La meiosis

La división de una célula no origina células iguales a ella, sino otras con la mitad de información genética. Esta división es necesaria para que se formen los gametos o células sexuales. Los gametos se unen en la fecundación para formar una célula denominada cigoto, que dará lugar al organismo completo tras múltiples y sucesivas divisiones. El cigoto posee la mitad de los cromosomas que aporta un progenitor y la mitad que cede el otro. Para mantener el número de cromosomas y, por tanto, la información genética propia de cada especie, los gametos deben tener solo la mitad de los cromosomas. Esto se consigue mediante la meiosis, un tipo especial de división de núcleos tras la cual se obtienen cuatro células hijas con la mitad de la dotación cromosómica de la célula madre.

Primera División meiótica

Se llama también mitosis reduccional porque originan células con la mitad de cromosomas. Consta de las mismas fases que la mitosis, pero presenta ciertas particularidades importantes:

• En la profase 1 aparecen los cromosomas, pero asociados en parejas de homólogos. Tiene lugar un intercambio de material genético entre cromosomas homólogos que se denomina recombinación.
• En la metafase 1, a las fibrillas del huso acromático se unen parejas de cromosomas homólogos, no cromosomas individuales.
• En la anafase 1, a cada polo celular se dirige un cromosoma completo, no medios cromosomas.
• En la telofase 1, se construyen los núcleos de las células hijas y se produce la citocinesis. Al final de la primera mitosis se obtienen dos núcleos hijos con n cromosomas completos cada uno.

Segunda División meiótica

Los cromosomas se extienden en sus cromátidas y cada célula hija recibe una de ellas. Por tanto, la meiosis da lugar a 4 células hijas, cada una con la mitad de los cromosomas que la célula de partida. Se obtienen células genéticamente diferentes.

Analogías y diferencias entre la mitosis y la meiosis

La mitosis y la meiosis presentan grandes diferencias. En la mitosis, de una célula madre diploide se obtienen dos células hijas diploides con una idéntica dotación genética entre sí y con su progenitora.

Los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos fueron descubiertos en 1869 por el suizo Friedrich Miessner, quien aisló una sustancia en el interior nuclear de los glóbulos blancos y la llamó nucleina. Posteriormente, debido a la naturaleza ácida de dicha sustancia, se le asignó el nombre de ácido nucleico.

Estructura de los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más sencillas, llamadas nucleótidos. Los nucleótidos, a su vez, están constituidos por la unión de tres tipos de moléculas: un residuo de ácido ortofosfórico (H3PO4), un monosacárido de 5 carbonos (pentosa) que puede ser ribosa o desoxirribosa, y una base nitrogenada. Los nucleótidos se unen entre sí formando largas cadenas, llamadas polinucleótidos. La unión entre ellos se realiza entre la pentosa de un nucleótido y el resto fosfórico del siguiente. Las bases nitrogenadas quedan colgando de las pentosas. Los ácidos nucleicos están formados por largas cadenas de nucleótidos que adoptan distintas configuraciones en el espacio.

Tipos de ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son de dos tipos: ADN o ácido desoxirribonucleico y ARN o ácido ribonucleico. En la siguiente tabla concretamos las diferencias entre ambos.

El ADN

En 1910, Thomas Morgan descubrió que los genes se encontraban en los cromosomas, pero no fue hasta 1944 cuando Avery, McLeod y McCarthy demostraron que los cromosomas estaban compuestos por ADN y no por proteínas, como se creía hasta entonces. Actualmente se sabe que los genes son portadores de la información biológica y se localizan en el interior de todas las células.

Estructura molecular del ADN

La molécula del ADN está constituida por dos cadenas de polinucleótidos, que se unen mediante enlaces de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas. En la molécula del ADN, se unen siempre la adenina con la timina, y la citosina con la guanina. La estructura resultante recuerda una escalera de caracol cuyos peldaños son estos enlaces, que se enrollan sobre sí misma de forma similar a como lo harían dos muelles entrelazados. En 1953, James Watson y Francis Crick elaboraron el modelo de doble hélice de la molécula de ADN gracias a los estudios de ADN mediante difracción de los rayos X llevados a cabo por Rosalind Franklin.

