1. GENÉTICA MOLECULAR

Transcripción

1 PROGRAMACIÓN: 3. LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA BLOQUE III. DÓNDE ESTÁ LA INFORMACIÓN DE LOS SERES VIVOS? CÓMO SE EXPRESA Y SE TRASMITE? LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA. 1. Genética molecular El ADN como portador de la información genética ADN y cromosomas Concepto de gen Conservación de la información: la replicación del ADN Expresión de la información genética (flujo de la información genética): transcripción y traducción en procariotas y eucariotas El código genético Alteraciones de la información genética Concepto de mutación Causas de las mutaciones Consecuencias de las mutaciones Consecuencias evolutivas Efectos perjudiciales. 2. Genética mendeliana 2.1. Conceptos básicos de herencia biológica Genotipo y fenotipo Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia Leyes de Mendel Cruzamiento prueba y retrocruzamiento Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas Teoría cromosómica de la herencia Los genes y los cromosomas Relación del proceso meiótico con las leyes de Mendel Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo. 1. GENÉTICA MOLECULAR El estudio de los genes a nivel molecular, empleando los métodos propios de la Genética y de la Biología Molecular se denomina Genética Molecular. El conocimiento preciso de la química de los ácidos nucleicos se demoró bastante con respecto al de otras biomoléculas orgánicas, probablemente debido a su mayor complejidad estructural. En los primeros años del S. XX fueron identificados sus componentes moleculares (pentosas, bases nitrogenadas y ácido fosfórico). Se sabía que los genes están en los cromosomas y que éstos están formados por ADN y proteínas. En este contexto histórico, con un conocimiento bastante avanzado de la estructura química de las proteínas y relativamente pobre de la de los ácido nucleicos, un buen número de investigadores se decantó inicialmente por las proteínas como principales candidatas a constituir la base química de la herencia. En los próximos apartados comprobaremos que el tiempo y los hechos demostraron que estaban equivocados EL ADN COMO PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA En 1928 Frederich Griffith estudiaba el proceso de infección en ratones por la bacteria Streptococcus pneumoniae, más conocido como "neumococo". El neumococo debe su carácter patógeno a una cápsula de polisacáridos que lo protege de los mecanismos de defensa del animal infectado. Griffith había aislado una cepa mutante (cepa R) de esta especie, que había perdido su capacidad para sintetizar esta cápsula y que resultaba por lo tanto vulnerable a dichos mecanismos de defensa: los ratones inoculados con bacterias de esta cepa no contraían la neumonía y por consiguiente sobrevivían, mientras que los ratones inoculados con la cepa capsulada (cepa S) enfermaban de neumonía y morían. En el curso de sus investigaciones mezclados con una muestra de bacterias S patógenas previamente Griffith descubrió con sorpresa que los ratones inoculados con mutantes R no patógenos muertas por efecto del calor, contraían la neumonía y morían a las pocas horas. Las bacterias recuperadas de la sangre de los ratones muertos habían recuperado su capacidad para sintetizar la cápsula de polisacáridos y con ello su carácter patógeno. El contacto con las bacterias S había producido en las bacterias R una transformación R S que se transmitía a las sucesivas generaciones celulares. 110

2 Más significativo aún resultó el hecho de que la transformación se produjese como consecuencia del contacto de cultivos de bacterias R creciendo en contacto con un "extracto libre de células" de bacterias S, es decir, no era imprescindible la estructura celular intacta de las bacterias S muertas sino que una disolución de sus componentes moleculares solubles era suficiente. Las bacterias de la cepa S, capsuladas, son virulentas. Las de la cepa R, no capsuladas, no son virulentas. Las de la cepa S muertas por calor, no son virulentas. Experimento de Griffith y sus conclusiones Algún componente de las S transforma a las R en virulentas. adquieren virulencia El experimento de Griffith sirvió de base para que, en 1944 Olwald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty obtuvieran la primera prueba de que el ADN es el material genético, y no las proteínas como se creía hasta entonces. Avery, McLeod y McCarty se propusieron identificar, en el extracto libre de células que se ha mencionado, la naturaleza química del "principio transformante" responsable del fenómeno observado. Para ello llevaron a cabo un fraccionamiento sistemático del extracto libre de células y ensayaron la capacidad transformante de las distintas fracciones sobre cultivos de bacterias R. Tras ensayar con distintas fracciones del extracto (lípidos, glúcidos, proteínas, etc.) con resultados negativos, comprobaron que la fracción que contenía los ácidos nucleicos inducía eficazmente la transformación. Un fraccionamiento ulterior llevó a la conclusión de que el principio transformante buscado no era otro que el ADN bacteriano. El componente de las S que transforma a las R en virulentas es el ADN. 111

