Biotecnología: ejercicios de la PAU de Biología de Andalucía resueltos

Planteamiento La figura muestra una doble hebra de ADN que se separa, a cada hebra se une un fragmento corto y luego se completa una hebra nueva: es un ciclo de copia de ADN en el tubo de ensayo.

1. Repetida muchas veces, esta secuencia de pasos multiplica un fragmento de ADN: es la PCR.

Planteamiento A es la doble hebra de partida; B, una de las piezas sueltas que se van incorporando a las hebras nuevas.

1. A: la molécula de ADN de doble cadena que se quiere copiar (el ADN molde).

2. B: un desoxirribonucleótido (en el tubo se añaden como desoxirribonucleótidos trifosfato, dNTP), el monómero con el que se construyen las hebras nuevas.

Planteamiento Cada ciclo de la PCR tiene tres fases a distintas temperaturas, y el ciclo se repite muchas veces.

1. Fase 1, desnaturalización: se calienta la mezcla (unos $94$–$95\ ^\circ\mathrm{C}$) y se rompen los puentes de hidrógeno entre las bases: las dos hebras del ADN se separan.

2. Fase 2, hibridación o alineamiento de los cebadores: se baja la temperatura (unos $50$–$65\ ^\circ\mathrm{C}$) y los cebadores, fragmentos cortos de ADN de una sola hebra, se unen por complementariedad de bases a los extremos de la secuencia que se quiere copiar en cada hebra molde.

3. Fase 3, extensión (síntesis de ADN): a unos $72\ ^\circ\mathrm{C}$, la Taq polimerasa añade desoxirribonucleótidos al extremo $3^\prime$ de cada cebador, complementarios de la hebra molde, y sintetiza la hebra nueva en sentido $5^\prime\rightarrow 3^\prime$. Al terminar hay dos dobles hebras donde había una, y el ciclo vuelve a empezar.

Planteamiento Las dos hebras de la doble hélice se mantienen unidas por puentes de hidrógeno entre bases complementarias; los nucleótidos de cada hebra están unidos por enlaces covalentes.

1. Se rompen los puentes de hidrógeno entre las bases (A con T y G con C), que son enlaces débiles y se rompen con el calor.

2. Permanecen intactos los enlaces fosfodiéster (enlace nucleotídico) que unen los nucleótidos dentro de cada cadena, porque son covalentes y mucho más fuertes.

Planteamiento La fase 3 la cataliza una ADN polimerasa, que tiene que resistir las temperaturas de la fase 1 en todos los ciclos.

1. Es la Taq polimerasa, una ADN polimerasa de la bacteria termófila Thermus aquaticus.

2. Es termoestable: no se desnaturaliza al calentar a unos $95\ ^\circ\mathrm{C}$ en cada ciclo, como les ocurriría a otras ADN polimerasas.

Planteamiento El yogur se hace con bacterias lácticas (por ejemplo, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y Streptococcus thermophilus), que acidifican la leche.

1. Las bacterias hidrolizan la lactosa a glucosa y galactosa y las degradan hasta piruvato (glucólisis) y lo reducen a ácido láctico, sin oxígeno: es la fermentación láctica. El ácido láctico baja el pH del medio.

   $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$${}\rightarrow 2\,\mathrm{CH_3{-}CHOH{-}COOH}$

2. Son bacterias: su organización celular es procariota.

Planteamiento La estructura de las proteínas depende de enlaces débiles, entre ellos los iónicos, que cambian con el pH.

1. Al bajar el pH cambian las cargas de los grupos ácidos y básicos de las proteínas de la leche (sobre todo la caseína) y se rompen los enlaces que mantienen su conformación: se desnaturalizan.

2. Cerca de su punto isoeléctrico las caseínas pierden la carga neta, dejan de repelerse, se agregan y coagulan: la leche se espesa y forma el gel del yogur.

Planteamiento La lactosa es un disacárido.

