La materia viva: una introducción
¿Qué tipos de materia existen?
Básicamente dos: la materia inerte y la materia viva. La diferencia entre ambos tipos de materia es que la segunda es capaz de realizar copias de sí misma, mientras que la primera no. Esto se debe a que la materia viva posee información sobre lo que es que determina su estructura.
Además, los seres vivos evolucionan, es decir, se adaptan a los cambios ambientales. El hecho de que suelan realizar copias algo diferentes al original implica que exista diversidad, base de la evolución. Como estudiamos en el tema 4 sobre la evolución, es la selección natural uno de los mecanismos de la misma, diferente a la selección artificial realizada por el ser humano.
Un ejemplo de que los seres vivos pueden evolucionar rápidamente lo representa cómo la contaminación ambiental provocó el oscurecimiento de una especie de mariposas en Manchester. De este modo, cuando existía ausencia de contaminación los abedules en los que se posaban eran claros, por lo que las mariposas también lo eran para mimetizarse con el entorno. Fue entonces cuando el aumento de contaminación oscureció la corteza de estos árboles y, por ende, a las mariposas también. Nuevamente, al desaparecer la contaminación la situación regresa al estado inicial.
La materia viva contiene genes.
La herencia: de Mendel a la teoría cromosómica
Como hemos visto, los seres vivos evolucionan mediante selección natural, mecanismo propuesto por Darwin. Sin embargo, no se conocía el por qué. Se pensaba que existía una herencia mezclada, es decir, que los caracteres de los seres vivos se combinaban en la descendencia.
Fue Mendel quien, a partir de sus experimentos, dedujo que lo que ocurría era una herencia particulada, siendo dichas partículas los factores hereditarios que hoy conocemos como genes.
Leyes de Mendel
A continuación se resumen las tres leyes de Mendel:
- Primera ley de Mendel: uniformidad de los híbridos de la primera generación.
Sea el color del guisante un carácter del mismo, determinando “A” color amarillo y “a” color verde, dominando el primero sobre el segundo. Si se mezclan individuos homocigotos dominantes (AA) y homocigotos recesivos (aa) toda la descendencia resultante es heterocigota (Aa) y amarilla.
- Segunda ley de Mendel: separación o disyunción de los alelos.
Cuando se cruzan entre sí plantas de guisante heterocigotas en la descendencia aparecen: un 25 % AA (amarillos), un 50 % Aa (amarillos) y un 25 % aa (verdes). Es decir, reaparecen los genotipos (veremos que es el conjunto de genes de un individuo) de la primera generación.
- Tercera ley de Mendel: independencia de los caracteres no antagónicos.
Cuando se estudian dos caracteres distintos en guisantes (color, amarillo (A) y verde (a), y forma del guisante, lisa (B) o rugosa (b)) ocurre lo siguiente. Cuando se cruzan dos guisantes heterocigotos AaBb aparecen las siguientes proporciones
9/16 son amarillos lisos (A_B_ = AABB, AABb, AaBB y AaBb)
3/16 son amarillos rugosos (A_bb = Aabb y AAbb)
3/16 son verdes lisos (aaB_ = aaBB y aaBb)
1/16 es verde rugoso (aabb)
De esta manera Mendel demostró que los caracteres color y textura eran independientes en guisante, estando determinada su herencia por los factores hereditarios que actualmente se llaman genes y son individuales.
¿Qué es un gen?
Fue Johannsen quien acuñó el término de gen: unidad de información que controla la expresión de un carácter y es transmitida a la descendencia.
¿Cuál es la diferencia entre genotipo y fenotipo?
El genotipo es el conjunto de genes que determina cómo es un organismo, mientras que el fenotipo es la expresión o manifestación de dicho genotipo, el aspecto del mismo.
¿Dónde están los genes?
Los genes se encuentran en el interior de los seres vivos:
- Acelulares: dentro de los virus.
- Celulares: dentro del núcleo (células eucariotas) o dispersos en el citoplasma (células procariotas).
La célula es la unidad básica de los seres vivos. Consta de tres partes diferenciadas: membrana celular, barrera que controla el intercambio de sustancias; citoplasma, lugar en el que residen los diversos orgánulos celulares (mitocondrias, ribosomas…); núcleo, espacio en el que se encuentran los genes.
Por otro lado, conviene aclarar que las células eucariotas son las que tienen núcleo definido, mientras que las células procariotas carecen del mismo.
¿Cómo se organizan los genes?