La replicación del ADN

Cuando una célula se divide, las dos células hijas deben recibir el mismo material genético. Para que esto sea posible, es imprescindible que, previamente, el ADN forme copias de sí mismo, es decir, que se replique o se duplique. Este mecanismo se llama replicación o autoduplicación y es una capacidad exclusiva del ADN. Consiste en obtener 2 moléculas hijas tomando como molde la molécula inicial. El proceso tiene lugar en el núcleo celular. La replicación debe ser precisa, de lo contrario, las células hijas que recibirán moléculas de ADN distintas contendrían diferente información genética. Las nuevas moléculas están formadas por una de las cadenas de nucleótidos del ADN original y una nueva creación complementaria de la anterior, por lo que son idénticas. De ahí que se diga que la replicación es semiconservativa.

La expresión génica

Se llama expresión génica al proceso por el cual los organismos transforman en proteínas la información contenida en los ácidos nucleicos. Se lleva a cabo mediante una serie de complejos mecanismos que son muy similares en todos los seres vivos. Según esto, se define el gen como un segmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína.

El dogma de la biología molecular

El dogma central de la biología molecular fue anunciado en 1958 por Francis Crick de la siguiente forma: replicación ADN, transcripción ADN, traducción proteína.

El ADN se autoduplica en la replicación cada vez que una célula se va a dividir. Cuando es necesario que se produzca una proteína, el gen de ADN que codifica la proteína se transcribe en ARN mensajero, que sale del núcleo al citoplasma, donde tiene lugar la traducción del gen y la síntesis de esa proteína. La propuesta de Crick tuvo diversas críticas y fue revisada en 1970. Actualmente se ha modificado por diferentes causas: la primera se refiere al término dogma, que significa creencia no cuestionada, lo cual es incompatible con la ciencia. La segunda modificación se ha realizado a partir del descubrimiento de algunos virus cuyo material genético es el ADN. Dichos virus sintetizan el ADN tomando como molde su ARN en una transcripción inversa. A partir de ese ADN, se sigue el modelo propuesto. La tercera se llevó a cabo a partir del descubrimiento de los priones, proteínas capaces de propagarse sin ayuda de ningún ADN. La cuarta se realizó al conocerse las ribozimas, moléculas de ADN que pueden multiplicarse.

La transcripción

El ADN de las células eucariotas copia parte de su mensaje genético en otra molécula: el ARN ácido ribonucleico. El proceso mediante el cual una parte del mensaje genético se copia desde su forma original, el ADN, a la ARN mensajero se denomina transcripción. La transcripción tiene lugar en el núcleo de la célula. El ARN mensajero formado sale al citoplasma a través de los poros de la membrana nuclear. Dicho ARN mensajero es complementario, en su secuencia de bases, del fragmento de ADN que se ha transcrito, el cual se corresponde con la secuencia que codifica para una proteína determinada, la que la célula necesita en ese momento, y no debe haber errores en la secuencia de ribonucleótidos.

La traducción

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ARN mensajero formado en la transcripción. El conjunto de mecanismos que dan lugar a las nuevas proteínas tienen lugar en el interior de los ribosomas. Es fundamental que no se produzcan errores en la incorporación de los aminoácidos en el crecimiento de la proteína, ya que cada proteína se caracteriza por la secuencia de aminoácidos que posee, que es la que le confiere su funcionalidad. Para que la traducción se realice se necesitan los siguientes elementos: una molécula de ARN mensajero, ribosomas, ARN de transferencia y aminoácidos libres en el citoplasma.

La traducción se pone en marcha cuando la célula necesita una proteína en concreto. Se realiza a la vez en distintos puntos de la molécula del ARN mensajero. El código genético es la relación entre la secuencia de bases nitrogenadas del ARN mensajero y la de los aminoácidos que constituyen una proteína. Debido a que existen 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas, y cuatro nucleótidos diferentes en una cadena de ARN mensajero, serán necesarios tres de ellos (triplete) para codificar un aminoácido. Los tripletes de ADN se denominan codones, y los de ARN mensajero se denominan codones. El desciframiento del código genético tuvo lugar entre 1955 y 1966.