1. Sus monómeros son la galactosa y la glucosa.

2. Están unidos por un enlace O-glucosídico, de tipo $\beta(1\rightarrow 4)$, entre el carbono 1 de la galactosa y el 4 de la glucosa. Su hidrólisis los separa:

   $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$${}+\mathrm{H_2O}$${}\rightarrow \text{galactosa}$${}+\text{glucosa}$

Planteamiento Muchos alimentos se elaboran con fermentaciones, y los microorganismos también se usan en medio ambiente, industria y salud.

1. Alimentos: el pan, con fermentación alcohólica de las levaduras (el $\mathrm{CO_2}$ hace subir la masa); el queso, con fermentación láctica de bacterias. Otros ejemplos: el vino y la cerveza (fermentación alcohólica) o el vinagre (fermentación acética, una oxidación aerobia del etanol).

2. Procesos que no producen alimentos: la depuración de aguas residuales; la obtención de antibióticos (por ejemplo, la penicilina, de hongos Penicillium); otros ejemplos: la producción de insulina por bacterias modificadas genéticamente, la biorremediación de vertidos o el control biológico de plagas.

Planteamiento En la masa hay levaduras (Saccharomyces cerevisiae), hongos unicelulares que fermentan los azúcares de la harina.

1. Durante el reposo, las levaduras hacen la fermentación alcohólica: transforman la glucosa en etanol y dióxido de carbono.

   $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$${}\rightarrow 2\,\mathrm{CH_3CH_2OH}$${}+2\,\mathrm{CO_2}$

2. El $\mathrm{CO_2}$ es un gas que queda atrapado en la red de gluten de la masa y forma burbujas: la masa sube y queda esponjosa. El etanol se evapora durante la cocción.

Planteamiento Las bacterias del género Lactobacillus son bacterias lácticas.

1. Lactobacillus hace la fermentación láctica: reduce el piruvato que sale de la glucólisis a ácido láctico.

   $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$${}\rightarrow 2\,\mathrm{CH_3{-}CHOH{-}COOH}$

2. El ácido láctico (y otros ácidos que acompañan a la fermentación, como el acético) es el que da a la masa madre su sabor ácido.

Planteamiento Las levaduras son anaerobias facultativas: sin oxígeno fermentan, y con oxígeno respiran.

1. En el tanque cerrado, sin $\mathrm{O_2}$, la levadura obtiene energía por fermentación alcohólica y produce etanol.

2. Al entrar aire, la levadura pasa a la respiración celular aerobia: el piruvato entra en la mitocondria y se oxida por completo a $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{H_2O}$. Ya no se produce etanol (efecto Pasteur).

   $\mathrm{C_6H_{12}O_6}+6\,\mathrm{O_2}$${}\rightarrow 6\,\mathrm{CO_2}+6\,\mathrm{H_2O}$

3. La respiración da mucha más energía por glucosa (unas $30$–$38$ moléculas de ATP frente a $2$ en la fermentación), así que las levaduras siguen vivas y se multiplican incluso más deprisa.

Planteamiento La transformación bacteriana tiene un rendimiento bajo: solo una parte de las bacterias incorpora el plásmido.

1. Solo las bacterias que han captado el plásmido llevan el gen de resistencia y pueden vivir en el medio con antibiótico; las demás mueren.

2. Que sobreviva el $5\ \%$ indica que solo $5$ de cada $100$ bacterias (una de cada $20$) se han transformado. El antibiótico sirve así para seleccionar las bacterias transformadas, que son las que llevan también el gen de interés.

Planteamiento Los genes eucariotas son discontinuos: tienen intrones, que en la célula humana se eliminan del ARN antes de la traducción (maduración o splicing).

1. El gen humano de la insulina tiene intrones. En la célula humana, el ARN que se transcribe se madura en el núcleo: se cortan los intrones y se unen los exones.

2. Las bacterias no tienen intrones ni la maquinaria para eliminarlos. El ARNm bacteriano conserva los intrones y el ribosoma los traduce como si fueran parte del mensaje: sale un polipéptido con aminoácidos de más, distinto de la insulina y no funcional.

3. Por eso, en biotecnología se introduce en la bacteria el ADN complementario (ADNc), obtenido por retrotranscripción del ARNm maduro, que ya no tiene intrones.

