¡Descarga Manuel de biotecnologia y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Biología solo en Docsity!
¿Qué es biotecnología?
¿En qué piensas cuando escuchas la palabra biotecnología? ¿En alimentos genéticamente manipulados que piensas no son buenos para tu salud? ¿En un animal mitad cabra y mitad vaca? La biotecnología es una práctica tan antigua como la civilización misma. Desde las antiguas civilizaciones mesopotámicas y egipcias se han utilizado organismos para la producción de vinos y quesos. Más adelante para la producción de pan, yogurt y cerveza. La biotecnología es el uso que hacemos de células, organismos o de componentes celulares para la producción de materiales y/o la realización de un trabajo que el ser humano entienda lo beneficia. Ha pasado mucho tiempo desde la época de las antiguas civilizaciones. Ahora conocemos más sobre cómo funciona la célula y los organismos vivos. De hecho, nos encontramos en un momento distinto de la biotecnología. Estamos en la época de la manipulación del material hereditario (genético). Material genético y expresión genética La información hereditaria se encuentra en la molécula del ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN, junto con el ácido ribonucleico (ARN), componen las moléculas orgánicas llamadas los ácidos nucleicos (figura 1). Los ácidos nucleicos son grandes moléculas formadas por la repetición de unidades básicas llamadas nucleótidos. Un nucleótido está compuesto por una base nitrogenada, un grupo fosfato y un azúcar de 5 carbonos (figura 2).
La molécula de ADN es una molécula compuesta de dos cadenas cuya azúcar es la desoxirribosa y las bases nitrogenadas son adenina, timina, citosina y guanina. Por otro lado, el ARN es una molécula de una cadena, siendo su azúcar la ribosa y sus bases adenina, uracilo, citosina y guanina (figura 3, tabla 1). Las bases nitrogenadas se clasifican en dos grupos: las purinas (bases con dos anillos, adenina y guanina) y las pirimidinas (bases con un anillo, timina y citosina para el ADN y uracilo y citosina para el ARN). Figura 2: Nucleótido de ADN (www.arrakis.es/~lluengo/anucleicos.html) Figura 3: Azúcares y bases nitrogenadas en el ARN y ADN a. azúcares, b. bases nitrogenadas (www.arrakis.es/~lluengo/anucleicos.html)
La información genética está codificada en la secuencia de las bases nitrogenadas y se expresa a través de un proceso llamado transcripción (figura 5b). Figura 5: Expresión de la información genética a. código genético b. transcripción y traducción Durante la transcripción una de las cadenas del ADN es utilizada de molde para la síntesis de una cadena de ARN. Ese ARN que se sintetiza es complementario en bases a la cadena de ADN que le sirvió de molde (figura 5b). Ahora en el ARN no hay timina, así que cuando el molde de ADN tiene adenina la base complementaria en el ARN es uracilo. De esta forma, la información genética pasa del ADN al ARN. El próximo paso en la expresión de la información genética es utilizar la información en el ARN para la síntesis de proteínas. Las proteínas son moléculas grandes compuestas por unidades llamadas aminoácidos. Existen 20 aminoácidos diferentes en las proteínas. La información para los aminoácidos que tiene una proteína y el orden en que se encuentran en éstas se encuentra en el ARN que se sintetizó durante la transcripción (figura 5b). Veamos, cuando vamos a realizar una traducción necesitamos: el texto que se va a traducir, el traductor y un diccionario. En la célula, el mensaje que se va a traducir es el mensaje contenido en el ARN. Ese mensaje es
