0 tecnológico de estudios superiores del oriente del

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DE MÉXICO
ACADEMIA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
CUADERNILLO DE APOYO PARA LA ASIGNATURA DE:
BIOLOGÍA.
PROFESOR: DAVID ROMERO FONSECA
LOS REYES LA PAZ A 27 DE FEBRERO DEL 2012
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INDICE
Introducción……………………………………………………………………………………3
1. Principios unificadores de la Biología……………………………………………………4
1.1. Dogma central de la biología…………………………………………………………...5
1.1.2 Postulados de la teoría celular……………………………………………………..…6
1.1.3 Selección natural……………………………………………………………….……...7
1.2. Teoría evolutivas…………………………………………………………………………9
1.2.1 Teoría de Oparín y J.BHaldene…………….…………………………………………9
1.3 El origen de las
especies13……………………………………………………………….13
1.4. Principios fundamentales de la herencia…………………………………………….15
1.5. Antecedentes de la genética moderna……………………………………………….16
1.6 Método científico………………………………………………………………………..22
1.7. La Biología como Base para la Biotecnología……………………………………..24
2.0 La célula……………………….. …………………………………………………..……36
2.1 Estructura y especialización celular…………………………………………………...36
2.2 Tipos celulares…………………………………………………………………………..37
2.2.1 Clasificación actual de los seres vivos……………………………………………...37
2.2.2 El árbol de la vida................................................................................................39
2.3 Diversidad bioquímica y metabólica de las células procariotas.............................42
2.5 Célula Eucariotica…………………………………………………………………….…44
2.6 Movimiento del Agua y los Solutos……………………………………………………46
2.7 Osmosis................................................................................................................48
2.8 Transporte Mediado por Proteínas…………………………………………………….49
2.9 Proteínas de Transporte………………………………………………………………..51
2.9.1 Difusión Facilitada……………………………………………………………………55
2.9.2 Obtención de Energía (Las leyes de la termodinámica)………………………….56
3.0 Genética………………………………………………………………………………….58
3.1 Los Experimentos de Mendel………………………………………………………….59
3.2 Las leyes de Mendel……………………………………………………………………62
3.3 Reproducción asexual……………………………………………………………….…67
3.4 Meiosis y recombinación……………………………………………………………….69
1
3.5 Reproducción Sexual…………………………………………………………………...71
3.6 Bases moleculares de la herencia…………………………………………………….74
3.7. El concepto de Gen…………………………………………………………………….77
3.8 Mutaciones……………………………………………………………………………….79
4. Regulación de la expresión genética……………………………………………………88
4.1 Estructura y función del ADN…………………………………………………………..88
4.2 Estructura y función de ARN..................................................................................91
4.3 Estructura y función de las proteínas………………………………………………....93
4.4 Modelo de Operón……………………………………………………………………....95
4.5 Activación y represión de genes……………………………………………………….96
Bibliografía……………………………………………………………………………………98
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Introducción
Biología proviene del griego bios que significa vida y logos que significa ciencia. Por
tanto la biología es la ciencia de la vida. Se encarga de estudiar todos los aspectos
relacionados con la vida: tanto los mecanismos de funcionamiento del interior de los
propios organismos, tanto animales, como vegetales, como humanos; como la
relación de los organismos entre sí y con el medio.
Esto se estructura en varias especialidades o ciencias a las cuales generalmente se
accede con una formación básica en biología como son: botánica (ciencia de las
plantas), zoología (ciencia de los animales), ecología (ciencia que estudia la relación
de los seres vivos con el medio), genética (estudio de los mecanismos de la
herencia), biología marina (ciencia de la vida marina)... hay amplias variaciones y
ramas por las cuales se puede decantar una persona. Así mismo se relaciona con
otras ciencias como por ejemplo la geología.
Este documento está dirigido a estudiantes de nivel superior que se interesan por el
fascinante mundo de la biología, es una guía apropiada para revisar temas de interés
una manera directa pero sin demasiada profundidad, para este caso se recomienda
accesar a la bibliografía que se sugiere.
Por todo lo anterior, este documento es una invitación a conocer e introducirse en el
mundo de la biología, permitiéndonos de manera indirecta conocer todos los aspectos
que envuelven a la ciencia y la investigación.
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Objetivo general del Curso.
El alumno comprenderá los diversos procesos biológicos que se llevan a cabo en los
seres vivos, desde el nivel de organización de la célula hasta la transmisión de la
información genética como base para la conservación de la especie.
Objetivo. El estudiante entenderá los principios unificadores de la biología, así como
su metodología de trabajo, y explicará la importancia de esta ciencia en el desarrollo
de la Biotecnología.
1. Principios unificadores de la Biología
La teoría celular es una parte fundamental de la Biología que explica la constitución
de la materia viva a base de células y el papel que éstas tienen en la constitución de
la vida. Robert Hooke había observado ya en el siglo XVII que el corcho y otras
materias vegetales aparecen constituidas de células (literalmente, celdillas).
Dos científicos alemanes, Theodor Schwann, histólogo y fisiólogo, y Jakob Schleiden,
botánico, se percataron de cierta comunidad fundamental en la estructura
microscópica de animales y plantas, en particular la presencia de núcleos, que el
botánico británico Robert Brown había descrito recientemente (1827). Publicaron
juntos la obra Investigaciones microscópicas sobre la concordancia de la estructura y
el crecimiento de las plantas y los animales (Mikroskopische Untersuchungen über die
Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen, Berlin,
1839). Asentaron el primer principio de la teoría celular histórica.
Todo en los seres vivos está formado por células o productos secretados por las
células.
Otro alemán, el médico Rudolf Virchow, interesado en la especificidad celular de la
patología (sólo algunas clases de células parecen implicadas en cada enfermedad)
explicó lo que debemos considerar el segundo principio:
Toda célula se ha originado a partir de otra célula, por división de ésta.
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Ahora estamos en condiciones de añadir que la división es por bipartición, porque a
pesar de ciertas apariencias, la división es siempre, en el fondo, binaria.
El principio lo popularizó Virchow en la forma de un aforismo creado por FrançoisVincent Raspail, «omnis cellula e cellula». Virchow terminó con las especulaciones
que hacían descender la célula de un hipotético blastema. Su postulado, que implica
la continuidad de las estirpes celulares, está en el origen de la observación por August
Weismann de la existencia de una línea germinal, a través de la cual se establece en
animales (incluido el hombre) la continuidad entre padres e hijos y, por lo tanto, del
concepto moderno de herencia biológica.
La teoría celular fue debatida a lo largo del siglo XIX, pero fue Pasteur el que, con sus
experimentos sobre la multiplicación de los microorganismos unicelulares, dio lugar a
su aceptación rotunda y definitiva.
1.1 Dogma central de la biología
Dado que en la célula cada molécula tiene una función y las proteínas son las
encargadas de realizar “el trabajo duro” (formar estructuras, catalizar reacciones
enzimáticas, activar genes, entre otras), la información contenida en forma de genes
debe, de alguna manera, ser convertida en proteínas. En este apartado y en el
próximo describimos los procesos que involucran la traducción de este código y la
síntesis de proteínas.
La información genética está contenida en los genes, segmentos de ADN que llevan
información para fabricar un producto funcional determinado. Nuestro genoma tiene
aproximadamente 30.000 genes. Sólo una pequeña parte del genoma es codificante;
la mayor parte corresponde a secuencias cortas móviles no codificantes o a
secuencias regulatorias.
Para que la información pase de una molécula a otra, primero debe copiarse, en un
proceso que se llama replicación y que ocurre en el núcleo. Pero como el ADN se
encuentra en el núcleo y las proteínas son sintetizadas en el citoplasma, debe existir
una molécula que funcione como intermediaria.
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Este papel lo cumple el ácido ribonucleico mensajero (ARNm). El ADN se copia en
ARNm en el núcleo, en un proceso denominado transcripción. Luego la información
contenida en el ARNm es empleada para construir proteínas en el proceso de
traducción, que tiene lugar en el citoplasma.
Estos tres procesos secuenciales constituyen el llamado Dogma Central de la
Biología, que establece que la información fluye desde el ADN al ARN y de este a las
proteínas. Ver figura 1. (Además, las proteínas controlan el proceso de replicación del
ADN uniéndose a una secuencia específica en el ADN. De esta manera pueden
activar o inhibir la transcripción de un gen determinado.
Dogma Central de la Biología
Figura 1.
Fuente: Curtis, 2005
1.1.2 Postulados de la Teoría celular
Theodor Schwann, histólogo y fisiólogo, y Jakob Schleiden, botánico, se percataron
de cierta comunidad fundamental en la estructura microscópica de animales y plantas,
en particular la presencia de núcleos, que el botánico británico Robert Brown había
descrito
recientemente
(1827).
