Replicación del ADN

Es el proceso por el cual la molécula de ADN se replica. Esta replicación es semiconservativa: cada molécula de ADN tiene una hebra original y otra copiada. La ADN polimerasa III es la enzima que replica el ADN, construye una nueva hebra de ADN uniendo nucleótidos trifosfato (en sentido 5′-3′) a la nueva hebra y tomando una hebra original como molde. Se necesita un cebador porque no puede sintetizar la hebra desde 0.

Proceso de replicación en bacterias:

1. La replicación empieza en el origen de replicación que es donde la enzima reconoce la secuencia.
2. La helicasa separa las hebras, se crea un superenrollamiento a los lados y los elimina la enzima girasa. Se mantiene abierta por las proteínas estabilizadoras.
3. La ARN polimerasa se une a la hebra 3′-5′ y crea una secuencia de 10 bases complementarias en sentido 5′-3′, esto se llama cebador.
4. La ADN polimerasa III sigue añadiendo nucleótidos en sentido 5′-3′ y en la copiada 3′-5′, se sintetiza de forma continua por la hebra conductora. Comprueba también que los nucleótidos añadidos son correctos.
5. La hebra retardada se sintetiza de manera discontinua y en sentido contrario a la primera. El ARN polimerasa sintetiza una secuencia de ARN, cebador, y otra ADN polimerasa III comienza a copiar la hebra retardada en sentido 5′-3′.
6. Con el tiempo la hebra conductora se sigue copiando de forma continua y la retardada en trozos (Fragmentos de Okazaki).
7. La ADN polimerasa I sustituye los nucleótidos de ARN de los cebadores por unos de ADN y la ligasa une los fragmentos de ADN de la hebra retardada.

En células eucariotas es más lento por las histonas y por ser moléculas mayores. El sistema de reparación corrige los errores.

Gen

Secuencia de ADN que tiene la información para la síntesis de una proteína. Tiene tres zonas:

• Regiones promotor y terminador: están al principio y final del gen. Indican al ARN polimerasa donde empieza y termina la síntesis de ARNm en la transcripción.
• Regiones líder y tráiler: dónde comienza y termina la traducción.
• Región codificadora: codifica la secuencia de aminoácidos.

Transcripción

Proceso por el que a partir de una secuencia de ADN se obtiene una secuencia complementaria de ARN (t, m, r).

En bacterias:

Tiene cuatro etapas:

1. Iniciación: La ARN polimerasa reconoce la región promotor, se junta al ADN y separa las hebras, añade nucleótidos 5′-3′. Solo se copia una hebra que actúa como molde.
2. Alargamiento: La ARN polimerasa sigue añadiendo nucleótidos complementarios a la hebra molde en sentido 5′-3′.
3. Terminación: cuando llega a la región terminadora, se termina la síntesis, el ARN se libera y el ADN recupera su estructura.
4. Maduración: cambios que sufre la molécula de ARN (por tener intrones). En bacterias no ocurre.

En eucariotas:

Solo cambia la etapa de maduración.

Maduración en eucariotas:

Sufre dos modificaciones:

1. Eliminación de intrones: son regiones sin información genética y los exones sí. Ambos se transcriben a ARNm. Se eliminan los intrones y se unen los exones.
2. En el extremo 3′ se añaden 200 nucleótidos de adenina y en el 5′ el 7-metilguanosina trifosfato.

Código genético

Forma en la que el ADN codifica para los aminoácidos de las proteínas, es universal, igual para todos los seres vivos. Características:

• Tres bases nitrogenadas: codógeno ADN, codón ARNm, anticodón ARNt. Determinan un aminoácido.
• Código es degenerado: varios codones codifican para el mismo aminoácido.
• Codón iniciador AUG y 3 finalizadores UAA, UAG, UGA

Traducción

Se produce en sentido 5′-3′. Proceso por el que el ribosoma lee la secuencia de bases del ARNm y la traduce en la secuencia de aminoácidos de la proteína. En eucariotas se produce en el citoplasma, en procariotas no hay maduración y la traducción puede iniciarse antes de que termine la transcripción.