descifrado por el “traductor” que es una molécula llamada ARN de transferencia y el “diccionario” es el código genético (figura 5a). El mensaje en el ARN está compuesto de “palabras de tres letras” o codones. Es decir, se leen 3 nucleótidos (un codón) y se busca su significado en el código genético (figura 5a) Existen 64 combinaciones diferentes para la unión de tres nucleótidos (figura 5a). Esas 64 combinaciones significan los 20 aminoácidos que encontramos en las proteínas ¿Cómo 64 combinaciones sólo significan 20 aminoácidos diferentes? Lo que ocurre es que en el código tenemos sinónimos. Es decir, el código genético es redundante. Si observamos en la figura 3a podemos observar que UCU y UCC significan el mismo aminoácido, serina. La traducción siempre comienza donde encontramos el codón AUG en el ARN (codón para el aminoácido metionina) y termina cuando encontramos una de las tres señales de terminación: UAA, UAG y AGA. El código genético es universal. En general. si un ARN que se está traduciendo tiene UCU, no importa si es un elefante, un girasol o una bacteria significa el aminoácido serina en la proteína que se está sintetizando. Es decir, todas las células utilizan el mismo idioma para la expresión genética. Cuando pensamos en características hereditarias pensamos en color de la piel, tipo de sangre, color de los ojos, etc. En todos esos casos la información genética codificaba para una proteína. También sabemos que muchas enfermedades son causadas porque el individuo tiene deficiencia de una proteína. Es por esta razón que enfermedades como la diabetes son condiciones hereditarias. Ingeniería genética y ADN recombinante ¿Cómo se ha beneficiado la biotecnología de los conocimientos sobre el ADN y sobre la expresión de la información genética? Se ha desarrollado toda una serie de técnicas que permiten la manipulación de la información genética. Al conjunto de estas técnicas se conocen como ingeniería genética. La ingeniería genética manipula el ADN cambiando la secuencia de nucleótidos, o cambiando el ADN de sitio dentro de un mismo organismo o entre organismos distintos. Pero la pregunta es, ¿Para qué queremos cambiar o manipular la información genética? Bueno, se hace:
Para hacer una molécula de ADN recombinante lo primero que necesitamos son los dos ADN a recombinar, generalmente dos tipos diferentes. Paso 1: Aislar los ADN. Comenzamos el proceso aislando los ADN. Existen muchos métodos de aislar ADN, pero en todos tenemos que romper la célula y sacar de solución el ADN. Para eso, generalmente se una detergente, sal y alcohol. Paso 2: Cortar en pedazos los ADN Luego debemos cortar en pedazos los ADN ya que éstos son moléculas grandes (figura 6). Para este paso fue fundamental el descubrimiento de las enzimas de restricción (RE por sus siglas en inglés). Las enzimas de restricción son proteínas que reconocen secuencias específicas dentro del ADN de cadena doble y catalizan el rompimiento del enlace entre dos nucleótidos dentro de esa secuencia. Tomemos por ejemplo la enzima Hae III. Esta enzima reconoce la siguiente secuencia y corta entre C y G : 5’GGCC 3’ 3’CCGG 5’ Si leemos la secuencia en dirección 5’ a 3’ en cualquiera de las dos cadenas que componen el ADN, tenemos 5’ GGCC 3’. Las secuencias que reconoce la RE tienen esa característica. Las flechas señalan los lugares de corte en la secuencia. Cortamos el ADN que queremos estudiar y el ADN recipiente (vector) con la misma enzima de restricción (figura 6).
Figura 6: Diagrama del procedimiento de clonación Paso 3: Unir los pedazos de ADN
células, llamado glucógeno. Los niveles extremadamente bajos de maltasa acídica permiten que el glucógeno se acumule a niveles tóxicos en los músculos cardíacos y esqueléticos (voluntarios), conduciendo a paros cardíacos y respiratorios durante el primer año de vida. Investigadores de la Universidad de Duke, subvencionados por la MDA, han empacado el gene de maltasa acídica en un adenovirus parcialmente "destripado", al que se han removido algunos de sus genes de manera que sea menos propenso a provocar una reacción inmune. También han demostrado que la inyección intravenosa del adenovirus destripado puede restablecer la maltasa acídica en los músculos cardíacos y esqueléticos en dos modelos animales de la enfermedad de Pompe. Después de un solo tratamiento con el método de terapia genética, ambos modelos (ratones y codornices mutantes) mostraron niveles casi normales de glucógeno en el corazón hasta por dos meses - mucho más tiempo que los efectos en los animales de la terapia de reemplazo de enzimas.
