Primera molécula portadora de información genética

La historia de la genética:
Desde el Neolítico, el ser humano ha manipulado a animales y plantas por domesticación y cultivo. Ha modificado la herencia, sin saberlo, al determinar los cruzamientos con el fin de seleccionar las carácterísticas que le interesaban. Pero la genética como ciencia comenzó hace 50 años, Gregor Mendel, halló unas reglas que explican cómo se transmite la herencia entre progenitores y descendientes. Los científicos de la época no le dieron la importancia que tenía. A comienzos del Siglo XX se redescubrieron sus trabajos.

Herencia biológica e información genética: La información que se transmite de generación en generación, es decir, que se hereda, es la información genética. La transmisión de los caracteres que contiene esa información se lleva a cabo durante el proceso de la reproducción, y constituye lo que llamamos herencia biológica.

Mendel y Morgan, La genética formal: La genética estudia todo lo referente a la herencia biológica, los genes y su expresión en los organismos. Mendel establecíó un modelo para explicar la herencia, que sus descubridores posteriormente llamaron >. Después se definieron un conjunto de conceptos (como gen, genotipo, fenotipo, etc.) que consolidaron la genética clásica, formal o mendeliana. Al comienzo de Siglo XX, Morgan demostró que se localizaban en los cromosomas.

Términos de genética:

- Genotipo: Constitución genética del individuo referida a un carácter o conjunto total de genes.

- Fenotipo: Expresión externa del genotipo. La carácterística (carácter) que presenta el individuo.

- Alelo: Cada una de las variantes que puede presentar un gen (carácter). Para cada gen, el individuo tiene un par de alelos, los cuales se representan mediante una letra.

- Homocigótico o raza pura: Individuo que tiene los dos alelos (genes responsables de un carácter en el par de cromosomas correspondiente) idénticos.

- Heterocigótico o híbrido: Individuo que porta los dos alelos diferentes para un cierto carácter.

- Locus: Lugar concreto del cromosoma donde está situado cada gen.

El modelo mendeliano:

-La unidad de herencia e denomina gen.

-Los genes se transmiten según unas reglas definidas.

-Los genes se localizan en los cromosomas.

El modelo mendeliano se basa en la consideración de que cada carácter genético está determinado por una pareja de factores, genes, que se transmiten a la descendencia según las siguientes reglas:

1.Principio de uniformidad: La primera generación filial, resultado del cruzamiento de dos líneas puras es uniforme, presenta el carácter de uno de los parentales.

2.Principio de segregación: En la segunda generación reaparece el tipo que no se manifestó en la primera

3.Principio de segregación independiente: Los factores de distintos caracteres siguen las reglas anteriores, sin que uno influya en las proporciones obtenidas en el otro.

Durante la transmisión de los caracteres, cada progenitor transmite los genes a través de los cromosomas de sus gametos. Los gametos se forman en un proceso llamado meiosis, en el cual solo uno de los alelos presentes para cada carácter va a cada gameto. Un individuo Aa formará dos tipos de gametos A y a, y uno aa formará solo gametos a.

El descrubrimiento del ADN: Hasta los años 40 del siglo pasado no se sabía que los genes estaban compuestos por ADN, el ácido desoxirribonucleico. El primer indicio de la relación entre las moléculas y la herencia lo descubríó F.Griffith.

El experimento de Griffith: Alguna sustancia que formaba parte de las bacterias muertas había provocado la transformación de las bacterias R en S. A esa sustancia la llamó principio transformante. Posteriormente, otros investigadores identificaron esa sustancia: era ADN.

El descubrimiento de la estructura del ADN: En todas las células de todos los seres vivos existe una molécula, que contiene la información, como en un libro, donde se encuentran las instrucciones para desarrollar las carácterísticas básicas del ser vivo que las porta. Esta molécula es el ADN. En 1953, James Watson y Francia Crick propusieron un modelo para su estructura, la famosa doble hélice, a partir de la imagen de difracción de rayos. A partir de ese momento, se produjo un extraordinario desarrollo en la investigación. Se había descubierto dónde estaban las instrucciones que pasan de padres a hijos. Faltaba por saber cómo se siguen esas instrucciones a la hora de desarrollarse el nuevo ser. En el futuro, sería posible manipular, añadir o eliminar genes: el ser humano podría modificar la información contenida en cualquier ser vivo y aquello que determina o influye en sus carácterísticas.

El dogma central de la biología molecular. El código genético: La estructura del ADN explica fácilmente cómo se copia la molécula, es decir, cómo se transmite la herencia: una doble cadena que se abre y en la que cada hebra sirve de molde para la síntesis de una nueva. Las > del ADN son los nucleótidos. Las > son los genes (segmentos de ADN) y forman parte de un >, el genoma (el conjunto total de la información genética). Las proteínas (enzimas) son las moléculas que hacen el trabajo biológico. Son largas cadenas de eslabones llamados aminoácidos de los que existen veinte diferentes. La secuencia u orden de estos eslabones determina sus propiedades (por tanto, su función) y está determinada por la secuencia de nucleótidos del ADN. Así, en un segmento de ADN (gen) está escrita la información necesaria para que una proteína se forme con las carácterísticas que determinan su función.

