Bases celulares y moleculares de la herencia.
1. Las leyes de Mendel.
Mendel era un monje austríaco con éxito en lo que luego sería la Genética y elaboró una serie de leyes que a continuación veremos:
1) Ley de la Uniformidad. El color de la flor solo puede tener dos variantes o fenotipos: color violeta o blanco. Mendel cruzó plantas de dos líneas puras, la llamada generación parental P, con flores rojas con otras que tenían flores blancas y la descendencia obtenida en estos cruces era color violeta; el color blanco había desaparecido. Esta es la primera generación filial (F1) y as sus componentes les llamó híbridos. Al fenotipo que se manifiesta en los híbridos les llama dominantes, mientras que al que no se manifiesta en la F1 lo llama recesivo. Para asegurarse de que el resultado era independiente del sexo de los progenitores, Mendel llevó a cabo un cruzamiento recíproco, pero los resultados fueron similares. De esos resultados Mendel extrae la primera ley de la uniformidad, también llamada primera ley de Mendel, que indica que cuando se cruzan dos líneas puras que difieren en las variantes de un determinado carácter, todos los individuos de la F1 presentan el mismo fenotipo, independientemente de la dirección de cruce.
2) Ley de segregación. Mendel dejó que los híbridos se autofecundasen, obteniendo la segunda generación filial (F2), donde aparecían plantas con flores violetas y blancas. El carácter recesivo volvía a resurgir, aunque el número que obtuvo de unas y otras no era similar; sino que había menos de la blanca; había una proporción de 3 a 1 a favor de las flores violetas. Mendel interpretó esta reaparición del carácter recesivo como una consecuencia de que éste no había desparecido en la F1, simplemente estaban los dos caracteres pero sólo se manifestaba uno; el otro permanecía oculto. Para Mendel esto indicaba que cada color era debido a un elemento o factor hereditario, al que llamaremos gen. En algunos casos el gen presenta dos formas o variantes, como en el caso de la flor lila, A los genes que presentan más de una variante se les llama alelomorfos o simplemente alelos. Cada planta presenta dos genes para cada carácter, uno de la planta materna y otro de la paterna. Cuando hay autofecundación, del gameto femenino y del masculino. El gen responsable del color de la flor es alelomorfo, presenta dos alelos que podemos representar por la letra A para el dominate y a para el recesivo. El alelo a es el responsable de que las flores sean blancas, y el alelo A de que sean violeta. Las plantas con flores violetas llevan dos alelos AA, o Aa en el caso de los híbridos, y las que presentan color blanco llevarán dos alelos aa. Dice Mendel que durante la formación de los gametos los alelos se separan de tal forma que cada gameto recibe un solo alelo. La constitución genética en relación a los caracteres se llama genotipo y el fenotipo será la manifestación externa de ese genotipo. Los genotipos pueden ser de dos tipos: homogocitos, si los dos alelos son iguales (aa) y heterogocitos, cuando los dos alelos son distintos (Aa). Los homogocitos solo podrán producir un tipo de gameto, y los heterocitos producirán dos tipos, uno con el alelo A y otro con el a. De todo ello Mendel extrajo la ley de la segregación o segunda ley de Mendel: las variantes recesivas en la F1 heterogocita resultante entre el cruce entre dos líneas puras homogocitas, reapararecen en la segunda generación filial en una proporción de 3:1, debido a que los miembros de la pareja alélica del heterogocito se separan sin experimentar alteración alguna durante la formación de los gametos.
3) Ley de la Combinación independiente. Mendel estudia también la herencia simultánea de dos caracteres diferentes, tales como el color de la semilla, que tiene dos variantes, amarilla o verde, y el aspecto de ésta, entre lisa y rugosa. Por ello cruzó dos líneas puras, una de plantas con semillas amarillas lisas y otra cuyas semillas eran verdes y rugosas. Las plantas obtenidas en la F1 presentaban todas las semillas amarillas y lisas, debido al mismo fenotipo. Se indicaba que tanto la variante amarilla como la lisa eran las dominantes, mientras que la verde y rugosa eran recesivas. La autofecundación de las plantas en F1 proporcionó una generación F2 con las cuatro combinaciones posibles; semillas amarillas y lisas; amarillas y rugosas; verdes y lisas y verdes y rugosas. Cada carácter seguía presentándose en proporción 3:1, con lo cual se cumplía la ley de la segregación. Pero en la F2 habían aparecido combinaciones que no estaban presentes ni en las generaciones parentales ni en la F1 y de aquí extrajo Mendel su tercera ley de la combinación independiente, los miembros de las parejas alélicas diferentes se segregan o combinan independientemente unos de otros cuando se forman los gametos.
4) Variación de la dominancia e interacciones génicas.
a. Codominancia. En los experimentos de Mendel del cruce de dos líneas puras se obtenía siempre una F1 con un fenotipo similar al de uno de los progenitores, el del homocigoto dominante. Pero esto no siempre ocurre así y en algunos casos los híbridos pueden manifestar ambos tipos simultáneamente, y a este fenómeno se le llama codominancia. Los grupos sanguíneos humanos del ABO son un buen ejemplo. En la población humana existen cuatro fenotipos en relación con los sistemas sanguíneos ABO: A, B, AB y O. Estos fenotipos están relacionados con la presencia o ausencia de uno o dos antígenos en la membrana de sus glóbulos rojos. Las personas con los fenotipos mencionados presentan en sus glóbulos rojos el antígeno A (fenotipo A), el antígeno B (fenotipo B), ambos antígenos (fenotipo AB) o ninguno (fenotipo O). Los individuos con fenotipos A tienen en su plasma anticuerpos contra el antígeno B; mientras que las personas con fenotipo B presentan anticuerpos contra el antígeno A y en los que son del grupo O, ambos anticuerpos están en su plasma. El fenotipo AB no lleva asociado ningún anticuerpo contra los antígenos A y B. Si una persona del grupo A recibe una transfusión de otra persona del grupo B se producirá una reacción, mientras que la reacción no se producirá si recibe la transfusión de otra persona del mismo tipo o si el donante es del fenotipo O. En 1940 Landsteiner descubrió que los grupos sanguíneos se distribuyen de forma heterogénea entre las distintas poblaciones del planeta. Los alelos A y B son codominantes, mientras que el O es recesivo con respecto a los otros dos. personas con un genotipo AA o AO son fenotípicamente del grupo A; las de genotipos BB y BO son del fenotipo B; las que presentan el genotipo AB son fenotípicamente AB y las del genotipo OO son del grupo O.
b. Factor RH. Se le llama así porque este antígeno fue descubierto en el mono Rhesus. Se han descubierto ocho fenotipos distintos en relación con este sistema, aunque solo hay dos alelos, + y -; y su distribución geográfica también es heterogénea en la población humana. Los dos alelos mencionados presentan una relación de dominancia, por lo cual tanto los individuos Rh+Rh+ como los RH+Rh- son fenotípicamente Rh+, y solo los Rh-Rh- son fenotípicamente Rh-. El sistema Rh está involucrado en la enfermedad hemolítica del recién nacido, que aparece cuando el feto es Rh+ y la madre Rh-. Es normal que durante la gestación se produzcan pequeños intercambios de sangre fetal a la madre, por lo que ésta crea anticuerpos contra el Rh de los glóbulos rojos fetales. Cuando estos anticuerpos atraviesan la placenta y se introducen en el torrente circulatorio fetal, se produce una reacción que podría provocar la muerte del feto, aunque en la actualidad estas reacciones pueden controlarse.
Las personas con grupo sanguíneo AB + pueden recibir sangre de cualquiera y por eso se les llama receptores universales; aunque ellos sólo pueden donar a quienes tengan su mismo grupo. Los que tienen grupo 0- pueden donar sangre a cualquier persona, sin importar el grupo que tengan, y por eso se les considera donantes universales; pero sólo pueden recibir de quien tenga su mismo grupo.
Herencia intermedia.- Cuando del cruce de dos líneas puras se obtiene una F1 con un fenotipo intermedio entre el de los dos progenitores, estamos ante un fenómeno de herencia intermedia. Si se cruzan dos líneas puras, una con flores rojas y otra con flores blancas, se obtiene una F1 con flores rosas; todas las plantas tienen el mismo fenotipo como en la primera ley de Mendel. Pero en contra de los previsto, el fenotipo no es similar al de ninguna de las plantas progenitoras, sino intermedio. Si en la F1 se lleva a cabo la autofecundación, obtendremos una segunda generación con una proporción 1:2:1, que se corresponden con la genotípica.
Pero se está desviando de la segunda ley de Mendel prevista para los casos de dominancia completa. Esta desviación entre lo esperado de las leyes de Mendel y lo obtenido del cruce de las plantas no es debido a que no se cumplan las mencionadas leyes, sino que a los mecanismos responsables de la coloración de las flores difieren de las de los guisantes.