- Producción de proteínas y fármacos Los científicos han transferido de manera exitosa genes de un organismo a otro, creando organismos transgénicos. Un organismo trangénico es uno que porta genes que originalmente no poseía. En estos trabajos se ha logrado que esos organismos expresen la información genética contenida en el gene foráneo (figura 7). Esto es posible, porque el código genético es universal. Así por ejemplo es que se sintetiza la “Humulin” (insulina humana sintetizada por bacterias). La lista siguiente contiene algunos de los medicamentos aprobados por la Agencia de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos que son generados utilizando la biotecnología. Figura 7: Diagrama de una bacteria (Escherichia coli) expresando información genética de otro organismo localizada en una molécula de ADN recombinante
EPOGEN (epoetin alfa) Amgen Ltd. Approved for use in treating anemia associated with chronic renal failure and anemia in Retrovir-treated, HIV-infected patients (June, 1989). Humatrope (somatropin) Eli Lilly & Co. Approved for treating human growth hormone deficiency in children (March, 1987). Humulin (recombinant human insulin) Eli Lilly & Co. Approved for the treatment of diabetes (October, 1982).
- Nuevos tipos de plantas y animales Las técnicas de ingeniería genética han permitido la manipulación de plantas y animales con el propósito de mejorar los alimentos que consumimos. Veamos a continuación una cepa de arroz que se ha manipulado genéticamente y que ha sido aprobada por el Departamento de Agricultura Federal. Note que esta variedad de arroz fue manipulada para hacerla más resistente a insectos, plagas y enfermedades. ORYZICA Llanos 4 La varierdad ORYZICA LLANOS -4 , es de origen colombiano y fue obtenida por el cruce de las variedades Costa Rica 113 / IRAT122 / Colombia 1/5685, introduciendo así nuevos genes contra los insectos, plagas y enfermedades que atacan a los cultivos de riego y secano. Características agronómicas Vigor inicial: Bueno Días a flor: 82- Altura de planta 74-94 cm Excersión de espiga: buena Densidad de espiga: intermedia Color de la testa: Amarillo paja Longitud de espiga 20-26 cm Capacidad de macollamiento: buena Reacción al acame: resistente Reacción a la piricularia: resistente Peso de 1000 granos: 21.7 gramos Longitud de grano : 8- 9 mm Fertilidad de espiga 81% Peso de una espiga : 3.4 gramos Días a cosecha: 120 -
- Biorremediación La biorremediación es otro de los usos que se le da a la biotecnología. Ésta se define como el uso de organismos o sus productos para corregir contaminación a tierras y agua. La figura 8 resume algunos de los avances en la biotecnología donde se ha utilizado la técnica de clonación.
Construyendo una molécula de ADN Guía del maestro Introducción: Hoy todos sabemos que es el ADN la molécula que lleva la información hereditaria en los organismos. Sin embargo, no fue hasta mediados de la década del 1940 y principios de la década del 1950 que se realizaron los experimentos que demostraron, sin lugar a duda, que es el ácido desoxirribonucléico (ADN) la molécula que lleva la información hereditaria en los sistemas biológicos. Conceptos: ADN, nucleótido, bases nitrogenadas, complementaridad de bases, antiparalelismo de las cadenas en el ADN Estándares de la Ciencia: Estándar # 1 – La Naturaleza de la Ciencia Ideas Fundamentales: Las explicaciones científicas deben cumplir con los siguientes criterios: ser consistentes con la prueba experimental, y tener una estructura lógica. La experimentación científica está sujeta a limitaciones. La actividad científica es influida por el desarrollo conceptual, social, económico y tecnológico de las sociedades. Estándar #2 – La Estructura y los Niveles de Organización de la Materia Ideas Fundamentales: Las propiedades características de las sustancias pueden ser utilizadas para separarlas e identificarlas cuando están presentes en una mezcla.
Predecirán cómo la molécula de ADN puede llevar a cabo las funciones que se le han asignado. Materiales: Patrones de los componentes del ADN. 16 azúcares (Deoxiribose sugar deoxiribosa) 16 grupos fosfatos (Phosphate) Bases nitrogenadas 4 guaninas 4 timinas 4 adeninas 4 citosinas Cinta adhesiva Medio cartapacio tamaño legal Inicio: Ejercicio de exploración:
- A través de preguntas abiertas, los estudiantes establecerán un diálogo sobre lo que conocen sobre la molécula que lleva la información hereditaria. ¿Conocen ustedes cuál es la molécula que lleva la información hereditaria en las células y organismos? El ADN ¿Cuáles son las funciones que debe tener esa molécula para que podamos decir que es la molécula que lleva la información hereditaria? -debe llevar información hereditaria -debe poder expresar la información para la cual codifica -debe poder replicarse para que esa información pase a la próxima generación -debe poder mutar o cambiar para explicar las variaciones que observamos en los sistemas biológicos y la evolución.
