Grandes inventos: Genética
Genética, estudio científico de
cómo se transmiten los caracteres físicos, bioquímicos y de comportamiento de
padres a hijos. Este término fue acuñado en 1906 por el biólogo británico
William Bateson. Los genetistas determinan los mecanismos hereditarios por los
que los descendientes de organismos que se reproducen de forma sexual no se
asemejan con exactitud a sus padres, y estudian las diferencias y similitudes
entre padres e hijos que se reproducen de generación en generación según
determinados patrones. La investigación de estos últimos ha dado lugar a algunos
de los descubrimientos más importantes de la biología moderna.
Gregor Mendel
Conocido como padre de la genética
moderna, Gregor Mendel desarrolló los principios de la herencia estudiando
siete pares de caracteres heredados en el guisante (chícharo). Aunque la
importancia de su obra no se reconoció en vida del investigador, se ha
convertido en fundamento de la genética actual.
La ciencia de la genética
nació en 1900, cuando varios investigadores de la reproducción de las plantas
descubrieron el trabajo del monje austriaco Gregor Mendel, que aunque fue
publicado en 1866 había sido ignorado en la práctica. Mendel, que trabajó con
la planta del guisante (chícharo), describió los patrones de la herencia en
función de siete pares de rasgos contrastantes que aparecían en siete
variedades diferentes de esta planta. Observó que los caracteres se heredaban
como unidades separadas, y cada una de ellas lo hacía de forma independiente
con respecto a las otras (véase Leyes de Mendel). Señaló que cada
progenitor tiene pares de unidades, pero que sólo aporta una unidad de cada
pareja a su descendiente. Más tarde, las unidades descritas por Mendel
recibieron el nombre de genes.
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BASES FÍSICAS DE LA HERENCIA
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Cromosomas humanos
Los cromosomas contienen la información
genética del organismo. Cada tipo de organismo tiene un número de cromosomas
determinado; en la especie humana, por ejemplo, hay 23 pares de cromosomas
organizados en 8 grupos según el tamaño y la forma. La mitad de los cromosomas
proceden del padre y la otra mitad de la madre. Las diferencias entre
individuos reflejan la recombinación genética de estos juegos de cromosomas al
pasar de una generación a otra.
Poco después del redescubrimiento
de los trabajos de Mendel, los científicos se dieron cuenta de que los patrones
hereditarios que él había descrito eran comparables a la acción de los
cromosomas en las células en división, y sugirieron que las unidades
mendelianas de la herencia, los genes, se localizaban en los cromosomas. Ello
condujo a un estudio profundo de la división celular.
Cromosomas de la mosca de la fruta
Los cromosomas de la mosca de la fruta o
del vinagre, Drosophila melanogaster, se prestan a la experimentación genética.
Son sólo 4 pares (frente a los 23 pares de la dotación genética humana), uno de
ellos, marcado aquí con las letras X e Y, determina el sexo de la mosca;
además, son muy grandes. Thomas Hunt Morgan y sus colaboradores basaron su
teoría de la herencia en estudios realizados con Drosophila. Observaron que los
cromosomas pasaban de los progenitores a los descendientes según el mecanismo
atribuido por Gregor Mendel a los caracteres heredados. Propusieron que los
genes ocupan lugares específicos dentro de los cromosomas.
Cada célula procede de la
división de otra célula. Todas las células que componen un ser humano derivan
de las divisiones sucesivas de una única célula, el cigoto (véase Fecundación),
que se forma a partir de la unión de un óvulo y un espermatozoide. La
composición del material genético es idéntica en la mayoría de las células y
con respecto al propio cigoto (suponiendo que no se ha producido ninguna
mutación, véase más adelante). Cada célula de un organismo superior está
formada por un material de aspecto gelatinoso, el citoplasma, que contiene
numerosas estructuras pequeñas. Este material citoplasmático envuelve un cuerpo
prominente denominado núcleo. Cada núcleo contiene cierto número de diminutos
cromosomas filamentosos. Ciertos organismos simples, como las bacterias,
carecen de un núcleo delimitado aunque poseen un citoplasma que contiene uno o
más cromosomas.
Mitosis
Los cromosomas varían en forma y
tamaño y, por lo general, se presentan en parejas. Los miembros de cada pareja,
llamados cromosomas homólogos, tienen un estrecho parecido entre sí. La mayoría
de las células del cuerpo humano contienen 23 pares de cromosomas, en tanto que
la mayor parte de las células de la mosca del vinagre o de la fruta, Drosophila,
contienen cuatro pares, y la bacteria Escherichia coli tiene un
cromosoma único en forma de anillo. En la actualidad, se sabe que cada
cromosoma contiene muchos genes, y que cada gen se localiza en una posición
específica, o locus, en el cromosoma.
Meiosis
El proceso de división
celular mediante el cual una célula nueva adquiere un número de cromosomas
idéntico al de sus progenitores se denomina mitosis (véase Reproducción).
En la mitosis cada cromosoma se divide en dos fragmentos iguales, y cada uno
emigra hacia un extremo de la célula. Tras la división celular, cada una de las
dos células resultantes tiene el mismo número de cromosomas y genes que la
célula original (véase Célula: División celular). Por ello, cada
célula que se origina en este proceso posee el mismo material genético. Los
organismos unicelulares simples y algunas formas pluricelulares se reproducen
por mitosis, que es también el proceso por el que los organismos complejos
crecen y sustituyen el tejido envejecido.
Los organismos superiores que se
reproducen de forma sexual se forman a partir de la unión de dos células
sexuales especiales denominadas gametos. Los gametos se originan mediante
meiosis, proceso de división de las células germinales. La meiosis se diferencia
de la mitosis en que sólo se transmite a cada célula nueva un cromosoma de cada
una de las parejas de la célula original. Por esta razón, cada gameto contiene
la mitad del número de cromosomas que tienen el resto de las células del
cuerpo. Cuando en la fecundación se unen dos gametos, la célula resultante,
llamada cigoto, contiene toda la dotación doble de cromosomas. La mitad de
estos cromosomas proceden de un progenitor y la otra mitad del otro (véase Reproducción
sexual).
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LA TRANSMISIÓN DE GENES
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Genética mendeliana
La unión de los gametos
combina dos conjuntos de genes, uno de cada progenitor. Por lo tanto, cada gen
—es decir, cada posición específica sobre un cromosoma que afecta a un carácter
particular— está representado por dos copias, una procedente de la madre y otra
del padre (para excepciones a esta regla, véase el apartado siguiente sobre
sexo y ligamiento sexual). Cada copia se localiza en la misma posición sobre
cada uno de los cromosomas pares del cigoto. Cuando las dos copias son
idénticas se dice que el individuo es homocigótico (u homocigoto) para aquel
gen particular. Cuando son diferentes, es decir, cuando cada progenitor ha
aportado una forma distinta, o alelo, del mismo gen, se dice que el individuo
es heterocigótico (o heterocigoto) para dicho gen. Ambos alelos están
contenidos en el material genético del individuo, pero si uno es dominante,
sólo se manifiesta éste. Sin embargo, como demostró Mendel, el carácter
recesivo puede volver a manifestarse en generaciones posteriores (en individuos
homocigóticos para sus alelos).