4. Además, hay otra causa que también da un polipéptido más grande. La insulina se fabrica como una cadena precursora (preproinsulina) a la que la célula humana corta algunos tramos después de la traducción; una bacteria no hace ese procesado, así que, aunque el gen no tuviera intrones, obtendría el precursor, que no es activo.

Planteamiento La expresión de un gen se hace en dos pasos: primero se copia la información del ADN en un ARN y después ese ARN se lee para fabricar una proteína.

1. Transcripción: síntesis de una molécula de ARN (ARN mensajero, en el caso de un gen que codifica una proteína) copiando la secuencia de una de las cadenas del ADN, que hace de molde. Las bases se emparejan por complementariedad (con uracilo en lugar de timina).

2. Traducción: síntesis de una cadena de aminoácidos (un polipéptido) en los ribosomas, leyendo el ARNm de tres en tres bases (codones); cada codón indica un aminoácido según el código genético.

Planteamiento La enzima E está sobre la doble hélice de ADN (elemento 1) y de ella sale la cadena 2, que es un ARN: es la enzima que hace la transcripción.

1. La flecha E marca el avance de la enzima a lo largo del ADN mientras va sintetizando el ARN.

Planteamiento Se identifica cada elemento por su forma y por su papel en el dibujo, en el que la transcripción y la traducción ocurren a la vez, como en una bacteria.

1. 1: la doble hélice que recorre la enzima es el ADN.

2. 2: la cadena que sale de la ARN polimerasa y sobre la que se colocan los ribosomas es el ARN mensajero.

3. 3 y 4: las dos piezas en que se separa cada ribosoma al acabar la traducción. La pequeña (3) es la subunidad menor y la grande (4), la subunidad mayor.

4. 5: la cadena que sale de los ribosomas y se suelta al final es el polipéptido (la proteína).

Planteamiento El ARNm, como cualquier ácido nucleico, tiene un extremo $5'$ y otro $3'$; un polipéptido tiene un extremo amino y otro carboxilo.

1. El ARN se sintetiza en sentido $5'\rightarrow 3'$: el extremo b, el que está saliendo de la ARN polimerasa, es el que crece, el $3'$; el extremo a, el más alejado, es el $5'$. Por ese extremo $5'$ han empezado a leerlo los ribosomas.

2. El polipéptido se sintetiza desde el extremo amino hacia el carboxilo: el extremo c es el amino ($-\mathrm{NH_2}$) y el d, el carboxilo ($-\mathrm{COOH}$).

Planteamiento Un gen eucariota tiene exones (que se traducen) e intrones (que no). En la célula humana el ARN transcrito se madura: se le quitan los intrones (corte y empalme o splicing). Las bacterias no tienen esa maquinaria.

1. Si se mete en la bacteria el gen humano tal cual, con sus intrones, la bacteria los transcribiría y traduciría también, y saldría una proteína distinta y no funcional.

2. En cambio, se parte del ARNm maduro de la insulina, sacado de células humanas que la fabrican: ya no tiene intrones.

3. La transcriptasa inversa usa ese ARNm maduro como molde y sintetiza un ADN complementario (ADNc) que solo tiene la secuencia de los exones.

4. Ese ADNc, introducido en la bacteria con un vector (un plásmido con un promotor que la bacteria reconoce), se transcribe y se traduce sin necesidad de maduración, y la bacteria fabrica la insulina humana con su secuencia correcta de aminoácidos.

Planteamiento La evolución necesita que en una población haya individuos distintos y heredables entre los que actúe la selección natural.

1. Las mutaciones son cambios en el ADN que aparecen al azar; son la fuente primaria de nuevos alelos, es decir, de variabilidad genética.

2. La recombinación en la meiosis mezcla esos alelos, y la selección natural favorece los que dan ventaja en un ambiente: su frecuencia aumenta en la población a lo largo de las generaciones.

3. Sin mutaciones no habría variación nueva sobre la que actuar, y a largo plazo no podrían surgir especies nuevas ni aumentar la biodiversidad.

