tiempo son incubadas en presencia del nucleótido de Timina marcado radiactivamente. Si la célula continúa con la mitosis, ¿la distribución de la marca en los cromosomas durante la metafase será cómo lo muestra el cromosoma A o el cromosoma B? Fundamente.

A)

B)

2. Completa con el número de cromosomas las diferentes etapas del ciclo celular.

Al comparar la metafase con la anafase. ¿Cambia el número de cromosomas y de moléculas de ADN por célula? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

CONTROL DE LA DIVISIÓN CELULAR Durante el proceso de división celular la célula pasa por al menos tres puntos de control (checkpoints). Estos puntos son responsables de verificar la integridad del material genético, reparando daños producidos durante la síntesis de ADN o durante la mitosis, ellos son:

Punto de control G1 En este punto, conocido como punto de restricción el sistema de control de la célula pondrá en marcha el proceso que inicia la fase S. El sistema evaluará la integridad del ADN (que no esté dañado), la presencia de nutrientes en el entorno y el tamañoactúan celular. es donde generalmente las Aquí señales que detienen el ciclo (arresto celular).

Punto de control G2  En él se pone en marcha el proceso que inicia la fase M. En este punto, el sistema de control verificará que la duplicación del ADN se haya completado (que no esté dañado), si es favorable el entorno y si la célula es lo suficientemente grande para dividirse.

Punto de control de la metafase o del huso Verifica si los cromosomas están alineados apropiadamente en el plano metafásico antes de entrar en anafase. Este punto protege contra pérdidas o ganancias de cromosomas.

Puntos de Control e Ingreso de la información reguladora al Sistema de Control del Ciclo Celular.

77 

 

 

CÁNCER  El cáncer no es una enfermedad, sino más bien muchas enfermedades. De hecho, hay 100 tipos diferentes de cáncer. Estos diferentes tipos de cáncer se desarrollan a partir de células normales, proceso que se denomina transformación transformación.. El primer paso de éste es la iniciación iniciación en  en donde un cambio en el material genético de la célula la prepara para ser transformada en cancerosa. Este cambio es causado por un agente carcinógeno el que puede ser un producto químico, un virus, radiación o luz solar, etc., pero no todas las células son igualmente sensibles a los agentes carcinógenos. Una alteración provocada por un agente a nivel genético en la célula, conocido como promotor, pueden aumentar la posibilidad de que las células

•

se conviertan en cancerosas. siguiente paso es la promoción promoción, , dondeEluna célula que ha iniciado su cambio se transforma en cancerosa. La promoción no tiene efecto sobre las células que no han sido sometidas al proceso de iniciación. Por lo tanto, son necesarios varios factores, a veces la combinación de una célula sensible y un agente cancerígeno para causar el cáncer.

Existe una citoplasmática • elevada, con relación nucléolosnúcleo prominentes.

• Las células cancerosas son angiogénicas angiogénicas,,

Las células tumorales presentan un set específico de características que las distinguen de las células normales. Estas características le permiten a cada célula

es decir que generan factores que inducen la formación de nuevos vasos sanguíneos a fin de suministrarle los recursos materiales y energéticos para su desarrollo y

individual formar una masa tumordely eventualmente invadir a otrasdepartes cuerpo. • Las células tumorales experimentan cambios morfológicos y estructurales.. Generalmente son más estructurales redondeadas que las normales, porque se han alterado las moléculas de adhesión celular que posibilitan las uniones intercelulares. La reducida adhesividad intercelular y las alteraciones en el citoesqueleto contribuyen a sus cambios morfológicos.

metástasis secundarias. No todos los tumores son cancerosos. Los tumores pueden ser benignos o malignos. Los tumores benignos  benignos  no son cancerosos. Generalmente se pueden extraer (extirpar). En la mayoría de los casos, estos tumores no vuelven a crecer. Las células de los tumores benignos no se diseminan o riegan a otros tejidos o partes del cuerpo. En cambio los tumores malignos son malignos son cancerosos.

Las células cancerosas tienen un índice mitótico elevado, elevado, es decir se dividen con mayor rapidez que las normales. Estas se multiplican en ausencia de factores estimulantes del crecimiento, por las células normales requeridos para su proliferación. Sin embargo, las células cancerosas sintetizan sus propios factores de crecimiento que actúan en forma autocrina y paracrina, estimulando las células tumorales circundantes. Por lo tanto se ha producido en ellas una alteración del ciclo celular, con modificación de los reguladores naturales de la mitosis. Esto se evidencia en cultivos in vitro  de células tumorales, las cuáles perdido la inhibición por contacto.

•

Las células tumorales malignas pueden desprenderse del tumor primario, pasar a la circulación y formar tumores secundarios en otros órganos, fenómeno denominado metástasis.

78 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Las células en estos tumores pueden invadir el tejido a su alrededor y diseminarse (regarse) a otros órganos del cuerpo (metástasis (metástasis). ).

Cáncer de mamas: desde la formación del tumor t umor hasta la propagación (metástasis). (metástasis).  

Secuencia de eventos en el desarrollo de carcinogénesis, diagnóstico y tratamiento (terapia). Agentes cancerígenos producen mutaciones o cambios en el ADN (virus, rayos X, luz ultravioleta, hidrocarburos, tabaco, otros).

Muerte espontánea (apoptosis) de células cancerosas o inducida por quimio y/o radioterapia.

Tejido sano, cancerosas.

libre

de

células

Células normales

Células cancerosas en tumor primario local. • (alto Índice Mitótico, IM) • Organización distinta al tejido normal; tamaño celular menor.

Células que migran a través del intersticio, linfa o sangre. Pueden producir tumores secundarios o metástasis en tejidos y órganos vecinos y remotos.

La apoptosis, es una forma de muerte celular desencadenada por señales celulares controladas genéticamente. Estas señales pueden originarse en la célula misma o de la interacción con otras células.

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Bases genéticas del cáncer El cáncer puede aparecer al provocarse daños en el material genético o mutaciones en un grupo de genes que regulan la normal reproducción celular.

supresores o inhibidores de tumores llamados antioncogenes antioncogenes,, los que se inactivan. También se altera el funcionamiento de una serie de genes que

Cuando se producen en los protooncogenes, protooncogenes , se mutaciones transforman en oncogenes.. Además están los genes oncogenes

regulan la migración celular y por lo tanto, se promueven la invasión a los tejidos.

RESUMEN DE LAS BASES GENÉTICAS DEL CÁNCER   Protooncogenes Promueve el crecimiento y división celular 

Antioncogenes

Inhiben la formación de tumores 

Genes Reguladores de la migración celular

Mutaciones

Oncogenes

Mutaciones

Se inactivan

Mutaciones

Promueven Metástasis

Causas del cáncer La carcinogénesis es el proceso por el cual las células de nuestro organismo se transforman en células neoplásicas. Se produce por múltiples pasos a nivel fenotípico y genotípico. Normalmente este proceso está causado por uno o varios agentes, denominados agentes cancerígenos o mutagénicos, elementos que causan mutaciones en proto-oncogenes, genes

supresores de tumores, y, posiblemente, genes de reparación del ADN. Están los factores hereditarios y los ambientales. Menos del 20% de los cánceres son de causa hereditaria y casi un 80% de esta patología son de causa ambiental (virus, radiaciones, alimentaria, etc.).

Proteína p53, el guardián del genoma Como hemos mencionado en los párrafos precedentes, tanto en el punto de control G1  como G2 se verifica la integridad del ADN. Ante la presencia de ADN dañado se dañado se genera una señal que retrasa la entrada en fase M. El mecanismo depende de una proteína llamada p53,, que se acumula en la célula en respuesta a las alteraciones de ADN, deteniendo el p53 sistema de control en G1 y por lo tanto impidiendo la posterior entrada en mitosis. El gen p53 es uno de los genes supresores de tumores más más   conocidos, que no solo detiene el ciclo (arresto celular), sino también participa en la apoptosis la apoptosis (muerte  (muerte celular programada) forzando a las células al suicidio cuando el daño en el ADN es irreparable. Las células que presentan los dos alelos del gen p53 mutados (recuerda que somos diploides), tendrán proteína p53 no activa  activa  y por lo tanto continuarán dividiéndose a pesar del daño en su genoma, por lo tanto desarrollarán cáncer cáncer.. Las mutaciones del gen p53 presenta una alta incidencia en la mayoría de los cánceres humanos (aproximadamente un 50% de los cánceres humanos muestran alteraciones en el gen p53). A continuación se presenta una tabla que resume los factores causantes del cáncer.

80 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Factores   Factores

Características   Características

Hereditarios 

En algunos, la fragilidad intrínseca cromosómica cromosómica cconlleva onlleva un riesgo elevado de cáncer. Algunas formas de cáncer son son de mayor frecu frecuencia encia familiar; como por ejemplo el cáncer de mama. El cáncer de colon es más frecuente en las familias con tendencia tendencia a presentar presentar pólipos de colon.  Virales:: Los virus oncogénicos pueden insertar sus genes en diferentes Virales lugares del genoma animal. Un oncogén viral se inserta en conexión con un oncogén celular, celular, influye en su expresión e induce cáncer. cáncer.  Los oncogenes tienen una localización dentro del cromosoma próximos a los puntos frágiles o puntos de ruptura.  En el ser humano: el  el  virus de Epstein-Barr se asocia con el linfoma de Burkitt y los linfoepiteliomas linfoepiteliomas;; el virus de la hepatitis  hepatitis  con el hepatocarcinoma;; y el virus herpes tipo II, virus del herpes genital y hepatocarcinoma virus papiloma humano  humano  con el carcinoma de cérvix. cérvix. Todos estos virus asociados a tumores humanos son del tipo DNA. DNA.  Radiaciones: Las radiaciones ionizantes produce cambios en el DNA, Radiaciones: DNA, como como   roturas   o  trasposiciones cromosómicas  roturas cromosómicas  Actúa como iniciador de la carcinogénesis, induciendo alteraciones que progresan hasta convertirse en cáncer después de un periodo de latencia de varios años. 

Ambientales 

Productos Químicos: Químicos: Algunos actúan como  como  iniciadores. iniciadores. Los iniciadores iniciadores   producen cambios irreversibles en el DNA.  Otros son promotores, promotores, no  no producen alteraciones en el DNA, pero sí un incremento de su síntesis y una estimulación de la expresión de los genes.. Su acción solo tiene efecto cuando ha actuado previamente un genes iniciador, y cuando actúan de forma repetida. El humo del tabaco, por ejemplo, contiene muchos productos químicos iniciadores y promotores. El alcohol es también un importante promotor. Los carcinógenos químicos producen también roturas y translocaciones translocaciones cromosómicas. cromosómicas.  El humo de tabaco, inhalado inhala do de forma activa o pasiva; es responsable de cerca del 30% de las muertes por cáncer.  Inmunes: Algunas enfermedades o procesos que conducen a una situación Inmunes: de déficit del sistema inmunológico son la causa del desarrollo de algunos cánceres. Esto congénitas, sucede en el deficitariasdedelfármacos sistema inmunológico o SIDA, debidoenfermedades a la administración inmunodepresores.  Alimentarios: Dieta con un alto contenido en grasas saturadas y pobre en Alimentarios: fibra, es decir, en frutas y verduras puede ser responsable del 40% de los casos de cáncer. 

Unidad 5 CÁNCER

Módulo 3

81 

 

 

Desarrollo 1. El gráfico presenta la incidencia del cáncer en mujeres en relación con la edad. Al respecto, elabore una hipótesis que explique por qué el siguiente gráfico es tan empinado y curvado a partir los 40 años si las mutaciones se producen con una frecuencia similar durante toda de la vida de las personas

󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦

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󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦󲀦

82 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

CÉLULAS MADRES Células madre.

Podría decirse que las células madre son células que no tienen un papel asignado en el organismo. De la misma forma que un actor espera la llamada de un casting que le asigne un papel, las células madre esperan una señal que les diga en qué se tienen que convertir, ya que son capaces de originar muchos tipos de células diferentes. Este proceso es lo que se conoce como diferenciación celular o transformación. Mientras esa señal llega, las células madre aguardan pacientemente y se dividen en forma lenta, constante e indefinidamente para originar nuevas células madre. Las células madre se han clasificado en  en  células madre embrionarias o totipotenciales y células madre órgano-específicas o pluripotenciales pluripotenciales..

Origen de las células madre embrionarias y tipos de células que la originan.

83 

 

 

Las células madre embrionarias o totipotenciales   derivan de la masa celular totipotenciales interna del embrión de hasta 16 células y son capaces de generar TODOS TODOS   los diferentes tipos celulares del cuerpo En cambio las  las  células madre órganoespecíficas o pluripotenciales  pluripotenciales  derivan, tras muchas divisiones celulares, de las células madre embrionarias y son capaces de originar las células de un órgano concreto en el embrión, y también, en el adulto. El ejemplo más claro de células madre órgano-específicas, es el de las células

madre hematopoyéticas, hematopoyéticas, que son capaces de generar todos los tipos celulares de la sangre y del sistema inmune. Pero estas células madre existen en muchos más órganos del cuerpo humano, como la piel, tejido graso subcutáneo, músculo cardíaco y esquelético, cerebro, retina, páncreas, etc. Al día de hoy, se han conseguido cultivar (multiplicar) estas células tanto in -vitro  (en el laboratorio), como in-vivo  (en un modelo animal) utilizándolas para la reparación de tejidos dañados.

CÉLULA MADRE HEMATOPOYÉTICA

Proeritroblasto

Mieloblasto

Linfoblasto

Monoblasto

Megacarioblasto

Progranulocito Megacariocito Eritroblasto Mielocito basófilo basófilo

Mielocito eosinófilo

Mielocito neutrófilo

Eritroblasto policromático

Desintegración del megacariocito

Este artículo puede incluir 75Célula en Célula en Célula en 125 palabras. banda neutrófila Reticulocito banda basófila banda eosinófila La selección de imágenes o gráficos es importante al agregar contenido al boletín.

Eritrocitos

parezcan estar fuera de contexto.

Microsoft Publisher incluye miles de imágenes prediseñadas que puede importar a su boletín, además de Plaquetas herramienMonocito Piense en el artículo y pregúntas para dibujar formas y símEosinófilo Basófilo tese Neutrófilo si la imagen mejora elLinfocito bolos. mensaje que intenta transmitir. Evite seleccionar imágenes que

Granulocitos

Leucocitos

Una vez elegida la imagen,

Agranulocitos

Célula madre hematopoyética y origen de las células sanguíneas.   sanguíneas.