Por ejemplo, la capacidad
de una persona para pigmentar la piel, el cabello y los ojos, depende de la
presencia de un alelo particular (A), mientras que la ausencia de esta
capacidad, denominada albinismo, es consecuencia de otro alelo (a) del
mismo gen (por consenso, los alelos se designan siempre por una única letra; el
alelo dominante se representa con una letra mayúscula y el recesivo con una
minúscula). Los efectos de A son dominantes; los de a, recesivos.
Por lo tanto, los individuos heterocigóticos (Aa), así como los
homocigóticos (AA), para el alelo responsable de la producción de
pigmento, tienen una pigmentación normal. Las personas homocigóticas para el
alelo que da lugar a una ausencia de pigmentación (aa) son albinas. Cada
hijo de una pareja en la que ambos son heterocigóticos (Aa) tiene un 25%
de probabilidades de ser homocigótico AA, un 50% de ser heterocigótico Aa,
y un 25% de ser homocigótico aa. Sólo los individuos que son aa
serán albinos. Observamos que cada hijo tiene una posibilidad entre cuatro de
ser albino, pero no es exacto decir que en una familia, una cuarta parte de los
niños estarán afectados. Ambos alelos estarán presentes en el material genético
del descendiente heterocigótico, quien originará gametos que contendrán uno u
otro alelo. Se distingue entre la apariencia, o característica manifestada, de
un organismo, y los genes y alelos que posee. Los caracteres observables
representan lo que se denomina el fenotipo del organismo, y su composición
genética se conoce como genotipo.
Albinismo
Se llama albinismo a la carencia de
pigmentación normal y se observa en todos los grupos humanos. Es una anomalía
rara que se produce cuando una persona hereda un alelo o grupo de genes
recesivo para la pigmentación de cada uno de sus progenitores. El resultado es
la deficiencia en tirosinasa, una enzima necesaria para la producción de
melanina, que es el pigmento normal de la piel. Sin melanina, la piel carece de
protección frente al sol, envejece de forma prematura y es propensa al cáncer.
También carecen de pigmentación los ojos, salvo el rojo de la sangre visible a
través de la retina, que no toleran la luz. Los albinos guiñan los ojos incluso
con la iluminación normal en interiores, y suelen sufrir trastornos de visión.
Las gafas o las lentes de contacto ahumadas (oscuras) hacen su situación más
llevadera.
Éste no es siempre el
caso en el que un alelo es dominante y el otro recesivo. Por ejemplo, el dondiego
de noche puede tener flores de color rojo, blanco o rosa. Las plantas con
flores rojas pueden tener dos copias del alelo R para el color rojo de
las flores, y, por lo tanto, son homocigóticas RR. Las plantas con
flores blancas tienen dos copias del alelo r para el color blanco de las
flores, y son homocigóticas rr. Las plantas con una copia de cada alelo,
heterocigóticas Rr, son rosas, es decir, una mezcla de colores producida
por los dos alelos.
Rara vez la acción de
los genes es cuestión de un gen aislado que controla un solo carácter. Con
frecuencia un gen puede controlar más de un carácter, y un carácter puede
depender de muchos genes. Por ejemplo, es necesaria la presencia de al menos
dos genes dominantes para producir el pigmento violeta en las flores de la
planta del guisante de olor. Estas plantas que son homocigóticas para alguno o
ambos de los alelos recesivos implicados en el carácter del color producen
flores blancas. Por lo tanto, los efectos de un gen pueden depender de cuáles
sean los otros genes presentes.
Los caracteres que se
expresan como variaciones en cantidad o extensión, como el peso, la talla o el
grado de pigmentación, suelen depender de muchos genes, así como de las
influencias del medio. Con frecuencia, los efectos de genes distintos parecen
ser aditivos, es decir, parece que cada gen produce un pequeño incremento o
descenso independiente de los otros genes. Por ejemplo, la altura de una planta
puede estar determinada por una serie de cuatro genes: A, B, C y D.
Supongamos que cuando su genotipo es aabbccdd, la planta alcanza una
altura media de 25 cm, y que cada sustitución por un par de alelos dominantes
aumenta la altura media en unos 10 centímetros. En el caso de una planta que es
AABBccdd su altura será de 45 cm, y en aquella que es AABBCCDD
será de 65 centímetros. En realidad, los resultados no suelen ser tan
regulares. Genes diferentes pueden contribuir de forma distinta a la medida
total, y ciertos genes pueden interactuar, de modo que la aportación de uno
depende de la presencia de otro. La herencia de características cuantitativas
que dependen de varios genes se denomina herencia poligénica. La combinación de
influencias genéticas y del medio se conoce como herencia multifactorial.
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LIGAMIENTO GENÉTICO Y MAPA GENÉTICO
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Thomas Hunt Morgan
El biólogo y genetista estadounidense
Thomas Hunt Morgan fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina
en 1933 por sus estudios pioneros sobre la herencia de la mosca del vinagre.
Descubrió cómo los genes se transmiten a través de los cromosomas sentando así
las bases de la genética experimental moderna.
El principio de Mendel
según el cual los genes que controlan diferentes caracteres son heredados de
forma independiente uno de otro es cierto sólo cuando los genes existen en
cromosomas diferentes. El genetista estadounidense Thomas Hunt Morgan y sus
colaboradores demostraron en una serie amplia de experimentos con moscas del
vinagre (que se reproducen con gran velocidad), que los genes se disponen de
forma lineal en los cromosomas y que cuando éstos se encuentran en el mismo
cromosoma, se heredan como una unidad aislada mientras el propio cromosoma
permanezca intacto. Los genes que se heredan de esta forma se dice que están
ligados.
Sin embargo, Morgan y su
grupo observaron también que este ligamiento rara vez es completo. Las
combinaciones de características alelas de cada progenitor pueden reorganizarse
entre algunos de sus descendientes. Durante la meiosis, una pareja de
cromosomas análogos puede intercambiar material durante lo que se llama
recombinación o sobrecruzamiento (el efecto del sobrecruzamiento puede
observarse al microscopio como una forma de unión entre los dos cromosomas). El
sobrecruzamiento se produce más o menos al azar a lo largo de los cromosomas,
de modo que la frecuencia de recombinación entre dos genes depende de la
distancia que los separe en el cromosoma. Si los genes están relativamente
alejados, los gametos recombinados serán habituales; si están más o menos
próximos, los gametos recombinados serán poco frecuentes. En el descendiente
que procede de los gametos, el sobrecruzamiento se manifiesta en la forma de
nuevas combinaciones de caracteres visibles. Cuanto mayor sea el
sobrecruzamiento, más elevado será el porcentaje de descendientes que muestran
las combinaciones nuevas. Consecuencia de ello, los científicos pueden trazar o
dibujar mediante experimentos de reproducción apropiados, las posiciones
relativas de los genes a lo largo del cromosoma.