Publicaron
juntos
la
obra
Investigaciones
microscópicas sobre la concordancia de la estructura y el crecimiento de las plantas y
los animales (Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der
Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen, Berlin, 1839).
En síntesis los postulados de la teoría celular dictan los siguientes:
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1. Todos los seres vivos están formados por células o por sus productos de
secreción. La célula es la unidad estructural de la materia viva, y una célula
puede ser suficiente para constituir un organismo.
2. Todas las células proceden de células preexistentes, por división de éstas
(Omnis cellula e cellula).
3. Las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su
entorno inmediato, controladas por sustancias que ellas secretan.
4. Cada célula es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con su
medio. En una célula caben todas las funciones vitales, de manera que basta
una célula para tener un ser vivo (que será un ser vivo unicelular). Así pues, la
célula es la unidad fisiológica de la vida.
5. Cada célula contiene toda la información hereditaria necesaria para el control
de su propio ciclo y del desarrollo y el funcionamiento de un organismo de su
especie, así como para la transmisión de esa información a la siguiente
generación celular. Así que la célula también es la unidad genética.
1.1.3 Selección natural
Quien explicó con claridad el mecanismo de la evolución fue Charles Darwin (18091882). En 1831 se embarcó en el Beagle un barco de origen inglés. Le resultaban
interesantes las especies exóticas y variadas de Sudamérica, y sus similitudes entre
ellas y con los fósiles. En las Islas Galápagos, se interesó por las tortugas y los
pinzones. Estos pájaros estaban presentes en todas las islas, pero cada una
presentaba un tipo con diferencias suficientes como para ser consideradas como
especies diferentes; a su vez, eran distintos de los pinzones del continente. Creyó
encontrarse ante especies incipientes y que procedían por evolución de una sola.
También se planteó la relación del hombre con los animales, antes incluso de elaborar
una teoría concreta. Le pareció que el hombre debería estar incluido en una teoría
general de la evolución. En 1836 empieza a ordenar sus datos.
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En 1838 conoció los escritos del economista Malthus sobre las poblaciones humanas
(parece ser que la teoría de la evolución se le ocurrió leyéndolo). Malthus había
realizado un estudio sobre la sociedad con las siguientes conclusiones:
La humanidad estaba sometida a un grado de crecimiento que no se correspondía
con el de los recursos. La población crece en progresión geométrica, los alimentos en
progresión aritmética. Llegará un momento en que habrá desabastecimiento.
Según Darwin, lo que Malthus sostenía para el humano, era válido también para los
animales. Éstos estarían sometidos a un proceso de crecimiento que les llevaría a la
extinción, a no ser que hubiese un mecanismo que regulara que una especie no
creciera espectacularmente la Selección Natural.
Charles Darwin no fue el primero en proponer que la diversidad de los organismos es
el resultado de procesos históricos, -pero el reconocimiento por la teoría de la
evolución le pertenece por dos razones. En primer lugar su "larga argumentación"' como fue caracterizado -El Origen de las Especies- dejó poca duda acerca de que la
evolución había ocurrido en realidad y, de esta manera, marcó un punto de viraje en
la ciencia de la biología. La segunda razón, que está íntimamente vinculada con la
primera, es que Darwin percibió el mecanismo general en virtud del cual se produce la
evolución.
El concepto original de Darwin y de Wallace acerca de cómo ocurre la evolución
todavía sigue proporcionando el marco básico para nuestra comprensión del proceso.
Ese concepto se funda en cinco premisas:
a. Los organismos engendran organismos similares; en otras palabras, hay
estabilidad en el proceso de la reproducción.
b. En la mayoría de las especies, el número de individuos que sobreviven y se
reproducen en cada generación es pequeño en comparación con el número
total producido inicialmente.
c. En cualquier población dada ocurren variaciones aleatorias entre los
organismos individuales, algunas de las cuales son hereditarias, es decir, que
no son producidas por el ambiente.
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d. La interacción entre estas variaciones hereditarias, surgidas al azar, y las
características del ambiente determinan en grado significativo cuáles son los
individuos que sobrevivirán y se reproducirán y cuáles no. Algunas variaciones
permiten que los individuos produzcan más descendencia que otros. Darwin
llamó a estas características variaciones "favorables" y propuso que las
variaciones favorables heredadas tienden a hacerse cada vez más comunes de
una generación a otra. Este es el proceso al que Darwin llamó selección
natural.
e. Dado un tiempo suficiente, la selección natural lleva a la acumulación de
cambios que provocan diferencias entre grupos de organismos.
1.2 Teorías evolutivas
1.2.1 Teoría de A.I. Oparin y J.B. Haldane
Desde una perspectiva bioquímica, tres características distinguen a las células vivas
de otros sistemas químicos:
a. La capacidad para duplicarse generación tras generación;
b. La presencia de enzimas, las proteínas complejas que son esenciales para las
reacciones químicas de las que depende la vida, y
c. Una membrana que separa a la célula del ambiente circundante y le permite
mantener
una
identidad
química
distinta.
¿Cómo
surgieron
estas
características? ¿Cuál de ellas apareció primero e hizo posible el desarrollo de
las otras?
El primer conjunto de hipótesis verificables acerca del origen de la vida fue propuesto
por A. I. Oparin y J. B. Haldane quienes, trabajando en forma independiente,
postularon que la aparición de la vida fue precedida por un largo período de
"evolución química". Hay un acuerdo general en dos aspectos críticos acerca de la
identidad de las sustancias presentes en la atmósfera primitiva y en los mares durante
este período:
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a. había muy poco o nada de oxígeno presente
b. los cuatro elementos primarios de la materia viva (hidrógeno, oxígeno, carbono
y nitrógeno) estaban disponibles en alguna forma en la atmósfera y en las
aguas de la Tierra primitiva.
La energía necesaria para desintegrar las moléculas de estos gases y volver a
integrarlas en moléculas más complejas estaba presente en el calor, los relámpagos,
los elementos radiactivos y la radiación de alta energía del Sol.
Oparin postuló que en las condiciones de la Tierra primitiva se formaron moléculas
orgánicas a partir de los gases atmosféricos que se estarían acumulando en los
mares y lagos de la Tierra y, en esas condiciones (sin oxígeno libre), tenderían a
persistir. Al concentrarse algunas moléculas, habrían actuado sobre ellas fuerzas
químicas, las mismas que actúan sobre las moléculas orgánicas hoy en día.
Estos agregados plurimoleculares fueron progresivamente capaces de intercambiar
materia y energía con el ambiente. En estas estructuras coloidales -a las que Oparin
llamó coacervados (en cuyo interior podían optimizarse ciertas reacciones) se habría
desarrollado un metabolismo sencillo, punto de partida de todo el mundo viviente.
Con estos sistemas se pasó a una nueva etapa, la de evolución pre biológica. Los
sistemas constituyen un nuevo nivel de organización en el proceso del origen de la
vida, lo que implica el establecimiento de nuevas leyes. En los sistemas químicos
modernos, ya sea en el laboratorio o en el organismo vivo, las moléculas y los
agregados más estables tienden a sobrevivir, y los menos estables son transitorios.
De igual modo, dado que los sistemas presentaban heterogeneidad, los agregados
que tenían mayor estabilidad química en las condiciones prevalecientes en la Tierra
primitiva habrían tendido a sobrevivir. S. Miller aportó las primeras evidencias
experimentales 29 años después de que Oparin publicara su teoría. Los experimentos
de laboratorio han mostrado que, en estas condiciones, pueden formarse los tipos de
moléculas orgánicas características de los sistemas vivos.
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Otros experimentos han sugerido el tipo de procesos por los cuales agregados de
moléculas orgánicas pudieron haber formado estructuras semejantes a células,
separadas de su ambiente por una membrana y capaces de mantener su integridad
química y estructural.
En el marco de la teoría de Oparin, se desarrollaron modelos alternativos, entre otros,
el de Sidney W. Fox, quien obtuvo estructuras proteicas limitadas por membrana
llamadas microesferas proteinoides
que podían llevar a cabo algunas reacciones
químicas análogas a las de las células vivas.
Si bien estas microesferas no son células vivas, su formación sugiere los tipos de
procesos que podrían haber dado origen a entidades proteicas con mantenimiento
autónomo, distintas de su ambiente y capaces de llevar a cabo las reacciones
químicas necesarias para mantener su integridad física y química.
