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Tema 4: La revolución genética
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Antes de Mendel
Preformismo:
La observación de espermatozoides con un microscopio en el s.XVIII
hizo creer que tras la fecundación, solo por crecimiento, estos daban
individuos adultos.
Epigénesis:
Al mejorar las técnicas microscópicas se postuló que además de
crecimiento había transformaciones estructurales.
Pangénesis.
Los órganos producen unas gémulas que viajan por la sangre a los
genitales y de ahí a los hijos.
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Caracteres adquiridos (Lamarck):
Teoría de Lamarck, que consideraba que las variaciones eran adquiridas
y hereditarias. Los individuos cambian para adaptarse al medio y estás
características se transmiten a los descendientes.
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Herencia mendeliana
Monje agustino católico y naturalista, en la
actual República Checa, que describió las
llamadas Leyes de Mendel que rigen la
herencia genética, por medio de los trabajos
que llevó a cabo con diferentes variedades de
la planta del guisante.
Su trabajo no fue valorado cuando lo publicó
en el año 1866.
Hugo de Vries, botánico holandés, junto a
Carl Correns y Erich von Tschermak,
redescubrieron las leyes de Mendel por
separado en el año 1900.
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Experimentos de Mendel
Mendel seleccionó siete caracteres para sus experimentos, cada
uno de los cuales tenía dos posibilidades y obtuvo razas puras de
guisantes para cada uno de estos caracteres.
Posteriormente cruzó
entre sí las razas puras
que presentaban
diferencias respecto a
uno de los caracteres
elegidos
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Conclusiones de Mendel
1. La herencia se transmite por factores hereditarios
almacenadas en los gametos. Dichos factores son de
procedencia materna y paterna que se unen en el nuevo
individuo sin mezclarse, y volviéndose a separar al formar
las células reproductoras.
2. La herencia sigue normas estadísticas sencillas.
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Leyes de Mendel
Primera Ley de Mendel o Ley de la uniformidad de los
híbridos de la primera generación (F1). , y dice que cuando se
cruzan dos variedades individuos de raza pura ambos
(homocigotos) para un determinado carácter, todos los
híbridos (hereocigotos) de la primera generación son iguales.
AA
aa
Aa
P (generación paterna)
F1 (generación filial)
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Interpretación del experimento:
El polen de la planta progenitora aporta a la
descendencia un alelo para el color de la semilla,
y el óvulo de la otra planta progenitora aporta el
otro alelo para el color de la semilla ; de los dos
alelos, solamente se manifiesta aquél que es
dominante (A), mientras que el recesivo (a)
permanece oculto.
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Segunda ley, o Principio de la segregación: “Ciertos individuos son
capaces de transmitir un carácter aunque en ellos no se manifieste”.
El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda
generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a pesar de que
todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A“
Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había
desaparecido, sino que sólo había sido "opacado" por el carácter "A",
pero que al reproducirse un individuo, cada carácter segrega por
separado.
Aa
AA
Aa
Aa
Aa
aa
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Tercera ley, o Principio de la transmisión independiente:
Esta ley hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: cuando se
considera un carácter; polihibrido: cuando se consideran dos o más
caracteres).
Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características
que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se
encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que
los caracteres se transmitían independientemente unos de otros.
Esta ley sólo se cumple si los caracteres estudiados están en
cromosomas distintos.
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Después de Mendel
1900. Redescubrimiento de las Leyes de Mendel.
1910. Experimentos de Morgan. Demuestra que los genes
están en los cromosomas, y los que están en el mismo
cromosoma se transmiten juntos y los que están en
cromosomas independientes se transmiten por separado.
Se comprobó la existencia de recombinación o intercambio
entre cromosomas homólogos (los dos cromosomas iguales
que proceden uno del padre y otro de la madre)
1944. El ADN es el portador de la información genética
(Experimentos de Avery)
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Estas experiencias demostraban que
el ADN era la molécula que contenía
la información necesaria para que las
bacterias S fueran virulentas y que, a
pesar de estar muertas, su ADN no
estaba destruido y podía pasar al
medio y de aquí a las bacterias de
cepa R integrándose en el genoma de
éstas y transformándolas en
virulentas
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Biología molecular
Ciencia que nace a partir del descubrimiento de la estructura del
ADN (1953, Watson y Crick)
•
•
•
Estudio de la vida a nivel molecular
Esclarece la estructura molecular del ADN
Estudia los procesos de formación de un ser
vivo a partir del ADN:




Replicación del ADN
Transcripción a ARN
Síntesis de proteínas
Regulación de los genes
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Ácidos
nucleicos
Introducción
• Los ácidos nucleicos son moléculas fundamentales
en todos los organismos vivos
• De ellas dependen las demás moléculas y su
actividad biológica.
• Los ácidos nucleicos dirigen y controlan todos los
procesos biológicos de los seres vivos.
• Existen dos tipos de ácidos nucleicos; ADN y ARN.
• El ADN es el material hereditario de las células y
contiene las instrucciones para la producción de
todas las proteínas que el organismo necesita.
• El ARN está asociado a la transmisión de la
información genética desde el núcleo al citoplasma,
donde tiene lugar la síntesis proteica. Hay varios
tipos de ARN
– ARN mensajero
– ARN transferente
– ARN ribosómico
• Los ácidos nucleicos (ADN, ARN) son macromoléculas
formadas por la unión de monómeros denominados
nucleótidos
• Los nucleótidos son moléculas complejas.
• Cada nucleótido es una molécula formada por la
unión de tres unidades:
– Monosacárido (pentosa)
– Base nitrogenada
– Ácido fosfórico
Monosacárido
• Es una pentosa, que puede ser:
– Ribosa: b-D-ribofuranosa (ARN)
– Desoxirribosa: b-D-2-desoxirribofuranosa (ADN). El
prefijo desoxi hace referencia a que la pentosa carece
de un átomo de oxígeno.
Base nitrogenada
• Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos:
– Bases púricas: derivadas de las purinas.