3 ADN Y CROMOSOMAS Como ya se estudió en el apartado EL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO, el nivel más bajo de empaquetamiento ADN en los cromosomas es la fibra de cromatina de 300 Å, pero esta fibra aún ha de empaquetarse mucho más, hasta reducir su longitud casi veces en relación a la longitud de la doble hélice extendida. Durante la metafase, en los cromosomas se alcanza el máximo nivel de empaquetamiento de la fibra de cromatina. Por ello, es en esta fase donde aparecen más cortos y gruesos. La relación entre herencia y cromosomas fue propuesta en 1902 en la Teoría Cromosómica de la Herencia desarrollada independientemente por Theodor Boveri y Walter Sutton y definitivamente corroborada por Thomas Hunt Morgan en 1915 mediante sus estudios realizados en Drosophila melanogaster CONCEPTO DE GEN Gregor Mendel ( ) propuso la idea original de factores hereditarios para designar a los responsables de la transmisión de los caracteres de una generación a la siguiente, pero el término gen fue introducido años más tarde, en 1909, por el botánico danés Wilhelm Johannsen refiriéndose a la unidad física y funcional de la herencia biológica. Desde que fuera acuñado por Johannsen, el concepto de gen ha cambiado mucho a lo largo del tiempo: En 1948, George Beadle y Edward Tatum recibieron el Premio Nobel por los trabajos que les llevaron a enunciar la hipótesis Un gen una enzima, según la cual, un gen es un fragmento de cromosoma que codifica la síntesis de una enzima. Así se pasó de la equivalencia GEN CARÁCTER, a la equivalencia GEN ENZIMA. Más tarde surge el concepto de gen como lo que actualmente se llama un cistrón: la cadena de ADN capaz de dirigir la síntesis de un ARN que codifica para un polipéptido, es decir, la equivalencia pasa a ser GEN POLIPÉPTIDO. Este es el Dogma Central de la Biología Molecular y surge al comprobar que la mayoría de las proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica y que cada una de ellas está codificada por un gen diferente. 112

4 Actualmente, se sabe que algunos genes codifican más de un polipéptido y que una proteína puede ser codificada por varios genes. La existencia de genes solapantes rebate la hipótesis de un gen un polipéptido. Además existen algunos genes que no codifican proteínas sino ARN con función propia (ARN transferentes y ARN ribosómicos, por ejemplo) y que no se traducen, por lo que no es necesaria la traducción para que un gen tenga una función determinada. Según el concepto moderno de gen propuesto por Benjamin Lewin (2001): Un gen es una secuencia lineal de nucleótidos de ADN o ARN que es esencial para una función específica. La realización de esta función no siempre requiere de la traducción del gen ni tan siquiera su transcripción CONSERVACIÓN DE LA INFORMACIÓN. LA REPLICACIÓN DEL ADN Antes de que una célula se reproduzca por división, su material genético debe ser copiado para que las dos células hijas dispongan una copia completa del mismo. La complementariedad de bases nitrogenadas a lo largo de la doble hélice permite que cada una de las dos cadenas polinucleotídicas que la forman pueda ser utilizada como molde para sintetizar una nueva cadena complementaria. Este mecanismo fue propuesto por Watson y Crick en 1953 y fue conocido como replicación semiconservativa MODELOS DE REPLICACIÓN Aunque el modelo de replicación semiconservativa propuesto por Watson y Crick pareció acertado desde un principio, se plantearon algunos modelos alternativos que no podían ser descartados a priori. Uno de ellos era el modelo de replicación conservativa, según el cual la doble hélice original, sin perder su integridad, sirve de patrón para sintetizar una doble hélice hija totalmente nueva, de manera que la doble hélice original se conserva intacta a lo largo de las sucesivas generaciones celulares. Otro era el modelo de replicación dispersiva, según el cual la doble hélice original se descompone en infinidad de pequeños fragmentos, cada uno de los cuales sirve de molde para sintetizar un fragmento complementario siguiendo las reglas de emparejamiento de bases; a continuación los fragmentos resultantes se unen en el orden correcto para dar lugar a dos dobles hélices hijas cada una de las cuales contiene fragmentos de la original y fragmentos de nueva síntesis. El experimento realizado por M. S. Meselson y F. W. Stahl en 1957 demostró que el modelo semiconservativo propuesto por Watson Y Crick era el correcto: El diseño experimental se basó en el uso de dos isótopos del nitrógeno: el isótopo más abundante en la naturaleza ( 14 N) y un isótopo pesado ( 15 N). 113

