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Tema 4: “La revolución genética”

T e ma4 . La revolución genética 1. EL ADN, LA MOLÉCULA DE LA HERENCIA El dogma central de la biología molecular, enunciado por Francis Crick en 1970, dice: “el fujo de información genética va del ADN al ARN y del ARN a las proteínas”. Así pues, los ácidos nucleicos son las biomoléculas encargadas de almacenar y transmitir la información genética de la herencia, que contiene las instrucciones para fabricar un ser vivo y para controlar y dirigir todos sus procesos biológicos. Todo lo que un ser vivo es, o podría llegar a ser, está determinado por los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son dos: el ácido ribonucleico (o ARN) y el ácido desoxirribonucleico (o ADN). Fueron descubiertos por Friedrich Miescher en 1869 y reciben su nombre por ser moléculas de carácter ácido. Están formados por 3 tipos de sustancias: 1) Una molécula de ÁCIDO FOSFÓRICO (también llamado grupo fosfato) 2) Una PENTOSA (molécula de azúcar con 5 carbonos): •

Ribosa (presente en el ARN)

•

Desoxirribosa (presente en el ADN)

NUCLEÓTIDO NUCLEÓSIDO

3) Una BASE NITROGENADA, que pueden ser: •

Púricas: adenina (A) y guanina (G)

•

Pirimidínicas: citosina (C), timina (T) y uracilo (U).

La unión del grupo fosfato y la pentosa se denomina NUCLEÓSIDO, y la unión del nucleósido y la base se denomina NUCLEÓTIDO (el ARN tiene ribonucleótidos y el ADN tiene desoxirribonucleótidos). Ácido fosfórico + pentosa −−−> nucleósido

Nucleósido + base nitrogenada −−−> nucleótido

La estructura de los ácidos nucleicos es, por tanto, una larga sucesión de nucleótidos unidos por los grupos fosfato, en el que los azúcares y los grupos fosfato no varían, pero las bases nitrogenadas sí (ya que hay 4 tipos diferentes para el ADN y otros 4 para el ARN). El ADN, en concreto, es una larga cadena de desoxirribonucleótidos que en casi todos los organismos (excepto en algunos virus) es doble: está constituido por dos cadenas de nucleótidos antiparalelas, unidas por sus bases nitrogenadas mediante enlaces de puentes de hidrógeno. Esta unión no se hace al azar, sino siempre igual: 

En el ADN: se unen citosina con guanina (C



En el ARN se unen citosina con guanina (C

G) y adenina con timina (A = T). G) y adenina y uracilo (A = U).

≡

son 3 puentes de H

=

son 2 puentes de H

La sucesión de nucleótidos es la estructura primaria del ADN, pero su verdadera naturaleza no fue descubierta hasta el año 1953, cuando James Watson y Francis Crick desvelaron que se la molécula de ADN era, en realidad, una doble hélice (para su descubrimiento fue indispensable los estudios previos con difracción de rayos X de Maurice Wilkins y Rosalynd Franklin). La doble hélice constituye la estructura secundaria del ADN.

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Existen 4 niveles de organización del ADN: 1) Estructura primaria: la secuencia o sucesión lineal de nucleótidos. 2) Estructura secundaria: la doble hélice (cada cadena gira en hélice en torno a la otra). 3) Estructura terciaria: la cromatina (es como se encuentra el ADN en el núcleo celular en interfase), formada por la doble hélice muy compactada para reducir su volumen. Aquí el ADN se une a unas proteínas llamadas histonas. 4) Estructura cuaternaria: los cromosomas (sólo aparecen durante la división celular), formados por un super enrrollamiento de la cromatina, que se encuentra muchísimo más compactada. Tanto es así que si lográsemos desenrrollar la molécula de ADN de cada cromosoma obtendríamos una secuencia de nucleótidos (estructura primaria) de casi 2 metros de longitud (almacenados en un núcleo de 5 micras).