• Las bases púricas son ADENINA Y GUANINA
purina
– Bases pirimidínicas: derivadas de la pirimidina.
• Las bases pirimidínicas son: CITOSINA, TIMINA y URACILO
(esta se encuentra en el ARN)
pirimidina
Ácido fosfórico
• En forma de grupo fosfato.
NUCLEÓTIDO = NUCLEÓSIDO + GRUPO FOSFATO
ADN
ADN. Ácido desoxirribonucleico
• Son biopolímeros lineales de desoxirribonucleótidos 5´monofosfato
de adenina, guanina, citosina y timina.
• Poseen desoxirribosa + A, G, C, T.
• Nunca poseen uracilo como base nitrogenada.
• Con excepción del algunos virus, el ADN está constituido por dos
cadenas de polinucleótidos unidas entre sí en toda su longitud.
• Esta doble cadena puede disponerse de dos maneras:
– Forma lineal en el caso de células eucariotas (núcleo)
– Forma circular en el caso de células procariotas, algunos virus y
en los orgánulos de las células eucariotas
Estructura primaria
• Está formada por la secuencia de desoxirribonucleótidos5´-monofosfato, unidos por enlace nucleotídico.
• Se puede distinguir un esqueleto de pentosa-fosfato y las
bases colgando de esta estructura.
• Una sola cadena
• Los análisis químicos han demostrado que el porcentaje
de bases (A, G, C, T) es el mismo para todos los individuos
de una misma especie.
• La diferencia entre los ADN radica en la secuencia de
bases nitrogenadas.
• En todos los polinucleótidos existe un extremo
(llamado 3´), con una pentosa con el grupo OH
del carbono 3` libre y otro extremo (llamado
5´), donde se localiza el grupo fosfato libre,
unido al carbono 5´de la pentosa. Esto implica
que ambos extremos son distintos
Estructura secundaria
• Es una doble hélice dextrógira, formada
por dos cadenas de polinucleótidos
enfrentadas por sus bases y unidas entre si
por puentes de hidrógeno entre bases
complementarias.
• Este modelo de estructura secundaria fue
propuesto por Watson y Crick, en 1953
Chargaff observó que todos los ADN tenían tantas moléculas de adenina
(A) como de timina (T), y tantas de citosina (C) como de guanina (G).
1. Proporción de Adenina es igual a la de
Timina
A=T
2. Proporción de Guanina es igual de la de
Citosina
G=C
3. Proporción de purinas = Proporción de
pirimidinas A + G = C + T
Los estudios mediante difracción de rayos X aportaron nuevos datos
sobre la estructura del ADN.
A partir de los estudios del ADN mediante la difracción de los rayos X,
Rosalind Franklin y Wilkins observaron que el ADN tenía una
estructura fibrilar de 20 Å de diámetro, en la que se repetían ciertas
unidades cada 3,4 Å, y que había otra repetición mayor cada 34 Å.
3,4
Amstrongs
20
Amstrongs
• Watson y Crick llegaron
a la conclusión,
basándose en los
estudios previos, que el
ADN estaba formado
por una doble hélice
dextrógira
Características del ADN B (modelo propuesto por
Watson y Crick)
• El ADN está formado por dos cadenas
polinucleotídicas unidas en toda su longitud.
• Las dos cadenas son antiparalelas (tienen
extremos 3´-5´opuestos)
• La unión de las cadenas se realiza por medio de
enlaces por puentes de hidrógeno entre bases
complementarias de ambas cadenas.
– Adenina forma 2 puentes de hidrógeno con la Timina.
– Guanina forma 3 puentes de hidrógeno con la Citosina
• El hecho de que una cadena posea mayor proporción
de Guanina y Citosina, indica que presenta mayor
estabilidad térmica.
• Las dos cadenas no son idénticas, sin
complementarias.
• Las dos cadenas están enrolladas en espiral,
formando una hélice dextrógira en torno a un eje
central imaginario.
• Las bases quedan en el interior de la doble hélice,
mientras que el esqueleto de pentosa-fosfato se
encuentran en el exterior.
• Las bases son perpendiculares al eje de la doble
hélice.
• El enrollamiento es plectonémico (las cadenas no se
pueden separar sin desenrollarse)
• Existen 10 nucleótidos por vuelta de la hélice.
Resumen de las características de la
doble hélice de ADN
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dos cadenas polinucleótidas unidas entre sí
Antiparalelas
Complementarias
Estabilizadas por puentes de hidrógeno entre bases
nitrogenadas
Enrolladas en espiral alrededor de un eje imaginario
Esqueleto azúcar fosfato hacia fuera –
Planos de las bases perpendiculares al eje y
paralelos entre sí
Enrollamiento plectonémico
Gira en sentido dextrógiro (reloj)
10 pares de nucleótidos por vuelta (3,4 nm)
Desnaturalización del ADN
• Se produce cuando el incremento de temperatura,
variación de pH.
• Se rompen los enlaces por puentes de hidrógeno
entre bases complementarias y las dos cadenas se
separan.
• No se ven afectados los enlaces fosfodiester (enlace
nucleotidico)
• Cuando se restablecen las condiciones originales el
ADN se renaturaliza.
FUNCIÓN BIOLÓGICA DEL ADN
El ADN es la molécula almacén de la
información genética y contiene
todas las instrucciones necesarias
para construir todas las moléculas del
cuerpo de un ser vivo.
Para ello tiene que ser capaz de
realizar
copias
de
si
mismo
(replicarse) mediante un proceso
basado en la complementariedad de
las bases.
Replicación
• En la replicación, el ADN se libera de las histonas y se
abre.
• Cada una de las hebras sirve de molde para la
síntesis de una nueva cadena complementaria.
• La replicación del ADN es semiconservativa (una de
las cadenas es la cadena molde y otra es de nueva
formación)
• Transcripción de la información genética
contenida en los genes.
– Se sintetiza ARN mensajero a partir de una de las
hebras de ADN.