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

CLONACIÓN La clonación puede definirse como el proceso por el que se consiguen copias idénticas de un organismo adulto organismo  adulto y  y de forma asexual asexual   La posibilidad de clonar se planteó con el descubrimiento del ADN y el conocimiento de cómo se transmite y expresa la información genética en los seres vivos.  vivos.   Para entender mejor esto hace falta recordar brevemente cómo “está hecho” un ser vivo. Un determinado animal está compuesto por millones de células, que vienen a ser como los ladrillos que forman el edificio que es el ser vivo. Esas células tienen aspectos y funciones muy diferentes. Sin embargo todas ellas tienen algo en común: en sus núcleos presentan unas largas cadenas que contienen la información precisa de cómo es y cómo se organiza el organismo: el ADN. Cada célula contiene toda la información sobre cómo es y cómo se desarrolla todo el organismo del que forma parte. parte . Esto es así por una razón muy sencilla: todas las células de un individuo derivan de una célula inicial, el cigoto las que se han generado por división celular (mitosis y citocinesis) de una única célula. Entonces, podemos decir que un organismo pluricelular es un clon del cigoto. cigoto .

󰁃󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡 󰁧󰁬󰃡󰁮󰁤󰁵󰁬󰁡 󰁍󰁡󰁭󰁡󰁲󰁩󰁡 󰁃󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡 󰁮󰁥󰁲󰁶󰁩󰁯󰁳󰁡 󰁃󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡 󰁭󰁵󰁳󰁣󰁵󰁬󰁡󰁲

󰁃󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡󰁳 󰁲󰁥󰁰󰁲󰁯󰁤󰁵󰁣󰁴󰁯󰁲󰁡󰁳 (󰃳󰁶󰁵󰁬󰁯󰁳 󰁹 󰁥󰁳󰁰󰁥󰁲󰁭󰁡󰁴󰁯󰁺󰁯󰁩󰁤󰁥󰁳󰀩

󰁃󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡󰁳 󰁥󰁭󰁢󰁲󰁩󰁯󰁮󰁡󰁲󰁩󰁡󰁳 (󰁰󰁯󰁣󰁯 󰁤󰁩󰁦󰁥󰁲󰁥󰁮󰁣󰁩󰁡󰁤󰁡󰁳󰀩

85 

 

 

¿Cómo se clonó a Dolly? Dolly ha sido el primer animal superior clonado, es decir, generado a partir de una célula diferenciada o somática, sin que hubiese fecundación. Esa célula procedía de un cultivo de células obtenidas a partir de la ubre de la oveja que se quería clonar. Como hemos dicho antes, de un determinado tejido cuando se mantienen vivas fuera como del cuerpo cultivo-,lasnocélulas dan espontáneamente embriones, sino más células diferenciadas ellas:-en no  “recuerdan” cómo se lleva a cabo el programa embrionario. embri onario. Para lograr que una de esas células “recuperase la memoria” y diera lugar a un nuevo ser, se recurrió a una técnica denominada transferencia nuclear: nuclear: se tomó el núcleo de esa célula, que es la parte que contiene el ADN y por tanto la información, y se fusionó con el citoplasma de un óvulo procedente de otra oveja, al que previamente se había eliminado el núcleo. Se utilizó un óvulo porque es una célula equipada para el desarrollo embrionario, y su citoplasma (el contenido que rodea al núcleo) vendría a ser de algún modo el entorno adecuado para que el núcleo de la célula adulta se reprogramara. Y, en efecto, así fue: esa célula se transformó en un embrión y comenzó el complejo programa embrionario, de manera idéntica al que se obtiene por la fusión de un óvulo y un espermatozoide. Tras unos días de crecimiento in vitro  el embrión se implantó en una madre de alquiler y 148 días después nació Dolly, una oveja genéticamente idéntica de aquella desde la cual se obtuvo las células de la ubre.

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

TRABAJO CIENTÍFICO J. Gurdon  Gurdon  (1962) consiguió, en  Xenopus laevis (rana africana), implantar núcleos de epitelio de intestino de la larva y obtener larvas y adultos. Estos últimos se produjeron en una proporción muy pequeña respecto del número inicial de núcleos trasplantados. 

Óvulo anucleado

Al respecto conteste 1. ¿La rana adulta corresponderá a la línea salvaje o a la línea albina? Fundamente ............................... ............. ................................ ................................. ................................. .............................. ................................. ................. ............................... ............. ................................ ................................. ................................. .............................. ................................. .................

2. ¿Qué relación tiene este experimento con el que originó a la oveja Dolly? …….............................. …….............. .............................. ................................. ................................. ................................ ............................ .......... ............................ ............ .............................. ................................ .................................. ............................... ................................... ....................  

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MEIOSIS La reproducción sexual implica sexual implica la singamia o fecundación, es decir la fusión de gametos para producir un cigoto, que al desarrollarse formará un embrión y éste a su vez un nuevo individuo. Su importancia se debe a que en el cigoto se combinan caracteres paternos y maternos, resultando diferente genéticamente a cada uno de los padres, situación distinta a la observada en la reproducción asexuada, donde los descendientes son clones de los progenitores. En cambio, la reproducción sexual permite variación biológica tanto por recombinación genética como por reordenamiento de genes. Esto permite a los seres vivos evolucionar mediante el mecanismo de se selección lección natural.

Gametos y reproducción sexual La reproducción sexual siempre involucra dos hechos: meiosis meiosis y  y fecundación fecundación.. La meiosis es un tipo especial de división nuclear en la que se producen células haploides con combinaciones únicas de genes. La fecundación es el medio por el cual las dotaciones genéticas de ambos progenitores se reúnen y forman una nueva identidad genética en la de la progenie, reestableciéndose en ella el número diploide (2n) propio de la especie. Es importante tener claro, que la reproducción sexual no podría existir sin meiosis.

División celular por meiosis La meiosis es un tipo especial de división nuclear que consiste  en una duplicación del ADN seguida de dos divisiones nucleares sucesivas, designadas convencionalmente como Meiosis I y Meiosis II. Los efectos de la Meiosis son:

1.

La reducción del número de cromosomas de 2n (diploide) a haploide(n) y

2.

Recombinación de genes parentales. Las únicas células que experimentan el proceso meiótico son las de la línea germinal, aquellas que van a formareslos decir, gametos tanto masculinos como femeninos.

Etapas de la meiosis Meiosis I o etapa Reduccional 

Meiosis II o etapa Ecuacional 

Profase I  Metafase I  Anafase I 

Profase II  Metafase II  Anafase II 

Telofase I 

Telofase II 

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Las dos divisiones consecutivas del núcleo celular; la primera es reduccional y la segunda equilibrada.

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PRIMERA DIVISIÓN REDUCCIONAL

MEIÓTICA

(MEIOSIS

I):

Profase I

Tétrada

Quiasma

Como consecuencia de la permutación cromosómica cada célula que resulta del proceso de meiosis I obtiene una combinación diferente de cromosomas maternos y paternos. Por este proceso de distribución al azar de cromosomas se pueden obtener 2 elevado a n (2 n )   clases diferentes gametos, siendo de “n” “n ”  el número haploide de cromosomas.

En esta fase al igual que en mitosis la envoltura nuclear se desorganiza, al mismo tiempo desaparece el nucléolo y se comienzan a formar las fibras el huso. A diferencia de la mitosis se destaca que en esta etapa los pares de cromosomas homólogos aparecen íntimamente unidos formando bivalentes o tétradas los cuales intercambian segmentos de material genético, proceso denominado entrecruzamiento o crossing-over. crossing-over.

Tétrada que muestra una pareja de cromosomas homólogos sinaptados. Cada tétrada tiene uno o más quiasmas, que son las regiones donde se han producido entrecruzamientos y que mantienen juntos a ambos cromosomas homólogos hasta el inicio de anafase I.  I. 

Metafase I

Metafase I.

Los bivalentes se disponen sobre el plano ecuatorial de la célula, pero lo hacen de tal forma que los dos cinetocoros que tiene cada homólogo se orientan hacia el mismo polo, y en el otro cromosoma ocurre lo mismo, pero orientados al polo opuesto formando la placa metafásica. Cada par forma de cromosomas se ubica de independientehomólogos de los otros pares al formar la placa placa   metafásica. Esta distribución aleatoria (al azar) de los cromosomas paternos y maternos, es la causa que al final de Meiosis I las células obtenidas tengan una mezcla diferente de cromosomas paternos y maternos. Esto se denomina permutación  cromosómica permutación cromosómica..

Existen dos modos de generar variabilidad genética en la meiosis, tanto por recombinación homóloga en profase I como mediante la permutación de los cromosomas cromosomas homólogos durante la metafase I. Esta última es el resultado de la distribución aleatoria (al azar) de los cromosomas homólogos maternos y paternos al ubicarse en la placa ecuatorial, por lo tanto las células resultantes obtienen una mezcla diferente de cromosomas maternos y paternos.

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Anafase I  I  Los cromosomas, con sus dos cromátidas, se separan a sus respectivos polos. Esta disyunción o separación de los cromosomas homólogos permite que durante la telofase I se produzca una reducción tanto en el número cromosómico como en la cantidad de ADN presentes en cada núcleo telofásico. 

Telofase I  I  En esta etapa se originan dos núcleos, cada uno de ellos contiene un juego haploide de cromosomas formados por dos cromátidas, también se observa el surco de segmentación que señala el el inicio de la citocinesis (división del citoplasma), que por lo general, se produce de forma simultánea a la telofase I, para formar dos células hijas haploides (n, 2c).

Surco de segmentación

Célula en telofase I e inicio de la citocinesis.

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SEGUNDA DIVISIÓN MEIÓTICA (MEIOSIS II): ECUACIONAL Profase II Se forma el huso en la profase II avanzada, desaparecen los núcleos y los cromosomas de dos cromátidas hermanas, se mueven al plano ecuatorial.

Metafase II  II  Se forma la placa metafásica II. Debido al crossing over (ocurrido durante la Meiosis I), las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma no son idénticas desde el punto de vista genético. Los cinetocoros de las cromátidas hermanas están adheridos a los microtúbulos que se extienden desde los polos opuestos.

Anafase II Se separan los centrómeros de cada cromosoma y las cromátidas hermanas migran hacia polos opuestos. Ahora, cada cromosoma está formado por una cromátida.

Telofase II Terminada la anafase II quedan dos conjuntos de cromosomas en cada polo y en torno a ellos se reconstruye la carioteca. Recuerde que la primera división meiótica origina 2 células (n 2c), las cuales entran a la segunda división meiótica, por lo tanto, la segunda división Meiótica origina y c), distintas genéticamente entre 4sicélulas y dehijas la (ncélula progenitora.

92 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

   s    e    d    i    o    l    p    a    h

   )   s    i   s   e   n    i   c   r   e    t   n    I   a    l

    o   r   o   c   o   t   e   n   i   c

  r   o   p    í    s   e   r    t   n   e   s   a    d   a   r   a   p   e   s   n    á    t   s   e   s    i   s   o    i   e   m   s    b   a   m   a    (    I    I   s    i   s   o    i   e    M    )    B  .   s    i   s   o    i   e    M    )    A

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Meiosis como fuente de variabilidad genética Unidad 1: Biología Molecular de la Célula II. Cada una de las células haploides producidas por meiosis contiene un genoma que es único. La causa de este fenómeno es debida a las dos mecanismos de recombinación que se producen en la meiosis; el entrecruzamiento homólogo (que se produce en profase I) y la permutación de cromosomas homólogos ( que ocurre en metafase I).

Síntesis

de ADN

Entrecruzamiento

Meiosis I y II

Entrecruzamiento o crossing-over (PROFASE (PROFASE I), I) , fuente de variabilidad genética durante la meiosis  I .  

Desarrolle 1. Observa la representación del crossing over y responde. De no existir el entrecruzamiento o crossing over, ¿cuáles de las siguientes figuras representaría a las células resultantes?

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

94 

 

 

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Permutación cromosómica  cromosómica  Distribución independiente de los cromosomas homólogos en la meiosis, otra fuente de variabilidad genética durante la meiosis I. Que ocurre específicamente en la metafase.

󰁐󰁯󰁳󰁩󰁢󰁩󰁬󰁩󰁤󰁡󰁤 1

󰁐󰁯󰁳󰁩󰁢󰁩󰁬󰁩󰁤󰁡󰁤 2

Dos disposiciones igualmente probables de cromosomas en la metafase I

C󰁯󰁮󰁪󰁵󰁮󰁴󰁯 󰁤󰁥 󰁣󰁲󰁯󰁭󰁯󰁳󰁯󰁭󰁡󰁳 󰁭󰁡󰁴󰁥󰁲󰁮󰁯󰁳

󰁍󰁥󰁴󰁡󰁦󰁡󰁳󰁥 II

C󰃩󰁬󰁵󰁬󰁡󰁳 󰁨󰁩󰁪󰁡󰁳

C󰁯󰁭󰁢󰁩󰁮󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 1

C󰁯󰁭󰁢󰁩󰁮󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 2

C󰁯󰁭󰁢󰁩󰁮󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 3

C󰁯󰁭󰁢󰁩󰁮󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 4

Desarrolle 1. Como consecuencia de la permutación cromosómica cada célula que resulta del proceso de meiosis I obtiene una combinación diferente de cromosomas maternos y paternos. Por este proceso de distribución al azar de cromosomas se pueden obtener dos elevado a n (2n)  clases diferentes de gametos, siendo “n” “n”   el número haploide de cromosomas. Entonces si un organismo tiene una dotación cromosómica 2n= 8, 8, ¿Cuántas clases diferentes de gametos se pueden obtener? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………

**Para la especie humana, donde “n” es 23, cada individuo podrá producir 2 23 = 8,4 x 106 gametos diferentes**. Este cálculo no considera el crossing over.

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Significado biológico de la meiosis La meiosis genera células haploides con combinaciones únicas de genes producidas por los mecanismos de recombinación

Dependiendo del tipo de organismo, las células haploides resultantes de la meiosis se van a transformar en células

genética expuestos. conjuntos anteriormente de genes al pasar aEstos la descendencia serán sometidos a las presiones de la selección natural, de tal forma que solamente algunas combinaciones alélicas podrán perpetuarse en las futuras generaciones de descendientes.

sexuales (los gametos)(las o en célulasreproductoras asexuales reproductoras esporas). En muchos organismos los gametos llevan cromosomas sexuales diferentes y son los responsables de la determinación del sexo y, por lo tanto, en estos casos la meiosis está implicada en los procesos de diferenciación sexual.

Alternancia de generaciones en humanos; la fase haploide está restringida sólo a los gametos

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GAMETOGÉNESIS  La gametogénesis gametogénesis es  es un proceso complejo del cual la meiosis es apenas una de sus etapas Existe una gametogénesis femenina llamada ovogénesis y una gametogénesis masculina, la espermatogénesis que que   comparten las mismas etapas pero que  que  se

diferencian en cuanto al momento que ocurre , duración de las etapas y distribución de citoplasma de las células hijas.

Tabla 1. 1. Comparación entre la Gametogénesis Femenina y Masculina. Masculina.

