BLOQUE V: INGENIERÍA GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA

 iNGENIERÍA GENÉTICA

ORIENTACIONES PARA LA SELECTIVIDAD 2024

5. Técnicas de ingeniería genética y aplicaciones 

    5.1. Ingeniería genética: concepto 

Conjunto de métodos y técnicas que permiten la manipulación y modificación del ADN. Es el pilar de la biotecnología moderna.

    5.2. Herramientas y técnicas utilizadas en ingeniería genética 

        5.2.1. Enzimas de restricción: endonucleasas de restricción o restrictasas, como EcoRI, que dejan extremos cohesivos. Rompen el ADN en  determinadas secuencias, palindrómicas.

        5.2.2. Vectores de clonación: plásmidos y fagos 

También se usan en c. proc. los cósmidos (que combinan las características del fago lambda con las de los plásmidos) y en c. eucar. veg. el VMT y el plásmido Ti de una bacteria productora de agallas en las plantas; en levaduras los cromosomas artificiales YAC y en c. eucar. animales, virus como el SV40 (un poliomavirus) o ciertos retrovirus.

        5.2.3. Tecnología del ADN recombinante 

El gran empuje científico producido dentro del campo de la biotecnología ha sido el descubrimiento y desarrollo de la tecnología del ADN recombinante (ADN de interés unido al vector), que, con otros avances de la biología molecular y celular, han constituido el fundamento de la biotecnología moderna. 

        5.2.4. Organismos modificados genéticamente (OMG), microorganismos recombinantes, plantas transgénicas y animales transgénicos. 

Los organismos modificados genéticamente (OMG), son organismos cuyo material genético ha sido alterado de una manera que no ocurre naturalmente mediante la reproducción o recombinación tradicional de genes. Esta modificación genética puede implicar la introducción, eliminación o modificación de genes específicos, ya sea de la misma especie o de otra especie, utilizando técnicas de ingeniería genética.

Microorganismos recombinantes: 

1. Procariotas: bacterias E. coli con el gen de la insulina o el de la GH (hormona del crecimiento humana) para que produzcan estas importantes hormonas proteicas humanas para tratar la diabetes o el enanismo respectivamente.

2. Levaduras recombinantes: Las levaduras recombinantes se utilizan en la producción de alimentos y bebidas, así como en la producción de productos químicos y biocombustibles. Por ejemplo, se han creado levaduras recombinantes para producir etanol de manera más eficiente. 

3. Virus recombinantes: En la investigación médica, se utilizan virus recombinantes para estudiar la función de genes específicos y para desarrollar vacunas contra enfermedades virales. Por ejemplo, se han desarrollado vacunas recombinantes contra el virus del papiloma humano (VPH) y el virus del Ébola utilizando técnicas de ingeniería genética en virus.

Animales transgénicos: un ejemplo muy llamativo son los peces cebra fluorescentes por portar un gen de una medusa fluorescente:

 

Ejemplos de animales transgénicos: ratones modificados para estudiar enfermedades humanas como el cáncer o la diabetes, vacas transgénicas que producen leche con proteínas farmacéuticas, y cerdos modificados genéticamente para mejorar la calidad de la carne. 

✔ Consideraciones éticas y de seguridad: La creación y el uso de animales transgénicos plantean importantes consideraciones éticas y de seguridad. Es crucial garantizar el bienestar de los animales utilizados en la investigación, así como evaluar los posibles riesgos para la salud humana y el medio ambiente asociados con la liberación de estos animales modificados genéticamente. 

✔ Regulación: En muchos países, la creación y el uso de animales transgénicos están regulados por agencias gubernamentales para garantizar su seguridad y adecuada utilización. Estas regulaciones incluyen la evaluación de riesgos y la implementación de medidas de bioseguridad.