Pleiotropismo. Existen algunos genotipos que afectan a más de un fenotipo, y en estos casos decimos que estamos ante un pleiotropismo. Un ejemplo lo representa el gen responsable del albinismo en la rata, que es causado por un alelo recesivo que impide la pigmentación cuerpo del animal. En 1966 De Fries pone de manifiesto que este alelo no solo afecta a la coloración del animal sino también al grado de emocionalidad del mismo. Se introduce al animal en un recinto circular, amplio y fuertemente iluminado; y cuando De Fries somete a este test a ratones pigmentados y albinos, comprueba que los albinos obtienen puntuaciones más bajas de actividad y puntuaciones más altas en defecación, porque eran más reactivos emocionalmente que los pigmentados. El alelo responsable del albinismo, además de causar una falta de pigmentación, tendría un efecto pleitrópico sobre su emocionalidad.
Epistasia. La tercera ley de Mendel pone de manifiesto que cuando analizamos la herencia simultánea de dos caracteres, la segregación obtenida en la F2 es consecuencia de la combinación independiente de los alelos de los genes responsables de esos dos caracteres. Pero existen casos que parecen contradecir la citada ley, porque la concordancia entre la proporción fenotípica esperada y obtenida cuando analizamos la herencia de dos caracteres simultáneamente es debida al fenómeno que se conoce como epistasia, que consiste en la interacción entre genes que determinan distintos rasgos de tal forma que un gen enmascara el efecto del otro.
2. Teoría cromosómica de la herencia.
Los genes son fragmentos de ADN y ocupan un sitio en los cromosomas. Debido al estudio de diversos investigadores nace la teoría cromosómica de la herencia donde se señala que los genes están ordenados de forma lineal sobre los cromosomas ocupando determinado lugar. Los factores de Mendel, los genes, ya tenían un sustrato biológico, los cromosomas, el vehículo en el que viaja la información de célula a célula y de generación en generación. Durante la división celular, los cromosomas son fácilmente visibles y presentan aspectos distintos que permiten diferenciarlos unos de otros. La mayoría de las células eucariotas tienen dos juegos de cromosomas, porque suelen ir en parejas. A las células que tienen estas características se les llaman diploides. Cada miembro de la pareja cromosómica procede de un progenitor. A los miembros de un mismo par cromosómico se les llama cromosomas homólogos. Por su parte las células que presentan un solo juego de cromosomas reciben el nombre de haploides. Los gametos son un ejemplo. La dotación cromosómica se representa mediante la letra n. La dotación cromosómica de las células diploides será 2n. Al conjunto de todos los cromosomas de una célula se le llama cariotipo. Las dotaciones cromosómicas son bastante variadas según las distintas especies, yh pueden ir desde los dos cromosomas que presentan las células diploides de la lombriz intestinal, a los 1260 que tienen las células del helecho indio. En cada cromosoma se halla un número concreto de genes que guarda la información sobre distintas características. En el conjunto de cromosomas de cada célula se encuentra recogida toda la información acerca de todas las características del organismo.
a. Cromosomas sexuales. Hay una pareja de cromosomas que difieren y que van asociados al sexo de individuo. Los cromosomas sexuales X e Y son muy diferentes. Las mujeres presentan dos cromosomas X y los varones un cromosoma X y otro Y. Al sexo femenino se le llama sexo homogamético. Los varones son heterogaméticos. El hecho de que en el varón los cromosomas sexuales no sean homólogos hace que los loci situados en los cromosomas X e Y no se puedan presentar ni en homocigosis ni en heterocigosis. Los varones solo pueden tener uno de los alelos posibles para los loci situados en los cromosomas sexuales. A esta situación se le llama hemicigosis y es la causa de que los varones presenten mayor incidencia de ciertas enfermedades relacionadas con los genes situados en el cromosoma X.
b. Meiosis. La meiosis es un particular división que tiene lugar en los gametos. La reproducción sexual representa importantes ventajas de cara a la variabilidad genética porque implica la unión de dos células procedentes de dos individuos de distintos sexo. Estas células son los gametos y si la dotación cromosómica de éstos fuese diploide (2n) el individuo resultante sería tetraploide (4n), es decir, tendría cuatro juegos de cromosomas. Si no existiese un proceso que redujese a la mitad el número de cromosomas de los gametos, la reproducción sexual no podría llevarse a cabo, porque se duplicaría la dotación cromosómica en cada generación y sería inviable. La meiosis se lleva a cabo en dos etapas. La primera consiste en dividir la célula 2n de tal manera que cada célula hija reciba un único y completo juego de cromosomas de cada célula madre, que pase a haploide (n). Esta etapa se llama Miosis I. Comienza con la Profase I, en la que los cromosomas homólogos se aparean de dos en dos, punto por punto, a lo largo de toda su longitud, formando lo que se llama bivalentes. También recibe el nombre de Tétrada en referencia a las cuatro cromátidas del bivalente; dos por cada cromosoma homólogo. A través del apareamiento de los homólogos se produce el fenómeno del entrecruzamiento, mediante el cual se lleva a cabo la recombinación génica, el intercambio de genes de un cromosoma homólogo a otro. La siguiente etapa es la Metafase I, donde los bivalentes se insertan en las fibras del uso, adoptando una ordenación circular. La metafase I continúa con la Anafase I, en la que se separan los cromosomas de los bivalentes, emigrando n cromosomas a cada polo. Finalmente en la Telofase I los cromosomas se sitúan en ambos polos de la célula, se desespiralizan y se produce la citocinesis dando lugar a dos células hijas con n cromosomas. Por haberse reducido el número de cromosomas a la mitad, a esta división se le denomina también división reduccional.
c. Recombinación y ligamiento. En la profase I se efectúa el emparejamiento de los cromosomas homólogos dos a dos y se producen intercambios de alelos entre los cromosomas de la pareja de homólogos. Es el sobrecruzamiento o entrecruzamiento y se pone de manifiesto por la aparición entre las cromátidas de los bivalentes, de puntos de cruce, en forma de X, llamados quiasmas. En cada uno de los cromosomas homólogos se encuentran los mismos genes en los mismos loci. El sobrecruzamiento hace que los loci de uno y otro cromosoma homólogo aparezca, tras este proceso, una nueva combinación de alelos. A este proceso, consistente en la combinación de los alelos de los cromosomas homólogos, se le denomina recombinación génica. La consecuencia de la recombinación génica es la aparición, en un mismo cromosoma del gameto, de alelos de los progenitores. La gran importancia de la recombinación génica es la variabilidad que genera. No siempre es posible efectuar intercambios entre los loci de los cromosomas homólogos mediante sobrecruzamiento, porque este proceso se produce a través de quiasmas, y cuanto más juntos estén dos loci, menos probabilidad habrá de que exista entrecruzamiento entre ellos. Cuando dos genes tienen nula o baja tasa de recombinación entre ellos, se dice que existe ligamiento entre esos dos genes. Si esto ocurre la ley de la combinación independiente de Mendel queda enmascarada, como ocurría en el fenómeno de la epistasia, pero en este caso sucede a nivel genotípico y fenotípico. El descubrimiento de estos hechos fue lo que permitió poner de manifiesto a principios del siglo XX poner de manifiesto que los genes se encontraban en los cromosomas de una forma ordenada.
3. Tipos de transmisión génica.
Hay rasgos de un organismo que pueden estar determinados por un solo gen, pero también pueden estarlo por varios genes, como en el caso de la altura de una persona o de su inteligencia. En el primer caso se habla de herencia monogénica, y el segundo de herencia poligénica. A los primeros rasgos se les llama mendelianos, porque fueron con los que trabajó Mendel. Se pueden hacer cruces con animales y plantas, y no en el caso humano, como es evidente. Por ello se recurre al estudio del patrón de transmisión del carácter. Dicho patrón se establece a través de la información recogida de la familia en la que se detecta el carácter a estudiar. Esta información se puede resumir presentándola en forma de genealogía o pedigrí, donde se recogen mediante símbolos los parentescos y la manifestación del rasgo estudiado y del mayor o menor número de miembros y generaciones en la familia. Los patrones de transmisión de un carácter mendeliano dependen de dos factores: la localización del sitio que ocupa o locus, el gen implicado en el cromosoma y la expresión fenotípica del carácter en cuestión. La localización puede ser autosoma, nombre que se le da a cualquiera de los cromosomas que no sean sexuales, o ligada a cromosomas sexuales. En cuanto a la expresividad fenotípica, el principal número de loci estudiados, responden a una relación de dominancia y recesividad.
• Transmisión autosómica dominante. En este tipo tanto los homocigotos como los heterocigotos manifestarán el carácter. Un caso se da en la enfermedad de Huntintong causada por un único gen dominante situado en el cromosoma 4. Esta enfermedad es hereditaria y deteriora progresivamente el sistema nervioso central, que conduce a la pérdida del control motor, demencia progresiva y muerte, no más de veinte años después de que se manifiesta la enfermedad. El médico que la descubrió y le dio nombre comprobó que siempre uno de los progenitores del paciente estaba afectado, poniendo en evidencia su carácter dominante. Al tener la misma incidencia en varones y mujeres, no está ligada al sexo y es autosómica. La enfermedad afecta a personas casi siempre menores de cuarenta años, lo cual contribuye a que el gen se mantenga en la población.