• Traducción del mensaje contenido en el ARN
mensajero.
– El ARN mensajero se une al ribosoma y comienza
la síntesis de proteínas.
ARN
• Polímero de ribonucleótidos-5- monofosfato
• El ARN difiere del ADN en:
– La pentosa es ribosa
– Posee uracilo en lugar de timina. El uracilo es
complementario a la adenina.
– Las cadenas son más cortas y aparecen en el núcleo y
en el citoplasma.
– Está formado por una sola cadena (monocatenario), a
excepción de algunos virus (reovirus), aunque en
algunos ARN aparece una estructura más compleja por
apareamiento intracatenario.
• Existen varios tipos de ARN:
– ARN mensajero
– ARN ribosómico
– ARN transferente
ARN mensajero
• Es una copia de una parte del ADN (la que
corresponda a un gen o grupos de genes que van
a expresarse).
• EL ARN mensajero sirve de molde para la síntesis
proteica.
• Poseen una vida muy corta. Se destruyen por
enzimas específicas
ARN ribosómico
• Forma parte de los ribosomas
• EL ARNr contribuye a que las subunidades ribosómicas posean una
superficie acanalada, con hendiduras o sitios donde albergar
simultáneamente a una molécula de ARNm (subunidad pequeña) y a
los diferentes aminoácidos unidos a los ARNt (subunidad grande).
ARNm ARNr ARNt
ARN transferente
• Se encarga de transportar los aminoácidos
presentes en el citoplasma hasta los ribosomas,
donde se unirán a otros (por medio de enlace
peptídico) siguiendo las directrices de la
secuencia de ARNm
• Cada ARNt porta un aminoácido específico
• Los ARNt se diferencian en la secuencia de bases
(anticodón) que es complementaria (codón)
presente en el ARNm.
• El ARNt es monocatenario, pero
presenta
zonas
con
estructura
secundaria en doble hélice (brazos), y
zonas con estructura primaria o lineal
(asas o bucles), lo que confiere a la
molécula una forma de hoja de trébol.
• En ella se distinguen varios brazos pero
el que nos interesa en este momento es
el Brazo A (del anticodón).
Diferencias entre
ADN y ARN
DNA
RNA
Doble cadena helicoidal
Cadena Simple
Tiene las bases A, T, G y C
Tiene las bases A, U, G y C
La pentosa es una desoxirribosa
La pentosa es una ribosa
Es una Macromolécula
Es más pequeña que el DNA
Esta en el Núcleo
Se encuentra en el citoplasma
Constituye los Genes (se replica o se trascribe
Es una molécula involucrada en la síntesis de
proteínas
a RNA)
El ADN
El ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de
nucleótidos. Los puentes de hidrógeno que unen ambas
cadenas dan estabilidad a la estructura . La combinación de
las secuencias de bases nitrogenadas (A, T, G y C) forma los
distintos ADN’s.
Esta enorme variabilidad
origina todas las diferentes
proteínas que podemos
encontrar en los seres vivos.
Las uniones siempre son:
A-T
C-G
Tema 4: La revolución genética
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Relación entre genes y proteínas
El ADN (más concretamente, los genes que contiene y que se
definen como segmentos de ADN que codifican una proteína)
contiene la información con las características de los seres vivos.
Esta información se expresa en forma de proteínas.
Las proteínas son las que finalmente definen al ser vivo, junto con
la influencia que puede ejercer el medio ambiente.
La relación entre genes y proteínas se expresa a través del dogma
central de la Biología Molecular (1970, Crick)
Tema 4: La revolución genética
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Replicación
ADN
Transcripción
ARN m
Traducción
Proteínas
ARN m
Traducción
Proteínas
Replicación
ADN
Transcripción
Retrotranscripción
Tema 4: La revolución genética
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A raíz de la modificación del Dogma central de la Biología Molecular se
han cuestionado los conceptos de gen y ADN basura (ADN que no
codifica información para proteínas).
Actualmente se cree que este ADN basura puede tener un papel
regulador importante, así como que un gen puede dar lugar a varias
proteínas (hasta hace muy poco, el concepto fundamental era “un gen,
una proteína”).
Tema 4: La revolución genética
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Replicación del ADN
1. La replicación es el proceso en que se sintetizan dos copias
idénticas de ADN tomando como molde otra cadena de
ADN. Es una replicación semiconservativa.
2. Tiene lugar en el núcleo de la célula
3. Se basa en la complementariedad de las bases nitrogenadas
(al igual que en los procesos de reparación de secuencias
dañadas y transcripción del ARN)
4. Se realiza antes de cada división celular para que las células
hijas lleven la misma información que la célula madre.
Tema 4: La revolución genética
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Modelos de replicación del ADN
Modelo
conservativo
Modelo
semiconservativo
Tema 4: La revolución genética
Modelo
dispersivo
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Replicación del ADN
Tema 4: La revolución genética
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Complementariedad de bases
La complementariedad de bases es útil para saber el contenido de
bases de un ADN o conocer a partir de una secuencia como será la
cadena complementaria:
Si un ADN tiene un contenido de C+G del 42%, ¿qué porcentaje habrá de cada
una de las bases?
C+G=42% A+T=58%
C= 42:2= 21%; G= 42:2= 21%; A= 58:2= 28%; C= 58:2= 28%
Tema 4: La revolución genética
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Ejercicio.
Dada una hebra simple de ADN 3’-TACGGAATTCAT-5’, construye la hebra
complementaria y la cadena de ADN que se formaría tomando como
referencia la hebra inicial.
Solo debes recordar que el ADN no tiene uracilo
Hebra ADN: 3’-TACGGAATTCAT - 5’
Cadena complementaria:
Tema 4: La revolución genética
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Ejercicio.
Dada una hebra simple de ADN 3’-TACGGAATTCAT-5’, construye la hebra
complementaria y la cadena de ADN que se formaría tomando como
referencia la hebra inicial.