Proceso:

1. Activación: unión del ARNm a la subunidad pequeña del ribosoma.
2. Elongación: El ribosoma avanza un codón y el ARNt del Locus P se desprende.
3. Finalización: cuando se llega a un triplete finalizador. Un ARNm puede ser leído por varios ribosomas a la vez, a esto se le llama polisoma.

Regulación de la expresión genética

En cada célula unos genes se expresan y otros no, sus procesos son:

• Operón: es una proteína que reprime la expresión de uno o más genes. Se une a la zona e impide que la ARN polimerasa transcriba.
• Regulación hormonal: las hormonas actúan de forma directa o indirecta sobre los genes activándolos o desactivándolos:
  • Hormonas lipídicas: núcleo activan algunos genes.

Mutación

Es una variación en el ADN. Características:

• Normalmente no suponen mejora en el material genético.
• Suelen ser recesivas ya que el alelo normal fabricará la proteína funcional.
• Aumenta la variabilidad genética de la especie (puede favorecer la capacidad de adaptación de la misma).
• Solo se heredan si se produce en células germinales.

Tipos de mutaciones:

Hay tres tipos:

1. Mutaciones puntuales: afecta a uno o varios genes, variación de un solo nucleótido.
   • Mutaciones por sustitución: sustitución de una base nitrogenada por otra, solo afecta a un triplete.
   • Mutaciones por deleción: pérdida de una o más bases nitrogenadas.
   • Mutaciones por inserción: añadir una o más bases.
2. Mutaciones cromosómicas: cambios en un cromosoma que afecta a genes.
   • Deleciones: pérdida de un trozo del cromosoma.
   • Duplicación: repetición de un trozo del cromosoma.
   • Inversión: cambio de sentido en un trozo del cromosoma.
   • Translocación: cambio de posición de un fragmento de cromosoma a otro cromosoma. Si es entre dos genes no homólogos se llaman translocaciones recíprocas.
3. Mutaciones cariotípicas: afectan al número de cromosomas.
   • Euploidía: variaciones en juegos completos de cromosomas.
   • Aneuploidía: varían los cromosomas homólogos, trisomías.

Importancia evolutiva de las mutaciones:

• Las mutaciones aumentan la variabilidad genética creando alelos para los genes.
• La selección natural selecciona cuales son buenos o no para vivir.

Agentes mutágenos:

Son aquellos que aumentan la frecuencia de mutación.

• Agentes físicos: se dividen en dos:
  • Radiaciones no ionizantes: producen mutaciones genéticas.
  • Radiaciones ionizantes.
• Agentes químicos: sustancias químicas que reaccionan con el ADN.

Mutaciones y cáncer:

Es una enfermedad ocasionada por la producción incontrolada de células que producen tumores.

Tumores:

• Tumor maligno: las células tumorales se desplazan y destruyen tejidos sanos. Crean nuevos tumores (metástasis).
• Tumores benignos: no hay metástasis ni rompen tejidos.

Presencia de oncogenes:

• Un protooncogen mutado por agentes mutagénicos es un oncogen y la célula se divide sin control.
• Virus: algunos tienen oncogenes en su ADN y lo pasan a las células.
• Agentes cancerígenos: sustancias químicas producida por la aparición de tumores.

Biotecnología

Uso de seres vivos o moléculas para obtener productos para el uso humano.

Técnicas de ingeniería genética:

Técnicas para manipular el ADN.