Etapas de de la Gametogénesis  

Proliferación  (Mitosis) 

Crecimiento  

Maduración   (Meiosis)  

OVOGÉNESIS 

ESPERMATOGÉNESIS 

Ocurre Ocu rre solamen solamente te en la etapa embrionaria.  En esta etapa las embrionaria.  células germinales primordiales (CPG) se dividen por mitosis dando origen a los ovogonios (2n y 2c) 2c)  

Comienza en la etapa embrionaria pero se detiene, para continuar en la pubertad.  pubertad.  En esta etapa las CPG CPG   se dividen por mitosis mitosis dando dan orige origen n a llos os espermatogonios (2n y 2c) 2c)  

Ocurre solamente en la etapa embrionaria.. En esta etapa los embrionaria ovogonios crecen, aumentan de tamaño y duplican su material genético; transformándose en ovocitos I  I  (2n y 4c) 

Comienza en la pubertad. pubertad.   En esta etapa los espermatogonios crecen, aumentan de tamaño y duplican su material genétic genético o transfo transformándose rmándose en espermatocitos I (2n y 4c) 4c) 

La primera parte de la meiosis ocurre en la etapa embrionaria, quedando los ovocitos I  I  detenidos en profase I, I, permaneciendo así muchos años (desde 10 hasta 55 o 60 años), que es más o menos el tiempo que puede transcurrir para que por efecto hormonal, se reinicie reinicie   la Meiosis en cada ci ciclo clo ovárico. 

Comienza en la pubertad y es un proceso continuo durante el resto de la vida del varón. 

gameto llamado óvulo óvulo   (n y c). 

(n y c). c). 

Su duración es de solo semanas (6 a 8 semanas).  La primera división meiótica da por resultado result ado 2 cé células lulas hijas llamadas espermatocitos II (n y 2c), 2c), luego estas células experimentan su meióticaa y originan 4 En cada ovulación la mujer da segunda división meiótic ha ploides de pe pequ queño eño ttamaño amaño,, origen a un ovocito II  II  ( n y 2c) 2c) células haploides c).  (pero detenido en metafase II) II) y denominadas espermátidas (n y c). un polocito I, estas I, estas últimas células las espermátidas son útiles solo para la reducción Finalmente cromosómica y rara vez se dividen. experimentan un cuarto proceso espermiohistogénesis,, el La segunda div división isión meiótica de dell llamado espermiohistogénesis ovocito II solo finaliza en la trompa cual consiste en un cambio de Falopio solo si hay fecundación fecundación   morfológico, para transformar a las dando por resultado un único espermátidas en espermatozoides

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Espermatogénesis en humanos.

Meiosis I

Meiosis II

Gametogénesis en humanos.

Unidad 5 MEIOSIS Y GAMETOGÉNESIS

Módulo 4 Meiosis I

Meiosis II

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MUTACIONES CROMOSÓMICAS En algunas ocasiones ocurren cambios que pueden afectar el número de cromosomas o su estructura, tales alteraciones son

A veces estas alteraciones pueden provocar consecuencias perjudiciales a los individuos, alterando su viabilidad o su

  como clasificadas mutaciones. numéricas  numéricas  y mutaciones estructurales estructurales.

fertilidad. puede se ocurrir, que los cambios También cromosómicos mantengan como parte de la variabilidad genética entre los organismos, contribuyendo al cambio evolutivo y al origen de nuevas especies.

Mutaciones numéricas Aneuploidías   Aneuploidías Implican el déficit o el exceso de uno o más cromosomas. La condición disómica normal es tener un par de cromosomas homólogos de cada tipo (44+XX o 44+XY). Si se tiene un cromosoma extra en un par se denomina trisomía, trisomía,   la más frecuente es la trisomía para el cromosoma 21  21  que da lugar al síndrome de Down. Down. Los individuos afectados poseen 47 cromosomas, es decir, tienen un cromosoma extra pero del tipo autosómicos (45+XX (45+XX o 45+XY) 45+XY) La frecuencia del síndrome de Down en la población es de aproximadamente 1 cada 800 nacimientos  nacimientos  las personas afectadas presentan grados variables de retardo mental, corta estatura y deformidades cardíacas. Otros ejemplos son el síndrome de o trisomía y laPatau muerte a la edad13 de(defectos uno a tresmúltiples meses) o el síndrome de Edwards o trisomía 18 (deformaciones del oído, defectos cardíacos, espasticidad, otras lesiones, muerte a la edad de un año) Si carece de un miembro del par cromosómico se denominan monosomías monosomías,, las cuales so son n ge generalmente neralmente letales. En la especie humana, la única viable es la monosomía para el cromosoma X  y da lugar a un síndrome genético llamado síndrome de Turner.

Las mujeres con síndrome de Turner tienen ciertos rasgos fenotípicos característicos (talla baja, cuello corto, gónadas rudimentarias, ausencia de menstruación) y son estériles. La frecuencia del síndrome de Turner es de 1 a 2% del total de las concepciones humanas, aunque la mayoría de los embriones se pierde como aborto espontáneo. En este solo tiene un cromosoma X  pero tienen normales los cromosomas autosómicos (44+X (44+X).Otros ).Otros ejemplos son el cariotipo XYY  (Varón anormalmente alto con acné intenso, tendencia al retardo mental ligero) o cariotipo XXX (mujeres bastante normales, por lo común infértiles), y en los varones síndrome de Klinefelter (44+XXY (44+XXY)) los cuales son estériles y sin desarrollo sexual secundario. Estas alteraciones suelen ser la consecuencia de una división meiótica meiótica   o mitótica alterada, alterada, en la cual los cromosomas no se separan en la anafase, es decir, no hay disyunción. disyunción. En la meiosis,, la meiosis la   no disyunción  disyunción  cromosómica cromosómica   puede ocurrir en la primera o segunda división meiótica o en ambas. ambas.

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Desarrolle 1. Para cada uno de los siguientes cariotipos de células humanas indique el sexo del individuo, el tipo de aneuploidía, aneuploidía, si  si ésta se presenta en los cromosomas autosómicos o sexuales sexuales,, y el nombre del síndrome que padecen las personas que portan estas aneuploidías.. aneuploidías A)  A) 

…………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………

B)

…………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………

C)

…………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………

D)

…………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………

100 

 

 

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Poliploidías   Poliploidías Los individuos que sufren estas mutaciones poseen un número de cromosomas múltiplo del número normal. Las poliploidías se producen espontáneamente  durante la reproducción de los seres vivos. 

Este fenómeno se observa principalmente en plantas donde es un proceso importante en la especiación. El 47% de las plantas con flores (angiospermas) actuales son poliploides. La diferencia con la aneuploidía es que aquí se trata de  juegos cromosómicos extras extras,, por lo que a partir de un individuo diploide (2n) pueden generarse, por ejemplo, descendientes triploides, tetraploides o hexaploides (3n, 4n, 6n).

Mutaciones estructurales Corresponden rupturaso que sufren espontáneamente los cromosomas y como consecuencia de ello, se apierden intercambian fragmentos entre cromosomas homólogos y/ o no homólogos, homólogos, esto origina cambios en el orden de los genes y patrones hereditarios alterados. Dentro de estas mutaciones se encuentran: •

Duplicación : un segmento cromosómico se “repite” a Duplicación: continuación del fragmento original.

•

Deleción: se “pierde” un segmento completo del cromosoma, Deleción: si la deleción es muy grande los organismos suelen ser no viables.

•

Translocación::porciones Translocación lo más frecuente es que se “transfieran” o  “intercambien” entre cromosomas no homólogos (reciproca) o solamente un cromosoma transfiere un fragmento sin recibir ninguno (no reciprocas).

•

Inversión: un segmento cromosómico “gira” en 180º y luego Inversión: se reincorpora al mismo cromosoma.

101 

 

 

Desarrollo 1. Indique a qué tipo de mutación corresponde cada uno de los siguientes esquemas presentados:

 

………………………………………………………

…..............................................

…………………………………

…………………………………

Ejemplo de mutación Algunas mutaciones cromosómicas estructurales se han visto implicadas en ciertos tipos de cánceres, como por ejemplo en el caso de la leucemia mieloide crónica (LMC). En este cáncer se afectan las células que dan origen a los glóbulos blancos y se produce una translocación recíproca   entre un gran fragmento del cromosoma 22 y un pequeño fragmento del recíproca  cromosoma 9 produciendo un cromosoma 22 anormalmente corto, fácilmente reconocible, llamado cromosoma Filadelfia y un cromosoma 9 anormalmente largo.

Cromosoma 9 normal

Translocación recíproca

Cromosoma 9 translocado

Cromosoma Cromosoma 22 normal

Filadelfia Cromosoma 22 anormal

102 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

EVALUACIÓN DE CONCEPTOS CLAVE Terminada la revisión y estudio de la unidad, marca en sí o en no si has comprendido y puedes explicar: CONCEPTO CLAVE

SI

NO

Ciclo celular Mitosis Duplicación del ADN Ploidía Cariotipo Cromosoma Cromátida Cáncer Metástasis Células madres Clonación Meiosis Variabilidad genética Gametogénesis Mutaciones cromosómicas Aneuploidías

Repasa y refuerza con tu profesor aquellos conceptos clave que aun no dominas.

103 

 

 

UNIDAD 6.

ADN, FLUJO DE LA INFORMACIÓN E INGENIERÍA GENÉTICA

Replicación del ADN–génica– Intrón–BiotecnologíaExónConceptos clave. ADN– Traducción– Ribosoma– ARN–Gen– Polirribosomas-Mutación Manipulación del ADN-Terapia Génica.

DEL ADN A LA PROTEÍNA La expresión génica es el proceso mediante el cual la información almacenada en el ADN es usada para dirigir la síntesis de un producto génico específico

Durante el proceso de diferenciación celular,, la expresión génica se regula de celular modo que ciertos genes se "encienden "encienden"" y otros se "apagan "apagan", ", permitiendo a las células

(proteínas; ARNr; ARNt). Este producto génico es el responsable de llevar a cabo una función celular específica, la que terminará manifestándose como un rasgo fenotípico adquirido fenotípico adquirido por la célula en la que esta información genética se expresa.

modificarsusupropio  contenido proteico proteico    y, por tanto, propio   fenotipo, fenotipo , que es lo el requisito necesario para transformar un tipo celular en otro diferente, lo que da origen a las distintos tipos celulares que constituyen a un individuo. Las mutaciones mutaciones   pueden alterar la información almacenada en los genes, originando a partir de un gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos). alelos). Estos genes alelos son los responsables de las variaciones fenotípicas (diversidad biológica) biológica) que manifiestan las poblaciones de seres vivos, sobre las que actúa el proceso de selección natural  natural  durante la evolución evolución de  de los seres vivos .

Sin embargo, el momento en que esta información genética es expresada, se encuentra altamente regulada regulada   por diversos factores (entre ellos, estímulos ambientales, la acción reguladora de ciertas hormonas, el grado de condensación de la cromatina, etc.), lo que permite controlar, en todo momento, la producción adecuada de proteínas, para cuando ellas sean requeridas por el metabolismo celular.

ADN: EL MATERIAL GENÉTICO Los experimentos que demostraron que el ADN es el mat erial genético Hacia 1887 los investigadores habían llegado a la conclusión de que la base física de la herencia se hallaba en el núcleo. Se demostró que la cromatina consistía en

Mientras los químicos procuraban resolver la estructura del ADN, los biólogos trataban de identificar la fuente de información genética. Se llevaron a cabo experimentos con

ácidos nucleicos nucleicos  y proteínas proteínas    pero no se sabía con certeza  cuál de las dos sustancias era el material genético.

bacterias y bacterias  y fundamental con virus virus,, que proporcionaron la evidencia de que el material genético no era la proteína sino el ADN.

104 

 

 

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Descubrimiento del principio de transformación Frederick Griffith (18811941), bacteriólogo ingles, estudiando la posibilidad de desarrollar vacunas contra Streptococcus pneumoniae, un tipo de bacteria que causa una forma de neumonía, descubre el factor transformante.

Experimento

En 1928,  1928,  F. Griffith  Griffith  observó que la bacteria Streptococcus pneumoniae, productora de la neumonía humana, se presentaba en dos cepas distintas. Un Unaa de ellas es virulenta (provoca la enfermedad), presenta cápsula y forma colonias con aspecto liso; denominada cepa IIIS y a la otra variante de neumococo, que no presenta cápsula, no produce la enfermedad y forma colonias rugosas se denominó cepa IIR. Con estas dos cepas Griffith Griffith   realizó el siguiente experimento .

Pregunta: ¿un Pregunta:  ¿un extracto de bacterias muertas puede transformar genéticamente células vivas?

Experimento de Griffith que puso en evidencia la existencia de un principio transformante.

Conclusión:: una sustancia presente en las bacterias virulentas muertas por acción del calor Conclusión transformó genéticamente las bacterias de tipo IIR en bacterias de tipo IIIS virulentas vivas.

experimento hizo que Griffith Griffith llegara  llegara a la conclusión conclusión de  de que las bacterias de tipo IIR  se  se habían transformado de algún modo y habían adquirido la virulencia genética de las bacterias muertas de tipo IIIS IIIS.. Esta transformación produjo un cambio genético permanente en las bacterias, sin embargo Griffith   no comprendió la naturaleza de la transformación y supuso que alguna sustancia Griffith de la cubierta de polisacáridos de las bacterias muertas podría explicar el cambio. A esta sustancia la denominó principio de transformación. transformación. El

105 

 

 

Identificación del principio de transformación Posteriormente y tras diez años de investigación Avery junto con MacLeod y MacCArty pudieron aislar y purificar sustancia. Demostraron que esta su composición química correspondía al ADN y diferente de las proteínas.

Experimento Pregunta: ¿Cuál es la naturaleza química de la Pregunta: ¿Cuál sustancia de transformación?

Sometieron a la sustancia a la acción de diversas enzimas, como la tripsina y la quimiotripsina, las cuales actúan en la degradación de las proteínas, pero no tenían ningún efecto sobre esta sustancia. Lo mismo sucedía con la ribonucleasa, enzima que destruye al ARN. Sin embargo las enzimas capaces de destruir el ADN eliminaron la actividad biológica  biológica de la sustancia de transformación. Además los científicos demostraron que la sustancia de transformación purificada se precipitaba con la misma velocidad que el ADN purificado y absorbía la luz ultravioleta en la misma longitud de onda que el ADN. Estos resultados publicados en 1944, fueron la primera evidencia convincente que el principio transformante y por ende la información genética está en el ADN. Pese a que esta prueba demostraba que el ADN era el principio transformante, muchos biólogos se resistían en aceptar esta idea y preferían la hipótesis de que el material genético era la proteína. Esto principalmente porque las proteínas presentan 20 aminoácidos diferentes para estructurarlos, asegurando con ello una gran diversificac diversificación. ión.

Experimentos de Avery, MacLeod y MacCarty para la identificación del principio de transformación.

Conclusión : dado que solo la ADNasa Conclusión: destruyó la sustancia de transformación, la sustancia responsable de la transformación es el ADN.

