GENETICA

1ª PARTE: LA TRANSMISIÓN DE LOS CARACTERES HEREDITARIOS

Existe una característica notable entre los seres vivos, que es el parecido externo e interno. Esta característica común, que se manifiesta entre muchos de ellos, es tanto mayor cuanto más próximo es su parentesco. En este sentido, los individuos de una misma especie se parecen entre sí y las crías se asemejan a sus padres. La razón está en que, tanto unos como otros, comparten una serie de caracteres morfológicos, fisiológicos, de comportamiento, etc., a los que llamamos caracteres hereditarios que se transmiten de padres a hijos.

La forma en que estos caracteres hereditarios se transmiten de padres a hijos constituye uno de los aspectos más relevantes de los seres vivos. En realidad, no son los caracteres, propiamente dichos, lo que los hijos reciben de los padres a través de la reproducción, sino la información necesaria para desarrollar esos caracteres, es decir, lo que hoy llamamos información genética. La herencia de los caracteres, o de la información para desarrollarlos, se da de acuerdo a unas leyes universales y comunes para todos los seres vivos, que constituyen una de sus principales características. Estas leyes fueron formuladas, en esencia, por Gregor Mendel en el siglo XIX.

Su descubrimiento dio paso a una nueva ciencia biológica, la genética, encargada del estudio de todo lo que tiene que ver con la información genética, su almacenamiento, transmisión y expresión para desarrollar los caracteres.

Más tarde se descubrió que la información genética se encontraba en una biomolécula especial, el  ácido desoxirribonucleico, llamado también ADN o DNA.

Esta molécula es, también, universal para todos los seres vivos y posee una composición y estructura de gran complejidad. Dentro del DNA la información se halla formando unas unidades denominadas genes. Hoy día se ha conseguido aislar, secuenciar, duplicar y manipular estas unidades, lo que constituye la base de la ingeniería genética.

1. Conceptos básicos de Genética

• Carácter: Consiste en cada uno de los rasgos distintivos de aspecto (color y tamaño del pelo, forma y color de los ojos, talla, peso, etc.), de comportamiento (agresividad, inteligencia, pautas sexuales, etc.), de fisiología (presencia de ciertas enzimas y hormonas, etc.), que son los mismos para todos los individuos de una especie. Cada carácter se desarrolla según la información específica para él. Esta información se encuentra en el ADN nuclear.

• Gen: Es cada fragmento de ADN con información completa para un carácter determinado. En una cadena de ADN suele haber información para más de un carácter; por lo que un cromosoma es un conjunto de genes.

• Alelo: Se define como cada forma diferente que puede tener un gen. De la misma manera que un carácter presenta varias manifestaciones, un gen puede tener también varias formas.

• Locus: Es el lugar físico que un gen ocupa en un cromosoma.

• Fenotipo: Es cada uno de los aspectos o manifestaciones concretas de un carácter. Dicho de otra manera, es aquello que podemos ver o detectar con nuestros sentidos en un individuo determinado. Se debe a la información concreta (alelos) que posee un ser vivo. Información que viene modificada por la acción de otros alelos y, sobre todo, por la acción del ambiente en que vive ese individuo.

• Genotipo: En las especies diploides cada cadena de ADN se encuentra por duplicado, uno viene del padre y otro de la madre. Cada carácter está determinado por la acción de dos alelos, que pueden ser iguales o diferentes. Al conjunto de alelos que presenta un individuo para uno o varios caracteres se le llama genotipo. Atendiendo al genotipo, para un carácter dado un individuo puede ser:
• Homocigoto o raza pura en terminología mendeliana: Es un individuo cuyos dos alelos de un par son iguales.
• Heterocigoto o híbrido: Son individuo cuyos dos alelos de un par son diferentes.

• Herencia dominante: Es aquella en la que uno de los alelos tiene más fuerza para manifestarse que el otro. Al más fuerte se le denomina alelo dominante y al más débil, alelo recesivo. Cuando están juntos el dominante y el recesivo, el dominante se manifiesta mientras que el recesivo queda oculto.

• Herencia intermedia: Es aquella en la que los alelos de un gen tienen la misma fuerza para manifestarse, por lo que ninguno domina sobre el otro. Reciben el nombre de alelos codominantes. En este caso aparece un nuevo fenotipo que es intermedio entre los otros.

• Herencia poligénica: Es la transmisión de información debida a la acción conjunta de más de un gen. El resultado fenotípico final se debe a la suma de la acción parcial de cada gen. También se llama herencia cuantitativa. La presentan la mayoría de caracteres cuantitativos tales como peso, talla, color de la piel, etc.

• Herencia polialélica: Se debe a la acción de un gen que presenta más de dos alelos. Sucede así con los grupos sanguíneos humanos que están determinados por un gen con tres alelos.

• Herencia ligada al sexo: Es debida a los genes que se encuentran en los cromosomas sexuales, X o Y, y al manifestarse el fenotipo depende del sexo del individuo. En la especie humana son típicos de esta herencia el daltonismo y la hemofilia.