• Transmisión autosómica recesiva. Solo los homogocitos manifiestan el carácter y cada uno de los progenitores debe tener en su genetipo a menos un alelo para ese locus. Los heterogocitos no manifiestan el rasgo pero son portadores del alelo que lo causa, y dependiendo del genotipo de su pareja, los descendientes tendrán diferentes probabilidades de presentar el rasgo en cuestión. Dependiendo de la enfermedad, la capacidad reproductora de los afectados se podrá ver disminuida en mayor o menor grado. Pero incluso en el caso que no transmitan el alelo a sus descendientes, permanecerán en la población a causa de los portadores. Este tipo de alelos está asociado a familias en las que el alelo en cuestión se mantiene durante muchas generaciones sin que se manifieste la enfermedad en ningún miembro. Algún ejemplo de este tipo podemos hallarlo en la enfermedad de Tay-Sachs, donde el gen involucrado tiene una presencia muy baja en la población general, pero que se suele dar entre los judíos ashkenazi de Norteamérica, a causa de su alta consanguineidad. La presencia del alelo recesivo provoca una carencia enzimática que hace que se acumule un metabolito en las neuronas, impidiendo su correcto funcionamiento. La enfermedad se manifiesta a partir de los seis meses con un deterioro neurológico progresivo que provoca ceguera, retraso mental y físico y termina con la vida del paciente antes de que alcance los tres o cuatro años.
• Transmisión ligada al sexo. De los dos cromosomas sexuales (X e Y), el mayor trastorno suele ir aparejado al cromosoma X y suelen ser de carácter recesivo. Las mujeres presentan dos cromosomas X y los varones solo tienen uno. Por eso las variantes fenotípicas causadas por los alelos recesivos del cromosoma X sólo se manifiestan en las mujeres cuando los alelos implicados estén en homocigosis, y por el contrario en los varones aparecerán en el momento en que los porte su único cromosoma X. Tanto hijos como hijas heredan de su madre un cromosoma X; y el caso del varón, transmite a su hija su cromosoma X y a su hijo el Y. Por eso los varones no pueden heredar de sus padres variantes fenotípicas ligadas a su cromosoma X, y si las pueden heredar las hijas; pero el que las manifiesten o sea portadoras dependerá del genotipo de la madre. Esto hace que aparezca el fenómeno que se conoce como alternancia de generaciones, consistente en que tanto el abuelo como el nieto presentan la variante fenotípica en cuestión, pero no los individuos de la generación intermedia, siempre que la abuela no la presentase ni fuese portadora. Existen varios ejemplos de enfermedades recesivas ligadas al cromosoma X. Una de ellas es la ceguera de los colores, que está ligada a la ausencia de un pigmento visual involucrado en la recepción de determinadas longitudes de onda asociadas a la percepción del color, y que se da más en hombres que en mujeres. Las personas afectadas son incapaces de distinguir el color rojo del verde. El primer análisis científico de la enfermedad lo llevó a cabo Dalton, y por eso la enfermedad se llama también daltonismo. La hemofilia A es otro tipo de enfermedad recesiva ligada a cromosoma X. El alelo responsable causa una deficiencia que impide que la sangre coagule normalmente.
4. La naturaleza del material hereditario.
¿Cuál es la naturaleza química de gen? Durante un tiempo las proteínas fueron las candidatas para ser consideradas las moléculas de la herencia. Pero fue el ADN aislado por Meischer en 1869 la molécula que resultó poseer todas las características necesarias para permitir poner de manifiesto las diversas propiedades gracias a su estructura helicoidal. Watson y Crick proponen la estructura de la molécula de ADN para explicar las bases moleculares de la herencia biológica y que por su trascendencia se ha equiparado a las aportaciones de Mendel y Darwin. El ADN está formado por secuencias de nucleótidos, que son sustancias compuestas por una molécula de ácido fosfórico y otra de hidrato de carbono, más otra de una base nitrogenada. En el ADN estos nucleótidos forman dos cadenas, cada una en espiral, enroscada una sobre otra formando una doble hélice. Esto se consigue gracias a una disposición concreta de las moléculas que forman cada nucleótido del ADN. La espira la marca de sucesión de las moléculas de desoxirribosa y ácido fosfórico de cada nucleótido, mientras que las bases nitrogenadas se sitúan en el interior. La unión entre las dos cadenas de nucleótidos que forman el ADN se lleva a cabo a través de puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases púricas de una cadena y las pirimidinicas de la otra. Hay restricciones en las uniones entre las bases nitrogenadas: la adenina solo se aparea con la timina, mientras que la citosina lo hace solo con la guanina. A esta relación restrictiva entre las bases se las denomina complementariedad y hace que las dos cadenas de nucleótidos del ADN sean complementarias entre sí.
5. Las copias para la herencia; duplicación de ADN.
La complementariedad de las bases nitrogenadas de las dos cadenas que forman el ADN, al mismo tiempo que restringe los apareamientos entre las bases, hace posible la duplicación del ADN y con ello que éste cumpla una de las propiedades apuntadas como indispensable para que una molécula sea candidata a contener la herencia genética: la posibilidad de que la información pueda ser copiada fielmente con el fin de transmitirla a la siguiente generación. Las características fundamentales del proceso de replicación del ADN son prácticamente similares en todos los organismos. Hay científicos que han demostrado que la replicación del ADN es semiconservativa, es decir, que a partir de una molécula de ADN se obtienen dos, cada una de las cuales porta una hebra del ADN que se ha duplicado. Cuando el proceso concluye las dos nuevas moléculas de ADN se separan, y ambas se llevan una hebra antigua y otra nueva, pero las dos son idénticas y la información puede ser transmitida a otra generación.
6. La expresión génica: la información en acción.
En 1919 el médico inglés Garrod publica Errores congénitos del metabolismo, en el que se señala que algunas enfermedades hereditarias son causadas por el efecto que la herencia ejerce sobre el metabolismo de determinadas sustancias. Garrod propone un nexo de unión entre genes y fenotipo: el metabolismo. Pero la idea pasó desapercibida hasta el año 1941, con Beadle y Tatun, que descubren que el tratamiento con rayos X del material hereditario del hongo de pan provoca la desaparición o modificación de algunos de sus sistemas enzimáticos y con ello la alteración de su metabolismo. Nace la hipótesis de un gen, una enzima y se plantea que los genes regulan las características de los organismos a través de las enzimas que intervienen en todos y cada uno de los procesos metabólicos que acontecen en el organismo. Esto fue confirmado luego cuando se establece que un gen es la consecuencia de nucleótidos de ADN en el que se halla codificada la naturaleza y el orden en el que se ensamblan los aminoácidos de una enzima. Pero hubo que ampliar esta afirmación al comprobarse que el gen no solo guarda la información referente a la secuencia de aminoácidos de los enzimas, sino de todos y cada uno de los polipéptidos que se sintetizan en una célula. Estos genes se denominan genes estructurales para diferenciarlos de aquellas otras secuencias de ADN que aportan otro tipo de información. En 1970 Crick propone el llamado dogma central de la Biología, en el que establece el flujo que sigue la información genética. Este flujo se inicia en el ADN a través del proceso de replicación o bien ser transferida a una molécula de ARN, mediante el denominado proceso de transcripción. Desde el ARN la información a través del proceso de traducción se expresa en una secuencia polipeptídica.
La Transcripción.- El ADN de los eucariotas se encuentra en el núcleo celular, mientras que la maquinaria necesaria para la síntesis de proteínas se halla en el citoplasma. En ocasiones el ADN no puede viajar hasta el citoplasma para transmitir las instrucciones necesarias y hace falta que se produzca un determinado polipéptido. A este proceso se le llama transcripción, a la copia de la información desde el gen a un ARN, al que se le llama ARN mensajero (ARNm). El proceso de transcripción es catalizado por un enzima perteneciente al grupo de las ARN polimerasas. Se siguen unas reglas de complementariedad y la ARN polimerasa se une a una región específica situada por delante del gen que se va a transcribir, al que se llama promotor; y desde esta región se inicia la síntesis del ARNm.
Maduración del ARN. En algunos procariotas y en casi todos los eucariotas los ARNm experimentan una modificación en su estructura una vez sintetizados. La secuencia codificadora no está colocada de manera continua en el ARNm, sino disgregada en varias secuencias a lo largo de la transcripción y separada por segmentos no codificantes llamados intrones, para diferenciarlas de las que si guardan información, las secuencias codificantes, que se llaman exones. En los eucariotas los intrones representan un porcentaje mayor de la secuencia génica que el dedicado a los exones. A través de un proceso llamado de maduración o procesamiento se eliminan los intrones y se colocan secuencialmente los exones, obteniéndose un ARNm maduro que porta la secuencia lineal de un polipéptido funcional.
El lenguaje de la vida: el código genético. Es el conjunto de reglas mediante las cuales se establece la relación entre la ordenación lineal de nucleótidos de la molécula ADN y la ordenación lineal de aminoácidos de los polipéptidos. El ADN contiene la información acerca de las secuencias de todos los polipétidos del organismo y esa información debe ser guardada de forma cifrada de acuerdo a un código. El ADN tiene cuatro tipos de nucleótidos, es decir, la información que porta usa un alfabeto de cuatro letras. Pero los polipétidos utilizan veinte, con lo cual surge un problema. Para solucionarlo, los científicos idean un sistema: se combinan las cuatro bases de dos en dos y así el ADN puede guardar información de 16 aminoácidos, aunque sea insuficiente. En la década de los sesenta algunos científicos y entre ellos Severo Ochoa dicen que la base del código genético es el triplete en el ADN o codón en el ARNm y está constituida por una secuencia de cualquiera de los tres nucleótidos de los cuatro posibles (adenina, guanina, citosina y timina). Las distintas ordenaciones en que pueden aparecer los nucleótidos en triplete, especifica un aminoácido. El código genético tiene las siguientes propiedades:
1) Es un redundante o un degenerado, lo cual quiere decir que un aminoácido puede ser codificado por más de un codón.
