Expresión Génica, Mutaciones e Ingeniería Genética

Se llama expresión génica al proceso por el cual los organismos transforman en proteínas la información contenida en los ácidos nucleicos. Se define el gen como un segmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una 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 esa proteína se transcribe a ARN 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:

• La primera se refiere al término dogma, que significa creencia no cuestionada, lo cual es incompatible con la ciencia.
• Algunos virus (como el del sida) cuyo material genético es ARN. Dichos virus sintetizan el ADN tomando como molde su ARN, en una transcripción inversa. A partir de ese ADN se sigue el modelo propuesto.
• Los priones son proteínas capaces de propagarse sin ayuda de ningún ADN.
• La cuarta se realizó al conocerse las ribozimas, moléculas de ARN que pueden autoduplicarse.

Replicación: proceso en el que se duplica una molécula de ADN. Tiene lugar en el núcleo.

Transcripción: proceso en el que se sintetiza una molécula de ARN mensajero (ARNm) tomando como molde un fragmento de ADN. Se realiza en el citoplasma.

Traducción: mecanismo de síntesis de una proteína a partir de la información contenida en el ARNm. Tiene lugar en los ribosomas.

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ARNm formado en la transcripción. Tiene lugar en el interior de los ribosomas. Cada proteína se caracteriza por una secuencia de aminoácidos característica. Se necesitan los siguientes elementos:

• Una molécula de ARNm, que procede de la transcripción de un fragmento de ADN concreto.
• Ribosomas, que son los orgánulos capaces de «leer» el ARNm. Pueden estar libres en el citoplasma o unidos a las membranas del retículo endoplásmico.
• ARN de transferencia, que son moléculas de ARN que llevan los aminoácidos hasta los ribosomas. Cada aminoácido es transportado por un determinado tipo de ARN de transferencia (ARNt).
• Aminoácidos libres en el citoplasma.

Etapas:

1. El ARNm sale del núcleo con la información copiada del fragmento de ADN.
2. El ARNm se sitúa sobre los ribosomas.
3. El ARNt transporta los aminoácidos hasta los ribosomas según el orden indicado en el mensaje del ARNm.
4. Los ribosomas recorren la cadena de ARNm y van uniendo aminoácidos en el orden adecuado, según la secuencia de bases nitrogenadas: el ARNm es leído por los ribosomas, que lo traducen en una proteína.
5. La proteína formada se libera del ribosoma.

Se denomina código genético a la relación entre la secuencia de bases nitrogenadas del ARNm y la de los aminoácidos que constituyen una proteína. Debido a que existen 20 aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas, y 4 nucleótidos diferentes en una cadena de ARNm, serán necesarios tres de ellos (triplete) para codificar un aminoácido. Los tripletes del ADN se denominan codógenos, y los del ARNm codones. Hay un codón que indica siempre el inicio de la traducción y dos la finalización de la síntesis de proteínas. En el desciframiento del código genético participó Severo Ochoa ya que aislaron una enzima capaz de sintetizar ARN.

Características del código genético:

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

Mutaciones

Las alteraciones del material genético se denominan mutaciones. Solo son perceptibles aquellas que modifican alguna característica. Las mutaciones se pueden transmitir a la descendencia. Las mutaciones resultan necesarias para aumentar la variabilidad de los individuos de una población. En algunos casos son perjudiciales como ocurre con el cáncer o las enfermedades genéticas.

Mutaciones según el tipo de alteración genética

• Mutaciones génicas o moleculares. Afectan a la estructura química de los genes, es decir, a la secuencia de nucleótidos del ADN. Por ejemplo, la anemia falciforme está causada por el cambio de un aminoácido de la hemoglobina.
• Mutaciones cromosómicas. Afectan a la estructura de los cromosomas, de forma que se duplican, 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.
  • Tipos:
    • Aneuploidías, en las que falta o hay algún cromosoma de más. Ejemplo: la trisomía del par de cromosomas 21 o síndrome de Down.
    • Euploidías, en las que se ve afectado el juego diploide de cromosomas, lo que origina individuos con 3n, 4n… en vez de 2n cromosomas

