tema 4: la revolución genética

TEMA 4: LA REVOLUCIÓN GENÉTICA
1. Introducción
Los seres vivos son capaces de hacer copias de sí mismos, de tal modo que los hijos
heredan los caracteres de sus padres. Para lograrlo
a) Deben almacenar y transmitir la información acerca de cómo se construyen.
b) Deben hacer copias casi idénticas. Las copias son casi idénticas, pero sólo casi. Las
pequeñas diferencias entre copias son la clave de la diversidad. Esta diversidad les
permite la adaptación a los distintos ambientes, y está en la base de la evolución
de las especies.
Pero ¿cómo se produce tal evolución?
Darwin, en su teoría de la evolución, propuso que es la continua competencia entre las
especies por los recursos del medio la que selecciona sus características.
2. Mendel: el primer paso importante
Llevó a cabo importantes experimentos con guisantes. Los motivos que lo llevaron a
escoger esta planta fueron:
Eran baratos y fáciles de obtener en el mercado.
Ocupaban poco espacio y tenían un tiempo de generación relativamente
corto.
Producían muchos descendientes.
Existían variedades que mostraban distinto color, forma, tamaño,
etcétera.
Es una especie autógama (se autopoliniza).
Es fácil realizar cruzamientos entres distintas variedades a voluntad, y
también evitar la autopolinización cortando las anteras de las flores de una
planta.
A través de sus experimentos de cruzamiento Mendel lograría establecer las leyes de la
genética clásica.
De acuerdo con la interpretación actual, el polen de una de las plantas progenitoras
aporta un alelo para el color, y el óvulo de la otra planta progenitora aporta otro. De
los dos alelos sólo se manifiesta uno (el llamado dominante, A), mientras que el otro,
llamado recesivo, a, permanece oculto.
Segunda ley o principio de la segregación:
Ciertos individuos son capaces de transmitir su carácter, aunque éste no se manifieste:
El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación en la que
reaparece el fenotipo “a”, pese a que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo “A”.
Esto hace presumir a Mendel que el carácter “a” no había desparecido, sino que sólo
había sido ocultado por el carácter “A”. Al reproducirse el individuo, cada carácter
segrega por separado.
Tercera ley o principio de la transmisión independiente:
Hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: se considera un solo carácter;
polihíbrido se consideran dos a más caracteres.
Mendel trabajó este cruce en dos características de los guisantes: color de la
semilla y rugosidad de la superficie. De esta forma, observó que los caracteres se
tranmitían independientemente unos de otros.
Hoy sabemos que esta ley sólo se cumple si los caracteres están en cromosomas
separados.
Esta última imagen es lo que se conoce como tablero de Punnet, y representa todas las
posibles combinaciones de alelos de los descendientes a partir de los alelos de los
progenitores.
En otros casos no hay un alelo dominante y otro recesivo, sino que ambos alelos se
expresan y el fenotipo exhibe una mezcla de caracteres. Hablamos entonces de
codominancia. Por ejemplo, al cruzar un tipo de flores A de color rojo dominante con
otro tipo de flores B de color blanco dominante, el resultado sería un tipo de flores AB
de color rosado, en las cuales los dos caracteres dominantes A y B se mezclan al
expresarse a la vez.
A continuación, tienes una web interactiva donde practicar las leyes de Mendel
http://www.sonic.net/~nbs/projects/anthro201/exper/
Lo que determina los caracteres de las plantas fue denominado por Mendel factor
hereditario. Más tarde, estos factores fueron rebautizados con el nombre de genes.
Así, un gen es una unidad de transmisión hereditaria, es decir, lo que controla un
determinado carácter.
3. Cromosomas
a) La célula
La célula es la unidad fundamental de los seres vivos. En ella existen algunos
orgánulos o estructuras que intervienen en el proceso de la herencia. En una célula
podemos distinguir:
La membrana plasmática: controla el intercambio de sustancias
(alimentos, desechos…) con el exterior.
El núcleo: en él se encuentra el ADN que dirige la síntesis de proteínas y el
mecanismo de la herencia.