2) Es un código sin superposición, porque un nucleótido solo pertenece a un codón y no a varios
3) La lectura es lineal y sin comas
4) Es universal, sirve para prácticamente todos los seres vivos.
La traducción. Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm en un alfabeto de cuatro letras, es convertida, siguiendo las reglas del código genético al alfabeto de 20 letras de los polipéptidos.
7. Los errores que nos matan y nos hacen evolucionar: la mutación.
El término mutación hace referencia a cualquier cambio permanente en el material génico no debido a la segregación independiente de los cromosomas o a la recombinación que ocurre durante el proceso de meiosis. Las mutaciones se producen al azar y en general son perjudiciales, pero en alguna ocasión ayudan a la selección natural. Una fuente de mutación es la propia replicación del ADN, proceso en el que se calcula que se produce la inserción de un nucleótido erróneo una vez por cada 1010 pares de bases. Además de estas mutaciones espontáneas que ocurren como consecuencia de la naturaleza del ADN, la mutación se ve favorecida por la acción de numerosos agentes químicos y físicos distribuidos en el medio ambiente. A estos agentes se les denomina mutágenos y su naturaleza es diversa; entre ellos están los rayos X o los gamma, o el ácido nitroso. Al afectar al material hereditario la mutación es transmitida a las células hijas. Si la mutación afecta a las células que producen los gametos o a ellos mismos, el cambio en la información guardada en el material genético se transmitirá a los descendientes. Si la mutación afecta al resto de las células, a las que dan lugar a los tejidos, se le denomina mutación somática. Uno de los efectos de mutación sobre una célula somática es el mosaicismo somático, a aparición en un individuo o en un tejido de dos líneas celulares que difieren genéticamente. Las mutaciones somáticas se van incrementando a lo largo de la vida a consecuencia de los errores fortuitos que se producen durante la duplicación del ADN y por los agentes mutágenos. El resultado es un deterioro de la información genética que conduce al envejecimiento. Las alteraciones pueden ser diversas:
a) Mutaciones genómicas que afectan a cromosomas completos y hacen que cambie el número de los mismos y el individuo
b) Mutaciones génicas, que son las que modifican un solo gen
c) Mutaciones cromosómicas, que ocurren en una parte del cromosoma e involucran a varios genes
d) Polimorfismo de un nucleótido, como por ejemplo los grupos sanguíneos.
8. Niveles de organización del ADN: el cromosoma eucariótico.
El cromosoma es la molécula de ácido nucleico que actúa como portadora de la información hereditaria. Por tanto es el ARN de algunos virus, la molécula de ADN de los procariotas y cada una se encuentra en el núcleo de la célula eucariota. En eucariotas el aspecto material hereditario varía desde la estructura claramente definida que representa el cromosoma metafásico, a una estructura amorfa y disgregada durante la interfase celular, que recibe el nombre de cromatina. Cada cromosoma está constituido por una sola molécula de ADN unido a proteínas. Estas son de varios tipos pero las principales pertenecen a la familia de las denominadas histonas, que son pequeñas proteínas de carácter básico cuya misión es permitir que el ADN se condense de una forma ordenada alcanzando los diferentes niveles de organización. El nivel de organización más elemental es el que se alcanza a través de la unión de varios tipos de histonas. Esta unión da lugar a una estructura llamada nucleosoma y representa la unidad básica de condensación del ADN. En los eucariotas el estado menos condensado del ADN es una estructura formada por nucleosomas distribuidos a lo largo del material hereditario como si fuesen las cuentas de un rosario. Esta disposición hace que el ADN disminuya al menos siete veces su longitud. Los nucleosomas, una vez formados, se repliegan unos sobre otros de manera ordenada formando una fibra de 30 mm de espesor, y representa el siguiente nivel de organización en el material hereditario. La condensación de ADN a lo largo de ciclo celular varía desde el estado de cromatina al de cromosoma metafásico. Pero la cromatina tampoco presenta un estado homogéneo de compactación y se distinguen dos tipos de cromatina: la eurocromatina, que representa un empaquetamiento menor, y la heterocromatina, que es la porción de cromatina más condensada. El cromosoma eucariótico es más complejo que el procariótico y un 10% está compuesto por segmentos cortos que se repiten millones de veces y constituye el ADN altamente repetitivo. Otro 20% del ADN está formado por segmentos de unos pocos centenares de pares de bases que se repiten más de mil veces y forman el ADN moderadamente repetitivo. La función del primero no es conocida y no hay pruebas de que se transcriba. Una porción del ADN moderadamente repetitivo está formado por secuencias que no se transcriben y sólo sirven como zonas de conocimiento para la actuación de determinadas enzimas. Otra parte está constituida por genes que se encuentran en múltiples copias o los genes de las histonas. El conjunto de todos los genes que portan los cromosomas de un individuo constituyen su genoma. No todo el segmento asociado a un gen es traducido a proteínas y la mayor parte de los genes eucariotas tienen intercalados intrones. Parte de los segmentos no codificadores que no son intrones están relacionados con la regulación de la expresión génica y se llaman secuencias reguladoras, cuya función es marcar el punto de comienzo de la replicación.
9. Regulación de la expresión génica.
Cada célula del organismo se ha originado por sucesivas mitosis de una única célula: el cigoto. Todas las células de un individuo portan la misma información, tienen idénticos genes en sus núcleos. Pero durante el desarrollo las células toman distintos destinos que se diferencia morfológica y fisiológicamente, formando diversos tejidos, que luego darán lugar a órganos. Dentro de la célula ya diferenciada, el metabolismo celular varía a lo largo de su ciclo vital. Distintas rutas de síntesis, anabolismo o degradación, catabolismo, se activan o desactivan en función de las necesidades puntuales que la célula deba satisfacer. En función del alcance que tenga en el tiempo la regulación de la expresión génica, podemos distinguir varias clases:
Regulación de la expresión génica a corto plazo. Está relacionada con el control del metabolismo celular y produce alteraciones pasajeras de la expresión génica. En este proceso están implicados un tipo especial de genes, los genes reguladores, que codifican la secuencia de las denominadas proteínas reguladoras o factores de transcripción. Para ello se unen de manera selectiva a una región específica del ADN situada al inicio de los genes estructurales; la secuencia reguladora, impidiendo la unión del ARN polimerasa y por tanto la expresión del gen estructural. Las proteínas reguladoras se unen específicamente a esas regiones del ADN porque las estructuras tridimensionales son complementarias. A veces la conformación espacial adecuada para que la proteína pueda unirse a la secuencia reguladora depende de la interacción que establezca con otras moléculas denominadas correpresores o inductores. Los primeros son moléculas que necesitan acoplarse a algunas proteínas reguladoras para adoptar la conformación espacial adecuada. Un caso especial de correpresores es el ARN de interferencia (ARNi), que bloquea la expresión de genes con una extraordinaria especificidad y desempeña una función esencial en la regulación del desarrollo y plasticidad neuronales. Los inductores son moléculas que cuando se unen con proteínas reguladoras hacen que cambie su estructura tridimensional que les impide unirse al ADN permitiendo con ello que el gen pueda ser transcrito. El modelo del operon propuesto en 1961 por Jacob y Monod es un ejemplo.
Regulación de la expresión génica a largo plazo. Los homeogenes juegan un papel muy importante en la diferenciación de las estructuras corporales y se encuentran en todos los animales. En la diferenciación celular están involucrados otros mecanismos de activación génica permanente como la metilación y la condensación del ADN. La metilación es una reacción catalizadora mediante la cual se inserta un grupo metilo en la base hidrogenada de los nucleótidos, lo cual evita la transcripción del gen afectado. Los procesos que conducen a los diferentes grados de condensación impiden que el ARN polimerasa pueda acceder a los respectivos promotores. Mediante la metilación y la condensación se consigue que cada tipo celular exprese determinadas propiedades y son procesos que suelen suceder en las primeras etapas de desarrollo. Un ejemplo de estos mecanismos lo representa la inactivación del cromosoma X. Sólo en las hembras, durante la interfase celular aparecía en el núcleo una masa de cromatina llamada corpúsculo de Barr. Mary Lyon dice que en las células somáticas de las hembras solo un cromosoma X está activo mientras el otro aparece condensado, por lo cual también se le llama cromatina sexual. La inactivación comienza al principio de la vida embrionaria y como consecuencia las mujeres que son heterocigótas para algún locus situado en el cromosoma X, presenta dos poblaciones celulares, atendiendo a qué cromosoma X esté activo. A este fenómeno se le llama mosaicismo.