Solo debes recordar que el ADN no tiene timina
Hebra ADN: 3’-TACGGAATTCAT - 5’
Cadena complementaria: 5’- ATGCCTTAAGTA - 3’
Hebra ADN: 3’- TACGGAATTCAT- 5’
Cadena de ARM m: 5’- AUGCCUUAAGUA-3’
Tema 4: La revolución genética
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Transcripción del ADN
1. Se basa en el mismo mecanismo (complementariedad de
bases) que la replicación, pero intervienen enzimas diferentes y
se sustituye la base nitrogenada Timina por Uracilo.
2. Tiene lugar en el núcleo celular.
3. El ARN resultante sufre un proceso de maduración, y el ARN
maduro sale al citoplasma celular.
4. El ARNm lleva la información a los ribosomas donde se
producirá la síntesis de proteínas
Tema 4: La revolución genética
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Tema 4: La revolución genética
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Traducción del ADN
1. Es la formación de proteínas a partir de la información que
lleva el ARNm
2. Tiene lugar en los ribosomas (citoplasma)
3. Son necesarias otras moléculas como:
• ARNt
• Aminoácidos
• Enzimas diversos
4. El proceso de traducción se hace según el Código Genético
Tema 4: La revolución genética
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Traducción del ADN
1. Las proteínas están formadas por aminoácidos.
2. El orden de colocación de los aminoácidos viene dado por la
secuencia de bases del ARNm. Cada tres bases de ARNm
(triplete o codón) indica la colocación de un aminoácido.
3. Con las 4 bases nitrogenadas (A, U, G, C) se pueden formar 64
tripletes diferentes, que llevan la información para los 20
aminoácidos que forman todas las proteínas de los seres vivos
Tema 4: La revolución genética
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El código genético está compuesto por codones
(codón= 3 bases nitrogenadas) que definen el
proceso de traducción
•61 codones para aminoácidos
(existen 20 aminoácidos diferentes)
•3 codones de terminación
El código genético es
universal
El código genético es
redundante (varios
codones para un mismo
aminoácido)
Ejemplo: El aminoácido
glicina está codificado
por GGU, GGC, GGA y
GGG
Tema 4: La revolución genética
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Código genético
Tema 4: La revolución genética
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A partir de un ARN m:
AUG - CCU – AAG – UUU – GCU – CUC ….
MET
PRO
LYS
PHE
ARG
LEU
PROTEÍNA
Tema 4: La revolución genética
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El Código genético
1. Es un código universal. Todos los seres vivos conocidos lo utilizan
2. Es un código redundante o degenerado. Hay más tripletes de bases
que aminoácidos.
3. Es un código sin superposición o sin solapamientos:
4. La lectura del ARN mensajero es continua, sin interrupciones.
Cualquier pérdida o ganancia de un sólo ribonucleótido produce a
partir de ese punto una modificación de la pauta de lectura,
cambiando todos los aminoácidos desde el lugar de la alteración.
Tema 4: La revolución genética
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Ingeniería genética
Se puede definir como la formación in vitro de nuevas
combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un
ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su
introducción en un organismo huésped, el ADN híbrido
(recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente
expresarse.
Lo que se pretende mediante la ingeniería
genética es lograr ciertos fines tanto en la
ciencia pura como en la aplicada (producción
microbiana de productos, plantas y animales
transgénicos, nuevos diagnósticos).
Tema 4: La revolución genética
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ADN recombinante
El ADN recombinante es aquel que tiene fragmentos de distinta
procedencia.
De forma natural existen ADN recombinantes, cuando los virus
insertan su ADN en el ADN de la célula huésped.
Se pensó hacer lo mismo de manera artificial en el laboratorio
utilizando enzimas de restricción.
Tema 4: La revolución genética
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Enzimas de restricción
1. Estas enzimas, procedentes de bacterias, tienen la capacidad de
reconocer una secuencia determinada de nucleótidos y extraerla
del resto de la cadena.
2. Esta secuencia puede volver a colocarse con la ayuda de otra
clase de enzimas, las ligasas.
3. La enzima de restricción actúa como una "tijera de ADN", y la
ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar un gen
de la cadena principal y en su lugar colocar otro.
Tema 4: La revolución genética
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Tema 4: La revolución genética
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Tema 4: La revolución genética
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Vectores génicos
Son elementos móviles, en los que
se inserta el gen a transferir.
Son fácilmente manipulables y
pueden transferirse hasta la célula
huésped para obtener las células
transgénicas.
Los principales vectores utilizados son:
1. Plásmidos
2. Bacteriófagos
3. Cromosomas artificiales de levaduras (YAC)
Tema 4: La revolución genética
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Genes marcadores
En los vectores, además del gen de interés se colocan otros genes
denominados marcadores.
Son genes que permiten identificar aquellas células que han
incorporado el ADN del vector.
En general, estos genes dan a la célula
que los contiene resistencia a
antibióticos, de tal forma que si
añadimos el antibiótico a una mezcla de
células con y sin el ADN de interés, las
que no lo tengan (y por tanto, tampoco
el gen de resistencia al antibiótico),
morirán.
Tema 4: La revolución genética
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Amplificación del ADN
El estudio y manipulación del ADN requiere muchas copias
de los fragmentos de ADN que se quieren estudiar.
El método clásico de obtención de copias era la clonación
mediante bacterias. Era un proceso lento y costoso.
En 1983, Mullis diseño un mecanismo para obtener
múltiples copias de forma mucho más sencilla. Este método
denominado PCR (Polimerasa Chain Reaction) ha sido
determinante en múltiples áreas del conocimiento que
utilizan ADN
Tema 4: La revolución genética
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PCR
Tema 4: La revolución genética
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PCR
Esta técnica requiere conocer la secuencia de nucleótidos de los extremos del
fragmento que se quiere amplificar para diseñar dos oligonucleótidos sintéticos (P1 y
P2) de DNA complementarios a una porción de cada una de las dos cadena de la doble
hélice.