Todos los biólogos acuerdan en que la forma ancestral de vida necesitaba un
rudimentario manual de instrucciones que pudiera ser copiado y transmitido de
generación en generación.
La propuesta más aceptada es que el RNA habría sido el primer polímero en realizar
las tareas que el DNA y las proteínas llevan a cabo actualmente en las células. Por
errores de copia en su duplicación habría aparecido una inmensa variedad de RNA;
más tarde, estas moléculas pasaron a ejercer control sobre la síntesis de proteínas.
Ver figura 2.
En una etapa ulterior, las proteínas habrían reemplazado al RNA en la función de
acelerar las reacciones químicas. Mediante un proceso aún no esclarecido, la función
de almacenar la información genética habría sido transferida del RNA al DNA, que es
menos susceptible a la degradación química.
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Posible camino de la evolución de sistemas autorreplicantes de moléculas de
RNA, hasta las células actuales
Figura No. 2
Fuente: Curtis, 2005
Posteriormente, estas moléculas autorreplicantes se habrían introducido dentro de
compartimientos. Uno de los mayores interrogantes que permanece abierto es cómo
se produjo el pasaje de la química prebiótica a la aparición de la vida. Hasta el día de
hoy los científicos no han podido transformar en el laboratorio la materia no viva en
una célula funcional.
Sobre la base de los estudios astronómicos y de las exploraciones llevadas a cabo
por vehículos espaciales no tripulados, parece que sólo la Tierra, entre los planetas
de nuestro sistema solar, sustenta vida. Las condiciones en la Tierra son ideales para
los sistemas vivos basados en moléculas que contienen carbono. Frente a las
controversias sobre el origen de la vida, algunos científicos reconocidos postularon
que hasta las formas de vida más simples son demasiado complejas para haber
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surgido mediante reacciones químicas al azar en el seno de una sopa oceánica y
ubicaron el origen de la vida en el espacio interestelar.
Sin embargo, la vida podría ser muy distinta de como nosotros la conocemos. En el
caso de que la vida hubiera surgido en Marte en forma independiente, no habría por
qué esperar que ésta compartiera sus rasgos con la de los seres vivos terrestres. El
fenómeno de la vida podría haber sido resultado de una combinación inimaginable de
moléculas desconocidas y con propiedades diferentes.
La uniformidad que subyace a la vida en la Tierra -notablemente, todos los
organismos comparten un mecanismo de transmisión genética común basado en el
DNA- sugiere que toda la vida actual desciende de un único ancestro y, aunque no
sería imposible que hubieran existido otras formas de vida que se extinguieron sin
dejar rastros, no existen evidencias de ellas, ni siquiera por un breve período.
1.3 El origen de las especies
Hoy se acepta la teoría de Darwin sobre el origen de las especies, sin embargo hubo
muchas otras antes. Desde Aristóteles se pensaba que se podían clasificar todos los
seres vivos según un orden jerárquico (scala naturae). Hasta el siglo pasado todos los
biólogos creían que los seres vivos habían sido creados en la forma actual por Dios y
habían permanecido inmutables. También estaba presente la concepción cartesiana
de que la diferencia hombre/animal estaba en que el hombre tenía alma.
La teoría evolutiva supuso un duro golpe a esa filosofía imperante, tuvo influencia en
muchos campos. El hombre ya no era diferente cualitativamente al animal, sino que la
diferencia, de haberla, sería de grado (cuantitativa). Algunos investigadores pensaron
que, si somos fruto de la evolución, sería conveniente estudiar hombres primitivos y
organismos inferiores para conocernos a nosotros mismos.
Hasta el Siglo XVIII las especies no tenían historia, sin embargo había muchas
pruebas de que había evolución: los fósiles, aunque siempre se los justificó mediante
teorías que no guardaban relación con la evolución. A finales de ese siglo Bonnet
propuso la teoría de que la Tierra había estado sometida a diversas catástrofes que
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habían hecho desaparecer las especies varias veces, los fósiles eran fruto de esto. A
pesar de esta teoría surgiría más tarde la de la evolución.
Fueron quizá los geólogos los que allanaron el terreno para pensar que había otras
posibilidades además del creacionismo bíblico. Se interesaron por los fósiles y
observaron que en cada capa había fósiles específicos, lo que les llevó a creer que la
tierra se había formado capa a capa, estrato a estrato. Pero seguían postulándose
una serie de catástrofes y las subsiguientes creaciones independientes.
En 1809 Lamarck publica Filosofía zoológica. En esta obra plantea una serie de ideas
sobre la evolución que le produjeron la enemistad de toda la comunidad científica.
Según Lamarck, para adaptarse mejor a un medio, las especies desarrollan los
órganos que le son más útiles y se les atrofian los que menos utilizan; los caracteres
originales van siendo sustituidos por caracteres adquiridos o adaptativos. Niega la
creación específica. La evolución es producto de los efectos del uso y desuso. Estos
efectos heredados eran fruto del esfuerzo del animal por adaptarse y establecer
nuevas relaciones con el medio.
Observó que las rocas más antiguas contenían fósiles de seres más simples y que, a
medida que las rocas eran más modernas, los seres se hacían más complejos.
Propuso 2 principios en su teoría:
•
Uso y desuso de las partes
•
Herencia de los caracteres adquiridos
Las características adquiridas por el uso eran heredables para Lamarck. Los efectos
de la interacción con el medio se transmitían a la generación siguiente. La función
crea el órgano. Explica cómo a lo largo de millones de años la adaptación había
creado las distintas especies, muchas de las cuales podrían provenir de un
antepasado único.
Sus teorías fueron primero criticadas y, luego, olvidadas; pero ayudaron a mentalizar
sobre el evolucionismo. Weismann pretendía refutar experimentalmente la teoría de
Lamarck. Así cortaba el rabo a los ratones cuando nacían.
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Según la teoría, tras varias generaciones tendrían que nacer sin rabo por el desuso.
No fue así, seguían naciendo con rabo. P. ej.: los judíos llevan practicando la
circuncisión durante miles de años, sin embargo, siguen naciendo con prepucio.
1.4. Principios fundamentales de la herencia
Transcurrieron muchos siglos en los que diferentes creencias y mitos predominaron
sobre las explicaciones científicas. A mediados del siglo XIX, ya se sabía que los
óvulos y los espermatozoides son células especializadas y que, tanto el óvulo como el
espermatozoide, contribuyen a las características hereditarias del nuevo individuo.
Pero ¿cómo, estas células especiales llamadas gametos, son capaces de transmitir
las centenas de características involucradas en la herencia? La herencia mezcladora,
que sostenía que las características de los progenitores se mezclaban en la progenie,
como en una mezcla de dos fluidos, fue una de las hipótesis. Sin embargo, esta
explicación no tenía en cuenta la persistente herencia de ciertas variantes que
indudablemente ocurría.
Este es un homúnculo ("hombrecito"), futuro ser humano en miniatura, dentro de un
espermatozoide. Ver figura 3
Figura No. 3. Imagen de lo que creían ver los
animalculistas o espermistas de los siglos XVII
y XVIII cuando miraban espermatozoides a
través de un microscopio.
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1.5. Antecedentes de la genética moderna
La genética estudia la forma como las características de los organismos vivos,
sean éstas morfológicas, fisiológicas, bioquímicas o conductuales, se transmiten,
se generan y se expresan, de una generación a otra, bajo diferentes condiciones
ambientales.
La genética, pues, intenta explicar cómo se heredan y se modifican las
características de los seres vivos, que pueden ser de forma (la altura de una
planta, el color de sus semillas, la forma de la flor; etc.), fisiológicas (por ejemplo,
la constitución de determinada proteína que lleva a cabo una función específica
dentro del cuerpo de un animal), e incluso de comportamiento (en la forma de
cortejos antes del apareamiento en ciertos grupos de aves, o la forma de
aparearse de los mamíferos, etc.). De esta forma, la genética trata de estudiar
cómo estas características pasan de padres a hijos, a nietos, etc., y por qué, a su
vez, varían generación tras generación.
Esta ciencia se ha desarrollado de manera vertiginosa durante el siglo XX,
aunque tiene sus raíces en el siglo XIX, época en que los científicos intentaban
contestar las cuestiones relativas a la variación y la herencia. Antes de que la
genética existiera como ciencia, principalmente durante la segunda mitad del siglo
XIX, la herencia se estudiaba a partir de lo que se llama la hibridización o cruza
de organismos entre sí para analizar su descendencia.