Para detectar recombinaciones,
que se producen sólo rara vez, los genetistas han utilizado durante los últimos
años organismos que producen gran número de descendientes con gran rapidez,
como bacterias, mohos y virus. Por esta razón, son capaces de trazar mapas de
genes que están muy próximos. El método introducido en el laboratorio de Morgan
ha adquirido hoy tal precisión que se pueden dibujar las diferencias que se
originan en un gen particular. Estos mapas han demostrado que no sólo los genes
se disponen de forma lineal a lo largo de los cromosomas, sino que ellos mismos
son estructuras lineales. La detección de recombinaciones poco frecuentes puede
poner de manifiesto estructuras incluso menores que las que se observan con los
microscopios más potentes.
Los estudios en hongos, y
más tarde en moscas del vinagre, han demostrado que en ocasiones la
recombinación de alelos puede tener lugar sin que se produzcan intercambios
recíprocos entre los cromosomas. En apariencia, cuando existen dos versiones
distintas del mismo gen (en un individuo heterocigótico), una de ellas puede
ser corregida para equipararse a la otra. Tales correcciones pueden tener lugar
en cualquier dirección (por ejemplo, el alelo A puede ser modificado a a
o a la inversa). Este proceso se ha denominado conversión genética. En
ocasiones, varios genes adyacentes experimentan una conversión conjunta; la
probabilidad de que ésta se produzca entre dos genes depende de la distancia
entre ellos. Esto proporciona otra forma de determinar las posiciones relativas
de los genes en el cromosoma.
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SEXO Y LIGAMIENTO SEXUAL
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Determinación del sexo, tipo XX-XY
En los seres humanos el sexo del recién
nacido depende del tipo de espermatozoide que realice la fecundación. Si el
espermatozoide que fecunda el óvulo es portador del cromosoma X el cigoto
resultante dará lugar a una niña (XX) y si el espermatozoide que fecunda al
óvulo es portador del cromosoma Y el cigoto dará lugar a un niño (XY). La
probabilidad de que nazca un niño o una niña es exactamente la misma.
Morgan contribuyó también a los
estudios genéticos cuando en 1910 observó diferencias sexuales en la herencia
de caracteres, un patrón que se conoce como herencia ligada al sexo.
Prueba del daltonismo
Esta imagen forma parte de las pruebas
normales del daltonismo o ceguera para los colores. Las personas con visión
normal del color ven el número 57, mientras que los daltónicos leen el 35. El
daltonismo, o incapacidad para diferenciar entre el rojo y el verde y, a veces,
entre el azul y el amarillo, se debe a un defecto de uno de los tres tipos de
células sensibles al color de la retina. Afecta aproximadamente a una persona
de cada treinta.
El sexo está determinado
por la acción de una pareja de cromosomas. Las anomalías del sistema endocrino
u otros trastornos pueden alterar la expresión de los caracteres sexuales
secundarios, aunque casi nunca invierten totalmente el sexo. Por ejemplo, una
mujer tiene 23 pares de cromosomas, y los componentes de cada par son muy
similares. Sin embargo, un varón tiene 22 pares iguales de cromosomas y uno con
dos cromosomas diferentes en tamaño y estructura. Los 22 pares de cromosomas
semejantes en mujeres y en hombres se llaman autosomas. El resto de los
cromosomas se denomina, en ambos sexos, cromosomas sexuales. En las mujeres los
dos cromosomas sexuales idénticos se llaman cromosomas X. En el hombre, uno de
los cromosomas sexuales es también un cromosoma X, pero el otro, más pequeño,
recibe el nombre de cromosoma Y. Cuando se forman los gametos, cada óvulo
producido por la mujer contiene un cromosoma X, pero el espermatozoide generado
por el hombre puede contener o un cromosoma X o uno Y. La unión de un óvulo,
que siempre contiene un cromosoma X, con un espermatozoide que también tiene un
cromosoma X, origina un cigoto con dos X: un descendiente femenino. La unión de
un óvulo con un espermatozoide con un cromosoma Y da lugar a un descendiente
masculino. Este mecanismo sufre modificaciones en diversas plantas y animales.
La longitud aproximada del
cromosoma Y es un tercio de la del X, y aparte de su papel en la determinación
del sexo masculino, parece que es genéticamente inactivo. Por ello, la mayor
parte de los genes en el X carecen de su pareja en el Y. Se dice que estos
genes están ligados al sexo, y tienen un patrón hereditario característico. Por
ejemplo, la enfermedad denominada hemofilia, está producida por un gen recesivo
(h) ligado al sexo. Una mujer con HH o Hh es normal; una
mujer con hh tiene hemofilia. Un hombre nunca es heterocigótico para
este gen porque hereda sólo el gen que existe en el cromosoma X. Un varón con H
es normal; con h padecerá hemofilia. Cuando un hombre normal (H)
y una mujer heterocigótica (Hh) tienen descendencia, las niñas son
normales, aunque la mitad de ellas tendrán el gen h—es decir, ninguna de
ellas es hh, pero la mitad tendrán el genotipo Hh—. Los niños
heredan sólo el H o el h; por lo tanto, la mitad de ellos serán
hemofílicos. Por esta razón, en condiciones normales, una mujer portadora
transmitirá la enfermedad a la mitad de sus hijos, y el gen recesivo h a
la mitad de sus hijas, quienes a su vez se convierten en portadoras de
hemofilia. Se han identificado otras muchas situaciones en los seres humanos,
incluida la ceguera para los colores rojo y verde, la miopía hereditaria, la
ceguera nocturna y la ictiosis (una enfermedad cutánea) como caracteres ligados
al sexo.
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FUNCIÓN DE LOS GENES: EL ADN Y EL CÓDIGO
DE LA VIDA
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George Wells Beadle
El biólogo estadounidense George Wells
Beadle fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1958. En
sus investigaciones estudió el modo en que los genes regulan las reacciones
químicas.