• ADN recombinante: introducir genes de una especie en el ADN de otra especie.
  • Las enzimas de restricción: reconocen secuencias concretas del ADN y la cortan dejando extremos monocatenarios complementarios entre sí. Las secuencias del ADN: palindrómicas (misma secuencia en ambas hebras leídas en la misma dirección). Dos fragmentos de ADN cortados con la misma enzima de restricción pueden unirse por los extremos de cohesión complementarios y formar ADN recombinante.
• ADN inserto: gen que se incorpora en el genoma hospedador.
• Vector de clonación: medio para incorporar el ADN recombinante en la célula, los vectores son:
  • Plásmidos: moléculas de ADN circular con bacterias que se replican de forma autónoma. Pueden pasar de una bacteria a otra.
  • Virus: inyectan su ADN en la célula. Los bacteriófagos son virus usados como vectores en bacterias.
  • Cósmidos: plásmidos con genes de virus.
• Las células hospedadoras del ADN son bacterias que se les introduce ADN recombinante con plásmidos y virus.
• Técnica del ADN complementario:
  • Retrotranscripción: para incorporar un gen en una bacteria hay que eliminar los intrones, porque las enzimas no pueden. Para quitarlos se aíslan los ARNm maduros, con una enzima retrotranscriptasa se obtiene una hebra complementaria en forma de ADN, se obtiene la complementaria de esta hebra (ADN polimerasa) y se inserta un plásmido.
• Electroforesis: separa fragmentos de ADN por tamaños. En una placa de gel, se coloca el ADN fragmentado cerca del polo negativo, al tener carga negativa el ADN, los fragmentos pequeños se alejan (los pequeños más rápido).
• PCR: para clonar y obtener muchas copias de un fragmento de ADN. Se utiliza el ADN polimerasa porque la PCR es a altas temperaturas y si no se desnaturaliza.
  1. Se desnaturaliza con temperatura y se separan las 2 hebras.
  2. Se añaden cebadores de ARN específico para el trozo de ADN que queremos amplificar, se añaden los cebadores porque el ADN polimerasa no puede crear una hebra desde 0.
  3. La ADN polimerasa replica ambas cadenas de ADN y se repite.
• Hibridación de ácidos nucleicos: para localizar un gen dentro de un genoma y saber donde se encuentra en la célula o cromosoma.
• Secuenciación del ADN: establece el orden de bases en el genoma. Hay dos técnicas:
  • Método Sanger: para secuenciar trozos de ADN, no genoma. Se separan las hebras y se toma una como molde. Se realiza en 4 tubos, en cada uno se añade la secuencia de ADN monocatenario a secuenciar, cebadores, ADN polimerasa y los cuatro nucleótidos trifosfato (A, G, C, T), se añade en cada tubo uno de los nucleótidos pero modificados. Se obtiene en cada tubo unos fragmentos de ADN de distintos tamaños que coinciden con el nucleótido modificado en la hebra a secuenciar. Y luego por electroforesis se separan por tamaños.
  • Técnicas de secuenciación de nueva generación: permiten la secuenciación del genoma completo y son más rápidas. Uso de nucleótidos con colorantes fluorescentes de diferente color para cada tipo de nucleótido. Permitieron el Proyecto Genoma.
• CRISPR-Cas9: son segmentos de ADN de virus que guardan las bacterias cuando se infectan. Permiten a las bacterias recordar los virus, producen segmentos de ARN a partir de los CRISPR, este ARN se integra en la enzima Cas y también por complementariedad al ADN vírico, y la Cas corta el ADN y lo desactiva. Corta el ADN en el punto que sea, solo hay que sintetizar una secuencia del ARN CRISPR complementaria a la zona de corte, así se pueden insertar secuencias de ADN en puntos del genoma.
• Genoteca: colección de clones de bacterias recombinantes con plásmidos con parte del genoma. El conjunto de todos los clones es el genoma completo. Hay dos tipos de genotecas:
  • Genoteca de ADN: genoma completo del individuo con intrones.
  • Genotecas de ADN complementario: solo genes sin intrones.
• Genes homólogos: mismo origen evolutivo.
  • Genes ortólogos: diferentes especies, misma función.
  • Genes parálogos: misma especie, distinta función.

