Genes: La Unidad Fundamental de la Herencia

1.1. Concepto de gen

Un GEN es el fragmento más pequeño de una molécula de DNA que posee información completa para un carácter determinado. A veces el gen está formado por una secuencia de bases, pero en eucariotas es frecuente que un gen esté constituido por varios fragmentos de DNA separados por secuencias sin sentido que no codifican ninguna proteína. A las partes con sentido que sirven para fabricar la proteína se les llama EXONES, y a las partes sin sentido intercaladas en el gen INTRONES, que deben ser eliminados tras la transcripción.

Los genes se encuentran en los cromosomas. Los cromosomas pueden ser definidos como un conjunto de genes unidos o GENES LIGADOS, que son aquellos que se heredan juntos (si no se da recombinación genética). En esencia, un gen es una secuencia de nucleótidos que codifica para una proteína determinada, según la hipótesis UN GEN = UNA ENZIMA.

Biología Genética Mendeliana

Lo que heredamos de nuestros padres son, en realidad, sus genes. Para que los genes se puedan transmitir de padres a hijos, deben poder copiarse antes de la reproducción, de manera que los padres mantienen su información a la vez que se la pasan a sus hijos a través de los gametos, durante la reproducción sexual.

Los procesos de formación de gametos (gametogénesis) y de unión de gametos de individuos diferentes en la reproducción (fecundación) se convierten así en procesos fundamentales para el mantenimiento de la especie. Estos procesos son posibles gracias a la información de los genes, y son necesarios para aumentar la variabilidad de las poblaciones, mediante la recombinación genética y el propio proceso aleatorio de fecundación, variabilidad que, junto con las mutaciones, constituirá la base de la evolución.

Cuando los genes se expresan, se desarrollan los caracteres, es decir, el fenotipo de un individuo. La transmisión y expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el Dogma central de la Genética Molecular, que son:

• La Replicación.
• La Transcripción.
• La Traducción.

2. El ADN como portador de la información genética

Partimos de la base que los genes están en los cromosomas, unos juntos a otros, que se intercambian entre cromosomas homólogos durante el proceso de la meiosis, pero la pregunta que se formulan después de esto es: ¿de qué se hallan compuestos los genes?, ¿son proteínas, glúcidos. lípidos u otro compuesto químico no descubierto todavía?

¿Sabes de donde proviene el término cromosoma? Deriva de las palabras griegas cuerpos con color debido a que los primeros investigadores se vieron obligados a teñirlas con tinciones especiales para poderlas observar al microscopio óptico.

2.1. Se descubre el ácido nucleíco

Pongámanos en situación, hasta mediados de los años 20 se sabía lo siguiente:

• Los genes se encuentran en los cromosomas.
• Los ácidos nucleicos también se localizaban en los cromosomas.
• Los ácidos nucleicos se componían de un azúcar, bases nitrogenadas y grupos fosfatos.
• La unión de varios nucleótidos compone un ácido nucleico.

Pero hasta entonces no se había relacionado los factores hereditarios o transformantes que observaba Mendel (genes) con el ácido nucleico. Fué Frederick Griffith, en 1928, el primero en relacionarlos. (importante)

En 1928, Frederick Griffith tenía interés en conocer la capacidad de infección de la bacteria causante de la neumonía (Streptococcus peumoniae), y para ello realizó el siguiente experimento:

1. Seleccionó dos cepas: una que causa la enfermedad (cepa S) y otra que no la causaba (cepa R). Las bacterias de la primera cepa se encuentran rodedadas de una cápsula, mientras que las de la cepa no virulenta no la poseen.
2. Inyectó las dos cepas a ratones. Los que recibieron la cepa S morían y los que recibieron la cepa R, no.
3. Mató a las bacterias de las cepa S con calor y las inoculó a ratones. Observaba que éstos no morían.
4. Se le ocurrió combinar la cepa S muertapor el calor con la cepa R viva. Observaba que los ratones morían. Analizó la sangre de estos ratones y encontró bacterias vivas de la cepa S virulenta.

