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UNIDAD DIDÁCTICA II (3ª Parte): DIVISIÓN CELULAR- L A BASE QUÍMICA DE LA

HERENCIA Y GENÉTICA 1.- DIVISIÓN CELULAR : A.- Introducción : La reproducción está considerada como una de las características más definitorias

de los seres vivos. Para los seres unicelulares supone la perpetuación del propio organismo, mientras que para los pluricelulares permite su desarrollo embrionario, su crecimiento o la regeneración de sus tejidos.

Para que las células puedan lograr esta perpetuación, generación tras generación, deben contar con mecanismos por los que se transmita el material genético, responsable de mantener sus características. En tales mecanismos está implicado el propio material genético, puesto que es capaz de sacar copias de sí mismo. Por tanto, el proceso de reproducción supone para la célula madre:

• Duplicar su material genético • Repartir dicho material equitativamente entre las células hijas • Dividir en dos su citoplasma.

B.- El ciclo celular: a.- Concepto: Se denomina así al conjunto de procesos que tienen lugar desde que una célula se forma por división de otra preexistente hasta que se divide para dar origen a dos células hijas.

b.- Etapas: Se reconocen tres etapas:

a’.- Interfase: Es el período que transcurre entre dos mitosis sucesivas, y ocupa la mayor parte del ciclo celular. Existe una gran actividad metabólica y se produce un aumento del tamaño de la célula. A su vez comprende tres períodos:

a’’.- Fase G1 : Es el de mayor crecimiento. Se sintetizan las proteínas necesarias para que la célula aumente de tamaño. Comienza cuando termina la mitosis y dura hasta que se inicia la replicación del ADN. Su duración es muy variable. En un cierto punto de esta fase se alcanza el “punto de no retorno o punto de restricción”, en el cual la célula ya está obligada a realizar la totalidad del proceso. Algunas células permanecen siempre en estado de reposo y no se dividen (p.e. células muy diferenciadas, como las neuronas). En este caso la fase se denomina G0 y la célula se denomina quiescente.

b’’.- Fase S: Durante ella el ADN se duplica, por lo que se produce la replicación del ADN y la síntesis de histonas. Al final del mismo todo el material genético es doble, aunque se observa todavía la cromatina. También comienza la duplicación del diplosoma, al formar cada centríolo otro perpendicular a él. En mamíferos dura unas 7 horas.

c’’.- Fase G2 : Es una fase de seguridad, que permite a la célula comprobar que todo el ADN está ya duplicado antes de iniciar la división. Se produce un ligero crecimiento, y los centríolos, ya duplicados, forman dos diplosomas que permanecen reunidos en el mismo centrosoma. En mamíferos dura unas 3 horas. Acaba cuando los cromosomas empiezan a condensarse para iniciar la mitosis.

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b’.- Fase M, Mitosis o cariocenosis: a’’.- Concepto: Es la fase de división. Se puede definir como el proceso mediante el que una célula, a la que llamamos madre, se divide, asegurando el reparto equitativo de su material genético entre sus dos células hijas, para que sean idénticas entre sí y a la célula madre. Suele ir acompañada del reparto del resto de la célula o “citocinesis”, para dar las dos células hijas. Este reparto no suele ser equitativo, realizándose la distribución de orgánulos citoplasmáticos como mitocondrias, cloroplastos, sistemas de membranas, peroxisomas... al azar.

Sin embargo, determinadas células relacionadas con la reproducción sexual de los organismos realizan un reparto especial del material genético por el que las células hijas reciben la mitad de cromosomas que la célula madre. Se trata de la división por “meiosis”.

b’’.- Significado biológico de la mitosis: La división por mitosis está relacionada, sobre todo, con procesos de reproducción asexual de los organismos, en los que asegura que los descendientes sean idénticos a sus antecesores. • En organismos unicelulares, la mitosis coincide con la reproducción asexual, ya que un único

individuo da lugar así a otros idénticos a él. Se consideran diversas modalidades de multiplicación celular (bipartición, gemación, esporulación), según se haga el reparto del material celular entre las células hijas en la citocinesis, aunque en todas el reparto del material genético es por mitosis. En organismos pluricelulares, la reproducción asexual se produce cuando una célula o grupo de éstas se separa del individuo y se dividen por mitosis para dar un nuevo ser. Pero en ambos casos los individuos hijos son idénticos a los padres, luego tienen las mismas ventajas y desventajas que los padres para sobrevivir en un medio. Los descendientes serán clones.

• Por otro lado, los organismos pluricelulares necesitan crecer y desarrollarse, pero asegurándose de que las nuevas células que se forman tengan la misma información genética (los mismos cromosomas) que el resto de las células del organismo. De igual forma, cuando se reparan los tejidos dañados las nuevas células deben ser idénticas a las que reemplazas. La mitosis asegura que esto sea así.

c’’.- Etapas: Aunque el conjunto de acontecimientos es continuo, se divide para su estudio en 4 etapas:

a’’’.- Profase: Comienza en el momento del ciclo celular en el que los cromosomas condensados empiezan a ser visibles en forma de filamentos en el interior del núcleo. A lo largo de la profase continúa la condensación de los cromosomas, haciéndose cada vez más cortos y gruesos. Cada cromosoma aparece formado por dos unidades longitudinales genéticamente iguales, las cromátidas, resultado de la duplicación del ADN en la interfase, que están unidas por sus centrómeros; en cada uno de los cuales se desarrolla un cinetocoro. El nucléolo desaparece gradualmente, dispersándose sus componentes por el núcleo.

En el citoplasma, los centríolos, duplicados en la interfase, comienzan a separarse, hasta que se sitúan en polos opuestos de la célula. A medida que se separan los centríolos, se va formando el Huso mitótico o acromático. Cada par de centríolos está rodeado por el áster (conjunto de microtúbulos muy cortos que irradian de los centríolos). Entre los dos ásteres se organizan una serie de microtúbulos proteicos, no coloreables, que constituyen el huso. En las células de las plantas, al carecer de centríolos, no se forman ásteres, y el huso acromático tiene forma de tonel.

Al mismo tiempo, la membrana nuclear inicia progresivamente su desintegración, para acabar finalmente desapareciendo como tal. Por ello, los cromosomas quedan dispersos aleatoriamente en el citoplasma, en la zona que ocupaba el núcleo.

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b’’’.- Metafase: Los cromosomas alcanzan el mayor grado de condensación, y aparecen unidos por sus cinetocoros a los microtúbulos del huso (microtúbulos cinetocóricos), que los mantienen alineados en un imaginario plano ecuatorial con respecto a los centrosomas, que ocupan los polos del huso, ya totalmente extendido. Esta imagen típica de la metafase recibe el nombre de “placa ecuatorial o metafásica”, y vista desde un polo ofrece un aspecto estrellado, al estar los cromosomas doblados en V con los brazos orientados hacia el exterior y los vértices hacia el centro. Aquellos microtúbulos del huso que no quedan unidos a los cinetocoros se denominan “microtúbulos polares”.

c’’’.- Anafase: Las dos cromátidas de cada cromosoma inician de forma simultánea un movimiento de separación hacia polos opuestos, arrastradas por los microtúbulos cinetocóricos, que se acortan por despolimerización, al mismo tiempo que los polares se alargan, lo que lleva a que los dos polos del huso se separen entre sí. La separación de ambas cromátidas se inicia por el centrómero (que va por delante y los brazos retrasados) y de forma sincronizada en todos los cromosomas de la placa metafásica. La metafase termina cuando los cromosomas se han separado en dos grupos iguales, cada uno de ellos situado en un polo del huso, donde formará parte del núcleo de una nueva célula.

d’’’.- Telofase: Los nucléolos reaparecen y los cromosomas comienzan a descondensarse, dejando de ser visibles y reconstituyendo la cromatina. La membrana nuclear reaparece alrededor de cada grupo de cromosomas, delimitándose así dos zonas nucleares, una en cada polo de la célula. Las membranas se forman a partir del retículo endoplasmático. Mientras, los microtúbulos cinetocóricos han desaparecido y los polares se alargan aún más.

c’.- Citocinesis: Consiste en la división del citoplasma y el reparto de los orgánulos y el resto de los componentes celulares entre las dos células hijas. Normalmente este proceso se inicia hacia el final de la telofase. Este proceso varía según se trate de una célula animal o vegetal.

a’’.- Citocinesis en células animales: La célula, que se estaba alargando desde la anafase, se estrangula por el plano ecuatorial. Un anillo contráctil de actina y miosina forma el surco de segmentación, para dar finalmente dos células hijas. Los orgánulos citoplasmáticos, que se habían duplicado durante la interfase, se reparten, y los sistemas membranosos se fragmentan y distribuyen entre ambas células. El reparto suele ser equitativo y simétrico, pero en algunos casos se producen divisiones asimétricas (gemación).

b’’.- Citocinesis en células vegetales: Al existir una pared celular rígida no hay estrangulación, sino que se forma un tabique denominado “fragmoplasto”. Éste comienza a partir de vesículas del Aparato de Golgi, que se van concentrando en el ecuador de la célula y que contienen polisacáridos diversos, especialmente pectina. Las vesículas se unen para formar primero un disco central, que se va extendiendo lateralmente hasta tomar contacto con la membrana de la periferia (no

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se cierra totalmente, sino que quedan formados los plasmodesmos), mientras que en su interior comienza a formarse la lámina media a partir de los polisacáridos que estaban contenidos en las vesículas.

Posteriormente, cada célula deposita celulosa, entre la membrana plasmática y la lámina media, originándose así la nueva pared celular. El proceso está controlado por los microtúbulos polares que quedan del huso mitótico, que van organizando las vesículas, y por filamentos de actina en el ecuador celular.

2.- REPRODUCCIÓN SEXUAL A.- Concepto: Es aquella en que dos progenitores aportan cada uno una célula reproductora haploide

o gameto, que se fusionan en el proceso denominado fecundación para formar una sola célula, el zigoto, ya diploide, que al desarrollarse dará origen a un nuevo organismo adulto.

Si la mitosis fuera el único mecanismo de división celular, y los gametos fueran 2n, el nuevo individuo procedente de la fecundación sería tetraploide (4n). Éste a su vez, originaría gametos 4n, que, al unirse en la fecundación, daría lugar a un cigoto 8n y, así sucesivamente, con lo que el nº de cromosomas se duplicaría en cada generación. Para evitarlo existe la meiosis que, al transformar células 2n en n, contrarresta los efectos de la fecundación y asegura que el nº de cromosomas se mantenga constante de una generación a otra. Así, en la reproducción sexual, los gametos siempre han de ser células haploides, de manera que, al unirse en la fecundación, se origine un cigoto diploide. Al proceso de formación de los gametos se le denomina gametogénesis.