Características del código genético

1) El código genético está organizado en tripletes o codones, es decir, cada tres pares de bases determina un aminoácido. 2) Es degenerado, lo que significa que hay más tripletes posibles (64) que aminoácidos (20), por lo que un determinado aminoácido puede estar codificado por más de un triplete de bases. 3) No hay solapamientos ni superposiciones; cada nucleótido del ácido nucleico pertenece a un solo triplete. 4) No hay espacios en blanco en la lectura del código, no existen comas. 5) Es universal; en todas las especies, los mismos tripletes codifican para los mismos aminoácidos.

Las mutaciones

Los genes no se mantienen siempre inalterados: en ocasiones se producen cambios inesperados de forma aleatoria. Las alteraciones del material genético se denominan mutaciones. Solo son perceptibles aquellas que modifican alguna característica. Las mutaciones se pueden transmitir a la descendencia y originarse bien de forma espontánea o por la acción de algún agente mutagénico. Las mutaciones resultan necesarias para aumentar la variabilidad de los individuos de una población. No obstante, en algunos casos son perjudiciales, como ocurre con el cáncer o las enfermedades genéticas.

Tipos de mutaciones

Tipos de células afectadas: somáticas, germinales. Causa que las ha originado: espontáneas, inducidas. Efectos que producen: beneficiosas, neutras, perjudiciales. Alelos resultantes: dominantes, recesivos. Tipos de alteración genética: genéticas, cromosómicas, genómicas.

Mutaciones según el tipo de alteración genética

– Mutaciones génicas o moleculares: afectan a la estructura química de los genes, es decir, a las secuencias de nucleótidos del ADN. Ello puede producir cambios en la secuencia de los aminoácidos de la proteína que se produce, lo que altera el funcionamiento de esta. Por ejemplo, la anemia falciforme está causada por el cambio de un aminoácido en una de las cadenas polipeptídicas que forman la hemoglobina.

– Mutaciones cromosómicas: afectan a la estructura de los cromosomas, de forma que se multiplican, eliminan o cambian fragmentos de los mismos. Son apreciables al microscopio y ocurren en algunos tumores.

– Mutaciones genómicas o numéricas: afectan al número de cromosomas. Se observan al estudiar el cariotipo y son de dos tipos: aneuploidías, en las que falta o hay algún cromosoma de más, y euploidías, en las que se ve afectado el juego diploide de cromosomas, lo que origina individuos con 3n, 4n, etc., en vez de 2n cromosomas.

Las mutaciones que se producen en las células pueden ser espontáneas o inducidas. Las mutaciones inducidas ocurren cuando la célula u organismo se someten a la acción de ciertos agentes mutagénicos o mutágenos. Los agentes mutágenos pueden ser físicos, químicos o biológicos y modifican el ADN o producen alteraciones en los cromosomas. – Agentes mutágenos físicos: son radiaciones que pueden alterar el ADN. Las más importantes son la ultravioleta, la gama, la beta, la radiación X y también algunos ultrasonidos. – Agentes mutágenos químicos: son compuestos químicos que alteran la secuencia de nucleótidos del ADN. Conocemos más de seis millones de sustancias con capacidad de producir mutaciones, en las que destacan numerosos colorantes, algunos pesticidas, ciertos contaminantes, la nicotina y las drogas como el LSD. – Agentes mutágenos biológicos: son de dos tipos: algunos virus que llevan en su genoma fragmentos de otra célula y los introducen en aquella a la que infectan, modificando su ADN, y los transposones, segmentos móviles de ADN que cambian de posición alterando el ADN original.

La meiosis y la variabilidad genética

En la meiosis, partiendo de una célula madre diploide, se obtienen cuatro células hijas haploides diferentes genéticamente. La meiosis está ligada a la reproducción sexual y su finalidad es obtener células hijas con modificaciones respecto a la información genética de los progenitores, que se combinan y enriquecen. El intercambio de material genético entre los cromosomas homólogos que tiene lugar en la profase 1 supone un enriquecimiento, ya que posibilita nuevas combinaciones genéticas.

La mitosis, por otro lado, es un proceso conservador cuya finalidad es conservar exactamente la información genética de la célula madre. Tiene lugar cuando es preciso reponer tejidos, formar nuevos tejidos o originar células idénticas a las ya existentes. Cualquier cambio en la información genética tendría graves consecuencias.

