TEMA 4: LA REVOLUCIÓN GENÉTICA

Transcripción

1 TEMA 4: LA REVOLUCIÓN GENÉTICA 1. Introducción Los seres vivos son capaces de hacer copias de sí mismos, de tal modo que los hijos heredan los caracteres de sus padres. Para lograrlo a) Deben almacenar y transmitir la información acerca de cómo se construyen. b) Deben hacer copias casi idénticas. Las copias son casi idénticas, pero sólo casi. Las pequeñas diferencias entre copias son la clave de la diversidad. Esta diversidad les permite la adaptación a los distintos ambientes, y está en la base de la evolución de las especies. Pero cómo se produce tal evolución? Darwin, en su teoría de la evolución, propuso que es la continua competencia entre las especies por los recursos del medio la que selecciona sus características. 2. Mendel: el primer paso importante Llevó a cabo importantes experimentos con guisantes. Los motivos que lo llevaron a escoger esta planta fueron: Eran baratos y fáciles de obtener en el mercado. Ocupaban poco espacio y tenían un tiempo de generación relativamente corto. Producían muchos descendientes. Existían variedades que mostraban distinto color, forma, tamaño, etcétera. Es una especie autógama (se autopoliniza). Es fácil realizar cruzamientos entres distintas variedades a voluntad, y también evitar la autopolinización cortando las anteras de las flores de una planta. A través de sus experimentos de cruzamiento Mendel lograría establecer las leyes de la genética clásica.

2 De acuerdo con la interpretación actual, el polen de una de las plantas progenitoras aporta un alelo para el color, y el óvulo de la otra planta progenitora aporta otro. De los dos alelos sólo se manifiesta uno (el llamado dominante, A), mientras que el otro, llamado recesivo, a, permanece oculto. Segunda ley o principio de la segregación: Ciertos individuos son capaces de transmitir su carácter, aunque éste no se manifieste: El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación en la que reaparece el fenotipo a, pese a que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo A. Esto hace presumir a Mendel que el carácter a no había desparecido, sino que sólo había sido ocultado por el carácter A. Al reproducirse el individuo, cada carácter segrega por separado.

3 Tercera ley o principio de la transmisión independiente: Hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: se considera un solo carácter; polihíbrido se consideran dos a más caracteres. Mendel trabajó este cruce en dos características de los guisantes: color de la semilla y rugosidad de la superficie. De esta forma, observó que los caracteres se tranmitían independientemente unos de otros. Hoy sabemos que esta ley sólo se cumple si los caracteres están en cromosomas separados. Esta última imagen es lo que se conoce como tablero de Punnet, y representa todas las posibles combinaciones de alelos de los descendientes a partir de los alelos de los progenitores. En otros casos no hay un alelo dominante y otro recesivo, sino que ambos alelos se expresan y el fenotipo exhibe una mezcla de caracteres. Hablamos entonces de codominancia. Por ejemplo, al cruzar un tipo de flores A de color rojo dominante con otro tipo de flores B de color blanco dominante, el resultado sería un tipo de flores AB de color rosado, en las cuales los dos caracteres dominantes A y B se mezclan al expresarse a la vez.

4 A continuación, tienes una web interactiva donde practicar las leyes de Mendel Lo que determina los caracteres de las plantas fue denominado por Mendel factor hereditario. Más tarde, estos factores fueron rebautizados con el nombre de genes. Así, un gen es una unidad de transmisión hereditaria, es decir, lo que controla un determinado carácter. 3. Cromosomas a) La célula La célula es la unidad fundamental de los seres vivos. En ella existen algunos orgánulos o estructuras que intervienen en el proceso de la herencia. En una célula podemos distinguir: La membrana plasmática: controla el intercambio de sustancias (alimentos, desechos ) con el exterior. El núcleo: en él se encuentra el ADN que dirige la síntesis de proteínas y el mecanismo de la herencia. El citoplasma: en él se encuentran distintos orgánulos: ribosomas, cloroplastos (en vegetales), mitocondrias, lisosomas

