1. El ADN y los ácidos nucleicos

El ADN es la molécula que almacena la información genética de la célula. En eucariotas se encuentra en el núcleo, constituido por dos cadenas lineales asociadas a proteínas, formando la cromatina, que, al condenarse, origina los cromosomas. También hay ADN de doble cadena, pero circular, en las mitocondrias y en los cloroplastos. En procariotas, el cromosoma bacteriano es generalmente una doble cadena circular que no está delimitada por ninguna membrana. Además, muchas bacterias tienen cromosomas adicionales, más pequeños y también circulares, llamados plásmidos. En los virus, el ADN es una molécula simple o doble, lineal o circular, que suele encontrarse encerrada en una cubierta proteica.

1.1 Composición química del ADN

El ADN es un tipo de ácido nucleico. Los ácidos nucleicos son grandes moléculas constituidas por largas cadenas de nucleótidos entrelazados entre sí, denominados polinucleótidos. Los nucleótidos se unen entre sí mediante un enlace covalente denominado enlace fosfodiéster. Este se produce entre el grupo fosfato de un nucleótido y la pentosa del siguiente. En cada polinucleótido el grupo fosfato y la pentosa son siempre los mismos, diferenciándose en la secuencia de bases nitrogenadas. En el orden de colocación de estos nucleótidos, denominados secuencia, reside la información para el mantenimiento y el desarrollo de la vida. Bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), timina (T), guanina (G).

1.2 Estructura del ADN

El ADN presenta una estructura común en todas las células, aunque es distinta en algunos virus.

1.3 El ARN

El ARN es otro tipo de ácido nucleico que se encuentra en todos los seres vivos. Tiene como pentosa siempre la ribosa, y como bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y uracilo (U). Suele estar formado por una sola cadena de polinucleótidos. No presenta una estructura definida como el ADN. En las células eucariotas el ARN se localiza en el núcleo y en el citoplasma. ARN ribosómico (ARNr): forma parte, junto con las proteínas, de los ribosomas. Es el ARN más abundante. ARN mensajero (ARNm): transporta la información del ADN nuclear a los ribosomas, para que se fabriquen las proteínas. ARN transferente (ARNt): se une a aminoácidos específicos que transporta hasta los ribosomas, donde se fabrican las proteínas. Es el ARN más pequeño de todos.

2. La replicación del ADN

Durante el ciclo vital de una célula, cada cadena de ADN hace una copia de sí misma con el fin de poder transmitirla a cada una de las células hijas. Tanto en procariotas como en eucariotas, la replicación del ADN sucede justo antes de la división celular. El proceso de replicación es semiconservativo, ya que cada cadena de ADN sirve de molde para la formación de una nueva cadena complementaria. Enzimas de reparación: detectan los nucleótidos incorrectamente colocados, y los reemplazan por los correctos. Mutaciones: cambios en la molécula de ADN que actúan cuando las enzimas de reparación no funcionan.

3. Del ADN a las proteínas

GEN: Cada fragmento de ADN que contiene la información genética para un determinado carácter. Actualmente, un gen se define como un fragmento de ADN que lleva la información para sintetizar una proteína necesaria para que se exprese un determinado carácter en el individuo. Un cambio en la secuencia del gen puede provocar una alteración en la proteína, que se manifiesta en un cambio en las características del individuo. Las proteínas son cadenas formadas por la secuencia de moléculas más sencillas, denominadas aminoácidos. Hay 20 distintos y cada proteína se caracteriza por el número, el tipo y el orden específico en que están dispuestos esos aminoácidos.

4. Cómo se expresa la información genética

La información genética es un mensaje cifrado, la información que contiene el ADN tiene que ser descodificada. Transcripción: es la formación de una molécula de ARNm cuya secuencia de bases nitrogenadas es complementaria a una de las hebras de la doble hélice de ADN. La cadena de ARNm se sintetiza siguiendo las reglas de complementariedad de bases. En este proceso, la base complementaria de la adenina (A) es el uracilo (U), en lugar de la timina (T). Traducción: es la formación de una proteína cuya secuencia de aminoácidos está determinada por la secuencia de bases nitrogenadas del ARNm. En las células eucariotas, el ARNm fabricado sale al núcleo a través de los poros de la envoltura nuclear y llega al citoplasma, donde se une a los ribosomas. Los ribosomas ‘leen’ el mensaje genético en grupos de tres nucleótidos, denominados codones.