2. Las Leyes de Mendel

2.1.- Los principios de Mendel                

Gregor Johann Mendel (1822-1884), fue un monje que llevó a cabo unos experimentos que constituyen el fundamento de la actual teoría de la herencia. En su monasterio de Brno (República Checa), cultivó y estudió entre 1856 y 1863, al menos 28.000 plantas, analizando con detalle diversos caracteres, tanto de las semillas, como de las plantas. Sus exhaustivos experimentos dieron como resultado el enunciado de unos principios que, más tarde, serían conocidos como Leyes de la Herencia.

Mendel realizó una serie de experimentos sencillos consistentes en cruzar entre sí diferentes variedades de plantas y estudiar la descendencia que obtenía. Entre sus experimentos, los más conocidos son los realizados con plantas de guisante, de los que existe una variedad de semilla verde y otra de semilla amarilla. Para empezar Mendel obtuvo lo que él llamó "razas puras" amarillas y verdes, que eran aquellas que, al cruzarlas entre sí, sólo daban plantas iguales que los padres.

El segundo paso consistía en cruzar una raza pura de semillas verdes con otra de semillas amarillas, obteniendo en la 1ª generación filial (F1) el 100% de plantas de semillas verdes. De aquí dedujo una generalización: la "ley de la uniformidad de la primera generación filial":

1ª Ley de Mendel        Al cruzar entre sí dos razas puras se obtiene una generación filial que es idéntica entre sí e idéntica a uno de los padres.

A continuación cogió plantas de esta F1 y las cruzó entre sí, es decir cruzó híbridos, lo que nosotros hoy llamamos heterocigotos, volviendo a obtener de nuevo los fenotipos de la generación parental, aunque en diferentes proporciones. Mendel dedujo una segunda generalización: la "Ley de la independencia de los factores herediarios":

2ª Ley de Mendel Al cruzar entre sí dos híbridos o heterocigotos, los factores hereditarios (alelos) de cada individuo se separan, ya que son independientes, y se combinan entre sí de todas las formas posibles.

Mendel pensaba que, al cruzarse los padres, había algo que pasaba a los descendientes para que tuvieran las semillas de cierto color y a eso lo llamaba "factores hereditarios". Suponía además que los factores hereditarios debían ser dos, ya que uno venía de la planta padre y otro de la planta madre. Hoy en día, nosotros llamamos alelos a los factores hereditarios.

El siguiente paso de Mendel consistió en ver lo que sucedía cuando estudiaba al mismo tiempo más de un carácter distinto, como por ejemplo el color de la semilla (verde y amarillo) y la forma de su piel (lisa y rugosa). Repitiendo entonces los mismos cruces obtenía los siguientes resultados en la F2:

Amarillo, liso	Verde, liso	Amarillo, rugoso	Verde, rugoso
9/16	3/16	3/16	1/16

Aquí sucedían dos cosas nuevas que no se daban cuando se estudiaba un sólo carácter. Por un lado, la aparición de plantas nuevas que antes no existían, como las de semilla verde-rugosa y amarilla-lisa, y por otro lado las proporciones tan peculiares que obtenía. Mendel dedujo que la única explicación para ello era que, al igual que los factores hereditarios o alelos son independientes, los fenotipos de los caracteres (la manifestación de los alelos) también lo son. Por esta razón se podían combinar de todas las formas posibles, apareciendo combinaciones que antes no existían, lo cual tiene gran importancia desde el punto de vista de la evolución.

Expuso la conclusión en su "Ley de la independencia (segregación) de los caracteres hereditarios":

3ª Ley de Mendel       Al cruzar entre sí dos dihíbridos los caracteres hereditarios se separan, puesto que son  independientes, y se combinan entre sí de todas las formas posibles.

2.1-. Explicación de la genética mendeliana

Mendel no sabía cómo funcionaba la reproducción sexual, ni lo que era un gameto, ni cómo funcionaba la meiosis; desde nuestros conocimientos actuales podemos entender un poco mejor cuáles son los mecanismos que explican las leyes mendelianas, y por tanto su herencia.

1ª LEY DE MENDEL

Lo que él llamaba factores hereditarios nosotros lo llamamos alelos de un gen, y por lo tanto están situados en los cromosomas homólogos; a las razas puras nosotros las llamamos homocigotos, y a los híbridos, heterocigotos. Cuando cruzamos un homocigoto dominante con otro recesivo se obtiene siempre un heterozigoto de fenotipo dominante, exactamente lo que nos dice la 1ª Ley de Mendel, y al cruzarlos lo que realmente sucede es que se unen gametos (fecundación), de la siguiente forma:

GENERACIÓN PARENTAL (P)	verde		amarillo
		x
	AA		aa
Gametos
	A		a
1ª GENERACIÓN FILIAL (F1)
Genotipos		100% verde
		Aa

2ª LEY DE MENDEL

Cada alelo está en un cromosoma distinto del par, por lo que tras la meiosis irán en gametos separados, lo cual explica la segunda ley de Mendel.

