BIOLOGÍA MOLECULARY CELULAR

Dr. Marcel Bacó EróUCATECI

• GENOMA HUMANO• TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE• SEÑALIZACIÓN CELULAR• CICLO DE DIVISIÓN CELULAR• MUERTE CELULAR• PROYECTO GENOMA HUMANO• NUEVAS ESTRATEGIAS TERAPÉUTICAS• CONSECUENCIAS ÉTICAS, PSICOLÓGICAS Y

JURÍDICAS

GENOMA HUMANO

• Mendel fue el primero que definió los genes como elementos que contenían información y que pasan de padres a hijos.

• En 1944, cuando Avery demostró que el ADN era el material hereditario que formaba los genes.

• Esta información genética se transfiere al ARN y después a las proteínas, dando lugar a la expresión de unas características biológicas específicas, o fenotipos.

• Acontecimientos destacados en la biología molecular• AÑO ACONTECIMIENTO• 1941 Se descubre que los genes codifican las proteínas• 1944 Se determina que el ADN transporta la información genética• 1953 Se establece la estructura del ADN• 1962 Se descubren las endonucleasas de restricción• 1966 Se descifra el código genético• 1973 Se establece la técnica de clonación del ADN• 1976 Se descubre el primer oncogén• 1977 Se sintetiza la hormona del crecimiento humana mediante• bacterias• 1978 Se clona el gen humano de la insulina• 1981 Se obtiene el primer animal transgénico• 1985 Se inventa la reacción en cadena de la polimerasa• Se descubre el primer gen supresor de tumores• 1990 Se crea el Proyecto Genoma Humano• 1998 Se clona el primer mamífero

Estructura de los genes y del ADN

El ADN está compuesto por dos hebras antiparalelas de polímeros sin ramificar que se enroscan entre sí formando una hélice doble dextrógira. • Cada una de las hebras está compuesta por cuatro

tipos de desoxirribonucleótidos que contienen las bases adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T)

• Menos del 10% de las secuencias de ADN se copian a moléculas de ARN mensajero (ARNm), que codifican proteínas, o en moléculas de ARN estructural, como el ARN de transferencia (ARNt) o el ARN ribosómico (ARNr).

• Los seres humanos son organismos diploides, cada célula somática contiene dos copias de cada autosoma y dos cromosomas sexuales, lo que hace un total de 46 cromosomas.

• Se hereda una copia de cromosomas de la madre y otra del padre.

• Las células germinales contienen solo 22 autosomas y un cromosoma sexual.

• En los seres humanos, el ADN se replica a una velocidad aproximada de unos 50 nucleótidos por segundo, con un índice de error de 1 por cada 10/9 pares de bases replicados.

Visión general de la meiosis. En la interfase se duplica el material genético. En meiosis I los cromosomas homólogos

se reparten en dos células hijas, se produce el fenómeno de entrecruzamiento. En meiosis II, al igual que en una

mitosis, cada cromátida migra hacia un polo. El resultado

son 4 células hijas haploides (n).

CROMOSOMAS HUMANOS

Síntesis del ARN y las proteínas

• La transferencia de información del ADN a las proteínas depende de la síntesis de una molécula intermedia, denominada ARN. El ARN, lo mismo que el ADN, está formado por una secuencia lineal de nucleótidos compuestos por 4 bases complementarias.

• El ARN se diferencia del ADN en dos aspectos:• 1. Su esqueleto de azúcar-fosfato contiene

como azúcar ribosa en lugar de desoxirribosa.• 2. La timina (T) es sustituida por el uracilo (U),

una base muy parecida que se empareja con la adenina (A).

Control de la expresión de los genes

• El organismo humano está constituido por millones de células especializadas, cada una de las cuales realiza unas funciones preestablecidas.

• El primer control (y el más importante) de la expresión genética se localiza en la transcripción

de los genes, que establece cuándo y con qué frecuencia se transcribe un gen determinado para producir moléculas de ARN.

Nucleasas de restricción

• Son enzimas bacterianas que cortan la doble espiral del ADN en secuencias específicas de 4-8 nucleótidos.

• Se han aislado más de 400 nucleasas de restricción.

• Combinando diferentes enzimas de restricción es posible crear un mapa de restricción de cada ADN, lo que facilita el aislamiento de cada uno de los genes.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

• Este método,, permite amplificar por medios enzimáticos un segmento de ADN hasta mil millones de veces.

• Para amplificar un segmento de ADN hay que sintetizar primero dos oligonucleótidos de una sola hebra, o iniciadores, cada uno de ellos complementario de una hebra de la doble espiral de ADN y localizados en los lados opuestos de la región que se desea amplificar.

• En los laboratorios moleculares se ha utilizado la PCR para la clonación directa del ADN, la ingeniería del ADN, el análisis de las variaciones alélicas de las secuencias y la secuenciación del ADN. La PCR tiene también numerosas aplicaciones clínicas, como el diagnóstico de enfermedades genéticas, el estudio de agentes infecciosos y la obtención de huellas genéticas para análisis forenses.

Secuenciación del ADN

• Cada gen puede contener más de 3.000 nucleótidos.

• Identificada por técnicas estandar para analizar la secuencia del AND con métodos enzimáticos en síntesis in vitro del AND

• Las técnicas de secuenciación han permitido identificar y sintetizar in vitro proteínas importantes, como la insulina, el interferón, la hemoglobina y las hormonas del crecimiento.

Clonación del ADN

• Las técnicas de clonación del ADN permiten identificar un gen que nos interese en el genoma humano. Primero, todo el contenido de ADN de una célula se corta con una nucleasa de restricción para generar fragmentos de ADN, que se unen a un elemento génico que se replica (un virus o plásmido).