106 

 

 

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Segunda evidencia: Experimento con virus de Hershey - Chase Hershey y Chase idearon una serie de experimentos para determinar que se transmite durante la reproducción del fago: la proteína o el ADN. ADN. Para rastrear el destino de las moléculas en la reproducción viral, utilizaron formas radioactivas (isótopos) del fósforo y azufre.

E󰁮 1952 A󰁬󰁦󰁲󰁥󰁤 H󰁥󰁲󰁳󰁨󰁥󰁹 (1908󲀔1997) 󰁹 󰁍󰁡󰁲󰁴󰁨󰁡 C󰁨󰁡󰁳󰁥 (1927󲀔2003) 󰁲󰁥󰁡󰁬󰁩󰁺󰁡󰁲󰁯󰁮 󰁵󰁮󰁡 󰁳󰁥󰁲󰁩󰁥 󰁤󰁥 󰁥󰁸󰁰󰁥󰁲󰁩󰁭󰁥󰁮󰁴󰁯󰁳 󰁰󰁡󰁲󰁡 󰁣󰁯󰁮fi󰁲󰁭󰁡󰁲 󰁱󰁵󰁥 󰁥󰁳 󰁥󰁬 AD󰁎 󰁬󰁡 󰁢󰁡󰁳󰁥 󰁤󰁥󰁬 󰁭󰁡󰁴󰁥󰁲󰁩󰁡󰁬 󰁥󰁮󰁣󰁯

Frente a la resistencia de muchos biólogos, en 1952 Alfred Hershey y Martha Chase proporcionaron una segunda evidencia de que el ADN es el material genético. Estos científicos realizaron un trabajo experimental con el virus T2, un bacteriófago que infecta a la bacteria Escherichia coli, el cual se reproduce uniéndose a la pared externa de la bacteria, inyectando su ADN dentro de ella donde se replica y dirige la síntesis de las proteínas propias del fago. El ADN del fago se encapsula dentro de las proteínas y produce los fagos, que lisan o rompen la célula y liberando los fagos de la progenie. En ese momento los biólogos no comprendían con exactitud cómo se reproducían los fagos. Si sabían que los fagos T2 se componían de un 50 % de proteínas y de un 50 % de ácidos nucleicos y que los fagos ingresaban a las bacterias y se reproducían. Como la progenie portaba los mismos mismos rasgos de infección, el material genético de este debía transmitirse a la descendencia, pero se desconocía el mecanismo.

Un isótopo radioactivo puede utilizarse como marcador para identificar la ubicación de una molécula específica, porque cualquier molécula que contenga el isótopo es radioactiva y, por ende, fácil de detectar. El ADN contiene fósforo, pero no azufre, por lo tanto se utilizó 32P  para marcar el ADN, en cambio la proteína tiene azufre, pero no fósforo, por lo que se utilizó 35S . Este trabajo les permitió a los científicos concluir que es el ADN y no la proteína la que entra en la bacteria durante la reproducción del fago y que solo el ADN se transmite a los fagos de la progenie. No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cómo un compuesto tan simple podía almacenar y transmitir tanta información. La respuesta la proporcionó el progresivo conocimiento de su estructura. Desde que, en 1953, J. Watson  Watson  y F.  F.  Crick Crick   mostraron su modelo de estructura de doble hélice, que explicaba cómo se podía almacenar y transmitir la información genética, nadie dudó de la función y la importancia del ADN. El ADN es la macromolécula portadora de los genes. Un gen se define como el factor genético que contribuye a determinar una característica, las secuencias de ADN que codifica una molécula de ARN o la secuencia completa del ADN requerida para transcribir y codificar una molécula de ARN.  ARN. 

107 

 

 

Experimento de Hershey y Chase para identificar si el material genético era la proteína o el ADN.

Experimento Pregunta: ¿Qué Pregunta:  ¿Qué parte del fago –el ADN o la proteína- sirve como material genético y se transmite a su progenie?

Conclusión. El material genético de los l os bacteriófagos no es la proteína sino el ADN.

Unidad 6 ADN

Módulo 1

108 

 

 

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Replicación del ADN Watson y Crick hicieron la siguiente predicción: “la molécula de ADN contiene la información necesaria para su propia replicación”. Arthur Kornberg demostró que el ADN puede replicarse en un tubo de ensayo sin la presencia de células. Los requisitos son: ADN, enzimas ADN polimerasas (que obtenía de bacterias) y una mezcla de cuatro precursores: desorribonucleicos trisfosfatados (dATP,dCTP,dGTP y dTTP). De alguna manera, el propio ADN sirve de molde para la reacción, una guía para la ubicación exacta de los nucleótidos en la nueva cadena. Donde existe una T en el molde, deberá haber una A en la nueva cadena, etc. ¿Cómo realiza el ADN la función de molde? Es decir, ¿cómo se replica exactamente la molécula? Existen posibles patrones de replicación que podrían producir un apareamiento de bases complementarias.

Tres modelos alternativos replicación de ADN.

de

Los segmentos cortos de la doble hélice simbolizan aquí el ADN dentro de una célula. A partir de una célula parental, seguimos al ADN durante dos generaciones de células- dos ciclos de replicación-. Las hebras de DNA recién sintetizado es el claro en la figura.

109 

 

 

Esta controversia fue resuelta por Meselson y Stahl con una serie de experimentos. Moléculas de ADN marcadas con isótopos de Nitrógeno de diferentes densidades se separan mediante centrifugación. Este experimento reveló un patrón que apoya el modelo semiconservativo de replicación del ADN. 15

Se bacterias coli formado en un medio con hebras N (nitrógeno cierto tiempo paracultivan que todo el ADNE.esté por dos de 15N pesado) (15N-15N)durante más pesadas. Si se centrifuga, este ADN más pesado migra hacia el fondo del tubo y se obtiene el resultado que se observa en (b). A continuación, se cultivan las bacterias en nitrógeno 14 (14N) más liviano durante 30 minutos, lo que dura un ciclo de replicación. Si la hipótesis de la síntesis conservativa fuese la correcta, se debería obtener lo que se ve en (c), una banda de ADN pesado (15N-15N) y otra con ADN ligero (14N-14N) pero lo que se obtiene en realidad es lo que se observa en (d) una sola banda en posición intermedia, pues está formada por ADN mixto (15N-14N). Esto es, todas las células hijas tienen un ADN con una hebra con 15N y otra con 14N. La hipótesis de la síntesis semiconservativa es la correcta. Además, si se da otro ciclo de replicación en 14N, se obtiene una banda de ADN mixto (14NN) y otra de ADN (14N-14N), lo que también está de acuerdo con la hipótesis de la síntesis semiconservativa (e). 15

110 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

La replicación semiconservativa del ADN en eucariotas Cuando una célula se divide, o cuando se originan los gametos, las nuevas células que se forman deben contener la información genética que les permita sintetizar todas las enzimas y el resto de las proteínas necesarias para realizar sus funciones vitales. Ésta es la principal razón por la que el ADN debe replicarse. La replicación del ADN es el proceso según el cual una molécula de ADN de doble hélice da lugar a otras dos moléculas de ADN con la misma secuencia de bases.

En la célula procariótica la replicación parte de un único punto y progresa en ambas direcciones hasta completarse. En la célula eucariótica el proceso de replicación del ADN no empieza por los extremos de la molécula sino que parte de varios puntos a la vez y progresa en ambas direcciones formando los llamados ojal o burbuja replicación.

Estás se forman donde existen secuencias de nucleótidos específicos a los que se unen las enzimas que iniciarán el proceso, tales como, las topoisomerasas que desarrollan el ADN alivianando la tensión y la ADN helicasa   que rompe las fuentes de helicasa hidrógeno separando las cadenas y por último también están las proteínas de unión a cadena simple  simple  que mantienen separadas a cada cadenas del ADN.

Inicio de la replicación en las regiones de inicio u ori origen gen de la replicación (ori).

111 

 

 

1.

La replicación co comienza mienza en sitios específicos donde las dos cadenas parentales se separan y forman las burbujas de replicación.

2.

Las burbujas se extienden lateralmente, a medida que la replicación progresa en ambas direcciones.

3.

Eventualmente, las burbujas de replicación se fusionan y se completa la síntesis de las cadenas hijas. 󰀱 󰀲

󰀱

La DNA pol III alarga las cadenas de DNA solo  solo en la dirección 5 ´→3´ 3´  

󰀲

Una cadena nueva, la hebra adelantada,  adelantada, se puede alargar continuamente continuam ente 5´→3’ 3’  

󰀳

󰀳

La otra cadena nueva, la hebra retrasada,  retrasada,  debe crecer en una dirección global 5’ →3´mediante el agregado de segmentos cortos,  los fragmentos de cortos, Okazaki, que crecen en  en  dirección 5´→3´ (numerados aquí en el  el  orden en el que fueron sintetizados).   sintetizados).

󰀴

󰀴

La DNA ligasa une los fragmentos de Okazaki formando un enlace entre sus extremos libres. Esto produce una cadena continua.  continua.  Unidad 6 MODELO Y REPLICACIÓN

Módulo 2

Módulo 2 112 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

Una vez separadas las cadenas de ADN la enzima ADN primasa sintetiza pequeños   pequeños fragmentos de ARN (cebadores o primer) que primer) que son necesarias para añadir los nucleótidos en las cadenas nuevas. Esto permite que vayan entrando los nucleótidostrifosfato complementarios de cada uno de los de las hebras originales del ADN.

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR Las enzimas ADN polimerasas  polimerasas  los unen entre sí formando una hebra de ADN complementaria de cada una de las hebras del ADN original. Se dice que la síntesis de ADN es semiconservativa porque cada una de las moléculas de ADN "hijas "hijas"" está formada por una hebra de ADN original y otra complementaria sintetizada de nuevo.

Es de destacar que la dirección en la que progresa la replicación es la misma en ambas hebras. Ahora bien, las enzimas que unen los nucleótidos sólo pueden efectuar la unión en dirección 5'→3'. Esto nos indica que ambas hebras, al ser antiparalelas, deben de sintetizarse de diferente manera.

Síntesis continua  de la hebra en dirección 5'→3'. La síntesis de esta hebra no plantea

ningún problema. Así, una vez separadas ambas hebras, la ADN pol. III (una de las enzimas que unen los nucleótidos) va a elongar la cadena en dirección 5'→3' a partir de un  primer o fragmento de ARN que después será eliminado. Es hidrolizado por la ADN polimerasa I y I y reemplazado por DNA. La cadena de ADN sintetizada por medio de este mecanismo se llama hebra adelantada. Síntesis discontinua. La hebra complementaria no se va a replicar en sentido 3'→5'

sino que se replica discontinuamente discontinuamente   en dirección 5'→3'. Los diferentes fragmentos llamados fragmentos de Okazaki Okazaki, sintetizados por la enzima ADN sintetizados, pol III, son III, son posteriormente unidos entre sí por la, enzima ADN-ligasa. La cadena sintetizada por medio de este mecanismo se llama hebra retrasada.

113 

 

 

Enzimas que intervienen en la síntesis del ADN Cada etapa de la replicación del ADN eucariótico requiere la intervención de proteínas. Por ejemplo, resulta importante que el ADN bicatenario se abra en los distintos orígenes de replicación, que las proteínas lo reconozcan y se unan a él, y sinteticen cebadores para la replicación. Este proceso necesita proteínas que deshagan el ADN bicatenario, mantengan abierta la estructura del ADN, sinteticen una nueva hebra y, finalmente, vuelvan a juntar las hebras como un ADN lineal largo. Se necesitan otras proteínas para retirar la torsión que se produce cuando se abre una doble hélice. A continuación se describen algunas de estas enzimas.

A) ADN-polimerasas Varias ADN-polimerasas están implicadas en la replicación del ADN y cada una posee diferentes actividades. Cada ADN-polimerasa eucariótica posee una actividad particular y funciona como un complejo para iniciar la síntesis del ácido desoxirribonucleico (ADN polimerasa III). Algunas ADN-polimerasas tienen una actividad de exonucleasa de 3' a 5', o capacidad de lectura y corrección, que les permite eliminar los nucleótidos que no forman parte de la doble hélice como la ADN polimerasa I que elimina los cebadores. La enzima retira los residuos emparejados erróneamente gracias a esta actividad correctora. Así se mejora la fidelidad de la replicación del ADN, al volver a comprobar que el de bases es el correcto antes de seguir conapareamiento la polimerización.

B) ADN-helicasas Las ADN-helicasas son una clase de proteínas motoras requeridas para desenrollar segmentos cortos del ADN bicatenario original. Estas enzimas utilizan la energía generada por la hidrólisis de los nucleótidos (ATP) para catalizar la separación de las hebras y formar la horquilla de replicación durante la síntesis del ácido desoxirribonucleico.

114 

 

 

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C) ADN-primasas Las ADN-primasas inician la síntesis de una molécula de ARN esencial para cebar la síntesis del ADN tanto en la hebra adelantada comoy en retrasada. pueden Los primeros nucleótidos sono ribonucleótidos los laposteriores ser ribonucleótidos desoxirribonucleótidos.

D) Proteínas de unión al ADN monocatenario (o de cadena simple) Las proteínas de unión al ADN monocatenario impiden que el ADN monocatenario se hibride para formar un ADN bicatenario. Una función importante de estas proteínas durante la replicación del ADN consiste en proteger una hebra monocatenaria hasta que se sintetice su hebra complementaria.

E) ADN-ligasa La ADN-ligasa es una enzima que cataliza el cierre de lasque muescas monocatenarias) permanecen(roturas en el ADN después de que la ADN-polimerasa llene los huecos que dejan los cebadores de ácido ribonucleico. La ADN-ligasa se encarga de crear el último enlace fosfodiéster entre los nucleótidos adyacentes en una hebra de ADN.

115 

 

 

F) Topoisomerasas o ADN Girasa  A medida que la horquilla de replicación se mueve a lo largo de la hélice, la rotación de las hebras una alrededor de la otra hace que el ADN se superenrolle. El retorcimiento excesivo del ADN lo disminuyen las enzimas conocidas colectivamente como topoisomerasas. Estas enzimas alivian la tensión torsional en el ADN al inducir muescas monocatenarias reversibles en el ácido desoxirribonucleico. Lo primero consiste en escindir el enlace fosfodiéster de una o ambas hebras, después el ADN rota en torno a su eje y finalmente la enzima cierra la muesca.

G) Telomerasa La telomerasa es una enzima que ayuda a mantener el telómero, que es una secuencia repetitiva y protectora del ADN asociado a proteínas en el extremo de un cromosoma, y que se va recortando con cada división celular. Se sabe que su acortamiento forma parte del envejecimiento normal. Los telómeros son estructuras cromosómicas importantes y permiten que la célula diferencie los cromosomas intactos de los rotos y para proteger a los cromosomas de la degradación. También sirven de para los mecanismos de replicación normales. En la mayor parte de en organismos, el ADN telomérico consiste una ordenación en secuencias repetitivas de ADN muy simples (en los humanos es TTAGGG).

