ADN, Genética y Biología Molecular: Conceptos Clave y Aplicaciones

ADN: Estructura y Función

El ADN se compone de dos cadenas, cada una formada por nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son cuatro: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). En la doble cadena, una A siempre se enfrenta a una T y una C se enfrenta a una G. Las bases enfrentadas se dice que son complementarias.

Diferencias entre el ADN Procariota y Eucariota

Dogma Central de la Biología Molecular

El dogma central de la biología molecular establece que la información genética se transfiere del ADN al ARN, y de ahí a las proteínas.

Fue enunciado por Francis Crick en 1958, cinco años después de que revelase la estructura de la doble hélice.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso fundamental que ocurre en todas las células vivas para duplicar su material genético antes de la división celular. Este proceso asegura que cada célula hija reciba una copia exacta del ADN de la célula madre.

1. La replicación del ADN es semiconservativa. Cada cadena de la doble hélice funciona como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
2. Enzimas llamadas ADN polimerasas producen el ADN nuevo. Estas requieren de un molde y de un cebador (iniciador), y sintetizan ADN en dirección 5' a 3'.
3. Durante la replicación del ADN, una de las cadenas nuevas (la cadena líder) se produce como un fragmento continuo. La otra (la cadena rezagada) se hace en pequeños fragmentos.
4. La replicación requiere de otras enzimas además de ADN polimerasa, como la ADN primasa, la ADN helicasa, la ADN ligasa y la topoisomerasa.

Transcripción del ADN

En la transcripción, una cadena del ADN que compone al gen, llamada cadena no codificante, funciona como molde para que una enzima llamada ARN polimerasa sintetice una cadena de ARN correspondiente (complementaria). Esta cadena de ARN se llama transcrito primario.

El transcrito primario tiene la misma secuencia de información que la cadena de ADN que no se transcribió, generalmente llamada cadena codificante. Sin embargo, el transcrito primario y la cadena codificante no son idénticos debido a ciertas diferencias bioquímicas entre el ADN y el ARN.

El azúcar en un nucleótido de ARN es ribosa, mientras que en el ADN es desoxirribosa. Ambos son similares, pero la ribosa tiene un grupo hidroxilo que no se encuentra en la desoxirribosa.

Traducción del ARN

La traducción es el proceso mediante el cual la información genética contenida en el ARN mensajero (ARNm) se convierte en una secuencia de aminoácidos para formar una proteína.

Es una etapa clave en la síntesis de proteínas y ocurre en los ribosomas, estructuras ubicadas en el citoplasma de las células procariotas y eucariotas.

Pasos de la Traducción

Ribosomas: son máquinas moleculares cuya función es construir polipéptidos.

1. Una vez que un ribosoma se monta sobre un ARNm y encuentra el codón de "inicio", se desplazará rápidamente por el ARNm un codón a la vez.
2. Una vez que el ARNt está perfectamente unido a su codón correspondiente en el ribosoma, su aminoácido se añadirá al final de la cadena polipeptídica.

Este proceso se repite muchas veces y el ribosoma se mueve sobre el ARNm un codón a la vez. La cadena de aminoácidos se construye pieza por pieza con una secuencia de aminoácidos que coincide con la secuencia de codones en el ARNm. La traducción termina cuando el ribosoma alcanza un codón de terminación y libera el polipéptido.

Una vez terminado el polipéptido, este puede ser procesado, modificado, combinado con otros polipéptidos o enviado a algún destino en específico dentro o fuera de la célula. En última instancia, este polipéptido realizará un trabajo específico para la célula o el organismo, tal vez como molécula de señalización, algún elemento estructural o una enzima.

¿Cómo "sabe" el ribosoma qué aminoácido insertar para cada codón?

Depende de un grupo de moléculas llamadas ARN de transferencia (ARNt). Cada ARNt tiene tres nucleótidos que sobresalen en un extremo y pueden reconocer (complementar sus bases con) uno o unos cuantos codones en particular. En el otro extremo, el ARNt transporta un aminoácido: específicamente, el aminoácido que corresponde con esos codones.

Genética: La Ciencia de la Herencia

Genética: Ciencia que estudia la herencia biológica, es decir, la transmisión de caracteres de generación en generación.

Origen: Gregor Mendel, conocido como el padre de la genética, sentó las bases de esta disciplina a través de experimentos con guisantes.

Él descubrió que los factores hereditarios, llamados genes, no se mezclan sino que se transmiten de manera independiente y determinan las características de los organismos.