B.- Meiosis: a.- Concepto: Es el proceso por el que una célula madre diploide (2n) se divide dos veces sucesivas y da lugar a 4 células hijas haploides (n), es decir, con la mitad de cromosomas que tenía la célula madre (meiosis viene del griego, disminución).

b.- Fases: La meiosis consta de dos divisiones sucesivas, la meiosis I y la meiosis II, que al igual que la mitosis, están divididas en varias etapas. En la interfase previa a la meiosis I, como resultado de la replicación del ADN, se produce la duplicación de los cromosomas, que quedan formados por dos cromátidas unidas por el centrómero.

a’.- Meiosis I: En esta primera división meiótica se aparean los cromosomas homólogos y se produce el intercambio de material hereditario y se reduce el número de cromosomas. Se divide en fases parecidas a las de la mitosis, pero con modificaciones importantes.

a’’.- Profase I: Es la más compleja, y se divide a su vez en varias subfases:

a’’’.- Leptotene: Los cromosomas se condensan hasta hacerse visibles al microscopio óptico. Cada uno está formado por dos cromátidas estrechamente unidas, que no se distinguen hasta el final de la profase. Sus extremos están anclados a la membrana nuclear. b’’’.- Zigotene: Los cromosomas homólogos se

aparean hasta estar completamente alineados, punto por punto (gen a gen), en toda su longitud (cada cromátida con una del otro cromosoma). Este apareamiento se llama sinapsis, y se produce a través

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de una estructura proteica llamada complejo sinaptonémico. Se forma una estructura constituida por cuatro cromátidas, la tétrada o cromosoma bivalente.

c’’’.- Paquitene: Se produce el sobrecruzamiento (crossing-over), o intercambio de ADN entre las cromátidas de los cromosomas homólogos. Para ello las dos cromátidas no homólogas se rompen transversalmente al mismo nivel, se intercambian los segmentos y por último las zonas de rotura se suturan. La consecuencia de este sobrecruzamiento es el intercambio de genes o recombinación génica. Lo habitual es que se produzcan 2 ó 3 sobrecruzamientos por cada tétrada.

d’’’.- Diplotene: Los cromosomas homólogos inician su separación, permaneciendo unidos por los puntos donde ha tenido lugar el sobrecruzamiento, denominados quiasmas. En esta fase, que puede durar años (como sucede en el caso de los oocitos que permanecen en esta fase desde el 5º mes de vida fetal hasta la pubertad), los cromosomas se descondensan parcialmente.

e’’’.- Diacinesis: Los cromosomas se condensan al máximo y sus dos cromátidas ya son visibles. Cada par de cromátidas hermanas está unido por el centrómero, mientras que cada par de cromosomas homólogos permanece unido por los quiasmas que se producen entre cromátidas no hermanas. Desaparecen el nucléolo y la membrana nuclear, se forma el huso acromático y comienzan a formarse las fibras cinetocóricas.

b’’.- Metafase I: Es similar a la metafase mitótica, pero con la diferencia de que en la placa ecuatorial se disponen las tétradas, unidas por los quiasmas. Los centrómeros de cada par de homólogos se disponen en lados opuestos de la placa, pero los cinetocoros de las cromátidas que pertenecen al mismo cromosoma están fusionados y se orientan hacia el mismo polo. La posición de los cromosomas homólogos por encima o debajo del plano ecuatorial es al azar, así una pareja puede tener el paterno arriba y el materno abajo, y otra al contrario.

c’’.- Anafase I: Los pares de cromosomas homólogos comienzan a separarse al ser arrastrados por las fibras del huso acromático hacia polos opuestos de la célula. Al estar los dos cinetocoros de un mismo cromosoma fusionados, no se separan cromátidas (como en la anafase mitótica), sino cromosomas completos que, además, contienen una información genética distinta de la inicial, como consecuencia del sobrecruzamiento. Cada cromosoma de un par de homólogos se dirige a un polo de la célula.

d’’.- Telofase I: Reaparece la membrana nuclear y el nucléolo, mientras que los cromosomas sufren una pequeña descondensación. Se produce la citocinesis y se obtienen dos células hijas, con la mitad de los cromosomas que tenía la célula madre, y con dos cromátidas cada cromosoma. Es muy frecuente que sin terminar la telofase I, se inicie la Profase II.

b’.- Meiosis II: Se desarrolla del mismo modo que la mitosis, y ocurre simultáneamente en las dos células hijas. Antes de comenzar se produce una corta interfase, en la que no hay duplicación del ADN. Sus fases son las mismas que las de la mitosis.

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a’’.- Profase II:

Desaparece la membrana nuclear, los cromosomas se condensan y se forma el huso acromático.

b’’.- Metafase II: Los cromosomas se sitúan en la placa ecuatorial. Cada uno está formado por dos cromátidas unidas por el centrómero, y cada cromátida tiene asociado un cinetocoro.

c’’.- Anafase II: Se separan los centrómeros y cada cromátida emigra hacia polos opuestos.

d’’.- Telofase II: Se forma la membrana nuclear alrededor de los cromosomas, que se descondensan. Se produce la citocinesis y se obtienen cuatro células hijas, cada una de las cuales tiene la mitad de los cromosomas de la célula madre. Son células haploides y genéticamente distintas, ya que tienen algunos de sus cromosomas recombinados.

c.- Importancia biológica de la meiosis: La meiosis implica tres efectos importantes: • A partir de una célula diploide se obtienen cuatro células haploides, genéticamente diferentes

entre sí y diferentes de la célula madre, con lo cual se hace posible la reproducción sexual • Se produce un fenómeno de recombinación génica o intercambio de material hereditario entre las

cromátidas de los cromosomas homólogos, por lo que se modifican los cromosomas • Distribución de los cromosomas entre los gametos, lo que permite su mezcla al azar en la

fecundación. La consecuencia de tales efectos es un enorme potencial de diversidad genética en las especies que se reproducen sexualmente. El nº posible de combinaciones cromosómicas en los gametos es 2n . Así, p.e., un hombre puede producir 223 = 8388608 clases de espermatozoides, y una mujer otra tantas clases de óvulos. Y todo ello sin tener en cuenta la variación adicional que se produce como consecuencia del sobrecruzamiento. Además, como cada tipo de gameto masculino puede unirse al azar en la fecundación con cualquier tipo de gameto femenino, la variabilidad de la descendencia resultante de la reproducción sexual es realmente asombrosa, lo que ha resultado fundamental para el proceso de evolución.

C.- Gametogénesis: Es el conjunto de procesos que conducen a la formación de los gametos. Es diferente según se vayan a formar los gametos masculinos o los femeninos.

a.- Espermatogénesis: a’.- Características generales: Es la formación de los gametos masculinos y se efectúa en los tubos seminíferos de los testículos, unos canalículos huecos, largos y finos, apelotonados unos contra otros, de los que existen de 500 a 1000 por testículo en el hombre. El interior de estos tubos se encuentra recubierto por numerosas células esféricas, dispuestas en varias capas, y que representan los distintos estados de formación de los espermatozoides.

b’.- Fases: En todas las especies la espermatogénesis se realiza de manera similar, y se divide en cuatro fases: • Fase de multiplicación o proliferación: Las células germinales, situadas junto a la pared del tubo

seminífero, sufren algunas mitosis sucesivas (en el hombre 3, pero pueden ser más en otros animales), y originan las espermatogonias o células madres de los futuros espermatozoides.

• Fase de crecimiento: Las espermatogonias de la última generación sufren un ligero crecimiento y se convierten en espermatocitos de primer orden (diploides).

• Fase de maduración o meiosis: Cada espermatocito de primer orden se divide mediante meiosis, dando lugar primero a dos espermatocitos de segundo orden (ya haploides) cada uno de los cuales se divide a su vez en dos espermátidas.

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• Espermiogénesis: La espermátida, que es una célula esférica, normal, se transforma en un espermatozoide, proceso que implica la formación de un flagelo, la eliminación de gran cantidad de citoplasma, formación del acrosoma, en contacto con el núcleo, mediante unión de vesículas del aparato de Golgi, alargamiento y aplanamiento del núcleo (que da la forma a la cabeza del espermatozoide) y disposición de las mitocondrias en espiral alrededor de la base del flagelo. Una vez formados, los espermatozoides se liberan a la luz del tubo seminífero, y son transportados pasivamente hasta el epidídimo. Allí permanecen durante unos 12 días, donde maduran y adquieren movilidad y fertilidad.

b.- Ovogénesis: a’.- Características generales: La formación de los óvulos se produce en los ovarios, en concreto en su zona periférica, donde se encuentran numerosos huecos o folículos, cuyo tamaño varía según el estado de crecimiento en el que se encuentren.

b’.- Fases: En este caso son sólo tres: • Fase de proliferación: Las células germinales que se dividen activamente por mitosis son las

ovogonias. En los invertebrados su actividad mitótica permanece durante toda la vida, pero en los vertebrados superiores está reducida al inicio del desarrollo, y luego ya no se dividen más.

• Fase de crecimiento: La ovogonia de la última generación, aumenta de tamaño, y origina un ovocito de primer orden. Éste se rodea de células epiteliales (células foliculares) y forma el folículo ovárico,

• Fase de maduración: Los ovocitos de primer orden, mediante un proceso de meiosis, dan lugar a dos células de muy diferente tamaño. La mayor constituye el ovocito de segundo orden y la menor el primer corpúsculo polar. Ambas sufren la segunda división meiótica. El ovocito de segundo orden da lugar a una célula grande, que es el óvulo y a un segundo corpúsculo polar. El primer corpúsculo polar origina otros dos.

Todos los corpúsculos polares abortan y no son útiles como gametos femeninos. Por tanto, a diferencia de lo que ocurre con la espermatogénesis, en la ovogénesis a partir de un ovocito de primer orden sólo se forma un óvulo, y no cuatro. En la ovogénesis no existe una fase equivalente a la espermiogénesis, pues el óvulo no necesita sufrir cambios para adquirir un aspecto diferente.

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3.- GENÉTICA MENDELIANA : A.- Introducción : Es del conocimiento general que todos los seres vivos se parecen a sus progenitores por una serie de rasgos morfológicos, fisiológicos e incluso psíquicos. Esto demuestra que cada individuo recibe de sus padres ciertos caracteres que, a su vez, transmitirá a su descendencia.

La Genética es aquella parte de la Biología que se ocupa del estudio de la herencia biológica e intenta explicar los mecanismos y circunstancias que rigen la transmisión de caracteres de generación en generación. B.- Los experimentos de Mendel: Aunque la transmisión de los caracteres hereditarios ha sido un problema planteado por el hombre desde hace mucho tiempo, realmente hasta 1865, debido a Gregorio Mendel, no se inicia un estudio profundo de esta cuestión. Mendel era un monje de la abadía checa de Brünn, que se dedicó a realizar cruzamientos entre plantas con el fin de obtener nuevas variedades que tuvieran mejores propiedades para el consumo humano. Usó variedades de la planta del guisante (Pisum sativum) que diferían en 7 características, entre las que destacan la forma y el color de la semilla, la forma de la vaina, la posición de las flores, el color de la vaina inmadura... Una vez escogidas las variedades con características fácilmente observables, estudió por separado la transmisión de cada una de ellas. Controló la polinización cortando las anteras para realizar cruzamientos recíprocos en los que empleaba polen de una variedad para fecundar otra, y viceversa. Realizó gran nº de fecundaciones, para evitar que el azar modificara los resultados, y observó si había regularidades o reglas en la transmisión de las características de una generación a la siguiente. Si dichas reglas existían (esa era su hipótesis), y se podían expresar mediante relaciones numéricas, se podría llegar a predecir con precisión los resultados de diferentes cruzamientos.