Plantas transgénicas: se les introduce genes de otras especies. Surgen a partir de la tecnología del ADN recombinante (maíz Bt; resistente al barrenador o taladro de la caña de azúcar, es la larva de una polilla; El maíz Bt es un tipo de maíz transgénico que produce una proteína de origen bacteriano. La proteína Cry, producida naturalmente por Bacillus thuringiensis es tóxica para las larvas de insectos barrenadores del tallo, que mueren al comer hojas o tallos de maíz Bt). Europa puede importar 116 transgénicos, pero de ellos solo puede cultivar uno, el maíz Bt. España es el país europeo con mayor superficie de cultivo del maíz Bt una variedad resistente a una plaga procedente de la América tropical muy presente en la Península Ibérica, razón por la que la apuesta de los agricultores españoles y portugueses por estas semillas sea muy fuerte (30% del total de maíz sembrado en España).

Los alimentos transgénicos son aquellos que para su producción se utiliza la ingeniería genética, incluyendo organismos genéticamente modificados o productos derivados de los mismos.

Ejemplo: La soja transgénica se utiliza principalmente para la alimentación animal, pero también se puede encontrar en algunos productos alimenticios procesados, como la lecitina de soja, empleada en la industria alimenticia como emulsionante: La lecitina de soja ayuda a mezclar y mantener unidos ingredientes que normalmente no se mezclan, como el aceite y el agua. Esto la hace esencial para una amplia gama de productos alimenticios, como:

• Mayonesa: La lecitina de soja ayuda a mantener la mayonesa suave y cremosa.
• Salsas de aliño: La lecitina de soja ayuda a evitar que las salsas de aliño. 

• Es importante tener en cuenta:

  • La normativa sobre organismos genéticamente modificados (OGMs) en España y la Unión Europea es estricta y compleja.
  • Cualquier nuevo organismo transgénico que se quiera comercializar debe pasar por un riguroso proceso de evaluación de riesgos antes de ser aprobado.
  • Existe un debate público y social sobre el uso de transgénicos en la alimentación, con opiniones a favor y en contra.

        5.2.5. Terapia génica: concepto 

        5.2.6. Técnica de PCR: concepto y aplicaciones 

        5.2.7. Sistema CRISPR-Cas: concepto y aplicaciones 

6. Importancia y repercusiones de la biotecnología 

6.1. Biotecnología: concepto 

        6.2. Aplicaciones de la biotecnología 

            6.2.1. Aplicaciones en salud, agricultura, medio ambiente, nuevos materiales, industria alimentaria. 

        6.2.2. El papel destacado de los microorganismos.

12. El alumnado debe conocer los conceptos de biotecnología y de ingeniería genética, así como el concepto y la utilidad de las enzimas de restricción, de los vectores de clonación (conocer los tipos: plásmidos y fagos) y del ADN recombinante. 

 13. Se deben explicar los conceptos de organismos modificados genéticamente (OMG), microorganismos recombinantes, plantas transgénicas y animales transgénicos. 

 14. Es conveniente explicar ejemplos válidos de los OMG en medicina (utilización de animales modificados genéticamente como modelos de enfermedades humanas o desarrollo de terapias), en la industria farmacéutica (utilización de microorganismos recombinantes para la síntesis de antibióticos, hormonas como la insulina o la hormona de crecimiento, vacunas recombinantes), en el medio ambiente (bacterias, cianobacterias y plantas modificadas capaces de eliminar hidrocarburos y pesticidas), y en la agricultura (producción de bioinsecticidas, plantas transgénicas resistentes a insectos, a enfermedades microbianas, o a herbicidas, y con características mejoradas).

15. El alumnado debe conocer el concepto de terapia génica, así como el concepto y la utilidad de la técnica CRISPR-Cas. No se exigirá el conocimiento pormenorizado de esta técnica. 

 16. Se debe conocer el fundamento de la técnica de la PCR y sus posibles aplicaciones. Se debe incidir en el conocimiento de técnicas y conceptos relacionados con la PCR como: cebador (primer o sonda), hibridación de los ácidos nucleicos, ADN polimerasa (Taq polimerasa), desnaturalización del ADN, separación de los fragmentos de ADN por electroforesis y marcador de peso molecular. 

 17. El alumnado debe conocer el concepto de biorremediación y ejemplos sobre la utilización de microorganismos en la mejora del medio ambiente (uso de microorganismos en la eliminación de mareas negras; depuración de aguas residuales y compostaje; control de plagas) y en diferentes tipos de industrias, como la farmacéutica (por ejemplo, la síntesis de antibióticos, hormonas, interferón, vacunas, etc…) y la alimentaria (procesos de elaboración de pan, cerveza, vino, yogur y queso). 