El citoplasma: en él se encuentran distintos orgánulos: ribosomas,
cloroplastos (en vegetales), mitocondrias, lisosomas…
b) Cromatina y cromosomas
En 1882 se descubrió en el núcleo de las células una sustancia de color que se
llamó cromatina (izquierda), dispersa por el núcleo celular.
Durante la división celular la cromatina se condensa en filamentos a los que luego
se les dio el nombre de cromosomas (derecha).
Dado que hay muchos más factores hereditarios (genes) que cromosomas, se
concluyó que el gen debe ser un trozo de cromosoma.
c) Fecundación y dotación genética
Las células somáticas se dividen mediante un mecanismo denominado mitosis, en
el que se conserva el número de cromosomas. Por llevar dos copias de cada
cromosoma se las llama células diploides. En cambio, los gametos (células
sexuales) se producen mediante otro tipo de división celular denominada meiosis,
que reduce el número de cromosomas a la mitad. Son células haploides.
De este modo, al producirse la fusión de los núcleos de los gametos durante la
fecundación, se recupera el número diploide de cromosomas y se produce una
mezcla de caracteres que origina la variabilidad genética.
d) Algunas definiciones
A las diversas alternativas que puede presentar un gen que controla un
determinado carácter se les denomina alelos, se simbolizan con letras.
A los individuos que tienen los dos alelos iguales se les llama
homocigóticos o raza pura. Ej. AA o aa
A los individuos que tienen los dos alelos de un mismo gen diferentes se
les llama heterocigóticos o híbridos. Ej. Aa
Cuando uno de los alelos es el que se manifiesta, se dice que es el alelo
dominante y se expresa con una letra en mayúscula. Ej A
El alelo que no se manifiesta se denomina recesivo y se expresa con una
letra en minúscula. Ej. a
El genotipo es el conjunto de genes que posee un individuo y que ha
heredado de sus progenitores.
El fenotipo es el conjunto de caracteres que manifiesta un organismo.
4. El ADN
Al principio se pensó en tres alternativas como medio de almacenar la información
genética: ADN (ácido desoxirribonucleico), proteínas y una mezcla de ambos. Pero
ciertos experimentos demostraron la imposibilidad de la participación de las proteínas.
Así pues, los genes están hechos de ADN, y en ellos se encuentra la clave de la
herencia.
¿Cuál es la estructura del ADN?
Esta estructura fue dilucidada por Watson y Crick, tomando como base dos hechos:
a) Las imágenes de difracción de rayos X tomadas por Rosalind Franklin y Maurice
Wilkins.
Estas imágenes sugerían que la molécula de ADN
estaba formada por una hélice, y daban algunas
dimensiones de la misma.
b) Las leyes de Chargaff
Edwin Chargaff demostró que la concentración de cuatro de los componentes del
ADN (las bases nitrogenadas que forman parte de los nucleótidos) siempre seguía
ciertas normas:
El número de moléculas de adenina (A) era igual al de moleculas de timina
(T)
El número de moléculas de guanina (G) era igual al de moléculas de
citosina (C).
Esto sugería que debía existir un apareamiento, una interacción
específica,una complementariedad entre ambos pares (A siempre unida a
T y G siempre unida a C).
Fue siguiendo estas pistas como Watson y Crick dilucidaron la estructura
tridimensional del ADN: una doble hélice unida mediante bases complementarias.
Además, el apareamiento selectivo de las bases A-T y G-C sugería un posible
mecanismo para la replicación del material genético. Aprovechando que las
cadenas son complementarias, cada una sirve como molde para fabricar una copia
de la otra.
5. Replicación del ADN
Durante la replicación del
ADN, la doble hélice
inicial se separa en dos
cadenas, cada una de las
cuales sirve como molde
para construir su cadena
complementaria, siempre
emparejando A con T y C
con G.
Al final se obtienen dos
dobles hélices idénticas a
la inicial
A veces ocurren errores en el proceso de
replicación y no se obtienen copias
exactas. Estos cambios en el ADN se
llaman mutaciones.