C.- Las Leyes de la Herencia. El modelo Mendeliano: Mediante una experimentación rigurosa y un método de análisis estadístico llegó a unas conclusiones que no llegaron a ser apreciados hasta comienzos del S. XX, cuando De Vries, Correns y Tschermak reformulan, cada uno por su parte, las conclusiones de Mendel. Hay que resaltar que gran parte de los conceptos que se utilizan para explicar el modelo mendeliano no fueron enunciados por el propio Mendel, aunque nosotros los vamos a usar en nuestra explicación. a.- Primera ley de Mendel: Ley de la Uniformidad de la Primera generación filial: Si se cruzan dos individuos de la misma especie pertenecientes a dos variedades o razas puras para un carácter (homocigóticos) todos los híbridos de la 1ª generación filial son iguales para ese carácter. Para llegar a esta conclusión obtuvo primero obtuvo líneas puras por autofecundación (una p.e. de

guisantes amarillos (AA) y otra (aa) de guisantes verdes), y luego cruzó dos líneas puras con fenotipo diferente para ese carácter: Fecundó flores de una variedad con el polen de la otra. Observó que todos los descendientes eran iguales, para el carácter estudiado. En algunos casos eran fenotípicamente iguales a uno de los progenitores (herencia dominante), y en otros casos el carácter era intermedio entre los dos estudiados (herencia intermedia).

He- ren- cia dominan- te

He- ren- cia in- ter- me- dia

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b.- Segunda Ley de Mendel: Ley de la segregación: Los genes alelos se comportan como unidades independientes, segregándose (o separándose) en el momento de la formación de los gametos. Para llegar a esta conclusión, una vez obtenida la primera generación filial (F1), Mendel plantó los híbridos y dejó que se autofecundaran de forma natural, para obtener la F2. Al analizar los resultados, observó, en primer lugar, que la descendencia no era uniforme, y que la variante del carácter que no aparecía en la primera generación (el recesivo parental), reaparecía en la segunda.; en segundo lugar, los valores experimentales se podían reducir a una relación numérica sencilla, a una proporción fija: un individuo recesivo (25%), que correspondía al homocigótico recesivo, por cada 3 (75%) que presentaban el carácter dominante (el homocigótico dominante y los dos heterocigóticos). En el caso de que la herencia sea intermedia, existen tres fenotipos distintos, siendo la proporción de 1:2:1: Los 1 corresponden a las formas homocigóticas y el 2 a las heterocigóticas.

c.- Tercera Ley de Mendel: Ley de la transmisión independiente de los caracteres: Si se consideran dos caracteres simultáneamente, los genes que determinan un carácter se heredan independientemente de los que determinan el otro.

Las líneas puras serán, en este caso, una planta con guisantes amarillos y lisos (AA LL) y una con guisantes verdes y rugosos (aa ll).

Sabiendo que el color amarillo está determinado por un gen dominante (A) respecto de su alelo recesivo para el color verde (a), y que la textura lisa está determinada por un gen dominante (L) respecto de su alelo recesivo para la textura rugosa (l), según la 1ª ley, todos los dihíbridos (híbridos o heterocigóticos para los dos caracteres) de la F1 serán amarillos y lisos (Aa Ll).

La F2 presentará diversos fenotipos posibles con proporciones determinadas:

9 amarillo, liso (A..... B .....) 3 amarillo, rugoso (A...... bb) 3 verde, liso (aa B.......) 1 verde, rugoso (aa bb)

He- ren- cia dominan- te

He- ren- cia in- ter- me- dia

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D.- Variaciones del modelo mendeliano:

La herencia de muchos caracteres es muy compleja y no es posible explicarla con la aplicación directa del principio: un gen un carácter. Existen, por tanto, numerosas excepciones a las leyes de Mendel, aunque la base Mendeliana sea necesaria para explicar muchos mecanismos de interacción génica. Al conjunto de variaciones del modelo mendeliano, pero que se basan en él, se le suele denominar “mendelismo complejo”. Vamos a estudiar a continuación algunas de estas variaciones posibles.

a.- Epistasia: Consiste en el enmascaramiento (supresión del fenotipo correspondiente a un gen (llamado hipostático), por el fenotipo de otro, no alelo del primero (llamado epistático). Supongamos el caso de una planta cuya dotación genética contiene un gen que determina la ausencia de pétalos. Otro gen intervendrá en las características del color, pero, cuando no hay pétalos, no se podrá observar el fenotipo que produce. P.e., el gen que determina el color rojo (R) es dominante, y su alelo recesivo (r) produce color blanco. Un gen (P) dominante determina la ausencia de pétalos y el correspondiente recesivo (p) es el que produce un fenotipo normal, o sea, con pétalos en las flores. La proporción fenotípica resultante será 12:3:1, resultado que altera las proporciones que se predicen por la 3ª Ley de Mendel (9:3.3.1).

b.- Alelismo múltiple: Hasta ahora hemos considerado que, para un determinado gen, existen tan sólo dos alelos. Sin embargo, aunque en una misma célula diploide sólo existen una o dos formas alélicas, en el conjunto de la población de una especie pueden existir numerosos alelos que determinan un carácter, y con una misma localización posible en un cromosoma concreto. Si en las poblaciones de una especie existen más de dos variantes alélicas o para un determinado locus, a este conjunto de alelos se le denomina serie alélica, y el fenómeno es conocido como alelismo múltiple. Las relaciones de dominancia entre los alelos pueden ser cualquiera de las descritas (dominancia, codominancia...) Un ejemplo conocido de multialelismo lo constituye el sistema que determina los grupos sanguíneos en la especie humana. (AB0). Este sistema está determinado por una serie alélica de tres genes: A, B y 0. Los genes A y B son codominantes, y el 0 es recesivo ( A = B > 0).

c.- Genes letales: En algunas ocasiones, las proporciones mendelianas se alteran sin que se pueda encontrar otra explicación que la desaparición de determinados fenotipos. Se considera gen letal propiamente dicho aquel cuya presencia en el genotipo provoca la muerte del individuo antes de la madurez sexual, o sea, antes de la posibilidad de reproducción y consiguiente transmisión genética. Los genes que producen defectos importantes que limitan el desarrollo normal, o la capacidad de reproducirse, sin que se llegue a la muerte se llaman genes deletéreos. Aunque existen genes letales dominantes, cuya sola presencia supone la muerte del portador y su consiguiente eliminación selectiva, desde el punto de vista genético tienen más importancia los letales recesivos.

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d.- Herencia ligada al sexo: a’.- Herencia del sexo: En la mayoría de las

especies, los genes de determinación sexual se localizan en unos cromosomas especiales, llamados cromosomas sexuales o heterocromosomas. Al resto de los cromosomas se les denomina Autosomas o cromosomas autosómicos. Una pareja de cromosomas sexuales determinará el sexo. Si uno de ellos se encuentra en doble dosis (XX, p.e.), uno de los sexos, que en unas especies será el macho (aves y reptiles) y en otras la hembra (hombre), será el sexo homogamético, ya que producirá todos sus gametos con este cromosoma. El otro sexo (XY) será el heterogamético y producirá unos gametos con el cromosoma X y otros con el Y. Aunque este tipo de determinación cromosómica del sexo es muy frecuente, no es la única. Así, p.e., en los saltamontes, la hembra presenta dos cromosomas iguales (XX) y el macho un solo cromosoma.

b’.- Herencia ligada al sexo: Los cromosomas sexuales tienen numerosos genes que afectan a caracteres que no son caracteres sexuales. A los genes situados en los cromosomas sexuales se les denominan genes ligados al sexo y a su herencia, herencia ligada al sexo. En la especie humana, la hembra posee dos cromosomas X, que son homólogos. En el varón, solamente un pequeño fragmento del Y tiene su correspondiente homología con una parte del X. Podemos distinguir un segmento homólogo y un segmento diferencial encada heterocromosoma. El cromosoma Y tiene pocos genes en su segmento diferencial; son generalmente de virilidad, que afectan a caracteres sexuales en el varón. El X, sin embargo, es un cromosoma genéticamente muy activo e importante. Contiene en su segmento diferencial numerosos genes (más de 120) que determinan caracteres que no son sexuales, tanto en la mujer como en el varón. Esta circunstancia afectará a la herencia. Los genes situados en el segmento diferencial de los cromosomas X o Y son genes ligados al sexo, ya que no pueden recombinarse durante la meiosis, al no presentar segmentos homólogos. Estos genes representan una variación del modelo mendeliano, y aportaron la pista definitiva para demostrar la teoría cromosómica de la herencia. Una característica de los genes ligados al sexo es que se manifiestan en todos los hombres; sin embargo, en las mujeres, los genes recesivos únicamente se pondrán de manifiesto cuando los dos cromosomas X los posean. Entre los genes ligados al sexo mejor estudiados en el hombre tenemos a los responsables de la hemofilia y el del daltonismo; ambos son genes recesivos situados en la región diferencial del cromosoma X.

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4.- BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA : A.- El ADN como material hereditario: a.- Concepto de gen: El concepto de gen ha variado a lo largo de la historia, a medida que han

ido aumentando los conocimientos sobre su funcionamiento. En sentido amplio, un gen es un fragmento de ADN que contiene una información cuya expresión determina algún aspecto del funcionamiento del organismo.

Inicialmente, el término gen se aplicó a los “factores hereditarios” estudiados por Mendel, y por tanto es una unidad de información hereditaria, cuya expresión determina una característica observable en el individuo. Posteriormente (S. XX) se los situó en el cromosoma. En los años 40, se consideró que el gen es una región del genoma que dirige la síntesis de una sola enzima (principio de “un gen – una enzima”). En los años 60, debido a que la proteína codificada no tiene que ser obligatoriamente una enzima y, además, a que una enzima puede estar constituida por varias cadenas polipeptídicas, cada una determinada por un fragmento de ADN, el gen se definió como “Una porción de ADN que codifica a una sola cadena polipeptídica”.

Desde finales de los 70 se sabe que la información contenida en el ADN de eucariotas no llega a expresarse completamente en forma de proteína, pues esa información está fragmentada; así, el gen se pasó a considerar como un conjunto de secuencias de ADN, entre las que se distinguen:

• Secuencia codificadora, que se traduce en proteínas. No es continua en el ADN, sino que está dividida en fragmentos (exones) separados por secuencias no codificadoras (intrones).

• Secuencias no transcritas, como el promotor, donde se une la ARN polimerasa. • Secuencias amplificadoras o inhibidoras, situadas lejos del gen, y que regulan la expresión de uno

o varios genes. Por último, a causa de la maduración del ARNm, algunas secuencias de ADN pueden originar más de una proteína, con distintas funciones biológicas.