Después de que la ciencia
de la genética se estableciera y de que se clarificaran los patrones de la
herencia a través de los genes, las preguntas más importantes permanecieron sin
respuesta durante más de cincuenta años: ¿cómo se copian los cromosomas y sus
genes de una célula a otra, y cómo determinan éstos la estructura y conducta de
los seres vivos? A principios de la década de 1940, dos genetistas
estadounidenses, George Wells Beadle y Edward Lawrie Tatum, proporcionaron las
primeras pistas importantes. Trabajaron con los hongos Neurospora y Penicillium,
y descubrieron que los genes dirigen la formación de enzimas a través de las
unidades que los constituyen. Cada unidad (un polipéptido) está producida por
un gen específico. Este trabajo orientó los estudios hacia la naturaleza
química de los genes y ayudó a establecer el campo de la genética molecular.
Desde hace tiempo se sabe
que los cromosomas están compuestos casi en su totalidad por dos tipos de
sustancias químicas, proteínas y ácidos nucleicos. Debido en parte a la
estrecha relación establecida entre los genes y las enzimas, que son proteínas,
al principio estas últimas parecían la sustancia fundamental que determinaba la
herencia. Sin embargo, en 1944, el bacteriólogo canadiense Oswald Theodore
Avery demostró que el ácido desoxirribonucleico (ADN) era el que desempeñaba
esta función. Extrajo el ADN de una cepa de bacterias y lo introdujo en otra
cepa. La segunda no sólo adquirió las características de la primera, sino que
también las transmitió a generaciones posteriores. Por aquel entonces, se sabía
que el ADN estaba formado por unas sustancias denominadas nucleótidos. Cada
nucleótido estaba compuesto a su vez por un grupo fosfato, un azúcar conocido
como desoxirribosa, y una de las cuatro bases que contienen nitrógeno. Las
cuatro bases nitrogenadas son adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina
(C).
Edward Tatum
El genetista estadounidense Edward Tatum
obtuvo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1958. Sus estudios sobre los
genes del moho del pan, que realizó con el también genetista George Wells
Beadle, demostraron que todos los procesos bioquímicos están regulados por los
genes.
En 1953, el genetista
estadounidense James Dewey Watson y el británico Francis Harry Compton Crick
aunaron sus conocimientos químicos y trabajaron juntos en la estructura del
ADN. Esta información proporcionó de inmediato los medios necesarios para
comprender cómo se copia la información hereditaria. Watson y Crick
descubrieron que la molécula de ADN está formada por dos cadenas, o filamentos,
alargadas que se enrollan formando una doble hélice, algo parecido a una larga
escalera de caracol. Las cadenas, o lados de la escalera, están constituidas
por moléculas de fosfato e hidratos de carbono que se alternan. Las bases
nitrogenadas, dispuestas en parejas, representan los escalones. Cada base está
unida a una molécula de azúcar y ligada por un enlace de hidrógeno a una base
complementaria localizada en la cadena opuesta. La adenina siempre se vincula
con la timina, y la guanina con la citosina. Para hacer una copia nueva e
idéntica de la molécula de ADN, sólo se necesita que las dos cadenas se
extiendan y se separen por sus bases (que están unidas de forma débil); gracias
a la presencia en la célula de más nucleótidos, se pueden unir a cada cadena
separada bases complementarias nuevas, formando dos dobles hélices. Si la
secuencia de bases que existía en una cadena era AGATC, la nueva contendría la
secuencia complementaria, o “imagen especular”, TCTAG. Ya que la base de cada
cromosoma es una molécula larga de ADN formada por dos cadenas, la producción
de dos dobles hélices idénticas dará lugar a dos cromosomas idénticos.
La estructura del ADN es en
realidad mucho más larga que la del cromosoma, pero se halla muy condensada.
Ahora se sabe que este empaquetamiento se basa en diminutas partículas llamadas
nucleosomas, sólo visibles con el microscopio electrónico más potente. El ADN
está enrollado secuencialmente alrededor de cada nucleosoma formando una
estructura en forma de rosario. Entonces la estructura se repliega aún más, de
manera que las cuentas se asocian en espirales regulares. Por esta razón, el
ADN tiene una configuración en espiral enrollada, parecida al filamento de una
bombilla.
Tras los descubrimientos de
Watson y Crick, quedó el interrogante de saber cómo el ADN dirigía la formación
de proteínas, los compuestos principales de todos los procesos vitales. Las
proteínas no son sólo los componentes principales de la mayoría de las
estructuras celulares, sino que también controlan casi todas las reacciones
químicas que se producen en la materia viva. La capacidad de una proteína para
formar parte de una estructura, o para ser una enzima que influye sobre la
frecuencia de una reacción química particular, depende de su estructura
molecular. Esta estructura depende a su vez de su composición. Cada proteína
está formada por uno o más componentes denominados polipéptidos, y cada
polipéptido está constituido por una cadena de subunidades llamadas
aminoácidos. En los polipéptidos hay veinte tipos distintos de aminoácidos. Al
final, el número, tipo y orden de los aminoácidos en una cadena determina la
estructura y función de la proteína de la que forma parte.
Desde que se demostró que
las proteínas eran producto de los genes, y que cada gen estaba formado por
fracciones de cadenas de ADN, los científicos llegaron a la conclusión de que
debe haber un código genético mediante el cual el orden de las cuatro bases
nitrogenadas en el ADN podría determinar la secuencia de aminoácidos en la
formación de polipéptidos. En otras palabras, debe haber un proceso mediante el
cual las bases nitrogenadas transmitan la información que dicta la síntesis de
proteínas. Este proceso podría explicar cómo los genes controlan las formas y
funciones de las células, tejidos y organismos. Como en el ADN sólo hay cuatro
tipos de nucleótidos, y, sin embargo, las proteínas se constituyen con 20
clases diferentes de aminoácidos, el código genético no podría basarse en que
un nucleótido especificara un aminoácido. Las combinaciones de dos nucleótidos
sólo podrían especificar 16 aminoácidos (42 = 16), de
manera que el código debe estar formado por combinaciones de tres o más
nucleótidos sucesivos. El orden de los tripletes, o como se han denominado,
codones, podría definir el orden de los aminoácidos en el polipéptido.
Diez años después de que
Watson y Crick determinaran la estructura del ADN, el código genético fue
descifrado y verificado. Su solución dependió en gran medida de las investigaciones
llevadas a cabo sobre otro grupo de ácidos nucleicos, los ácidos ribonucleicos
(ARN). Se observó que la obtención de un polipéptido a partir del ADN se
producía de forma indirecta a través de una molécula intermedia conocida como
ARN mensajero (ARNm). Parte del ADN se desenrolla de su empaquetamiento
cromosómico, y las dos cadenas se separan en una porción de su longitud. Una de
ellas actúa como plantilla sobre la que se forma el ARNm (con la ayuda de una
enzima denominada ARN polimerasa). El proceso es muy similar a la formación de
una cadena complementaria de ADN durante la división de la doble hélice, salvo
que el ARN contiene uracilo (U) en lugar de timina como una de sus cuatro bases
nucleótidas, y el uracilo (similar a la timina) se une a la adenina en la
formación de pares complementarios. Por esta razón, una secuencia de adenina -
guanina - adenina - timina - citosina (AGATC) en la cadena codificada de ADN,
origina una secuencia de uracilo - citosina - uracilo - adenina - guanina
(UAUAG) en el ARNm.