La enzima que mantiene los telómeros es la telomerasa, una ADN-polimerasa que utiliza el ARN como molde, y que añade repeticiones TTAGGG a los extremos de los cromosomas. El complejo ribonucleoproteínico de la telomerasa contiene una plantilla de ARN que forma parte integral de la enzima. Con la ayuda de su plantilla de ARN, añade una serie de repeticiones de ADN a la hebra adelantada, lo que permite que la ADN-polimerasa complete la hebra retrasada. Algunas células normales (por lo general de los tejidos que se regeneran, las células troncalesmadre- y las células progenitoras) expresan telomerasa. Se necesita que los telómeros conserven su función intacta para mantener la homeostasis de los tejidos.

  󰁌󰁡 󰁲󰁥󰁰󰁬󰁩󰁣󰁡󰁣󰁩󰃳󰁮 󰁥󰁳󰀺 •

󰁂󰁩󰁤󰁩󰁲󰁥󰁣󰁣󰁩󰁯󰁮󰁡󰁬

•

󰁥󰁩󰁣󰁯󰁮󰁳󰁥󰁲󰁡󰁡

116 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

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Resumen de las principales enzimas que participan de la replicación del ADN

En biotecnología la ADN ligasas se utilizan para unir los extremos cohesivos de los fragmentos de ADN producidos por las enzimas de restricción o endonucleasas al momento de obtener ADN recombinante.

117 

 

 

EXPRESIÓN GÉNICA F. Crick enunció lo que él llamó “el dogma central”, central”, según el cual la información fluye del ADN a las proteínas en una única dirección.

Así, el genotipo determina el fenotipo, dictando la composición de las proteínas. F. Crick fue criticado por utilizar el término  “dogma” ya que un dogma es algo que no n o se pone en duda. El científico reconoció más tarde que debió llamarlo hipótesis central. Una gran diversidad de experimentos han demostrado que el dogma se cumple, salvo en unas pocas excepciones.

La principal excepción corresponde a la transcripción inversa, inversa, en la cual la información codificada por ciertos virus que contienen ARN se transcribe al ADN por la acción de la enzima transcriptasa inversa. Por ello el dogma o hipótesis central hoy se presenta así.

TRANSCRIPCIÓN O SÍNTESIS DEL ARN La transcripción consiste en la síntesis de una molécula de ARN a partir de una de las cadenas del ADN. Esta cadena se denomina molde denomina molde o templado. La otra hebra del ADN se denomina codificadora. codificadora.  

Representación del proceso de transcripción. transcripción. Observe que la dirección de la trascripción siempre es de 5´ a 3´, 3´, es decir, la elongación o crecimiento de la molécula de ARN es siempre

por el extremo 3 . 118 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

 

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Es importante destacar importante destacar que los ARN que se sintetizan a partir de un fragmento de hebra molde o templada de ADN puede terminar como ARN mensajero, ARN de transferencia y/o ARN ribosomal.

Estos dos últimos no llevan información genética   de una proteína, pero son genética imprescindibles en el proceso de síntesis de ella.

Cuestiones básicas sobre la síntesis de ARN •

Todos los ARNs se sintetizan por medio de reacciones catalizadas por ARN polimerasas, gracias a la información contenida en el ADN que sirve de patrón o molde.. La dirección de la transcripción siempre va en el sentido 5’ a 3’.  molde 3’. 

•

La síntesis se produce por complementariedad de bases. La cadena de ARN que se forma es complementaria a un fragmento de una de las cadenas de ADN. En la cadena de ARN no aparecerá la base timina que timina que será sustituida por uracilo uracilo..

•

Existen notables diferencias en la transcripción de células procariontes y eucariontes.

 

⇒

Etapas de la transcripción

Se estudió inicialmente en Escherichia coli  y  y el proceso consta de cuatro fases: a.

Iniciación o ensamblaje de moléculas.

b.

Elongación o crecimiento de la molécula de ARN.

c.

Terminación o conclusión de la cadena de ARN.

Post transcripción. d. Maduración o transformación del ARN transcrito.

Unidad 6 EXPRESIÓN GÉNICA, TRANSCRIPCIÓN

Módulo 3

119 

 

 

a.

Iniciación

La ARN polimerasa se une fuertemente cuando entra en contacto con una secuencia específica de DNA, llamada promotor promotor.. En el promotor se encuentran dos cortas

La misión de las secuencias promotoras es indicar dónde se inicia inicia   la transcripción, en cuál de las dos hebras del ADN y en qué lugar.

secuencias situadas -35 y -10 nucleótidoss del nucleótido inicio (0) entre de la transcripción.

Centros promotores y sitio de inicio de la transcripción en la hebra molde o templado de ADN.

La ARN polimerasa se enlaza a un promotor del ADN, junto con proteínas regulatorias. El enlace ubica a la polimerasa cerca de un gen del ADN. En la mayoría de los casos, la secuencia de nucleótidos de un gen ocurre únicamente sobre una de las dos cadenas de ADN. Sólo la cadena complementaria se traducirá a ARN.

120 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

 

b.

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Elongación

Después de unirse al promotor, la ARN polimerasa abre una región localizada de la doble hélice, de forma que expone los nucleótidos de ambas cadenas de una pequeña zona del ADN. Una actúa de lascomo dos cadenas expuestas del ADN patrón para el apareamiento de las bases complementarias y se inicia la formación de una cadena de ARN.

De esta forma, la cadena de ARN va creciendo nucleótido a nucleótido en dirección 5’ a 3’. El proceso de elongación de la cadena continúa hasta que la enzima encuentra una segunda secuencia especial del ADN, la señal de terminación.

Durante la elongación de la cadena de ARN, la polimerización alcanza una velocidad de 30 nucleótidos por segundo a 37º C. Por consiguiente, una cadena de ARN de 5.000 nucleótidos tarda unos tres minutos en sintetizarse.

La polimerasa comienza a desplazarse a lo largo del ADN y a desenrollarlo. Al hacerlo, enlaza nucleótidos de ARN en una cadena de ARN en el orden especificado por la secuencia de bases del ADN. La apariencia, doble héliceladel ADN vuelve enrollarse“abierta” después de de ADN que la pasa por ella. Por su estructura de laa molécula enpolimerasa el sitio de transcripción es llamado horquilla de transcripción.

121 

 

 

c.

Terminación

Existen diversas señales de terminación en el ADN molde que so son n secuencias que desencadenan la separación de la enzima ARN polimerasa de la cadena mo molde lde y del ARN transcrito.

Al final de la región del gen, el últimodeltramo del nuevo transcrito se desenrolla y se desprende templado de ADN.

122 

 

 

d.

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Maduración

En procariontes el ARN mensajero, antes de terminar el proceso de transcripción empieza a ser traducido, por lo tanto no necesita de maduración, habitualmente son policistrónicos..  policistrónicos Los ARN ribosomal y de transferencia se forman a partir de transcritos primarios. primarios. La maduración (-CCA) consiste modificaciones nucleótidos en en el extremo terminaltales 3’. como rupturas de la cadena y añadidos de Un solo tipo de ARN polimerasa permite transcribir todos los tipos de ARN y es distinta a las observadas en eucariontes.  eucariontes.  En eucariontes cada gen eucariota se Esta enzima estimula la escisión en transcribe separadamente un sitio ubicado 10 a 35 (monocistrónico),, (monocistrónico) con un control nucleótidos hacia el extremo 3’ de la transcripcional independiente para cada uno. señal. Las células eucariontes poseen tres tipos Luego, la enzima agrega, de a uno, distintos de ARN polimerasas cada una de los una cola de ribonucleótidos de cuales es responsable de la transcripción de adenina (cola de poli-A) y así se los diferentes tipos de ARN. La ARN genera el extremo 3’ del ARNm polimerasa I ARN transcribe el ARNr ribosomal). La polimerasa II, el (ARN pre– ARNm y algunos ARNsn y la polimerasa III el ARNt.   ARNt. Los distintos ARN transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones no encontradas en procariontes.. A medida que transcurre la procariontes transcripción, las moléculas de ARNm, llamadas transcritos primarios, primarios, son modificadas. Esto ocurre antes de que sean transportadas al citoplasma, que es el sitio donde ocurre la traducción. modificaciones son varias e incluyen:

Las

1.

Adición del CAP. CAP. Un nucleótido modificado de guanina (CAP) se añade al extremo 5’ del mensajero. Este  “protección” es imprescindible para la unión del ARNm al ribosoma y protege al ARNm de la degradación por exonucleasas citoplasmáticas.

2.

Poliadenilación . En el extremo 3’ del Poliadenilación. ARNm hay una secuencia señal (AAUAAA) unen factores específicos a la y que la seenzima poli-A

maduro. Esta cola de poli-A, contiene 100-250 nucleótidos y parecería que influyen en la estabilidad y en la capacidad de que los ARNm sean traducidos en el citoplasma. 3. Corte y empalme o splicing.  splicing.   Durante la transcripción, el ARNm sufre un proceso de corte y eliminación de secuencias que no llevan información llamadas  llamadas  intrones, y el posterior empalme de los exones exones;; secuencias que si llevan información. En un primer paso se unen al ARNm inmaduro unas pequeñas partículas de ARN nucleares asociadas con proteínas denominadas snRNP (del inglés, small nuclear ribonucleo-protein particles). Las snRNP se unen a secuencias cortas ubicadas entre los intrones y los exones. Luego se añaden más proteínas y forman un gran complejo con el ARN que se denomina  spliceosoma. Además de desempeñar funciones de reconocimiento de esas

polimerasa. 123 

secuencias, las snRNP snRNP   llevan a cabo funciones catalíticas.

 

 

5’ CAP Protección

ARNm 5’ CAP Protección

Procesamiento del ARNm en eucariontes.

ARNm

ARNm

ARNm

ARNm

Procesamiento diferencial del ARN mensajero.

124 

 

 

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En muchos casos, un mismo transcrito primario o pre ARNm (ARN heteronuclear) puede ser procesado por splicing en más de una forma. Este empalme alternativo  alternativo  permite obtener moléculas de ARNm maduro diferentes a partir de moléculas de ARNm inmaduro originalmente idénticas, lo cual da por resultado polipéptidos con distintas funciones; un mismo gen puede producir una proteína en un tejido y otra distinta en otro tejido. Esto es posible porque algunos genes producen moléculas de pre-ARNm que tienen múltiples patrones de empalme. Se ha observado que estos pre-ARNm presentan un segmento que puede ser Intrón o Exón Exón.. Este procesamiento diferencial del ARN nuclear permite, a las células de cada tejido, producir su propia versión de ARNm correspondiente al gen específico.

El investigador Thonas R. Cech y sus colaboradores, en los Estados Unidos, estudiando el splicing del ARNr en un ciliado de agua dulce llamado Tetrahymena, encontraron que en estos organismos unicelulares eucariontes el propio intrón del ARNr inmaduro actúa como catalizador de la escisión y el empalme, es decir, se produce un empalme autocatalítico.  autocatalítico.  Esta secuencia de ARN se pliega formando una estructura compleja que funciona como enzima, que se ha denominado ribozima.  Se han encontrado otros ejemplos de empalme autocatalítico en varios organismos, en ARN codificados por genes mitocondriales o de cloroplastos, en algunos genes nucleares de eucariontes unicelulares y en algunos genes de bacteriófagos, pero no en eucariontes multicelulares.

De gran importancia es el hecho que los genes eucariontes poseen en su estructura exones e exones  e intrones intrones,, situación no observada en procariontes. El número de intrones varía para cada gen, sin embargo, su número aumenta a medida que el organismo es más complejo y de reciente evolución. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinación genética (vía crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolución (de cambio).

Gen Eucarionte 

(Unidad de transcripción)  Exón 2  Exón 4  Exón 3  Exón 1  Intrón 3  Promotor  Intrón 2  Término  Intrón 1 

125 

 

 

Desarrolle 1. Durante el procesamiento de los ARN premensajeros (preARNm), o también llamados ARN heterogéneos nucleares (ARNHm) ocurren modificaciones en sus extremos 5’ y 3’ y acortamiento, debido al “splicing”. El splicing, o procesamiento por corte y eliminación de ciertas secuencias nucleotídicas (intrones) y empalme de otras secuencias nucleotídicas (exones), es uno de los fenómenos más notables que experimentan las pre ARNm en el núcleo. En la figura se esquematiza el resultado de una hibridación entre un ARNm maduro y el ADN molde del cual se transcribió.

A󰁒󰁎󰁭

ADN

ADN

A) ¿A qué corresponden las asas o “loops” numerados 1, 2, 3, 4 y 5? .................................................... ......................... ............................................................ ............................................................ .................................... ......... B) ¿Cómo se llaman los segmentos del pre ARNm equivalentes a estos “loops”? .................................................... ......................... ............................................................ ............................................................ .................................... ......... C) ¿Cómo es posible interpretar la imagen señalada? .................................................... ........................... .......................................................... ............................................................ ................................... ........ .................................................... ........................... .......................................................... ............................................................ ................................... ........ .................................................... ........................... .......................................................... ............................................................ ................................... ........

126 

 

 

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2. Se obtiene una muestra de ADN, se transcribe a su ARNm y se purifica. Se separan entonces las dos hebras del ADN y se analiza la composición de bases de cada hebra del ADN y del ARNm. Se obtienen los datos recogidos en siguiente tabla .

󰁁

󰁇

󰁃

󰁔

󰁕

󰁈󰁥󰁢󰁲󰁡 󰁁󰁄󰁎 󰁮󰂺󰀱

19.1

26.0

31.0

23.9

0

󰁈󰁥󰁢󰁲󰁡 󰁁󰁄󰁎 󰁮󰂺󰀲

24.2

30.8

25.7

19.3

0

󰁁󰁒󰁎󰁭

19.0

25.9

30.8

0

24.3

¿Qué hebra del ADN es la hebra transcrita, que sirve como molde para la síntesis del ARNm? Fundamenta tu respuesta. respuesta. 

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. .………………………………………………………………………………………………………………………………………….……….

………………………………………………………………………………………………………………………………………….….……. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. .……………………………………………………………………………………………………………………………………….………….

127 

 

 

CÓDIGO GENÉTICO El código genético es el “diccionario” usado para lograr la traducción de la información genética, escrita en lenguaje nucleotídico nucleotídico   de cuatro bases nitrogenadas, a un “idioma” aminoacídico escrito aminoacídico  escrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminoácidos que encontramos formando parte de las proteínas de un ser vivo, están representados en el código genético de la agrupación de tres bases nucleotídicas (triplete o codón) de las cuatro existentes.

Este código fue “descifrado” por Marshall, Nirenberg,, Heinrich Matthaei, Nirenberg Matthaei, Robert Holley   y Har Gobind Khorana, Holley Khorana, 10 años después que James D. Watson y Francis Crick   “desentrañaran” el misterio de la Crick estructura del ADN.

Cada triplete constituye un codón. Existen en total 64 codones; codones; 61 61   de ellos codifican aminoácidos y 3 son codones de término para el cese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: los cuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que pueden

generarse 64 (43) combinaciones. En cambio la relación de 41  o 42  nucleótidos, no permitirá generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminoácidos.   aminoácidos.