5 1. En primer lugar dispusieron un cultivo de la bacteria E. coli creciendo durante varias generaciones sobre un medio en el que la única fuente de nitrógeno contenía el isótopo pesado del nitrógeno ( 15 N). De este modo, el isótopo 15 N se incorporaba al ADN. 2. A continuación transfirieron bacterias a un medio de cultivo con nitrógeno ligero 14 N, de manera que, a partir del instante de la transferencia, todo el DNA nuevo que se sintetizase incorporaría exclusivamente nitrógeno ligero. 3. Seguidamente, a intervalos de 20 minutos (tiempo de generación de estas bacterias) extrajeron el DNA de sucesivas muestras del cultivo y lo sometieron a centrifugación. Los resultados obtenidos por Meselson y Stahl se ajustaban con precisión a los predichos por el modelo de replicación semiconservativa de Watson y Crick: Todo el DNA extraído tras los 20 primeros minutos consistiría en dobles hélices formadas por una cadena ligera (recién sintetizada, de color azul en el esquema) y otra cadena pesada (la original, de color rosa en el esquema), lo que se traduciría en un DNA de densidad híbrida que en el tubo de la centrífuga ocuparía una posición intermedia entre las correspondientes al DNA pesado y el ligero. Este resultado descartaba totalmente la hipótesis conservativa. Transcurridos otros 20 minutos, es decir, en la segunda generación de bacterias tras la transferencia, la mitad de las dobles hélices serían de densidad híbrida mientras que la otra mitad serían totalmente ligeras, dando lugar en el tubo de la centrífuga a dos bandas en las posiciones correspondientes. Este resultado permitía descartar también la hipótesis dispersiva y confirmar la semiconservativa MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN El proceso de replicación del ADN requiere la intervención de varias enzimas diferentes. La principal es El proceso es diferente si se realiza in vitro o in vivo y presenta algunas diferencias en procariotas y eucariotas. REPLICACIÓN DEL ADN IN VITRO : La reacción en cadena de la polimerasa, conocida como PCR por sus siglas en inglés (Polymerase Chain Reaction), es una técnica cuyo objetivo es obtener in vitro un gran número de copias de un determinado fragmento de ADN. La enzima que une los nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster es la ADN polimerasa y tiene varios requerimientos: Utiliza, como sustratos, desoxirribonucleótidos trifosfato de timina, adenina, guanina y citosina (dttp, datp, dgtp y dctp). De la separación de los dos grupos fosfato sobrantes, obtiene la energía necesaria para la formación de los enlaces fosfodiéster. Necesita iones Mg 2+ como cofactor. Requiere una cadena ADN patrón que utiliza como modelo para sintetizar la complementaria. Requiere un cebador. No actúa de novo, es decir, no puede comenzar una cadena nueva, sino que sólo actúa añadiendo nucleótidos a una cadena ya formada. Actúa en sentido 5 3, añadiendo nucleótidos al extremo 3 de la cadena, nunca al

6 Acción de la ADN polimerasa. Síntesis de ADN in vitro. REPLICACIÓN DEL ADN EN PROCARIOTAS El proceso se lleva a cabo en dos fases: 1. FASE DE INICIACIÓN. La replicación del DNA se inicia en un lugar concreto del cromosoma bacteriano denominado origen de replicación. La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las cadenas complementarias y las va separando a partir del origen. A medida que la doble hélice se va abriendo, otras enzimas, las topoisomerasas, eliminan las tensiones y superenrollamientos que se generan en las zonas adyacentes. El proceso es bidireccional, es decir, una helicasa actúa en un sentido y otra en el contrario, por lo que aparece en la doble hélice un ojo de replicación o burbuja de replicación. 2. FASE DE ELONGACIÓN En primer lugar, una ARN polimerasa (que si puede sintetizar de novo ), llamada primasa, sintetiza un fragmento corto de ARN de unos 10 nucleótidos, denominado primer, que actúa como cebador. A continuación, la ADN polimerasa III va añadiendo desoxirribonucleótidos al extremo 3 del primer. Para ello utiliza desoxirribonucleótidos trifosfato como sustratos, iones Mg 2+ como cofactor, el primer como cebador y la hebra de ADN abierta, como patrón. La nueva hebra que se forma tiene un crecimiento continuo y se llama hebra conductora. Sobre la otra hebra de la burbuja de replicación del ADN, la ARN polimerasa une unos 40 ribonucleótidos en un punto alejado unos 1000 nucleótidos del origen y, a partir de este fragmento de ARN, la ADN polimerasa III une unos 1000 desoxirribonucleótidos hasta llegar al origen y se detiene. 115