Como el otro individuo que cruzamos es igual, produce los mismos tipos de gametos, lo cual quiere decir que tras la fecundación podemos obtener los siguientes genotipos:

GAMETOS	A	a
A	AA	Aa	Genotipos de F2
a	Aa	aa

Las proporciones serán por tanto:

F2	1/4 AA (verdes)	2/4 Aa (verdes)	1/4 aa (amarillos)
PROPORCIONES DE FENOTIPOS			3/4 verdes 1/4 amarillos

3ª LEY DE MENDEL

Cuando estudiamos dos caracteres en vez de uno la cosa se complica, ya que en vez de un par de cromosomas, van a intervenir dos pares de cromosomas, un par con los alelos del color de la semilla, y otro par con los alelos de la forma.

Cada individuo de la F1 podrá formar 4 tipos diferentes de gametos, que se cruzarán entre sí de esta manera:

GAMETOS	AB	Ab	aB	ab
AB	AABB	AABb	AaBB	AaBb	F2
Ab	AABb	AAbb	AaBb	Aabb
aB	AaBB	AaBb	aaBB	aaBb
ab	AaBb	Aabb	aaBb	aabb

Existen 16 posibles zigotos diferentes, aunque sólo dan lugar a 9 genotipos diferentes, y estos 9 genotipos sólo dan lugar a 4 fenotipos diferentes:

Individuos (16)	GENOTIPO (9)	FENOTIPO (4)	Proporción	TOTAL
AABB	AABB	verde-liso	1/16	9/16
AABb1	AABb	verde-liso	2/16
AABb2
AaBB1	AaBB	verde-liso	2/16
AaBB2
AaBb1	AaBb	verde-liso	4/16
AaBb2
AaBb3
AaBb4
AAbb	AAbb	verde-rugoso	1/16	3/16
Aabb1	Aabb	verde-rugoso	2/16
Aabb2
aaBB	aaBB	amarillo-liso	1/16	3/16
aaBb1	aaBb	amarillo-liso	2/16
aaBb2
aabb	aabb	amarillo-liso	1/16	1/16

Es decir, como los alelos van en cromosomas diferentes, se separan en la meiosis y se combinan de todas las formas posibles, por lo cual aparecen fenotipos nuevos, que antes no existían.

3. Teoría cromosómica de la herencia y genes ligados

No todos los caracteres cumplen las tres leyes de Mendel en su transmisión.

El principio de Mendel, según el cual los genes que controlan diferentes caracteres son heredados de forma independiente uno de otro, es cierto sólo cuando los genes existen en cromosomas diferentes. Cuando estudiamos pares de genes localizados en los mismos pares cromosómicos, estos genes no cumplen las Leyes de Mendel. Sus caracteres no son mendelianos.

T. H. Morgan y sus colaboradores demostraron en una serie amplia de experimentos con moscas de la fruta (que se reproducen con gran velocidad), que los genes se disponen de forma lineal en los cromosomas y que cuando éstos se encuentran en el mismo cromosoma, se heredan juntos (en el “mismo paquete”) . Los genes que se heredan de esta forma se dice que están ligados.

Morgan y su grupo observaron también que este ligamiento rara vez es completo. Las combinaciones de alelos de cada par de cromosomas pueden reorganizarse en alguno de sus descendientes. Durante la meiosis, una pareja de cromosomas homólogos puede intercambiar fragmentos equivalentes (mismos locus) a través de un proceso denominado sobrecruzamiento. Durante este proceso los cromosomas homólogos se intercambian fragmentos de DNA produciéndose una recombinación genética.

El sobrecruzamiento se produce al azar a lo largo de las cromátidas, de modo que la frecuencia de recombinación entre dos genes depende de la distancia que los separe en el cromosoma. Si los genes están relativamente alejados, los gametos recombinados serán muy frecuentes para ese par de genes, pero si están más o menos próximos, los gametos recombinados serán más raros porque entre ellos habrá menos recombinaciones.

En los nuevos individuos producidos por gametos recombinados, la recombinación podrá originar nuevas combinaciones de fenotipos que antes no existían. Cuanto mayor sea el número de sobrecruzamientos, más elevado será el porcentaje de descendientes que muestran las combinaciones nuevas. Gracias a esto se pueden trazar o dibujar mediante experimentos de reproducción apropiados, las posiciones relativas de los genes a lo largo del cromosoma, estableciendo mapas de locus.

2ª PARTE: EL DNA, PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

1. Concepto de gen.

Un gen es el fragmento más pequeño de una molécula de DNA que posee información completa para un carácter determinado

A veces el gen está formado por una secuencia de bases, pero en eucariotas es frecuente que un gen esté constituido por varios fragmentos de DNA separados por secuencias sin sentido que no codifican ninguna proteína. A las partes con sentido que sirven para fabricar la proteína se les llama exones, y a las partes sin sentido intercaladas en el gen intrones, que deben ser eliminados tras la transcripción.

Los genes se encuentran en los cromosomas. Los cromosomas pueden ser definidos como un conjunto de genes unidos o ligados, que son aquellos que se heredan juntos (si no se da recombinación genética).

En esencia, un gen es una secuencia de nucleótidos que codifica para una proteína determinada, según la hipótesis un gen = un enzima.

Lo que heredamos de nuestros padres son, en realidad, sus genes.

Para que los genes se puedan transmitir de padres a hijos, deben poder copiarse antes de la reproducción, de manera que los padres mantienen su información a la vez que se la pasan a sus hijos a través de los gametos, durante la reproducción sexual.