La mezcla de reacción contiene la secuencia de DNA que se quiere amplificar, los dos
oligonucleótidos sintéticos, una DNA polimerasa termoestable (Taq) y los cuatro
nucleótidos (dATP, dGTP, dCTP y dTTP)
La mezcla de reacción se somete a ciclos que constan cada uno de una fase de
desnaturalización, una de hibridación y una de elongación.
Durante la desnaturalización, que se realiza por calentamiento de la mezcla a 95 ºC, se
separan las dos cadenas del DNA molde.
Durante la hibridación, la temperatura de incubación se reduce para permitir el
apareamiento de las bases de ambos cebadores en el sitio donde encuentran una
secuencia complementaria.
Durante la fase de elongación, la mezcla se calienta a 72 ºC, temperatura a la cual la
DNA polimerasa extiende la cadena complementaria a partir del extremo 3' de los
cebadores. Al finalizar cada ciclo, tenemos el doble de ADN
Tema 4: La revolución genética
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Mutaciones
1. Es todo cambio en la información hereditaria (ADN,
cromosomas o cariotipo).
2. Las mutaciones pueden producirse tanto en células somáticas
(no se heredan) como en células germinales (se transmiten a
la descendencia).
3. Las mutaciones pueden ser: naturales (espontáneas) o
inducidas (provocadas artificialmente con radiaciones,
sustancias químicas u otros agentes mutágenos).
Tema 4: La revolución genética
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Genoma humano
El Proyecto Genoma Humano es una investigación internacional
que busca seleccionar un modelo de organismo humano por
medio del mapeo de la secuencia de su DNA.
El proyecto fue fundado en 1990 por el Departamento de
Energía y los Institutos de la Salud de los Estados Unidos, con
un plazo de realización de 15 años.
Debido a la amplia colaboración internacional (más de 20
países implicados), a los avances en el campo de la genómica
y la informática un borrador inicial del genoma fue terminado
en el año 2000.
Tema 4: La revolución genética
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Objetivos
El objetivo inicial del Proyecto Genoma Humano fue no sólo
determinar los 3 mil millones de pares de bases en el genoma
humano, sino también identificar todos lo genes en esta gran
cantidad de datos.
También tuvo como objetivo el desarrollo rápido de métodos
eficientes para secuenciar los aproximadamente cien mil genes
del ADN.
Otros objetivos fueron:
•
Guardar toda esta información en bases de datos de
libre acceso.
•
Desarrollar herramientas para facilitar el análisis de
esta información, y trabajar los aspectos éticos, legales
y sociales
Tema 4: La revolución genética
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Este proyecto supone la realización de dos tipos de mapas:
Mapas genéticos: Estos mapas indican la posición relativa
de los diferentes genes. Para esta confección se están
estudiando la transmisión de caracteres hereditarios,
capaces de ser objetivados de una generación a otra en
grandes familias.
Por ejemplo, en Estados Unidos se han localizado muchos
genes gracias a estudios realizados en comunidades
mormonas, cuya endogamia es notoria.
En 1994 se terminó el primer mapa genético de todo el
genoma humano.
Tema 4: La revolución genética
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Mapa genético
Tema 4: La revolución genética
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Mapas Físicos: de mayor resolución, pues muestra la secuencia de
nucleótidos en la molécula de ADN que constituye el cromosoma. Se
establece la situación real de los genes en los cromosomas (en los
mapas genéticos era un posición relativa).
Se obtiene la secuencia de nucleótidos de un gen. Se realiza
fundamentalmente mediante la electroforesis en gel de distintos
fragmentos de ADN y la ayuda de ordenadores.
El completar este mapa se ha conseguido cinco años antes de lo que se
esperaba.
Secuenciación de ADN
por ordenador con
letras y colores.
Tema 4: La revolución genética
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Resultados del PGH
Algunos de los aspectos que más han llamado la atención es el bajo
número de genes encontrados (en comparación a lo esperado), así
como lo repetitivo, similar y duplicado que es el genoma humano.
También ha sorprendido la presencia de genes más afines con las
bacterias que con cualquier otro organismo estudiado.
Otros datos importantes son:
Las células humanas tienen 46 cromosomas (44 autosomas y2
cromosomas sexuales), distribuidos en dos series (una de procedencia
paterna y otra materna).
Cada serie tiene unos 3200 millones de pb y menos de 25000 genes. El
resto es el “ADN basura” (cerca del 95%)
Tema 4: La revolución genética
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Beneficios
El trabajo de interpretación del genoma no ha hecho nada más
que empezar. Los beneficios de conocer e interpretar el genoma
se esperan fructíferos en los campos de la medicina y de la
biotecnología.
1. Prevenir y curar enfermedades hereditarias.
2. Conseguir mayor longevidad a partir del estudio de los genes
implicados en el envejecimiento.
3. Recaudar información acerca de nuestro origen, el de
nuestros antepasados y el de otras civilizaciones a través el
análisis del ADN.
4. Conocer la huella genética de un delincuente a través del
análisis del pelo, uñas o una gota de sangre.
Tema 4: La revolución genética
92
Problemas éticos
Pero el conocimiento del código de un genoma abre las puertas
para nuevos conflictos ético-morales.
Esto atentaría contra la diversidad biológica y reinstalaría entre
otras, la cultura de una raza superior, dejando marginados a los
demás.
Quienes tengan desventaja genética serían discriminados.
Tema 4: La revolución genética
93
Desventajas
• Que las compañías aseguradoras, empresarios, ejército u
otras personas utilizaras de manera deshonesta este tipo
de información.
• Pérdida de la privacidad y confidencialidad de la
información.
• Impacto psicológico y estigmatización de la sociedad
ante un individuo genéticamente diferente.
• Mejoras genéticas para determinar características
específicas de los individuos, pero que no están
relacionadas con el tratamiento de enfermedades.
• Comercialización de la información genética.
Tema 4: La revolución genética
94
Biotecnología
Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología
se define como:
“Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y
organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación
de productos o procesos para usos específicos".