5 b) Cromatina y cromosomas En 1882 se descubrió en el núcleo de las células una sustancia de color que se llamó cromatina (izquierda), dispersa por el núcleo celular. Durante la división celular la cromatina se condensa en filamentos a los que luego se les dio el nombre de cromosomas (derecha). Dado que hay muchos más factores hereditarios (genes) que cromosomas, se concluyó que el gen debe ser un trozo de cromosoma. c) Fecundación y dotación genética Las células somáticas se dividen mediante un mecanismo denominado mitosis, en el que se conserva el número de cromosomas. Por llevar dos copias de cada cromosoma se las llama células diploides. En cambio, los gametos (células sexuales) se producen mediante otro tipo de división celular denominada meiosis, que reduce el número de cromosomas a la mitad. Son células haploides.

6 De este modo, al producirse la fusión de los núcleos de los gametos durante la fecundación, se recupera el número diploide de cromosomas y se produce una mezcla de caracteres que origina la variabilidad genética. d) Algunas definiciones A las diversas alternativas que puede presentar un gen que controla un determinado carácter se les denomina alelos, se simbolizan con letras. A los individuos que tienen los dos alelos iguales se les llama homocigóticos o raza pura. Ej. AA o aa A los individuos que tienen los dos alelos de un mismo gen diferentes se les llama heterocigóticos o híbridos. Ej. Aa Cuando uno de los alelos es el que se manifiesta, se dice que es el alelo dominante y se expresa con una letra en mayúscula. Ej A El alelo que no se manifiesta se denomina recesivo y se expresa con una letra en minúscula. Ej. a El genotipo es el conjunto de genes que posee un individuo y que ha heredado de sus progenitores. El fenotipo es el conjunto de caracteres que manifiesta un organismo.

7 4. El ADN Al principio se pensó en tres alternativas como medio de almacenar la información genética: ADN (ácido desoxirribonucleico), proteínas y una mezcla de ambos. Pero ciertos experimentos demostraron la imposibilidad de la participación de las proteínas. Así pues, los genes están hechos de ADN, y en ellos se encuentra la clave de la herencia. Cuál es la estructura del ADN? Esta estructura fue dilucidada por Watson y Crick, tomando como base dos hechos: a) Las imágenes de difracción de rayos X tomadas por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins. Estas imágenes sugerían que la molécula de ADN estaba formada por una hélice, y daban algunas dimensiones de la misma. b) Las leyes de Chargaff Edwin Chargaff demostró que la concentración de cuatro de los componentes del ADN (las bases nitrogenadas que forman parte de los nucleótidos) siempre seguía ciertas normas: El número de moléculas de adenina (A) era igual al de moleculas de timina (T) El número de moléculas de guanina (G) era igual al de moléculas de citosina (C). Esto sugería que debía existir un apareamiento, una interacción específica,una complementariedad entre ambos pares (A siempre unida a T y G siempre unida a C).

8 Fue siguiendo estas pistas como Watson y Crick dilucidaron la estructura tridimensional del ADN: una doble hélice unida mediante bases complementarias. Además, el apareamiento selectivo de las bases A-T y G-C sugería un posible mecanismo para la replicación del material genético. Aprovechando que las cadenas son complementarias, cada una sirve como molde para fabricar una copia de la otra. 5. Replicación del ADN Durante la replicación del ADN, la doble hélice inicial se separa en dos cadenas, cada una de las cuales sirve como molde para construir su cadena complementaria, siempre emparejando A con T y C con G. Al final se obtienen dos dobles hélices idénticas a la inicial