BIBLIOGRAFÍA:
• Fundamentos de Psicobiología (UNED)
1. Las leyes de Mendel.
Mendel era un monje austríaco con éxito en lo que luego sería la Genética y elaboró una serie de leyes que a continuación veremos:
1) Ley de la Uniformidad. El color de la flor solo puede tener dos variantes o fenotipos: color violeta o blanco. Mendel cruzó plantas de dos líneas puras, la llamada generación parental P, con flores rojas con otras que tenían flores blancas y la descendencia obtenida en estos cruces era color violeta; el color blanco había desaparecido. Esta es la primera generación filial (F1) y as sus componentes les llamó híbridos. Al fenotipo que se manifiesta en los híbridos les llama dominantes, mientras que al que no se manifiesta en la F1 lo llama recesivo. Para asegurarse de que el resultado era independiente del sexo de los progenitores, Mendel llevó a cabo un cruzamiento recíproco, pero los resultados fueron similares. De esos resultados Mendel extrae la primera ley de la uniformidad, también llamada primera ley de Mendel, que indica que cuando se cruzan dos líneas puras que difieren en las variantes de un determinado carácter, todos los individuos de la F1 presentan el mismo fenotipo, independientemente de la dirección de cruce.
2) Ley de segregación. Mendel dejó que los híbridos se autofecundasen, obteniendo la segunda generación filial (F2), donde aparecían plantas con flores violetas y blancas. El carácter recesivo volvía a resurgir, aunque el número que obtuvo de unas y otras no era similar; sino que había menos de la blanca; había una proporción de 3 a 1 a favor de las flores violetas. Mendel interpretó esta reaparición del carácter recesivo como una consecuencia de que éste no había desparecido en la F1, simplemente estaban los dos caracteres pero sólo se manifestaba uno; el otro permanecía oculto. Para Mendel esto indicaba que cada color era debido a un elemento o factor hereditario, al que llamaremos gen. En algunos casos el gen presenta dos formas o variantes, como en el caso de la flor lila, A los genes que presentan más de una variante se les llama alelomorfos o simplemente alelos. Cada planta presenta dos genes para cada carácter, uno de la planta materna y otro de la paterna. Cuando hay autofecundación, del gameto femenino y del masculino. El gen responsable del color de la flor es alelomorfo, presenta dos alelos que podemos representar por la letra A para el dominate y a para el recesivo. El alelo a es el responsable de que las flores sean blancas, y el alelo A de que sean violeta. Las plantas con flores violetas llevan dos alelos AA, o Aa en el caso de los híbridos, y las que presentan color blanco llevarán dos alelos aa. Dice Mendel que durante la formación de los gametos los alelos se separan de tal forma que cada gameto recibe un solo alelo. La constitución genética en relación a los caracteres se llama genotipo y el fenotipo será la manifestación externa de ese genotipo. Los genotipos pueden ser de dos tipos: homogocitos, si los dos alelos son iguales (aa) y heterogocitos, cuando los dos alelos son distintos (Aa). Los homogocitos solo podrán producir un tipo de gameto, y los heterocitos producirán dos tipos, uno con el alelo A y otro con el a. De todo ello Mendel extrajo la ley de la segregación o segunda ley de Mendel: las variantes recesivas en la F1 heterogocita resultante entre el cruce entre dos líneas puras homogocitas, reapararecen en la segunda generación filial en una proporción de 3:1, debido a que los miembros de la pareja alélica del heterogocito se separan sin experimentar alteración alguna durante la formación de los gametos.
3) Ley de la Combinación independiente. Mendel estudia también la herencia simultánea de dos caracteres diferentes, tales como el color de la semilla, que tiene dos variantes, amarilla o verde, y el aspecto de ésta, entre lisa y rugosa. Por ello cruzó dos líneas puras, una de plantas con semillas amarillas lisas y otra cuyas semillas eran verdes y rugosas. Las plantas obtenidas en la F1 presentaban todas las semillas amarillas y lisas, debido al mismo fenotipo. Se indicaba que tanto la variante amarilla como la lisa eran las dominantes, mientras que la verde y rugosa eran recesivas. La autofecundación de las plantas en F1 proporcionó una generación F2 con las cuatro combinaciones posibles; semillas amarillas y lisas; amarillas y rugosas; verdes y lisas y verdes y rugosas. Cada carácter seguía presentándose en proporción 3:1, con lo cual se cumplía la ley de la segregación. Pero en la F2 habían aparecido combinaciones que no estaban presentes ni en las generaciones parentales ni en la F1 y de aquí extrajo Mendel su tercera ley de la combinación independiente, los miembros de las parejas alélicas diferentes se segregan o combinan independientemente unos de otros cuando se forman los gametos.
4) Variación de la dominancia e interacciones génicas.
a. Codominancia. En los experimentos de Mendel del cruce de dos líneas puras se obtenía siempre una F1 con un fenotipo similar al de uno de los progenitores, el del homocigoto dominante. Pero esto no siempre ocurre así y en algunos casos los híbridos pueden manifestar ambos tipos simultáneamente, y a este fenómeno se le llama codominancia. Los grupos sanguíneos humanos del ABO son un buen ejemplo. En la población humana existen cuatro fenotipos en relación con los sistemas sanguíneos ABO: A, B, AB y O. Estos fenotipos están relacionados con la presencia o ausencia de uno o dos antígenos en la membrana de sus glóbulos rojos. Las personas con los fenotipos mencionados presentan en sus glóbulos rojos el antígeno A (fenotipo A), el antígeno B (fenotipo B), ambos antígenos (fenotipo AB) o ninguno (fenotipo O). Los individuos con fenotipos A tienen en su plasma anticuerpos contra el antígeno B; mientras que las personas con fenotipo B presentan anticuerpos contra el antígeno A y en los que son del grupo O, ambos anticuerpos están en su plasma. El fenotipo AB no lleva asociado ningún anticuerpo contra los antígenos A y B. Si una persona del grupo A recibe una transfusión de otra persona del grupo B se producirá una reacción, mientras que la reacción no se producirá si recibe la transfusión de otra persona del mismo tipo o si el donante es del fenotipo O. En 1940 Landsteiner descubrió que los grupos sanguíneos se distribuyen de forma heterogénea entre las distintas poblaciones del planeta. Los alelos A y B son codominantes, mientras que el O es recesivo con respecto a los otros dos. personas con un genotipo AA o AO son fenotípicamente del grupo A; las de genotipos BB y BO son del fenotipo B; las que presentan el genotipo AB son fenotípicamente AB y las del genotipo OO son del grupo O.
b. Factor RH. Se le llama así porque este antígeno fue descubierto en el mono Rhesus. Se han descubierto ocho fenotipos distintos en relación con este sistema, aunque solo hay dos alelos, + y -; y su distribución geográfica también es heterogénea en la población humana. Los dos alelos mencionados presentan una relación de dominancia, por lo cual tanto los individuos Rh+Rh+ como los RH+Rh- son fenotípicamente Rh+, y solo los Rh-Rh- son fenotípicamente Rh-. El sistema Rh está involucrado en la enfermedad hemolítica del recién nacido, que aparece cuando el feto es Rh+ y la madre Rh-. Es normal que durante la gestación se produzcan pequeños intercambios de sangre fetal a la madre, por lo que ésta crea anticuerpos contra el Rh de los glóbulos rojos fetales. Cuando estos anticuerpos atraviesan la placenta y se introducen en el torrente circulatorio fetal, se produce una reacción que podría provocar la muerte del feto, aunque en la actualidad estas reacciones pueden controlarse.
Las personas con grupo sanguíneo AB + pueden recibir sangre de cualquiera y por eso se les llama receptores universales; aunque ellos sólo pueden donar a quienes tengan su mismo grupo. Los que tienen grupo 0- pueden donar sangre a cualquier persona, sin importar el grupo que tengan, y por eso se les considera donantes universales; pero sólo pueden recibir de quien tenga su mismo grupo.
Herencia intermedia.- Cuando del cruce de dos líneas puras se obtiene una F1 con un fenotipo intermedio entre el de los dos progenitores, estamos ante un fenómeno de herencia intermedia. Si se cruzan dos líneas puras, una con flores rojas y otra con flores blancas, se obtiene una F1 con flores rosas; todas las plantas tienen el mismo fenotipo como en la primera ley de Mendel. Pero en contra de los previsto, el fenotipo no es similar al de ninguna de las plantas progenitoras, sino intermedio. Si en la F1 se lleva a cabo la autofecundación, obtendremos una segunda generación con una proporción 1:2:1, que se corresponden con la genotípica.
Pero se está desviando de la segunda ley de Mendel prevista para los casos de dominancia completa. Esta desviación entre lo esperado de las leyes de Mendel y lo obtenido del cruce de las plantas no es debido a que no se cumplan las mencionadas leyes, sino que a los mecanismos responsables de la coloración de las flores difieren de las de los guisantes.