Las mutaciones pueden aportar una
nueva característica (favorable o
desfavorable) o ser neutras (no tener
ningún efecto). Estas mutaciones están
en la base de la evolución, pues las
nuevas características prosperarán o no
en función de que representen una
ventaja adaptativa para el individuo que
las porte (selección natural).
6. La transcripción del ADN
Consiste en hacer “copias” en ARN (ácido ribonucleico) de la información cifrada en el
ADN.
¿Por qué es esto necesario?
Porque la molécula de ADN jamás sale del núcleo.
Por lo tanto, para sacar del núcleo la información
genética es necesario un mensajero que lleve
hasta el citoplasma las órdenes para sintetizar las
proteínas. Éste será el ARN.
Diferencias entre el ADN y el ARN.
El azúcar que junto con el fosfato forma el armazón del ADN se llama
desoxirribosa; el del ARN ribosa.
El ARN no contiene timina (T) sino una base nitrogenada diferente: el uracilo
(U). En la transcripción no se sintetiza timina, sino uracilo, a partir de la
adenina.
El ADN es de cadena doble; el ARN de cadena sencilla.
El código genético
Un gen es un fragmento de cromosoma que lleva instrucciones para fabricar una
proteína. Las proteínas están formadas por una enorme cantidad de moléculas
menores llamadas aminoácidos.
El código genético indica la correspondencia entre las bases del ARN y los aminoácidos
de las proteínas. Cada triplete de bases de ARN codifica un aminoácido.
En realidad, como se aprecia en la imagen:
Los aminoácidos son codificados por más de un triplete.
Algunos tripletes no codifican aminoácidos sino que son señales de inicio o de
parada de la lectura de los tripletes (ver apartado siguiente).
Como el ADN de cada individuo es específico, las proteínas también lo serán. De ahí,
por ejemplo, el problema de los rechaces en los trasplantes de órganos, ya que el
sistema inmunológico reconoce como diferente el ordenamiento de los aminoácidos
en el órgano trasplantado.
7. La traducción del ADN: síntesis de proteínas
Las proteínas se sintetizan en los ribosomas, unos orgánulos que se encuentran en el
citoplasma. De ahí que sea imprescindible sacar la información del núcleo a través del
ARN mensajero.
A partir de la información que porta el ARN sintetizado en el núcleo a partir del ADN,
se van uniendo los aminoácidos en el orden preciso para sintetizar una proteína
concreta, siguiendo el mensaje cifrado en el código genético. Este proceso es el que se
conoce como traducción.
8. Dogma central de la biología molecular
La síntesis de las proteínas transcurre como sigue:
a) El ADN del núcleo transcribe el mensaje codificado al ARN mensajero (ARNm).
b) En las células eucariotas (con núcleo) el ARNm formado sobre el ADN sale del
núcleo a través de los poros de la membrana nuclear y llega al citoplasma, donde
se adhiere a un ribosoma. Allí será leído y traducido el mensaje codificado que trae
desde el ADN del núcleo.
c) Otro tipo de ARN (el ARN de transferencia, ARNt), selecciona un aminoácido
específico para cada triplete de nucleótidos del ARNm. Allí se van uniendo otros
aminoácidos de acuerdo con la información codificada, y se forma una cadena de
aminoácidos (lo que se conoce como un polipéptido).
9. El genoma humano
El genoma de un organismo es el conjunto de toda su información genética. Para
conocerlo hay que saber el orden de todas las bases de todo su ADN.
Ese fue el siguiente paso en la investigación sobre el ADN.
El genoma humano ya ha sido descifrado, aunque ignoramos para qué sirve la mayor
parte de la información.
Una pequeña parte son los genes, que codifican para sintetizar proteínas.
Gran parte no codifica para ninguna proteína, y recibió el desafortunado
nombre de ADN basura.
Dentro de los genes también hay muchas de bases que no se traducen en proteínas.
Un exón es una parte del gen que sí codifica para sintetizar proteínas.
Un intrón es una parte del gen que no se usa para sintetizar proteínas, y que se corta y
se elimina antes de la traducción. No parece lógico que estos intrones, este ADN
basura no tenga ninguna función, pues de ser así la selección natural debería haberlo
eliminado. Así pues, se supone que tienen alguna función específica aún desconocida.