Así, actualmente se considera como gen a cualquier secuencia de ADN que se transcribe como una unidad de ARN, incluyendo así a todo tipo de ARN y a la posibilidad de que un mismo ARNm sirva para sintetizar varias proteínas relacionadas en lugar de una sola.

El conjunto de todos los genes de un individuo constituye su genoma. b.- Flujo de la información genética: Las funciones de los genes son la conservación y

almacenamiento, la transmisión y la expresión y regulación de la información genética. La conservación y almacenamiento requieren una molécula estable, como el ADN, y

mecanismos que eviten su alteración, aunque, como veremos más adelante, los cambios genéticos son indispensables para la evolución.

La transmisión se produce durante la reproducción y el crecimiento del individuo, y para que tenga lugar se deben realizar copias de la información genética. El proceso de copia de ADN se denomina Replicación.

La expresión génica requiere un flujo de informa-ción a través de intermediarios y culmina con la síntesis de las cadenas polipeptídicas que forman las proteínas. Para ello se copia una parte de ADN en forma de ARNm, proceso conocido como Transcripción. Esa molécula de ADN contiene la información necesaria para sintetizar una cadena polipeptídica en los ribosomas, proceso denominado Traducción. Esta traducción de una información almacenada en un lenguaje de nucleótidos a otra expresada en un lenguaje de aminoácidos se resuelve gracias al “diccionario” llamado código genético.

Por último, parece lógico que las células no puedan expresar constantemente todos los genes que forman su genoma. Serán necesarios mecanismos que controlen la expresión genómica, tanto en cantidad como en el tiempo y en el espacio.

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c.- Replicación del ADN: a’.- Introducción: La base de la reproducción celular reside en la capacidad del ADN para duplicarse o replicarse, proceso que tiene lugar, tal como ya hemos visto, en la fase S de la interfase.

El mecanismo general de la replicación fue intuido por Watson y Crick cuando establecieron la estructura de doble hélice y la complementaridad de bases. Pero no fue demostrado hasta 1957 por Meselson y Stahl. Hasta ese año se barajaron tres posibles mecanismos: • Modelo de replicación conservativo: Una doble hélice

conserva las dos cadenas originales y la otra está formada por las dos de nueva síntesis.

• Modelo de replicación dispersivo: Cada una de las cadenas hijas contiene fragmentos de la cadena original y fragmentos de nueva síntesis.

• Modelo de replicación semiconservativo: Fue el propuesto porWatson y Crick, y el que se ha demostrado que es el correcto. La doble hélice de ADN se abre y las dos cadenas de nucleótidos se separan; a partir de cada una de las dos cadenas se forma una nueva, que es complementaria de la que ha servido como patrón. De esta manera, cada doble hélice conserva una cadena de las dos originales y sintetiza una nueva.

La precisión necesaria en la replicación del ADN implica un mecanismo complejo para asegurar la obtención de copias idénticas. Originalmente el proceso fue estudiado en células procariotas, y más tarde se comprobó que el mecanismo era similar en las eucariotas, aunque con algunas modificaciones. Las normas generales que se siguen en la duplicación del ADN son las siguientes:

• Es semiconservativa. • Es bidireccional: A partir de un punto dado del cromosoma, la replicación progresa en dos

direcciones. • En virus y bacterias hay un único punto de inicio de la replicación, mientras que en eucariotas hay

varios. • La replicación avanza por adición de mononucleótidos en el sentido 5’→ 3’. • Es semidiscontinua: En una de las hebras (hebra conductora) se sintetizan fragmentos bastantes

grandes de forma continua, mientras que en la otra (hebra retardada) la síntesis es discontinua, es decir, se van incorporando nucleótidos que dan lugar a fragmentos pequeños que se disponen de forma separada.

• La iniciación de la síntesis de cada fragmento requiere un extremo hidroxilo libre que es proporcionado por un ARN cebador.

• Como sustrato se utilizan desoxirribonucleótidos 5’-trifosfato (dNTP), que se van adicionando al desoxirribonucleótido 5’-monofosfato (dNMP) o ADN ya sintetizado, con lo que en la reacción se libera pirofosfato (PPi), y esto permite el aporte de energía necesario para la síntesis de ADN

(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi

ADN ADN prolongado b’.- Enzimas: Al igual que ocurre en otras reacciones químicas celulares, la replicación del

ADN necesita un conjunto de enzimas específicas, cada una de las cuales cataliza una etapa concreta del proceso, y que se resumen en el siguiente cuadro:

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Enzima Actividad

Helicasas Ruptura de puentes de hidrógeno y separación de las 2 hebras de ADN

Topoisomerasas Desenrollamiento y liberación de tensiones en el ADN Proteínas SSB Mantienen separadas las dos hebras monocatenarias Primasas Síntesis del ARN cebador usando como molde una hebra de ADN

Endonucleasas Detectan errores y rompen los enlaces fosfodiéster para cortar la cadena anómala

Exonucleasa

Reparan lesiones del ADN

Eliminan el fragmento incorrecto

Ligasas Unen fragmentos de ADN adyacentes mediante enlaces fosfodiéster

ADN-polimerasas I

Exonucleasa 3’→5’: Repara errores en la síntesis del ADN Exonucleasa 5’→3’: Escinde el ARN cebador Polimerasa 5’→3’: Rellena el hueco al eliminar el ARN cebador

ADN-polimerasas II Exonucleasa 3’→5’ : Repara pequeñas roturas en una hebra de ADN Polimerasa 5’→3’

ADN polimerasas en procariotas

ADN polimerasas III Exonucleasa 3’→5’: Repara errores en la síntesis de ADN Exonucleasa 5’→3’ Polimerasa 5’→3’: Polimerización del ADN con alta procesividad

ADN polimerasas α y δ Síntesis de las cadenas conductora y retardada

ADN polimerasas β y ε

Retira los ARN cebadores y rellana sus huecos con ADN Repara ADN

ADN polimerasas en eucariotas ADN polimerasas γ Replicación mitocondrial

Las enzimas que tienen actividad polimerasa tienen como función unir entre sí los nucleótidos

que formarán el ADN, mediante la reacción de polimerización antes vista. Las que la poseen exonucleasa, eliminan nucleótidos, cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas y fragmentos de ARN.

c’.- Fases: Hoy día, basándose sobre todo en experimentos realizados con la bacteria Escherichia coli, se ha desentrañado, en gran parte, la secuencia de reacciones que conducen a la replicación del ADN. Este proceso se divide en dos etapas: iniciación y elongación. Durante la última se lleva también a cabo la corrección de errores que se hayan podido producir.

a’’.- Fase de iniciación: Consiste, básicamente en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice. Se inicia en una región del ADN llamada origen o punto de iniciación, y en ella abundan las secuencias de bases GATC. Durante la iniciación se producen varios acontecimientos: • En primer lugar intervienen la enzima helicasa que separa las dos hebras

de ADN al romper los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias.

• La separación y desespiralización de las dos hebras generan tensiones en ellas que son eliminadas por la intervención de las topoisomerasas, que cortan una de las dos hebras (topoisomerasa I) o las dos (topoisomerasa II o girasa), soldando de nuevo la hélice de ADN en estos puntos.

• Una vez separadas, las dos hebras se mantienen así por acción de las proteínas SSB, que dejan, sin embargo, libre la parte de la hebra que lleva las bases, de modo que éstas sean accesibles para otras moléculas.

• En el lugar de origen de la replicación se ha formado una “burbuja de replicación”, en la que hay dos zonas, con forma de Y, denominadas “horquillas de replicación”, donde se va a sintetizar el ADN. La burbuja se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos, por lo que la replicación es bidireccional.

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b’’.- Fase de elongación: A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las originales. Se produce gracias a la ADN polimerasa III. Como ella no puede comenzar la síntesis por sí misma, es necesario que primero se sintetice una cadena corta de ARN (de 40 ó 50 nucleótidos), denominado ARN cebador, sintetizado por la enzima primasa que, utilizando ADN como molde, sintetiza ARN complementario de éste. Una vez que ya hay un extremo 3’ libre en una cadena polinucleotídica previa, la ADN polimerasa, tomando como molde una hebra de ADN, que recorre en sentido 3’ → 5’, va sintetizando la hebra complementaria (que como será antiparalela se crea en sentido 5’ → 3’), al ir uniendo los nucleótidos que se van situando, siguiendo la ley de la complementaridad, frente a sus complementarios de la hebra molde.

Dado que la ADN polimerasa III recorre el ADN molde en sentido 3’ → 5’, la síntesis de una hebra es continua, ya que a medida que se abre la doble hélice, la enzima va avanzando y añadiendo nuevos nucleótidos a la cadena en formación (hebra conductora). Sin embargo, como la otra cadena es complementaria, la ADN polimerasa debería recorrerla en sentido 5’ → 3’, añadiendo los nucleótidos a la hebra en formación en sentido 3’ → 5’, lo que no es posible. La síntesis, en este caso, es discontinua, y se produce en segmentos separados. Esta cadena se denomina hebra retardada, pues su síntesis es más lenta que la de la hebra conductora. Los segmentos de ADN sintetizados de este modo se conocen como fragmentos de Okazaki, y constan de 1.000 a 2.000 nucleótidos. Cada fragmento necesita una ARN cebador para iniciar la síntesis de una secuencia de nucleótidos.

Posteriormente, los ARN cebadores son eliminados por acción de la ADN polimerasa I, (con actividad exonucleasa que le permite romper enlaces fosfodiéster), y el hueco dejado por el ARN cebador es rellenado por la acción de la misma enzima, que tiene también actividad polimerasa. Por último, los fragmentos de Okazaki se unen por la acción de las enzimas ligasas.

Una vez replicada toda la longitud del ADN, cada hebra recién sintetizada, y la que le ha servido de patrón se disponen enrolladas, originando una doble hélice.

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c’’.- Corrección de errores: El ADN es la única molécula capaz de efectuar una reparación

de sí misma. La replicación no concluye hasta que se comprueba que la copia de la secuencia nucleotídica es correcta, para lo cual hay que detectar y corregir los errores producidos.

Aunque la ADN polimerasa, en principio, no une los nucleótidos que no sean complementarios de los correspondientes nucleótidos de la hebra molde, si se produce un error, éste es detectado por enzimas endonucleasas, que cortan la cadena anómala y el fragmento incorrecto es eliminado por exonucleasas o por la ADN polimerasa I, la misma que a continuación sintetiza la parte correspondiente del fragmento eliminado, que se une al resto de la cadena por acción de las ligasas.

Tras la corrección, el nº de errores desciende hasta un 1 por cada 1010 bases incorporadas, aunque la fidelidad de la replicación no es absoluta, lo que constituye una fuente de variabilidad genética, imprescindible para el desarrollo de los procesos evolutivos, siempre que los errores no supongan la inviabilidad de la célula.

d’’.- Replicación en eucariotas: Es muy parecida a la de los procariotas, salvo diferencias derivadas, en parte, de la mayor complejidad del material genético de los eucariotas. Las principales diferencias son: • Dado que las moléculas de ADN son muy largas, la

replicación se inicia de manera simultánea en varios puntos de cada cromosoma, denominado replicones. Se forman simultáneamente varias horquillas que avanzan, hasta unirse lateralmente.