Mutaciones según la causa que las origina

Las mutaciones que se producen en las células pueden ser espontáneas o inducidas. Las primeras surgen como consecuencia de errores en el proceso de replicación del ADN. Las mutaciones inducidas ocurren cuando la célula o el organismo se someten a la acción de ciertos agentes mutagénicos o mutágenos. Los agentes mutágenos pueden ser:

• Agentes mutágenos físicos. Son radiaciones que pueden alterar el ADN. Las más importantes son la ultravioleta, la gamma, 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 (colorantes, pesticidas, contaminantes, 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)

Mutaciones y evolución

Las mutaciones no son siempre perjudiciales, ya que sin ellas no habría evolución. Las mutaciones son la fuente primaria de la variabilidad genética. Las mutaciones modifican el ADN. Estos cambios pueden suponer una ventaja para los individuos, porque les confieren alguna característica nueva que mejora sus condiciones, o bien un inconveniente. La selección natural actuará favoreciendo o desfavoreciendo a aquellos que portan la mutación. En las neutras, es decir, aquellas que no aportan ventajas ni desventajas, la selección natural no actúa y se mantienen aleatoriamente en las poblaciones. Las mutaciones se producen al azar, es decir, no son una respuesta del organismo para lograr una mayor o menor adaptación al medio.

Las mutaciones germinales

Las mutaciones que se producen en las células reproductoras, los gametos, se llaman mutaciones germinales y son las únicas relevantes para la evolución, ya que se transmiten a la descendencia y, por ello, permanecen. Cuando se produce una mutación germinal, pueden darse tres casos:

• Que la mutación no produzca cambios apreciables a la vista, bien porque se ha producido en un segmento de ADN que no se transcribe, o bien porque no altera la secuencia de aminoácidos de la proteína.
• Que provoque un pequeño cambio observable sin ninguna trascendencia.
• Que cause un gran cambio aparente. Dicho cambio puede conllevar una mejora o un grave perjuicio, que acarree incluso la muerte del individuo.

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. (Se puede conseguir eliminar genes, introducir otros nuevos y modificar la información o hacer copias de un gen).

1. Las técnicas de trabajo más empleadas son la obtención de ADN recombinante, la utilización de vectores (agente que transfiere información genética entre dos organismos) y la técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR).

El ADN recombinante

El ADN recombinante es una molécula de ADN artificial obtenido a partir del gen de un organismo y de un vector (ADN de una bacteria o de un virus). La unión gen + vector es el ADN recombinante. El ADN recombinante se introduce en una célula, que expresará la proteína. La técnica para obtener ADN recombinante se utiliza mucho en investigación.

La técnica de la reacción en cadena de la polimerasa

La técnica de la reacción en cadena de la polimerasa, o PCR, 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.

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

1. Se fragmenta el ADN con enzimas de restricción y se aísla el gen.
2. Se obtiene un vector bacteriano.
3. Se forma un ADN recombinante con la participación de una enzima ligasa.
4. Se introduce en la célula hospedadora.
5. Las células con el gen introducido se reproducen.

Son animales clónicos los que proceden de una reproducción asexual y los gemelos. Para obtenerlos por otras vías, son necesarios un óvulo, al que previamente se habrá extraído el núcleo, y otra célula procedente del individuo que se va a clonar.

Tipos de clonación animal

1. Clonación terapéutica: Consiste en clonar tejidos u órganos para trasplantarlos a pacientes enfermos.
   • Para ello, el núcleo de una célula del paciente se introduce en un ovocito, al que se ha extraído el núcleo; resulta así un embrión con idéntica dotación genética que el paciente.
   • Se obtendrán células madre para producir el tejido u órgano que se quiera trasplantar, que será perfectamente compatible con el receptor.
2. Clonación reproductiva
   • Consiste en clonar individuos genéticamente iguales, como en el caso de la oveja Dolly.
   • Es una técnica que conlleva riesgos; los individuos obtenidos suelen envejecer rápidamente y desarrollar algunas enfermedades. Es una técnica prohibida en seres humanos.
3. Organismos modificados genéticamente (OMG) 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. El objetivo es transferirles propiedades que ellos no poseen o modificar las que presentan. Pueden manipularse desde bacterias hasta animales. Los organismos modificados tienen distintas aplicaciones, entre las que podemos destacar las siguientes:
   • Se usan bacterias para la fabricación de productos terapéuticos, (insulina o hormona del crecimiento), o vacunas (hepatitis B).
   • Se utilizan virus para introducir genes necesarios en terapias génicas.
   • Se modifican animales con el fin de potenciar determinadas características, por ejemplo, mayor producción de leche.
   • Se producen plantas comestibles resistentes a plagas y herbicidas

4. Biotecnología Podemos distinguir dos tipos:

Biotecnología tradicional

La biotecnología tradicional se basa en la utilización de microorganismos en procesos de producción, tanto para realizar dicha producción como para mejorarla.