Después de leer la descripción del experimento de Griffith:

1. ¿Qué se te ocurre que podría haber pensado Griffith al obtener esos resultados?
2. ¿Cuál sería la interpretación en términos biológicos?

a. Que había un factor en las bacterias S, resistente al calor y que al poner en contacto las bacterias muertas con otras vivas que no lo poseían, ese factor pasaba a las vivas transformando a las bacterias R en patógenas. Además, ese factor se heredaba y permanecía en la descendencia, como pudo comprobar después de analizar la sangre de los ratones muertos.

b. La interpretación desde el punto biológico era que el ADN de las bacterias de la cepa S no se destruía con altas temperaturas, con lo que al mezclar bacterias muertas de las cepa S, su ADN lo intercambiaba con las bacterias de la cepa R volviéndolas virulentas. Pero este papel del ADN como factor transformante no fue postulado por Griffith, sino que hubo que esperar a 1944 cuando O.T. Avery, C. MacLeod y M. McCarty repitieron los mismos experimentos que Griffith, pero variaron la mezcla de bacterias de las cepa S y R, combinando estas últimas con diferentes compuestos de la cepa S, como por ejemplo polisacáridos o proteínas, comprobando que éstos no transformaban a las bacterias de la cepa R en virulentas, por lo que concluyeron que era el ADN el principio transformante que Griffith había indicado años antes.

En 1944, C.T. Avery, C.M. Mc Leod y M.J. Mc Carty, probaron a eliminar las proteínas, ARN y lípidos de las bacterias S, sin que éstas perdieran la capacidad de transformar a las bacterias R. Comprobaron asimismo que si extraían el ADN de las bacterias S y lo incubaban con las baterias R, éstas se transformaban en S, por lo que se pudo comprobar que era el ADN la molécula portadora de la información genética, si bien, en algunos virus era el ARN.

Pero la comunidad científica de la época seguía resistiéndose a creer que era el ADN y no proteínas las moléculas que poseían esa capacidad. La prueba concluyente de que era el ADN y no una proteína el factor transformante de Griffith lo aportaron en 1952 Alfred D. Hershey y Martha Chase. Para ello marcaron ADN y proteínas con los isótopos radioactivos fósforo-32 y azufre-35 respectivamente, pero en este caso trabajaron con el fago T2, un virus que infecta a la bacteria Escherichia coli. Permitieron que los fagos marcados en un experimento con fósforo-32 y luego en otro con azufre-35, infectaran bacterias analizando posteriormente qué isótopo radioactivo se encontraba en su interior en cada uno de los casos. Encontraron fósforo-32 en el interior de las bacterias, por lo que concluyeron definitivamente que era el ADN, y no las proteínas, el factor que transformaba las bacterias no patógenas en patógenas.

¿Por qué afirmaron, en base a sus resultados, que era ADN y no proteínas?

2.2. La estructura del ADN se descubre (importante)

En 1948, Erwin Chargaff utilizó una nueva técnica llamada cromatografía en papel que permitía la separación y estimación en términos cuantitativos de los componentes del ADN. Descubre en esta presentación (adelanta hasta la diapositiva nº 13) los resultados de Chargaff, que ayudarían posteriormente a dilucidar la estructura del ADN y que se conocen como las Reglas de Chargaff. Para una doble cadena de ADN se cumple que: Porcentaje de adenina = porcentaje de timina. Porcentaje de guanina = porcentaje de citosina. Cantidad de purinas = cantidad de pirimidinas. La cantidad de adenina, citosina, guanina y timina es diferente en cada especie.