• Existen 5 tipos de ADN polimerasas (α, β, γ, δ y ε), que se reparten todas las tareas de elongación y corrección de errores. La γ interviene en la replicación del ADN mitocondrial.

• En los cromosomas de los eucariotas, el ADN se encuentra asociado a histonas, que durante la replicación se duplican. Las histonas, junto con el ADN forman un nucleosoma.

• El proceso de replicación del ADN se completa normalmente hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero. Cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco, al ser incapaz de sintetizar en dirección 3’ → 5’. Por ello el telómero se va acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno que se asocia a los procesos de envejecimiento y muerte celular. En las células madres de los gametos, las células cancerosas y las de los tejidos embrionarios existe un enzima, la telomerasa, formada por una porción proteica y un ARN que actúa como molde y que impide el acortamiento del telómero. A partir del molde, la enzima sintetiza ADN para completar la hebra retardada. Esto es posible porque el telómero está formado por una secuencia que se repite un gran nº de veces. Así la enzima sólo necesita contener esta secuencia. La inhibición de la telomerasa de células cancerígenas, con lo que dichas células perderían su carácter inmortal, es una de las líneas de investigación actuales en la lucha contra esta enfermedad.

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e.- Transcripción: a’.- Introducción: El proceso de transcripción consiste en la síntesis de los distintos tipos de ARN a partir de una de las dos cadenas de ADN. De forma elemental, podemos decir que el mecanismo de síntesis es parecido al de la duplicación de ADN, aunque existen algunas diferencias fundamentales entre transcripción y replicación entre las que se pueden destacar: • La transcripción es selectiva, es decir, sólo se transcriben algunas regiones del ADN. • En la transcripción se copia una sola hebra de ADN, la hebra molde, aunque no todas las

secuencias codificadoras se encuentran en la misma cadena del ADN. Hay genes que se transcriben de una hebra y otros, en otras regiones del ADN, que lo hacen de la contraria.

• El ARN se forma al irse uniendo ribonucleótidos; frente a una adenina del ADN se ha de incorporar un ribonucleótido de uracilo, en lugar de timina.

• La transcripción es reiterativa, es decir, un mismo fragmento de ADN puede transcribirse muchas veces, dando múltiples copias del mismo ARN, mientras que la replicación sólo ocurre una vez antes de cada división celular.

El proceso requiere también la participación de un complejo sistema de factores proteicos y enzimas, entre las que destaca la ARN polimerasa, que cataliza la adición de ribonucleótidos-trifosfatos en dirección 5’ → 3’. En los procariotas sólo existe una, mientras que en eucariontes existen 3, llamadas ARN-polimerasas I, II y III. La I interviene en la formación del ARNr, la II en la de los ARNm y la III en la del ARNt y de un ARNr de pequeño tamaño.

La transcripción es imprescindible como paso previo para la síntesis proteica, por lo que también resulta fundamental en la regulación de la expresión génica, pues si se inhibe se dejarán de producir las proteínas correspondientes.

b’.- La Transcripción en procariotas: La transcripción consta de 3 etapas:

a’’.- Iniciación : Comienza cuando la ARN-polimerasa reconoce en el ADN que se va a transcribir una señal que indica el inicio del proceso. Tales señales, denominadas centros promotores, son unas determinadas secuencias cortas de bases nitrogenadas, a las que se une la ARN-polimerasa. Esta enzima hace que la doble hélice se abra para permitir que quede expuesta la secuencia de bases del ADN y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir.

b’’.- Elongación: Consiste en la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN –polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN “leyéndola” en sentido 3’ → 5’, mientras que el sentido de la síntesis del ARN es 5’ → 3’. La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria con la cadena de ADN que actúa como molde y lo une, mediante un enlace fosfodiéster, al siguiente nucleótido, desprendiéndose el grupo pirofosfato (PPi). La enzima sigue abriendo la doble hélice, mientras que ésta va cerrándose por detrás, obligando a que la cadena de ARN se vaya separando de la de ADN patrón, a la que se mantenía transitoriamente unida por puentes de hidrógeno.

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c’’.- Terminación: La ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación,

que indican el final de la transcripción. Esto implica el cierre de la burbuja formada en el ADN y la separación del la ARN-polimerasa del ARN transcrito. La señal de terminación es una secuencia de bases palindrómica (secuencias que tienen la misma lectura de izquierda a derecha y de derecha a izquierda) formada por G y C seguidas de varias T, que origina al final del ARN un bucle. Éste favorece su separación del ADN, que vuelve a cerrarse. El bucle se forma por autocomplementaridad de las bases G y C situadas en la cola del ARN.

c’.- La Transcripción en eucariotas: a’’.- Diferencias con procariotas: El mecanismo básico es semejante al descrito, pero con algunas diferencias importantes: • Existen tres ARN-polimerasas. La I se encarga de transcribir los genes de la mayoría de los

ARNr. La II transcribe los genes que codifican proteínas, es decir, sintetiza ARNm; la III transcribe los genes del ARNt y de un ARNr (el 5s).

• En los procariotas es muy frecuente que una sola molécula de ARNm lleve información para la síntesis de varias proteínas. En eucariotas cada ARNm lleva información para una sola proteína.

• Durante la transcripción de segmentos para formar ARNr y ARNt hay que proceder al desmontaje de los nucleosomas, pues la presencia de las histonas supone un obstáculo para la acción de las ARN-polimerasas. Sin embargo, cuando la transcripción es a ARNm los nucleosomas no se alteran, por lo que la polimerasa II avanza más lentamente.

• Los productos resultantes de la transcripción sufren unos procesos postranscripcionales llamados de “maduración” antes de salir del citoplasma en forma de ARNt o ARNm.

• Centrándonos en el ARNm, otras diferencias con procariotas son: • El ADN eucariótico también posee centros promotores. El más frecuente es el llamado

compartimiento TATA, que se sitúa 25 nucleótidos antes del inicio de la transcripción. Este compartimiento es reconocido por los denominados Factores de transcripción (TF) que se unen a ellas, para facilitar, a continuación, la ubicación correcta de la ARN-polimerasa II sobre la cadena de ADN y el comienzo de la transcripción.

• Durante la elongación, al extremo 5’ del ARNm sintetizado se une un casquete o caperuza de metil-guanosina trifosfato, que protege este extremo del ataque de nucleasas cuando el ARNm sale del núcleo hacia los ribosomas citoplasmáticos.

• En la terminación, una enzima añade al extremo 3’ una larga cadena de nucleótidos de Adenina, que se conoce como “cola de poliA”, que quizás proteja también este extremo de la molécula frente a la degradación enzimática, y también es posible que intervenga en el paso del ARNm hacia el citoplasma.

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b’’.- Maduración: Consiste en una serie de transformaciones que sufre el ARN transcrito

primario hasta convertirse en ARNm. La mayor parte de los genes que codifican las proteínas están fragmentados. Los fragmentos, denominados intrones y exones se intercalan unos con otros.

Los intrones son secuencias de bases más o menos largas que se transcriben, pero que no se traducen, es decir, no codifican una secuencia de aminoácidos.

Los exones son las secuencias que se transcriben y se traducen, es decir, tienen información para formar una cadena polipeptídica.

La maduración consiste en la eliminación de los intrones y unión de los exones entre sí. Se produce mediante un mecanismo conocido como splicing (empalme). Requiere la presencia de una enzima, llamada ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). El proceso comienza cuando las secuencias intrónicas forman unos bucles que hacen que los extremos de los exones se acerquen, y continúa con el corte de los intrones y la unión de los exones, para formar un ARNm que ya puede salir del núcleo.

f.- Traducción: Síntesis de proteínas: a’.- Concepto: La traducción consiste, básicamente, en la unión de los aminoácidos mediante enlaces peptídicos, según una secuencia que corresponde a la de nucleótidos en el ARNm. Tiene lugar en los ribosomas. La correspondencia entre esta secuencia de nucleótidos y la de aminoácidos de la proteína se establece en el código genético.

b’.- El código genético: Se conoce con este nombre la correspondencia que existe entre la secuencia de nucleótidos (bases) del ARNm y la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Es, por tanto, la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas.

En un ácido nucleico existen cuatro nucleótidos distintos, que se representan por sus bases. Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos. ¿Cuántas bases codificarán un aminoácido?

Si fuera 1 base por aminoácido, se cifrarían cuatro. Si fueran 2 bases por aminoácido, el resultado sería 42 = 16, insuficiente. Si 3 bases codificaran un aminoácido, existen 43 combinaciones posibles; sobran tríos para los 20 aminoácidos.

Experimentalmente se comprobó que realmente eran 3 bases las que constituían los tripletes de codificación. Se denominan Codones a cada triplete de bases del ARNm que codifica un aminoácido. Asimismo se descubrió que un mismo aminoácido puede estar codificado por varios tripletes, denominados “tripletes sinónimos”. Existen tripletes que codifican la terminación de la síntesis de la cadena.

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Algunas características del código genético que conviene destacar son: • Es altamente específico, pues cada codón codifica un solo aminoácido. • Es degenerado, porque varios codones codifican a un mismo aminoácido. Casi todos ellos tienen

en común las dos primeras bases, ofreciendo cierto margen de seguridad ante cambios de nucleótidos (mutaciones) que afecten a la tercera base, que darían tripletes distintos con el mismo significado.

• No presenta solapamiento ni discontinuidades, es decir, los tripletes se interpretan uno tras otro en dirección 5’ → 3’ y una base no puede pertenecer a dos tripletes consecutivos, ni puede quedar suelta sin pertenecer a ninguno.

• Es universal. Los mismos tripletes tienen el mismo significado en todas las células. La trascendencia de esta característica es múltiple: ofrece una prueba más de la unidad de la vida que deriva de un antepasado común; por otra parte, gracias a esta universalidad es posible introducir genes de una especie en otra y que dichos genes se expresen, con lo cual se consigue producir organismos transgénicos, base de la ingeniería genética.

c’.- Activación de los aminoácidos: Consiste en la unión de un aminoácido con el ARNt que le corresponde. Interviene la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, que da lugar a un complejo denominado aminoacil-ARNt. La reacción requiere energía, que es aportada por la molécula de ATP:

Aminoacil-ARNt-sintetasa ↓

Aminoácido + ATP Aminoacil-AMP + PPi

Aminoacil-AMP + ARNt Aminoacil-ARNt + AMP

La unión

del aminoácido y su ARNt se realiza entre el grupo carboxilo del aminoácido y el grupo –OH del extremo 3’ del ARNt.