Conceptos Básicos de la Genética Clásica

• Gen: Unidad de información genética que se encuentra en un locus específico del cromosoma.
• Codón: Secuencia de tres nucleótidos consecutivos en una molécula de ARN mensajero (ARNm) que codifica un aminoácido específico o señala el inicio o final de la traducción durante la síntesis de proteínas.
• Alelo: Es una versión de un gen en un alelo específico.
• Genotipo (Genoma): Conjunto de genes heredados de los padres.
• Fenotipo: Manifestación observable del genotipo (rasgos físicos o conductuales).
• Carácter Hereditario: Cualidad transmitida a la descendencia.
• Cromosomas: Son estructuras en nuestras células donde se encuentra el ADN. Tenemos 46 cromosomas: 23 vienen de nuestra madre y 23 de nuestro padre.
• Locus: Posición específica que ocupa un gen en un cromosoma.
• Loci: Plural de locus y se usa cuando hablamos de múltiples posiciones genéticas.
• Homocigoto: Organismo con dos alelos iguales para un carácter.
• Heterocigoto: Organismo con dos alelos diferentes.
• Herencia Dominante: Un alelo domina sobre otro.
• Herencia Intermedia: Fenotipo intermedio entre los parentales.
• Herencia Codominante: Ambos alelos se expresan simultáneamente.
• Herencia Polialélica: Carácter controlado por más de dos alelos en la población.

Leyes de Mendel

Primera Ley de Mendel (Ley de la Uniformidad)

Los híbridos de la primera generación filial (F1) muestran el mismo fenotipo, dominado por el alelo dominante.

Si cruzamos dos individuos con características puras diferentes (por ejemplo, una planta con flores rojas y otra con flores blancas), todos los descendientes tendrán la característica del gen dominante (flores rojas).

Segunda Ley de Mendel (Ley de la Segregación)

• Durante la formación de gametos, los alelos se separan para que cada gameto reciba solo uno de ellos.
• Ejemplo: En la segunda generación filial (F2), reaparecen los fenotipos recesivos en una proporción 3:1 (dominante:recesivo).

Tercera Ley de Mendel (Ley de la Herencia Independiente)

La transmisión de un carácter no influye en la transmisión de otro. Por ejemplo, el color de las flores no afecta el tamaño de las semillas.

Tipos de Herencia

• Herencia Dominante: Un alelo dominante se expresa sobre uno recesivo.
  • Ejemplo: Flores rojas (dominante) sobre flores blancas (recesivo).
• Herencia Intermedia: El fenotipo del heterocigoto es intermedio entre los parentales.
  • Ejemplo: Cruzar flores rojas y blancas resulta en flores rosadas.
• Herencia Codominante: Ambos alelos se expresan simultáneamente.
  • Ejemplo: El pelaje ruano en ganado, con pelos blancos y rojos mezclados.
• Herencia Polialélica: Ocurre cuando un carácter genético está controlado por varios alelos. A pesar de que cada individuo solo puede heredar dos alelos (uno de cada progenitor), en una población pueden existir múltiples versiones de ese gen que determinan variaciones específicas de una característica.
  • Ejemplo: Grupos sanguíneos ABO.
  • IA: Determina el grupo sanguíneo A (dominante).
  • IB: Determina el grupo sanguíneo B (dominante).
  • i: Determina el grupo sanguíneo O (recesivo).
  • Las combinaciones de estos alelos explican los diferentes grupos sanguíneos:
  • Grupo A: IAIA o IAi.
  • Grupo B: IBIB o IBi.
  • Grupo AB: IAIB (codominancia: ambos alelos se expresan).
  • Grupo O: ii (recesivo: solo aparece cuando ambos alelos son "i").
• Herencia Ligada al Sexo: Los genes ligados al cromosoma X determinan enfermedades como el daltonismo y la hemofilia.
  • Ejemplo: Hombre daltónico: XdY.
  • Mujer portadora: XDXd.

Teoría Cromosómica de la Herencia

Propuesta por Thomas Hunt Morgan

Postulados:

1. Los genes residen en los cromosomas.
2. Se organizan linealmente en estos.
3. El intercambio genético ocurre durante la meiosis por el cruce de fragmentos entre cromosomas homólogos (recombinación genética).