La hibridología, como se le llamaba a ésta disciplina, había sido practicada a gran
escala por científicos naturales como Kolreuter entre l760 y 1766, Knight en 1779,
Gaertner entre l792 y 1850 y Naudin en 1863. Estos investigadores empleaban el
método del tanteo experimental: cruzar dos individuos y analizar su descendencia
para
obtener
datos
experimentales
acerca
de
la
herencia
de
ciertas
características de los organismos. A partir de estas leyes conocidas ahora como
las leyes de Mendel, es que se construyó la genética moderna durante el
presente siglo XX, ya que mientras Mendel vivió no fueron bien acogidas. ¿Por
qué?
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Existen al menos dos versiones de por qué el trabajo de Mendel no fue
reconocido hasta entrado el siglo XX. Según la primera, su artículo fue publicado
en una oscura revista científica a la que pocos investigadores tenían acceso. La
segunda es la idea de que Mendel era un investigador poco conocido en el medio
científico de su época. Estos dos aspectos reflejan la concepción que
comúnmente se tiene de la ciencia y sus practicantes.
La ciencia está basada como cualquier otro aspecto de la cultura en la
comunicación de unos individuos con otros y por lo tanto su repercusión
descansa tanto en la distribución de los artículos científicos como en el
reconocimiento que el autor tiene. ¿Quién no quiere leer el último libro de un
escritor ya reconocido? En estos casos la obra tiene un valor previo por haber
sido escrita por éste o aquel autor; valor que es independiente de la importancia
intrínseca de la obra.
Asimismo, en la actualidad, y estamos seguros de que también en el siglo
pasado, hay revistas más reconocidas que otras por la calidad de los artículos, lo
cual contribuye a que sea parcial la búsqueda del buen trabajo científico. Si
suponemos que éste fue el caso, podríamos afirmar que Mendel no fue
reconocido en parte por estas dos razones, como lo demuestra el hecho de las
presentaciones que hizo de su trabajo en las reuniones de febrero y marzo de
1865 de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno no recibieron comentarios de
ningún tipo ni en forma de preguntas ni como críticas. De hecho se afirma que ni
el ambiente científico ni en el cultural se apreció la importancia de sus
descubrimientos.
Además algunos de los científicos más renombrados de la época, como Darwin,
Naudin y Nageli, no hicieron referencia a los resultados de Mendel.
Por ejemplo, Darwin nunca se refirió a estos estudios en ninguno de sus escritos,
aun cuando con frecuencia se refiere a otras investigaciones del mismo tema que
se llevaron a cabo en la misma época de Mendel. Cabe mencionar que, por
ejemplo, el botánico francés Naudin expresó en 1863 la idea de que los
elementos derivados de los padres se separan en el híbrido y que algunos de los
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caracteres de las formas de los padres pueden aparecer en la generación
siguiente. Este hallazgo de Naudin, lamentablemente, carecía de datos numéricos
y pruebas rigurosas que sustentaran tales afirmaciones.
En cuanto al más famoso botánico de la época, Nageli, se sabe que Mendel le
envió una copia de su manuscrito con la idea de recibir sus opiniones. De aquí
resultó una activa correspondencia, de la cual sólo sobreviven las cartas de
Mendel. Esta correspondencia revela una de dos cosas: o Nageli no entendió los
resultados de Mendel o no estaba de acuerdo con ellos. Nageli nunca invitó a
Mendel a publicar sus resultados en otras revistas donde sin duda hubiesen sido
leídas por otros científicos. Nageli le propuso a Mendel que extendiera sus
experimentos a otras plantas, pero Mendel se sintió apabullado por esta idea y no
hizo mayores esfuerzos por relacionarse con otros botánicos o hibridólogos para
intercambiar opiniones. Mendel simplemente pensó que los resultados de sus
experimentos eran datos aislados que no podían aplicarse a otras plantas.
Más recientemente, y como apoyo a la idea de que los postulados de Mendel no
fueron comprendidos, se ha encontrado que de los tres investigadores que
redescubrieron a Mendel, el holandés Hugo de Vries (1848-1935), el alemán Carl
Correns (1864-1933) y el austriaco Eric Tschermak von Seysenegg (1871-1962),
sólo Correns comprendió completamente el trabajo de Mendel y sus
consecuencias. Tanto De Vries como Tschermak no entendían conceptos como
dominancia y confundían en una las dos leyes de Mendel en una sola.
Es entonces muy claro que el trabajo de Mendel no fue entendido ni en sus
aspectos técnicos ni tampoco en su importancia. De hecho, el entendimiento de
su relevancia vino antes de ser entendido técnicamente.
Una vez que este trabajo pasó inadvertido por la comunidad científica de su
época, en 1900 aparecen publicados tres trabajos que de manera independiente
hacen referencia a Mendel. Estos trabajos fueron de los investigadores ya
mencionados, Hugo de Vries (1900), Tscherrnak (1900) y Correns (1900).
De estos tres autores el más sobresaliente por su repercusión en las ciencias
naturales fue Hugo de Vries, quien a pesar de haber redescubierto el trabajo
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mendeliano no pensaba que fueran válidos los principios que establecía. Esto se
debe a que Hugo de Vries pensaba que en el problema del origen de las especies
(que por esta época era la comidilla de todos los días) el mendelismo no tenía
una aplicabilidad universal. Así, podemos marcar a 1900 como el año del
nacimiento de la genética, pues fue cuando se redescubrieron las leyes de
Mendel, y se modificó, la manera de pensar y de experimentar de los científicos
dedicados a los problemas de la herencia.
Una vez que esto sucedió, el mendelismo se expandió por Europa y América
hasta convertirse en un tema de discusión común y corriente. Genetistas famosos
como William Bateson (1861-1926) se darían a conocer por la introducción y
defensa del mendelismo en Inglaterra. Bateson sería también el que acuñara el
término de genética en 1906.
Teoría cromosómica de la herencia
Durante los años siguientes a los que Mendel anunció sus leyes no se conocía lo
suficiente del comportamiento de los cromosomas como para establecer una
relación entre éstos y las leyes de Mendel e interpretarlas en términos de las
divisiones celulares que tienen lugar en el desarrollo de las células que forman los
gametos (meiosis).
Hacia finales del siglo XIX se había logrado estudiar los cambios que ocurren en
la meiosis y su posible relación con la herencia; en particular se destacan los
trabajos de Augusto Weismann, pues aunque resultaron equivocados a este
respecto, señalaron la importancia de relacionar a los cromosomas con la
herencia de los caracteres. Fue después de la revalorización de las leyes de
Mendel, que en 1903 Sutton logra aplicar la primera y la segunda leyes de
Mendel al comportamiento de los cromosomas durante la meiosis.
Si los cromosomas son los portadores de los elementos hereditarios o genes,
entonces podemos suponer que cuando los cromosomas se separan, llevando a
los genes consigo, cada elemento del par pasa a células diferentes, y que, por lo
tanto, cada célula lleve sólo un elemento del par, el de la madre o el del padre.
Este comportamiento satisface la primera ley de Mendel.
19
Ahora, si tenemos dos factores o genes y uno se encuentra en un par de
cromosomas (digamos, el gene que determina si la semilla es lisa o rugosa),
mientras que otro factor (digamos, el gene que determina si el tallo es largo o
corto) se halla en otro par de cromosomas, y durante la división celular meiótica
éstos se separan azarosamente, es decir, independientemente uno del otro,
entonces la distribución de estos cromosomas y sus posteriores combinaciones
debidas a la casualidad de la fertilización nos explican la segunda ley de Mendel,
y así, el hecho de que una planta tenga la semilla lisa o rugosa será
independiente del hecho de si su tallo es largo o corto.
Gracias al redescubrimiento de estas leyes y su aplicabilidad para tratar los
problemas de la herencia se comienza a desarrollar la genética moderna. Del
establecimiento de líneas de investigación que utilizaban las leyes de Mendel y
partían de la concepción de la herencia de partes es que se pudo demostrar que
este tipo de herencia, la mendeliana, era universal. Nos referiremos brevemente a
las tres líneas de investigación más importantes por las consecuencias de sus
descubrimientos.
La primera la propuso Johannsen, botánico danés. Según él, al tomar una semilla
de Phaseolus vulgaris (el frijol), ya fuera gorda o flaca, y hacerla germinar; entre
sus descendientes encontraríamos semillas de todos los tipos, no sólo del tipo de
la semilla original. (Por cierto, fue Johannsen quien en 1909 acuñaría los términos
de gene, genotipo y fenotipo. Este último se refiere a las características que
nosotros vemos, como pueden ser formas, texturas, colores, etc., mientras que el
genotipo se refiere a lo que no podemos ver directamente sino sólo a través de
técnicas más complejas que es la suma o el conjunto de todos los genes, o sea el
genotipo.)