EL CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS: ß-oxidación de los ácidos grasos (HÉLICE DE LYNEN).

 El alumnado debe poder definir y localizar intracelularmente la glucólisis, la β-oxidación, el ciclo de Krebs, la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa, indicando los sustratos iniciales y productos finales. Debe saber comparar el balance energético entre glúcidos y lípidos.

Como ya sabes, los triglicéridos son biomoléculas de reserva energética, que los mamíferos almacenamos en el tejido adiposo, a los cuales puede recurrir la célula si requiere energía. También puede venir de las grasas ingeridas en la comida.

Una vez en la célula, los triglicéridos se hidrolizan por las lipasas, obteniéndose GLICEROL + A.G. 

El glicerol se va a transformar en Gal-3-P, continuando la glucólisis a partir de la reacción 6, dando, por tanto, 1 NADH y 2 ATP. Tras pasar el Pir a la matriz mitocondrial, origina 1+3 NADH y 1 FADH2, más 1 GTP. Por tanto, el glicerol ha originado, tras completar su respiración aerobia:

2 ATP en la glucólisis.

1 NADH, que origina 2,5 o 1,5 ATP (dependiendo del tipo de c.) tras completar el transporte de e-.

4 NADH mitocondriales, que originan 4x2,5= 10 ATP.

1 FADH2, que origina 1,5 ATP.

1 ATP, a partir del GTP.

Por tanto, el glicerol de un triglicérido origina 17 o 16 ATP.

Los A. G.  de n C van a sufrir un proceso llamado beta-oxidación (principal método de obtención de energía en c. hepáticas y cardíacas), en el cual se van a convertir en n/2 moléculas de AcCoA, que van a entrar en el Ciclo de Krebs:

1. ACTIVACIÓN DE LOS A.G. (formación del Acil-CoA graso).

Ocurre en el citosol (cara citosólica de la m.m.e. o membrana del REL).

2. ENTRADA DEL A.G. ACTIVADO (ACIL-COENZIMA A GRASO) EN LA MATRIZ MITOCONDRIAL

Los A.G. de más de 12 C (los más habituales: oleico, palmítico, etc.), necesitan una lanzadera que consume ATP que se convierte en AMP (equivale a 2 ATP) para ser introducidos desde el espacio intermembrana en la matriz: el Acil-CoA se une a la carnitina (un aa no alfa) en el espacio intermembrana, que lo transporta  a la matriz.

3. BETA-OXIDACIÓN DE LOS A.G. (MATRIZ)

Proceso   catabólico cíclico en el que los A.G. van liberando C de 2 en 2 en forma d grupos acetilo, uniéndose al CoA, formando un AcCoA en cada vuelta de ciclo o de la "hélice" (de Lynen).

1ª REACCIÓN: La Acil Coa DHasa le quita 2 H al Acil-CoA, dándoselos al FAD, que se convierte en FADH2.

2ª REACCIÓN: El Enoil- CoA formado en la anterior reacción (pues al quitarle 2H, se ha formado una insaturación) se hidrata, formando beta-hidroxiacil-CoA.

3ª REACCIÓN: La beta-hidroxiacil- CoA sufre una oxidación con el NAD+, originando beta-cetoacil-CoA y NADH.

4ª REACCIÓN: una tiolasa separa un grupo acetilo y lo une al CoA, originado AcCoA y un Acil CoA con 2C menos, que vuelve a sufrir un nuevo ciclo, hasta que al final, como resultado del último ciclo, se obtienen 2 AcCoA.

Por tanto, el balance energético del ácido palmítico (A.G. saturado de 16 C), da 7 vueltas de hélice, originando en la beta -oxidación (matriz):

7 FADH2, 7 NADH y 8 AcCoA.

Esto va a dar 7x1,5+ 7x2,5 = 28 ATP

Cada AcCoA origina en el Ciclo de Krebs:

3 NADH----------->7,5 ATP.

1 FADH2---------->1,5 ATP

1 GTP-------------->1 ATP

Por tanto, cada AcCoA origina 10 ATP en el Ciclo de Krebs.