Importancia de la biotecnología:

• Terapia génica:
  1. Obtener proteínas de bacterias modificadas: por técnicas de ADN recombinante que se introduce en el ADN bacteriano un gen humano. Los ejemplos son:
     • Insulina: su falta produce diabetes.
     • Hormona del crecimiento: su falta produce enanismo.
     • Interferón: inactiva virus.
     • Factor VIII de coagulación: su falta produce hemofilia.
     • Vacunas: proteínas del patógeno que producen la respuesta inmunitaria.
  2. Terapia génica: introducir un gen sano en una persona con enfermedades genéticas. Se pueden introducir en células germinales o células somáticas.
     • Dos formas:
       • Terapia ex vivo: se sacan células enfermas y se les introducen vectores con genes sanos.
       • Terapia in vivo: se introduce un virus con el gen modificado.
  3. Diagnóstico de enfermedades genéticas: se necesita la hibridación de ácidos nucleicos para localizar los genes mutados que producen la enfermedad.
  4. Terapias con células madre: son aquellas que se dividen por mitosis y se transforman en células adultas.
  5. Medicina forense: permiten identificar a una persona.
     1. Extracción de la muestra.
     2. Amplificar la muestra: PCR.
     3. Cortar el ADN con enzimas de restricción.
     4. Separación de los fragmentos: electroforesis.
  6. Aplicaciones en la agricultura y ganadería: creación de plantas y animales transgénicos, a los que se les añade un gen de otra especie que mejora sus características. Los organismos cisgénicos se les añaden genes de su especie modificados por CRISPR-Cas9.
  7. Clonación: creación de individuos genéticamente idénticos. 2 tipos:
     • Disgregación de dos células embrionarias: se separan células de un embrión y originan un clon.
     • Transferencia nuclear: se transfiere a un óvulo sin núcleo, el de una célula somática. Se obtiene un clon del individuo de la célula somática. Ej: Oveja Dolly.

Inmunología

Sistema inmunitario:

Conjunto de mecanismos de defensa que tiene el organismo contra los microorganismos patógenos.

Niveles de respuesta inmunitaria:

Hay dos:

1. Mecanismos inespecíficos: actúan igual en todos los patógenos.
   1. Barreras externas o primarias: piel y mucosas.
      • Piel: capa impermeable a patógenos, al renovarse los elimina, las glándulas sebáceas producen grasa e impermeabilizan, y las sudoríparas acidifican la piel.
      • Mucosas: son menos impermeables, acidifican el medio, consistencia de moco que atrapa partículas.
   2. Respuesta interna inespecífica: actúan al atravesar el patógeno las barreras externas.
      • Inflamación: se produce por el aumento de permeabilidad de los capilares, el plasma extra sale al tejido. Esto facilita la llegada de glóbulos blancos.
      • Fagocitosis: Los monocitos es la forma inactiva dentro de los capilares de los macrófagos. Los macrófagos y neutrófilos les atraen las sustancias eliminadas por los tejidos inflamados por la infección, salen de los capilares y fagocitan a los patógenos. Resultado: pus.
2. Respuesta inmunitaria específica: respuesta depende del patógeno. Esta respuesta se realiza en los linfocitos T y B.

Antígeno:

Sustancia que puede desencadenar la respuesta inmunitaria específica. Suelen ser proteínas y oligosacáridos.

Elementos que forman el sistema inmunitario:

Células del sistema inmunitario:

Hay dos tipos:

1. Linfocitos: tipo de glóbulos blancos de la sangre, creados en la médula ósea roja.
   • Linfocitos B: se crean y maduran en la médula ósea roja, fabrican anticuerpos. Respuesta inmunitaria humoral.
   • Linfocitos T: se crean en la médula ósea roja y se maduran en el timo. Respuesta inmunitaria celular.
2. Células presentadoras de antígenos: macrófagos que al fagocitar incluyen los antígenos. Los linfocitos T los reconocen y se hace la respuesta inmunitaria específica.