Pleiotropismo. Existen algunos genotipos que afectan a más de un fenotipo, y en estos casos decimos que estamos ante un pleiotropismo. Un ejemplo lo representa el gen responsable del albinismo en la rata, que es causado por un alelo recesivo que impide la pigmentación cuerpo del animal. En 1966 De Fries pone de manifiesto que este alelo no solo afecta a la coloración del animal sino también al grado de emocionalidad del mismo. Se introduce al animal en un recinto circular, amplio y fuertemente iluminado; y cuando De Fries somete a este test a ratones pigmentados y albinos, comprueba que los albinos obtienen puntuaciones más bajas de actividad y puntuaciones más altas en defecación, porque eran más reactivos emocionalmente que los pigmentados. El alelo responsable del albinismo, además de causar una falta de pigmentación, tendría un efecto pleitrópico sobre su emocionalidad.
Epistasia. La tercera ley de Mendel pone de manifiesto que cuando analizamos la herencia simultánea de dos caracteres, la segregación obtenida en la F2 es consecuencia de la combinación independiente de los alelos de los genes responsables de esos dos caracteres. Pero existen casos que parecen contradecir la citada ley, porque la concordancia entre la proporción fenotípica esperada y obtenida cuando analizamos la herencia de dos caracteres simultáneamente es debida al fenómeno que se conoce como epistasia, que consiste en la interacción entre genes que determinan distintos rasgos de tal forma que un gen enmascara el efecto del otro.
2. Teoría cromosómica de la herencia.
Los genes son fragmentos de ADN y ocupan un sitio en los cromosomas. Debido al estudio de diversos investigadores nace la teoría cromosómica de la herencia donde se señala que los genes están ordenados de forma lineal sobre los cromosomas ocupando determinado lugar. Los factores de Mendel, los genes, ya tenían un sustrato biológico, los cromosomas, el vehículo en el que viaja la información de célula a célula y de generación en generación. Durante la división celular, los cromosomas son fácilmente visibles y presentan aspectos distintos que permiten diferenciarlos unos de otros. La mayoría de las células eucariotas tienen dos juegos de cromosomas, porque suelen ir en parejas. A las células que tienen estas características se les llaman diploides. Cada miembro de la pareja cromosómica procede de un progenitor. A los miembros de un mismo par cromosómico se les llama cromosomas homólogos. Por su parte las células que presentan un solo juego de cromosomas reciben el nombre de haploides. Los gametos son un ejemplo. La dotación cromosómica se representa mediante la letra n. La dotación cromosómica de las células diploides será 2n. Al conjunto de todos los cromosomas de una célula se le llama cariotipo. Las dotaciones cromosómicas son bastante variadas según las distintas especies, yh pueden ir desde los dos cromosomas que presentan las células diploides de la lombriz intestinal, a los 1260 que tienen las células del helecho indio. En cada cromosoma se halla un número concreto de genes que guarda la información sobre distintas características. En el conjunto de cromosomas de cada célula se encuentra recogida toda la información acerca de todas las características del organismo.
a. Cromosomas sexuales. Hay una pareja de cromosomas que difieren y que van asociados al sexo de individuo. Los cromosomas sexuales X e Y son muy diferentes. Las mujeres presentan dos cromosomas X y los varones un cromosoma X y otro Y. Al sexo femenino se le llama sexo homogamético. Los varones son heterogaméticos. El hecho de que en el varón los cromosomas sexuales no sean homólogos hace que los loci situados en los cromosomas X e Y no se puedan presentar ni en homocigosis ni en heterocigosis. Los varones solo pueden tener uno de los alelos posibles para los loci situados en los cromosomas sexuales. A esta situación se le llama hemicigosis y es la causa de que los varones presenten mayor incidencia de ciertas enfermedades relacionadas con los genes situados en el cromosoma X.
b. Meiosis. La meiosis es un particular división que tiene lugar en los gametos. La reproducción sexual representa importantes ventajas de cara a la variabilidad genética porque implica la unión de dos células procedentes de dos individuos de distintos sexo. Estas células son los gametos y si la dotación cromosómica de éstos fuese diploide (2n) el individuo resultante sería tetraploide (4n), es decir, tendría cuatro juegos de cromosomas. Si no existiese un proceso que redujese a la mitad el número de cromosomas de los gametos, la reproducción sexual no podría llevarse a cabo, porque se duplicaría la dotación cromosómica en cada generación y sería inviable. La meiosis se lleva a cabo en dos etapas. La primera consiste en dividir la célula 2n de tal manera que cada célula hija reciba un único y completo juego de cromosomas de cada célula madre, que pase a haploide (n). Esta etapa se llama Miosis I. Comienza con la Profase I, en la que los cromosomas homólogos se aparean de dos en dos, punto por punto, a lo largo de toda su longitud, formando lo que se llama bivalentes. También recibe el nombre de Tétrada en referencia a las cuatro cromátidas del bivalente; dos por cada cromosoma homólogo. A través del apareamiento de los homólogos se produce el fenómeno del entrecruzamiento, mediante el cual se lleva a cabo la recombinación génica, el intercambio de genes de un cromosoma homólogo a otro. La siguiente etapa es la Metafase I, donde los bivalentes se insertan en las fibras del uso, adoptando una ordenación circular. La metafase I continúa con la Anafase I, en la que se separan los cromosomas de los bivalentes, emigrando n cromosomas a cada polo. Finalmente en la Telofase I los cromosomas se sitúan en ambos polos de la célula, se desespiralizan y se produce la citocinesis dando lugar a dos células hijas con n cromosomas. Por haberse reducido el número de cromosomas a la mitad, a esta división se le denomina también división reduccional.
c. Recombinación y ligamiento. En la profase I se efectúa el emparejamiento de los cromosomas homólogos dos a dos y se producen intercambios de alelos entre los cromosomas de la pareja de homólogos. Es el sobrecruzamiento o entrecruzamiento y se pone de manifiesto por la aparición entre las cromátidas de los bivalentes, de puntos de cruce, en forma de X, llamados quiasmas. En cada uno de los cromosomas homólogos se encuentran los mismos genes en los mismos loci. El sobrecruzamiento hace que los loci de uno y otro cromosoma homólogo aparezca, tras este proceso, una nueva combinación de alelos. A este proceso, consistente en la combinación de los alelos de los cromosomas homólogos, se le denomina recombinación génica. La consecuencia de la recombinación génica es la aparición, en un mismo cromosoma del gameto, de alelos de los progenitores. La gran importancia de la recombinación génica es la variabilidad que genera. No siempre es posible efectuar intercambios entre los loci de los cromosomas homólogos mediante sobrecruzamiento, porque este proceso se produce a través de quiasmas, y cuanto más juntos estén dos loci, menos probabilidad habrá de que exista entrecruzamiento entre ellos. Cuando dos genes tienen nula o baja tasa de recombinación entre ellos, se dice que existe ligamiento entre esos dos genes. Si esto ocurre la ley de la combinación independiente de Mendel queda enmascarada, como ocurría en el fenómeno de la epistasia, pero en este caso sucede a nivel genotípico y fenotípico. El descubrimiento de estos hechos fue lo que permitió poner de manifiesto a principios del siglo XX poner de manifiesto que los genes se encontraban en los cromosomas de una forma ordenada.
3. Tipos de transmisión génica.
Hay rasgos de un organismo que pueden estar determinados por un solo gen, pero también pueden estarlo por varios genes, como en el caso de la altura de una persona o de su inteligencia. En el primer caso se habla de herencia monogénica, y el segundo de herencia poligénica. A los primeros rasgos se les llama mendelianos, porque fueron con los que trabajó Mendel. Se pueden hacer cruces con animales y plantas, y no en el caso humano, como es evidente. Por ello se recurre al estudio del patrón de transmisión del carácter. Dicho patrón se establece a través de la información recogida de la familia en la que se detecta el carácter a estudiar. Esta información se puede resumir presentándola en forma de genealogía o pedigrí, donde se recogen mediante símbolos los parentescos y la manifestación del rasgo estudiado y del mayor o menor número de miembros y generaciones en la familia. Los patrones de transmisión de un carácter mendeliano dependen de dos factores: la localización del sitio que ocupa o locus, el gen implicado en el cromosoma y la expresión fenotípica del carácter en cuestión. La localización puede ser autosoma, nombre que se le da a cualquiera de los cromosomas que no sean sexuales, o ligada a cromosomas sexuales. En cuanto a la expresividad fenotípica, el principal número de loci estudiados, responden a una relación de dominancia y recesividad.
• Transmisión autosómica dominante. En este tipo tanto los homocigotos como los heterocigotos manifestarán el carácter. Un caso se da en la enfermedad de Huntintong causada por un único gen dominante situado en el cromosoma 4. Esta enfermedad es hereditaria y deteriora progresivamente el sistema nervioso central, que conduce a la pérdida del control motor, demencia progresiva y muerte, no más de veinte años después de que se manifiesta la enfermedad. El médico que la descubrió y le dio nombre comprobó que siempre uno de los progenitores del paciente estaba afectado, poniendo en evidencia su carácter dominante. Al tener la misma incidencia en varones y mujeres, no está ligada al sexo y es autosómica. La enfermedad afecta a personas casi siempre menores de cuarenta años, lo cual contribuye a que el gen se mantenga en la población.