Mutaciones

Las mutaciones son cambios en el material genético y pueden clasificarse como:

• Mutaciones Génicas o Puntuales: Alteraciones en la secuencia de un gen. Ejemplo: Albinismo.
• Mutaciones Cromosómicas: Cambios en la estructura de los cromosomas. Se dividen en estructurales y numéricas y genómicas.
  • Estructurales: Cambios en la forma o estructura de un cromosoma (deleción, duplicación, inversión, translocación). También es la pérdida (deleción), duplicación o inversión de fragmentos de un cromosoma. Ejemplo: Cariotipo con deleción en el par 16.
  • Mutaciones Numéricas (Genómicas): Alteraciones en el número total de cromosomas. Se dividen en:

1. Euploidías: Hay un número correcto de cromosomas en relación con el número base o haploide de una especie, pero el número de juegos completos de cromosomas es anormalmente alto o bajo. Afectan juegos completos de cromosomas.
2. Aneuploidías: Cuando hay un número anormal de cromosomas en una célula, no es un múltiplo del número haploide. Afectan partes específicas del juego cromosómico. Puede ser:
   • Monosomía: Falta un cromosoma en un par (ej. Síndrome de Turner: 45,X).
   • Trisomía: Hay un cromosoma extra en un par (ej. Síndrome de Down (trisomía 21): 47,XX+21).
   • Tetrasomía: Hay cuatro cromosomas en un par (más común en plantas y algunas especies).
3. Poliploidía: Es cuando hay más de dos juegos completos de cromosomas:
   • Triploidía: Tres juegos completos (3n) (ej. en algunos casos humanos, suele ser letal).
   • Tetraploidía: Cuatro juegos completos (4n) (más común en plantas y algunas especies).

• Mutaciones en Cromosomas Sexuales:
  • Ejemplo: Alteraciones en los cromosomas X o Y. Estas mutaciones pueden causar trastornos genéticos, especialmente en hombres, ya que tienen solo un cromosoma X.
  • Mutaciones en el Cromosoma X:
    • Hemofilia: Problemas de coagulación sanguínea debido a un gen defectuoso en el cromosoma X.
    • Daltonismo: Incapacidad para distinguir colores, más común en hombres.
    • Síndrome de X frágil: Causa discapacidad intelectual y problemas de desarrollo, relacionados con un gen defectuoso en el cromosoma X.
  • Mutaciones en el Cromosoma Y:
    • Síndrome de Klinefelter (47,XXY): Un cromosoma X adicional en los hombres, lo que puede causar infertilidad, características físicas inusuales y problemas de aprendizaje.

Síndrome de Down

Genotipo: Trisomía del cromosoma 21 (tres copias del cromosoma 21).

Fenotipo (Características Físicas):

• Edad de aparición: Desde el nacimiento.
• Esperanza de vida: Hasta 60 años o más.
• Sexo: Afecta tanto a hombres como a mujeres.
• Rostro redondeado y aplanado.
• Ojos rasgados con pliegues epicánticos.
• Lengua grande (macroglosia) y protrusión.
• Baja estatura.
• Hipotonía muscular (debilidad en los músculos).
• Retraso mental de leve a moderado.
• Manos pequeñas y dedos cortos.

Síndrome de Edwards

• Genotipo: Trisomía del cromosoma 18 (tres copias del cromosoma 18).
• Fenotipo (Características físicas):
  • Edad de aparición: Desde el nacimiento.
  • Esperanza de vida: Mayoría no sobrevive más allá de los primeros meses, algunos hasta los 1-2 años.
  • Sexo: Afecta más a mujeres (aproximadamente 80% de los casos).
  • Cabeza pequeña (microcefalia).
  • Mandíbula pequeña (micrognatia).
  • Puños cerrados con dedos sobrepuestos.
  • Malformaciones en pies (pies en mecedora).
  • Problemas cardíacos y renales.
  • Retraso en el crecimiento intrauterino y postnatal.
  • Esperanza de vida limitada, con alta mortalidad temprana.

Síndrome de Patau

Genotipo: Trisomía del cromosoma 13 (tres copias del cromosoma 13).

Fenotipo (Características físicas):

• Edad de aparición: Desde el nacimiento.
• Esperanza de vida: La mayoría no sobrevive más allá de la primera semana; algunos hasta los 6 meses.
• Sexo: Afecta tanto a hombres como a mujeres.
• Labio leporino y paladar hendido.
• Microcefalia y problemas cerebrales (holoprosencefalia).
• Polidactilia (dedos adicionales en manos o pies).
• Anomalías oculares (microftalmia).
• Malformaciones cardíacas y renales.
• Retraso mental grave.
• Esperanza de vida muy baja, alta mortalidad durante el primer año.

Síndrome Cri-du-Chat

Genotipo: Deleción en el brazo corto del cromosoma 5 (5p-).

