Historia de la Genética

• En la prehistoria ya se intuía que algunos caracteres se transmiten de una generación a otra.
• En 1866, Mendel, considerado el padre de la genética, publica sus leyes.
• En 1900, 16 años después de la muerte de Mendel, De Vries redescubre su trabajo.
• 1910: Se demuestra que los genes residen en los cromosomas.
• En 1953 se descubre la estructura de doble hélice del ADN gracias a los doctores Watson y Crick, produciéndose el nacimiento de la Biología Molecular.
• 1956: Se establece en 46 el número de cromosomas en humanos.
• 1961: El código genético se ordena en tripletes.
• 2003: El Proyecto Genoma Humano publica la primera secuencia completa del genoma humano con un 99.99% de fidelidad.

Leyes de Mendel y Conceptos Previos

Para comprender las leyes de la herencia, es fundamental conocer los siguientes conceptos:

• Factores hereditarios (Genes): Son los genes, presentes en el núcleo de las células y localizados en los cromosomas, exactamente en su ADN.
• Gametos: Células sexuales (óvulo y espermatozoide). Su dotación genética cuenta con 23 cromosomas, son haploides y tienen un alelo de cada carácter.
• Células somáticas: Son el resto de las células de un individuo. Pueden ser homocigotos (alelos iguales) o heterocigotos (alelos diferentes). Para cada característica, un organismo hereda dos alelos, uno proveniente de la madre y otro del padre.
• Alelo: Cada una de las alternativas que puede tener un gen para un carácter. Ejemplo: color de ojos (verde, marrón, azul…). Pueden ser dominantes, recesivos o codominantes.
• Genotipo: Son los caracteres genéticos que tiene un individuo (Genética interna). Corresponde a 46 cromosomas (2n).
• Fenotipo: Son los caracteres físicos que se manifiestan en un individuo (Genética externa). Pueden ser Dominantes, Recesivos o mezclas en los Codominantes.

Las Leyes de Mendel

Primera Ley (Ley de la Uniformidad)

“Cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes son todos iguales”.

Experimento: Se cruzan razas puras (individuos homocigóticos de un mismo carácter) de guisantes (amarillos-AA y verdes-aa). Debido a este cruce, los híbridos obtenidos en la F1 son todos idénticos entre sí, tanto en genotipos como en fenotipos, e iguales a uno de los progenitores (guisantes amarillos, Aa). Por ello, Mendel llamó dominante al fenotipo manifestado, y recesivo al fenotipo presente pero no manifestado.

Segunda Ley (Ley de la Segregación)

“Los factores hereditarios del híbrido se segregan para transmitirse por separado en los gametos”.

Experimento: Mendel cruzó los individuos de la F1 entre sí, observando que ¼ de los descendientes eran verdes y, por tanto, dedujo que los factores hereditarios se separaban a la hora de formar gametos, dando nuevas combinaciones.

Tercera Ley (Ley de la Transmisión Independiente de los Caracteres)

“Cada alelo se distribuye de forma independiente al formarse los gametos”.

Experimento: Mendel hizo los mismos cruzamientos, pero fijándose en dos caracteres a la vez. El resultado fue el mismo: ¼ de guisantes verdes y rugosos y ¾ de guisantes amarillos y lisos. Así dedujo que los caracteres se transmitían de forma independiente. Sin embargo, posteriormente se vio que esta ley solo se cumple cuando los genes están localizados en distintos cromosomas.

Herencia Postmendeliana

A principios del siglo XX, los factores hereditarios de Mendel pasaron a denominarse genes. Se averiguó que estaban ubicados en unas estructuras dentro del núcleo de las células llamadas cromosomas. Además, se precisó que, dentro de los cromosomas, la información genética se almacena en la molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico).

Los cromosomas están formados por ADN y proteínas (llamadas histonas); es el ADN el que contiene la información genética. Un gen es un fragmento de ADN que codifica para una proteína.