7 Este proceso se repite a medida que la helicasa sigue abriendo la doble hélice, por lo que una de las hebras se copia sin interrupciones dando lugar a la hebra conductora, mientras que la complementaria se va copiando a trozos, denominados fragmentos de Okazaki, constituyendo la denominada hebra retardada. Posteriormente, otra enzima, la ADN polimerasa I, retira los segmentos de ARN y los sustituye por ADN. Para terminar, una ADN ligasa, une los fragmentos de la hebra retardada. REPLICACIÓN DEL ADN EN EUCARIOTAS En las células eucariotas, la replicación también es semiconservativa, secuencial, bidireccional, continua en la hebra conductora y discontinua en la retardada, y es llevada a cabo por un equipo de enzimas que actúan de manera muy similar a las estudiadas en procariotas. La replicación del ADN eucariota, sin embargo, presenta una serie de particularidades: Los cromosomas eucariotas presentan múltiples orígenes de replicación, de manera que varias burbujas de replicación están activas simultáneamente y van creciendo en ambos sentidos hasta que se funden con sus vecinas. Cada unidad replicativa, recibe el nombre de replicón. Las ADN polimerasas eucariotas son sensiblemente más lentas que las bacterianas. Tal lentitud se compensa con la existencia de orígenes múltiples de replicación. Los fragmentos de Okazaki son más cortos que los de las células procariotas. La eliminación de los cebadores es realizada por una exonucleasa que es independiente de la ADN polimerasa. No existe una enzima análoga a la ADN polimerasa I de procariotas. La sustitución de los primers de ARN por ADN es realizada por la misma ADN polimerasa responsable de la síntesis de los fragmentos. Mención aparte merece el problema del final de la replicación en los extremos (telómeros) de los cromosomas eucariotas. Este problema no se da en las células procariotas por presentar éstas cromosomas circulares y por lo tanto carentes de extremos: Se ha comprobado que en cada replicación se produce un acortamiento de los telómeros con la consiguiente pérdida de nucleótidos. Para paliar este grave problema, los organismos eucariontes poseen una enzima, la telomerasa, que tiene la función de reparar los telómeros en cada ciclo de división celular evitando así su acortamiento. Sin embargo, la telomerasa va perdiendo actividad en las sucesivas divisiones. Se ha especulado mucho con la idea de que el acortamiento de los telómeros en las células somáticas pueda estar relacionado con los procesos de envejecimiento general del organismo y de que una potenciación de la actividad de la telomerasa en estas células pudiera resultar útil para retrasarlo. Existe un grave inconveniente: la actividad de la telomerasa es particularmente alta en la mayoría de las células tumorales. En realidad, la desactivación de esta enzima en las células somáticas podría funcionar como un eficaz mecanismo de prevención del cáncer. 116

8 EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN Según el Dogma central de la Biología, la información fluye en una única dirección: del ADN a las proteínas, pero hay dos excepciones: el caso de la transcripción de ADN a partir de ARN en algunos virus como el VIH (retrotranscripción) y el caso de la replicación de ARN que también se da en algunos virus, como el del sarampión o el de la rabia. La información contenida en el ADN se replica antes de cada división celular. Esta información se transfiere del ADN al ARN mediante la transcripción, para, posteriormente ser traducida durante la síntesis de proteínas. Algunos virus son la excepción, ya que presentan ARN que es retrotranscrito a ADN y otros, presentan un ARN capaz de replicarse TRANSCRIPCIÓN Los aspectos químicos de la síntesis del ARN son muy similares a los de la replicación del ADN, aunque con ciertas diferencias. Similitudes con la replicación del ADN: La adición de nucleótidos a una cadena de ARN en crecimiento necesita también de nucleótidos trifosfato. La reacción es catalizada por la enzima ARN polimerasa. La ARN polimerasa necesita un molde de ADN o ADN patrón y lleva a cabo la síntesis en dirección 5 3 recorriendo el molde en la dirección opuesta. Diferencias con la replicación del ADN: A diferencia de las ADN polimerasas, la ARN polimerasa puede iniciar cadenas polinucleotídicas colocando un primer nucleótido y añadiendo a éste los siguientes. Otro rasgo importante del proceso de transcripción es su asimetría. En un fragmento dado de ADN sólo se transcribe una de las cadenas de la doble hélice, la llamada hebra codificadora; la otra cadena no contiene información para la síntesis de proteínas. En el proceso de transcripción podemos distinguir tres fases: iniciación, elongación y terminación: 1. FASE DE INICIACIÓN La transcripción se inicia para cada gen o grupo de genes en una secuencia específica de ADN denominada promotor, siendo su característica más apreciable su riqueza en pares A-T. La ARN polimerasa reconoce al promotor y provoca en él el desenrollamiento local de la doble hélice y la consiguiente apertura de una burbuja de transcripción. A continuación coloca el primer nucleótido a una distancia de 10 pares de bases del final del promotor. 2. FASE DE ELONGACIÓN. La ARN polimerasa va añadiendo nucleótidos en dirección 5 3. La misma enzima presenta una actividad helicasa que va abriendo la burbuja de transcripción a medida que avanza. La colocación de los sucesivos nucleótidos se atiene a las reglas de apareamiento de bases 117