El segundo descubrimiento notable lo realizaron los botánicos E. M. East, inglés y
H. Nilsson-Ehle, sueco. Admiten que ciertos rasgos hereditarios no discretos, sino
cuantitativos, seguían estrictamente las leyes de Mendel; por ejemplo, el color
rojizo del pericarpio (la envoltura) de la semilla del maíz se debía a la
colaboración de más de un factor o gene. Fue así como se estableció la
20
posibilidad de que más de un gene interviniera en la formación de un carácter
determinado.
Sin lugar a dudas, la tercera línea de investigación fue la que más dividendos dejó
a la naciente ciencia de la genética, tanto por sus descubrimientos como por la
introducción de técnicas novedosas. Éstas no sólo revolucionaron el modo de
tratar los problemas de la herencia, sino que establecieron una nueva
metodología experimental y una serie de principios fundamentales que
permitieron resolver algunos de los enigmas que ya habían sido planteados
anteriormente, lo cual significó un gran avance. Nos referimos a la escuela
morganiana, también conocida como El grupo de las moscas.
La historia de cómo se formó este grupo, de cuál era el ambiente de trabajo y de
cuáles fueron sus resultados y aportes a la genética ha sido el objeto de estudio
de muchos historiadores de la ciencia, así como de sociólogos y filósofos de la
ciencia, que lo han tomado como modelo y estudio de caso para entender, por
ejemplo, de qué manera intervienen factores individuales, como la competencia o
la envidia, en el avance de la ciencia; cómo está estructurado un grupo
jerárquicamente; o simplemente, cómo ocurre el avance conceptual y teórico
dentro de una disciplina científica.
El nombre (escuela morganiana) se debe a que fue fundada por Thomas Hunt
Morgan, y la designación de Grupo Drosophila o Grupo de las moscas se debe a
que trabajaron con la conocida mosca de la fruta Drosophila melanogaster (todos
la hemos visto rondando la fruta en descomposición en nuestras casas). Cuando
Morgan y sus estudiantes empezaron con sus investigaciones, se acostumbraba
trabajar con plantas en los estudios de la herencia. De hecho, casi todos los
grandes avances durante el siglo XIX en el terreno de la hibridología fueron en el
campo de la botánica. Sin embargo, esta escuela introdujo a un animal, la mosca
de la fruta, como objeto de estudio, y posteriormente como vehículo para el
estudio de los efectos que causaban en el material hereditario elementos
externos como la radiación.
.
21
Demostrada la estructura fina del gene y poniendo al mismo nivel al cistrón y al
gene mendeliano, quedaban por contestar las preguntas de qué es el material
genético, de qué elementos químicos está compuesto y cómo se duplica para ser
transmitido de células madres a células hijas.
1.6 Método científico
Llamamos método a una serie ordenado de procedimientos de que hace uso la
investigación científica para observar la extensión de nuestros conocimientos.
Podemos concebir a el método científico, como una estructura, un armazón formado
por reglas y principios coherentes concatenados.
El método científico es quizás uno de los más útiles y adecuados, capaz de
proporcionar respuestas a nuestras interrogantes. Respuestas que no se obtienen de
inmediato de forma verdadera, pura y completa, sin antes haber pasado por el error.
Esto significa que el método científico llega a nosotros como un proceso, no como un
acto que se pasa de inmediato de la ignorancia a la verdad. Este es quizás el método
más útil o adecuado, ya que es el único que posee características particulares y tiene
la capacidad para autocorregirse. El método científico es la conquista máxima
obtenida por el intelecto para descifrar y ordenar los conocimientos.
Consta de 5 pasos fundamentales que han sido desarrollados a través de muchas
generaciones:
Observación: Consta de la recopilación de los hechos acerca de un problema o
fenómeno natural que despierta nuestra curiosidad. Las observaciones deben ser las
más claras y numerosas posibles, porque han de servir como base de partida para la
solución.
Hipótesis: Es la explicación que nos damos ante el hecho observado. Su utilidad
consiste en que nos proporciona una interpretación de los hechos que disponemos,
interpretación que debe ser puesta a prueba por observaciones y experimentos
posteriores.
Las hipótesis no deben ser tomadas nunca como verdaderas, debido a que un mismo
hecho observado puede explicarse mediante numerosas hipótesis.
22
El objeto de una buena hipótesis consiste solamente en darnos una explicación para
estimularnos a hacer más experimentos y observaciones.
Experimentación: Consiste en la verificación o comprobación de la hipótesis. La
experimentación determina la validez de las posibles explicaciones que nos hemos
dado y decide el que una hipótesis se acepte o rechace.
Teoría: Es una hipótesis en la cual se han relacionado una gran cantidad de hechos
acerca del mismo fenómeno que nos interesa. Algunos autores consideran que la
teoría no es otra cosa más que una hipótesis en la cual se consideren el mayor
número de hechos y en la cual la explicación que nos hemos forjado tiene mayor
probabilidad de ser comprobado positivamente.
Ley: Consiste en un conjunto de hechos derivados de observaciones y experimentos
debidamente reunidos, clasificados e interpretados que se consideran demostrados.
En otras palabras la ley no es otra cosa que una hipótesis que ha sido demostrada
experimentalmente. La ley nos permite predecir el desarrollo y evolución de cualquier
fenómeno natural.
Rasgos que Distinguen al Método Científico
Objetividad. Se intenta obtener un conocimiento que concuerde con la realidad del
objeto, que lo describa o explique tal cual es y no como desearíamos que fuese. Se
deja a un lado lo subjetivo, lo que se siente o se presiente.
Racionalidad. La ciencia utiliza la razón como arma esencial para llegar a su
resultado. Los científicos trabajan en lo posible con conceptos, juicios y razonamiento
y no con las sensaciones, imágenes o impresiones. La racionalidad aleja a la ciencia
de la religión y de todos los sistemas donde aparecen elementos no racionales o
donde se apela a principios explicativos extras o sobrenaturales; y la separa del arte
donde cumple un papel secundario subordinado a los sentimientos y sensaciones.
23
1.7. La Biología como Base para la Biotecnología
La biotecnología no es, en sí misma, una ciencia; es un enfoque multidisciplinario que
involucra varias disciplinas y ciencias (biología, bioquímica, genética, virología,
agronomía,
ingeniería,
química,
medicina
y
veterinaria
entre
otras).
Hay muchas definiciones para describir la biotecnología. En términos generales
biotecnología es el uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de
organismos vivos para obtener productos de valor para el hombre.
Como tal, la biotecnología ha sido utilizada por el hombre desde los comienzos de la
historia en actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o el
mejoramiento de cultivos y de animales domésticos. Históricamente, biotecnología
implicaba el uso de organismos para realizar una tarea o función. Si se acepta esta
definición, la biotecnología ha estado presente por mucho tiempo.
Procesos como la producción de cerveza, vino, queso y yoghurt implican el uso de
bacterias o levaduras con el fin de convertir un producto natural como leche o jugo de
uvas, en un producto de fermentación más apetecible como el yoghurt o el vino
tradicionalmente la biotecnología tiene muchas aplicaciones. Un ejemplo sencillo es el
compostaje, el cual aumenta la fertilidad del suelo permitiendo que microorganismos
del suelo descompongan residuos orgánicos. Otras aplicaciones incluyen la
producción y uso de vacunas para prevenir enfermedades humanas y animales. En la
industria alimenticia, la producción de vino y de cerveza se encuentra entre los
muchos usos prácticos de la biotecnología.
La biotecnología moderna está compuesta por una variedad de técnicas derivadas de
la investigación en biología celular y molecular, las cuales pueden ser utilizadas en
cualquier industria que utilice microorganismos o células vegetales y animales. Esta
tecnología permite la transformación de la agricultura. También tiene importancia para
otras industrias basadas en el carbono, como energía, productos químicos y
farmacéuticos y manejo de residuos o desechos.
Tiene un enorme impacto potencial, porque la investigación en ciencias biológicas
está efectuando avances vertiginosos y los resultados no solamente afectan una
amplitud de sectores sino que también facilitan enlace entre ellos. Por ejemplo,
24
resultados exitosos en fermentaciones de desechos agrícolas, podrían afectar tanto la
economía del sector energético como la de agroindustria y adicionalmente ejercer un
efecto ambiental favorable. Una definición más exacta y específica de la biotecnología
"moderna" es "la aplicación comercial de organismos vivos o sus productos, la cual
involucra la manipulación deliberada de sus moléculas de DNA".