Los procesos de formación de gametos (gametogénesis) y de unión de gametos de individuos diferentes en la reproducción (fecundación) se convierten así en procesos fundamentales para el mantenimiento de la especie. Estos procesos aumentan la variabilidad de las poblaciones, mediante la recombinación genética y el propio proceso aleatorio de fecundación, variabilidad que, junto con las mutaciones, constituirá la base de la evolución.

Cuando los genes se expresan, se desarrollan los caracteres, es decir, el fenotipo de un individuo.

La transmisión y expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el "Dogma central de la Genética Molecular", que son: La replicación, la transcripción y la traducción.

2. La replicación del DNA

El primer proceso necesario para la transmisión de la información genética es su duplicación, es decir, la realización de una copia que pueda ser transportada por los gametos hasta la fecundación y luego pueda ser utilizada por el nuevo individuo.

La replicación es el proceso por el cual el DNA se copia.

Con el modelo de la doble hélice de Watson y Crick se desarrolló la idea de que las hebras originales debían servir de patrón para hacer la copia, aunque en principio había tres posibles modelos de replicación:

• Modelo conservativo: Tras la replicación se mantenía la molécula original de DNA intacta, obteniéndose una molécula idéntica de DNA completamente nueva.
• Modelo semiconservativo: Se obtienen dos moléculas de DNA hijas, formadas ambas por una hebra original y una hebra nueva.
• Modelo dispersivo: El resultado final son dos moléculas nuevas formadas por hebras en las que se mezclan fragmentos originales con fragmentos nuevos.

Finalmente se comprobó que el modelo válido era el semiconservativo.

2.1.- Elementos que intervienen en la replicación del DNA

Para que se lleve a cabo la replicación del DNA en las células se requieren los siguientes elementos:

• DNA original que servirá de molde para ser copiado.
• Topoisomerasas, helicasas: enzimas responsables de separar las hebras de la doble hélice.
• DNA-polimerasa III: responsable de la síntesis del DNA.
• RNA-polimerasa: fabrica los cebadores, pequeños fragmentos de RNA que sirven para iniciar la síntesis de DNA.
• DNA-ligasa: une fragmentos de DNA.
• Desoxirribonucleótidos trifosfato, que se utilizan como fuente de nucleótidos y además aportan energía.
• Ribonucleótidos trifosfato para la fabricación de los cebadores.

2.2.- Mecanismo de replicación del DNA

Aunque existen pequeñas variaciones entre procariotas y eucariotas, el mecanismo básico es bastante similar:

A) El DNA se desenrolla y se separan las dos hebras de la doble hélice, deshaciéndose los puentes de hidrógeno entre bases complementarias, por la acción de helicasas y topopisomerasas. Estas zonas donde el DNA se desenrolla reciben el nombre de horquillas o burbujas de replicación, que es donde comenzará la síntesis.

B) La RNA-polimerasa fabrica pequeños fragmentos de RNA complementarios del DNA original. Son los llamados cebadores, de unos 10 nucleótidos, a los cuáles se añadirán desoxirribonucleótidos, ya que la DNA-polimerasa no puede empezar una síntesis por sí misma.

C) La DNA-polimerasa III añade los desoxirribonucleótidos al extremo 3' (sentido 5'-3'), tomando como molde la cadena de DNA preexistente, alargándose la hebra.

En las horquillas de replicación siempre hay una hebra que se sintetiza de forma continua en el mismo sentido en que se abre la horquilla de replicación, la llamada hebra conductora, y la otra que se sintetiza en varios fragmentos, los denominados fragmentos de okazaki y que se conoce como hebra retardada, ya que se sintetiza en sentido contrario al de apertura de la horquilla.

D) La DNA-ligasa va uniendo todos los fragmentos de DNA a la vez que elimina los ribonucleótidos de los cebadores.

E) A medida que se van sintetizando las hebras y uniendo los fragmentos se origina la doble hélice, de forma que al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de DNA, con una hebra antigua y otra nueva.

3. La transcripción del DNA

La transcripción es el proceso de copia de un gen o fragmento de DNA utilizando ribonucléotidos y originándose RNA.

El proceso es similar al de la replicación, con la diferencia de las enzimas y los precursores necesarios.

3.1.- Elementos que intervienen en la transcripción del DNA

Para que se lleve a cabo la transcripción del DNA en las células se requieren los siguientes elementos:
 

• DNA original que servirá de molde para ser copiado.
• RNA-polimerasa: sintetiza el RNA a partir del molde del DNA.
• Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia.
• Poli-A polimerasa, ribonucleoproteína pequeña nuclear, RNA-ligasa.

3.2.- Mecanismo de transcripción del DNA

El proceso se divide en tres etapas:

A) Iniciación: La RNA-polimerasa se une a una zona del DNA previa al gen que se quiere transcribir, en una secuencia de bases específica llamada promotor, y se separan las hebras de DNA, iniciándose el proceso de copia del DNA a transcribir; esta copia no requiere ningún cebador. Los ribonucleótidos se añaden en sentido  5'-3'.  En el caso de la  transcripción de un  gen que  codifica para una  proteína, la RNA-polimerasa se une a una zona de control denominada promotor, que regula la actividad de la RNA-polimerasa y, por tanto, regula la expresión del gen.