9 nitrogenadas: frente a A se coloca U y frente a T, se coloca C y viceversa. La cadena de ARN se va desprendiendo de su molde de ADN a medida que se va sintetizando y la burbuja de transcripción se va cerrando. 3. FASE DE TERMINACIÓN La ARN polimerasa reconoce determinadas secuencias de nucleótidos en el ADN, llamadas terminadores, que constituyen una señal para la interrupción de la síntesis de ARN y el desprendimiento de la enzima con el consiguiente cierre de la burbuja de transcripción. En las células procariotas los ARNm sintetizados son directamente utilizados en los ribosomas para la síntesis de proteínas sin necesidad de ninguna transformación previa, mientras que los productos de la transcripción en las células eucariotas sufren una serie de complejos procesos de maduración. FASE DE MADURACIÓN DEL ARN EN EUCARIOTAS Además de las tres fases anteriores, en eucariotas debemos añadir una cuarta fase para completar la síntesis del ARN: fase de maduración del ARN, que consiste en: Eliminación de los intrones (zonas no codificantes) y unión de los exones (zonas codificantes). Adición de una capucha (CAP) formada por metil-guanosina al extremo 5 Adición de una cola de poli A al extremo TRADUCCIÓN Como se ha comentado con anterioridad, el dogma central de la biología molecular afirma que la expresión génica es un proceso en dos etapas: transcripción y traducción. Distinguiremos en este proceso las siguientes fases: activación de los aminoácidos, iniciación de la cadena polipeptídica, elongación y terminación. 1. ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Consiste en su acoplamiento con su ARNt específico mediante una reacción catalizada por la correspondiente aminoacil-arnt sintasa. La unión se produce entre el grupo carboxilo del aminoácido y el extremo 3 del ARNt. La reacción requiere energía que es aportada por una molécula de ATP con liberación de dos grupos fosfato. 118

10 2. INICIACIÓN DE LA SÍNTESIS La traducción de la secuencia de nucleótidos del ARNm comienza en el triplete de bases AUG, llamado codón de iniciación, que codifica el aminoácido metionina. En las células procariotas existen dos ARNt diferentes que se unen a este aminoácido, uno de ellos es el que interviene en la iniciación y en lugar de metionina transporta su derivado formil-metionina, el otro transporta metionina e interviene cuando este aminoácido se ha de incorporar en cualquier posición de la cadena polipetídica distinta de la inicial. Por el contrario, en las células eucariotas se incorpora metionina en ambos casos. Así pues, la síntesis de cualquier cadena polipeptídica empieza siempre por la metionina o por su derivado formil-metionina, aunque en muchos casos estos aminoácidos son eliminados posteriormente de la cadena. El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. El ARNt iniciador previamente unido a su aminoácido específico (metionina o su derivado formilado) se colocan de manera que el anticodón UAC del ARNt se aparea con el codón de iniciación del mensajero (AUG). El conjunto formado se denomina complejo de iniciación. La subunidad mayor del ribosoma se une al complejo de iniciación. En el seno de la subunidad mayor del ribosoma se distinguen dos espacios destinados a acoger moléculas de ARNt: el centro P (peptidil) y el centro A (aminoacil). El ARNt de iniciación unido a formilmetionina queda situado en el centro P. En las sucesivas etapas de la traducción este centro estará siempre ocupado por un ARNt unido a un péptido y no a un aminoácido. 119

11 3. ELONGACIÓN En esta fase, un aminoácido activado entra en el centro A del ribosoma de manera que el anticodón del ARNt se aparea con el correspondiente codón del mensajero. La formil-metionina unida al ARNt de iniciación se libera de éste y forma enlace peptídico a través de su grupo carboxilo libre con el grupo amino del aminoácido activado entrante que se encuentra en el centro A. De este modo queda el ARNt de iniciación libre en el centro P y el ARNt del segundo aminoácido unido a un dipéptido en el centro A. A continuación, se produce la traslocación del ribosoma, que se desplaza un triplete de bases del mensajero en dirección 5 3. Así, el ARNt unido al dipéptido queda situado en el centro P, quedando libre el centro A para la entrada de un nuevo aminoácido. Los pasos descritos se repiten tantas veces como aminoácidos haya que incorporar a la cadena polipeptídica. 4. TERMINACIÓN La terminación de la cadena polipeptídica se produce cuando el ribosoma llega a alguno de los tres codones sin sentido (UAA, UAG y UGA), que, por no corresponderse con ningún aminoácido, se interpretan como señal de fin de síntesis. Al no existir ningún ARNt que reconozca el codón de terminación, se produce la liberación de la cadena polipeptídica finalizada, la disociación de las dos subunidades del ribosoma y la liberación del ARNt que quedaba en el centro P. A la cadena polipeptídica así sintetizada sólo le resta adquirir su conformación tridimensional para ser una proteína plenamente funcional. 120