• Transmisión autosómica recesiva. Solo los homogocitos manifiestan el carácter y cada uno de los progenitores debe tener en su genetipo a menos un alelo para ese locus. Los heterogocitos no manifiestan el rasgo pero son portadores del alelo que lo causa, y dependiendo del genotipo de su pareja, los descendientes tendrán diferentes probabilidades de presentar el rasgo en cuestión. Dependiendo de la enfermedad, la capacidad reproductora de los afectados se podrá ver disminuida en mayor o menor grado. Pero incluso en el caso que no transmitan el alelo a sus descendientes, permanecerán en la población a causa de los portadores. Este tipo de alelos está asociado a familias en las que el alelo en cuestión se mantiene durante muchas generaciones sin que se manifieste la enfermedad en ningún miembro. Algún ejemplo de este tipo podemos hallarlo en la enfermedad de Tay-Sachs, donde el gen involucrado tiene una presencia muy baja en la población general, pero que se suele dar entre los judíos ashkenazi de Norteamérica, a causa de su alta consanguineidad. La presencia del alelo recesivo provoca una carencia enzimática que hace que se acumule un metabolito en las neuronas, impidiendo su correcto funcionamiento. La enfermedad se manifiesta a partir de los seis meses con un deterioro neurológico progresivo que provoca ceguera, retraso mental y físico y termina con la vida del paciente antes de que alcance los tres o cuatro años.
• Transmisión ligada al sexo. De los dos cromosomas sexuales (X e Y), el mayor trastorno suele ir aparejado al cromosoma X y suelen ser de carácter recesivo. Las mujeres presentan dos cromosomas X y los varones solo tienen uno. Por eso las variantes fenotípicas causadas por los alelos recesivos del cromosoma X sólo se manifiestan en las mujeres cuando los alelos implicados estén en homocigosis, y por el contrario en los varones aparecerán en el momento en que los porte su único cromosoma X. Tanto hijos como hijas heredan de su madre un cromosoma X; y el caso del varón, transmite a su hija su cromosoma X y a su hijo el Y. Por eso los varones no pueden heredar de sus padres variantes fenotípicas ligadas a su cromosoma X, y si las pueden heredar las hijas; pero el que las manifiesten o sea portadoras dependerá del genotipo de la madre. Esto hace que aparezca el fenómeno que se conoce como alternancia de generaciones, consistente en que tanto el abuelo como el nieto presentan la variante fenotípica en cuestión, pero no los individuos de la generación intermedia, siempre que la abuela no la presentase ni fuese portadora. Existen varios ejemplos de enfermedades recesivas ligadas al cromosoma X. Una de ellas es la ceguera de los colores, que está ligada a la ausencia de un pigmento visual involucrado en la recepción de determinadas longitudes de onda asociadas a la percepción del color, y que se da más en hombres que en mujeres. Las personas afectadas son incapaces de distinguir el color rojo del verde. El primer análisis científico de la enfermedad lo llevó a cabo Dalton, y por eso la enfermedad se llama también daltonismo. La hemofilia A es otro tipo de enfermedad recesiva ligada a cromosoma X. El alelo responsable causa una deficiencia que impide que la sangre coagule normalmente.
4. La naturaleza del material hereditario.
¿Cuál es la naturaleza química de gen? Durante un tiempo las proteínas fueron las candidatas para ser consideradas las moléculas de la herencia. Pero fue el ADN aislado por Meischer en 1869 la molécula que resultó poseer todas las características necesarias para permitir poner de manifiesto las diversas propiedades gracias a su estructura helicoidal. Watson y Crick proponen la estructura de la molécula de ADN para explicar las bases moleculares de la herencia biológica y que por su trascendencia se ha equiparado a las aportaciones de Mendel y Darwin. El ADN está formado por secuencias de nucleótidos, que son sustancias compuestas por una molécula de ácido fosfórico y otra de hidrato de carbono, más otra de una base nitrogenada. En el ADN estos nucleótidos forman dos cadenas, cada una en espiral, enroscada una sobre otra formando una doble hélice. Esto se consigue gracias a una disposición concreta de las moléculas que forman cada nucleótido del ADN. La espira la marca de sucesión de las moléculas de desoxirribosa y ácido fosfórico de cada nucleótido, mientras que las bases nitrogenadas se sitúan en el interior. La unión entre las dos cadenas de nucleótidos que forman el ADN se lleva a cabo a través de puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases púricas de una cadena y las pirimidinicas de la otra. Hay restricciones en las uniones entre las bases nitrogenadas: la adenina solo se aparea con la timina, mientras que la citosina lo hace solo con la guanina. A esta relación restrictiva entre las bases se las denomina complementariedad y hace que las dos cadenas de nucleótidos del ADN sean complementarias entre sí.
5. Las copias para la herencia; duplicación de ADN.
La complementariedad de las bases nitrogenadas de las dos cadenas que forman el ADN, al mismo tiempo que restringe los apareamientos entre las bases, hace posible la duplicación del ADN y con ello que éste cumpla una de las propiedades apuntadas como indispensable para que una molécula sea candidata a contener la herencia genética: la posibilidad de que la información pueda ser copiada fielmente con el fin de transmitirla a la siguiente generación. Las características fundamentales del proceso de replicación del ADN son prácticamente similares en todos los organismos. Hay científicos que han demostrado que la replicación del ADN es semiconservativa, es decir, que a partir de una molécula de ADN se obtienen dos, cada una de las cuales porta una hebra del ADN que se ha duplicado. Cuando el proceso concluye las dos nuevas moléculas de ADN se separan, y ambas se llevan una hebra antigua y otra nueva, pero las dos son idénticas y la información puede ser transmitida a otra generación.
6. La expresión génica: la información en acción.
En 1919 el médico inglés Garrod publica Errores congénitos del metabolismo, en el que se señala que algunas enfermedades hereditarias son causadas por el efecto que la herencia ejerce sobre el metabolismo de determinadas sustancias. Garrod propone un nexo de unión entre genes y fenotipo: el metabolismo. Pero la idea pasó desapercibida hasta el año 1941, con Beadle y Tatun, que descubren que el tratamiento con rayos X del material hereditario del hongo de pan provoca la desaparición o modificación de algunos de sus sistemas enzimáticos y con ello la alteración de su metabolismo. Nace la hipótesis de un gen, una enzima y se plantea que los genes regulan las características de los organismos a través de las enzimas que intervienen en todos y cada uno de los procesos metabólicos que acontecen en el organismo. Esto fue confirmado luego cuando se establece que un gen es la consecuencia de nucleótidos de ADN en el que se halla codificada la naturaleza y el orden en el que se ensamblan los aminoácidos de una enzima. Pero hubo que ampliar esta afirmación al comprobarse que el gen no solo guarda la información referente a la secuencia de aminoácidos de los enzimas, sino de todos y cada uno de los polipéptidos que se sintetizan en una célula. Estos genes se denominan genes estructurales para diferenciarlos de aquellas otras secuencias de ADN que aportan otro tipo de información. En 1970 Crick propone el llamado dogma central de la Biología, en el que establece el flujo que sigue la información genética. Este flujo se inicia en el ADN a través del proceso de replicación o bien ser transferida a una molécula de ARN, mediante el denominado proceso de transcripción. Desde el ARN la información a través del proceso de traducción se expresa en una secuencia polipeptídica.
La Transcripción.- El ADN de los eucariotas se encuentra en el núcleo celular, mientras que la maquinaria necesaria para la síntesis de proteínas se halla en el citoplasma. En ocasiones el ADN no puede viajar hasta el citoplasma para transmitir las instrucciones necesarias y hace falta que se produzca un determinado polipéptido. A este proceso se le llama transcripción, a la copia de la información desde el gen a un ARN, al que se le llama ARN mensajero (ARNm). El proceso de transcripción es catalizado por un enzima perteneciente al grupo de las ARN polimerasas. Se siguen unas reglas de complementariedad y la ARN polimerasa se une a una región específica situada por delante del gen que se va a transcribir, al que se llama promotor; y desde esta región se inicia la síntesis del ARNm.
Maduración del ARN. En algunos procariotas y en casi todos los eucariotas los ARNm experimentan una modificación en su estructura una vez sintetizados. La secuencia codificadora no está colocada de manera continua en el ARNm, sino disgregada en varias secuencias a lo largo de la transcripción y separada por segmentos no codificantes llamados intrones, para diferenciarlas de las que si guardan información, las secuencias codificantes, que se llaman exones. En los eucariotas los intrones representan un porcentaje mayor de la secuencia génica que el dedicado a los exones. A través de un proceso llamado de maduración o procesamiento se eliminan los intrones y se colocan secuencialmente los exones, obteniéndose un ARNm maduro que porta la secuencia lineal de un polipéptido funcional.
El lenguaje de la vida: el código genético. Es el conjunto de reglas mediante las cuales se establece la relación entre la ordenación lineal de nucleótidos de la molécula ADN y la ordenación lineal de aminoácidos de los polipéptidos. El ADN contiene la información acerca de las secuencias de todos los polipétidos del organismo y esa información debe ser guardada de forma cifrada de acuerdo a un código. El ADN tiene cuatro tipos de nucleótidos, es decir, la información que porta usa un alfabeto de cuatro letras. Pero los polipétidos utilizan veinte, con lo cual surge un problema. Para solucionarlo, los científicos idean un sistema: se combinan las cuatro bases de dos en dos y así el ADN puede guardar información de 16 aminoácidos, aunque sea insuficiente. En la década de los sesenta algunos científicos y entre ellos Severo Ochoa dicen que la base del código genético es el triplete en el ADN o codón en el ARNm y está constituida por una secuencia de cualquiera de los tres nucleótidos de los cuatro posibles (adenina, guanina, citosina y timina). Las distintas ordenaciones en que pueden aparecer los nucleótidos en triplete, especifica un aminoácido. El código genético tiene las siguientes propiedades:
1) Es un redundante o un degenerado, lo cual quiere decir que un aminoácido puede ser codificado por más de un codón.