Del ADN a las proteínas: El dogma central de la biología molecular -->

-El ADN se copia de forma que se obtienen dos moléculas idénticas en la llamada replicación.

-Un segmento de ADN se transcribe a otra molécula, el ARN mensajero, otro ácido nucleico que será el intermediario de la información. El proceso es conocido como transcripción.

-La información contenida en los ácidos nucleicos es traducida a un lenguaje de proteínas. A este proceso se le denomina traducción.

El proceso de traducción supone el paso de la información contenida en una cadena de ácido nucleico a una proteína.

El dogma central de la biología molecular: El esquema que resume el flujo de información genética es un modelo lineal.

Del gen al genoma. Genómica y epigenética: Genoma es el conjunto de la información genética que posee un organismo o especie concreta. A finales del Siglo XX se comenzó a obtener toda la información genética contenida en el ADN humano. El 14 de Abril de 2003 se obtuvo el mapa completo del genoma del ser humano. Al secuenciar genomas, se empezaron a obtener datos que contradecían la herencia y su expresión según el >.

-La mayor parte del ADN no codifica proteínas. Desconocimiento de su función.

-Las pequeñas diferencias en el ADN de diferentes especies e individuos no explican las diferencias biológicas reales.

El flujo de la información: El flujo de la información se presentó más complejo de lo que se pensaba.

-Las células de un individuo pluricelular tienen la misma información genética, pero pueden ser muy diferentes.

-Hay virus con ARN que, lógicamente, invierten el sentido del flujo.

-Desde un mismo ARN transcrito se pueden obtener diferentes proteínas.

-El ADN está tan empaquetado que tiene que ser liberado para que se pueda expresar.

Otro de los objetivos de la ciencia genética actual es entender cómo y por qué se expresan ciertos genes en momentos y lugares determinados y otros no. Epigenética e el estudio de los factores no genéticos que intervienen en el desarrollo y funcionamiento de los seres vivos, especialmente en la regulación de la expresión de los genes.

 Niveles de organización genética: La genética se organiza en niveles de complejidad creciente -->

-El primer nivel de organización que porta la información genética corresponde a las moléculas, es decir, a los ácidos nucleicos. Compuestos por nucleótidos.

-El segundo nivel estaría representado por la estructura en doble hélice.

-En el tercer nivel, la doble hélice se asocia a proteínas y forman una sustancia denominada cromatina, que cuando se produce la división celular, se organiza en cromosomas.

-Y el máximo grado de complejidad es el genoma, que es el total de los genes organizados en cromosomas en una célula, individuo o especie.

Los nucleótidos: Los nucleótidos se unen y forman polímeros (cadenas), que dan lugar a los ácidos nucleicos. Cada nucleótido está compuesto por tres componentes: Una base nitrogenada: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. Un azúcar pentosa: ribosa o desoxirribosa. Un grupo fosfato.

Los ácidos nucleicos: Hay dos tipos de ácidos nucleicos -->

-El ácido ribonucleico (ARN): Contiene ribosa, fosfato y una base nitrogenada (A, U, C, G).

-El ácido desoxirribonucleico (ADN): Contiene desoxirribosa, fosfato, y una base nitrogenada (A, T, C, G).

La estructura del ADN: El modelo para la estructura del ADN consiste en una doble hélice, formada por dos cadenas paralelas o hebras unidas por las bases mediante enlaces de hidrógeno. Las bases de las dos hebras son complementarias, la adenina siempre con la timina, y la citosina con la guanina.

El ADN se asocia a las proteínas:

En las bacterias, el ADN es circular, muy plegado y enrollado en el citoplasma. En el ADN de las células eucariotas se encuentra en el núcleo celular, asociado a proteínas formando una sustancia que se denomina cromatina. La unidad de empaquetamiento ADN-proteínas se conoce como nucleoplasma. Estas estructuras se enrollan hasta constituir la cromatina. Cuando la célula se divide, la cromatina adquiere formas de cromosomas. La especie humana cuenta con 46 cromosomas (23 parejas).  El conjunto de los cromosomas constituye el cariotipo. Al observar el cariotipo se puede saber si hay alguna enfermedad debida a un número diferente de cromosomas. Las personas con síndrome de Down tienen tres cromosomas 21. El ADN está muy empaquetado y solo se transcriben los genes cuando se desenrolla.

El genoma. La genómica: La genómica es la ciencia que estudia la secuencia, el funcionamiento, el origen y la evolución de los genomas. Sirve para saber dónde están colocados los genes, cómo interactúan y, en definitiva, cómo se reconstruye la genética desde una perspectiva más global. A partir de la genómica han surgido otras ciencias:

-La transcriptómica, que estudia el conjunto de los ARN que intervienen en la expresión de un gen.

-La proteómica, que estudia el proteoma o conjunto de las proteínas resultantes de la expresión genética en una especie o un individuo.