• Fenotipo (Características físicas):
  • Edad de aparición: Desde el nacimiento.
  • Esperanza de vida: Normal, aunque pueden haber complicaciones de salud.
  • Sexo: Afecta tanto a hombres como a mujeres (bebés).
  • Llanto agudo similar al maullido de un gato (característica distintiva en la infancia).
  • Microcefalia (cabeza pequeña).
  • Rostro redondeado con ojos separados (hipertelorismo).
  • Retraso mental y del desarrollo motor.
  • Tono muscular bajo (hipotonía).
  • Problemas en el desarrollo del lenguaje.

Síndrome de Turner

Genotipo: Monosomía del cromosoma X (45,X) en mujeres.

Fenotipo (Características físicas):

• Edad de aparición: Generalmente en la infancia o adolescencia.
• Esperanza de vida: Casi normal, con posibles complicaciones cardíacas o renales.
• Sexo: Afecta únicamente a mujeres.
• Baja estatura.
• Cuello ancho y corto con pliegues laterales (cuello alado).
• Tórax ancho con pezones muy separados.
• Desarrollo incompleto de caracteres sexuales secundarios (infertilidad).
• Ausencia o disfunción de ovarios.
• Problemas cardíacos y renales frecuentes.
• Inteligencia generalmente normal, pero con problemas de aprendizaje espacial y matemático.

Síndrome de Klinefelter

Genotipo: Presencia de un cromosoma X adicional en hombres (47,XXY).

Fenotipo:

• Sexo: Afecta únicamente a hombres.
• Edad de aparición: Generalmente en la adolescencia o adultez temprana.
• Esperanza de vida: Casi normal, aunque con mayor riesgo de problemas de salud.
• Estatura alta con piernas largas.
• Desarrollo mamario (ginecomastia).
• Testículos pequeños (hipogonadismo) y baja producción de testosterona.
• Infertilidad (espermatogénesis alterada).
• Disminución del vello corporal.
• Problemas de aprendizaje y lenguaje, aunque inteligencia cercana a la normal.

Síndrome de Prader-Willi

Genotipo: Deleción en el brazo largo del cromosoma 15 (15q11-q13), pero solo si proviene del padre.

Fenotipo:

• Edad de aparición: Desde el nacimiento, con síntomas más evidentes en la infancia.
• Esperanza de vida: Más debido a complicaciones metabólicas, pero muchos viven hasta la edad adulta avanzada.
• Sexo: Afecta tanto a hombres como a mujeres.
• Hipotonía severa en la infancia.
• Apetito insaciable (hiperfagia), lo que lleva a obesidad extrema.
• Retraso en el desarrollo y crecimiento.
• Manos y pies pequeños.
• Retraso mental leve a moderado.
• Problemas de comportamiento, como terquedad y rabietas.
• Rostro con frente estrecha y ojos en forma de almendra.

Árboles Genealógicos o Pedigrís

Representan cómo se heredan los caracteres en una familia. Se utilizan símbolos específicos para identificar individuos normales, portadores o afectados.

Ingeniería Genética

Rama de la biotecnología que se encarga de modificar el material genético de los organismos vivos (ADN) de forma artificial con el fin de obtener características específicas.

¿Cómo funciona la Ingeniería Genética?

1. Identificación y Extracción del Gen: Se identifica el gen de interés y se extrae utilizando técnicas de laboratorio.
2. Corte del ADN: Se utilizan enzimas de restricción para cortar el ADN en sitios específicos y aislar el segmento de interés.
3. Inserción en un Vector: El gen aislado se inserta en un vector (molécula transportadora), como un plásmido bacteriano o un virus.
4. Transferencia a un Organismo Receptor: El vector introduce el ADN en las células de un organismo receptor (transgénico).
5. Expresión del Gen: El organismo modificado produce las proteínas codificadas por el gen introducido.

Aplicaciones de la Ingeniería Genética

Medicina

• Producción de insulina humana recombinante para personas con diabetes.
• Creación de vacunas y terapias génicas para enfermedades hereditarias.
• Diagnóstico genético de enfermedades mediante pruebas de ADN.

Agricultura

• Creación de cultivos transgénicos resistentes a plagas, herbicidas o condiciones extremas. Ejemplo: maíz, soja y algodón transgénico.
• Mejora del valor nutricional de los alimentos (arroz dorado enriquecido con vitamina A).

Industria

• Producción de enzimas y proteínas para procesos industriales.
• Creación de bacterias modificadas que degradan contaminantes (biorremediación).

Investigación Científica

• Desarrollo de modelos de organismos para estudiar enfermedades humanas.
• Proyectos como el CRISPR-Cas9 para editar el genoma de manera precisa.