El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del
Convenio sobre la Diversidad Biológica define la biotecnología
moderna como la aplicación de:
Técnicas in vitro de ácido nucleico, incluidos el ADN recombinante y la
inyección directa de ácido nucleico en células u orgánulos, o la fusión
de células más allá de la familia taxonómica que superan las barreras
fisiológicas naturales de la reproducción o de la recombinación y que
no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección tradicional.
Tema 4: La revolución genética
95
Historia
Se han aplicado procesos biotecnológicos desde muy antiguo (aunque sin
saber nada de biotecnología):
•
•
•
•
8000 a. C.: Recolección de semillas para replantación. Evidencias de
que en Mesopotamia se utilizaba crianza selectiva en ganadería.
6000 a. C.: Medio Oriente, elaboración de cerveza con levadura.
4000 a. C.: China, fabricación de yogur y queso por fermentación
láctica utilizando bacterias.
2300 a. C.: Egipto, producción de pan con levadura.
En épocas más modernas, se puede considerar biotecnología la obtención
de antibióticos u otros productos a partir de hongos.
Hoy en día, la biotecnología moderna se basa en la ingeniería genética.
Tema 4: La revolución genética
96
Inconvenientes de la biotecnología
1. Falta de control sobre los microorganismo manipulados.
2. Producción y almacenamiento de armas biológicas.
3. Aparición de especies nuevas con función desconocida en los
ecosistemas.
4. Transito de genes entre especies.
5. Agudizar la diferencia entre países ricos y pobres.
Todo ello ha provocado rechazo por parte de grupos con distinto
tipo de ideologías por motivos ecológicos, filosóficos, éticos o
religiosos.
Tema 4: La revolución genética
97
Biotecnología: Aplicaciones
A pesar de los inconvenientes, las aplicaciones de la biotecnología
son numerosas y se suelen clasificar como:
1. Biotecnología roja o médica.
2. Biotecnología blanca o industrial.
3. Biotecnología verde o biotecnología agrícola.
4. Biotecnología azul o biotecnología marina.
Tema 4: La revolución genética
98
Biotecnología médica
Se aplica en procesos médicos. Algunos ejemplos son:
1.
2.
3.
4.
5.
Diseño de organismos para producir antibióticos.
Desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos.
Diagnósticos moleculares.
Terapias regenerativas
Desarrollo de la ingeniería genética para curar
enfermedades a través de la manipulación génica.
6. Trasplante de órganos a partir de animales modificados
genéticamente….
Tema 4: La revolución genética
99
Obtención de fármacos
Se obtienen a partir de microorganismos que contienen el gen que
produce la proteína de interés farmacológico (insulina, hormona del
crecimiento…)
Las principales ventajas son:
Se controla mejor la producción, disminuye el riesgo de contaminación,
se abaratan los costes…
Por el mismo procedimiento se pueden fabricar vacunas, evitando el
riesgo de utilizar virus atenuados.
Tema 4: La revolución genética
100
Tema 4: La revolución genética
101
Determinación de enfermedades
Consiste en poner en contacto ADN de un individuo con
secuencias de genes responsables de una determinada
enfermedad.
Las hebras del ADN del paciente se separan y si hibridan con el
ADN de la enfermedad, es que el paciente tiene ese gen.
Tema 4: La revolución genética
102
Tema 4: La revolución genética
103
Terapia génica
•
Consiste en modificar los genes anómalos para impedir que se
manifieste la enfermedad o curarla una vez manifestada.
•
En las células afectadas se puede introducir una copia correcta
del gen defectuoso mediante vectores (infección vírica),
corrigiendo el problema.
•
El proceso se podría hacer incluso en las células germinales,
pero esto plantea problemas éticos.
•
Es una técnica prometedora pero aún en una fase muy
temprana, con todavía muy pocos logros significativos.
Tema 4: La revolución genética
104
l
Tema 4: La revolución genética
105
Biotecnología agrícola
Se basa en la modificación de plantas por IG para que generen
proteínas de interés. Son las plantas transgénicas.
Los principales objetivos son:
1. Lograr plantas resistentes a herbicidas, bacterias, virus e
insectos
2. Aumentar el rendimiento fotosintético (más producción)
3. Fijación del nitrógeno atmosférico
4. Mayor calidad de los productos
5. Obtener plantas con proteínas de interés comercial (vacunas,
interferones, vitaminas…)
Tema 4: La revolución genética
106
Tecnología
Tradicional
Convencional
Era
Intervenciones genéticas
Unos 10 000 años a.C.
Se domestican plantas y animales, comienzan a seleccionar material
vegetal para su propagación y animales para su mejoramiento.
Unos 3 000 años a.C.
Se fabrica cerveza y queso, se fermenta vino.
Finales del siglo XIX
Gregor Mendel identifica en 1865 los principios de la herencia, sentando
las bases para los métodos clásicos de mejoramiento.
Década de 1930
Se obtienen cultivos híbridos comerciales.
de la década de 1940 a
Se aplica la mutagénesis, el cultivo de tejidos y la regeneración de plantas.
la década de 1960
Década de 1970
Transferencia de genes mediante técnicas de recombinación de ADN.
Aislamiento y cultivo de embriones y a la fusión de protoplasmas en la
fitogenética y a la inseminación artificial en la reproducción animal.
Década de 1980
La insulina es el primer producto comercial obtenido mediante
transferencia de genes. Se recurre al cultivo de tejidos para la
propagación en gran escala de plantas y al trasplante de embriones para
la producción animal.
Década de 1990
Se aplica la caracterización genética a una gran variedad de organismos.
En 1990 se realizan los primeros ensayos de campo de variedades de
plantas obtenidas mediante ingeniería genética, que se distribuyen
comercialmente en 1992. Se obtienen vacunas y hormonas mediante
ingeniería genética y se clonan animales.
Década del 2000
Aparecen la bioinformática, la genómica, la proteómica y la
metabolómica.
Moderna
Tema 4: La revolución genética
107
Plantas transgénicas
Transgénesis= introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable
de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares.