10. Genética del desarrollo
Es la ciencia que ha hecho posible descifrar las reglas que rigen el desarrollo de los
organismos (la transformación del óvulo fecundado en un organismo adulto).
Se llama homeobox a una
secuencia de ADN incluida
en genes que regulan el
desarrollo de un ser vivo.
Parece ser que en los
cromosomas
los
genes
aparecen ordenados de la
misma forma que las
regiones del embrión cuyo
crecimiento controlan.
Estos homeobox podrían
encargarse de sintetizar
ciertas proteínas que, más
concentradas
en
cierta
región darían la orden para
que se desarrolle uno u otro
órgano en dicha región.
De este modo, la primera
célula se multiplica, en
divisiones celulares en las
que se replica todo el ADN
(el genoma). Las células
resultantes se especializan
y dan lugar a diferentes
tejidos: es la diferenciación
(en cada grupo de células
se expresan unos genes y
otros no).
11. Epigenética
Es la rama de la genética que estudia las características de un individuo que no están
determinadas por la secuencia de bases del ADN. Por ejemplo:
Hay moléculas que se unen a la cadena de ADN e impiden que se exprese.
Si la cromatina en una región del ADN está muy enrollada, los genes de esa
zona no se expresarán.
También hay moléculas del citoplasma celular que pueden influir en la síntesis
de proteínas en los ribosomas.
12. Biotecnología
En 1972 la biología molecular había alcanzado un desarrollo espectacular: se conocía la
maquinaria básica de la vida y se empezaba a entender cómo se regulaban los genes.
El siguiente paso era intervenir, manipular los seres vivos a voluntad. Esto se hizo a
través de la tecnología del ADN recombinante, también denominada ingeniería
genética o clonación molecular, que permitió al ser humano diseñar por vez primera
moléculas de ADN que no existían en la naturaleza.
a) Herramientas de la biotecnología
Enzimas de restricción para cortar. Son capaces de cortar el ADN en
secuencias específicas, como si fueran “tijeras moleculares”.
La ADN ligasa para unir fragmentos de ADN previamente cortados.
Los plásmidos. Se trata de pequeñas moléculas circulares de ADN, capaces
de autorreplicarse, que “viven” en el interior de las bacterias. Los
plásmidos se usan como vehículos o vectores en ingeniería genética.
Transformación. Es un método para introducir plásmidos en bacterias.
Con estas herramientas se logró el
primer éxito en ingeniería genética, o
clonación de un gen, al introducir
información genética humana en el
interior de una bacteria para que ésta
fabricara proteínas humanas.
b) Fabricación de proteínas
El primer producto que se produjo y se comercializó fue la insulina humana. La
producción de insulina humana en el interior de las bacterias permitió prescindir
de las insulinas de cerdo o vaca que se venían inyectando los diabéticos y que, al
no ser idénticas a la humana, podían producir algunos problemas relacionados con
reacciones inmunológicas adversas.
A partir de entonces se han comercializado otras proteínas recombinantes:
El interferón humano para el tratamiento de la esclerosis múltiple.
La hormona del crecimiento para tratar el enanismo hipofisario.
La ADN polimerasa para el tratamiento de la fibrosis quística.
Vacunas, como la de la hepatitis B.
La somatotropina bovina y la hormona del crecimiento bovino para
estimular la producción de leche en vacas.
c) La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
ES una técnica que permite amplificar rápidamente muestras de ADN. Es decir,
obtener una cantidad apreciable de ADN a partir de una muestra muy pequeña
(por ejemplo, una sola secuencia).
Sus usos se pueden resumir en:
Investigación: clonación de secuencias de ADN de plásmidos para ser
usados como vectores.
Medicina: identificación con alta probabilidad de virus o bacterias
causantes de enfermedades, identificación de cadáveres, pruebas de
paternidad, diagnóstico prenatal para detectar mutaciones hereditarias.