   󰁃 󰁇󰁥󰁮 󰁥

••

󰁕󰁮󰁶󰁥󰁲󰁡 󰁄󰁥󰁥󰁮󰁥󰁲󰁡 󰀨󰁲󰁥󰁵󰁮󰁡󰁮󰁴󰁥󰀩

•

󰁎 󰁴󰁲󰁡󰁡󰁰󰁡 128 

 

 

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TRADUCCIÓN O SÍNTESIS DE LAS CADENAS POLIPEPTÍDICAS La síntesis de las cadenas polipeptídicas es la segunda etapa observada en el dogma central, y es el proceso por el cual la

Si bien esta etapa es, en sus fundamentos, similar entre procariontes (bacterias) y eucariontes, existen diferencias que serán

información letras (A, U, G, C), Clineal, ), se escrita traducecon en cuatro información tridimensional, escrita con 20 letras (20 aminoácidos).

mencionadas medida que se avance en el desarrollo del atema.

ARN mensajero, el transportador de la información El ARNm es la molécula responsable de transportar la información lineal, que debe traducirse a información tridimensional (proteínas). En bacterias, bacterias, el ARNm es traducido, sin mayor modificación, aun cuando su síntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir que en bacterias la transcripción y traducción son eventos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (en el citoplasma celular).

En el caso de los eucariontes, eucariontes, los  los eventos de transcripción y traducción se hallan separados, espacial separados,  espacial y temporalmente. Los ARN se sintetizan fundamentalmente en el núcleo de la célula eucarionte y se combinan con diversas proteínas, formando complejos heterogéneos nucleares oribonucleoproteicos RNPhn󰀮 

Ribosoma, “La fábrica de proteínas”

Estructura de un ribosoma. 

Microscópicamente, la estructura sub-celular relacionada con la síntesis proteica es un corpúsculo denominado ribosoma. Esta estructura está formada por una sub-unidad menor y una mayor. La sub-unidad menor presenta menor presenta el sitio de reconocimiento y unión al ARNm y la sub-unidad mayor  mayor  posee la enzima que efectúa la unión peptídica (peptidil transferasa) y los sitios para los ARNt, denominados: sitio P  P  (por peptidil), sitio A  A  (por aminoacil) y sitio E (por exit, salida).

129 

 

 

ARN de transferencia, el vehículo de los aminoácidos  aminoácidos  Los ARNt son las moléculas adaptadoras que permiten traducir el código de nucleótidos a aminoácidos para la síntesis de proteínas. Reconocen tripletes de nucleótidos (codones (codones)) por un extremo de su molécula (anticodón) (anticodón)   y en el otro extremo (3’) llevan un determinado ribosoma unir covalentemente con otros aminoácidos, aminoácido, siguiendo en que este el caso el moldesedeencarga tripletesdeque trae el ARNm.

ARNt anticodón

 󰁭󰁩fi󰁡

ARNm

Aminoacil-tRNA sintetasa, una enzima clave  clave  El aminoácido se une a su correspondiente ARNt por la acción de una enzima llamada aminoacil-ARNt sintetasa. Cada aminoácido se activa por su aminoacilARNt sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimas distintas, una para cada aminoácido. Algunos investigadores se refieren a esta reacción como la carga del ARNt. ARNt. Aminoácido + ATP + ARNt → 

La energía usada en la carga del aminoácido a su correspondiente ARNt, queda depositada en la unión química entre el aminoácido y el ARNt. Esta energía será utilizada posteriormente por la actividad de la peptidil transferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma para la formación del enlace peptídico.

aminoacil-ARNt- + AMP + PPi

Aminoacil ARNt sintetasa 130 

 

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Etapas de la traducción En términos generales, se puede afirmar que la traducción es similar en procariontes y eucariontes, salvo algunas

En las secciones siguientes se concentrará la explicación en la maquinaria traductora de la bacteria  Escherichia coli. En dichas

particularidades que los diferencian.

secciones, se eucarionte. mencionarán las diferencias con el sistema

 

⇒

Iniciación   Iniciación

Es la unión de la subunidad menor a la región del ARNm que contiene el codón de inicio AUG. Posteriormente se une el ARNt iniciador cargado con el residuo N-formilmetionina. Por este motivo, el primer aminoácido incorporado durante la síntesis de muchas proteínas bacterianas es una metionina modificada, la N-formilmetionina. El inicio es algo diferente en los eeucariontes, ucariontes, donde el ARNm es reconocido por la subunidad menor solo cuando ésta ha unido previamente la molécula de ARNt iniciador cargado con el residuo aminoacídico metionil, y algunos factores de iniciación eucarióticos.

Formación del complejo de iniciación.

131 

 

 

 

⇒

Elongación   Elongación

El proceso de elongación de la cadena polipeptídica sobre un ribosoma se puede considerar como un ciclo de tres etapas: 1. El ARNt cargado que se introduce en el sitio A, vacío, quedará cerca de la Nfornilmetionil-ARNtfMet, que está localizada en el sitio P.

Elongación de la cadena polipeptídica.

 

⇒

2. Formación del primer enlace peptídico cuando la N-formilmetionina del ARNt iniciador se une al residuo aminoacídico unido al segundo ARNt ubicado en el sitio A. El ribosoma se desplaza tres nucleótidos en dirección 3´ del ARNm, quedando libredel unextremo nuevo sitio A. 3. Los procesos citados se repiten de forma sucesiva codón tras codón. Se calcula que se agregan a la cadena, en promedio, cinco aminoácidos por segundo, deteniéndose la incorporación cuando al sitio A llega alguno de los codones de término. 

Terminación   Terminación

En esta etapa, el sitio A del ribosoma es abordado por alguno de los codones de término y ocupado un factor La de cadena terminación, RF en las bacteriasse ylibera eRF (eucaryotic releasing factor) enpor eucariontes. polipeptídica terminada del último ARNt. Se disocian las sub-unidades ribosomales y el ARNm, quedando disponibles la subunidades ribosomales para ser utilizados en una nueva síntesis. Terminación de la traducción.

132 

 

 

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Revisión. Traducción y polirribosomas Tanto en las células procariontes y eucariontes las moléculas de ARNm se traducen por la acción de múltiples ribosomas, las estructura resultante –un ARNm con varios ribosomas se denomina polirribosoma o polisoma. Cada ribosoma se une sucesivamente al sitio que une ribosomas en el extremo 5’ del mensajero y se mueve hacia el extremo 3’; el polipéptido asociado con cada ribosoma progresivamente se torna más largo a medida que el ribosoma se mueve sobre el ARNm.

󰁁󰁄N 󰁁󰁒N

󰁁󰁒N󰁭

En las células procariontes procariontes la transcripción y traducción son simultáneas; por tanto, pueden unirse múltiples ribosomas al extremo 5’ del ARNm, mientras que la transcripción aun está en proceso en el extremo 3’.

133 

 

 

MUTACIONES GÉNICAS O PUNTUALES Las mutaciones en los organismos unicelulares se transmiten necesariamente a la descendencia. En los organismos pluricelulares solo se transmite a la descendencia una mutación si esta ocurre en las células germinales, es decir, aquellas que darán lugar a gametos.

Sustituciones. Se cambia una base por otra, según sea el problema causado, se clasifican como: neutras, con sentido erróneo y sin sentido

En las mutaciones génicas se afecta la secuencia de pares de bases de un gen, estas mutaciones pueden ser consecuencia d e : s us ti tuci one s , a di ci one s o deleciones.. deleciones

TIPO DE SUSTITUCIONES 󰁍󰁥󰁮󰁳󰁡󰁪󰁥 󰁯󰁲󰁩󰁧󰁩󰁮󰁡󰁬  󰁁󰁄󰁎   󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁁󰁁C 󰁁CG 󰁁󰁔󰁁  󰁁󰁄󰁎 󰁁󰁒󰁎   󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁕󰁕G 󰁕GC 󰁕󰁁󰁕  󰁁󰁒󰁎 󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡   󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡

♦

♦

: al cambiar la base, Neutras cambia el triplete pero codifica el mismo aminoácido

Con

sentido

erróneo: al

cambiar una base cambia el triplete y este codifica otro aminoácido. ♦

Sin sentido: aparece un triplete de término que pone fin a la síntesis de la proteína por adelantado.

󰁭󰁴 󰁲



󰁹

󰁴󰁹󰁲 

󰁳󰁴󰁩󰁮 󰁮󰁥󰁴󰁲󰁡 󰁯 󰁩󰁬󰁥󰁮󰁩󰁯󰁳󰁡  󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁇󰁁C 󰁁CG 󰁁󰁔󰁁  󰁁󰁒󰁎  󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁃󰁕G 󰁕GC 󰁕󰁁󰁕  󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡

󰁭󰁴

󰁲

󰁬󰁥  󰁹 󰁴󰁹󰁲 

󰁃󰁯󰁮 󰁳󰁥󰁮󰁯 󰁥󰁲󰁲󰁮󰁥󰁯  󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁁󰁇C 󰁁CG 󰁁󰁔󰁁  󰁁󰁒󰁎 󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁕󰁃G 󰁕GC 󰁕󰁁󰁕  󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡  󰁭󰁴 󰁲 󰁳󰁥󰁲  󰁹 󰁴󰁹󰁲 

󰁩󰁮 󰁳󰁥󰁮󰁯  󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁁󰁔C 󰁁CG 󰁁󰁔󰁁  󰁁󰁒󰁎 󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁕󰁁G 󰁕GC 󰁕󰁁󰁕  󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡  󰁭󰁴 󰁲 󰁴󰁯󰁰 

134 

 

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Deleción y Adición de bases. En estos tipos de mutaciones puntuales se corre el  el  marco de lectura de lectura de los tripletes del ARNm, y aparecen proteínas muy distintas .

En la deleción deleción   se pierde un par de bases del ADN indicándose en el esquema con una flecha la perdida correspondiente a la base de la hebra molde y en la adición adición   se incorpora un par de bases en el ADN, también indicándose en el esquema con una flecha la base que se adicionó en la hebra molde.

󰁄󰁅󰁌󰁅󰁃󰁉󰃓󰁎  󰁍󰁥󰁮󰁳󰁡󰁪󰁥 󰁯󰁲󰁩󰁧󰁩󰁮󰁡󰁬  󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁁󰁁C 󰁁CG 󰁁󰁔󰁁  󰁁󰁒󰁎  󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁕󰁕G 󰁕GC 󰁕󰁁󰁕  󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡  󰁭󰁴 󰁲 

󰁹

󰁴󰁹󰁲 

C 󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁁󰁁

↑

󰁁  CG󰁁 󰁔󰁁... 

󰁁󰁒󰁎 󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁕󰁕󰁕 󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡

󰁭󰁴

󰁲

󰁰󰁨󰁥

GC󰁕 󰁁󰁕 

󰁡󰁬󰁡 

Unidad 6

 

TRADUCCIÓN Y MUTACIONES

󰁁󰁄󰁉󰁃󰁉󰃓󰁎 

Módulo 4

󰁍󰁥󰁮󰁳󰁡󰁪󰁥 󰁯󰁲󰁩󰁧󰁩󰁮󰁡󰁬 

󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁁󰁁C 󰁁CG 󰁁󰁔󰁁  󰁁󰁒󰁎  󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁕󰁕G 󰁕GC 󰁕󰁁󰁕  󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡  󰁭󰁴 󰁲 

󰁹

󰁴󰁹󰁲 

󰁁󰁄󰁎  󰀳󲀙 󰁔󰁁C 󰁔C󰁁 󰁃󰁁󰁁  󰁃󰁁󰁃 󰁇󰁁󰁔 󲀦󰀮󰀮󰁁  󰁁󰁒󰁎  󰀵󲀙 󰁁󰁕G 󰁁G󰁕 󰁇󰁕󰁕 󰁇󰁕󰁇 󰁃󰁕󰁁󲀦󰀮󰀮󰁕  󰁐󰁲󰁯󰁴󰁥󰃭󰁮󰁡 

󰁭󰁴 󰁲

󰁶󰁡󰁬

󰁶󰁡󰁬

󰁬󰁥 

135 

 

 

Desarrolle Observe la siguiente imagen y compare un codón de la hemoglobina normal con un codón de una hemoglobina mutante. ¿ A qué tipo de mutación corresponde y cual es el fenotipo resultante?

Concepto de gen En la actualidad se cuenta con nuevos elementos que permiten precisar algunas definiciones, lo cual no significa que estos conceptos sean únicos y definitivos, ni que estas concepciones sean las únicas imperantes. Los genes tienen diferente longitud y no están ubicados en forma equidistante. Cada gen es una porción de una molécula de ADN y no tiene extremos físicos. Los genes no son contiguos, sino que están separados por regiones no codificantes de ADN. Algunos están agrupados y otros aislados en diferentes regiones del cromosoma. Una de las posibles definiciones de gen corresponde a todo segmento de ADN que se encuentra luego de un promotor y que puede ser transcrito por una ARN polimerasa y originar un ARN funcional ( ARNm,  ARNm, ARNr, ARNt, ARNsn ribozima y otros ). tipos de ARN ). Como se observa, muchos genes codifican ARN que nunca se traducen en proteínas, como los ARNt, los ARNr y los ARN que forman parte de los snRNP. Así, las definiciones clásicas no se ajustan a los conocimientos actuales. Los nuevos procedimientos y modelos de la biología molecular nos llevan a revisar constantemente los conceptos y definiciones que alguna vez resultaron útiles. Esto demuestra, una vez más, que la biología molecular, tanto como las otras ramas de la biología, es una ciencia que se construye por medio de un proceso de cuestionamiento permanente, formulando modelos que pueden ser perfectibles. perfectibles . A su vez, es importante considerar que la biología molecular brinda un nivel de aproximación de los fenómenos biológicos, pero que existen otros niveles de organización que influyen y son influidos por los fenómenos que ocurren a nivel de las bases moleculares de vida.

136 

 

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Los genes que contienen la información que se expresan en la producción regulada de enzimas y proteínas estructurales permiten controlar las reacciones bioquímicas y la forma de los organismos. El material genético se manifiesta dando forma y función a las proteínas, y debe replicarse con la suficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de las especies, pero al mismo tiempo permitir algunos cambios (variaciones) que sirven de sustrato en la evolución.

Relación entre genotipo y fenotipo Primero se definirán ambos términos.

•

Genotipo.   Corresponde a la constitución genética de una sola célula o de un Genotipo. organismo con referencia a una sola característica o a un conjunto de características; la suma total de todos los genes de un individuo.

•

Fenotipo. Corresponde a las características observables de un organismo que resulta de las interacciones entre el genotipo y el ambiente.