12 EL CÓDIGO GENÉTICO. Muy poco después de que Watson y Crick propusieran su modelo para la estructura del ADN, asentado ya el convencimiento de que este ácido nucleico era ciertamente la base química de la información genética, muchos investigadores comenzaron a plantearse el problema del código genético. La teoría un gen un enzima, incorporaba la idea de que la secuencia de aminoácidos del DNA contiene información que especifica la secuencia de aminoácidos de las proteínas. SECUENCIA DE NUCLEÓTIDOS SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS Debía existir, por lo tanto, una clave que relacionase ambos tipos de secuencia, un código que, a modo de diccionario, permitiese a las células vivas traducir la información escrita en el idioma de los nucleótidos al idioma de los aminoácidos. Resultaba evidente que el código no podía consistir en una correspondencia biunívoca entre bases nitrogenadas y aminoácidos, ya que en el DNA sólo hay cuatro bases mientras que hay veinte aminoácidos en las proteínas. Las palabras del código debían, pues, estar formadas por grupos de letras representando cada una a una base nitrogenada. Un sencillo cálculo combinatorio eliminaba la posibilidad de que se tratase de grupos de dos bases, pues de este modo sólo se podrían formar 4 2 = 16 grupos que seguían siendo insuficientes para codificar los veinte aminoácidos. El mismo cálculo realizado para grupos de tres bases indicaba que se podrían formar 4 3 = 64 grupos diferentes. Así pues, a la vista de que tres era el número mínimo de letras por palabra que permitía codificar la totalidad de los aminoácidos, se llegó a la conclusión de que el código genético constaba de tripletes de bases que especificaban los distintos aminoácidos. El definitivo conocimiento de las características del código genético hubo de esperar a que se pudiese descifrar uno a uno el significado de cada uno de los 64 tripletes que lo integran. Esta investigación, que constituye una de las etapas más apasionantes de la biología molecular, se realizó en los primeros años 60 por tres grupos de investigación, uno de ellos dirigido por el Nobel español Severo Ochoa. Las investigaciones fueron realizadas en la bacteria E. coli. Toda la experimentación posterior sustenta la idea de que el código genético es universal: los tripletes del código tienen el mismo significado en todas las células vivas tanto procariotas como eucariotas. Sólo se han descrito algunas excepciones a la regla de universalidad del código que afectan al significado de unos pocos tripletes en los genes de mitocondrias y cloroplastos. Las características principales del código genético son las siguientes: Es universal, aunque presenta un reducido número de excepciones, que afectan a la codificación de determinados tripletes en las mitocondrias y cloroplastos. No presenta solapamientos: cada triplete de bases está implicado en la codificación de un solo aminoácido. Presenta tripletes sinónimos. Se suele aludir a esta propiedad diciendo que es un código degenerado. Esto supone una gran ventaja, ya que evita que muchas de las mutaciones puntuales que se pueden producir, alteren la secuencia de aminoácidos. 121

13 Es un código sin comas : no presenta símbolos espaciadores. La lectura se realiza de corrido partiendo de un triplete de iniciación, que en la mayor parte de los casos es AUG. Este triplete codifica el aminoácido metionina. Presenta 3 tripletes sin sentido: UAG, UGA y UAA marcan el final de la traducción. Existen diferentes formas de representar la equivalencia entre los tripletes de bases del ARNm (codones) y los distintos aminoácidos, por lo que podemos encontrar distintos formatos de código genético o clave genética: La tabla de la derecha es una de las más utilizadas. Para interpretarla basta recordar que la lectura del ARNm va siempre del extremo 5 hacia el 3. Dado un fragmento de ARNm, se separan sus bases en grupos de tres para obtener los codones y, posteriormente, se comprueba cuál es el aminoácido que corresponde a cada codón. La lectura se detiene cuando se llega a un codón sin sentido (UAG, UGA o UAA). Otro modelo es el de la rueda de círculos concéntricos, cuyo círculo central contiene la primera base, en el siguiente está la segunda base y en el siguiente está la tercera base. El circulo externo nos da la lectura del aminoácido que corresponde a cada triplete o codón. Para traducir un ARNm con el modelo de rueda, hay que proceder como en el caso anterior, separando previamente los codones antes de consultar la clave. Es importante indicar los extremos C- terminal y N-terminal de la cadena polipeptídica. Ejemplo: Dado el siguiente ARNm: 5 AUGCAUGGUAUAGGGCCUUAGCACUCC.3 Qué péptido codifica? 5 AUGCAUGGUAUAGGGCCUUAGCACUCC.3 sin sentido NH2- Met His Gli Ile Gli Pro - COOH 122