B) Elongación: La RNA-polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al DNA hasta que se llega a una determinada secuencia que indica a la polimerasa el final de la zona a transcribir.

C) Terminación: La transcripción finaliza, y al RNA recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el RNA no sea destruido por las nucleasas celulares.

D) Además, en eucariotas se da la maduración de los productos de la trancripción: la realiza la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn), eliminando los intrones del RNA y quedando los exones libres para ser unidos por una RNA-ligasa.

Tras estos procesos se habrá formado un RNA, mensajero, transferente, ribosómico o nucleolar, que se desplazará hasta el lugar donde llevan a cabo su función, que generalmente es en el citoplasma.

4.- La traducción

4.1- Expresión de la información: el código genético.

La información genética se encuentra en la secuencia de bases del DNA y se expresa en forma de proteínas que desarrollan los caracteres de los seres vivos. Desde que se desarrolló la hipótesis un gen = un enzima, se pensó que debía existir algún tipo de relación entre las bases del DNA y los aminoácidos, idea que se vio reforzada al descubrirse el RNA mensajero, que hacía de intermediario entre el DNA y las proteínas. Tras años de investigación de diversos equipos, se descubrió esa correspondencia a la que se llamó código genético.

El código genético es la relación que existe entre los tripletes de bases del RNA mensajero y los aminoácidos que forman la secuencia de una proteína.

Existen 64 combinaciones de las cuatro bases nitrogenadas tomadas de tres en tres (por tripletes), que codifican para 21 aminoácidos más tres tripletes "sin sentido" o de terminación. En principio, un RNA formado por 30 nucleótidos (secuencia de 30 bases nitrogenadas) tendrá información para construir una proteína de 9 aminoácidos:

9 aminoácidos x 3 bases = 27 bases + 3 de terminación = 30 bases

Al haber más combinaciones que aminoácidos, a algunos aminoácidos les corresponden varias combinaciones. En realidad sólo existen dos aminoácidos codificados por un único triplete; uno de ellos, la Metionina, es a la vez el aminoácido de iniciación de todas las proteínas en el ribosoma. Como varios tripletes pueden codificar un mismo aminoácido, se dice que es un código genético degenerado.

Una de las principales características del código genético es su carácter universal para todos los seres vivos. Podemos decir que es exactamente igual para cualquier organismo, desde las bacterias quimiosintéticas hasta la especie humana, incluyendo a los virus, lo cual se considera como una prueba más de que el origen de la vida sobre la Tierra es único.

Código genético

1ª BASE	2ª BASE				3ª BASE
	U	C	A	G
U	UUU Phe UUC Phe UUA Leu UUG Leu	UCU Ser UCC Ser UCA Ser UCG Ser	UAU Tyr UAC Tyr UAA - - - UAG - - -	UGU Cys UGC Cys UGA - - - UGG Trp	U C A G
C	CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Leu	CCU Pro CCC Pro CCA Pro CCG Pro	CAU His CAC His CAA Gln CAG Gln	CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg	U C A G
A	AUU  Ile  AUC  Ile  AUA  Ile  AUG Met	ACU Thr ACC Thr ACA Thr ACG Thr	AAU Asn AAC Asn AAA Lys AAG Lys	AGU Ser AGC Ser AGA Arg AGG Arg	U C A G
G	GUU Val GUC Val GUA Val GUG Val	GCU Ala GCC Ala GCA Ala GCG Ala	GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu	GGU Gly GGC Gly GGA Gly GGG Gly	U C A G

Ejemplo de traducción de bases a aminoácidos según el código genético

4.2.- Proceso de traducción

El paso fundamental para que los seres vivos puedan funcionar radica en que la información genética, que es una secuencia de bases nitrogenadas encerrada en los nucleótidos del DNA, se convierta en moléculas activas capaces de hacer funcionar el metabolismo; estas moléculas activas están constituidas por aminoácidos, y son las proteínas.

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la información aportada por el RNA mensajero que es, a su vez, una copia de un gen.

El proceso de fabricación de proteínas recibe el nombre de traducción porque se pasa de un lenguaje construido con bases nitrogenadas a otro construido con aminoácidos

Las proteínas de los seres vivos se fabrican en los ribosomas, orgánulos celulares que se encuentran en el citoplasma de los eucariotas, asociados al retículo endoplasmático. Los ribosomas son nucleoproteínas, están formados por una asociación de proteínas y RNA-ribosómico. Este RNA, como todos los RNA, se fabrica en el núcleo celular mediante la transcripción de una región determinada de ese DNA.

Ribosoma realizando el proceso de traducción

En el proceso de traducción intervienen de forma fundamental los tres tipos más frecuentes de RNA cada uno con una función complementaria para llevar a cabo de forma conjunta el proceso:

• RNA-mensajero (RNA-m): es el encargado de transportar la información genética desde el núcleo hasta los ribosomas con el fin de que pueda ser expresada en forma de proteínas.
• RNA-ribosómico (RNA-r): forma parte esencial de las dos subunidades que constituyen los ribosomas.
• RNA-transferente (RNA-t): juega un papel fundamental transportando a los aminoácidos hasta los ribosomas en el orden correcto en que deben unirse para formar una proteína determinada, según la información genética.