La relación de genotipo genotipo y  y fenotipo fenotipo en  en sus distintos niveles se presenta en la siguiente secuencia de conceptos: ∗

∗

El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez está determinado por el fenotipo de sus células componentes. El fenotipo de una célula está determinado por su química interna, que es controlada por lasmetabólicas. enzimas que catalizan sus reacciones

∗

∗

Las enzimas y las proteínas estructurales, presentes en una célula, están determinadas por el genotipo de la célula.

∗

Los genes especifican la secuencia lineal de aminoácidos en las proteínas y por lo tanto los genes determinan el fenotipo.

∗

El fenotipo está determinado por el genotipo más la acción ambiental.

La función de una enzima depende de su estructura tridimensional específica, además depende de su secuencia lineal específica de aminoácidos.

El genoma humano es la totalidad de la información del Homo sapiens, es decir, la secuencia de ADN contenida en 23 pares de cromosomas en el núcleo de cada célula humana diploide y la secuencia del ADN mitocondrial.  mitocondrial.  

137 

 

 

BIOTECNOLOGÍA Es sabido que la información genética se encuentra guardada en pequeñas partículas especiales que llamamos cromosomas, y en ellos, se encuentra el ADN organizado en unidades funcionales que conocemos como genes. La transmisión de la información genética de un individuo a otro generalmente es entre individuos de una misma especie ya que la naturaleza impone ciertas barreras biológicas, sin embargo, por otro lado también la misma naturaleza ofrece la posibilidad de que la información hereditaria traspase las barreras de las especies, como es el caso de algunos virus y algunas bacterias que funcionan como verdaderos movilizadores de información genética entre especies, así la bioquímica y la biotecnología han logrado reproducir estos procesos. Con el correr del tiempo los científicos también se percataron que los seres vivos tienen mecanismos para defenderse de estos genomas foráneos que eran insertados por los virus y/o bacterias, así, la era del ADN recombinante (o recombinante (o ingeniería genética) se inició en la década de 1970. Los investigadores descubrieron que las bacterias se protegen de la infección por virus debido a la presencia de ciertas enzimas que restringen o interfieren la invasión viral. Ellas provocan cortes del ADN viral en sitios específicos el que ahora cortado, no puede realizar la síntesis de las proteínas del propio fago. Los científicos llamaron a estas proteínas enzimas de  de  restricción que restricción  que ha permitido obtener secuencias de nucleótidos determinadas produciendo fragmentos de ADN ADN reproducibles  reproducibles que pueden generar clones (DNA (DNA cloning).  cloning). Pero por otra parte, la de biotecnología utilizar la asiguiente “logremos que las modificaciones genoma organismospodría simples, ayude modificarfrase el genoma de organismos superiores” del

Aunque el término biotecnología se ha incorporado solo en las últimas décadas a nuestro lenguaje, esta aplicación está presente en la vida cotidiana más de lo que cualquiera de nosotros imagina. La biotecnología es una actividad que comenzó hace miles de años, cuando el ser humano descubrió que al fermentar las uvas se obtenía un producto como el vino.

Estos procesos, todos ellos tienen en común la intervención de microorganismos que transforman componentes.

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También a la abiotecnología fabricaciónpertenece de cerveza partir de la fermentación de cereales, proceso que el ser humano realiza hace 4.000 años y también es parte de la biotecnología la fabricación de pan, mediante el uso de levaduras; la elaboración de quesos, mediante el agregado de bacterias; así como salames y yogur.

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138 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

 

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

MANIPULACIÓN DE ADN Amplificación de ADN in vitro La técnica de reacción en cadena de la polimerasa o PCR, del inglés Polymerase Chain Reaction, revolucionó la biología molecular. Kary Mullis fue el desarrollador de la técnica del PCR en 1983 y fue galardonado en 1993 con el Premio Nobel de Química por su descubrimiento. La idea de la reacción en cadena de la polimerasa es simple, se utilizan dos cebadores o primers que son complementarios a las cadenas opuestas de una secuencia de ADN, lo que permite que la enzima ADN polimerasa actúe sobre ellos para replicar el ADN. Si este procedimiento se realiza cíclicamente, el resultado es una gran cantidad de una secuencia de ADN de interés.

Etapas de la reacción en cadena de la polimerasa o PCR. 1.

Desnaturalización. Los fragmentos 3.  3.  Elongación. Se sube la temperatura

del ADN a amplificar se calientan a 95ºC para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas ambas hebras del ADN. 2. Hibridación. Se baja la temperatura a 55 ºC para que los cebadores o primers se unan de manera complementaria a cada hebra del ADN.

1

2

hasta 72ºC para que la enzima Taq ADN polimerasa agregue nucleótidos libres a cada hebra de ADN para generar las hebras complementarias. Luego este proceso se repite varias veces y se obtiene gran cantidad de moléculas de ADN de interés.

3

Técnicas de PCR (amplificación de ADN). 139 

 

 

Cortes en la molécula de ADN Una herramienta muy útil en biotecnología y necesaria para las tecnologías del ADN recombinante son las endonucleasas de

1.

restricción o simplemente llamadas enzimas Estas enzimas, de restricción. aisladas en bacterias,, reciben su nombre debido a que bacterias limitan o previenen las infecciones víricas degradando el ácido nucleico invasor. Las enzimas de restricción reconocen una secuencia específica de nucleótidos, denominados sitios de restricción, de una molécula de ADN de doble cadena y cortan en esa secuencia. El premio Nobel de 1978 se otorgó a Werner Arber, Hamilton Smith y Daniel Nathans por su investigación sobre enzimas de restricción. Hasta la fecha se han aislado y caracterizado casi 200 tipos de

En primer lugar, permite generar mapas físicos en el ADN que se construyen a partir de la localización de sitios de corte para enzimas de restricción. Estos mapas de restricción   proporcionan datos restricción cruciales para identificar y trabajar con moléculas de ADN.

2.

En segundo lugar, la escisión o cortes por endonucleasa de restricción permite la creación de moléculas recombinantes.. La capacidad de recombinantes construir moléculas recombinantes es importante para la investigación, porque muchos pasos en el proceso de

enzimas de restricción diferentes. La capacidad para cortar el ADN en lugares específicos es importante por dos razones:

Si se quieren unir dos fragmentos de ADN provenientes de distintos orígenes (ADN recombinante), se pueden utilizar enzimas de restricción que reconozcan secuencias de ADN presentes en ambos fragmentos y luego los corten, generando fragmentos complementarios que hibridarán y serán unidos gracias a la ayuda de la enzima ADN ligasa. ligasa.

Corte del ADN por enzimas restricción y unión por ADN de ligasa.

clonación la y capacidad manipulación de ADN requieren de combinar moléculas de ADN de diferentes orígenes.

140 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Separación de fragmentos de ADN: Electroforesis en gel. Muchos procedimientos que evalúan las moléculas de ADN utilizan electroforesis en gel. Esta técnica usa un gel como tamiz

A medida que se mueven, la mayor parte de las fibras poliméricas obstruyen el paso de las moléculas más largas en mayor

molecular para separar los ácidos nucleicos o las proteínas en función de su tamaño, su carga eléctrica y otras propiedades físicas. Como las moléculas de ácidos nucleicos poseen cargas negativas en sus grupos fosfato, en un campo eléctrico viajan hacia el polo positivo.

medida queesta el de las moléculas cortas, de manera las separamás de acuerdo con su longitud. Por tanto, la electroforesis en el gel separa una mezcla de moléculas de ADN lineal en bandas, cada una formada por moléculas de ADN de la misma longitud.  longitud. 

En el análisis de fragmentos de restricción, los fragmentos de ADN obtenidos después de la digestión de una molécula de ADN con enzimas de restricción, se separan mediante electroforesis en gel. Cuando la mezcla de fragmentos de restricción que proviene de una molécula de ADN específica se somete a electroforesis, se obtiene un patrón de bandas característico de la molécula original y de la enzima de restricción utilizada. Como el ADN se puede extraer el gel en forma íntegra, el procedimiento también proporciona una forma de preparar muestras puras de fragmentos individuales. individuales.

Electroforesis de ADN en gel.

141 

 

 

β

El análisis de fragmentos de restricción también es útil para comparar dos moléculas de ADN diferentes; por ejemplo, dos alelos de un gen. gen. Una enzima de restricción reconoce una secuencia de de nucleótidos y un cambio enespecífica un solo par bases impide que se corte en un sitio específico. Por tanto, si se presentan diferencias en los nucleótidos entre los alelos dentro de una secuencia de reconocimiento de una enzima de restricción, la digestión con esa enzima permite obtener una mezcla de fragmentos de cada alelo. De esta manera, cada mezcla proporciona su propio patrón de bandas en la electroforesis en gel. Por ejemplo, la anemia falciforme se debe a una mutación en un solo nucleótido dentro de una secuencia de restricción en el gen de la βglobina.. globina

β

El análisis de fragmentos de restricción por electroforesis puede distinguir los alelos normales de este gen de los alelos que producen células falciformes. 󰁅󰁬󰁥󰁴󰁲󰁯󰁦󰁯󰁲󰁥󰁳󰁩󰁳 󰁥 󰁬󰁯󰁳 󰁦󰁲󰁡󰁧󰁭󰁥󰁮󰁴󰁯󰁳 󰁥 󰁲󰁥󰁳󰁴󰁲󰁩󰁩󰁮 󰁥 󰁬󰁯󰁳 󰁡󰁬󰁥󰁬󰁯󰁳 󰁮󰁯󰁲󰁭󰁡󰁬󰁥󰁳  󰁥 󰁬󰁡 󰁡󰁮󰁥󰁭󰁩󰁡 󰁲󰁥󰁰󰁡󰁮󰁯󰃭󰁡󰀮

Uso del análisis de fragmentos de restricción para distinguir los alelos normales de los alelos causantes de la anemia drepanocítica en el gen de la β-globina. La mutación causante destruye uno de los sitios de restricción Ddel dentro del gen de β-globina.

Clonación molecular El plásmido bacteriano se denomina vector de clonación, clonación, que se define como una molécula de ADN que puede transportar ADN extraño a una célula y replicarse dentro de ella. Los plásmidos bacterianos se emplean de forma universal como vectores de clonación debido a dos razones. En primer lugar, pueden aislarse con facilidad de las bacterias y manipularse para formar plásmidos recombinantes mediante la inserción de ADN extraño in vitro, y luego

En segundo lugar, las células bacterianas se reproducen con rapidez y en el proceso multiplican todo el ADN extraño que albergan. Se muestra un método de clonación de un gen humano específico a través de un vector de clonación representado por un plásmido bacteriano.

volver a introducirse bacterianas.

en

las

células 142 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

1. Se comienza con el aislamiento del 4. plásmido bacteriano de la célula de E. coli   y del ADN que contiene el gen en cuestión de células humanas cultivadas en el laboratorio. El plásmido ha sido sometido a ingeniería genética para portar dos genes que más adelante serán útiles: ampr  que determina que las células de  E. coli sean resistentes al antibiótico ampicilina, y lacZ, que codifica una betagalactosidasa, esta enzima hidroliza el azúcar lactosa y también una molécula sintética similar denominada X-gal. Dentro del gen lacZ hay una sola copia del sitio de restricción reconocido por la enzima de restricción empleada en el siguiente paso. 2. La misma enzima de restricción digiere el plásmido como el ADN humano y produce extremos cohesivos o adherentes. La enzima corta el ADN del plásmido en el único sitio de restricción dentro del gen lacZ, pero también corta el ADN humano en múltiples sitios, generando varios miles de fragmentos. Uno de los fragmentos de ADN humano transporta el gen de interés. 3. Luego de mezclar los fragmentos de ADN humano con los plásmidos cortados para permitir la formación de pares de bases e n t re lo s e xt re m o s ad h e sivo s complementarios. A continuación se agrega una ADN ligasa que forma uniones permanentes entre los pares de bases de los plásmidos y los fragmentos de ADN humanos. Alguno de los plásmidos recombinantes resultantes contiene fragmentos de ADN humano como los tres que se ilustran en la figura. Este paso también genera otros productos, como por ejemplo, un plásmido que contiene varios fragmentos de ADN humano, una combinación de dos plásmidos o una versión no recombinante del plásmido

El ADN preparado en el paso 3 se mezcla con bacterias portadoras de una mutación de su propio gen lacZ, que las imposibilita para metabolizar la lactosa. Bajo condiciones experimentales adecuadas, las células adquieren ADN extraño por transformación. Algunas células obtienen un plásmido recombinante portador del gen en cuestión. Sin embargo muchas otras células incorporan un plásmido recombinante portador de un gen distinto, un plásmido no recombinante o un fragmento de ADN humano. Estas distintas posibilidades se comentarán

más adelante. 5. En este paso de la clonación, las bacterias se siembran en un medio sólido de nutrientes (agar) que contiene ampicilina y X-gal, que es una molécula similar a la lactosa. El uso de este medio permite identificar los clones de células transformadas con un plásmido recombinante.

original que se volvió a unir. 143 

 

 

Clonación molecular.

¿Cómo podemos reconocer los clones de células portadoras de plásmidos recombinantes? En primer lugar, solo las células con plásmidos se reproducen porque solo estas células tienen el gen ampr, que les confiere resistencia contra la ampicilina del medio. Cada bacteria que se reproduce genera un clon después de varias divisiones celulares, lo que produce un gran grupo de células que descienden de la célula original. Una vez que el clon alcanza unas 105  células se forma una masa o colonia de células visibles en la placa de agar. A medida que las células se reproducen también se copian, o clonan, todos los genes insertos son transportados por los plásmidos recombinantes. En segundo lugar, el color de las colonias permite distinguir las colonias bacterianas con plásmidos recombinantes de las que tienen plásmidos no recombinantes. Las colonias con plásmidos no recombinantes y el gen lacZ intacto son de color azul porque producen betagalactosidasa funcional, que hidroliza el X-gal en el medio y forma un producto de color azul. En cambio, en colonias con plásmidos recombinantes que tienen ADN extraño insertado en el gen lacZ no se produce beta-galactosidasa funcional; por tanto, estas colonias son de color blanco. Hasta estenomomento, el procedimiento permite clonarLamuchos fragmentos diferentes de ADN humano, solo el que interesa en el experimento. parte final más difícil de la clonación

de un gen específico es identificar la colonia que contiene el gen entre varios miles de colonias portadoras de otros fragmentos de ADN humano. 144 

 

 

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Identificación de clones portadores de un gen de interés Para rastrear todas las colonias con plásmidos recombinantes (las colonias

Un paso esencial de este método es la desnaturalización de ADN circular; esto es,

blancasdedel método explicado en busca un clon de células que antes) contengan un gen de interés, se puede buscar el gen propiamente dicho o su producto proteico.

la separación de sus dos de cadenas. Al igual que la desnaturalización las proteínas, este proceso se lleva a cabo con productos químicos o calor.