1.1. El código genético Un código es un sistema de símbolos que contienen un mensaje, pero para que un código sea útil debemos ser capaces de interpretarlo. Por tanto, el código genético debe de ser un sistema capaz de traducir una secuencia de nucleótidos a una secuencia de aminoácidos, que son las unidades que forman las proteínas. ➔ CÓDIGO GENÉTICO: relación que existe entre la secuencia de bases del ADN o del ARN m y la secuencia de aminoácidos que forman una proteína. Sólo existen 20 aminoácidos diferentes que formen proteínas, o lo que es lo mismo, cualquier proteína que imaginemos está compuesta por una combinación de esos 20 aminoácidos. Además sabemos que sólo existen 4 bases nitrogenadas diferentes (tanto para el ADN como para el ARN). Pues el código genético consiste en que una secuencia de 3 de esas 4 bases codiIca la información para fabricar un aminoácido. Esa combinación de 3 bases consecutivas se denomina triplete, y es la clave del código genético. Y ¿cuántas combinaciones podemos obtener con los tripletes? Pues muy sencillo: 43 = 64. Combinando las bases de 3 en 3 podemos obtener hasta 64 combinaciones posibles, 44 más de las que nos hacen falta para conseguir los 20 aminoácidos necesarios para formar todas las proteínas que un ser vivo necesita. Entonces ¿sobran 44 combinaciones? En realidad no, ya que hay veces en que tripletes distintos codiIcan para un mismo aminoácido (p. ej., AUU, AUC y AUA codiIcan para un mismo aminoácido: isoleucina) y además hay 3 tripletes (UAA, UAG y UGA) que no codiIcan para aminoácidos, sino que son la señal de detención del proceso de transcripción. Estos tripletes reciben distinto nombre según se encuentren en el ADN o en el ARN. La secuencia de 3 nucleótidos de ADN se denomina codógeno, y la secuencia de 3 nucleótidos de ARNm se denomina codón. El código genético presenta ciertas características: 1. Está organizado en tripletes de nucleótidos, donde cada triplete determina un aminoácido. 2. Es universal: los tripletes codiIcan los mismos aminoácidos en todas las especies (salvo excepciones).

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3. Es redundante: muchos aminoácidos están codiIcados por más de un codón. 4. Es continuo: la secuencia no presenta espacios vacíos entre codones (la lectura se hace “sin comas”). 5. Es no solapado: un nucleótido sólo puede formar parte de un único triplete.

1.1. La duplicación de la información genética Como ya vimos durante el tema 4, todas las células necesitan dividirse a lo largo de su vida, y antes de que se inicie el proceso de mitosis es necesario duplicar el material genético. Este proceso se denomina replicación y se realiza en el núcleo celular durante la fase S (entre las fases G1 y G2). ➔ REPLICACIÓN: proceso por el cual la información genética contenida en el ADN se duplica y se conserva. ¿Cómo se produce la replicación del ADN? Básicamente cada una de las dos cadenas que forman la doble hélice sirve de molde para fabricar la nueva. De esta forma se obtienen 2 dobles hélices que tienen una cadena original y otra de nbueva síntesis. Esto se denomina replicación semiconservativa, y se puede resumir así: 1) La doble hélice se abre y las cadenas simples (hebras) se separan. 2) Nucleótidos libres se van uniendo a sus bases complementarias en cada hebra (A a U, G a C...), formando una nueva doble cadena. 3) Al Inal se obtienen dos dobles cadenas nuevas, cada una con una hebra madre y una hebra hija, pero idénticas a la doble cadena original (ver Fig. 1).

Figura 1. Esquema del proceso de replicación.

2. LA EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA La expresión de la información genética no es otra cosa que la fabricación de una proteína a partir de la información genética que contiene un gen. Esquemáticamente sería convertir un codógeno del ADN en un codón del ARN y después en un aminoácido. El primer proceso se denomina transcripción, y el segundo se

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denomina traducción.

ADN ---> Transcripción ---> ARN ---> Traducción ---> Proteína Esquema del .ujo de información génica (dogma central de la biología molecular)

Importante: desde el descubrimiento de los retrovirus, sabemos que en realidad hay una variante en este esquema, y es que ese tipo de virus presentan enzimas especiales (retrotranscriptasas) que permiten generar ADN a partir de ARN. La síntesis de proteínas se produce en unos orgánulos celulares llamados ribosomas, que están formados por ARN y proteínas y que presentan dos subunidades: una grande y otra pequeña. Estos orgánulos están en el citoplasma, por lo que será necesario que el material genético salga fuera del núcleo en algún momento. Además de los ribosomas en el proceso de expresión genética interviene el ARN, que es un ácido nucleico, como el ADN. Suele ser de cadena sencilla, y es la molécula que saldrá del núcleo portando la información contenida en el ADN. Presenta algunas diferencias importantes respecto del ADN: ●

El azúcar que compone sus nucleótidos es la ribosa.