Los genes residen en la cromatina, localizada en el núcleo celular, que es una sustancia que se tiñe con colorantes básicos debido a su naturaleza ácida. Esta se condensa en forma de cromosomas al principio de la división celular (mitosis). Por tanto, ambas representan dos estados funcionales distintos por los que pasan los genes: al estar condensados no pueden transcribirse y generar proteínas (cromosomas), mientras que al descondensarse (cromatina) sí lo pueden hacer.
En cuanto a los cromosomas pueden ser autosomas, cromosomas de las células del cuerpo (somáticas) o heterosomas, que son los responsables de determinar el sexo o cromosomas sexuales. En la especie humana los individuos XX son mujeres mientras que los XY son varones.
¿Qué es la teoría cromosómica de la herencia?
A principios del siglo XX, varios científicos entre los que se encontraba Morgan determinaron a partir de una serie de experimentos realizados con la mosca de la fruta que los genes se encuentran en los cromosomas y que son trozos de los mismos. En esto consiste la teoría cromosómica de la herencia en que los cromosomas contienen los genes responsables de la herencia.
Se denomina locus al lugar que ocupa un gen en un cromosoma, mientras que loci son las diferentes localizaciones de varios genes.
En nuestra especie, el cariotipo o conjunto de cromosomas viene definido por 23 pares de cromosomas homólogos entre los que se encuentra un par XX (mujeres) o XY (varones).
El ADN: la molécula de la vida
¿Cuál es la molécula de la vida?
La respuesta a esta pregunta ha preocupado desde siempre a los científicos. Básicamente estos sospechaban que la molécula de la herencia eran las proteínas o los ácidos nucleicos. El experimento de Griffith junto con el de Avery, McCarthy y MacLeod fueron claves en demostrar que son los segundos el lugar donde residen los genes y los responsables de la herencia.
Para ello, Griffith realizó el siguiente experimento: la bacteria Streptococcus pneumoniae, causante de la neumonía, tenía dos cepas, una lisa patógena (tiene cápsula) y otra rugosa (carece de la misma). Cuando inyectaba en ratón cada una de las cepas diferentes por separado una causaba la muerte del mismo (lisa, S, Straight), mientras que la otra no (rugosa, R, rough). Sin embargo, cuando mezclaba baterías S muertas y R vivas, inexplicablemente el ratón enfermaba y moría. Había algo en las S que había modificado y transformado a las R en S.
Para demostrar la naturaleza de esta molécula se repitieron las pruebas tratando con proteínas (enzimas) que rompen específicamente proteínas o ácidos nucleicos. Únicamente en este último caso el paso anteriormente explicado no tenía ningún efecto en los ratones. Por tanto, son los ácidos nucleicos las moléculas de la herencia, en concreto el ADN (algunos virus contienen como material genético ARN).
Una vez comprobado que los ácidos nucleicos son las moléculas de la herencia era necesario conocer su estructura y funcionamiento.
El ADN es la esencia de la vida
El ADN es la molécula de la herencia. Se trata de una doble hélice formada por dos cadenas de unas moléculas llamadas nucleótidos. Estos constan de tres componentes: una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina y timina (ADN) o uracilo (ARN)); un azúcar (ribosa o desoxirribosa) y el ácido fosfórico (le da la carga negativa a los ácidos nucleicos).
La estructura molecular del ADN fue deducida por Watson y Crick en 1953 a partir de los resultados obtenidos en diferentes experimentos por otros científicos. Dos fueron claves:
- La radiografía de rayos X obtenida a partir de fibras de ADN por Franklin y Wilkins, cuyo análisis permitió deducir que el ADN es una hélice.
- Las leyes de Chargaff: en toda molécula de ADN la proporción de bases púricas (adenina + guanina) es igual a la de pirimidínicas (citosina + timina). Esto supone que por cada adenina hay una timina y por cada guanina una citosina.
A la hora de duplicarse el ADN, una cadena sirve como molde y la otra es de nueva formación. Es decir, el ADN es como una cremallera que al abrirse va generando cadenas hijas complementarias e iguales a la cadena molde.
¿Para qué sirven los genes?
La función de los genes es poder hacer copias de sí mismos y transmitir la información a la descendencia.
En los seres vivos las funciones biológicas son realizadas a través de las proteínas (enzimas) que catalizan las reacciones químicas.
Fueron Beadle y Tatum quienes establecieron la hipótesis un gen, una enzima. Sin embargo, esta hipótesis no es válida en la actualidad porque, en ocasiones, un gen puede formar diferentes proteínas.