Biología Molecular

Ciencia que nace con el descubrimiento de Watson y Crick en 1953 sobre la estructura del ADN. Estudia la vida y las células a nivel molecular, esclareciendo la estructura del ADN y los procesos necesarios para la construcción de un ser vivo:

• Replicación del ADN.
• Transcripción (relación del ADN con el ARN mensajero).
• Traducción (síntesis de proteínas).
• La regulación de la expresión génica.

Composición Química del ADN: La Doble Hélice

El ADN es una gran molécula (macromolécula) formada por la unión de otras moléculas más sencillas llamadas nucleótidos, que están compuestos a su vez por 3 tipos de componentes químicos:

1. Una molécula de ácido fosfórico.
2. Una pentosa (un hidrato de carbono de 5 átomos de carbono) denominada desoxirribosa.
3. Una base nitrogenada.

Tipos de ARN

ARN Mensajero (ARNm)

El ARN mensajero lleva la información sobre la secuencia de aminoácidos de la proteína desde el ADN, lugar en que está inscrita, hasta el ribosoma, lugar en que se sintetizan las proteínas de la célula. Es, por tanto, una molécula intermediaria entre el ADN y la proteína.

ARN de Transferencia (ARNt)

Los ARN de transferencia son polímeros cortos de unos 80 nucleótidos que transfieren un aminoácido específico a la proteína en crecimiento; se unen a lugares específicos del ribosoma durante la traducción.

ARN Ribosómico (ARNr)

El ARN ribosómico se halla combinado con proteínas para formar los ribosomas, donde representa unas 2/3 partes de los mismos. Se encarga de crear los enlaces peptídicos entre los aminoácidos de la proteína en formación durante su síntesis.

Procesos Relacionados con el ADN

Replicación

Proceso por el cual se sintetizan dos copias idénticas de ADN tomando como molde la doble hélice o cadena de ADN. Este proceso ocurre en el núcleo. Todas las células, antes de dividirse, deben duplicar su ADN para que las nuevas células lleven la misma información genética. Para esto se utiliza la complementariedad de las Bases Nitrogenadas (BN). En este proceso se separan las hebras del ADN para que cada una sintetice su complementaria, dando dos copias exactas. Para esto se precisa la materia prima del ADN y una enzima que los una.

Transcripción

Síntesis de ARNm a partir de una hebra de ADN. Este proceso también precisa de la complementariedad, aunque el ARN contiene uracilo (U) en vez de timina (T). Este proceso ocurre en el núcleo. En las células eucariotas, el ARN transcrito en el núcleo se transforma en el ARNm maduro, que saldrá del núcleo para llevar la información a los ribosomas, responsables de la síntesis proteica.

Traducción y Código Genético

Transformación del ARNm maduro en proteínas. Se lleva a cabo en el citoplasma, en los ribosomas, siendo el ARN-t el que reconoce el codón del ARNm mediante su anticodón, transportando el aminoácido que se va uniendo en la cadena proteica, mientras la va formando.

Se produce mediante el código genético, que es la relación que existe entre los tripletes de BN (codones) y los distintos aminoácidos (unidades que forman proteínas). Un codón codifica para un aminoácido. Hay 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas, habiendo 64 combinaciones de codones diferentes. Por este motivo, habrá codones diferentes que codifiquen para el mismo aminoácido. El código genético es universal, compartido por todos los seres vivos, ya que para un determinado codón siempre se colocará el mismo aminoácido.

Comparativa ADN vs. ARN

El Genoma Humano

En el año 2000, el PGH (Proyecto Genoma Humano) consiguió descifrar la secuencia del genoma humano, lo que supuso un gran avance en la lucha contra las enfermedades genéticas. Los datos publicados incluyen:

• Las células humanas están compuestas por 46 cromosomas, divididos en dos series de 23. De los 46 cromosomas, 44 son autosomas y 2 son cromosomas sexuales.
• Un 95% del genoma está formado por ADN basura, encargado de separar los genes que forman el genoma y con un importante papel regulador.
• El genoma humano contiene, aproximadamente, 3200 millones de bases.
• Un gen promedio contiene 6000 bases.
• El número total de genes se estima en 25000.
• Los seres vivos, genéticamente, somos más parecidos de lo que se creía.

