Genética

Orígenes

La genética es la rama de la biología que estudia cómo se transmiten los caracteres hereditarios de generación en generación. Los organismos heredan las características morfológicas y fisiológicas de sus progenitores, a través del ADN que contiene numerosas unidades de información (genes).

Aunque se tenía conocimiento sobre la hibridación artificial de plantas y de animales para obtener variedades, no había conclusiones sobre la genética. Los primeros estudios científicos sobre el tema se deben a Gregor Mendel que realizó experimentos de hibridación de plantas, en los jardines del monasterio de Brno gracias a los cuales se pudieron comprender los mecanismos de herencia biológica. Trabajó durante siete años, realizando sus experimentos con la planta de guisante y recogió una enorme cantidad de datos sobre las frecuencias con las que se transmiten características de esta planta, a partir de los cuales postuló una serie de leyes sobre la herencia de los caracteres biológicos. Tras su muerte, las leyes de Mendel fueron redescubiertas por separado por Carl Correns, Erich Tschermak, Hugo de Vries y Willian Bateson y se acuñaron los términos genética y gen.

Conceptos básicos

• Herencia: transmisión de los caracteres de los progenitores a la descendencia a través información contenida en el ADN.
• Gen: unidad de información hereditaria, que determina un carácter o característica biológica y se localizan los cromosomas.
• Locus: posición de un gen en un cromosoma.
• Alelos: posibilidades o variantes que existen para un determinado gen y representan la variabilidad de los caracteres biológicos de una especie.
• Genotipo: conjunto de los genes que tiene un ser vivo para un determinado carácter.
• Fenotipo: manifestación del genotipo y características biológicas, observables en un organismo.
• Homocigoto: organismo en el que los dos alelos de un gen para un determinado carácter son iguales.
• Heterocigoto: organismo en el que los dos alelos de un gen para un determinado carácter son distintos.

Naturaleza de la información genética

A lo largo del siglo XX se llevaron a cabo diversas experiencias para descubrir cuál era la molécula portadora de información genética. En los seres vivos, se estableció el principio básico “un gen una proteína” considerado precursor del dogma central de la biología molecular que se tuvo que reformular en las últimas décadas tras los nuevos conocimientos sobre la transcripción y traducción.

Historia

La primera prueba de que el ADN es portador de información genética la aportó Griffith. La demostración experimental la realizaron O.T. Avery, C. MacLeod y M. McCarty.

Experimentos de Griffith y Avery

Griffith infectó dos cepas de bacteria Streptococcus pneumoniae, la cepa S con cápsula (virulenta que los mataba) y la R sin cápsula (inocua a la que sobrevivían). Al infectarlos con la cepa S inactivada con calor, los ratones sobrevivieron, pero la combinación de bacterias muertas de la cepa S y bacterias vivas de la cepa R los mataba. Concluyó que una molécula de la cepa S transformaba la cepa R en virulenta.

Avery, MacLeod y McCarty inocularon los ratones con la cepa R no virulenta y con un extracto de distintos biomoléculas de la cepa S sometidas a un tratamiento enzimático con amilasas, lipasas, RNAsas, proteasas y DNAsas. Observaron que la cepa R solo se transformaba en cepa S virulenta cuando el ADN estaba presente y concluyeron que el ADN era el material genético.

Experiencia de Beadle y Tatum

En 1941, Beadle y Tatum estudiaron las consecuencias de los cambios génicos o mutaciones. Comprobaron que la alteración de un gen suponía una variación fenotípica que consistía en el fallo en el funcionamiento de un enzima. “Un gen, un enzima”.

Experiencia de Pauling, Sanger e Ingram

En 1956, los trabajos de Pauling, Sanger e Ingram con la hemoglobina, les llevaron a ampliar la hipótesis a “Un gen, una proteína”. Sus experiencias mostraron que la diferencia entre la hemoglobina normal y la hemoglobina falciforme, se debía a un aminoácido de un total de 600, demostrando que una alteración en un gen producía un cambio de aminoácido.