Transcripción y síntesis de proteínas
Una de las tareas más importantes de la
célula es la síntesis de proteínas, moléculas que intervienen en la mayoría de
las funciones celulares. El material hereditario conocido como ácido
desoxirribonucleico (ADN), que se encuentra en el núcleo de la célula, contiene
la información necesaria para dirigir la fabricación de proteínas.
La formación de una cadena
de ARNm por una secuencia particular de ADN se denomina transcripción. Antes de
que termine la transcripción, el ARNm comienza a desprenderse del ADN.
Finalmente, un extremo de la molécula nueva de ARNm, que ahora es una cadena
larga y delgada, se inserta en una estructura pequeña llamada ribosoma, de un
modo parecido a la introducción del hilo en una cuenta. Al tiempo que el
ribosoma se desplaza a lo largo del filamento de ARNm, su extremo se puede
insertar en un segundo ribosoma, y así sucesivamente. Utilizando un microscopio
de alta definición y técnicas especiales de tinción, los científicos pueden
tomar fotografías de las moléculas de ARNm con sus unidades de ribosomas
asociados.
Los ribosomas están formados
por una proteína y ARN. El grupo de ribosomas unidos a un ARNm recibe el nombre
de polirribosoma o polisoma. Como cada ribosoma pasa a lo largo de toda la
molécula de ARNm, lee el código, es decir, la secuencia de bases de nucleótidos
del ARNm. La lectura, que se denomina traducción, tiene lugar gracias a un
tercer tipo de molécula de ARN de transferencia (ARNt), que se origina sobre
otro segmento del ADN. Sobre un lado de la molécula de ARNt hay un triplete de
nucleótidos y al otro lado una región a la que puede unirse un aminoácido
específico (con la ayuda de una enzima específica). El triplete de cada ARNt es
complementario de una secuencia determinada de tres nucleótidos —el codón— en
la cadena de ARNm. Debido a esta complementariedad, el triplete es capaz de
reconocer y adherirse al codón. Por ejemplo, la secuencia
uracilo-citosina-uracilo (UCU) sobre la cadena de ARNm atrae al triplete
adenina-guanina-adenina (AGA) del ARNt. El triplete del ARNt recibe el nombre
de anticodón.
Como las moléculas de ARNt
se desplazan a lo largo de la cadena de ARNm en los ribosomas, cada uno soporta
un aminoácido. La secuencia de codones en el ARNm determina, por tanto, el
orden en que los aminoácidos son transportados por el ARNt al ribosoma. En
asociación con el ribosoma, se establecen enlaces químicos entre los
aminoácidos en una cadena formando un polipéptido. La nueva cadena de
polipéptidos se desprende del ribosoma y se repliega con una forma
característica determinada por la secuencia de aminoácidos. La forma de un
polipéptido y sus propiedades eléctricas, que están también determinadas por la
secuencia de aminoácidos, dictarán si el polipéptido permanece aislado o se une
a otros polipéptidos, así como qué tipo de función química desempeñará después
en el organismo.
En las bacterias y los
virus, el cromosoma se encuentra libre en el citoplasma, y el proceso de la
traducción puede empezar incluso antes de que el proceso de la transcripción
(formación de ARNm) haya concluido. Sin embargo, en los organismos más
complejos los cromosomas están aislados en el núcleo y los ribosomas sólo se
observan en el citoplasma. Por esta razón, la traducción del ARNm en una
proteína sólo puede producirse después de que el ARNm se ha desprendido del ADN
y se ha desplazado fuera del núcleo.
Un descubrimiento reciente e
inesperado es que, en los organismos superiores, los genes están interrumpidos.
A lo largo de una secuencia de nucleótidos que codifican un polipéptido en
particular, puede haber una o más interrupciones formadas por secuencias sin
codificar. En algunos genes pueden encontrarse 50 o más de estas secuencias, o
intrones. Durante la transcripción, los intrones son copiados en el ARN junto
con las secuencias codificadas, originando una molécula de ARN extra larga. En
el núcleo, las secuencias que corresponden a los intrones son eliminadas del
ARN por unas enzimas especiales para formar el ARNm, que se exporta al
citoplasma.
Las funciones de los intrones
(si existen) son desconocidas, aunque se ha sugerido que el procesamiento del
ARN mediante la eliminación de las secuencias interrumpidas tal vez esté
implicado en la regulación de la cantidad de polipéptidos producidos por los
genes. También se han encontrado intrones en genes que codifican ácidos
ribonucleicos especiales, como los que forman parte de los ribosomas. El
descubrimiento de los intrones ha sido posible gracias a nuevos métodos que
determinan la secuencia exacta de nucleótidos en las moléculas de ADN y ARN,
métodos desarrollados por el biólogo molecular británico Frederick Sanger,
quien recibió en 1980 por este trabajo el segundo Premio Nobel de Química.
Los estudios directos del ADN
han demostrado también que en los organismos superiores ciertas secuencias de nucleótidos
se repiten muchas veces en todo el material genético. Algunas de estas
secuencias repetidas representan copias múltiples de genes que codifican
polipéptidos, o de genes que codifican tipos especiales de ARN (casi siempre
existen muchas copias de genes que producen el ARN de los ribosomas). Parece
que otras secuencias que se repiten no codifican polipéptidos o ARN, y su
función se desconoce. Entre ellas existen secuencias que, al parecer, son
capaces de saltar de una zona a otra de un cromosoma, o de un cromosoma a otro.
Estos transposones o genes móviles, elementos que se transponen, pueden
originar mutaciones (véase más adelante) en los genes adyacentes a sus puntos
de partida o llegada.
Los biólogos tienen un gran
interés en el estudio e identificación de los genes y han completado el genoma
(conjunto de genes) de varios microorganismos, como el de la bacteria Escherichia
coli. En 1998, los científicos lograron el hito de secuenciar el genoma de
un organismo multicelular, un gusano nematodo de nombre científico Caenorhabditis
elegans. En el año 2000 se descifró el material genético de la mosca del
vinagre (Drosophila melanogaster), de la bacteria responsable del cólera
(Vibrio cholerae), así como de la planta Arabidopsis thaliana. En
2002 se logró completar un mapa detallado del genoma del ratón y, ese mismo
año, se finalizó la secuenciación del genoma del arroz; del protozoo Plasmodium
falciparum, causante de la malaria; y del mosquito Anopheles gambiae,
principal responsable de la transmisión de esa enfermedad. Científicos del
consorcio público internacional que integra el Proyecto Genoma Humano
anunciaron, en abril de 2003, la finalización de la secuenciación del genoma
humano.