Los RNA-transferentes

4.2.1.- Elementos que intervienen en la traducción

• RNA-m, RNA-t.
• Ribosomas.
• Aminoacil RNA-t sintetasa, translocasas, peptidasas.
• GTP, factores de iniciación y terminación.
• Aminoácidos.

4.2.2.- Mecanismo de traducción

A) Activación de aminoácidos: Cada RNA-t busca a su aminoácido específico según el triplete de su anticodón y se une a él por la acción de una enzima específica llamada aminoacil RNA-t sintetasa, que une al aminoácido con su RNA-t en el brazo aceptor, gastándose una molécula de ATP. De este modo, un gran número de transferentes se encuentran unidos a su aminoácido antes de iniciarse la traducción.

B) Iniciación: El RNA-m llega hasta el ribosoma que está separado en sus dos subunidades y se une a la subunidad menor; a continuación se une la subunidad mayor. En los ribosomas existen dos lugares en los que pueden caber transferentes, el llamado lugar P (= peptidil) y el lugar A (= aminoacil). El RNA-m se une de tal forma que el primer codón se coloca en el lugar P. Este primer codon siempre es el mismo en todos los RNA-m: es el AUG leído desde el extremo 5', que codifica para la Metionina, con el que se inician todos los procesos de traducción.

A continuación llega hasta ese lugar P un RNA-t con el aminoácido Metionina, y al lugar A llega otro RNA-t con el siguiente aminoácido que corresponda, según las bases del segundo triplete. En ese momento una enzima une ambos aminoácidos mediante un enlace peptídico y todo el complejo se desplaza un lugar hacia el primer codón, de tal manera que ahora el dipéptido se coloca en el lugar  P (peptidil) y queda libre el lugar A (aminoacil).

C) Elongación: Al quedar libre el lugar aminoacil se acerca un nuevo RNA-t, según la secuencia de su anticodón, trayendo un  nuevo aminoácido, volviendo a  crearse un enlace  peptídico y repitiéndose el desplazamiento del complejo. Estos procesos se repiten siempre que el codón que aparece en el lugar A tenga sentido.

D) Terminación: En un momento determinado puede aparecer en el lugar A uno de los codones sin sentido o de terminación, con lo que no entrará ningún nuevo RNA-t y el péptido estará acabado, desprendiéndose del anterior RNA-t y liberándose al citoplasma al tiempo que los ribosomas quedan preparados para iniciar una nueva traducción.

La nueva cadena va adquiriendo su estructura secundaria y terciaria a la vez que se va formando, de tal manera que al finalizar ya tiene su conformación.

En ocasiones la proteína no es todavía funcional y debe ser procesada, añadiéndole algo, recortándole algo o, incluso, debe unirse a otros péptidos para adquirir estructura cuaternaria.

4.3.- La regulación de la expresión génica: el operón

Cada ser vivo posee un gran número de genes, tanto mayor cuanto más compleja es la especie. Esto no significa que todos los genes se transcriban a la vez, ni siquiera que todos los genes se transcriban alguna vez a lo largo de la existencia de los seres vivos. Muchos  genes sólo se transcriben  cuando la célula lo necesita, y muchos otros no se transcriben nunca una vez que se ha producido la diferenciación celular. Esto es lo que constituye la regulación de la expresión génica.

En la diferenciación celular, las células totipotentes se convierten en especializadas que forma parte de un tejido. Aunque no conocemos los mecanismos exactos de esa transformación, sabemos que cada estirpe celular posee una parte concreta de su genoma que está irreversiblemente bloqueada y que no se expresa nunca. Sólo existe reversibilidad de ese proceso cuando se desarrolla un cáncer, enfermedad que consiste precisamente en que una célula diferenciada vuelve a convertirse en totipotente, desbloqueando su genoma.

El proceso de bloqueo y activación de los genes en los organismos superiores aún no está claro. Sin embargo, para el proceso de regulación génica en bacterias, que es más sencillo, se ha propuesto el llamado modelo del operón.

Este modelo supone que en una región próxima al gen hay zonas que actúan de promotores de la traducción del gen, las cuales están a su vez reguladas por diversos inductores o represores que actúarán en función de las circunstancias ambientales.

Ejemplo del modelo del operón.

5.- Variabilidad de la información genética

La diversidad de formas de vida evidencia una gran variabilidad de la información genética de unos organismos a otros. Incluso las diferencias entre individuos de la misma especie se explican en base a estas diferencias en el genoma.

Esta variabilidad viene dada por dos factores fundamentalmente:

A) La reproducción sexual

En la meiosis, la información genética se combina de tal manera que da lugar a infinidad de gametos diferentes. Los gametos masculinos y femeninos se unen a su vez al azar, produciendo una variabilidad enorme. Fenotipos que no existían anteriormente pueden aparecer gracias a la reproducción sexual.