Flujo de la información genética

En 1952 Hershey y Chase demostraron que el ADN de un virus que parasita bacterias era la molécula que se introducía en la célula bacteriana para la reproducción viral. No se conocía cómo se almacenaba la información en una molécula tan simple. En 1953, Watson y Crick mostraron su modelo de la estructura de la doble hélice, que explicaba cómo se podía almacenar y transmitir la información genética. Se aceptó que el gen se podía dividir en partes más y más pequeñas. Se reconoce que la mínima unidad de mutación y recombinación es un nucleótido, un par en la doble cadena de ADN.

Estructura de los genes

Un gen es un fragmento de ADN localizado en una región concreta de un cromosoma, que constituye una unidad de información genética.

• La función de un gen es almacenar la información genética, expresar la información para conferir una característica a una célula y transmitir la información a su descendencia.
• La estructura de un gen se basa en dos tipos de secuencias: una estructural, en la que existen secuencias codificantes (exones) y secuencias no codificantes (intrones); y una reguladora de la expresión.

Diferencias genéticas entre eucariotas y procariotas

• Las procariotas tienen un cromosoma circular con una secuencia estructural continua, sin exones ni intrones. Toda la información genética es traducida a secuencia proteica. Algunas contienen plásmidos, pequeñas moléculas de ADN circular que tienen genes como los de resistencia a antibióticos. Se replican independientemente y pueden ser transferidos de unas bacterias a otras.
• En las eucariotas, la mayor parte del ADN está en el núcleo. Sus genes están compuestos de exones e intrones y algunos orgánulos, como las mitocondrias y los cloroplastos, contienen fragmentos propios de ADN.

Dogma central de la biología

Establece que el flujo de información genética, se basa en los procesos de replicación, transcripción y traducción.

• Replicación: proceso de duplicación del ADN antes del proceso de división celular.
• Transcripción: proceso por el que la información de un fragmento de ADN, se copia en forma de una molécula de ARNm. Este es capaz de salir del núcleo y dirigirse hacia los ribosomas.
• Traducción: proceso por el cual se sintetiza una proteína con una determinada secuencia de aminoácidos a partir de la información contenida en el ARNm. Se lleva a cabo en los ribosomas de la célula.

Algunos virus son capaces de realizar la transcripción inversa, sintetizar ADN a partir de ARN. Otros virus emplean el material genético como ARNm, que traducen los ribosomas de la célula.

Replicación

Es el proceso por el cual, a partir de una molécula de ADN progenitora, se sintetizan dos moléculas hijas, que son una copia idéntica a la molécula original. Tiene lugar en la fase S del ciclo celular. La doble hélice debe desenrollarse y cada cadena servir de molde para construir una cadena complementaria.

Hipótesis de replicación del ADN

1. Hipótesis conservativa: Considera que, tras la replicación, una de las moléculas contiene las dos cadenas originales, y la otra, las dos cadenas sintetizadas de nuevo.
2. Hipótesis dispersiva: Considera que las dos moléculas resultantes de la replicación son moléculas híbridas; es decir, que contendrían fragmentos del ADN original y del ADN recientemente sintetizado.
3. Hipótesis semiconservativa: propuesta por Watson y Crick, demostrada por Meselson y Stahl en 1958 y es la más aceptada en la actualidad. Considera que cada cadena de la molécula de ADN progenitora sirve de molde para la síntesis de una nueva cadena.

Experiencia de Meselson y Stahl

Cultivaron la bacteria E. coli en un medio con ¹⁵N. El isótopo se incorporó a las cadenas de ADN que se iban sintetizando, haciéndolas más pesadas. De esta forma, las bacterias cultivadas tenían un ADN con una densidad superior al normal. Luego, cultivaron las bacterias en un medio con ¹⁴N, y analizaron por centrifugación el ADN de varias generaciones. Los resultados fueron:

1. Las moléculas de ADN de la primera generación tenían una densidad intermedia entre la de las cultivadas en ¹⁴N y la de las cultivadas en ¹⁵N. Cada molécula doble hélice de ADN contenía isótopos tanto de ¹⁴N como de ¹⁵N. Este resultado descarta el modelo conservativo.
2. En la segunda y tercera generación se mantuvo la banda intermedia y apareció una banda correspondiente a ADN cultivado en ¹⁴N. Había moléculas de ADN en las que no quedaba rastro del isótopo ¹⁵N. Este resultado descarta el modelo dispersivo.
3. El único modelo compatible con los resultados es el modelo semiconservativo.