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9
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REGULACIÓN DE LOS GENES
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François Jacob
El biólogo francés François Jacob obtuvo
el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1965. Sus investigaciones se
centraron en la regulación de los genes.
El conocimiento de cómo se
forman las proteínas permite a los científicos entender cómo los genes producen
efectos específicos sobre las estructuras y funciones de los organismos. Sin
embargo, esto no explica las variaciones que sufren los organismos en respuesta
a circunstancias cambiantes del medio, o la manera en que un cigoto simple da
lugar a todos los tejidos y órganos diferentes que constituyen un ser humano.
En estos órganos y tejidos, la mayoría de las células contienen conjuntos de
genes idénticos, sin embargo, forman proteínas distintas. Es evidente que en
las células de cualquier tejido u órgano algunos genes están activos y otros
no. Los distintos tejidos tienen series de genes diferentes en estado activo.
Por esta razón, parte de la explicación del desarrollo de un organismo complejo
debe basarse en cómo se activan los genes de forma específica.
El proceso de la activación
de los genes en los organismos superiores aún no está claro, aunque gracias al
trabajo del genetista francés François Jacob y de Jacques Lucien Monod, se sabe
mucho acerca de este proceso en las bacterias. Junto a cada gen bacteriano
existe un segmento de ADN conocido como promotor. Éste es el lugar sobre el
cual la ARN polimerasa, enzima responsable de la producción de ARNm, se adhiere
al ADN e inicia la transcripción. Entre el promotor y el gen existe con
frecuencia otro segmento de ADN que recibe el nombre de operador, donde otra
proteína —el represor— puede adherirse. Cuando el represor se une al operador,
detiene el desplazamiento de la ARN polimerasa a lo largo del cromosoma y la
producción de ARNm; por lo tanto, el gen se inactiva. Sin embargo, la presencia
en la célula de una sustancia química determinada puede provocar que el
represor se separe y el gen se active. Otras sustancias pueden afectar al grado
de actividad del gen al alterar la capacidad de la ARN polimerasa de unirse al
promotor. Un gen que recibe el nombre de regulador produce la proteína
represora.
En las bacterias, varios
genes pueden estar controlados de forma simultánea por un promotor y uno o más
operadores. El sistema completo se denomina entonces operón. Parece que los
operones no existen en los organismos complejos, aunque es muy posible que cada
gen tenga su propio sistema individual de promotores y operadores, y que los
intrones y las secuencias repetidas desempeñen también algún papel en este
proceso.
Por ejemplo, las células
eucariotas utilizan secuencias de ADN llamadas intensificadores (enhancers)
para estimular la transcripción de genes que se localizan muy lejos del punto
del cromosoma donde está ocurriendo la transcripción. Si una proteína
específica se une al intensificador provoca un plegamiento del ADN de modo que
acerca éste al sitio donde se está produciendo la transcripción. Esta acción activará
o aumentará la velocidad de transcripción de los genes que se sitúan en el
radio de acción del intensificador, tratándose generalmente de un gran grupo de
genes relacionados.
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10
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HERENCIA CITOPLASMÁTICA
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Además del núcleo, ciertos
componentes de las células contienen ADN. Éstos incluyen los cuerpos
citoplasmáticos denominados mitocondrias (los productores de energía de la
célula), y los cloroplastos de las plantas, en los que tiene lugar la
fotosíntesis. Estos cuerpos se autorreproducen. El ADN se replica de manera
similar al del núcleo, y algunas veces su código se transcribe y se traduce en
proteínas. En 1981 se determinó la secuencia completa de nucleótidos del ADN de
una mitocondria. En apariencia, la mitocondria utiliza un código que difiere
muy poco del utilizado por el núcleo.
Los caracteres determinados por
el ADN citoplasmático se heredan con más frecuencia a través de la madre que
del padre (exclusivamente a través de la madre en el caso del Homo sapiens),
ya que los espermatozoides y el polen contienen por lo general menos material
citoplasmático que el óvulo. Algunos casos de herencia materna aparente están,
en realidad, relacionados con la transmisión de virus de la madre al hijo a
través del citoplasma del óvulo.
Aunque la replicación del ADN es
muy precisa, no es perfecta. Muy rara vez se producen errores, y el ADN nuevo
contiene uno o más nucleótidos cambiados. Un error de este tipo, que recibe el nombre
de mutación, puede tener lugar en cualquier zona del ADN. Si esto se produce en
la secuencia de nucleótidos que codifica un polipéptido particular, éste puede
presentar un aminoácido cambiado en la cadena polipeptídica. Esta modificación
puede alterar seriamente las propiedades de la proteína resultante. Por
ejemplo, los polipéptidos que distinguen la hemoglobina normal de la
hemoglobina de las células falciformes difieren sólo en un aminoácido. Cuando
se produce una mutación durante la formación de los gametos, ésta se
transmitirá a las siguientes generaciones.
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11.1
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Mutaciones genéticas
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Hermann Muller
El genetista estadounidense Hermann
Muller fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1946. A
través de sus experimentos con la mosca de la fruta, Muller logró causar
mutaciones genéticas mediante la utilización de rayos X.
Las mutaciones fueron descritas
por primera vez en 1901 por uno de los redescubridores de Mendel, el botánico
holandés Hugo De Vries. En 1929 el biólogo estadounidense Hermann Joseph Muller
observó que la tasa de mutaciones aumentaba mucho con los rayos X. Más tarde,
se vio que otras formas de radiación, así como las temperaturas elevadas y
varios compuestos químicos, podían inducir mutaciones. La tasa también se
incrementa por la presencia de alelos específicos de ciertos genes, conocidos
como genes mutadores, algunos de los cuales parece ser que producen defectos en
los mecanismos responsables de la fidelidad de la replicación de ADN. Otros
pueden ser elementos que se transponen (véase más arriba).
La mayoría de las mutaciones
genéticas son perjudiciales para el organismo que las porta. Una modificación
aleatoria es más fácil que deteriore y que no mejore la función de un sistema
complejo como el de una proteína. Por esta razón, en cualquier momento, el
número de sujetos que portan un gen mutante determinado se debe a dos fuerzas
opuestas: la tendencia a aumentar debido a la propagación de individuos
mutantes nuevos en una población, y la tendencia a disminuir debido a que los
individuos mutantes no sobreviven o se reproducen menos que sus semejantes.
Varias actuaciones humanas recientes, como la exposición a los rayos X con
fines médicos, los materiales radiactivos y las mutaciones producidas por
compuestos químicos, son responsables de su aumento.