El concepto de gen:

Es la unidad de herencia. Es el segmento de ADN que codifica la información para producir una determinada proteína. Hay genes cuya función es reguladora y no codifican proteínas.

El concepto más moderno de gen sería el de regíón del genoma que se encarga de fabricar un producto funcional, sea una proteína u otra molécula.

¿Cómo se heredan los genes?: El ADN se copia de generación en generación celular por medio de replicación del ADN, en cada ciclo de reproducción celular, la cadena se abre y copia dando otra idéntica. (Replicación semiconservativa).

1ªFase: La replicación comienza con el desenrollamiento y separación de las dos cadenas de la doble hélice.

2ªFase: Cada cadena se duplica de manera independiente, sirviendo cada una de ellas de molde para fabricar una nueva cadena complementaria. Esto se produce mediante el acoplamiento de los nucleótidos.

3ªFase: El resultado final son dos nuevas dobles hélices, que son una copia exacta de la molécula de partida.

¿Cómo se expresa la información genética?: Las proteínas desarrollan las funciones estructurales, metabólicas, reguladoras, transportadoras, etc. Un tipo de proteínas son los enzimas, que hacen posible que las reacciones químicas tengan lugar en las células. Las proteínas son cadenas de aminoácidos. Existen 20 aminoácidos. La información genética (el mensaje genético) fluye (se traslada) desde el ADN a la proteína con la intermediación (ayuda) de ciertos ARN: ARNm, ARNr y ARNt. El traslado de la información, o síntesis de proteínas, ocurre en dos etapas: la transcripción y la traducción.

La transcripción: La información almacenada en el ADN se transfiere a un tipo de ARN, denominado mensajero. Constituido por las bases complementarias de un fragmento (gen) de una de las dos cadenas de ADN que le ha servido de molde, pero, el nucleótido complementario del que lleva adenina el que lleva uracilo.

La traducción: Es la formación de una cadena de aminoácidos en el orden que determina la secuencia de nucleótidos del ARNm. El ARNm pasa al citoplasma y se una a los ribosomas. Los aminoácidos (libres en el citoplasma) se unen a un tipo especial de ARN denominado de transferencia, que se encarga de transportar cada aminoácido hacia el ribosoma. Cada ARNt reconoce una secuencia concreta de tres pares de bases del ARNm, y se une con ella, permitiendo la formación de la cadena de proteína.

El código genético: La información está escrita en los nucleótidos. La traducción de la información de los ácidos nucleicos a las proteínas necesita un código genético.El código genético es la relación de correspondencia entre los nucleótidos de un ácido nucleico y los aminoácidos. Las combinaciones posibles de tres bases de aminoácidos son 4³ = 64, por lo que varios tripletes podrán determinar un mismo aminoácido. Cada tres bases se codifica un aminoácido. A este triplete se le denomina codón.

-Por esto se dice que el código genético es degenerado.

-Existen tres tripletes que no codifican ningún aminoácido; son los codones de stop, dan la instrucción de que finalice la cadena.

-Una carácterística de especial transcendencia es que el código genético es básicamente universal, es decir, que todos los seres vivos comparten el mismo código, aunque hay excepciones; el paramecio tiene 2 tripletes de stop que tienen sentido, y las mitocondrias tienen 1 triplete de stop que codifica aminoácidos y 2 tripletes normales son de stop.

Proyectos HapMap y ENCODE:  A partir de la obtención de la secuencia completa del ADN humano y del estudio de los genomas de otras especies, hubo dos sorpresas:

-Las diferencias genéticas entre especies y entre individuos.

-El número de genes que codifican proteínas es el 2% del ADN.

Diferencias entre seres humanos. Proyecto HapMap:  En el genoma, entre seres vivos, las diferencias se sitúan en el 0,1%. El proyecto HapMap (Mapa de Haplotipos) consiste en hallar un catálogo de diferencias genéticas en la especie humana a partir del estudio de diferentes poblaciones. Las variaciones más habituales son los polimorfismos de nucleótido simple (SNP), es decir, la diferencia de un solo nucleótido en una determinada secuencia. Esto permitirá en el futuro el diseño de medicamentos personalizados en función de la constitución genética del individuo.

¿ADN basura? Proyecto ENCODE:  Solamente una pequeña parte son genes que codifican proteínas, tan solo un 1% del ADN. ¿Cuál es la función de la mayor parte del ADN? ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) es un proyecto cuyo objetivo es establecer una enciclopedia del ADN. Que pretende averiguar para qué sirve el 98% del ADN, las secuencias que no significan proteínas. Se ha podido establecer la conclusión de que el 80% del ADN tiene alguna función bioquímica, aunque sea en un solo tipo de célula.

-El 60% del genoma transcribe (produce) ARN.

-El 20% tiene actividad química.

Además incluye > que activan o no genes, contiene las instrucciones para que determinados genes funcionen en unas células y no en otras.  La complejidad del genoma es mucho mayor de la esperada.