9 A veces ocurren errores en el proceso de replicación y no se obtienen copias exactas. Estos cambios en el ADN se llaman mutaciones. Las mutaciones pueden aportar una nueva característica (favorable o desfavorable) o ser neutras (no tener ningún efecto). Estas mutaciones están en la base de la evolución, pues las nuevas características prosperarán o no en función de que representen una ventaja adaptativa para el individuo que las porte (selección natural). 6. La transcripción del ADN Consiste en hacer copias en ARN (ácido ribonucleico) de la información cifrada en el ADN. Por qué es esto necesario? Porque la molécula de ADN jamás sale del núcleo. Por lo tanto, para sacar del núcleo la información genética es necesario un mensajero que lleve hasta el citoplasma las órdenes para sintetizar las proteínas. Éste será el ARN. Diferencias entre el ADN y el ARN. El azúcar que junto con el fosfato forma el armazón del ADN se llama desoxirribosa; el del ARN ribosa. El ARN no contiene timina (T) sino una base nitrogenada diferente: el uracilo (U). En la transcripción no se sintetiza timina, sino uracilo, a partir de la adenina. El ADN es de cadena doble; el ARN de cadena sencilla.

10 El código genético Un gen es un fragmento de cromosoma que lleva instrucciones para fabricar una proteína. Las proteínas están formadas por una enorme cantidad de moléculas menores llamadas aminoácidos. El código genético indica la correspondencia entre las bases del ARN y los aminoácidos de las proteínas. Cada triplete de bases de ARN codifica un aminoácido. En realidad, como se aprecia en la imagen: Los aminoácidos son codificados por más de un triplete. Algunos tripletes no codifican aminoácidos sino que son señales de inicio o de parada de la lectura de los tripletes (ver apartado siguiente). Como el ADN de cada individuo es específico, las proteínas también lo serán. De ahí, por ejemplo, el problema de los rechaces en los trasplantes de órganos, ya que el sistema inmunológico reconoce como diferente el ordenamiento de los aminoácidos en el órgano trasplantado. 7. La traducción del ADN: síntesis de proteínas Las proteínas se sintetizan en los ribosomas, unos orgánulos que se encuentran en el citoplasma. De ahí que sea imprescindible sacar la información del núcleo a través del ARN mensajero. A partir de la información que porta el ARN sintetizado en el núcleo a partir del ADN, se van uniendo los aminoácidos en el orden preciso para sintetizar una proteína concreta, siguiendo el mensaje cifrado en el código genético. Este proceso es el que se conoce como traducción.

11 8. Dogma central de la biología molecular La síntesis de las proteínas transcurre como sigue: a) El ADN del núcleo transcribe el mensaje codificado al ARN mensajero (ARNm). b) En las células eucariotas (con núcleo) el ARNm formado sobre el ADN sale del núcleo a través de los poros de la membrana nuclear y llega al citoplasma, donde se adhiere a un ribosoma. Allí será leído y traducido el mensaje codificado que trae desde el ADN del núcleo. c) Otro tipo de ARN (el ARN de transferencia, ARNt), selecciona un aminoácido específico para cada triplete de nucleótidos del ARNm. Allí se van uniendo otros aminoácidos de acuerdo con la información codificada, y se forma una cadena de aminoácidos (lo que se conoce como un polipéptido). 9. El genoma humano El genoma de un organismo es el conjunto de toda su información genética. Para conocerlo hay que saber el orden de todas las bases de todo su ADN. Ese fue el siguiente paso en la investigación sobre el ADN.