- Luego de la discusión grupal, exhortarlos a que hagamos un modelo del ADN y con el modelo predecir cómo esa molécula puede hacer esas funciones.
Desarrollo: A cada estudiante se le proveerá una copia de la actividad y los materiales. Esta actividad requiere que se preparen los modelos con anticipación. Al finalizar la guía encontrará con modelos a usarse. Procedimiento: Nota: El grupo se dividirá en grupos de tres estudiantes.
- Se trabajará en grupos de tres (3) estudiantes.
- Verifique que tiene todos los materiales completos.
- Construya una molécula de ADN. Pegue a cada azúcar una base nitrogenada. Para esto paree los puntos ( ) en los patrones. Pegue a cada grupo compuesto por el azúcar y la base nitrogenada un grupo fosfato. Para esto paree las estrellas ( ***** ) en el azúcar y en grupo fosfato. Una 8 de estos grupos (azúcar, grupo fosfato y base). Para esto paree los cuadrados del grupo fosfato y el azúcar ( ). Utilice las siguientes unidades para formar la cadena: 2 unidades con guanina, 2 unidades con citosina, 2 unidades con timina y 2 unidades con adenina. Únalas en el orden que usted desee. Utilizando los grupos que le quedan, construya una segunda cadena que pueda parear con la primera a través de la unión de las bases. Importante, las letras en las cadenas deben quedar mirando hacia el frente. Preguntas: 1. Observa detenidamente el modelo de la molécula de ADN que acabas de construir. ¿Cómo describirías esa molécula? Es una molécula igualmente ancha a todo lo largo y esa compuesta de bases nitrogenadas, azúcares y grupos fosfatos. 2. ¿Cuántas cadenas componen una molécula de ADN? Dos cadenas. 3. Cada cadena a su vez está compuesta por unidades que se repiten, llamados nucleótidos. Identifica los componentes del nucleótido y escríbelos Base nitrogenada Azúcar
Se puede duplicar utilizando una de modelo, porque el apareamiento es específico. Cierre: Cada grupo pegará su modelo en la pared del salón. Se le pedirá a cada estudiante que observen las moléculas ¿Comenzamos todos con los mismos materiales? Sí ¿Son iguales estas moléculas? No. ¿Qué las hace ser diferentes? La secuencia de bases. Luego se discutirán las respuestas de las preguntas de cada grupo. Y se ofrecerá una charla sobre la molécula de ADN que recoja el término antiparalelismo y complementaridad de bases. Avalúo: Rúbrica Ensayo cooperativo de un minuto. El pie forzado, el ADN es…… Patrones tomados de: Recombinant and Biotechnoloy: a guide for teachers (1996). Helen Kreuzer and Adrianne Massey ASM Press, USA ISBN: 1-55581-101-
Nombre: Rúbrica : El estudiante demuestra lo que entiende en torno a los conceptos científicos requeridos en las preguntas de análisis. 3 puntos = el estudiante domina 2 puntos = el estudiante muestra dominio parcial 1 punto = el estudiante tiene poco domino 0 puntos = el estudiante no domina el material o conceptos Criterios de evaluación 3 2 1 0 Puntuació n del estudiant e Puntuació n del maestro( a)
- El estudiante define las funciones de la molécula del ADN en las células y organismos
- Reconoce el nucleótido como la unidad básica de la estructura del ADN.
- Reconoce que el apareamiento entre las bases es específico.
- Puede explicar por qué las cadenas van en dirección opuesta.
- Puede explicar por qué la molécula es igualmente ancha a todo lo largo.
- Puede relacionar la estructura de la molécula y la función de llevar información en código.
- Puede relacionar la estructura de la molécula y la función de replicación. TOTAL: Puntuación total: Promedio: Modelos