Esta definición implica una serie de desarrollos en técnicas de laboratorio que,
durante las últimas décadas, han sido responsables del tremendo interés científico y
comercial en biotecnología, la creación de nuevas empresas y la reorientación de
investigaciones y de inversiones en compañías ya establecidas y en Universidades.
La biotecnología consiste en un gradiente de tecnologías que van desde las técnicas
de la biotecnología "tradicional", largamente establecidas y ampliamente conocidas y
utilizadas (e.g., fermentación de alimentos, control biológico), hasta la biotecnología
moderna, basada en la utilización de las nuevas técnicas del DNA recombinante
(llamadas de ingeniería genética), los anticuerpos monoclonales y los nuevos
métodos de cultivo de células y tejidos.
Los límites de la Biotecnología
El creciente interés que en los últimos años ha despertado la biotecnología, tanto en
los medios académicos como en la actividad económica, se ha traducido, entre otras
cosas, en una proliferación de definiciones. Esta relativa abundancia es reflejo, por un
lado, del carácter multidisciplinario de la biotecnología (Microbiología, Ingeniería
Química, Bioquímica y Química) y, por el otro, de la dificultad que existe para fijar
estrictamente sus límites. Todas las definiciones tienen en común que hacen
referencia al empleo de agentes biológicos y de microorganismos.
Una definición amplia de biotecnología sería: Un conjunto de innovaciones
tecnológicas que se basa en la utilización de microorganismos y procesos
microbiológicos para la obtención de bienes y servicios y para el desarrollo de
actividades científicas de investigación. Se ha observado que la biotecnología no
representa nada nuevo, ya que tanto la utilización de microorganismos en los
procesos de fermentación tradicionales, así como las técnicas empíricas de selección
25
genética y de hibridación, se han usado a lo largo de toda la historia de la humanidad.
Esto ha llevado a distinguir entre la biotecnología tradicional y la nueva biotecnología.
Equivocadamente se tiende a asociar los procesos de fermentación con la primera y
la ingeniería genética con la segunda.
La ingeniería genética no es sino el más reciente y espectacular desarrollo de la
biotecnología, que no sustituye ninguna técnica preexistente, sino que más bien
enriquece y amplía las posibilidades de aplicación y los usos de las biotecnologías
tradicionales.
Antecedentes de la Biotecnología
La
historia
de
la
biotecnología
puede
dividirse
en
cuatro
períodos.
El primero corresponde a la era anterior a Pasteur y sus comienzos se confunden con
los de la humanidad. En esta época, la biotecnología se refiere a las prácticas
empíricas de selección de plantas y animales y sus cruzas, y a la fermentación como
un proceso para preservar y enriquecer el contenido proteínico de los alimentos. Este
período se extiende hasta la segunda mitad del siglo XIX y se caracteriza como la
aplicación artesanal de una experiencia resultante de la práctica diaria. Era tecnología
sin ciencia subyacente en su acepción moderna.
La segunda era biotecnológica comienza con la identificación, por Pasteur, de los
microorganismos como causa de la fermentación y el siguiente descubrimiento por
parte de Buchner de la capacidad de las enzimas, extraídas de las levaduras, de
convertir azúcares en alcohol. Estos desarrollos dieron un gran impulso a la aplicación
de las técnicas de fermentación en la industria alimenticia y al desarrollo industrial de
productos como las levaduras, los ácidos cítricos y lácticos y, finalmente, al desarrollo
de una industria química para la producción de acetona, "butanol" y glicerol, mediante
el uso de bacterias.
La tercera época en la historia de la biotecnología se caracteriza por desarrollos en
cierto sentido opuestos, ya que por un lado la expansión vertiginosa de la industria
petroquímica tiende a desplazar los procesos biotecnológicos de la fermentación, pero
26
por otro, el descubrimiento de la penicilina por Fleming en 1928, sentaría las bases
para la producción en gran escala de antibióticos, a partir de la década de los años
cuarenta. Un segundo desarrollo importante de esa época es el comienzo, en la
década de los años treinta, de la aplicación de variedades híbridas en la zona maicera
de los Estados Unidos ("corn belt"), con espectaculares incrementos en la producción
por hectárea, iniciándose así el camino hacia la "revolución verde" que alcanzaría su
apogeo 30 años más tarde.
La cuarta era de la biotecnología es la actual. Se inicia con el descubrimiento de la
doble estructura axial del ácido "desoxi-ribonucleico" (ADN) por Crick y Watson en
1953, seguido por los procesos que permiten la inmovilización de las enzimas, los
primeros experimentos de ingeniería genética realizados por Cohen y Boyer en 1973
y aplicación en 1975 de la técnica del "hibridoma" para la producción de anticuerpos
"monoclonales", gracias a los trabajos de Milstein y Kohler.
Estos han sido los acontecimientos fundamentales que han dado origen al auge de la
biotecnología a partir de los años ochenta. Su aplicación rápida en áreas tan diversas
como la agricultura, la industria alimenticia, la farmacéutica, los procesos de
diagnóstico y tratamiento médico, la industria química, la minería y la informática,
justifica las expectativas generadas en torno de estas tecnologías. Un aspecto
fundamental de la nueva biotecnología es que es intensiva en el uso del conocimiento
científico. En el período anterior a Pasteur, la biotecnología se limitaba a la aplicación
de una experiencia práctica que se transmitía de generación en generación.
Con Pasteur, el conocimiento científico de las características de los microorganismos
comienza a orientar su utilización práctica, pero las aplicaciones industriales se
mantienen fundamentalmente como artesanales, con la excepción de unas pocas
áreas en la industria química y farmacéutica (como la de los antibióticos), en las
cuales se inicia la actividad de la corporación transnacional.
En todos estos casos, la innovación biotecnológica surgió en el sector productivo; en
cambio, los desarrollos de la nueva biotecnología se originan en los centros de
investigación, generalmente localizados en el seno de las universidades.
27
Las nuevas biotecnologías pueden agruparse en cuatro categorías básicas:
 Técnicas para el cultivo de células y tejidos.
 Procesos biotecnológicos, fundamentalmente de fermentación, y que incluyen
la técnica de inmovilización de enzimas.
 Técnicas que aplican la microbiología a la selección y cultivo de células y
microorganismos.
 Técnicas para la manipulación, modificación y transferencia de materiales
genéticos (ingeniería genética).
Aunque los cuatro grupos se complementan entre sí, existe una diferencia
fundamental entre los tres primeros y el cuarto. Los primeros se basan en el
conocimiento de las características y comportamiento y los microorganismos y en el
uso deliberado de estas características (de cada organismo en particular), para el
logro de objetivos específicos en el logro de nuevos productos o procesos. La enorme
potencialidad del último grupo se deriva de la capacidad de manipular las
características estructurales y funcionales de los organismos y de aplicación práctica
de esta capacidad para superar ciertos límites naturales en el desarrollo de nuevos
productos o procesos.
Desde un punto algo diferente, es posible agrupar las tecnologías que forman
parte de la biotecnología en los seis grupos siguientes:
 Cultivos de tejidos y células para: la rápida micropropagación "in vitro" de
plantas, la obtención de cultivos sanos, el mejoramiento genético por cruza
amplia, la preservación e intercambio de "germoplasma", la "biosíntesis" de
"metabolitos" secundarios de interés económico y la investigación básica.
 El uso de enzimas o fermentación microbiana, para la conservación de
materia primas definidas como sustratos en determinados productos, la
recuperación de estos productos, su separación de los caldos de
fermentación y su purificación final.
28
 Tecnología del "hibridoma", que se refiere a la producción, a partir de
"clones", de anticuerpos de acción muy específica que reciben el nombre de
anticuerpos "monoclonales".
 Ingeniería de proteínas, que implica la modificación de la estructura de las
proteínas para mejorar su funcionamiento o para la producción de proteínas
totalmente nuevas.
 Ingeniería genética o tecnología del "ADN", que consiste en la introducción
de un "ADN" híbrido, que contiene los genes de interés para determinados
propósitos, para capacitar a ciertos organismos en la elaboración de
productos específicos, ya sean estos enzimas, hormonas o cualquier otro tipo
de proteína u organismo.
 Bioinformática, que se refiere a la técnica basada en la utilización de
proteínas en aparatos electrónicos, particularmente sensores biológicos y
"bioships"; es decir, "microchips" biológicos, capaces de lógica y memoria.
A diferencia de la primera clasificación, que señala las técnicas propiamente tales, la
segunda se refiere también a las actividades económicas en las que se hace uso de
dichas tecnologías. La nueva biotecnología crea nuevos procesos y nuevos productos
en diversas áreas de la economía.