4.1 El código genético

El código genético es la relación entre la secuencia de nucleótidos en el ARNm y la secuencia de aminoácidos de la proteína. Determina qué aminoácido le corresponde a cada tres nucleótidos del ARNm o codón. Existen 64 codones posibles, más que aminoácidos. Esto significa que un mismo aminoácido puede estar codificado por más de un codón. Algunos codones no codifican para ningún aminoácido, sino que marcan el final del proceso de traducción. El codón AUG actúa como una señal de inicio para que comience la traducción. Es universal, pues el mismo triplete de bases nitrogenadas codifica para el mismo aminoácido en casi todos los seres vivos conocidos.

5. Las mutaciones

El material genético puede sufrir cambios de muchos tipos, desde la variación de una base nitrogenada hasta la variación en el número de cromosomas normales de una especie. Las mutaciones se traducen en cambios en las proteínas, por lo que pueden afectar a las características del organismo. Mutaciones negativas: cuando causan daños al individuo que las porta. Mutaciones neutras: si no producen beneficios ni perjuicios significativos. Mutaciones beneficiosas: cuando aumentan la posibilidad del organismo de sobrevivir y reproducirse.

5.1 Tipos de mutaciones

Según las células afectadas: SOMÁTICAS: afectan a cualquier célula del individuo, excepto a las reproductoras. No se transmiten a la descendencia, pero sí a las células hijas que se originan por mitosis. HEREDABLES: afectan a los gametos o a las células madre que darán lugar a los gametos. Se transmiten a la descendencia. Según el ADN afectado: GÉNICAS O PUNTUALES: producen alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. Un alelo se puede transformar en otro alelo diferente. CROMOSÓMICAS: producen cambios en algunos segmentos de cromosomas, en cromosomas enteros o en el número de cromosomas de un individuo. Según su origen: ESPONTÁNEAS: se producen al azar por causas naturales. Constituyen la gran mayoría y un ejemplo son los errores que pueden suceder durante la replicación del ADN. INDUCIDAS: son causadas por la exposición a agentes mutagénicos presentes en el medio ambiente.

6. Biotecnología e ingeniería genética

La biotecnología es la utilización de seres vivos en la creación o modificación de productos de interés para las personas. En agricultura y ganadería, para obtener animales y plantas más resistentes a plagas y enfermedades. En la industria alimentaria, con la utilización de microorganismos para la fabricación del vino, queso, pan, yogur, etc. En medicina, produciendo antibióticos como la penicilina, vacunas, sueros, etc. La ingeniería genética es el conjunto de técnicas de manipulación de genes en el laboratorio realizadas con un propósito concreto que sea aprovechable para las personas. Para su desarrollo es fundamental la utilización del ADN recombinante, formado por la unión de fragmentos de ADN de diferentes organismos.

7. Técnicas de ingeniería genética

Enzimas de restricción: proteínas capaces de cortar el ADN en puntos específicos. Con la ayuda de estas enzimas podemos aislar un gen determinado. ADN ligasas: enzimas que permiten unir fragmentos de ADN de diferente procedencia, originando así un ADN híbrido. Vectores de transferencia: moléculas de ADN que pueden reproducirse autónomamente y que sirven para transportar genes.

7.1 Tecnología del ADN recombinante

El proceso para obtener ADN recombinante se realiza en varias etapas. 1. Se identifica y localiza el gen deseado. El ADN es sometido a enzimas de restricción, que cortan los extremos del fragmento de ADN que nos interesa. 2. Con las mismas enzimas se corta el plásmido utilizado como vector. 3. El fragmento de ADN obtenido con las enzimas de restricción se une al vector con ayuda de las enzimas ADN ligasas. Se obtiene así un fragmento de ADN híbrido o recombinante. 4. La molécula de ADN recombinante se transfiere a una célula huésped. 5. La molécula de ADN recombinada se replica en la célula hospedadora. Cuando esta se divide, las células hijas portan el ADN recombinado. Se crea así un clon de células que contienen el gen procedente de otra célula.