Paleontología: amplificación de ADN que pudiera conservarse en fósiles u
otros restos.
d) Los transgénicos
Se denominan transgénicos (OMG, organismos modificados genéticamente)
aquellos que portan un gen extraño (transgén). Entre otros usos:
Bacterias degradadoras de manchas de
petróleo.
Bacterias productoras de plásticos
biodegradables.
Plantas resistentes a las plagas.
El mayor problema de los transgénicos
es que no se conocen todavía sus
efectos sobre la salud.
Además, los insectos evolucionan muy
rápidamente, y ya se conocen cultivos
transgénicos que son atacados por
algunos insectos.
e) Células madre y clonación
Las células madre son células no diferenciadas susceptibles de convertirse en
células de otros tipos de tejido: células cardíacas, hepáticas, epiteliales, etcétera.
Su importancia radica en la posibilidad de fabricar tejidos y, en el futuro, órganos
con la misma información genética del individuo, evitando así los problemas de
rechazo.
Existen distintos tipos de células madre:
Células madre embrionarias: procedentes de embriones excedentes de
fertilización in vitro. Su uso presenta problemas éticos.
Células madre procedentes del cordón umbilical o de adultos. Su uso
tampoco presenta problemas éticos.
Células madre inducidas. Descubiertas en 2007, se obtienen a partir de
células adultas de la piel. El objetivo es convertir esas nuevas células en
células diferenciadas (neuronas, células pancreáticas, etcétera) que no den
lugar al crecimiento de tumores.
También pueden clasificarse en función de su capacidad para regenerar nuevos tipos
de células:
Célula madre totipotente. Puede crecer y formar un organismo
completo, es decir, puede formar todos los tipos celulares. La célula
madre totipotente por excelencia es el cigoto (el óvulo fecundado por
el espermatozoide).
Célula madre pluripotente. No puede formar un organismo completo,
pero sí cualquier otro tipo de célula. Es el caso de las células madre
embrionarias.
Célula madre multipotente. Sólo pueden generar células de su propia
capa o linaje embrionario de origen.
Célula madre unipotente. Sólo puede formar un tipo de particular de
célula.
Relacionada con las células madre está la técnica de la clonación.
Las células adultas pueden convertirse de nuevo en células madre progenitoras de
un nuevo organismo. De esta forma, en teoría, podemos hacer copias de cualquier
ser vivo. Estas copias se llaman clones.
El genoma de los clones es idéntico al de su progenitor, mientras que el de los
individuos que provienen de reproducción sexual es mezcla de los genomas de los
dos progenitores. La evolución “inventó” la reproducción sexual precisamente
para generar diversidad genética.
En la actualidad, la clonación de animales es una técnica compleja que produce
individuos que suelen vivir menos y son más propensos a ciertas enfermedades.
f)
Terapia genética
Su objetivo último sería lograr curas definitivas de todas las enfermedades
hereditarias.
Consiste en la inclusión de genes en el cuerpo del paciente, con el fin de solucionar
alguna deficiencia de su genoma. Un gen normal se inserta en las células de un
organismo defectuoso del paciente para sustituir a un gen que no funciona
correctamente.
Puede aplicarse de dos maneras: ex vivo e in vivo.
Esta estrategia presenta distintos retos
De tipo técnico: hay que llevar un gen a un tipo concreto de célula y conseguir
que se exprese correctamente.
De seguridad: los virus que se emplean pueden causar respuestas de tipo
inmunológico mortales o inducir cáncer por el modo de integración en el ADN
celular.
g) Identificación genética
En el campo de la medicina forense, la ingeniería genética ha permitido el
desarrollo de métodos para la exclusión y la identificación de delincuentes: son las
“huellas genéticas”. La técnica se basa en la comparación de regiones de nuestro
genoma que son con frecuencia altamente repetitivas, y cuya secuencia es muy
improbable que coincida en dos individuos, salvo que sean gemelos idénticos.
Esta identificación también se emplea en pruebas de paternidad o en
identificación de víctimas de accidentes o catástrofes naturales. Además, ha
permitido determinar la compatibilidad en la donación de órganos y el
seguimiento de las migraciones de los humanos durante la prehistoria.