14 1.2. ALTERACIONES DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Una vez estudiados los procesos de replicación del ADN y transcripción a ARNm, es fácil comprender que, en ocasiones, la información genética resulte alterada si se produce un fallo en alguno de estos dos procesos: Fallos durante la replicación: Las ADN polimerasas pueden confundir dos bases púricas entre sí o dos bases pirimidínicas entre sí durante la copia de una de las cadenas de la doble hélice. La consecuencia es que las dos dobles hélices que se obtienen no serán idénticas y que este error se transmitirá en las duplicaciones sucesivas de la cadena errónea. Ejemplo: ADN ADN ADN Fallos durante la transcripción: Es suficiente con que la ARN polimerasa dependiente de ADN sitúe un nucleótido erróneo que no se corresponda con el complementario, para que la hebra de ARN obtenida sea errónea. Si se trata de un ARN mensajero, pueden darse dos casos: Caso 1: El codón original es GGA y el erróneo es AGA. Consultando la clave genética, comprobamos que la cadena polipeptídica tendrá en el lugar que correspondería a Gly (glicina), Arg (arginina); por tanto, la alteración en la secuencia de nucleótidos tiene como consecuencia un cambio en la secuencia de aminoácidos. Caso 2: El codón original es GGA y el erróneo es GGG. Al consultar la clave, podemos comprobar que ambos codones corresponden al mismo aminoácido, la glicina. En este caso, la alteración en la secuencia de nucleótidos no tiene consecuencias en la secuencia de aminoácidos del péptido. Esta es la gran ventaja que tiene el hecho de que el código sea degenerado, es decir, le corresponda a cada aminoácido más de un codón. Las alteraciones que se producen durante la replicación son consideradas mutaciones, porque son cambios en la información, mientras que las alteraciones debidas a errores de transcripción no son mutaciones, puesto que no suponen un cambio en la información contenida en el ADN. 123

15 CONCEPTO DE MUTACIÓN Una mutación es un cambio en la información contenida en el ADN de una célula. Como ya se ha visto, el cambio puede ser tan pequeño que afecte a un solo nucleótido, aunque, en ocasiones se trata de cambios mucho más importantes que afectan a la forma o incluso al número de cromosomas de la célula. Las consecuencias de estos cambios en el fenotipo también pueden variar muchísimo. Existen mutaciones sin consecuencias o totalmente inocuas y, en el extremo opuesto, encontramos mutaciones que acaban con la vida de la célula (letales). Por otra parte, todas las mutaciones son heredadas por las células descendientes de la célula mutante, pero, cuando hablamos de organismos pluricelulares, sólo pasarán a las generaciones siguientes las mutaciones que afecten a las células germinales o reproductoras. Debido a la variedad de casos que pueden darse, no hay un solo criterio para clasificar las mutaciones, sino varios. Los principales son: CAUSAS DE LAS MUTACIONES Las mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas. Las primeras son aquellas que surgen de forma habitual, con una frecuencia que varía según los casos. Las mutaciones espontáneas son la fuente de variabilidad que ha hecho posible la evolución de los organismos con reproducción asexual y también constituye, junto con la recombinación génica debida a los sobrecruzamientos en meiosis I, la fuente de variabilidad imprescindible para la evolución de los organismos que se reproducen sexualmente. Las mutaciones inducidas surgen como consecuencia de la exposición a agentes mutágenos químicos, físicos o biológicos. Cuando una célula o un individuo se expone a alguno de los agentes mutágenos, aumenta su probabilidad de sufrir una mutación. AGENTES MUTÁGENOS O MUTAGÉNICOS: Los principales tipos de agentes mutágenos y sus ejemplos se resumen en la siguiente tabla: 124