Por otro lado, Crick enunció otro principio que hoy en día también ha sido modificado: el dogma central de la Biología Molecular:
ADN ARN Proteínas
El ADN se replica a sí mismo y mediante la transcripción se convierte en ARN, que, a su vez, es traducido en proteínas.
El descubrimiento de las ribozimas (fragmentos de ARN que pueden catalizar su propia síntesis) y el de los retrovirus que mediante transcripción inversa convierten su ARN en ADN, ha modificado la visión del principio anterior.
Por otra parte, tanto en eucariotas como en procariotas existe un flujo de la información genética. En el primer caso los procesos de replicación y transcripción transcurren en el núcleo celular, siendo transportado el ARN mensajero (lleva las instrucciones contenidas en el ADN en forma de cadena complementaria de la cadena codificante de ADN) al citoplasma donde ocurre la síntesis de proteínas (traducción). Por el contrario, en el segundo caso la transcripción y la traducción son procesos simultáneos al no existir núcleo definido.
Finalmente mencionar que el código genético es el lenguaje en el que se escriben los genes. Determina que cada tres bases nitrogenadas (un triplete o codón) codifica para un aminoácido. Normalmente existen varios tripletes para cada aminoácido, lo cual conlleva que está degenerado. También es igual en todos los seres vivos, es decir, es universal. Por este motivo, en ocasiones un cambio de triplete puede no tener ningún efecto en la proteína sintetizada (mutación silenciosa), o bien sí provocar cambios o mutaciones en la misma.
El genoma humano: un mapa de la vida
¿Cómo son los genes en humanos?
El Proyecto Genoma Humano realizado por una entidad privada (Celera) y un consorcio público utilizando dos métodos diferentes (la privada secuenciaba fragmentos al azar, mientras que la pública iba estudiando cromosoma por cromosoma), permitió llegar a estas conclusiones:
- Los genes humanos constan de exones (fragmentos codificantes para proteínas) e intrones (fragmentos no codificantes). Por tanto, se unen los exones y se eliminan los intrones. La combinación de diferentes exones de un mismo gen origina diferentes isoformas con distinta actividad. Esta proporción representa únicamente un 1,5 % del genoma humano.
- Una gran proporción del ADN humano (98,5 %) se compone de genes de ARN (que no codifican para ninguna proteína) y de ADN basura, cuyas funciones se desconocen (aunque se piensa que puede ser importante en la regulación de la expresión génica, lo estudia la epigenética).
- No existe una relación lineal entre el número de genes de un organismo (genoma) y la complejidad del mismo.
Otros dos conceptos son importantes: genómica, parte de la biología que estudia los genomas y cómo algunos procesos como el cáncer o el alcoholismo están controlados por varios genes (poligenes); proteómica, estudio de las proteínas codificadas por el genoma.
La genética del desarrollo: cómo se construye un organismo
¿Qué es la genética del desarrollo?
Fundamentalmente consiste en el estudio de cómo los genes controlan los procesos que sufre un organismo a lo largo de su ciclo biológico (desarrollo). De esta forma, el control de la expresión de los genes homeóticos implicados en el desarrollo permite controlar procesos como la proliferación (división celular) y la diferenciación (modificación de unas células en otras por la activación de unos genes y la inactivación de otros).
Conocer en detalle estos procesos permitirá obtener tipos celulares, tejidos y órganos a la carta, algo muy prometedor en medicina.
La epigenética: más allá de los genes
¿Qué es la epigenética?
Se define como aquella rama de la genética que estudia las características de un organismo no determinadas por los genes. En todo esto interviene la dieta y la nutrición, el estilo de vida, los factores de riesgo y los fármacos.
Básicamente el enrollamiento de la cromatina determina que cuanto mayor sea menor será la expresión de los genes.
Aparte de esto la metilación del ADN (añadir grupos metilo a las bases nitrogenadas) determina que aquellos genes metilados no se expresen ni se transcriban. Algunas moléculas contenidas en ciertos alimentos como el ácido fólico, la vitamina B12 pueden inhibir este proceso, provocando su carencia enfermedades como las cardiovasculares. También existe una clara relación entre la desnutrición severa durante el embarazo y la predisposición a sufrir ciertas enfermedades en la descendencia.
Por último, indicar que actualmente existen fármacos epigenéticos que pretenden invertir los cambios en el epigenoma, algunos de los cuales han sido usados ya con éxito en cáncer de mama o leucemia.
En conclusión, el estudio no sólo de los genes sino también de todo aquello que controla su expresión será determinante a la hora de comprender cómo se organizan y funcionan, permitiendo que el futuro de la medicina sea más prometedor.
a sea más prometedor.