Las aminoacil-ARNt-sintetasas son enzimas muy específicas, existiendo una para cada aminoácido.

d’.- Fases de la traducción: Excepto por algunas pequeñas diferencias, la síntesis proteica transcurre de igual forma en procariotas y en eucariotas. De forma general y elemental, puede decirse que la traducción consiste en que los ARNt unidos a sus aminoácidos van enfrentando sus anticodones a los complementarios de ARNm, que se encuentra unido a los ribosomas, y así los aminoácidos pueden ir enlazándose unos con otros por enlaces peptídicos en el orden que marca la sucesión de los tripletes del ARNm. El proceso se puede dividir en varias etapas:

a’’.- Iniciación : Para que se produzca es necesario la intervención de varios factores de iniciación (proteínas que se asocian al ribosoma y favorecen la unión de los distintos componentes). La síntesis se inicia cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm (por su extremo 5’) se unen en un punto localizado cerca del codón AUG, que es el codón iniciador y marca el inicio de la proteína. A continuación se asocia un aminoacil-ARNt cuyo anticodón es UAC (complementario del codón iniciador AUG), por lo que el primer aminoácido de una proteína va a ser siempre el mismo,

Aminoácido + ARNt + ATP Aminoacil-ARNt + AMP + PPi

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metionina (en procariotas un derivado de éste, denominado formilmetionina), aunque frecuentemente se separa una vez formada la proteína. Por último, se produce el acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma, consumiendo energía aportada por el GTP, que se hidroliza a GDP y Pi. Queda así formado el denominado complejo de iniciación.

La porción de ARNm cubierta por el ribosoma corresponde a 6 nucleótidos, es decir, a dos codones. Sobre el primero de ellos ya está situado el aminoacil-ARNt correspondiente, en el lugar denominado P (de peptidil, por ser el lugar donde se localiza el ARNt que lleva unida la cadena peptídica en formación). La zona donde se encuentra el segundo codón es el sitio A (de aminoacil, por ser el lugar en el que se acopla cada nuevo aminoacil-ARNt).

b’’.- Elongación: En esta etapa se sintetiza la cadena peptídica, por unión de sucesivos aminoácidos que se van situando en el ribosoma transportados por los correspondientes ARNt. También intervienen factores proteicos, denominados factores de elongación. Se distinguen 3 etapas que se repiten cíclicamente:

a’’’.- Unión del aminoacil-ARNt al sitio A: Para ello el anticodón del ARNt debe ser complementario del codón del ARNm que se encuentra allí. Es necesario un aporte de energía y la intervención de dos factores de elongación

b’’’.- Formación del enlace peptídico: Este enlace se produce entre el aminoácido que ocupa el sitio P y el que ha ocupado el sitio A. La reacción está catalizada por la peptidil-transferasa, localizada en la subunidad mayor del ribosoma. No se requiere energía.

Al unirse los dos aminoácidos el que ocupa el sitio P se desprende de su ARNt, el cual se libera del ribosoma. Se forma de esta manera un péptido que permanece unido al ARNt que ocupa el sitio A.

c’’’.- Translocación: El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en sentido 5’ → 3’. Así, el peptidil-ARNt ocupa el sitio P, quedando libre el sitio A, que es ocupado por un nuevo codón de ARNm, pudiéndose repetir de nuevo el ciclo de elongación. En la translocación intervienen factores de elongación y GTP, que suministra energía.

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c’’.- Terminación: Cuando llega al sitio A alguno de los codones de terminación (UAA, UGA y UAG), no se une ningún ARNt, pues no existe ninguno que posea los anticodones correspondientes. En su lugar se coloca un factor de liberación (FR1 o FR2), que permiten que la enzima peptidil-transferasa catalice la reacción de hidrólisis del péptido del ARNt al que está unido. En este proceso se utiliza energía que procede del GTP. La proteína ya formada, y que ha ido adquiriendo a medida que se sintetizaba su estructura secundaria y terciaria, abandona el ribosoma que, a su vez, se disocia en sus dos subunidades. El ARNm puede ser que se siga leyendo por otros ribosomas, en cuyo caso se formarán polisomas, o que se degrade.

e’.- La traducción en células eucariotas: Las principales diferencias con el proceso estudiado para procariotas son: • Entre el lugar de transcripción (núcleo celular) y el de traducción (ribosomas citoplasmáticos)

existe una separación (membrana nuclear • Los ARNm son más estables que los ARNm de los procariotas y, además, son monocistrónicos,

es decir, cada uno de ellos sólo lleva información para una proteína. Los ARNm procarióticos suelen ser policistrónicos y, por tanto, contienen muchos lugares de iniciación.

• El extremo 5’ de los ARNm tiene metil-guanosina para poder ser identificado por los ribosomas. • Los ribosomas tienen ARNr diferentes, con distintos coeficientes de sedimentación (80s en

células eucariotas y 70s en procariotas) • El primer ARNt no lleva unido formil-metionina, sino metionina. • Los factores de iniciación, elongación y terminación son diferentes a los de los procariotas.

B.- Alteraciones de la información genética: Mutaciones a.- Concepto de mutación: Las mutaciones son variaciones bruscas del material genético, que

pueden transmitirse a los descendientes. b.- Tipos de mutaciones: Se resumen en el siguiente cuadro

Por su origen Espontáneas o naturales Inducidas o artificiales

Por el tipo de células al que afectan Somáticas (no se transmiten a la descendencia) Germinales (se transmiten a la descendencia)

Por la viabilidad del mutante

Letales (producen la muerte) Patológicas (producen enfermedades) Teratológicas (producen malformaciones) Neutras o inocuas Beneficiosas

TI POS DE MU TA CIO NES

Por el nivel al que se producen Mutaciones Génicas (secuencia nucleotídica de un gen) Mutaciones Genómicas (nº de cromosomas) Mutaciones cromosómicas (estructura de los cromosomas)

c.- Causas de las mutaciones: Según su origen se dividen en espontáneas o inducidas: a’.- Mutaciones espontáneas: Se producen por errores en la

replicación de una de las hebras del ADN, lo que se conoce también como un error de lectura por la ADN-polimerasa. Estos errores pueden ser debidos a: • Oxidación: Se forman derivados de la guanina que se aparean con

la adenina, en vez de hacerlo con la citosina. • Despurinización: Pérdida de bases púricas (A, G) por ruptura del

enlace que se establece entre la desoxirribosa y la base. En la replicación posterior, este punto no especifica base, lo que provoca una posible mutación.

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• Desaminación: Una citosina se convierte en uracilo y se empareja con adenina. Posteriormente el ADN se repara, eliminándose el uracilo, que es sustituido por una timina, con lo que ya se ha producido la mutación. También por desaminación se sustituyen citosinas metiladas por timinas.

• Adiciones (inserción) o supresiones (deleción) de uno o varios nucleótidos. • Fallos en el apareamiento: Es la causa más común de mutaciones espontáneas, aunque, en

general, no son muy frecuentes (entre 10-8 y 10-10 por nucleótido y generación en procariotas y entre 10-7 y 10-9 en eucariotas). Traen como consecuencia la sustitución de una base por otra. Dicha sustitución puede ser de dos tipos: - Transición: cambio de una por otra del mismo tipo: púrica por púrica o pirimidínica por

pirimidínica. - Transversión: Supone el cambio de una base púrica por una pirimidínica o viceversa.

Al cambiar una base por otra puede ser que la mutación sea silenciosa, es decir, que el nuevo triplete codifique el mismo aminoácido que el triplete no mutado; que la mutación tenga un sentido erróneo, si el nuevo triplete codifica un aminoácido diferente; o que se produzca una mutación sin sentido, en aquellos casos en que el nuevo triplete indica el fin de la traducción.

b’.- Mutaciones inducidas: Se deben a agentes físicos, químicos o biológicos (denominados, en general, agentes mutágenos o mutagénicos) que producen cambios en el material genético.

a’’.- Mutágenos físicos: Aunque las subidas de temperatura intensas y rápidas pueden producir mutaciones, los agentes físicos mutagénicos por excelencia son las radiaciones, que se dividen en dos tipos:

a’’’.- Radiaciones ionizantes: Son radiaciones con longitud de onda muy corta y, por tanto, muy energéticas, que provocan la ionización de los átomos de las sustancias que atraviesan. Entre ellas se encuentran los rayos X y γ, así como las partículas α y β y los neutrones emitidos en los procesos radiactivos. Pueden producir roturas en una o en las dos cadenas de ADN, así como cambios químicos en el ADN, que se traducen en mutaciones puntuales, al romperse los enlaces nucleotídicos, o modificarse o perderse bases nitrogenadas.

b’’’.- Radiaciones no ionizantes: Son, fundamentalmente, los rayos ultravioletas (UV), que son radiaciones de menor longitud de onda. Provocan la formación de un enlace covalente entre dos bases pirimidínicas que se hallen contiguas, dando origen a dímeros de citosina o dímeros de timina, que bloquean la replicación.

b’’.- Mutágenos químicos: Numerosas sustancias tienen acción mutagénica. Entre ellas podemos destacar:

a’’’.- Ácido nitroso (HNO2): Produce la desaminación de bases nitrogenadas y así, p.e., transforma la citosina en uracilo y la adenina en hipoxantina (que se aparea con la citosina).

b’’’.- Agentes alquilantes: Actúan sobre las bases nitrogenadas, añadiendo grupos etilo o metilo, con lo que se altera la replicación del ADN. Los más utilizados en investigación son el gas mostaza y el etilmetanosulfonato (EMS).

c’’’.- Sustancias análogas a las bases nitrogenadas: Pueden sustituir a las bases nitrogenadas y producir transiciones. Así, p.e. el 5-bromouracilo puede incorporarse en lugar de la timina y la 2-aminopurina lo hace en lugar de una adenina, provocando errores en la replicación.

d’’’.- Sustancias intercalantes: Dos colorantes, la proflavina y el naranja de acridina, se pueden intercalar entre las bases nitrogenadas de una cadena de ADN, dando lugar a inserciones de un par de bases. El benzopireno, que se encuentra en el humo del tabaco y en los alquitranes, provoca mutaciones al intercalarse entre las dos cadenas del ADN y unirlas covalentemente, por lo que se bloquea la síntesis de ADN.