Técnicas Importantes en Ingeniería Genética

• ADN Recombinante: Técnica que permite combinar el ADN de diferentes organismos para crear nuevas moléculas.
• PCR (Reacción en cadena de la polimerasa): Método para amplificar fragmentos específicos de ADN en grandes cantidades.
• CRISPR-Cas9: Herramienta revolucionaria para la edición genética. Actúa como unas "tijeras moleculares" que cortan y modifican secuencias de ADN con gran precisión.
• La técnica CRISPR permite cortar y modificar segmentos de ADN con precisión. Se utiliza para:
  • Corregir mutaciones genéticas en enfermedades heredadas.
  • Crear organismos más eficientes en agricultura.
  • Investigar el papel de los genes en distintas enfermedades.
• Electroforesis en Gel: Técnica para separar fragmentos de ADN según su tamaño.
• Secuenciación Genética: Proceso para determinar el orden exacto de los nucleótidos en el ADN.
• Knockout: Técnica usada para inactivar o eliminar un gen específico en un organismo con el objetivo de estudiar su función. Al "apagar" un gen, los científicos pueden observar qué cambios ocurren en el organismo y comprender mejor el papel que desempeña ese gen en los procesos biológicos.

Ventajas de la Ingeniería Genética

1. Mejora en la salud gracias a medicamentos y terapias personalizadas.
2. Incremento en la producción agrícola con cultivos más resistentes.
3. Creación de nuevas soluciones para problemas ambientales, como la contaminación.

Desventajas y Preocupaciones Éticas

1. Riesgo Ambiental: Posible contaminación genética en ecosistemas naturales.
2. Problemas de Bioseguridad: Organismos genéticamente modificados pueden tener efectos no previstos.
3. Ética: Manipulación de genes en humanos y animales plantea cuestiones sobre límites morales y el uso de la biotecnología.
4. Monopolio de Empresas: Grandes compañías controlan el uso de semillas transgénicas.

Mutaciones Génicas o Puntuales

Estas mutaciones afectan un solo gen o una pequeña región de ADN y ocurren a nivel de las bases nitrogenadas (los "ladrillos" del ADN).

• Normal: Muestra una secuencia de ADN sin alteraciones. Ejemplo: CATCATCAT.
• Cambio en una Base Individual (Sustitución):
  • Ocurre cuando una base nitrogenada es cambiada por otra. Por ejemplo, la "C" original puede cambiar a "T".
• Adición:
  • Se agrega una base extra a la secuencia de ADN, lo que altera el orden de lectura y puede cambiar toda la información genética posterior.
• Supresión (Deleción):
  • Se elimina una base de la secuencia de ADN, provocando también un cambio en la lectura de la información genética.

Consecuencia: Estas mutaciones pueden alterar la producción de proteínas, ya sea de manera leve o severa.

Mutaciones Génicas Según su Efecto

Sin Mutación: La secuencia de ADN y la proteína producida son normales.

Silenciosa: Aunque hay un cambio en la secuencia del ADN, no afecta la proteína porque se traduce el mismo aminoácido (debido a la redundancia del código genético).

Sin Sentido: La mutación provoca un cambio a un codón de parada. Esto significa que la producción de la proteína se detiene antes de tiempo, generando una proteína incompleta o no funcional.

Con Cambio de Sentido:

• Conservativa: El cambio en la base altera la proteína, pero el aminoácido sustituido tiene propiedades similares, provocando un efecto leve.
• No Conservativa: El cambio produce un aminoácido con propiedades distintas, lo que afecta más gravemente a la función de la proteína.

Mutaciones Cromosómicas

Estas mutaciones afectan a grandes segmentos de un cromosoma e incluso cromosomas enteros.

• Supresión: Se pierde un fragmento del cromosoma. Esto puede llevar a la pérdida de genes importantes.
• Duplicación: Se duplica una parte del cromosoma, lo que causa un exceso de información genética.
• Inversión: Un segmento del cromosoma se rompe y se invierte antes de volver a unirse. Esto altera el orden de los genes.
• Inserción: Un fragmento de un cromosoma se añade en otro cromosoma, cambiando la cantidad de material genético en ambos.
• Traslocación: Ocurre cuando dos cromosomas intercambian fragmentos entre sí, lo que puede generar un desequilibrio en la información genética.

Resumen Final

• Mutaciones génicas: alteran una base o un pequeño fragmento de ADN. Pueden ser silenciosas, con cambio de sentido o sin sentido.
• Mutaciones cromosómicas: Involucran grandes porciones de cromosomas, provocando cambios más significativos en la información genética.