7.2 Reacción en cadena de polimerasa (PCR)

Esta técnica permite generar muchas copias de ADN idénticas a partir de un fragmento de ADN. Actualmente la PCR es un proceso totalmente automatizado. Para esta reacción se precisan: la enzima ADN polimerasa, resistente al calor; un pequeño fragmento de ADN de unos 20 nucleótidos denominado cebador; una fuente de calor; y nucleótidos para formar las nuevas hebras de ADN. El fragmento de ADN puede unirse a cualquier vector e introducirlo en una célula para que se exprese. Pero debido a su capacidad de copiar cantidades pequeñas de ADN, la técnica tiene muchas otras utilidades. Aplicaciones a estudios evolutivos: se puede analizar ADN que tiene muchos años de antigüedad. Identificación de organismos: la PCR puede detectar el material genético del microorganismo causante de una enfermedad Determinación de huellas genéticas: es una técnica forense que permite identificar a una persona comparando su ADN con el de una muestra obtenida Diagnóstico de enfermedades genéticas: cada gen en estudio puede ser amplificado para determinar si un individuo porta alguna mutación que explique la presencia de una enfermedad o su aparición en el futuro.

8. Aplicaciones biotecnológicas

8.1 Aplicaciones en medicina

Obtención de sustancias: muchas enfermedades están causadas por la carencia de una proteína. Gracias a la ingeniería genética es posible obtener productos como la insulina para los diabéticos, la hormona del crecimiento, factores de coagulación sanguínea, etc. Diagnóstico de enfermedades: la tecnología del ADN recombinante ha hecho posible la localización de los genes responsables de algunas enfermedades. Terapia génica: esta técnica permite sustituir en humanos un gen defectuoso no funcional, por uno sano.

8.2 Aplicaciones en el medio ambiente

Son las técnicas destinadas a reducir la contaminación ambiental provocada por diferentes actividades humanas. La biorremediación consiste en la utilización de microorganismos recombinantes capaces de degradar compuestos contaminantes del suelo o del agua.

8.3 Aplicaciones en agricultura y ganadería

La ingeniería genética ha permitido la manipulación de genes de especies de interés agrícola y ganadero, consiguiendo organismos transgénicos o genéticamente modificados (OGM). Un transgénico es aquel organismo en el que se ha introducido un transgén, un gen que nos interesa porque tiene una característica especialmente útil, en el ADN de otro organismo. A pesar de las ventajas que puede aportar un alimento transgénico, muchos expertos y organizaciones se oponen a su comercialización.

9. La clonación y las células madre

9.1 Clonación reproductiva

La clonación reproductiva tiene como objetivo conseguir individuos nuevos idénticos entre sí y al original. La transferencia nuclear somática es uno de los métodos más utilizados en este tipo de clonación. La oveja Dolly fue el resultado de una clonación de mamífero a partir de células de un animal.

9.2 Clonación terapéutica y células madre

Esta técnica consiste en clonar tejidos u órganos y utilizarlos en la cura de ciertas enfermedades o en trasplantes de órganos. Este tipo de clonación necesita obtener células madre. Las células madre son células no diferenciadas, que no tienen una función específica y que poseen la capacidad de convertirse en uno o más tipos de células diferentes. Cuando una célula madre se divide, cada célula nueva puede seguir siendo una célula madre o convertirse en otro tipo de célula con un función más especializada. Células madre embrionarias: son células pluripotentes. Se obtienen de un embrión en sus primeras fases de desarrollo. En humanos dejan de existir transcurridos cinco días de su desarrollo. Provienen de embriones excedentes de fertilización in vitro. Su uso en humanos presenta problemas éticos. Células madre adultas: son células que solo pueden generar determinados tipos de células. Se encuentran en la mayoría de los tejidos del cuerpo. También se pueden encontrar en tejidos fetales, células del cordón umbilical y en la placenta. Su uso no presenta problemas éticos. Células madre inducidas: son células adultas que no son células madre, pero que se pueden reprogramar en el laboratorio a células madre pluripotentes. El uso de estas células evita la utilización de embriones y, por tanto, los problemas éticos que presenta.

10. El Proyecto Genoma Humano

10.1 Características principales del genoma humano

Nuestro genoma tiene unos 3.000 millones de nucleótidos. Está formado por alrededor de 25.000 genes que codifican proteínas. Solo una pequeña porción de ADN codifica para proteínas. El 99.9% de los genes de todas las personas son iguales. El 0.1% restante es la diferencia entre unos y otros. Cada gen está implicado en la síntesis de muchas proteínas, no de una sola.