2) Es un código sin superposición, porque un nucleótido solo pertenece a un codón y no a varios
3) La lectura es lineal y sin comas
4) Es universal, sirve para prácticamente todos los seres vivos.
La traducción. Es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm en un alfabeto de cuatro letras, es convertida, siguiendo las reglas del código genético al alfabeto de 20 letras de los polipéptidos.
7. Los errores que nos matan y nos hacen evolucionar: la mutación.
El término mutación hace referencia a cualquier cambio permanente en el material génico no debido a la segregación independiente de los cromosomas o a la recombinación que ocurre durante el proceso de meiosis. Las mutaciones se producen al azar y en general son perjudiciales, pero en alguna ocasión ayudan a la selección natural. Una fuente de mutación es la propia replicación del ADN, proceso en el que se calcula que se produce la inserción de un nucleótido erróneo una vez por cada 1010 pares de bases. Además de estas mutaciones espontáneas que ocurren como consecuencia de la naturaleza del ADN, la mutación se ve favorecida por la acción de numerosos agentes químicos y físicos distribuidos en el medio ambiente. A estos agentes se les denomina mutágenos y su naturaleza es diversa; entre ellos están los rayos X o los gamma, o el ácido nitroso. Al afectar al material hereditario la mutación es transmitida a las células hijas. Si la mutación afecta a las células que producen los gametos o a ellos mismos, el cambio en la información guardada en el material genético se transmitirá a los descendientes. Si la mutación afecta al resto de las células, a las que dan lugar a los tejidos, se le denomina mutación somática. Uno de los efectos de mutación sobre una célula somática es el mosaicismo somático, a aparición en un individuo o en un tejido de dos líneas celulares que difieren genéticamente. Las mutaciones somáticas se van incrementando a lo largo de la vida a consecuencia de los errores fortuitos que se producen durante la duplicación del ADN y por los agentes mutágenos. El resultado es un deterioro de la información genética que conduce al envejecimiento. Las alteraciones pueden ser diversas:
a) Mutaciones genómicas que afectan a cromosomas completos y hacen que cambie el número de los mismos y el individuo
b) Mutaciones génicas, que son las que modifican un solo gen
c) Mutaciones cromosómicas, que ocurren en una parte del cromosoma e involucran a varios genes
d) Polimorfismo de un nucleótido, como por ejemplo los grupos sanguíneos.
8. Niveles de organización del ADN: el cromosoma eucariótico.
El cromosoma es la molécula de ácido nucleico que actúa como portadora de la información hereditaria. Por tanto es el ARN de algunos virus, la molécula de ADN de los procariotas y cada una se encuentra en el núcleo de la célula eucariota. En eucariotas el aspecto material hereditario varía desde la estructura claramente definida que representa el cromosoma metafásico, a una estructura amorfa y disgregada durante la interfase celular, que recibe el nombre de cromatina. Cada cromosoma está constituido por una sola molécula de ADN unido a proteínas. Estas son de varios tipos pero las principales pertenecen a la familia de las denominadas histonas, que son pequeñas proteínas de carácter básico cuya misión es permitir que el ADN se condense de una forma ordenada alcanzando los diferentes niveles de organización. El nivel de organización más elemental es el que se alcanza a través de la unión de varios tipos de histonas. Esta unión da lugar a una estructura llamada nucleosoma y representa la unidad básica de condensación del ADN. En los eucariotas el estado menos condensado del ADN es una estructura formada por nucleosomas distribuidos a lo largo del material hereditario como si fuesen las cuentas de un rosario. Esta disposición hace que el ADN disminuya al menos siete veces su longitud. Los nucleosomas, una vez formados, se repliegan unos sobre otros de manera ordenada formando una fibra de 30 mm de espesor, y representa el siguiente nivel de organización en el material hereditario. La condensación de ADN a lo largo de ciclo celular varía desde el estado de cromatina al de cromosoma metafásico. Pero la cromatina tampoco presenta un estado homogéneo de compactación y se distinguen dos tipos de cromatina: la eurocromatina, que representa un empaquetamiento menor, y la heterocromatina, que es la porción de cromatina más condensada. El cromosoma eucariótico es más complejo que el procariótico y un 10% está compuesto por segmentos cortos que se repiten millones de veces y constituye el ADN altamente repetitivo. Otro 20% del ADN está formado por segmentos de unos pocos centenares de pares de bases que se repiten más de mil veces y forman el ADN moderadamente repetitivo. La función del primero no es conocida y no hay pruebas de que se transcriba. Una porción del ADN moderadamente repetitivo está formado por secuencias que no se transcriben y sólo sirven como zonas de conocimiento para la actuación de determinadas enzimas. Otra parte está constituida por genes que se encuentran en múltiples copias o los genes de las histonas. El conjunto de todos los genes que portan los cromosomas de un individuo constituyen su genoma. No todo el segmento asociado a un gen es traducido a proteínas y la mayor parte de los genes eucariotas tienen intercalados intrones. Parte de los segmentos no codificadores que no son intrones están relacionados con la regulación de la expresión génica y se llaman secuencias reguladoras, cuya función es marcar el punto de comienzo de la replicación.
9. Regulación de la expresión génica.
Cada célula del organismo se ha originado por sucesivas mitosis de una única célula: el cigoto. Todas las células de un individuo portan la misma información, tienen idénticos genes en sus núcleos. Pero durante el desarrollo las células toman distintos destinos que se diferencia morfológica y fisiológicamente, formando diversos tejidos, que luego darán lugar a órganos. Dentro de la célula ya diferenciada, el metabolismo celular varía a lo largo de su ciclo vital. Distintas rutas de síntesis, anabolismo o degradación, catabolismo, se activan o desactivan en función de las necesidades puntuales que la célula deba satisfacer. En función del alcance que tenga en el tiempo la regulación de la expresión génica, podemos distinguir varias clases:
Regulación de la expresión génica a corto plazo. Está relacionada con el control del metabolismo celular y produce alteraciones pasajeras de la expresión génica. En este proceso están implicados un tipo especial de genes, los genes reguladores, que codifican la secuencia de las denominadas proteínas reguladoras o factores de transcripción. Para ello se unen de manera selectiva a una región específica del ADN situada al inicio de los genes estructurales; la secuencia reguladora, impidiendo la unión del ARN polimerasa y por tanto la expresión del gen estructural. Las proteínas reguladoras se unen específicamente a esas regiones del ADN porque las estructuras tridimensionales son complementarias. A veces la conformación espacial adecuada para que la proteína pueda unirse a la secuencia reguladora depende de la interacción que establezca con otras moléculas denominadas correpresores o inductores. Los primeros son moléculas que necesitan acoplarse a algunas proteínas reguladoras para adoptar la conformación espacial adecuada. Un caso especial de correpresores es el ARN de interferencia (ARNi), que bloquea la expresión de genes con una extraordinaria especificidad y desempeña una función esencial en la regulación del desarrollo y plasticidad neuronales. Los inductores son moléculas que cuando se unen con proteínas reguladoras hacen que cambie su estructura tridimensional que les impide unirse al ADN permitiendo con ello que el gen pueda ser transcrito. El modelo del operon propuesto en 1961 por Jacob y Monod es un ejemplo.
Regulación de la expresión génica a largo plazo. Los homeogenes juegan un papel muy importante en la diferenciación de las estructuras corporales y se encuentran en todos los animales. En la diferenciación celular están involucrados otros mecanismos de activación génica permanente como la metilación y la condensación del ADN. La metilación es una reacción catalizadora mediante la cual se inserta un grupo metilo en la base hidrogenada de los nucleótidos, lo cual evita la transcripción del gen afectado. Los procesos que conducen a los diferentes grados de condensación impiden que el ARN polimerasa pueda acceder a los respectivos promotores. Mediante la metilación y la condensación se consigue que cada tipo celular exprese determinadas propiedades y son procesos que suelen suceder en las primeras etapas de desarrollo. Un ejemplo de estos mecanismos lo representa la inactivación del cromosoma X. Sólo en las hembras, durante la interfase celular aparecía en el núcleo una masa de cromatina llamada corpúsculo de Barr. Mary Lyon dice que en las células somáticas de las hembras solo un cromosoma X está activo mientras el otro aparece condensado, por lo cual también se le llama cromatina sexual. La inactivación comienza al principio de la vida embrionaria y como consecuencia las mujeres que son heterocigótas para algún locus situado en el cromosoma X, presenta dos poblaciones celulares, atendiendo a qué cromosoma X esté activo. A este fenómeno se le llama mosaicismo.
BIBLIOGRAFÍA:
• Fundamentos de Psicobiología (UNED)