●

Tiene uracilo en vez de timina (por lo que se unirá a la adenina mediante 2 puentes de hidrógeno).

●

Hay tres tipos de ARN: ◦

ARN mensajero (ARNm): es el encargado de copiar el mensaje genético del ADN (transcripción).

◦

ARN transferente (ARNt): transporta los aminoácidos hasta los ribosomas, donde se une al ARNm.

◦

ARN ribosómico (ARNr): forma parte de los ribosomas y participa en la unión de los aminoácidos.

2.1. Transcripción Es el paso previo a la síntesis de las proteínas y se realiza en el núcleo celular. Consiste en copiar temporalmente la información contenida en el ADN en otra molécula llamada ARNm, que almacena la secuencia de aminoácidos de una proteína en forma de codones (que son complementarios de sus respectivos codógenos).

2.2. Traducción Es la última fase de la expresión génica, en la que el ARN mensajero se decodiIca para producir una proteína de acuerdo con las reglas especiIcadas por el código genético. A diferencia de la replicación y la transcripción, la traducción ocurre en el citoplasma. ➔ TRADUCCIÓN: Es el proceso que convierte una secuencia de ARN m en una cadena de aminoácidos para formar una proteína.

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El proceso de traducción se puede resumir así: 1. Antes de comenzar el proceso los aminoácidos libres del citoplasma se unen a ARNt especíIcos. 2. El ARNm atraviesa el núcleo por los poros nucleares, sale al citoplasma y se une al ribosoma. 3. Cada codón del ARNm se empareja en el ribosoma con su secuencia complementaria del ARNt, llamada anticodón, el cual está asociado con su aminoácido especíIco (p. ej., si el codón es AAC, el anticodón sería UUG y se uniría el aminoácido leucina). 4. Este proceso se repite y los aminoácidos se van uniendo formando la cadena de proteína. 5. El proceso termina cuando el ARNt lee uno de los codones de terminación (UAA, UAG o UGA) y, al no disponer de ningún anticodón, deja de unir aminoácidos y la proteína se libera al citoplasma.

Figura 2. Esquema del proceso de traducción. Cuando un ARNm es muy largo puede ser traducido no por uno sino por varios ribosomas a la vez, lo que forma los llamados polisomas o polirribosomas. Permiten a la célula formar proteínas más rápido.

3. LA HERENCIA BIOLÓGICA Cada ser vivo tiene unos rasgos, unas características que comparte con los de su especie, como son la forma y el aspecto externo, el modo de vida, el comportamiento, el tipo de alimentación, etc; cada ser vivo se parece a sus progenitores, pero siempre es diferente, hecho que ya observó el propio Darwin. Pero, ¿qué es en realidad

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lo que nos dan nuestros padres para parecernos a ellos?; ¿dónde reside la información que necesitamos para ser como somos?, ¿cómo le pasamos esa información a nuestros descendientes?. Estas cuestiones son las que intentan ser respondidas por la Genética, una ciencia que forma parte de la Biología que se encarga de estudiar la herencia de los caracteres, es decir, cómo se transmite la información genética de una generación a otra. Las leyes que rigen esa transmisión, llamadas leyes de la herencia, son universales para todos los seres vivos, lo cual es una prueba más del origen único de todos los seres vivos.