Como se han originado 8 AcCoA, tenemos 80 ATP.

Por tanto, cada ácido palmítico origina (hay que restarle 2 ATP que se gastaron para introducir el Acil-CoA en la matriz): 

28 (en la beta-oxidación) y 80 (en el ciclo de Krebs)= 118 ATP.

Descontando los 2 iniciales, son 116 ATP

¿Cuántos ATP se originan en el catabolismo aerobio completo de la tripalmitina?

16 o 17 ATP del glicerol.

116 ATP por cada palmítico. Como tenemos 3, son 116x3= 348 ATP

Total de ATP  a partir de tripalmitina (un triglicérido): 348+16= 364 ATP ; o 365 (mucho más que los 30 o 32 conseguidos con el catabolismo de la glucosa).

* Nota: en la pg 152 del libro hay un atabla con una fórmula para calcularlo. Si aplicáis esa fórmula, sale que el palmítico rinde 129 ATP. La diferencia con mis cálculos se debe a que en el libro utiliza la equivalencia de 2 ATP por cada FADH2 y 3 ATP por cada NADH, mientras que yo he utilizado una estimación más moderna y realista de 1,5 por cada FADH2 y 2,5 por cada NADH. 

Hay que considerar que la masa molecular de un triglicérido es bastante mayor que la de la glucosa, pero aún así, por cada g de biomolécula, las grasas son más del doble de energéticas que los glúcidos: 9 Kcal en las grasas y 4 n los glúcidos.

   

EL CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS

LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y Nº ATP/GLUCOSA 

Cuando autores y profesores citan diferentes números de moléculas de ATP por glucosa, suele ser porque hacen diferentes consideraciones sobre los procesos que intervienen en el rendimiento total de ATP. Ni la cantidad de 36 o 38 ATP ni la de 30-32 son incorrectas. Simplemente están midiendo cosas ligeramente diferentes.

El proceso de síntesis aerobia de ATP en las mitocondrias y en las bacterias aerobias se llama FOSFORILACIÓN OXIDATIVA, y acopla 3 procesos (teoría quimioosmótica):

- Transporte de electrones a través de la cadena respiratoria desde las coenzimas reducidas al oxígeno.

- Transporte contragradiente de protones al espacio intermembrana, utilizando la energía desprendida en el transporte de electrones (reacciones redox). Se crea así un gradiente de H+ a ambos lados de la m.m.i., con alta concentración de H+ en el espacio intermembrana. En el tejido adiposo pardo de animales hibernantes como los osos, se introducen en la m.m.i. unas proteínas desacopladoras que destruyen este gradiente al permitir el retorno de los H+ a través de una difusión facilitada a la matriz mitocondrial, con lo cual en vez de sintetizarse ATP, la energía liberada en las reacciones redox de la cadena respiratoria, se libera en forma de calor, que es lo que precisan estos animales en invierno. Igual ocurre con fármacos como el DNP.

En el Complejo I se bombean 4H+ por cada 2e- procedentes del NADH que son transportados.

En el Complejo III se bombean otros 4H+ por cada 2 e- transportados.

En el Complejo IV se bombean 2H+ por cada 2 e- transportados.

Por tanto, por cada NADH producido en la mitocondria y en el citosol de algunas células (procariotas, algunas células humanas, etc.) se bombean 10 H+ al espacio intermembrana.

Por cada FADH2 y cada NADH  citosólico en otras células (que ceden sus e- al FADH2), al saltarse el Complejo I, solo se bombean 6H+.

- Síntesis de ATP por la ATPasa (ATP Sintasa): cuando 4 H+ retornan a la matriz a través de la ATPasa de la m.m.i. , liberan la energía  necesaria para fabricar 1 ATP.

Como con el NADH mitocondrial y el citosólico en las células que ceden sus e- al Complejo I, se bombean 10H+ y hacen falta 4H+ para sintetizar 1 ATP, con 10H+, se sintetizan 10/4=2,5 ATP.

Como con el FADH2 y el NADH citosólico en otras células, se bombean 6H+, se sintetizan 6/4= 2,5 ATP.