Planteamiento Solo se hereda lo que va en los gametos.

1. Tienen que mutar las células de la línea germinal: los gametos (óvulos o espermatozoides) o las células que los originan.

2. Una mutación en una célula somática (de la piel, del hígado…) solo pasa a las células que salen de ella por mitosis, en ese individuo, y no llega a la descendencia.

Planteamiento Hoy la técnica más usada para cambiar un gen concreto es la edición génica con CRISPR-Cas9.

1. Técnica: la edición génica con el sistema CRISPR-Cas9. Un ARN guía, de secuencia complementaria al gen elegido, lleva la nucleasa Cas9 hasta ese punto exacto del ADN, que lo corta; al repararse el corte, se introduce el cambio.

2. Ventaja: es dirigida y precisa. Se elige el gen que se modifica y también el tipo de cambio (inactivarlo, corregir una base, insertar una secuencia).

3. En cambio, los agentes físicos (radiaciones) y químicos causan mutaciones al azar, en cualquier lugar del genoma y de cualquier tipo, y después hay que buscar entre muchísimos individuos el que tiene la mutación útil.

Planteamiento Se piden dos aplicaciones de la edición génica.

1. En agricultura: plantas con genes editados para que resistan plagas o enfermedades, o toleren la sequía.

2. En medicina: terapia génica, corrigiendo o inactivando el gen responsable de una enfermedad en las células del paciente (por ejemplo, en enfermedades de la sangre).

3. Otras: microorganismos modificados para la biorremediación (degradar contaminantes) o para fabricar sustancias de interés.

Planteamiento Cada frase describe la herramienta de una técnica: la PCR, el corte del ADN, la construcción de ADN recombinante y CRISPR.

1. 1) La amplificación de ADN a partir de cantidades mínimas es la PCR; la hace una ADN polimerasa resistente al calor, la Taq polimerasa (de la bacteria Thermus aquaticus).

2. 2) La que reconoce una secuencia concreta (diana) y corta el ADN es una enzima de restricción (endonucleasa de restricción).

3. 3) La que une fragmentos de ADN (por ejemplo, un gen y un plásmido cortados con la misma enzima de restricción) es la ADN ligasa.

4. 4) La que corta el ADN en el punto que indica un ARN guía es la nucleasa Cas9, del sistema CRISPR-Cas9.

Planteamiento Casi todas las enzimas son proteínas.

1. Tipo de biomolécula: proteína.

2. Monómeros: los aminoácidos.

3. Enlace: el enlace peptídico, entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente.

Planteamiento La estructura terciaria la mantienen las uniones entre los radicales de los aminoácidos.

1. Puentes de hidrógeno.

2. Interacciones iónicas (puentes salinos) entre radicales con carga opuesta.

3. Fuerzas de Van der Waals.

4. Interacciones hidrofóbicas entre radicales apolares.

5. Puentes (enlaces) disulfuro entre dos cisteínas.

Planteamiento De los cinco, cuatro son interacciones débiles y uno es un enlace covalente.

1. Los puentes de hidrógeno, las interacciones iónicas, las fuerzas de Van der Waals y las hidrofóbicas son débiles: el calor las rompe con facilidad, y por eso la proteína se desnaturaliza al calentarla.

2. El puente disulfuro es un enlace covalente: es mucho más fuerte y no se rompe a las temperaturas a que se desnaturaliza una proteína.

3. Si la enzima tiene más puentes disulfuro, su estructura queda mejor sujeta y hace falta una temperatura más alta para desnaturalizarla.

Planteamiento El sistema inmunitario no solo defiende de los microorganismos: también vigila las propias células y elimina las que se vuelven tumorales.

1. Las células tumorales suelen presentar en su membrana antígenos anormales. Los linfocitos T citotóxicos los reconocen y destruyen esas células (respuesta celular); es la vigilancia inmunitaria.

2. Estos pacientes tienen muy pocos linfocitos T: las células que se vuelven tumorales no se eliminan a tiempo y pueden multiplicarse y formar un tumor.