La ingeniería genética

La ingeniería genética es el conjunto de técnicas que permiten manipular el material genético de un organismo para transferirlo a otro y que se exprese en él.

Técnicas de trabajo

Las técnicas de trabajo que se emplean en la ingeniería genética son muy variadas y dependen de los objetivos que se persigan. Las más destacadas son la obtención de ADN recombinante, la utilización de vectores y la técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR).

El ADN recombinante es una molécula de ADN artificial obtenida a partir del gen de un organismo y de un vector. La técnica para obtener ADN recombinante se utiliza mucho en investigación.

La PCR (reacción en cadena de la polimerasa) es una técnica que se utiliza para obtener en muy poco tiempo millones de copias de un fragmento de ADN. Para ello, es necesaria la acción de la enzima ADN polimerasa.

La clonación es el proceso de obtención de copias idénticas a la muestra de un gen (clonación genética) o de un organismo (clonación de organismos). La clonación genética tiene múltiples aplicaciones, como la producción de proteínas a gran escala o la obtención de insulina a partir de bacterias modificadas.

En la clonación animal, se pueden obtener animales clónicos que proceden de una reproducción asexual y los gemelos. Para obtenerlos por otras vías, son necesarios un óvulo al que previamente se le ha extraído el núcleo y otra célula procedente del individuo que se va a clonar. Hay dos tipos de clonación: la clonación terapéutica, que consiste en clonar tejidos u órganos para trasplantarlos a pacientes enfermos, y la clonación reproductiva, que consiste en clonar individuos genéticamente iguales. Esta última técnica conlleva riesgos, ya que los individuos obtenidos suelen envejecer rápidamente y desarrollar algunas enfermedades. Es una técnica prohibida en seres humanos.

Los organismos modificados genéticamente son aquellos cuyo material genético ha sido alterado utilizando técnicas de ingeniería genética. Se denominan organismos transgénicos porque se modifican mediante transgénesis, es decir, introduciendo uno o varios genes en su genoma. Los organismos modificados tienen distintas aplicaciones, como la producción de productos terapéuticos, vacunas, mejora de características en animales y plantas, etc.

La biotecnología es la aplicación de la tecnología a los procesos biológicos, utilizando organismos vivos o sus derivados para la obtención de productos o procesos. La biotecnología tradicional se basa en la utilización de microorganismos en procesos de producción, tanto para realizar dicha producción como para mejorarla. Destacan tres campos en los que se aplican diversas técnicas biotecnológicas: alimentario, sanitario y medioambiental.

La biotecnología actual está basada en logros obtenidos por ingeniería genética. Surge en la década de los ochenta del siglo XX y, junto con la biotecnología tradicional, constituye la base de gran parte de los procesos de fabricación de alimentos, productos farmacéuticos, agrícolas, ganaderos e industriales.

Las aplicaciones de la biotecnología en la agricultura y la ganadería se basan en la modificación de las plantas y los animales con la finalidad de obtener una mejora de los productos que se obtienen de ellos. También se han logrado grandes avances en la prevención y lucha contra algunas enfermedades, así como en la producción de nuevos fármacos y terapias genéticas. Sin embargo, la aplicación de la biotecnología plantea implicaciones éticas, sociales y medioambientales que deben ser consideradas y reguladas.

La meiosis y la variabilidad genética

En la meiosis, partiendo de una célula madre diploide, se obtienen cuatro células hijas haploides diferentes genéticamente. La meiosis está ligada a la reproducción sexual y su finalidad es obtener células hijas con modificaciones respecto a la información genética de los progenitores, que se combinan y enriquecen. El intercambio de material genético entre los cromosomas homólogos que tiene lugar en la profase 1 supone un enriquecimiento, ya que posibilita nuevas combinaciones genéticas.

La mitosis, por otro lado, es un proceso conservador cuya finalidad es conservar exactamente la información genética de la célula madre. Tiene lugar cuando es preciso reponer tejidos, formar nuevos tejidos o originar células idénticas a las ya existentes. Cualquier cambio en la información genética tendría graves consecuencias.