Ingeniería Genética y Biotecnología

Técnica del ADN Recombinante

El ADN recombinante es aquel que tiene fragmentos de distinta procedencia. Mediante unas enzimas llamadas endonucleasas de restricción, que reconocen secuencias específicas de ADN, este se corta por lugares concretos, dividiéndolos en fragmentos con bordes cohesivos/pegajosos para complementarlos con otros extremos de ADN cortados con la misma enzima. Así se unen fragmentos de distinto origen con unas enzimas llamadas ligasas, obteniéndose el ADN recombinante.

Para llevar el ADN recombinante desde el donante hasta la célula receptora se precisa de unos vectores génicos (plásmidos, bacteriófagos y cósmidos) en los que se inserte el gen que se quiere transferir y que lleven un marcador (gen de resistencia a antibióticos o de luminiscencia), para que así se pueda identificar a las células transgénicas.

Amplificación del ADN: Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

Se trata de la obtención de muchas copias de un fragmento de ADN. Para el estudio y manipulación del ADN se necesitan muchas copias del fragmento implicado. Para ello se puede utilizar la clonación, pero se trata de un procedimiento in vivo, lento y costoso.

Por ello, en 1983, Mullis creó un método llamado PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) por el cual se calienta la muestra de ADN que se quiere amplificar para que sus hebras se separen y comience su replicación; después se debe enfriar dicha muestra para que se estabilicen las nuevas cadenas. Además, se empezó a utilizar la polimerasa de una bacteria termófila (resistente a altas temperaturas) para que no se desnaturalizara el ADN en cada fase de calentamiento de PCR.

Obtención de Transgénicos

La obtención de un organismo transgénico tiene básicamente dos etapas:

1. Primera etapa (Transformación): Hay que introducir el gen deseado en el genoma de la célula del organismo que se desea modificar. Por ejemplo, el gen bacteriano para el veneno contra el taladro en la célula del maíz.
2. Segunda etapa (Regeneración): Consiste en obtener una planta o un animal a partir de la célula cuyo genoma se ha modificado. Esta segunda etapa requiere, en la práctica, la utilización de técnicas de clonación de organismos.

Aplicaciones de la Ingeniería Genética

• Genómica: Estudio de los genomas completos, destacando el PGH.
• Terapia Génica: Consiste en el reconocimiento de mutaciones asociadas a determinadas enfermedades y en el empleo de genes en la curación de dichas enfermedades, sustituyendo el ADN del gen mutado por ADN normal.
• Biotecnología: Ciencia que aplica las técnicas de la ingeniería genética a los seres vivos con fines comerciales o industriales. La biotecnología moderna utiliza de manera generalizada los Organismos Genéticamente Modificados (OGM) en diversas áreas, como la medicina y la farmacéutica.

Biotecnología Médica

La biotecnología médica ofrece múltiples beneficios:

• Tratamiento de enfermedades que no lo tenían.
• Abaratamiento de tratamientos muy costosos.
• Vacunas cuyo riesgo se ha eliminado.
• Diagnósticos precoces de enfermedades de origen genético.
• Utilización de órganos para trasplantes obtenidos a partir de animales modificados genéticamente.

Biotecnología en la Industria Farmacéutica

• Síntesis de proteínas usadas como fármacos, como la insulina, hormonas del crecimiento, factores de coagulación, etc.
• Obtención de vacunas mediante la producción de las proteínas de la cápside de los virus (envoltura proteica que rodea un virus).
• Se están ensayando vacunas en las que el gen que codifica para la proteína con capacidad antigénica se introduce en semillas comestibles, lo que nos inmunizaría contra el patógeno.