Planteamiento Todos los linfocitos nacen en la médula ósea, pero no todos maduran en el mismo sitio.

1. Linfocitos B: se originan y maduran en la médula ósea roja.

2. Linfocitos T: se originan en la médula ósea y maduran en el timo.

Planteamiento La respuesta específica tiene dos ramas.

1. Los linfocitos B dirigen la respuesta humoral, mediante los anticuerpos que producen al diferenciarse en células plasmáticas.

2. Los linfocitos T dirigen la respuesta celular, actuando directamente sobre las células infectadas o tumorales.

Planteamiento Al unirse un anticuerpo a su antígeno se forma un complejo antígeno-anticuerpo que facilita su eliminación de varias formas.

1. Neutralización: el anticuerpo tapa la parte del virus o de la toxina con que actúa y la deja sin efecto.

2. Aglutinación: los anticuerpos unen entre sí muchas células o partículas con el antígeno (bacterias, glóbulos rojos) y forman agregados.

3. Precipitación: con antígenos solubles se forman complejos insolubles que precipitan.

4. Opsonización: los anticuerpos recubren al microorganismo y facilitan que los fagocitos lo engloben.

5. También la activación del complemento, que acaba lisando la célula.

Planteamiento La enfermedad se debe a un único gen defectuoso (el de la ADA) en las células de la sangre.

1. Técnica: la terapia génica. Se extraen células madre de la médula ósea del paciente (o sus linfocitos), se les introduce una copia correcta del gen de la ADA con un vector (por ejemplo, un virus modificado) o se corrige su mutación con edición génica (CRISPR-Cas), y se le devuelven.

2. Las células corregidas fabrican la enzima ADA y pueden originar linfocitos B y T funcionales, así que el paciente recupera la defensa inmunitaria.

Planteamiento La ingeniería genética es la parte de la biotecnología que trabaja directamente con el ADN.

1. Es el conjunto de técnicas que permiten manipular y modificar el material genético en el laboratorio: aislar genes, cortarlos (con enzimas de restricción), unirlos (con la ADN ligasa), copiarlos y transferirlos de un organismo a otro.

2. Así se obtienen organismos modificados genéticamente (transgénicos), que fabrican productos útiles o tienen características nuevas.

Planteamiento Es una aplicación de la biotecnología al medio ambiente.

1. Consiste en usar seres vivos, sobre todo microorganismos (bacterias y hongos) y también plantas, o productos derivados de ellos, como sus enzimas, para eliminar o transformar los contaminantes.

2. Ejemplo: bacterias que degradan los hidrocarburos de un vertido de petróleo.

Planteamiento Es la molécula que se fabrica en ingeniería genética.

1. Es una molécula de ADN obtenida en el laboratorio uniendo fragmentos de ADN de procedencias distintas; por ejemplo, un gen humano insertado en un plásmido de una bacteria.

2. Se obtiene cortando los dos ADN con la misma enzima de restricción, para que sus extremos sean complementarios, y uniéndolos con la ADN ligasa.

Planteamiento Hay que buscar aplicaciones que no se basen en la fermentación de un microorganismo, como el pan, el yogur o el vino.

1. Agricultura: plantas transgénicas resistentes a plagas, como el maíz al que se ha añadido un gen bacteriano para que fabrique una toxina contra los insectos que lo atacan (maíz Bt).

2. Medio ambiente: la biorremediación de suelos o aguas contaminados, por ejemplo con bacterias que degradan el petróleo de un vertido.

3. Otras aplicaciones válidas: la terapia génica o el diagnóstico de enfermedades mediante la PCR.

Planteamiento Para ordenar los pasos basta con ver qué necesita cada uno: no se puede usar algo que todavía no se ha obtenido.

1. D va primero: hay que tener aislado el gen de la insulina humana antes de poder hacer nada con él.

2. C: el gen y el plásmido se cortan con la misma enzima de restricción, para que tengan extremos complementarios (cohesivos).