B) Las mutaciones

La información genética está protegida para no sufrir cambios que impidan su correcta expresión. Sin embargo, puede darse el caso de que se produzcan alteraciones en la secuencia de bases, con lo que la información genética cambiará. Estas alteraciones que suceden en la información genética de los seres vivos se denominan mutaciones.

Basta con que una de las bases de la secuencia de nucleótidos de un gen cambie para que codifique un aminoácido diferente. Si se da el caso de que se pierda alguna o algunas bases nitrogenadas, o se inserten alguna o algunas diferentes, la proteína que se sintetice puede ser completamente diferente. Si el cambio es mayor, siendo un trozo de cromosoma el que desaparece, se duplica o cambia de lugar, las consecuencias serán todavía más drásticas, pues pueden afectar a todo un conjunto de proteínas.

Las mutaciones tendrán como consecuencia que la proteína que se sintetice a partir del DNA mutado sea diferente, y lo más probable es que no sea funcional. Sin embargo, las mutaciones no siempre son perjudiciales: a veces no tienen consecuencias, y en ciertos casos pueden ser favorables para el individuo.

Ejemplos de mutaciones. Los cambios en la secuencia de nucleótidos puede conllevar un cambio en la secuencia de aminoácidos que conforma la proteína, y por tanto un cambio en las características de la propia proteína.

La aparición de cambios en la información puede ser inocua, puede ser letal o puede ser beneficiosa si aporta al individuo alguna característica que antes no poseía y que le hace estar mejor adaptado a su medio.

En este caso, este individuo será capaz de dejar más descendientes a la siguiente generación, es decir, se va a producir una selección de sus alelos para que pasen a la siguiente generación, es a lo que llamamos selección natural.

La selección natural actúa sobre los fenotipos de los individuos, permitiendo que los fenotipos mejor adaptados prosperen y dejen más descendientes (dejen más alelos a la siguiente generación), a la vez que los fenotipos peor adaptados tienden a desaparecer. Como consecuencia de ello, las especies van cambiando en un proceso que llamamos evolución.

3ª PARTE:  BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA

• La biotecnología consiste en la utilización de seres vivos sencillos (bacterias y levaduras), y células eucariotas en cultivo, cuyo metabolismo y capacidad de biosíntesis se utilizan para la fabricación de sustancias específicas aprovechables por el hombre.

La biotecnología permite, gracias a la aplicación integrada de los conocimientos y técnicas de la bioquímica, la microbiología, la ingeniería química, y, sobre todo, la ingeniería genética, aprovechar en el plano tecnológico las propiedades de los microorganismos y los cultivos celulares. Permiten producir a partir de recursos renovables y disponibles en abundancia gran número de sustancias y compuestos.

• La ingeniería genética es una parte de la biotecnología que se basa en la manipulación de genes para obtener esas sustancias específicas aprovechables por el hombre: se trata de aislar el gen que produce la sustancia, e introducirlo en otro ser vivo que sea más sencillo -y barato- de manipular; lo que se consigue es modificar las características hereditarias de un organismo de una forma dirigida por el hombre, alterando su material genético.

1.- Herramientas para la manipulación genética

1.1.- Enzimas de restricción.

Una de las herramientas principales para la manipulación del ADN son las llamadas enzimas de restricción, producidas por varias bacterias. Estas enzimas tienen la capacidad de reconocer una secuencia determinada de nucleótidos y extraerla del resto de la cadena. Esta secuencia, que se denomina fragmento de restricción, puede volver a colocarse con la ayuda de otra clase de enzimas, las ligasas. Análogamente, la enzima de restricción se convierte en una "tijera de ADN", y la ligasa en el "pegamento". Por lo tanto, es posible quitar un gen de la cadena principal y en su lugar colocar otro.

1.2- Vectores.

En el proceso de manipulación también son importantes los vectores: partes de ADN que se pueden autorreplicar con independencia del ADN de la célula huésped donde crecen. Estos vectores suelen ser normalmente plásmidos de bacterias o también virus, y permiten obtener múltiples copias de un trozo específico de ADN, lo que proporciona una gran cantidad de material fiable con el que trabajar.

Vector (en este caso un plásmido) con un gen insertado mediante enzimas de restricción

1.3.- ADN polimerasa.

Otro método para la producción de réplicas de ADN descubierto más recientemente es el de la utilización de la enzima polimerasa. Éste método, que consiste en una verdadera reacción en cadena, es más rápido, fácil de realizar y económico que la técnica de vectores.

2.- La clonación de genes

La clonación de genes es una técnica mediante la cual se selecciona un gen que interesa por alguna razón (generalmente porque produce alguna proteína de interés para el hombre: antibióticos, vacunas, proteínas terapéuticas, hormonas, etc.), se introduce en una célula sencilla, normalmente bacteriana o de algún protista sencillo, como las levaduras, y se hace que esa célula se divida muchas veces y que fabrique la proteína que nos interesa; luego se purifica la proteína y se puede distribuir para su uso. Las fases del proceso son las siguientes:

1. Obtener del fragmento de ADN que contiene el gen que se quiere clonar.
2. Insertar dicho gen en otra molécula de ADN que sirva de transportador (vector), generalmente ADN de virus y bacterias.
3. Introducir el vector de clonación con el gen que nos interesa en una célula de otro organismo (célula hospedadora); la célula hospedadora suele ser una célula bacteriana por su sencillez y rapidez de multiplicación.
4. Multiplicar la célula hospedadora para obtener muchas copias del gen

Ejemplo de clonación de un gen humano utilizando enzimas de restricción y plásmidos de bacterias como vectores.