Por tanto, según los cálculos más recientes del balance energético de la glucosa, se obtendrían solo 30 o 32 ATP/glucosa (menos que los 36 o 38 calculados anteriormente pero aún 15 a 16 veces más que con los procesos anaerobios o fermentativos), aunque en las célula reales puede ser algo menor, debido a la energía gastada en transporte de ciertos metabolitos a través de la m.m.i. o porque algunos de los metabolitos del Ciclo de Krebs se desvían del ciclo, para iniciar rutas anabólicas de síntesis (p.ej. de aa).    

Materiales complementarios sobre Metabolismo (vídeos)

ORIENTACIONES DE SELECTIVIDAD 2024

El alumnado debe reconocer y saber analizar las principales características de las reacciones que determinan el catabolismo y el anabolismo. 

Se recomienda incidir sobre la descripción de las distintas rutas metabólicas de forma global, analizando en qué consisten, dónde transcurren y cuál es su balance energético. 

No es necesario formular los intermediarios de las rutas metabólicas, aunque el alumnado deberá conocer los nombres de los sustratos iniciales y de los productos finales. 

Se debe incidir en el papel de las reacciones de óxido-reducción como mecanismo general de transferencia de energía. 

El alumnado debe poder destacar el papel del ATP como vehículo en la transferencia de energía. 

Se sugiere resaltar la existencia de diversas opciones metabólicas para obtener energía.

Se recomienda comparar las vías anaerobias y aerobias con relación a la rentabilidad energética y a los productos finales, destacando el interés industrial de las fermentaciones.  

LA CÉLULA (II): EL CITOPLASMA Y SUS ORGÁNULOS

PRESENTACIONES 

BLOQUE III: LA CÉLULA (I): TEORÍA CELULAR, TIPOS DE CÉLULA Y CUBIERTAS CELULARES

 1. El alumnado debe identificar a la célula como la unidad estructural y funcional de la vida y relacionar estos conceptos con la Teoría Celular.

PP sobre la célula y la Teoría Celular 

2. El alumnado debe conocer el fundamento básico del microscopio óptico y electrónico y su aplicación para el estudio de las células. Se recomienda que conozcan el poder de resolución de cada uno de ellos.

El poder de resolución es la distancia mínima a la que se pueden discriminar dos puntos. Este límite viene determinado por la longitud de onda de la fuente de ondas electromagnética (fotones de luz en el óptico o electrones en el electrónico)

El microscopio óptico tiene un limite resolución de cerca de 200 nm (0.2 µm ). Este limite se debe a la longitud de onda de la luz (0.4-0.7 µm ).

El microscopio electrónico de transmisión (MET) tiene un limite de resolución de cerca de 2 nm.

3. El alumnado debe ser capaz de describir y diferenciar los dos tipos de organización celular: eucariota y procariota.

4. Se recomienda incidir sobre la descripción, localización e identificación de los componentes de la célula procariótica en relación con su
estructura y función. Además, se sugiere la mención de, al menos, los siguientes componentes de la célula procariótica: apéndices (flagelo o fimbrias), cápsula, pared celular, membrana plasmática, citoplasma, cromosoma bacteriano, plásmidos, ribosomas y gránulos (o
inclusiones).

5. El alumnado debe saber comparar las características de las células vegetales y animales.

6. El alumnado debe tener capacidad de describir, localizar e identificar los componentes de la célula eucariótica en relación con su
estructura y función.

PP TIPOS DE ORGANIZACIÓN CELULAR

 8. El alumnado debe conocer las propiedades de las membranas biológicas y los mecanismos de transporte (difusión simple y facilitada,
transporte activo, endocitosis, pinocitosis, fagocitosis, exocitosis y secreción).

9. Se sugiere explicar los procesos de transformación de las sustancias incorporadas y localizar los orgánulos que intervienen en su
digestión.

PP de la membrana celular

7. Con relación a la pared celular en las células vegetales, el alumnado debe conocer su composición, estructura y funciones

PP de la PC

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA Y EPIGENOMA

 Para no despilfarrar energía ni moléculas orgánicas, es necesario que la célula controle muy bien la expresión génica, la cual se hace fundamentalmente a nivel de transcripción, ya que así se evita incluso producir ARNm innecesarios (si se hiciera a nivel de traducción ya se habrían malgastado nucleótidos-trifosfato altamente energéticos para fabricar el ARN).