3. E: el gen se une al plásmido abierto, con la ADN ligasa, y se forma el ADN recombinante.

4. B: el plásmido recombinante se introduce en la bacteria (transformación).

5. A va al final: se cultivan las bacterias que han recibido el plásmido, que fabrican la insulina humana, y se extrae y purifica la proteína.

6. Ojo: la bacteria no puede quitar los intrones de un gen humano, así que el gen que se usa no es el que está en el ADN humano tal cual, sino un ADN copia obtenido a partir del ARNm con la transcriptasa inversa, o un gen sintetizado en el laboratorio.

Planteamiento «Microorganismo» no es un grupo de clasificación: agrupa a seres muy distintos por su tamaño.

1. Un microorganismo es un ser vivo tan pequeño que solo se puede ver con el microscopio.

2. Incluye organismos procariotas (las bacterias) y eucariotas (los protozoos, las algas microscópicas y los hongos microscópicos, como las levaduras y los mohos). La microbiología estudia también los virus, aunque son formas acelulares.

Planteamiento Los microorganismos pueden ser útiles para el ser humano o causarle daños.

1. Relación beneficiosa: se usan para producir alimentos (yogur, pan, queso) y medicamentos (antibióticos); además, las bacterias de la microbiota intestinal nos ayudan a digerir y nos protegen de otros microorganismos.

2. Relación perjudicial: muchos son patógenos y causan enfermedades infecciosas, como la tuberculosis (bacteria), la gripe (virus) o las micosis (hongos); otros deterioran y pudren los alimentos.

Planteamiento La biotecnología aprovecha a los seres vivos como «fábricas» de productos útiles.

1. Es el conjunto de técnicas que utilizan seres vivos (sobre todo microorganismos), sus células o sus moléculas para obtener productos o servicios útiles para el ser humano.

2. Se aplica en la alimentación, en la farmacia y la medicina, en la agricultura y en el medio ambiente (por ejemplo, en la depuración de las aguas residuales).

Planteamiento Hay que dar un ejemplo de cada industria y el tipo de microorganismo que interviene.

1. Industria alimentaria: el yogur se obtiene por la fermentación láctica que realizan bacterias lácticas (Lactobacillus y Streptococcus): hidrolizan la lactosa de la leche en glucosa y galactosa y las transforman en ácido láctico, que cuaja la leche.

   $\mathrm{C_6H_{12}O_6}\rightarrow 2\,\mathrm{C_3H_6O_3}$

2. Industria farmacéutica: los antibióticos, como la penicilina, que se obtiene de un hongo (moho) del género Penicillium. Otro ejemplo: la insulina humana, que fabrican bacterias modificadas por ingeniería genética.

Planteamiento 1 es una célula alargada, con pared y con el ADN suelto en el citoplasma, sin núcleo.

1. Es una bacteria con forma de bacilo (por ejemplo, Escherichia coli). Su organización celular es procariota.

Planteamiento Son las dos moléculas de ADN que aparecen en la figura.

1. 2: la pequeña molécula circular de ADN que se introduce en la bacteria: un plásmido, que se usa como vector.

2. 3: la maraña de ADN que hay dentro de la bacteria: el cromosoma bacteriano, un ADN circular que está en el nucleoide.

Planteamiento Para que la bacteria fabrique insulina humana, tiene que recibir la información para hacerla.

1. El plásmido debe llevar insertado el gen de la insulina humana, para que la bacteria lo transcriba y lo traduzca.

2. Como las bacterias no pueden eliminar intrones, se usa una copia del gen sin intrones (un ADN complementario obtenido a partir del ARNm maduro de la insulina), colocada detrás de un promotor que la bacteria reconozca.

Planteamiento En 4 se ve una placa de Petri con muchas colonias.

1. Las bacterias que han incorporado el plásmido se cultivan y se multiplican por bipartición: cada colonia procede de una sola bacteria.

2. Así se obtienen muchas bacterias iguales con el gen (se clona), que fabrican insulina en grandes cantidades. Antes se seleccionan las que llevan el plásmido, por ejemplo con un antibiótico, si el plásmido lleva un gen de resistencia.