Órganos del sistema inmunitario:

1. Médula ósea roja: se forman las células sanguíneas (células madres).
2. Timo: en el esternón. Maduran los linfocitos T.
3. Bazo: en el abdomen. Almacena linfocitos T y B.
4. Ganglios linfáticos: en el sistema linfático. Almacenan linfocitos.
5. Folículos: depósitos de linfocitos, amígdalas, apéndice, intestino grueso.

Anticuerpos:

Proteínas gammaglobulinas, se unen al antígeno. Estructura: 2 cadenas proteicas mayores, dos menores. Inmunoglobulinas: IgG, IgM, IgA, IgE, IgD. Divididos en dos regiones:

• Región variable: distinta en cada caso se une al antígeno.
• Región constante: igual siempre.

Respuesta inmunitaria:

Celular:

Colaboran los macrófagos, linfocitos T y B.

1. Macrófagos: fagocitan al patógeno e incorporan antígenos.
2. Linfocitos T Helper: son clones celulares con receptores específicos para un antígeno. Secretan interleucina-2 que activa los linfocitos B.
   • Linfocitos T citotóxicos: Destruyen patógenos y células infectadas.
   • Linfocitos T supresores: inhiben la división de los linfocitos T Helper.
3. El clon de linfocitos B: tiene los receptores del antígeno.
   • Células plasmáticas: clones del linfocito B. Producen anticuerpos contra el antígeno.
   • Células de memoria: clones que permanecen durante mucho tiempo y se activan con un patógeno produciendo anticuerpos que impiden la infección.
   • Linfocitos T Killer: destruyen células tumorales.

Humoral:

Unión específica entre antígenos y anticuerpos, asociados con los linfocitos B. Las respuestas son:

1. Precipitación: en antígenos solubles.
2. Aglutinación: en glóbulos rojos no compatibles.
3. Neutralización: unión del anticuerpo y antígeno para no actuar.
4. Opsonización: las opsoninas son anticuerpos en el patógeno que favorece que sean fagocitados por los macrófagos.

Sistema del complemento:

Serie de proteínas que se activan con el antígeno-anticuerpo. La enzima lítica es la última y destruye las células del patógeno.

Características de la respuesta inmune:

• Especificidad: específica con cada antígeno.
• Tolerancia: no reacciona contra antígenos del propio cuerpo.
• Memoria: quedan linfocitos de memoria para actuar más rápido luego.

Inmunidad:

Capacidad de no padecer una enfermedad infecciosa al entrar en contacto con el patógeno.

• Inmunidad natural: hay dos tipos:
  1. Congénita: presente desde el nacimiento. No inmuniza. (pasiva)
  2. Adquirida: después de padecer la enfermedad, células de memoria. Si inmuniza. (activa).
• Inmunidad artificial: hay dos tipos:
  1. Vacunas: contagio de patógenos para ser inmunes. (activa)
  2. Sueroterapia: administración de anticuerpos de animales o personas que han tenido la enfermedad, No inmuniza (pasiva).

Inmunidad y cáncer:

Las células cancerosas desarrollan en sus membranas antígenos propios (antígenos tumorales) que el sistema inmunitario puede reconocer y activarse. Normalmente la respuesta inmunitaria no es suficiente para contrarrestar el cáncer.

Inmunodeficiencia:

Capacidad de controlar las infecciones.

• Congénitas: enfermedades genéticas, fabrican linfocitos ineficaces.
• Patógenos como VIH: ataca a los linfocitos TH y produce sida.

Autoinmunidad:

Se produce cuando el sistema inmune reacciona ante antígenos de las propias células normales, destruyéndolas y produciendo las enfermedades autoinmunes (esclerosis múltiple, lupus,…).

Alergias:

Es una reacción inmunitaria ante antígenos no peligrosos como el polen, los ácaros, alimentos, etc. El choque anafiláctico es una reacción alérgica especialmente grave que puede producir náuseas, dificultades respiratorias graves y puede acabar en una parada cardiorrespiratoria. Ante un choque anafiláctico la única solución es inyectar rápidamente adrenalina.