• Alimentario
  • Fabricación del pan gracias a las fermentaciones llevadas a cabo por la levadura
  • Fabricación de queso y derivados lácteos mediante la fermentación láctica que realizan algunas bacterias.
  • Producción de bebidas alcohólicas a partir de fermentaciones alcohólicas.
• Sanitario
  • Fabricación de vacunas utilizando microrganismos atenuados o fragmentos de ellos.
  • Elaboración de antibióticos producidos por ciertos mohos.
• Medioambiental
  • Uso de bacterias para la descomposición de la materia orgánica de los residuos sólidos urbanos mediante fermentaciones.
  • Eliminación de la materia orgánica en las depuradoras mediante acciones realizadas por bacterias.
  • Fabricación bacteriana de bioplásticos, que son biodegradables.
  • Eliminación de los vertidos de petróleo mediante su degradación por bacterias especializadas.

Biotecnología actual

La biotecnología actual está basada en los logros obtenidos por la ingeniería genética.

Aplicaciones:

• Aplicaciones agrícolas y ganaderas. Se basa en la modificación de las plantas y de los animales con la finalidad de obtener una mejora en los productos que se obtienen de ellos, como alimentos, textiles, etc. Se obtienen de este modo animales o plantas más resistentes a las plagas o a condiciones medioambientales adversas, se incrementan las características ventajosas de dichas especies o se preservan las variedades que tienen una mayor utilidad para la especie humana.
• Aplicaciones sanitarias Gracias a ellas se han conseguido grandes avances en la prevención y la lucha contra algunas enfermedades, así como en la obtención de productos sanitarios de mayor calidad. Se han abierto vías de investigación que prometen logros impensables hace unos años. Los siguientes son cuatro ejemplos de aplicaciones biosanitarias

• Diagnóstico molecular Permite diagnosticar precozmente algunas enfermedades e iniciar un tratamiento personalizado.
• Producción de nuevos fármacos. Con capacidad de actuar en zonas concretas (membranas, genes, enzimas) aumentando su eficacia y logrando tratamientos personalizados. También se desarrollan nuevas vacunas a partir, únicamente, de la parte del microorganismo que produce la inmunidad, en vez de utilizar el microorganismo entero.
• Ingeniería celular y de tejidos A partir de cultivos celulares, células madre, etc., se obtienen células o tejidos que sustituyen a los dañados o extirpados. Se considera medicina regenerativa.
• Terapia génica Basada en la modificación del material genético de las células somáticas, para que no se produzcan proteínas defectuosas causantes de enfermedades o problemas fisiológicos. La legislación prohíbe su aplicación en los gametos.

Implicaciones éticas, sociales y medioambientales

La ingeniería genética ha abierto numerosas posibilidades por ejemplo, en lo que respecta al tratamiento de las enfermedades genéticas. También la modificación genética de plantas y animales puede suponer una mejora de las fuentes de alimentación. No obstante, también tiene implicaciones negativas:

• Implicaciones éticas. La posibilidad de interferir en las características de los hijo o la intervención de empresas privadas que patenten genes y los utilicen para hacer negocio.
• Implicaciones sociales. La aplicación de la biotecnología puede incrementar las diferencias entre países desarrollados y en vías de desarrollo. La posibilidad de conocer que una persona desarrollará determinada enfermedad podría ser un motivo de discriminación.
• Implicaciones medioambientales. La transferencia de genes de unos organismos a otros podría acarrear modificaciones no deseadas en las especies implicadas. Además la utilización de organismos transgénicos puede causar la desaparición de especies silvestres.

Para regular esto es necesario aplicar la bioética (disciplina que combina el conocimiento biológico con el de los valores humanos). Las recomendaciones de la UNESCO se resumen en: protección del ser humano, promoción del conocimiento y la investigación y solidaridad y cooperación internacional.