Sin embargo, este dato aportado por Chargaff no era suficiente para poder desentrañar el misterio de la estructura del ADN; se precisaba otra técnica más: la difracción de rayos X en moléculas biológicas. A partir de ahí, tres grupos de investigadores inician la carrera para dilucidar cómo era el ADN:

1. El grupo de Linus Pauling, que trabajaba con proteínas, proponía para el ADN una estructura basada en una triple hélice, mantenida por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
2. Sin embargo el grupo de Maurice Wilkins y Rosalind Franklin comprobó, a través de fotografías de difracción de rayos X, que el ADN estaba formada por una doble hélice de unos 20 Å de diámetro, que las bases nitrogenadas se encontraban apiladas unas encimas de otras, a una distancia entre ellas de 3,4 Å a la misma conclusión había llegado W. T. Astbury— y que cada 34 Å se producía una vuelta completa de hélice. Los grupos fosfatos se encontraban en el exterior de esa doble hélice.
3. Por último el binomio entre James Watson y Francis Crick (importante) fue el que, partiendo de los resultados obtenidos por los anteriores grupos, desveló cómo era la estructura del ADN.

En 1953, el físico británico Francis Crick y su colega americano James Watson describieron por primera vez a la comunidad científica la estructura del ADN a través de un artículo publicado en la prestigiosa revista Nature. Describieron la estructura de la molécula de ADN como una escalera de cuerda. La cuerda se hallaba constituida por dos cadenas del azúcar desoxirribosa y fosfatos, unidas por peldaños de bases nitrogenadas. Dicha cuerda se enrolla formando una doble hélice. Las bases que conforman los peldaños son sólo cuatro: adenina, timina, citosina y guanina, y se emparejan siempre una adenina con una timina y una citosina con una guanina.

Esta estructura también reveló otro secreto y era el hecho de conocer cómo, cuando llega el momento de la división de la célula, esta molécula se duplica para transmitir una copia exacta a cada una de las células hijas. El secreto estaba precisamente en el emparejamiento de las bases ya que durante la replicación, la doble hélice se desenrolla y se separa, actuando cada hebra como molde para sintetizar la que falta. En cada hebra se va formando una nueva, incorporando una adenina donde en la hebra molde hay una timina y viceversa, y una citosina donde hay una guanina y viceversa también.

Además, indicaron que el mensaje genético residía en la combinación de los millones de bases nitrogenadas que componen el ADN y que ese mensaje estaba codificado de tal forma que un triplete de bases codificaba la información de un aminoácido de una proteína. Gracias a este hallazgo recibieron el premio Nobel, que compartieron con M.H.F. Wilkins en 1963, pero la gran olvidada fue B. Franklin, que proporcionó la verdadera pista para desentrañar la perseguida estructura del ADN.

3. Genes y cromosomas

Ya conozco de unidades anteriores que los genes se localizan en los cromosomas y que éstos se hallan en el núcleo de la célula eucariota. También he estudiado la estructura del cromosoma, desde la doble hélice del ADN hasta la asociación de ésta con las proteínas (histonas), para empaquetarse y originar los cromosomas que se pueden observar durante la mitosis o meiosis.

Por tanto, cada cromosoma se halla constituido por una larga cadena de ADN, los genes son fragmentos de ese ADN y miles de genes se disponen uno detrás de otro, de forma lineal. Pero todavía desconozco su verdadera función. Hasta los años 40, el gen ya se consideraba la unidad fundamental de la herencia. Correspondía en términos químicos a esos factores que se heredaban de padres a hijos tal y como lo había descrito Mendel, pero se sabía muy poco acerca de cómo funcionaba, cuál era su estructura, si había diferentes tipos, etcétera. Hasta entonces los genes sólo se podían identificar cuando existían mutaciones que provocaban enfermedades o alteraciones visibles en los individuos. El primero en intentar explicar la función exacta de los genes había sido Archibald Edward Garrod en 1908; estudiando la enfermedad de la alcaptonuria concluyó que aquellos individuos que la presentaban debían tener algún defecto en su material genético para producir determinadas enzimas que impedían la degradación de los compuestos orgánicos. Él entendió con claridad un gen = una reacción metabólica. Pero fueron George W. Beadle y Edward L. Tatum quienes definitivamente establecieron la función de los genes