El proceso es diferente en procariotas y en eucariotas, siendo decisivo en éstos últimos cuando son pluricelulares, ya que el silenciamiento o inhibición de ciertos genes y la activación de otros es lo que hace que las células se vayan diferenciando y se produzca la especialización celular, necesaria para la formación de los diferentes tejidos y órganos.

En procariotas, destaca el Operón lac, que interviene en el catabolismo de la lactosa. Es un ejemplo de regulación inducible donde el inductor es el propio sustrato a catabolizar (la lactosa). Consta de un gen regulador, que produce una proteína represora; el promotor, al que se une la ARN pol, el operador, al que se une el represor, impidiendo el trabajo de la ARN pol y los genes estructurales (3).

En eucariotas, la metilación de nucleótidos (C) y la acetilación de las histonas son importantes factores epigenómicos. El 2º proceso interviene en el grado de compactación de la cromatina y, por tanto, determina el acceso de la ARN pol  a los genes. El epigenoma hace que dos personas con el mismo genoma (como dos gemelos idénticos), tengan diferente transcriptoma (conjunto deARNm en la célula) y proteoma (conjunto de las proteínas celulares), ya que si han seguido diferentes hábitos, uno tendrá mayor número de señales epigenómicas que el otro. 

BLOQUE II: GENÉTICA MOLECULAR

 SABERES BÁSICOS:

BIOL.2.B.1. El ADN.

BIOL.2.B.1.1. Comprensión del concepto de ADN y su modelo estructural. Compresión de concepto de gen.

BIOL.2.B.2. Los genomas procariota y eucariota.

BIOL.2.B.2.1. Identificación de los genomas procariota y eucariota.

BIOL.2.B.2.2. Comprensión de las características generales y diferencias entre ellos.

BIOL.2.B.3. Mecanismo de replicación del ADN

BIOL.2.B.3.1. Reconocimiento de las etapas de la replicación.

BIOL.2.B.3.2. Manejo de las diferencias entre el modelo eucariota y el modelo procariota.

BIOL.2.B.4. El ARN.

BIOL.2.B.4.1. Reconocimiento de tipos y funciones.

BIOL.2.B.5. La expresión génica.

BIOL.2.B.5.1. La expresión génica: reconocimiento modelo procariota y modelo eucariota.

BIOL.2.B.5.2. El código genético: reconocimiento de sus características y resolución de problemas.

BIOL.2.B.5.3. Regulación de la expresión génica: reconocimiento de su importancia en la diferenciación celular.

BIOL.2.B.6. Las mutaciones.

BIOL.2.B.6.1. Reconocimiento del concepto de mutación.

Una mutación es cualquier cambio en la información genética de una célula.

Tipos: 

1. Mutaciones génicas o moleculares

2. Mutaciones cromosómicas

3. 3. Mutaciones genómicas:

  I. Aneuploidías

  a) Que afectan a los autosomas (ej. Down).

   b) Que afectan a los cromosomas sexuales (ej. Klinefelter)

II. Poliploidía

Mutágenos físicos y químicos. 

Carcinogénesis y cáncer

BIOL.2.B.6.2. Compresión de su relación con la replicación del ADN, la evolución y la biodiversidad.

Las mutaciones moleculares se originan aleatoriamente durante  la replicación del ADN ya que la ADN pol que, aunque es muy fiel en su proceso de copiado, de vez en cuando produce errores, muchos de los cuales son detectados por ella misma, vuelve para atrás, con su actividad exonucleasa, y los corrige. Las mutaciones cromosómicas y genómicas se pueden producir como resultado de los procesos de división celular, como es el reparto cromosómico en la meiosis.

Las mutaciones son la fuente primaria de variablidad genética en las poblaciones, sobre las cuales puede actuar la selección natural, originando la evolución de las especies y el aumento de la biodiversidad.

 BIOL.2.B.6.3. Valoración de la biodiversidad en Andalucía.

GENÉTICA MOLECULAR (pp)