3.1. Conceptos fundamentales Todos los individuos de cualquier especie presentan características que les hacen diferentes a los demás. Cuando alguna de estas características puede transmitirse a su descendencia es un carácter hereditario. teína. Los genes son la unidad de transmisión genética. Es decir, son los encargados de transmitir las instrucciones de cómo es un ser vivo de unas células a otras y de padres a hijos. El conjunto de genes de un individuo se denomina genotipo, y el conjunto de caracteres observables de un individuo se denomina fenotipo, que es consecuencia de la interacción del genotipo y el ambiente en el que vive. No se debe confundir genotipo con genoma, que es el conjunto de material genético de una especie (unos 21.500 en la especie humana). Los genes están localizados en las cadenas de ADN que conforman los cromosomas, y cada cromosoma contiene un par de variantes de un gen especíIco, que se denominan alelos. ➔ ALELO: cada una de las variantes que puede tener un gen. Todos los seres vivos diploides (2n), que son la mayoría, presentan un par de alelos para cada carácter transmisible, uno heredado del padre y otro heredado de la madre, formados durante la fecundación, cuando los dos gametos sexuales (óvulos y espermatozoides), que son haploides (n), juntan su material genético. Estos dos alelos pueden ser de dos tipos: 

Dominante: es un alelo que impide que se maniIeste el alelo alternativo para un carácter. P. ej., A.



Recesivo: es un alelo que sólo se maniIesta si no está presente el alelo dominante. P. ej., a.

Si tenemos esto en cuenta, en organismos diploides podemos encontrar tres tipos de combinaciones para cada carácter que estemos estudiando (p. ej., color de los ojos, longitud de las alas o forma de las antenas): a)

Homocigoto dominante: dos alelos dominantes iguales (p. ej., AA).

b) Homocigoto recesivo: dos alelos recesivos iguales (p. ej., aa). c)

Heterocigoto: dos alelos diferentes (p. ej., Aa). En este caso, el alelo que maniIesta su carácter en el fenotipo es el dominante.

Como podemos observar, un individuo que sea heterocigótico para un carácter sólo manifestará en su fenotipo el carácter determinado por el alelo dominante (p. ej., color de ojos marrón). El carácter recesivo (p. ej., color de ojos azul) no aparece, aunque puede volver a hacerse visible si en la descendencia nace un individuo homocigoto recesivo. Para todos los carecteres hay dos tipos de herencia: ●

Herencia dominante: la que acabamos de ver, cuando los dos alelos tienen diferente capacidad de expresión en el fenotipo (sólo se expresan los homocigotos dominantes o los heterocigotos).

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●

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Herencia intermedia: cuando ambos alelos tienen la misma capacidad de expresión en el fenotipo, por lo que se denominan alelos codominantes. En este caso el individuo heterocigótico tendrá una mezcla de caracteres entre el homocigótico dominante y el recesivo (como se observa, por ejemplo, en plantas donde el homocigoto dominante tiene fores rojas, el recesivo tiene fores blancas y el heterocigoto, en vez de tenerlas rojas (como ocurriría en caso de herencia dominante), las tiene de color rosa.

3.2. Los primeros estudios genéticos Los primeros estudios genéticos se los debemos a un monje agustino austríaco llamado Gregor Mendel (18221884), que durante varios años realizó experimentos con diferentes variedades de la planta del guisante (Pisum sativum) que cultivaba en el huerto de su monasterio. Después de haber realizado miles de cruces entre distintas variedades de la planta de guisante, Mendel observó que la transmisión de los caracteres que él estudió (color y textura de la semilla, color de la for, color y textura de la vaina, etc.) seguía unas reglas que le permitían predecir los resultados. Estas reglas son las que hoy conocemos como reglas de la herencia mendeliana o leyes de Mendel. Sus descubrimientos constituyeron la base de la genética, aunque lo cierto es que su trabajo no fue valorado cuando lo publicó en el año 1866, sino a partir de 1900, cuando Hugo de Vries y otros cientíIcos redescubrieron las leyes de Mendel por separado.

Las leyes de Mendel En sus experimentos Mendel realizó miles de experimentos basándose en el estudio de 7 caracteres de la planta del guisante:

Figura 1. Los 7 caracteres que observó Mendel en sus experimentos con los guisantes.

Los resultados de sus experimentos fueron enunciados por otros investigadores posteriores como las tres leyes de Mendel.

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Primera ley de Mendel

Se conoce con el nombre de ley de uniformidad de los híbridos, y dice así:

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Cuando se cruzan dos individuos distintos (G) de raza pura, los descendientes de la primera generación