Animales Transgénicos

• El fragmento de ADN debe contener todos los componentes necesarios para una expresión adecuada del gen, incluyendo un promotor y una región reguladora que dirija la transcripción.

• El uso de animales transgénicos tiene el gran inconveniente de que solo pone de manifiesto los efectos dominantes del gen, ya que estos animales conservan todavía en su genoma dos copias normales del gen. Por consiguiente, resulta muy útil conseguir animales que no expresen ambas copias del gen estudiado.

Interferencia del ARN• La mejor forma de evaluar la función de un gen consiste

en recurrir a la genética inversa, (es decir, la supresión selectiva de la expresión de un determinado gen), e investigar las consecuencias biológicas.

• En 1998 Andrew Fire y Craig Mello desarrollaron un nuevo método, muy potente, que consiste en silenciar determinados genes mediante ARN de doble hebra (ARNds)."’ Para esta tecnología, conocida como ARN de interferencia (ARNi) hay que sintetizar un ARNds que sea homólogo del gen que se quiere anular.

CICLO DE DIVISIÓN CELULAR• Mecanismo fundamental por el que los organismos se

propagan y mantienen una homeostasia tisular normal. Este ciclo es una sucesión organizada de procesos biológicos complejos que se dividen tradicionalmente en cuatro fases diferentes.

• Cada ciclina demuestra un patrón de expresión específico de una fase del ciclo celular. Por el contrario, las Cdk se expresan durante todo el ciclo celular. Las ciclinas, las Cdk y las CKI constituyen las unidades reguladoras fundamentales de la maquinaria del ciclo celular.

Puntos de Control del Ciclo Celular

• La progresión del ciclo celular está regulada en dos puntos de control fundamentales: las transiciones de Gi a S y de G2 a Fase Mitótica (M).

Oncogenes y Genes Supresores de Tumores

• Los genes que codifican las proteínas reguladoras del ciclo celular sufren a menudo mutaciones durante las transformaciones neoplásicas.

MUERTE CELULAR• La proliferación celular debe estar equilibrada mediante un proceso adecuado de

muerte celular para mantener la homeostasis tisular.• La muerte celular tiene importantes funciones fisiológicas,• incluidos la restructuración de los tejidos durante el desarrollo, la• eliminación de las células senescentes y de las células con alteraciones• génicas que no pueden repararse y el mantenimiento de la homeostasis• tisular. En este apartado revisaremos la maquinaria molecular que• controla la apoptosis y la muerte celular autofágica.• La muerte celular del tipo 1, o apoptosis. caracteriza por la condensación de la

cromatina, la fragmentación nuclear, la contracción del citoplasma con organillos citoplásmicos intactos y finalmente la formación de vesículas rodeadas

• de membrana llamadas cuerpos apoptósicos, que después son eliminados por las células fagocíticas vecinas.

• La muerte celular del tipo 2, o muerte celular autofágica, caracteriza por una vacuolización masiva del citoplasma sin condensación de la cromatina.

• La muerte celular del tipo 3, o necrosis, se caracteriza por un aumento del volumen

• celular, una tumefacción de los orgánulos citoplásmicos y la rotura de la membrana plasmática.

Apoptosis

• La vía extrínseca o del receptor mortal:• Los receptores mortales de la superficie celular

se unen a ligandos proapoptósicos, como el factor de necrosis tumoral (TNF), lo que provoca el reclutamiento de un complejo multiproteínico llamado complejo transmisor de señales inductoras de muerte (DISC) y una proteína

• adaptadora llamada dominio mortal asociado a Fas (FADD).

Apoptosis

• La vía intrínseca :• Se activa cuando detectores intracelulares

perciben estímulos proapoptósicos, como el daño genotóxico o el factor de crecimiento y la privación de nutrientes, lo que conduce a la activación de Bax y Bak, que son miembros proapoptósicos de la familia Bcl-2 de proteínas

Autofagia

• es un proceso de degradación caracterizado por el secuestro de

• orgánulos y porciones del citoplasma en vesículas con doble membrana conocidas como autofagosomas

PROYECTO GENOMA HUMANO

Aportando nueva información sobre las variaciones genéticas en la población humana mediante la identificación de variantes del ADN como los polimorfismos de un solo nucleótido (PSN) que se producen aproximadamente en una de cada 300-500 bases a lo largo del genoma humano, que comprende 3.000 millones de bases.

Transplantes

• A pesar de los avances tan notables en el campo de los transplantes, la obtención de órganos y la inmunodepresión, la disponibilidad de órganos viables sigue siendo un impedimento importante.

• La demanda de órganos y tejidos no puede cubrirse exclusivamente con las donaciones de órganos.

Oncología

• En consecuencia, conforme se vayan conociendo más datos sobre las mutaciones

• en estos genes y las repercusiones clínicas de dichas mutaciones, los protocolos de tratamiento oncológico irán cambiando.

Cirugía pediátrica y fetal

• La identificación del genoma humano facilitará las pruebas diagnósticas y los estudios de detección prenatales.

Proteómica

• La expresión y las modificaciones de las proteínas están sujetas a una determinada regulación en las condiciones fisiológicas normales (p. ej., diferenciación, apoptosis y envejecimiento), y se ven alteradas como consecuencia de los procesos fisiopatológicos, dando lugar a la aparición y la progresión de enfermedades.

• Sin embargo, el proteoma humano es al mismo tiempo un conjunto complejo y dinámico, y para su estudio es necesario desarrollar nuevos medios y tecnologías.

Terapia génica

• En lugar de administrar a un paciente un fármaco para tratar o controlar los síntomas de una anomalía genética, los médicos podrán combatir el problema básico alterando la configuración genética de las células del paciente.

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