Por lo general, las mutaciones
son recesivas, sus efectos perjudiciales no se expresan a menos que dos de
ellos coincidan para dar lugar a una situación homocigótica. Esto es más
probable en la procreación consanguínea, en el apareamiento de organismos muy
relacionados que pueden haber heredado el mismo gen mutante recesivo de un
antecesor común. Por esta razón, las enfermedades hereditarias son más
frecuentes entre los niños cuyos padres son primos que en el resto de la
población.
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11.2
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Mutaciones cromosómicas
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La sustitución de un nucleótido
por otro no es el único tipo posible de mutación. Algunas veces se puede ganar
o perder por completo un nucleótido. Además, es posible que se produzcan
modificaciones más obvias o graves, o que se altere la propia forma y el número
de los cromosomas. Una parte del cromosoma se puede separar, invertir y después
unirse de nuevo al cromosoma en el mismo lugar. A esto se le llama inversión.
Si el fragmento separado se une a un cromosoma distinto, o a un fragmento
diferente del cromosoma original, el fenómeno se denomina translocación.
Algunas veces se pierde un fragmento de un cromosoma que forma parte de una
pareja de cromosomas homólogos, y este fragmento es adquirido por el otro.
Entonces, se dice que uno presenta una deleción o deficiencia (dependiendo si
el fragmento que se pierde es intersticial o terminal, respectivamente) y el
otro una duplicación. Por lo general, las deficiencias o deleciones son letales
en la condición homocigótica, y con frecuencia las duplicaciones también lo
son. Las inversiones y las translocaciones suelen ser más viables, aunque
pueden asociarse con mutaciones en los genes cerca de los puntos donde los
cromosomas se han roto. Es probable que la mayoría de estos reordenamientos
cromosómicos sean la consecuencia de errores en el proceso de sobrecruzamiento.
Otro tipo de mutaciones se
produce cuando en la meiosis fracasa la separación de una pareja de cromosomas
homólogos. Esto puede originar gametos —y, por lo tanto, cigotos— con
cromosomas de más, y otros donde faltan uno o más cromosomas. Los individuos
con un cromosoma de más se denominan trisómicos, y aquellos en los que falta
uno, monosómicos. Ambas situaciones tienden a producir incapacidades graves.
Por ejemplo, las personas con síndrome de Down son trisómicas, con tres copias
del cromosoma 21.
En la meiosis fracasa a
veces la separación de un grupo completo de cromosomas; es decir, se origina un
gameto con el doble del número normal de cromosomas. Si dicho gameto se une con
otro que contiene el número normal de cromosomas, el descendiente tendrá tres
grupos de cromosomas homólogos en lugar de los dos habituales. Si se unen dos
gametos con el doble del número normal de cromosomas, el descendiente estará
dotado de cuatro grupos homólogos. Los organismos con grupos adicionales de
cromosomas reciben el nombre de poliploides. La poliploidía es el único proceso
conocido por el cual pueden surgir especies nuevas en una generación única. Se
han observado poliploides viables y fértiles casi exclusivamente en organismos
hermafroditas, como la mayoría de las plantas con flores y algunos
invertebrados. Por lo general, las plantas poliploides son mayores y más
robustas que sus antecesoras diploides. Algunas veces se originan fetos
poliploides en la raza humana, pero fallecen en una fase precoz del desarrollo
fetal y se produce un aborto. Véase Anomalías genéticas.
La genética de poblaciones,
que investiga cómo se distribuyen los genes a través de las poblaciones de
organismos, encontró una base sólida en los trabajos del matemático inglés
Godfrey H. Hardy y el obstetra alemán Wilhelm Weinberg, quienes en 1908
formularon por separado lo que ahora se conoce como la ley de Hardy-Weinberg.
Ésta afirma que si dos alelos de un gen autosómico (A y a)
existen en una población, si la frecuencia con las que se presentan (expresadas
en decimales) son p y q (p + q = 1)
respectivamente, y si el apareamiento se produce de forma aleatoria con
respecto al gen, entonces, después de una generación la frecuencia de los tres
genotipos AA, Aa y aa será p2, 2pq y q2,
respectivamente. Por consiguiente, en ausencia de alteraciones, estas
secuencias permanecerán constantes de generación en generación. Cualquier
variación de la frecuencia, que indica un cambio evolutivo, debe estar, por
tanto, relacionada con alteraciones. Éstas pueden ser mutaciones, selección
natural, migración y reproducción en pequeñas poblaciones que pueden perder
alelos determinados por casualidad o desviación genética al azar (véase Evolución).
La evidencia indica que la
mayoría de las poblaciones son más variables genéticamente de lo que se supone.
Los estudios de los productos polipeptídicos de los genes han señalado que, por
término medio, cerca de un tercio de ellos tienen variantes genéticas con
frecuencias superiores a las que cabría esperar a partir del equilibrio entre
su generación por mutación, y la desventaja selectiva de los mutantes. Esto ha
conducido a un interés creciente por las formas en que los alelos alternados se
pueden mantener de forma activa en un estado de equilibrio de modo que ninguno
reemplace al otro. Uno de estos mecanismos de equilibrio es la ventaja
heterocigótica, cuando el heterocigótico sobrevive mejor que cualquiera de los
homocigóticos. Otro mecanismo, llamado selección dependiente de la frecuencia,
se basa en la ventaja relativa de las variedades poco frecuentes, como, por
ejemplo, en poblaciones expuestas a depredadores. Los depredadores tienden a
centrarse en la variedad más común, y a no hacer caso de las variedades raras.
Por esta razón, cuando una variedad es poco frecuente puede estar en ventaja,
aunque perderá dicha ventaja conforme la selección natural para el rasgo de
adaptación la haga más abundante. Entonces, los depredadores empiezan a
sacrificar la variedad favorecida, hasta alcanzar equilibrio entre los alelos
de la población. Los parásitos pueden actuar de un modo similar,
especializándose en atacar cualquier variedad de huéspedes que sea la más
común, y manteniendo por ello la variabilidad genética en las poblaciones de
huéspedes.
La mayoría de las características
físicas humanas están influidas por múltiples variables genéticas, así como por
el medio. Algunas, como la talla, poseen un fuerte componente genético,
mientras que otras, como el peso, tienen un componente ambiental muy
importante. Sin embargo, parece que otros caracteres, como el grupo sanguíneo y
los antígenos implicados en el rechazo de trasplantes, están totalmente
determinados por componentes genéticos. No se conoce ninguna situación debida
al medio que varíe estas características. Desde hace poco tiempo, los antígenos
de trasplante se estudian con detalle debido a su interés médico. Los más
importantes son los que se deben a un grupo de genes ligados que se denominan
complejo HLA (véase Grupos de histocompatibilidad). Este grupo de genes
no sólo determina si el trasplante de órganos será aceptado o rechazado, sino
que también está implicado en la resistencia que opone el organismo a varias
enfermedades (entre las que se incluyen alergias, diabetes y artritis).