Como estos procesos se basan en los mismos principios, ya sea que se apliquen en
un sector económico o en otro, ello introduce cierto grado de flexibilidad, ya que
permite la movilidad entre diferentes sectores. Por ejemplo, los procesos de
fermentación pueden aplicarse para la producción, en gran escala, de alcohol o de
antibióticos como la penicilina, o en escalas menores para la producción de
aminoácidos o en la industria farmacéutica.
Esto facilita la movilidad de factores productivos y tiene impacto sobre la calificación
de la mano de obra, la cual, aun cuando deberá adaptarse a este nuevo perfil
tecnológico (tanto en términos cuantitativos como cualitativos) posiblemente logre al
mismo tiempo una mayor facilidad de empleo.
A nivel mundial el interés por la biotecnología es indudable, como se ve a través del
frecuente abordaje de tales temas en los periódicos, libros y medios de comunicación.
29
Algunos descubrimientos útiles serán una consecuencia directa del uso de las
técnicas de ingeniería genética que logren transferir determinados genes (a veces
incluso genes humanos) a un determinado microorganismo apropiado, para hacer el
producto que es precisamente requerido en el mercado. Determinadas proteínas
humanas y algunos enzimas requeridos en Medicina se conseguirán de esta forma,
en el futuro.
Otros muchos beneficios, serán el resultado de la fabricación mediante técnicas de
fermentación, de anticuerpos específicos para fines analíticos y terapéuticos. Estos
anticuerpos monoclonales se producirán mediante el crecimiento de células en
grandes tanques de cultivo, utilizando el conocimiento biotecnológico adquirido por el
cultivo de microorganismos en grandes fermentadores, como por ejemplo la
producción de antibióticos como la penicilina.
Se están desarrollando en la actualidad, importantes descubrimiento y aplicaciones
comerciales en cada uno de los campos de la Biotecnología, incluyendo las que
tienen lugar en las industrias de fermentación, la biotecnología de los enzimas y
células inmovilizadas, el tratamiento de residuos y la utilización de subproductos.
Aquellos procesos que resulten productivos serán útiles a la sociedad, atractivos para
la industria por motivos comerciales y en algunos casos recibirán el apoyo de los
respectivos gobiernos.
Una gran potencialidad de la biotecnología se da en el campo de la investigación y el
desarrollo científico, ya que proporciona herramientas que permiten una mejor
comprensión de los procesos fisiológicos, por ejemplo, del sistema inmuno-defensivo,
o que reducen, en forma considerable, los plazos de la I y D, facilitando así los
procesos de innovación tecnológica.
A su vez, con el advenimiento de nuevas técnicas en el campo biológico, la actividad
en este campo tiende a hacerse cada vez más científica y menos empírica,
acentuándose así las características de intensidad científica propias de la
biotecnología. Resulta claro que siendo la biotecnología un sistema de diversas
innovaciones científico-tecnológicas interrelacionadas, no todas ellas evolucionan al
mismo ritmo.
30
Las condiciones de mercado, las expectativas de beneficios, aspectos organizativos y
de gestión, entre otros, favorecen la rápida puesta en marcha y difusión de algunas de
estas tecnologías, relegando a otras.
La literatura sobre la innovación tecnológica acostumbra distinguir entre aquellas
innovaciones que surgen como respuesta a una situación de mercado, y a
expectativas de beneficios económicos, de aquéllas que se originan en el área como
resultado de un proceso continuo y acumulativo de desarrollo científico-tecnológico.
En el primer caso se habla de "demand or market-pull" y en el segundo, de
"technological-push".
Ha sido frecuente, en los últimos tiempos, señalar el láser y la biotecnología como
ejemplos del segundo tipo de innovación. Es decir, descubrimientos científicos a los
que se arriba sin una aplicación específica predeterminada en mente, pero que luego
encuentran una gama considerable de aplicaciones prácticas.
Sin embargo, pareciera más correcto considerar ambos factores, el inherente proceso
científico-tecnológico y aquél que corresponde a incentivos económicos, como
complementarios. Así, en el caso de la biotecnología, aun cuando ésta nace en el
ámbito de las muchas aplicaciones posibles, las que se desarrollan primero son
aquellas que ofrecen expectativas de importantes beneficios económicos en un plazo
más o menos breve.
En la agricultura, la biotecnología se orienta a la superación de los factores limitantes
de la producción agrícola a través de la obtención de variedades de plantas tolerantes
a condiciones ambientales negativas (sequías, suelos ácidos), resistentes a
enfermedades y pestes, que permitan aumentar el proceso fotosintético, la fijación de
nitrógeno o la captación de elementos nutritivos. También se apunta al logro de
plantas más productivas y/o más nutritivas, mediante la mejora de su contenido
proteínico o aminoácido.
Un desarrollo paralelo es la producción de pesticidas (insecticidas, herbicidas y
fungicidas) microbianos.
Las
técnicas
que
ya
se
emplean,
o
que
están
desarrollándose, van desde los cultivos de tejidos, la fusión protoplasmática, el cultivo
in vitro de "meristemos", la producción de nódulos de "rhizobium" y "micorrizas", hasta
31
la ingeniería genética para la obtención de plantas de mayor capacidad fotosintética,
que puedan fijar directamente nitrógeno, resistentes a plagas y pestes, etc.
El cultivo de tejidos consiste en la regeneración de plantas completas a partir de una
masa amorfa, de células, que se denomina "callo". En su forma más general, se
aplica a todo tipo de cultivo "in vitro", desde simples unidades indiferenciadas hasta
complejos multicelulares y órganos.
El proceso consiste en la incubación, en condiciones controladas y asépticas, de una
célula o parte de un tejido vegetal (hoja, tallo, raíz, embrión, semilla, "meristemo",
polen, etc.) en un medio que contiene elementos nutritivos, vitaminas y factores de
crecimiento.
Las aplicaciones de esta técnica se dan en tres áreas fundamentales: a) rápida
micropropagación "in vitro" de plantas, b) desarrollo "in vitro" de variedades mejoradas
y c) producción de "metabolitos" secundarios de interés económico para el cultivo de
células de plantas. En el primer grupo se incluye el cultivo "in vitro" de "meristemos",
que permiten la micropropagación de material de siembra uniforme y sano, y el cultivo
de anteras, de gran utilidad al permitir la reducción del tiempo necesario en la
selección de genes, y por lo tanto de gran ayuda en las técnicas tradicionales de
hibridación. También incluye el cultivo y la fusión de "protoplastos", el cultivo de
embriones, la mutación somática, etc.
Las ventajas principales del cultivo "in vitro" de plantas son: a) rápida reproducción y
multiplicación de cultivos; b) obtención de cultivos sanos, libres de virus y agentes
patógenos; c) posibilidad de obtener material de siembra a lo largo de todo el año (no
estar sujetos al ciclo estacional); d) posibilidad de reproducir especies de difícil
reproducción o de reproducción y crecimientos lentos; e) facilita la investigación y
proporciona nuevas herramientas de gran utilidad en otras técnicas como la del
"rADN", y f) mejora las condiciones de almacenamiento, transporte y comercialización
de germoplasma, facilitando su transferencia internacional.
Algunas de las técnicas aplicadas son ya prácticamente de dominio público y tienen
además costos relativamente bajos. Como ejemplo puede mencionarse los cultivos de
32
tejidos, ampliamente utilizados para la producción de plantas ornamentales y con
enorme potencial en plantas tropicales como la yuca, la palma de aceite, la patata
dulce, el banano, la papaya, etc.
En forma similar, la producción de "inóculos" de "rhizobium" es una actividad
ampliamente utilizada en el cultivo de la soya en los Estados Unidos, Australia y
Brasil, y que prácticamente ha eliminado la utilización de fertilizantes químicos en este
cultivo.
Un aspecto que es importante de destacar en el desarrollo de la biotecnología
agrícola, es que tanto los procesos como los productos que se utilizan como insumos,
están fuertemente condicionados por las características ecológicas, climáticas y
geográficas, así como por la diversidad biológica y genética de cada área o región.
Por lo tanto, el desarrollo biotecnológico aplicado a la agricultura tiene que ser llevado
a cabo in situ. Por ejemplo, es sabido que cada especie de leguminosa existe una
bacteria de "rhizobium" específica. Más aún, estas bacterias tienden a ser, además,
específicas respecto de condiciones ecológicas y climáticas particulares, de tal
manera que para cada leguminosa se necesita no sólo el "inóculo" de una bacteria
determinada, sino que también esa bacteria se adapte a las condiciones ambientales
en las cuales la leguminosa se cultiva.