Replicación en procariotas

Consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Existen mecanismos de corrección de errores.

Iniciación

La replicación iniciase en un punto del ADN circular de las bacterias, llamado oric, en el que se encuentran gran cantidad de secuencias de nucleótidos GATC. Se produce una burbuja de replicación en la que las dos hebras de ADN se van separando en sentidos opuestos y forman una estructura en forma de «Y». La burbuja se extiende y origina dos horquillas de replicación, en las cuales cada cadena de ADN actúa como molde para la síntesis de una cadena complementaria. Las dos hebras se copian a la vez en los dos sentidos, es decir, la replicación es bidireccional.

Este proceso está controlado por:

1. Helicasas: rompen los puentes de hidrógeno entre los desoxirribonucleótidos abriendo la doble hélice como una cremallera.
2. Girasas y topoisomerasas: evitan las tensiones producidas por la torsión de las hebras.
3. Las proteínas SSB se unen a cada hebra de ADN y evitan que ambas se vuelvan a unir.

Elongación

Intervienen los enzimas ADN polimerasas, que se encargan de hacer copias de cada hebra de ADN. Existen tres ADN polimerasas: I, II y III. En este proceso, intervienen las ADN polimerasas I y III.

La ADN-polimerasa III solo puede alongar la cadena añadiendo desoxirribonucleótidos al extremo 3′ (-OH) libre. Por lo tanto, el comienzo de la síntesis requiere otro enzima, una ARN polimerasa. Además, la ADN polimerasa III solo puede leer las hebras molde en el sentido 3’→5′ y añadir nucleótidos en sentido 5’→3′.

1. La ARN polimerasa (primasa) coloca al principio de la cadena un pequeño fragmento de ARN llamado cebador o primer al extremo 3′ (-OH) libre. Tendrá que ser eliminado más adelante.
2. La ADN polimerasa III recorre la hebra molde, selecciona el desoxirribonucleótido trifosfato, complementario al de la cadena molde, y lo añade mediante enlace fosfodiéster al cebador. La cadena molde 3’→5′ se lee y replica de manera continua, se llama hebra continua, conductora o líder. La cadena antiparalela 5’→3′ no puede replicarse de forma continua, por lo que la ADN polimerasa III sintetiza pequeños fragmentos de ADN en dirección 5’→3′ (fragmentos de Okazaki), que luego se unirán para formar una hebra llamada discontinua o retardada. Cada fragmento necesitará su ARN cebador.
3. La ADN polimerasa I elimina los cebadores y rellena los huecos con ADN complementario al molde.
4. La ADN ligasa une los diferentes fragmentos de Okazaki formados.

Terminación

La elongación termina cuando el ADN está replicado. Como el crecimiento de las cadenas es bidireccional, la cadena líder y la retardada se unirán en un lugar opuesto al origen de la replicación. La ADN polimerasa I eliminará el último cebador, y los fragmentos serán unidos por la ADN ligasa. Se obtienen dos cadenas de ADN idénticas a las moléculas de ADN progenitora.

Las polimerasas deben actuar de forma que la información genética se transmita fielmente de generación en generación. Existen enzimas correctores que detectan y corrigen las secuencias erróneas. En estos procesos de reparación interviene la ADN polimerasa II.

Replicación en eucariotas

Es un proceso lento y complejo que acontece durante la fase S del ciclo celular y, aunque presenta diferencias con la de los seres procariotas, también tiene semejanzas.

Semejanzas

1. La replicación en eucariotas es semiconservativa y bidireccional.
2. Necesita cebadores para iniciar la síntesis de las nuevas cadenas.
3. Existe una hebra conductora, que se sintetiza de forma continua, y una hebra retardada, que se sintetiza de forma discontinua mediante fragmentos de Okazaki.

Diferencias

1. El proceso de replicación es más lento, ya que el genoma eucariota es mucho mayor que el de los procariotas y el ADN está asociado a histonas, que deben duplicarse.
2. Hay numerosas burbujas de replicación o replicones que agilizan el proceso.
3. Existen 5 ADN polimerasas, que reparten entre sí las tareas de síntesis y corrección de errores.
4. Los fragmentos de Okazaki son más pequeños.