La susceptibilidad a padecer
ciertas enfermedades tiene un componente genético muy importante. Este grupo
incluye la esquizofrenia, la tuberculosis, la malaria, varias formas de cáncer,
la migraña, las cefaleas y la hipertensión arterial. Muchas enfermedades
infrecuentes están originadas por genes recesivos, y algunas por genes
dominantes. De los aproximadamente 30.000 genes que contiene el genoma humano,
unos 4.000 pueden estar asociados a enfermedades.
Los científicos han desarrollado
una serie de técnicas bioquímicas y genéticas mediante las cuales el ADN puede
ser separado y transferido de una célula a otra. Algunos de esos métodos de
laboratorio ayudan a los investigadores a estudiar las propiedades de los genes
en la naturaleza (permiten, por ejemplo, comparar los ADN de diferentes
animales para establecer distancias evolutivas). Otras técnicas de ADN
constituyen herramientas básicas en el campo de la ingeniería genética
(alteración de genes de un organismo). Esas herramientas son utilizadas en la
industria para desarrollar productos comerciales tales como cosechas más
resistentes a la desecación o a las plagas, microorganismos capaces de
descomponer compuestos contaminantes como hidrocarburos o petróleo, o capaces
de producir determinados compuestos útiles en medicina en grandes cantidades
como la insulina, el interferón o determinadas vacunas.
Las moléculas de ADN de
cualquier forma de vida tienen la misma estructura y están constituidas por las
mismas cuatro bases nitrogenadas, por lo que los científicos han utilizado esas
similitudes para introducir uno o más genes de un organismo en otro diferente.
Estos nuevos genes llegan a ser funcionales en el organismo receptor y a
producir la proteína deseada. Esta tecnología del ADN recombinante es la que se
ha utilizado para obtener grandes cantidades de determinadas proteínas como la
insulina, necesaria para los enfermos diabéticos. Inicialmente la insulina se
obtenía del ganado vacuno, pero era un proceso demasiado largo y costoso. El
primer paso para obtener insulina utilizando la tecnología del ADN recombinante
fue conocer la secuencia de nucleótidos del gen en la célula humana y emplear
enzimas de restricción (proteínas especializadas que actúan como tijeras
moleculares) para cortar la doble hélice de ADN y obtener el gen completo
que codifica dicha proteína. Posteriormente, este fragmento de ADN es ligado a
un vector, es decir, a otra molécula de ADN que permite transportar los genes
de un organismo a otro. El vector que contiene el gen de insulina es
introducido en una bacteria, como por ejemplo Escherichia coli, que
producirá en unas pocas horas millones de células que contienen copias exactas
del gen productor de insulina insertado por los científicos. El proceso de fabricar
muchas células con ADN idéntico se conoce como clonación.
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14.2
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Genotecas o librerías de ADN
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Una librería de ADN es
un almacén de información genética que se mantiene en una bacteria como los
libros en una biblioteca. Esas bacterias son clones creados con la tecnología
del ADN recombinante y suponen una fuente constante de fragmentos de ADN
necesarios para multitud de investigaciones. Una genoteca puede contener el
genoma completo de un organismo troceado en pequeños fragmentos. Por ejemplo, para
crear una librería del genoma humano todos sus cromosomas deben cortarse en
pequeñas piezas que serán unidas al azar en vectores (por ejemplo plásmidos o
bacteriófagos) e introducidos en una población de bacterias.
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14.3
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Reacción en cadena de la polimerasa
(RCP)
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La reacción en cadena de la
polimerasa (RCP o más conocida como PCR, por sus siglas en inglés) ofrece una
alternativa a la clonación basada en vectores como medio de generar numerosas
copias de ADN a partir de una muestra simple. Esta técnica imita la forma en la
que el ADN se replica de forma natural en el interior de la célula. Para llevar
a cabo esta técnica los científicos aislan el fragmento que va a ser
amplificado en un tubo de ensayo y le aplican calor para separar las dos
cadenas de la molécula. Una vez que se ha enfriado, se añaden unos fragmentos
cortos de ADN, denominados oligonucleótidos (primers), que son
complementarios a una de las cadenas a la que se unen, marcando así el segmento
que debe ser amplificado. Se añaden entonces a la muestra nucleótidos y una
enzima denominada ADN polimerasa que construye, con los nucleótidos añadidos,
una cadena complementaria de cada segmento amplificado, obteniendo de nuevo
moléculas de ADN de doble cadena. Cada ciclo de calentamiento y enfriamiento
duplica la cantidad de ADN deseado en el tubo de ensayo, por lo que en unas
cuantas horas se pueden obtener millones de copias de un fragmento de ADN. Ésta
es la técnica que se utiliza para amplificar, por ejemplo, trazas de ADN
encontradas en la escena de un crimen o en un animal fósil.
Esta técnica permite separar
fragmentos de ADN en función de su tamaño al aplicar una corriente eléctrica a
un gel en el interior del cual se ha introducido una mezcla de fragmentos.
Éstos comienzan a moverse desde el polo negativo al polo positivo de tal modo
que los fragmentos más pequeños se mueven más rápido que los más grandes.
Cuando la corriente cesa, los fragmentos de ADN se han distribuido a lo largo
del gel, situándose los más pequeños más cerca del polo positivo, adoptando una
apariencia similar a un código de barras. Cada barra contiene un fragmento de
ADN de un tamaño determinado. Adicionalmente puede utilizarse una secuencia
complementaria de un ADN como sonda para buscar un fragmento específico en el
patrón de bandas. Por ejemplo, los científicos pueden usar el ADN encontrado en
la sangre presente en la escena de un crimen como sonda para buscar fragmentos
complementarios en electroforesis conteniendo ADN obtenido de diversas personas
sospechosas.
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14.5
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Secuenciación de ADN
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Una vez que un fragmento
interesante de ADN se ha aislado o identificado, los científicos necesitan
determinar si la secuencia de nucleótidos de dicho fragmento es un gen conocido
o qué clase de proteína puede estar produciendo. Esta técnica permite
determinar la secuencia específica (el orden preciso de bases nucleótidas) de
un fragmento de ADN. La mayoría de los tipos de secuenciación utilizan la
técnica de extensión de oligonucleótido ideada por el británico Frederick
Sanger. Esta técnica se puede utilizar por ejemplo para detectar mutaciones
relacionadas con enfermedades tales como la fibrosis quística, o bien para alterar
la secuencia de un gen y estudiar la función de la proteína resultante.