12 El genoma humano ya ha sido descifrado, aunque ignoramos para qué sirve la mayor parte de la información. Una pequeña parte son los genes, que codifican para sintetizar proteínas. Gran parte no codifica para ninguna proteína, y recibió el desafortunado nombre de ADN basura. Dentro de los genes también hay muchas de bases que no se traducen en proteínas. Un exón es una parte del gen que sí codifica para sintetizar proteínas. Un intrón es una parte del gen que no se usa para sintetizar proteínas, y que se corta y se elimina antes de la traducción. No parece lógico que estos intrones, este ADN basura no tenga ninguna función, pues de ser así la selección natural debería haberlo eliminado. Así pues, se supone que tienen alguna función específica aún desconocida. 10. Genética del desarrollo Es la ciencia que ha hecho posible descifrar las reglas que rigen el desarrollo de los organismos (la transformación del óvulo fecundado en un organismo adulto). Se llama homeobox a una secuencia de ADN incluida en genes que regulan el desarrollo de un ser vivo. Parece ser que en los cromosomas los genes aparecen ordenados de la misma forma que las regiones del embrión cuyo crecimiento controlan. órgano en dicha región. Estos homeobox podrían encargarse de sintetizar ciertas proteínas que, más concentradas en cierta región darían la orden para que se desarrolle uno u otro

13 De este modo, la primera célula se multiplica, en divisiones celulares en las que se replica todo el ADN (el genoma). Las células resultantes se especializan y dan lugar a diferentes tejidos: es la diferenciación (en cada grupo de células se expresan unos genes y otros no). 11. Epigenética Es la rama de la genética que estudia las características de un individuo que no están determinadas por la secuencia de bases del ADN. Por ejemplo: Hay moléculas que se unen a la cadena de ADN e impiden que se exprese. Si la cromatina en una región del ADN está muy enrollada, los genes de esa zona no se expresarán. También hay moléculas del citoplasma celular que pueden influir en la síntesis de proteínas en los ribosomas. 12. Biotecnología En 1972 la biología molecular había alcanzado un desarrollo espectacular: se conocía la maquinaria básica de la vida y se empezaba a entender cómo se regulaban los genes. El siguiente paso era intervenir, manipular los seres vivos a voluntad. Esto se hizo a través de la tecnología del ADN recombinante, también denominada ingeniería genética o clonación molecular, que permitió al ser humano diseñar por vez primera moléculas de ADN que no existían en la naturaleza. a) Herramientas de la biotecnología Enzimas de restricción para cortar. Son capaces de cortar el ADN en secuencias específicas, como si fueran tijeras moleculares. La ADN ligasa para unir fragmentos de ADN previamente cortados. Los plásmidos. Se trata de pequeñas moléculas circulares de ADN, capaces de autorreplicarse, que viven en el interior de las bacterias. Los plásmidos se usan como vehículos o vectores en ingeniería genética. Transformación. Es un método para introducir plásmidos en bacterias. Con estas herramientas se logró el primer éxito en ingeniería genética, o clonación de un gen, al introducir información genética humana en el interior de una bacteria para que ésta fabricara proteínas humanas.

14 b) Fabricación de proteínas El primer producto que se produjo y se comercializó fue la insulina humana. La producción de insulina humana en el interior de las bacterias permitió prescindir de las insulinas de cerdo o vaca que se venían inyectando los diabéticos y que, al no ser idénticas a la humana, podían producir algunos problemas relacionados con reacciones inmunológicas adversas. A partir de entonces se han comercializado otras proteínas recombinantes: El interferón humano para el tratamiento de la esclerosis múltiple. La hormona del crecimiento para tratar el enanismo hipofisario. La ADN polimerasa para el tratamiento de la fibrosis quística. Vacunas, como la de la hepatitis B. La somatotropina bovina y la hormona del crecimiento bovino para estimular la producción de leche en vacas. c) La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) ES una técnica que permite amplificar rápidamente muestras de ADN. Es decir, obtener una cantidad apreciable de ADN a partir de una muestra muy pequeña (por ejemplo, una sola secuencia). Sus usos se pueden resumir en: Investigación: clonación de secuencias de ADN de plásmidos para ser usados como vectores. Medicina: identificación con alta probabilidad de virus o bacterias causantes de enfermedades, identificación de cadáveres, pruebas de paternidad, diagnóstico prenatal para detectar mutaciones hereditarias. Paleontología: amplificación de ADN que pudiera conservarse en fósiles u otros restos.