Agrobacterium tumefaciens es patógena de plantas. Produce tumores
Agrobacterium
núcleo
Plásmido Ti
cromosoma
inductor de tumores
contiene oncogenes
(genes onc)
cromosoma
Ingeniero genético natural
tras sutitución de genes onc
por genes de interés
célula
vegetal
tumores
Tema 4: La revolución genética
Proliferación de
hormonas
crecimiento. Se
forman tumores en
las zonas de la
lesión
108
Tema 4: La revolución genética
109
Tema 4: La revolución genética
110
Efectos negativos
1. El uso masivo de cultivos transgénicos representa riesgos potenciales
desde un punto de vista ecológico.
2. Los efectos ecológicos no están limitados a la resistencia en las plagas
o a la creación de nuevas variedades de malezas o de virus.
3. Los cultivos transgénicos pueden producir toxinas ambientales que se
mueven a través de las cadenas tróficas y que también pueden llegar
al suelo y al agua, afectando así a los invertebrados y probablemente
a procesos tales como el ciclo de nutrientes.
4. En realidad, nadie puede predecir los impactos a largo plazo que
pueden resultar de la diseminación masiva de estos cultivos.
Tema 4: La revolución genética
111
Biotecnología ganadera
Consiste en la alteración genética de animales para mejorar el
rendimiento que de ellos se obtiene.
La investigación se centra en la obtención de animales que
produzcan proteínas y compuestos de interés farmacológico y a
obtener
órganos
destinados
a
trasplantes
humanos
(fundamentalmente a partir de cerdos)
Tema 4: La revolución genética
112
Tema 4: La revolución genética
113
Biorremediación
La naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los
elementos contaminantes. Microorganismos como levaduras,
hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias
tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas inocuas
para el medio ambiente y la salud humana.
La biorremediación
consiste en acelerar
este proceso natural
para mitigar la
contaminación
ambiental.
Tema 4: La revolución genética
114
Los expertos en ingeniería genética creen que la utilización
de organismos modificados genéticamente traerá un mayor
desarrollo de la biorremediación.
Los ejemplos son muy variados:
•
•
•
La introducción de un gen en el organismo específico
para el vertido.
El desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes, que
permitirían monitorizar el proceso de degradación.
La creación de plantas transgénicas para limpiar suelos
contaminados.
Sin embargo, sus detractores advierten de sus posibles
efectos secundarios sobre el medio ambiente, por lo que
deben hacer frente a importantes restricciones legales, y
recuerdan que en la mayoría de los casos los organismos
naturales pueden servir igualmente.
Tema 4: La revolución genética
115
Biolixiviación
También denominada lixiviación bacteriana, consiste en el ataque
químico de distintas materias primas naturales, de residuos o de
productos reciclados mediante la participación directa o indirecta
de bacterias.
Estas son generalmente
mesófilas, como la Thiobacillus
ferrooxidans, aunque cada vez se
utilizan más las de naturaleza
termófila con temperaturas de
crecimiento de hasta 80 ºC.
Tema 4: La revolución genética
116
Reproducción asistida
La reproducción asistida tiene como finalidad solucionar problemas
de esterilidad
Actualmente se trabaja en evitar la aparición de enfermedades
genéticas (diagnostico genético preimplantacional) y obtener bebes
sanos cuyas células del cordón umbilical sirvan para salvar vidas de
familiares enfermos.
Tema 4: La revolución genética
117
Técnicas de reproducción
asistida
1.
2.
3.
4.
5.
Estimulación ovárica
Inseminación artificial
Fecundación “in vitro”
Inyección citoplasmática de espermatozoides
Transferencia de embriones clonados
Tema 4: La revolución genética
118
Inseminación artificial
1. Control y estimulación de la ovulación mediante hormonas.
2. Obtención y preparación del semen.
3. Selección de espermatozoides.
4. Inseminación en el momento adecuado del ciclo.
5. Tratamiento hormonal para favorecer el desarrollo del embrión.
Tema 4: La revolución genética
119
Usos y Problemas
Se utiliza fundamentalmente en los siguientes casos:
•
•
•
•
Infertilidad masculina
Enfermedades venéreas
Enfermedades hereditarias
Obtención de hijos sin relaciones sexuales
Riesgo de embarazo múltiple
Se estima que en España 35.000 mujeres se someten a este
procedimiento cada año. El estrés, el aumento de la edad de la
maternidad y la mala calidad del semen son algunas de las
causas para recurrir a este proceso.
Tema 4: La revolución genética
120
Fecundación in vitro
La fecundación in vitro es una técnica por la cual la fecundación
de los óvulos por los espermatozoides se realiza fuera del cuerpo
de la madre. La FIV es el principal tratamiento para la infertilidad
cuando otros métodos de reproducción asistida no han tenido
éxito.
El ovulo fecundado (preembrión) se implanta en la madre
Tema 4: La revolución genética
121
Proceso FIV
1. Estimulación ovárica por medio de hormonas
2. Extracción de óvulos y espermatozoides
3. Fecundación extrauterina
4. Divisiones de los preembriones
5. Implantación de los preembriones seleccionados
Es una técnica con un elevado porcentaje de éxito
Tema 4: La revolución genética
122
Inconvenientes
1. Embarazos múltiples
2. Embarazos ectópicos
3. Problemas de tipo moral (por la
acumulación de embriones congelados no
utilizados)
Tema 4: La revolución genética
123
Inyección intracitoplasmática
El procedimiento consiste en la inyección de un espermatozoide en el
interior del óvulo. De esta forma cualquier varón del que se pueda
obtener un espermatozoide del semen, epidídimo o testículo puede
convertirse en padre, situación que antes no se podía corregir en
muchos casos.
Las pruebas genéticas (particularmente en caso de alteraciones
genéticas como la fibrosis quística y las microdelecciones del
cromosoma Y) a veces aconsejan esta técnica para mejorar los
resultados reproductivos
Tema 4: La revolución genética
124
Transferencia de embriones
Se usa cuando los dos miembros de la pareja son estériles.