Biotecnología Agrícola: Objetivos

• Obtener plantas transgénicas que, complementadas con proteínas y vitaminas, podrían paliar la hambruna de gran parte de la población mundial.
• Obtener plantas resistentes a herbicidas, insectos, bacterias y virus.
• Aumentar el rendimiento fotosintético (mayor producción).
• Disminuir las necesidades nutricionales de las plantas (que fijen el nitrógeno atmosférico evitando la utilización de nitratos).
• Mejorar la calidad de los productos.
• Fabricar productos de interés comercial como vacunas, anticuerpos de animales, interferones (proteínas inmunitarias contra virus y células cancerígenas), etc.

Biotecnología Ganadera: Objetivos

• Mejorar la eficacia, calidad y resistencia de los animales mediante su alteración genética.
• Obtener animales transgénicos con propiedades farmacológicas beneficiosas para el ser humano.
• Obtener órganos de animales destinados a trasplantes humanos.

Biorremediación

Consiste en la clonación de organismos que eliminan los contaminantes del medio de forma natural, con el objetivo de eliminar vertidos tóxicos, mareas negras o para el tratamiento de aguas residuales.

Formas de Reproducción Asistida

Inseminación Artificial

Consiste en la introducción médica del semen, previamente tratado, en el útero de la mujer. Su mayor inconveniente es la posibilidad de embarazo múltiple. Se puede utilizar el semen del cónyuge (en caso de haber algún impedimento fisiológico para la fecundación como la impotencia o el vaginismo) o el de un donante (en caso de que exista infertilidad masculina, enfermedades venéreas y hereditarias, o cuando la mujer desea tener un hijo sin relaciones sexuales).

Fecundación In Vitro (FIV)

Consiste en la unión del espermatozoide y del óvulo en el laboratorio. Sus inconvenientes son la posibilidad de embarazo múltiple y el embarazo ectópico (cuando se desarrolla fuera del útero).

Transferencia de Embriones Donados

Se realiza cuando ambos cónyuges son estériles. Consiste en la introducción de preembriones congelados como excedentes procedentes de las parejas sometidas a FIV o de preembriones resultados de la fecundación entre donantes no estériles, lo que aumenta las probabilidades de éxito.

Clonación

Consiste en la obtención de copias genéticamente iguales. Se pueden clonar moléculas de ADN (por replicación, aplicándose la técnica del PCR), células (por mitosis, aplicando el cultivo) u organismos (por reproducción asexual o formación de dos embriones a partir de la escisión de uno preexistente, aplicando la transferencia nuclear).

Tras varios intentos fallidos, se realizó la verdadera clonación que consistía en la transferencia de núcleos de células de individuos ya nacidos a óvulos o cigotos enucleados; así se obtienen individuos iguales al que donó el núcleo. La primera clonación en mamíferos, realizada por Ian Wilmut, tuvo como resultado la oveja Dolly (1996).

Clonación Terapéutica y Células Madre

Aunque la clonación humana con fines reproductivos está prohibida, la clonación terapéutica sí es legal. Esta consiste en implantar en un óvulo el material genético de un individuo para la obtención de células madre que, mediante el cultivo y diferenciación celular, darían lugar a los diferentes tipos de tejidos y órganos. Así, el paciente sería su propio donante sin riesgo de rechazo, o incluso se podrían clonar células de un enfermo para su estudio y tratamiento.

Células Madre

Son aquellas que tienen la capacidad de multiplicarse y la posibilidad de desarrollarse y diferenciarse, dando lugar a células especializadas. Existen tres tipos:

• Embrionarias o Troncales: Son las que forman parte de un embrión y son capaces de generar un organismo completo. Se obtienen de embriones de menos de 14 días.
• Adultas o Somáticas: Son células presentes en el adulto, capaces de generar células especializadas de diferentes tejidos.
• De Pluripotencialidad Inducida (iPS): Son células de la piel humana transformadas en células madre que se comportan como embrionarias y que darán lugar, tras una nueva diferenciación, a los distintos tejidos adultos. Se descubrieron en 2007.