En el primer sistema, que describimos aquí, se detecta el ADN del gen a través de su capacidad de formar pares de bases con una secuencia complementaria en otra molécula de ácido nucleico, proceso denominado hibridación de  de   ácido nucleico.. nucleico

Una vez identificada la ubicación de una colonia portadora del gen deseado se pueden hacer proliferar algunas células procedentes de esas colonias en un medio de cultivo líquido en un tanque grande para luego aislar con facilidad grandes cantidades del gen. Además, se puede usar el mismo gen clonado como sonda para identificar genes similares o idénticos de ADN de otros orígenes, como por ejemplo,

La molécula complementaria, un ácido nucleico corto monocatenario que puede tanto ADN o ARN, se denomina sonda ser de ácido nucleico. Si se conoce por lo menos parte de la secuencia nucleotídica del gen en cuestión (a partir de las proteínas que codifica o de su secuencia en el genoma de una especie relacionada) se puede sintetizar una sonda complementaria con esta molécula. Por ejemplo, si parte de la secuencia en una cadena del gen estudiado es 5`GGCTAACTTAGC3` se deberá sintetizar la siguiente sonda: 3`CCGATTGAATCG5` Cada molécula de la sonda, que forma puentes hidrógeno específicas con gen una cadena de complementaria en el estudiado, se marca con un isotopo radioactivo o con una marca fluorescente para poder rastrearla. Por ejemplo, se pueden trasladar unas pocas células de cada colonia blanca ia un punto en una nueva placa de agar y permitir que se formen nuevas colonias. Una forma en que estos clones bacterianos pueden evaluarse de forma simultánea para determinar la presencia de ADN complementario a una sonda de ADN.

ADN de otras especies.

145 

 

 

Vectores de Clonación  Después de unirse a un vector o vehículo de clonación, un segmento de ADN puede llegar a entrar en una célula huésped y replicarse o clonarse. Los vectores son, esencialmente, moléculas de ADN transportadoras.. Para servir de vector, transportadoras una molécula de ADN debe tener unas determinadas características:

• •

Poder replicarse independientemente  junto con el segmento de ADN que transporta. Contener algunos sitios de corte para enzimas de restricción, presentes sólo una vez en el vector. Estos sitios de restricción se cortan con una enzima de restricción y se utilizan para insertar segmentos de ADN cortados con la misma enzima.

•

Tener algún marcador de selección (normalmente genes de resistencia a antibióticos o genes de enzimas que la célula huésped no tenga) para poder distinguir célulasde huésped transportanlas el vector las que noque lo contienen.

•

Ser fácil de recuperar desde la célula huésped.

Actualmente se utilizan varios tipos de vectores, los más utilizados son: los plásmidos y los bacteriófagos.

Plásmidos. Los plásmidos son moléculas de ADN de doble cadena extracromosómicas de origen natural que tienen un origen de replicación (ori +) y que se replica autónomamente en las células bacterianas. Para poder utilizarlos en ingeniería genética se han modificado o diseñado muchos plásmidos de manera que contengan un número limitado de sitios de restricción y genes de resistencia a antibióticos específicos. El vector pBR322 fue uno de los primeros plásmidos diseñados que se utilizó en ADN recombinante .

Plásmido pBR322 pBR322.. Las líneas que seccionan el plásmido muestran varios sitios de cortes para distintas enzimas de restricción como EcoRI o BamHI que son las más utilizadas. Además muestra dos genes de resistencia a antibióticos (ampicilina y tetraciclina) utilizados como marcadores de selección, y un sitio desde donde se origina la replicación del plásmido (ori ))..

146 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

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INGENIERÍA GENÉTICA  La posibilidad de clonar genes individuales para el análisis marcó el comienzo de una era de progreso sin precedentes en la investigación. A la vez, este desarrollo fue acompañado de grandes anuncios de los posibles avances médicos y otras aplicaciones.

La capacidad para diseñar genéticamente cualquier tipo de célula u organismo es un largo camino por recorrer. Pero nos estamos acercando a esta posibilidad, lo que ha generado entre los científicos mucho entusiasmo y controversia.

Vectores de expresión y formación de productos génicos Una variedad de vectores especializados se han construido desde el desarrollo de la tecnología de clonación. Un tipo muy importante de vector, es el de expresión. Estos vectores contienen las secuencias necesarias para dirigir la expresión de ADN insertado en un tipo celular específico, es decir, las secuencias correctas para permitir la transcripción y traducción del gen. La producción de proteínas recombinantes en bacterias, por ejemplo, utiliza vectores de expresión con promotores bacterianos y otras regiones de control.

Las bacterias transformadas por dichos vectores sintetizan grandes cantidades de la proteína codificada por el ADN insertado. Productos farmacéuticos se han producido de d e esta manera manera,, la primera de las cuales era la insulina, que se utiliza para tratar la diabetes.

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147 

 

 

Organismos transgénicos

núcleo de un

La capacidad de introducir los genes en una célula huésped, huésped, o para introducir genes de la misma   célula misma célula,, es un tema del cual se encarga la

cigoto el transgen.

ingeniería Unsin animal que un gen que se ha genética. introducido el uso decontiene la reproducción convencional se llama un animal transgénico.

Se inyecta en el

Una de las formas de obtener un animal transgénico es microinyectando el gen en el núcleo de un cigoto, luego el embrión se implanta en un útero de la misma especie y se obtiene un organismo transgénico con el gen de interés, por ejemplo capaz de producir una proteína humana.

Formación de un animal transgénico.

En plantas, uno de los métodos más utilizados es introducir genes, en el tejido meristemático (embrionario), capaz de originar una planta completa, a través del plásmido Ti recombinante como vector. Se introduce el gen de interés en el plásmido Ti y se introduce en bacterias  Agrobacterium tumefaciens,  con las cuales se infectan las células meristemáticas. Estas células infectadas formaran un callo, que posteriormente se incuba con hormonas vegetales, para producir una planta transgénica completa, con el gen de interés. Utilización del plásmido Ti para producir plantas

Los organismos que reciben un gen que les aporta una nueva característica se denominan organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos.

transgénicas. 148 

 

 

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Organismos Knockout Una de las tecnologías más importantes para fines de investigación es la mutagénesis in vitro, que consiste en la capacidad de crear mutaciones en cualquier sitio en un gen clonado para examinar su efecto sobre la función. Un objetivo es reemplazar un gen normal o silvestre por una copia mutante, para probar la función del gen mutado. Desarrollado por primera vez en la levadura, esta técnica se ha extendido ahora al ratón. Algunos ratones tienen ratones tienen genes que han sido deliberadamente "apagados". "apagados" .  Estos ratones, llamados ratones knockout  knockout  de genes, se producen por mutagénesis que generan una pérdida de la función de un gen. Los ratones knockout son muy útiles para estudiar la función de genes y enfermedades genéticas, ya que, un investigador puede observar los cambios específicos en la expresión de genes y rasgos. Por ejemplo, los científicos están usando un ratón knockout de genes para estudiar la obesidad. El ratón knockout (a la izquierda) no tiene un gen funcional de una proteína llamada leptina, que ayuda a controlar la ingesta de alimentos. Los investigadores están usando este tipo de ratón para estudiar la obesidad.

A la izquierda ratón knockout de leptina, a la derecha ratón normal o silvestre.

APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA BIOTECNOLOGÍA Diagnóstico y tratamiento de enfermedades: Aplicaciones médicas Es una de las más recientes innovaciones para el diagnóstico de enfermedades contagiosas, en especial, a través del uso de los PCR. Por ejemplo, como la secuencia del ARN genómico del VIH se conoce, es posible usar un PCR para amplificar, y así detectar, el ARN del VIH en la sangre o muestras de tejido.  tejido.   Los médicos pueden ahora diagnosticar cientos de enfermedades genéticas usando PCR con primers que reconocen los genes asociados con ese desorden. El producto de ADN amplificado es luego secuenciado para revelar la presencia o ausencia de la mutación causante de la enfermedad. Entre los genes para enfermedades humanas que han sido identificadas están la anemia falciforme, hemofilia, fibrosis quística, enfermedad de Huntington y distrofia muscular de Duchenne. Duchenne . Los individuos afectados con enfermedades como estas pueden ser identificados antes de presentar los síntomas, incluso antes de nacer. Un PCR puede también ser usado para identificar portadores asintomáticos de enfermedades recesivas.

149 

 

 

Las técnicas antes descritas también han permitido mejoras el tratamiento de enfermedades. Analizando la expresión de muchos genes en pacientes con cáncer de mamas, investigadores han encontrado correlaciones entre los patrones de expresión de varios genes con la posibilidad de desarrollar el cáncer. El análisis de la expresión génica permite a médicos y pacientes acceder a información valiosa para considerar opciones de tratamiento.

Terapia génica La introducción de genes en individuos afectados con fines terapéuticos,, tiene gran potencial para terapéuticos e l t rat am ie n t o d e u n n ú m e ro relativamente pequeño de desórdenes asociados sólo a un gen defectuoso. En teoría, un alelo normal del gen defectuoso puede ser insertado en células somáticas del tejido afectado por el desorden. desorden. Para que la terapia génica de células somáticas sea permanente, las células que reciben el alelo normal deben ser las únicas que se multipliquen a lo largo de la vida del paciente. Las células de la médula ósea, las que incluyen células madre que originan todas las células sanguíneas, son los primeros candidatos. Procedimiento posible de terapia génica para un individuo cuyas células de  de  su médula ósea no pueden producir una enzima vital por poseer un Terapia génica en células de la médula ósea. único gen defectuoso defectuoso.. Si el tratamiento es exitoso, las células de la médula ósea del paciente comenzarán a producir la proteína faltante, y el paciente puede curarse. El procedimiento mostrado en la figura fue usado en pacientes con un tipo de Inmunodeficiencia Severa Combinada (SCID). En una prueba realizada en Francia en el 2000, diez niños con SCID fueron tratados con el mismo procedimiento. Siete de estos pacientes mostraron mejoras significativas luego de dos años. Sin embargo, tres de estos pacientes desarrollaron leucemia, y uno de ellos falleció. Así la terapia génica plantea varias cuestiones técnicas. Por ejemplo ¿cómo se puede asegurar que la inserción de un gen no afecta otras funciones celulares? O ¿cómo se puede controlar la

Unidad 6 BIOTECNOLOGÍA

Módulo 5

actividad de los genes transferidos para que sinteticen una cantidad apropiada del producto? 150 

 

 

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BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

Aplicaciones farmacéuticas Síntesis de pequeñas moléculas para ser usadas como drogas.  drogas.   La determinación de la secuencia y estructura de proteínas cruciales para la sobrevivencia de células tumorales ha permitido la identificación de pequeñas moléculas que combaten ciertos tipos de cánceres bloqueando la función de estas proteínas. Las drogas que trabajan de este modo han sido usadas exitosamente para tratar la leucemia mielogénica crónica (CML), algunos tipos de cáncer de mama y de pulmón. pulmón. Estas aplicaciones sólo son posibles en cánceres para los que la base molecular es bien conocida. Producción de proteínas en cultivos celulares.   celulares. Por medio de las técnicas de ingeniería genética, es posible producir grandes cantidades de proteínas que naturalmente están presentes en pequeñas cantidades. Las células que reciben el gen de interés pueden sintetizar y secretar una proteína, simplificando la tarea de purificación por métodos bioquímicos tradicionales. Entre los primeros productos farmacéuticos  “manufacturados” de esta forma, se encuentra la insulina humana y la hormona del crecimiento. crecimiento.

Producción de proteínas en animales.  animales.  En algunos casos, en vez de usar sistemas celulares para producir grandes cantidades de productos proteicos, los farmacéuticos pueden usar animales completos. Pueden introducir un gen desde un animal en el genotipo de otro individuo, a menudo de diferentes especies. A este individuo se le denomina animal transgénico. Este animal ahora puede actuar comuna fábrica farmacéutica. Por ejemplo, el gen para una proteína sanguínea humana como la antitrombina puede ser insertada en el genoma de una cabra donde la vía de secreción del producto transgénico es la leche del animal. animal . La proteína luego es purificada desde la leche (que es más fácil que Los la purificación desde cultivos celulares). investigadores también han creado pollos transgénicos que expresan grandes cantidades de un producto en sus huevos. Las proteínas humanas producidas por animales transgénicos pueden diferir sutilmente en algunos aspectos de la proteína naturalmente producida. producida. Por esto, las proteínas deben ser probadas cuidadosamente para asegurarse que estas (u otros contaminantes de los animales domésticos), no provoquen reacciones alérgicas u otros efectos adversos en pacientes.

Animal transgénico que produce en su leche una proteína sanguínea.

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Aplicaciones en agricultura y ganadería Los científicos están trabajando para aprender más acerca de genomas de plantas y animales de importancia agronómica. Por algunos años, han usado la tecnología del ADN en un esfuerzo por mejorar la productividad agrícola. Las del ADN permiten los científicos producir oanimales transgénicos transgénicos. Sin tecnologías embargo, problemas como auna menor fertilidad un aumento en la. susceptibilidad a enfermedades no son extraños en animales que portan genes de otras especies. especies. La salud animal es un punto importante a considerar cuando se desarrollan animales transgénicos. En agricultura agricultura los  los científicos ya cuentan con un número de plantas para cultivos con genes para caracteres deseables, tales como maduración tardía y resistencia a enfermedades, herbicidas, insecticidas, e incluso resistentes a condiciones del suelo como la salinidad. salinidad. ¿Cómo los biotecnólogos podrían solucionar problemas agrícolas? Tabla 1. Biotecnología 1. Biotecnología y problemas agrícolas a solucionar

Mediante ingeniería genética, los científicos I. Potrykus y P. Beyer lograron desarrollar hace cerca de 15 años un arroz que contiene beta-caroteno, compuesto que el cuerpo convierte en vitamina A al ser ingerido. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), aproximadamente 250 millones de niños padecen una insuficiencia de esa vitamina. Entre 250.000 y 500.000 pierden la vista, y la mitad de estos muere en el transcurso de un año. Los afectados son en su mayoría niños de países pobres de África y el sudeste de Asia. La

tasa de mortalidad materna también es más alta en estos países. 152 

 

 

LIBRO 1 PARTE 2 LIBRO 1 PARTE 2

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Desarrolle 1. A continuación se presenta un plásmido que contiene un gen gen que le confiere resistencia a la ampicilina y otro a la tetraciclina. Se utiliza una enzima de restricción para insertar un gen de interés en el lugar que muestra el esquema. El plásmido se incorpora a un cultivo bacteriano y luego se siembra en 4 placas de Petri como se indica.

Con la información entregada responda, ¿en cuál o cuáles placas de Petri deberían prosperar las bacterias del cultivo que incorporaron el plásmido? Fundamente. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

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EVALUACIÓN DE CONCEPTOS CLAVE Terminada la revisión y estudio de la unidad, marca en sí o en no si has comprendido y puedes explicar: CONCEPTO CLAVE

SI

NO

ADN Gen Replicación del ADN Intrón Exón Traducción Ribosoma ARN Polirribosomas Mutación génica Biotecnología Manipulación del ADN Terapia génica Repasa y refuerza con tu profesor aquellos conceptos clave que aun no dominas.