15 d) Los transgénicos Se denominan transgénicos (OMG, organismos modificados genéticamente) aquellos que portan un gen extraño (transgén). Entre otros usos: Bacterias degradadoras de manchas de petróleo. Bacterias productoras de plásticos biodegradables. Plantas resistentes a las plagas. El mayor problema de los transgénicos es que no se conocen todavía sus efectos sobre la salud. Además, los insectos evolucionan muy rápidamente, y ya se conocen cultivos transgénicos que son atacados por algunos insectos.

16 e) Células madre y clonación Las células madre son células no diferenciadas susceptibles de convertirse en células de otros tipos de tejido: células cardíacas, hepáticas, epiteliales, etcétera. Su importancia radica en la posibilidad de fabricar tejidos y, en el futuro, órganos con la misma información genética del individuo, evitando así los problemas de rechazo. Existen distintos tipos de células madre: Células madre embrionarias: procedentes de embriones excedentes de fertilización in vitro. Su uso presenta problemas éticos. Células madre procedentes del cordón umbilical o de adultos. Su uso tampoco presenta problemas éticos. Células madre inducidas. Descubiertas en 2007, se obtienen a partir de células adultas de la piel. El objetivo es convertir esas nuevas células en células diferenciadas (neuronas, células pancreáticas, etcétera) que no den lugar al crecimiento de tumores. También pueden clasificarse en función de su capacidad para regenerar nuevos tipos de células: Célula madre totipotente. Puede crecer y formar un organismo completo, es decir, puede formar todos los tipos celulares. La célula madre totipotente por excelencia es el cigoto (el óvulo fecundado por el espermatozoide). Célula madre pluripotente. No puede formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula. Es el caso de las células madre embrionarias. Célula madre multipotente. Sólo pueden generar células de su propia capa o linaje embrionario de origen. Célula madre unipotente. Sólo puede formar un tipo de particular de célula.

17 Relacionada con las células madre está la técnica de la clonación. Las células adultas pueden convertirse de nuevo en células madre progenitoras de un nuevo organismo. De esta forma, en teoría, podemos hacer copias de cualquier ser vivo. Estas copias se llaman clones. El genoma de los clones es idéntico al de su progenitor, mientras que el de los individuos que provienen de reproducción sexual es mezcla de los genomas de los dos progenitores. La evolución inventó la reproducción sexual precisamente para generar diversidad genética. En la actualidad, la clonación de animales es una técnica compleja que produce individuos que suelen vivir menos y son más propensos a ciertas enfermedades.

18 f) Terapia genética Su objetivo último sería lograr curas definitivas de todas las enfermedades hereditarias. Consiste en la inclusión de genes en el cuerpo del paciente, con el fin de solucionar alguna deficiencia de su genoma. Un gen normal se inserta en las células de un organismo defectuoso del paciente para sustituir a un gen que no funciona correctamente. Puede aplicarse de dos maneras: ex vivo e in vivo. Esta estrategia presenta distintos retos

19 De tipo técnico: hay que llevar un gen a un tipo concreto de célula y conseguir que se exprese correctamente. De seguridad: los virus que se emplean pueden causar respuestas de tipo inmunológico mortales o inducir cáncer por el modo de integración en el ADN celular. g) Identificación genética En el campo de la medicina forense, la ingeniería genética ha permitido el desarrollo de métodos para la exclusión y la identificación de delincuentes: son las huellas genéticas. La técnica se basa en la comparación de regiones de nuestro genoma que son con frecuencia altamente repetitivas, y cuya secuencia es muy improbable que coincida en dos individuos, salvo que sean gemelos idénticos. Esta identificación también se emplea en pruebas de paternidad o en identificación de víctimas de accidentes o catástrofes naturales. Además, ha permitido determinar la compatibilidad en la donación de órganos y el seguimiento de las migraciones de los humanos durante la prehistoria.