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Tipo de agente Agente mutágeno Efectos Radiaciones no ionizantes Luz UV Dímeros de timina Fí-

si- cos

Radiaciones ionizantes Rayos X Rayos γ Radiaciones α y β

Roturas en el ADN Modificación de bases Rotura de enlaces

Análogos a las bases 5-Bromo-Uracilo 2-Amino-purina

Sustituye a timina Sustituye a adenina

Compuestos que reaccionan con el ADN Ácido nitroso Desaminaciones

Agentes alquilantes Gas mostaza Etilmetanosulfonato

Transversiones

Quí- mi- cos

Sustancias intercalantes Acridina, Proflavina Benzopireno

Inserciones Unión covalente 2 cadenas de ADN

c’’.- Mutágenos biológicos: Algunos agentes biológicos aumentan la frecuencia de las

mutaciones génicas. Destacan entre ellos ciertos virus (retrovirus, adenovirus o el virus de la hepatitis B humana, entre otros) que pueden producir cambios en la expresión de algunos genes. Asimismo los Trasposones, segmentos móviles de ADN que pueden cambiar de posición, trasladándose a otro lugar del mismo o de otro cromosoma, pueden producir mutaciones, al causar una activación o inactivación génica no deseada si se insertan en los genes estructurales o en los reguladores.

d.- Consecuencias de las mutaciones: Puesto que los cambios en el material genético se traducen en cambios en las proteínas, las mutaciones pueden afectar a las posibilidades de supervivencia del organismo. Las hay que son perjudiciales para el organismo, llegando incluso a causar la muerte del mismo; otras son beneficiosas, pues aumentan su probabilidad de supervivencia; también pueden ser neutras, si no ocasionan beneficios, pero tampoco perjuicios significativos. En los seres unicelulares, las mutaciones afectan al organismo, se heredan e incrementan la variación en las poblaciones. En los pluricelulares, las mutaciones tienen consecuencias distintas si se producen en las células germinales o si afectan a las células somáticas. En el primer caso, los efectos son heredables; en el segundo no lo son, puesto que los cambios no afectan a las células reproductoras y, por tanto, no se transmiten a la descendencia. Estos hechos tienen importantes consecuencias biológicas. a’.- Mutaciones y evolución: Cualquier mutación constituye, en principio, un perjuicio para el individuo que la sufre, pues suele significar un cambio negativo para él en las condiciones ambientales del momento. Sin embargo, para la especie en conjunto puede suponer un beneficio a largo plazo, en tanto que es la fuente de variabilidad que se introduce en su patrimonio genético y, sobre esa variedad, actúa la selección natural, que permite que los individuos mejor adaptados sobrevivan en las condiciones ambientales cambiantes, se reproduzcan y transmitan la alteración generación tras generación. Así, las mutaciones beneficiosas suelen pasar inadvertidas en un primer momento, por lo que las ventajas evolutivas se manifiestan lentamente. No obstante, si el gen mutado proporciona algún beneficio a los individuos que lo llevan, irá sustituyendo paulatinamente al gen original en la población, ya que la proporción de los individuos portadores irá aumentando. La importancia de las mutaciones se pone de manifiesto en particular durante la adaptación de una población a un entorno nuevo, ya sea como consecuencia de importantes cambios medioambientales en el lugar donde vive, ya sea porque coloniza una nueva área geográfica. En estos casos, la presión selectiva aumenta extraordinariamente y favorece la supervivencia de aquellos individuos que portan las mutaciones adaptativas más favorables. No olvidemos que los genotipos de los individuos de una población son todos diferentes (acervo génico = conjunto de los genotipos de todos los individuos que componen una población), de manera que, en una población existe una gran variabilidad genética, aportada por las mutaciones, sobre la que actúa la selección natural. Hoy en día se sabe que la mayoría de las especies vegetales se han originado por alteración numérica de sus cromosomas (poliploidías, fundamentalmente), mientras que en el origen de las especies animales han influido más las alteraciones génicas, de manera que en el curso de la evolución las secuencias de nucleótidos se han ido sustituyendo unas a otras. Se considera que las mutaciones génicas

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se acumulan en las poblaciones de seres vivos a un ritmo casi constante, por lo que se puede establecer una relación directa entre las diferencias existentes en la secuencia de aminoácidos de las proteínas homólogas de distintas especies (hemoglobina, p.e.), fruto de los cambios en el ADN, y el tiempo transcurrido. El concepto de “reloj evolutivo molecular” permite calcular el momento en el que se produjo la separación evolutiva de dos especies a partir de la comparación de las proteínas similares de ambas. Este concepto adquiere gran importancia en estudios filogenéticos. Por esto, las mutaciones son el auténtico “motor de la evolución”, pues son la única forma de aparición de nuevos genes, aunque no es la única fuente de variabilidad. Así la recombinación génica incrementa el nº de gametos distintos, lo que produce mayores variaciones en el proceso de reproducción sexual (aparecen nuevos genotipos aunque no nuevos genes), y el flujo génico (desplazamiento de genes hacia dentro y hacia fuera de una población), que se produce porque los organismos se mueven de un lugar a otro y se entrecruzan con individuos de la población del lugar a donde llegan, puede cambiar las frecuencias génicas. Tampoco hay que olvidar la importancia del azar en todo el proceso evolutivo. Aún aceptándose la gran importancia de las mutaciones en la evolución, conviene aclarar que existen diferentes teorías evolucionistas, cada una de las cuales posee un punto de vista propio sobre el papel de las mutaciones en la evolución:

• Los neodarwinistas consideran que la mutación es una fuente de variación que proporciona beneficios o perjuicios, y que es la selección natural la que elimina las perjudiciales y favorece que las frecuencias de los genes beneficiosos se incrementen notablemente en la población, hasta producir un cambio en el tiempo que supone la consolidación de nuevas características.

• Los neutralistas mantienen que la mayoría de las mutaciones no suponen ni beneficio ni perjuicio. Según ellos, éstas determinan características neutras con respecto a la selección, y es el azar quien dirige en gran medida el proceso evolutivo.

• Los partidarios de la teoría de Los equilibrios interrumpidos (puntuados) consideran que existen mutaciones génicas, que proporcionan la posibilidad de adaptaciones, y grandes cambios (cromosómicos, p.e.) que explican la aparición de características propias de los grandes grupos taxonómicos (familias, clases...)

b’.- Efectos perjudiciales: Muchas enfermedades tienen su explicación en los cambios acaecidos en el ADN, en aquellos casos en que suponen una alteración de la normalidad del organismo, con los consiguientes efectos patológicos. Debemos distinguir entre aquellas mutaciones que se transmiten a la descendencia, y que darán lugar a las enfermedades hereditarias y aquellas que, por afectar tan sólo a células somáticas del individuo, le ocasionan alguna enfermedad, pero sólo a él, no a su descendencia, como sería el caso de la mayor parte de los tipos de cáncer. C.- Genética aplicada

a.- Enfermedades hereditarias: Concepto: Son aquellas debidas a mutaciones y que se transmiten a la descendencia. Se estima que de cada 100 nacidos vivos, uno presenta aberraciones cromosómicas demostrables por el examen microscópico y que uno de cada cuatro abortos espontáneos comprobados en las mujeres se debe a una causa genética. En la actualidad se conocen unas 3.000 enfermedades hereditarias. Unas 400 se manifiestan en un solo gen defectuoso y las restantes se deben a defectos de varios genes a la vez.

Pueden deberse a: • Alteraciones cromosómicas: Sobre todo por ausencia o exceso en uno o más cromosomas,

como el Síndrome de Down, debido a una trisomía del par 21, el síndrome de Klinefelter (XXY) o el de Turner (XO). Las monosomías son todas letales, excepto las que afectan a cromosomas sexuales.

• Mutación de un solo gen: Albinismo, Hemofilia (ligada al cromosoma X) o Fenilcetonuria. • Interacción de múltiples genes y por numerosos factores ambientales: La persona posee una

predisposición genética determinada por la combinación de varios genes, y desarrolla la enfermedad con determinadas condiciones ambientales, como sucede con la hipertensión arterial, la diabetes o el cáncer de colon.

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b.- Mejora genética de animales y plantas: Desde tiempos inmemoriales los seres humanos han tratado de mejorar el rendimiento de los cultivos y la producción de carne, leche o huevos, mediante diversos métodos de reproducción dirigida, con ejemplares que presentaban características singulares. La genética mendeliana permitió la realización de estas prácticas con un fundamento genético.

Por otra parte, el desarrollo de la Genética molecular, a partir de los años setenta, determinó el despegue definitivo de la Ingeniería Genética que abre grandes expectativas, pero también grandes interrogantes por sus posibles repercusiones éticas, sociales y económicas.

a’.- Procedimientos clásicos: Mejora genética vegetal y animal: Pretende conseguir plantas de cultivo y animales domésticos más adecuados para unas características ambientales determinadas y para el uso al que van a ser destinados. Esto significa: • Aumentar el rendimiento o producción de animales de granja y plantas de cultivo • Mejorar la calidad de los productos obtenidos • Aumentar su resistencia ante plagas y enfermedades • Lograr su adaptación a otros ambientes y extender su área de producción. Tradicionalmente se ha utilizado la Selección artificial como método para lograr estos objetivos. Se escoge a los individuos con las características deseadas y se utilizan como progenitores de la siguiente generación. No obstante, si el carácter que se quiere seleccionar está muy influido por el ambiente, la selección basada únicamente en el fenotipo puede no dar los resultados esperados. De ahí que desde que se empezaron a aplicar las bases teóricas de la genética a la mejora de animales y plantas las expectativas se ampliaran considerablemente. Los resultados han sido más espectaculares en la mejora vegetal que en la animal, debido a los problemas asociados a la cría de animales (nº limitado de descendientes, lento crecimiento, imposibilidad de autofecundación, costosa manipulación...) La aplicación de técnicas más modernas como la congelación de semen, inseminación artificial, congelaciones de embriones o la fecundación in vitro, ha logrado paliar estos problemas. Las especies mejoradas por estos procedimientos son muchas. P.e. el maíz, del que existen numerosas variedades híbridas resistentes a distintas condiciones ambientales, y que producen mazorcas de gran tamaño; la col rizada, coliflor, repollo, brócoli, col de Bruselas y colinabo son todos variedades cultivadas de una misma especie (Brassica oleracea) y los pollos son casi todos híbridos. Las principales técnicas utilizadas son: • Hibridación y posterior reorganización génica: La hibridación es un método que resulta de la

aplicación directa de la genética mendeliana. Se seleccionan dos razas puras (homocigóticas) con los caracteres ventajosos que se desean encontrar juntos en un mismo individuo. Se hibridan, y se permite la autofecundación de la F1. Entre la gran variedad de descendientes, algunos presentarán juntos los caracteres ventajosos. Varias generaciones de autofecundación producirán homocigotos para los genes de interés.

• Inducción de mutaciones: El método anterior utiliza la variabilidad natural para lograr combinaciones más ventajosas. Sin embargo, se puede recurrir al uso de agentes mutagénicos para obtener mayor variedad. Se usa sobre todo en mejora vegetal, y consiste en irradiar los granos de polen o las semillas. Las mutaciones dominantes aparecen en la primera generación, y las recesivas tras sucesivas generaciones de autofecundación.

• Obtención artificial de poliploides (3n o 4n): La poliploidía de los vegetales puede provocarse en el laboratorio mediante la utilización de colchicina, sustancia que impide la formación del huso acromático en la división celular. Con la producción de poliploides se pretende fundamentalmente el aumento de tamaño, y con él, un mayor aprovechamiento económico. Con este método se obtienen Autopoliploides, que tienen repetido varias veces el nº de dotaciones cromosomas, y Alopoliploides, que son híbridos interespecíficos de dos especies próximas, en los que la poliploidía provocada permite evitar la esterilidad. Un ejemplo es el híbrido de col y rábano, todo un éxito como experimento genético, pero un fracaso total como experimento comercial (tenía la hoja del rábano y la raíz de la col).

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b’.- Ingeniería genética: Se denomina así la Ciencia que se ocupa de la manipulación del

genoma de un ser vivo. Sus métodos de trabajo también se conocen como “Técnicas del ADN recombinante” y serán estudiadas en el tema siguiente (apartado de Biotecnología).