3.- Los productos transgénicos

Son productos de origen animal o vegetal obtenidos a partir de individuos cuya información genética ha sido manipulada por el hombre a fin de modificar alguna de sus características. Esta manipulación se hace introduciendo determinados genes mediante ingeniería genética. Así, por ejemplo, existen variedades de cereales que soportan plagas y sequías, frutos que tardan más en madurar o en pudrirse, animales con órganos de características parecidas a los humanos, etc.

Para sus defensores representan el final de algunos problemas de la humanidad, como son la carencia de órganos para transplantes o la erradicación del hambre en el mundo. Para sus detractores suponen un riesgo para la salud humana no calculado, por el hecho de que acumulan insecticidas, pierden sus cualidades nutritivas, o pueden transmitir al hombre enfermedades de otros seres vivos.

4.- Aplicaciones de la ingeniería genética

4.1.- Obtención de proteínas de interés médico y económico

   

• Antibióticos.
• Enzimas.
• Hormonas: insulina, hormona del crecimiento, eritropoyetina...
• Vacunas
• Proteínas sanguíneas: seroalbúmina, factores de coagulación.
  

Esquema de la creación de una vacuna mediante técnicas de ingeniería genética

4.2.- Mejora genética de animales y vegetales para obtener una mayor producción y mejor calidad nutricional.

4.3.- Obtención de plantas clónicas para cultivos.

4.4.- Obtención de "bioinsecticidas", animales y plantas capaces de destruir a otros seres vivos que se alimentan de los cultivos.

4.5.- Obtención de animales y vegetales transgénicos

	Animales -  Obtención de órganos animales (de cerdos) con genes humanos para no ser rechazados en transplantes. -  Animales con carnes y huevos con menos colesterol y grasas -  Pollos sin plumas
	Vegetales -  Resistentes a insectos: maíz y algodón con un gen que produce una toxina para orugas y escarabajos -  Resistentes a herbicidas: soja, algodón, maíz, resisten a altas concentraciones de herbicidas que se echan en los campos para erradicar malas hierbas. -  Resistentes a condiciones ambientales: frío, sequía, alta salinidad, etc.

Algunos cultivos transgénicos
Alfalfa	Espárrago	Maíz	Soja
Algodón	Fresa	Manzana	Tabaco
Arroz	Girasol	Melón	Tomate
Berenjena	Guisante	Patata	Trigo
Centeno	Lechuga	Pepino	Uva
Ciruela	Lino	Pimiento	Zanahoria

4.6.- Biodegradación de residuos

Clonación de genes bacterianos productores de enzimas que degradan sustancias tóxicas o contaminantes, regeneran suelos y aguas contaminadas, etc.. Estas técnicas se utilizan en el tratamiento de aguas residuales, transformación de deshechos domésticos, degradación de residuos peligrosos y fabricación de compuestos biodegradables, etc.

4.7.- Secuenciación de ADN

Secuenciar ADN es analizar la composición de un fragmento de ADN para saber qué genes tiene y qué producen esos genes; esto es lo que se está haciendo en el Proyecto Genoma Humano (HUGO).

4.8.- Terapias génicas

Consisten en manipular genéticamente células enfermas para que ellas mismas puedan producir las proteínas cuya falta o mal funcionamiento provoca la enfermedad. Con la ayuda de un vector adecuado se introduce el gen correcto y se integra en el ADN de la célula enferma.

Una de las principales vías de investigación actuales es la de marcar genéticamente a las células tumorales de un cáncer para que el organismo las reconozca como extrañas y pueda luchar contra ellas. También se han utilizado técnicas de este tipo para el tratamiento de hemofilia, artritis reumática, hipercolesterolemia, diabetes, fibrosis quística, SIDA...

Ejemplo de técnica de terapia génica

5.- Riesgos de la Ingeniería Genética

Muchas de las aplicaciones de la ingeniería genética son motivo de polémica en nuestra sociedad. Hay opiniones que se muestran muy a favor de estas aplicaciones, por las ventajas que nos puedan traer, pero hay que tener en cuenta que también implican ciertos riesgos:

• Son productos de consumo humano poco experimentados sobre sus posibles consecuencias para nuestra salud.
• Se manipulan otros seres vivos, lo que plantea cuestiones de tipo ético.
• Monopolización de la información con la intervención de grandes multinacionales farmacéuticas y químicas que invierten enormes cantidades de dinero con la esperanza de obtener mayores beneficios haciendo patentes de sus descubrimientos.
• Explotación de recursos del tercer mundo sin que a cambio les lleguen las ventajas de esta tecnología del siglo XXI.
• Peligro de manipular virus y bacterias patógenos creando seres vivos incontrolados que pueden llegar a afectar a nuestra propia especie.