Los preembriones llevan una información genética
diferente a la de los padres (preembriones sin utilizar de
otras parejas, congelados o no)
Tema 4: La revolución genética
125
Regulación de la fecundación asistida
En España está regulada desde 1988.
Posteriormente se promulgó una nueva ley del año
2003 (se impedía la fecundación de más de tres óvulos,
no se podían usar los embriones originados con otra
finalidad que la reproducción) y más recientemente se
ha aprobado otra ley (2006) con bastante polémica.
Tema 4: La revolución genética
126
Legislación actual
•
Acota el concepto de preembrión (embrión de menos de 14 días y
formado “in vitro”
•
Regula la aplicación de las Técnicas de Reproducción Asistida.
•
No hay límite a la generación de óvulos pero solo autoriza la transferencia
de tres preembriones. Los embriones sobrantes se usan según decisión de
los donantes.
•
Regula la donación de semen, ovulos y preembriones
•
Permite la selección de embriones mediante diagnostico genético
preimplantacional
•
Prohibe las madres de alquiler y la clonación humana
•
Regula los centros de reproducción asistida
Tema 4: La revolución genética
127
Clonación
Es la obtención de copias (ADN, células u organismos) genéticamente
iguales.
Las primeras clonaciones de organismos se hicieron por fisión de
embriones tempranos.
Un embrión, obtenido por procedimientos normales, se dividía, y los
embriones resultantes eran genéticamente idénticos, pero no se sabía
las características que iban a tener.
Esto ya se puede saber a partir de la primera clonación por transferencia
de núcleos de células de individuos adultos. Los embriones resultantes
eran genéticamente idénticos al donante del núcleo.
Tema 4: La revolución genética
128
Dolly
La primera clonación de mamíferos fue realizada por Ian Wilmut en 1996
utilizando tres ovejas, la donadora de la información (núcleo) la donadora
del ovulo y la “madre de alquiler” (oveja nodriza). El resultado fue la oveja
Dolly
Tema 4: La revolución genética
129
Aplicaciones
•
Obtención de animales que contengan y produzcan proteínas
de interés médico.
•
Mejora controlada del ganado
•
Recuperación de especies extintas o en peligro de extinción.
Problemas
•
Éxito de clonación muy bajo
•
Individuos clonados con problemas
Tema 4: La revolución genética
130
Tema 4: La revolución genética
131
Células madre
Son aquellas que tienen capacidad de multiplicarse y la posibilidad
de desarrollarse y diferenciarse dando lugar a células especializadas
•
La clonación humana con fines reproductivos está prohibida, pero
la clonación terapéutica si es legal en muchos países.
•
Consiste en implantar, en un óvulo, material genético de un
individuo, y del embrión obtenido sacar células madre
embrionarias, que podrían dar lugar a los diferentes tejidos, y por
lo tanto evitar los problemas de rechazo en los trasplantes.
•
Además se podrían ensayar tratamientos médicos sobre estas
células antes de dar los medicamentos al paciente, para conocer la
respuesta.
Tema 4: La revolución genética
132
Tipos de células madre
Embrionarias o troncales:
Se obtienen de embriones de menos
de 14 días. Pueden generar un
organismo completo (totipotentes).
Adultas o somáticas
Están en los adultos. Pueden generar
células especializadas de diferentes
tejidos (no son totipotentes)
Tema 4: La revolución genética
133
Controversia
Hay un importante debate (político, ético y científico) sobre el uso de
las células madre.
¿Qué tipo de célula madre es más
conveniente usar (embrionaria o
adulta)?, y sobre todo el estatus de un
embrión humano, aunque tenga
menos de 14 días y haya sido obtenido
“in vitro” y esté congelado.
La solución puede venir de los últimos avances científicos. Se ha
logrado obtener células madre pluripotenciales a partir de células
adultas (se comportar como células madre embrionarias)
Tema 4: La revolución genética
134
Bioética
Es una consecuencia del enorme desarrollo alcanzado, pero de
también los efectos negativos de la ciencia (experimentos con
prisioneros, Hiroshima, deterioro ambiental, guerras químicas y
bacteriológicas…)
La ciencia no es neutral desde un punto de vista ético o económico y
se puede utilizar con buenos fines u otros no tan buenos. Lo que
esto nos indica es que hay cosas que la ciencia puede lograr, pero
“no todo lo que puede hacerse, debe ser hecho”
La Bioética nace para establecer unos principios que permitan
afrontar los avances de la ciencia con respeto y responsabilidad. El
criterio ético fundamental que regula esta disciplina es el respeto al
ser humano, a sus derechos inalienables, a su bien verdadero e
integral: la dignidad de la persona.
Tema 4: La revolución genética
135
Principios de Bioética
En 1979, se definieron como cuatro los principios de la Bioética:
autonomía, no maleficencia, beneficencia y justicia. En un primer
momento definieron que estos principios son prima facie, esto es, que
vinculan siempre que no colisionen entre ellos, en cuyo caso habrá que
dar prioridad a uno u otro dependiendo del caso.
Sin embargo en 2003, se considera que los principios deben ser
especificados para aplicarlos a los análisis de los casos concretos.
Tema 4: La revolución genética
136
Principio de autonomía.
Es un principio de respeto a las personas que impone la obligación de asegurar las
condiciones necesarias para que actúen de forma autónoma.
Principio de beneficencia:
Obligación de actuar en beneficio de otros, promoviendo sus legítimos intereses y
suprimiendo perjuicios.
Principio de no maleficencia (Primum non nocere):
Abstenerse intencionadamente de realizar acciones que puedan causar daño o
perjudicar a otros. Es un imperativo ético válido para todos, no sólo en el ámbito
biomédico sino en todos los sectores de la vida humana.
Principio de justicia:
Tratar a cada uno como corresponda con la finalidad de disminuir las situaciones
de desigualdad (biológica, social, cultural, económica, etc.)
Tema 4: La revolución genética
137