Los organismos obtenidos por estos métodos, es decir, a los que se ha introducido ADN clonado (recombinante) y que lo han incorporado a su genoma de forma estable, se les denomina Organismos transgénicos (OT) u Organismos genéticamente modificados (OGM).

a’’.- La ingeniería genética en la agricultura: La tecnología del ADN recombinante ofrece amplias expectativas en este campo. Se puede cultivar “in vitro” tejidos vegetales, transformar sus células con ADN (libre o insertando en ellas ADN foráneo por medio de un plásmido), seleccionar clones de células genéticamente modificadas que expresen el gen/es introducido/s, y posteriormente, mediante tratamientos adecuados, inducir estos cultivos celulares a que produzcan plantas completas, que posean nuevas propiedades y que puedan propagarse vegetativamente o por semillas.

La aplicación de este tipo de técnicas en la agricultura tiene como objetivos: • Conseguir plantas resistentes a herbicidas: Modificar la susceptibilidad de las plantas a este tipo

de productos que en muchos casos actúan inhibiendo alguna de las enzimas clave de la planta o una proteína necesaria para el crecimiento.

• Conseguir plantas resistentes a los insectos: Se han introducido en las plantas nuevos medios de resistencia a los insectos, con la finalidad de controlar plagas, p.e. introduciendo genes que codifiquen proteínas tóxicas para las larvas de los insectos.

• Protección de las plantas frente a las infecciones microbianas y víricas: P.e. se ha descubierto que plantas transgénicas que expresan el gen de la cubierta de proteína de un virus se hacen resistentes a la infección por ese virus.

• Mejora del producto: Se pueden obtener cepas mutantes de plantas con características deseadas, como un retraso en el deterioro de los frutos que producen, lo que permite recolectarlos en un estado de maduración más avanzado, resistencia al frío, a la sequía, al hielo.... Existen ya variedades de soja y colza transgénica que producen aceites modificados, con mejores características que las de las plantas normales.

• Obtención de productos con aplicaciones comerciales: Se han utilizado plantas transgénicas cultivadas, como el tomate y el tabaco, para que produzcan productos de muy diversa naturaleza, como p.e. interferón o anticuerpos animales. Otras se están desarrollando para la producción de vacunas para enfermedades como, p.e. el paludismo.

• Asimilación de nitrógeno atmosférico: Se está ensayando la transfección del gen responsable de la nitrogenasa, para obtener plantas que crecieran sin necesidad de nitratos o abonos nitrogenados. Muchas son ya las especies vegetales cultivadas que se han modificado genéticamente, p.e. arroz,

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espárrago, maíz, trigo, remolacha azucarera, nogal, col, coliflor, colza, uvas, zanahoria, apio, algodón, patata, berenjena, pimiento, tabaco, tomate, melón, girasol, lechuga, lino, ciruela, manzana, fresa, soja, guisante...

b’’.- La ingeniería genética en la ganadería: Habitualmente se administran sustancias proteicas al ganado, como hormonas, que provocan artificialmente el engorde. Mediante la alteración genética de los animales se podría mejorar la eficacia, y quizás reducir los inconvenientes, de este tipo de prácticas, ya que el objetivo es incrementar la producción hormonal propia del animal. Esto podría rentabilizar la producción ganadera, incrementando la reproducción, el peso y la producción lechera, a la vez que se eliminarían los riesgos de las técnicas de engorde artificial.

Los animales transgénicos futuros podrán aportar genes modificados que eviten ciertas infecciones, bien modificando las proteínas de las células huésped necesarias para la infección vírica, bien obteniendo proteínas que hagan más eficaces el sistema inmunitario.

También es posible obtener a partir de animales transgénicos proteínas de utilidad farmacológica y proteínas humanas que precisan modificación postraduccional (que no pueden ser realizadas por bacterias). Algunas proteínas se han modificado para que sean secretadas en la leche del animal, y así se pueda recoger y elaborar fácilmente.

Animales transgénicos se utilizan en investigación biomédica como modelos vivos de enfermedades humanas, permitiendo, p.e., comprobar la eficacia de nuevas vacunas o medicamentos.. También se intenta emplearlos para realizar xenotrasplantes, es decir, trasplantes de células u órganos de animales modificados genéticamente a pacientes humanos.

Por último, la obtención en 1997 del primer mamífero clonado, la oveja Dolly, abrió las puertas a nuevas mejoras y aplicaciones del proceso, aunque no libres de riegos.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Gen: Unidad de información genética, que se corresponde con el segmento de ADN que determina un

carácter. Se suelen representar por letras mayúsculas o minúsculas.

Genética: Rama de la Biología que se ocupa del estudio de la herencia biológica e intenta explicar los

mecanismos y circunstancias que rigen la transmisión de caracteres de generación en generación.

Locus: Lugar ocupado por un gen en un cromosoma. El plural es loci, por ser palabra latina

Cromosomas homólogos: Se denominan así a los cromosomas que son morfológicamente idénticos.

Carácter: Es una propiedad o característica que presenta diferencias entre los individuos de una especie.

Color del pelo, forma de la nariz, p.e.

Alelo: Cada una de las variantes que presenta el gen que determina un carácter. (negro o blanco p.e.)

Genes alelos: Son los que transmiten el mismo carácter. Ocupan loci idénticos en cromosomas

homólogos.

Genotipo: Conjunto de genes que posee un individuo (AA, bb, Cc, DD, Ee...)

Fenotipo: Manifestación del genotipo en un ambiente determinado. Flor roja, pelo negro,.

Individuo homocigótico o puro: El que para un determinado carácter el genotipo está constituido por

dos alelos idénticos. Su genotipo se representa con dos letras (mayúsculas o minúsculas) iguales

(AA, ó aa)

Individuo heterocigótico o híbrido: El que para un determinado carácter el genotipo está constituido por

dos alelos distintos. Su genotipo se representa con dos letras, una mayúscula y la otra, igual pero

minúscula (Aa)

Gen Dominante: Aquel que siempre se manifiesta, incluso en heterocigosis. Se representa mediante una

letra mayúscula

Gen recesivo: Es aquel que no se manifiesta en heterocigosis. Se representa por una letra minúscula.

Herencia intermedia: Se produce en aquellos casos en que el individuo heterocigótico manifiesta ese

carácter como una “mezcla” de ambos. A = Rojo; a = Blanco; Genotipo Aa = Fenotipo Rosa

Herencia dominante: Se produce en aquellos casos en que el individuo heterocigótico manifiesta sólo

uno de los dos caracteres. A= Negro; a = blanco; Genotipo Aa = Fenotipo negro

Autosoma: Aquellos cromosomas que se presentan siempre en parejas en el cariotipo

Heterocromosoma: (o cromosomas sexuales), son aquellos que, según el sexo del individuo, son los

dos iguales (XX, mujeres) o son diferentes (XY, hombres)

Mutación: Cambios que se producen en el material genético (ADN) y que, por tanto, son heredables.

Selección natural: Mecanismo evolutivo por el cual las variaciones hereditarias que dan al individuo

una ventaja en la competencia por los recursos tienden a permanecer en la población, eliminándose

las menos eficaces.

UNIDAD DIDÁCTICA II (3ª Parte): DIVISIÓN CELULAR- L A BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA Y GENÉTICA

1.- DIVISIÓN CELULAR A.- Introducción B.- El ciclo celular: a.- Concepto b.- Etapas a’.- Interfase: a’’.- Fase G1 b’’.- Fase S c’’.- Fase G2 b’.- Fase M, Mitosis o cariocenosis: a’’.- Concepto b’’.- Significado biológico de la mitosis c’’.- Etapas: a’’’.- Profase b’’’.- Metafase c’’’.- Anafase d’’’.- Telofase c’.- Citocinesis: a’’.- Citocinesis en células animales b’’.- Citocinesis en células vegetales 2.- REPRODUCCIÓN SEXUAL A.- Concepto B.- Meiosis: a.- Concepto b.- Fases: a’.- Meiosis I: a’’.- Profase I: a’’’.- Leptotene b’’’.- Zigotene c’’’.- Paquitene d’’’.- Diplotene e’’’.- Diacinesis b’’.- Metafase I c’’.- Anafase I d’’.- Telofase I b’.- Meiosis II: a’’.- Profase II b’’.- Metafase II c’’.- Anafase II d’’.- Telofase II

c.- Importancia biológica de la meiosis C.- Gametogénesis: a.- Espermatogénesis: a’.- Características generales

b’.- Fases b.- Ovogénesis: a’.- Características generales

b’.- Fases 3.- GENÉTICA MENDELIANA:

A.- Introducción B.- Los experimentos de Mendel

C.- Las Leyes de la Herencia. El modelo Mendeliano a.- Primera ley de Mendel: Ley de la Uniformidad de la Primera generación filial b.- Segunda Ley de Mendel: Ley de la segregación c.- Tercera Ley de Mendel: Ley de la transmisión independiente de los caracteres

D.- VARIACIONES DEL MODELO MENDELIANO: a.- Epistasia b.- Alelismo múltiple c.- Genes letales d.- Herencia ligada al sexo: a’- Herencia del sexo

b’- Herencia ligada al sexo

4.- BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA A.- El ADN como material hereditario a.- Concepto de gen b.- Flujo de la información genética

c.- Replicación del ADN: a’.- Introducción b’.- Enzimas

c’.- Fases: a’’.- Fase de iniciación b’’.- Fase de elongación

c’’.- Corrección de errores d’’.- Replicación en eucariotas

d.- Transcripción: a’.- Introducción b’.- La Transcripción en procariotas: a’’.- Iniciación b’’.- Elongación c’’.- Terminación

c’.- La Transcripción en eucariotas: a’’.- Diferencias con procariotas b’’.- Maduración e.- Traducción: Síntesis de proteínas a’.- Concepto

b’.- El código genético c’.- Activación de los aminoácidos d’.- Fases de la traducción: a’’.- Iniciación b’’.- Elongación: a’’’.- Unión del aminoacil-ARNt al sitio A b’’’.- Formación del enlace peptídico c’’’.- Translocación c’’.- Terminación

e’.- La traducción en células eucariotas B.- Alteraciones de la información genética: Mutaciones a.- Concepto de mutación b.- Tipos de mutaciones c.- Causas de las mutaciones a’.- Mutaciones espontáneas b’.- Mutaciones inducidas: a’’.- Mutágenos físicos: a’’’.- Radiaciones ionizantes b’’’.- Radiaciones no ionizantes b’’.- Mutágenos químicos: a’’’.- Ácido nitroso (HNO2) b’’’.- Agentes alquilantes c’’’.- Sustancias análogas a las bases nitrogenadas d’’’.- Sustancias intercalantes c’’.- Mutágenos biológicos d.- Consecuencias de las mutaciones a’.- Mutaciones y evolución b’.- Efectos perjudiciales C.- Genética aplicada

a.- Enfermedades hereditarias: Concepto b.- Mejora genética de animales y plantas: a’.- Procedimientos clásicos

b’.- Ingeniería genética: a’’.- La ingeniería genética en la agricultura b’’.- La ingeniería genética en la ganadería