16 TIPOS DE AGENTES MUTÁGENOS EJEMPLOS AGENTES FÍSICOS RADIACIONES IONIZANTES Rayos X Rayos g Partículas a y b RADIACIONES NO IONIZANTES Radiaciones ultravioleta AGENTES QUÍMICOS AGENTES QUE SUSTITUYEN A LAS BASES AGENTES QUE REACCIONAN CON LAS BASES AGENTES QUE SE INTERCALAN ENTRE LAS BASES 5- Br-uracilo Ácido nitroso Acridinas AGENTES BIOLÓGICOS VIRUS Algunos retrovirus 1. Agentes mutagénicos físicos (radiaciones): tanto las radiaciones no ionizantes como las radiaciones ionizantes producen mutaciones, pero los mecanismos son diferentes: Las radiaciones no ionizantes (rayos ultravioleta) son radiaciones electromagnéticas de menor longitud de onda que la luz visible y, en consecuencia, más energéticas. Provocan la formación de enlaces covalentes entre Timinas contiguas, formándose dímeros de Timina que provocan una mayor probabilidad de errores en la duplicación del ADN. Las radiaciones ionizantes son radiaciones electromagnéticas de menor longitud de onda y más energéticas que los rayos ultravioleta. Son los rayos gamma, los rayos X y las partículas alfa y beta. Originan una ionización del ADN y pueden romper los anillos de las bases nitrogenadas e, incluso los enlaces fosfodiéster, pudiendo hacer que los cromosomas se fragmenten. 2. Agentes mutagénicos químicos: se agrupan según su modo de acción. Pueden ser: Agentes que sustituyen a las bases nitrogenadas. Son sustancias análogas a las bases nitrogenadas que se incorporan ocupando su lugar, como el 5-bromouracilo, análogo de la Timina. Agentes que reaccionan con las bases nitrogenadas. Destaca el ácido nitroso (HNO 2 ), capaz de desaminar (provocar la pérdida de grupos amino) ciertas bases nitrogenadas. Estos cambios producen errores posteriores en la replicación del ADN. Agentes que se intercalan entre las bases nitrogenadas. Son moléculas, como la acridina, cuya estructura es similar a la de dos bases enlazadas, por lo que fácilmente se pueden intercalar entre los pares de bases del ADN. Sus consecuencias suelen ser importantes, ya que provocan un corrimiento en el orden de lectura del gen a partir del punto de la inserción. 3. Agentes mutagénicos biológicos: algunos virus como los retrovirus pueden aumentar la frecuencia de mutación porque provocan cambios en la expresión de algunos genes, al transportar material genético de una célula a otra. 125

17 CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES Como ya se ha visto, algunas mutaciones provocan cambios fenotípicos de distinta intensidad que, incluso pueden resultar letales para la célula, mientras que otras mutaciones son silenciosas y no se traducen en cambios. Por otra parte, los cambios no siempre son perjudiciales, en algunos casos pueden resultar beneficiosos. Desde un punto de vista evolutivo, las mutaciones son beneficiosas porque favorecen la variabilidad genética y, en consecuencia, la evolución CONSECUENCIAS EVOLUTIVAS DE LAS MUTACIONES Las mutaciones son, junto con los sobrecruzamientos, los motores de la evolución. Gracias a las mutaciones surgen nuevas versiones (nuevos alelos) de los genes, aumentando así la variabilidad genética de las especies. Cuando un nuevo alelo de un gen da lugar a un fenotipo mejor adaptado a determinadas condiciones ambientales, los individuos portadores de la mutación sobrevivirán mejor y tendrán más descendencia, con lo que la frecuencia del alelo mutante irá aumentando, de modo que la selección natural actúa para incrementar la frecuencia de las mutaciones ventajosas, y así es como se produce el cambio evolutivo EFECTOS PERJUDICIALES DE LAS MUTACIONES Podemos resumir las consecuencias de las mutaciones en tres grupos: Inocuas, cuando no provocan cambios en el fenotipo o los cambios no afectan a la vida de la célula. Beneficiosas, cuando suponen la adquisición de características ventajosas o que, por el hecho de introducir variabilidad en las características de las especies, propician su evolución. Perjudiciales, cuando suponen la pérdida de funcionalidad de uno o varios genes cuya expresión es necesaria para el buen funcionamiento de la célula. En el caso de que los cambios no sean compatibles con la vida, se denominan letales. Dependiendo del tipo de célula afectada, las consecuencias son diferentes: Si la mutación afecta a una célula somática, sus consecuencias afectarán únicamente al individuo portador de dicha célula y no se transmitirá a sus descendientes. Un tipo de mutación perjudicial es el que presentan las células tumorales que pierden su capacidad para controlar su ciclo vital y se dividen de forma descontrolada. Cuando estas células adquieren la capacidad de migrar a otros lugares del organismo hablamos de cáncer. Por ejemplo: un tumor maligno en la piel es consecuencia de la mutación de una célula somática. Si la mutación afecta a los gametos o a las células germinales de los gametos, podrá ser transmitida a la descendencia. En la fecundación, dos juegos simples de cromosomas, uno de cada progenitor, se unen para formar parte de la información genética de cada individuo. Si durante este proceso se produce alguna mutación, puede ocurrir lo que denominamos síndrome genético. En muchos casos, el origen se debe a que uno o ambos padres son portadores de una alteración genética que es susceptible de ser transmitida a los hijos. Las alteraciones genéticas conllevan importantes variaciones en el desarrollo físico y psíquico del individuo. Por ejemplo: el síndrome de Down es consecuencia de una mutación genómica (por no disyunción del bivalente 21) en un óvulo que provoca que, en lugar de 23, tenga 24 cromosomas, de modo que, al ser fecundado, genera un cigoto con 47 cromosomas del que se desarrolla el descendiente con este síndrome. 126