Así los "inóculos" de "rhizobium" que se utiliza para los cultivos de soya en los
Estados Unidos no son efectivos en los cultivos de soya en Brasil, ya que las
características de los suelos, la temperatura y la humedad difieren. La producción de
"inóculos" debe realizarse en el lugar y para el producto para el cual se van a utilizar.
La magnitud del mercado potencial agrícola para la biotecnología es, en gran medida,
materia de especulación debida precisamente a la falta de un conocimiento detallado
de muchas de estas condiciones locales. En este campo, la biotecnología está
orientada a la utilización en gran escala de "biomasa" para la producción de materias
primas orgánicas, que actualmente se obtienen mediante procesos químicos
convencionales. Las ventajas son que la "biomasa" es un recurso altamente
33
subutilizado y relativamente barato., ya que en gran parte esta constituido por
residuos y desechos de plantaciones forestales y de cultivos en gran escala.
Es además un recurso renovable. Las principales fuentes potencialmente disponibles
para la producción tanto de etanol como de otros productos químicos a granel son
(aparte de las melazas de la caña) cultivos como la yuca, el sorgo, las papas y el
maíz; los sueros de la industria de la leche; los residuos de las plantaciones de café y,
en general, todo tipo de residuo celuloso.
Actualmente la biotecnología está siendo aplicada en gran escala en la producción de
alcohol (etanol), como combustible sustituto del petróleo, fundamentalmente en el
Brasil y en menor medida en Estados Unidos y la India. En el Brasil, la producción se
logra a partir de melazas de la caña de azúcar, mientras que en Estados Unidos se
usa el maíz. Otro producto importante es el ácido cítrico. Los principales productores
son los Estados Unidos, Italia, Bélgica y Francia. Utilizan como materia prima melazas
de remolacha.
La importancia que tiene cada una de las aplicaciones mencionadas es incuestionable
desde el punto de vista económico. Como ejemplos concretos cabe mencionar las
aplicaciones ya realizadas para la micropropagación de cultivos sanos de yuca, el
desarrollo en curso de sistemas de reproducción para la palma africana (palma de
aceite), el creciente comercio internacional de plantas ornamentales, la producción de
material sano de patata y el creciente intercambio de "germoplasma". Por lo que
respecta a la mayor rapidez en la obtención de híbridos, se han indicado las
siguientes cifras: una nueva especie de tomate que por cruza tradicional se obtiene en
un plazo de 7-8 años, por variación "somaclonal" se puede obtener en 3-4 años; en el
caso de la caña de azúcar, el plazo se reduce de 14 a 7 años.
Las diferentes técnicas de cultivo de tejidos están en distintas fases de desarrollo;
algunas como el tejido "meristemático", ya han sido ampliamente aplicadas para la
obtención de cultivos sanos y libres de virus (caso yuca, por ejemplo).
34
Otras técnicas tienen una maduración más lenta y su aplicación es de más largo
plazo. Las técnicas de cultivo de tejidos se pueden clasificar, según la fecha de su
aplicación en actividades económicas, en las siguientes categorías: Aplicaciones de
corto plazo (dentro de los tres años) Aplicaciones de mediano plazo (dentro de los
próximos ocho años) Aplicaciones de largo plazo (no antes de los próximos ocho
años)
Propagación
vegetativa
Variación
"somaclonal"
Hibridización
somática
Eliminación de enfermedades Variación "gametoclonal" Líneas celulares mutantes
Intercambio de germoplasma Cultivos de embriones Transferencia de cromosomas
Transferencia de genes pro cruza amplia Fertilización "in vitro" Ingeniería genética
molecular Cultivo de anteras y "haploidea"
Otra aplicación económica importante, aun cuando es de más largo plazo, es la
obtención de "metabolitos" secundarios por cultivo celular. Hay cuatro grupos
importantes de "metabolitos" secundarios: a) aceites esenciales, que se emplean
como sazonadores, perfumes y solventes; b) glucósidos: "saponinas", aceite de
mostaza para colorantes; c) alcaloides tales como morfina, cocaína, atropina, etc. de
gran utilidad en la producción de fármacos, de los que se conocen más de 4000
compuestos, la mayoría de origen vegetal; d) enzimas: "hidrolasas", "proteasas",
"amilasas", "ribonucleasas".
La obtención por procesos tradicionales de estos productos es ineficiente, estando
sujeta a las variaciones estacionales y/o climáticas, dificultades de conservación y
transporte, falta de homogeneidad del producto obtenido, etc. Frente a estos
inconvenientes, el cultivo celular ofrece la posibilidad de un suministro regular de un
producto homogéneo y sobre todo la perspectiva de lograr buenos rendimientos, dado
que las plantas pueden ser "manipuladas" y su crecimiento es controlado.
El cultivo celular permite la "rutinización" típica de las actividades industriales y por lo
tanto la optimización de las operaciones. Finalmente, se vislumbra también la
posibilidad de obtener nuevos compuestos por medio del cultivo celular. Para ello se
prevén dos enfoques diferentes: a) el aislamiento de un cultivo capaz de alto
35
rendimiento y b) el cultivo celular en gran escala y la obtención industrial de
determinados productos.
2.0 La célula
2.1 Estructura y especialización celular
La mayoría de las células que constituyen el cuerpo de una planta o de un animal
miden entre 10 y 30 micrómetros de diámetro. La principal restricción al tamaño de la
célula es la que impone la relación entre el volumen y la superficie. Las sustancias
como el oxígeno, el dióxido de carbono, los iones, los nutrientes y los productos de
desecho que entran y salen de una célula viva deben atravesar su superficie,
delimitada por una membrana.
Estas sustancias son los materiales simples y los productos del metabolismo celular
que representa el total de las actividades químicas en las que se encuentra
comprometida una célula. Cuanto más activo es el metabolismo celular, más
rápidamente deben intercambiarse los materiales con el ambiente para que la célula
siga funcionando.
En células grandes, la relación superficie-volumen es menor que en células más
chicas, es decir, las células de mayor tamaño disponen de una superficie de
intercambio con el medio ambiente proporcionalmente menor.
El cubo de 4 centímetros, los ocho cubos de 2 centímetros y los sesenta y cuatro
cubos de 1 centímetro, tienen el mismo volumen total. Sin embargo, a medida que el
volumen se divide en unidades más pequeñas, la cantidad total de superficie se
incrementa al igual que la relación superficie a volumen. Por ejemplo, la superficie
total de los sesenta y cuatro cubos de 1 centímetro es 4 veces mayor que la superficie
del cubo de 4 centímetros y la relación superficie a volumen en cada cubo de 1
centímetro es 4 veces mayor que la del cubo de 4 centímetros. Ver figura 2.1.
De modo similar, las células más pequeñas tienen una mayor relación de superficie a
volumen que las células más grandes. Esto significa, no sólo más superficie de
membrana a través de la cual los materiales pueden entrar en la célula o salir de ella,
36
sino también menos materia viva para atender y distancias más cortas a recorrer por
los materiales en el interior de la célula.
Figura 2.1. La relación superficievolumen en función del tamaño
celular.
2.2 Tipos celulares
Se llama procariota (del griego πρό, pro = antes de y κάρυον, karion = núcleo) a las
células sin núcleo celular diferenciado, es decir, cuyo ADN se encuentra disperso en
el citoplasma. Las células que sí tienen un núcleo dentro del citoplasma se llaman
eucariotas. Las formas de vida más conocidas y complejas, las que forman el imperio
o dominio Eukarya, son eucarióticas.
Casi sin excepción los organismos basados en células procariotas son unicelulares,
formados por una sola célula. Además, el término procariota hace referencia a los
organismos del imperio Prokaryota, cuyo concepto coincide con el reino Monera de
las clasificaciones de Copeland o Whittaker que, aunque obsoletas, son aún muy
populares. Se reparten entre los dominios Bacteria y Archaea.
2.2.1 Clasificación actual de los seres vivos
Estudiando los ácidos nucleicos, especialmente el ARN ribosómico, se ha
comprobado que se pueden clasificar los seres vivos en solo tres grupos o dominios.
Esta técnica se denomina filogenia molecular, y tiene una gran utilidad para
37
establecer las relaciones de parentesco entre taxones de seres vivos, basándose en
la similitud genética existente entre estos (Figura 2.2).
Los tres macro grupos o dominios establecidos por la filogenia molecular son:
Archaea, que reúne a las arqueobacterias; Bacteria, que comprende a las
eubacterias; y Eucarya, que incluye a todos los seres eucariotas.
Árbol filogenético universal se ha construido a partir de la comparación de las
secuencias de los RNA ribosómicos 16S y 18S.
Figura 2.2.
Fuente: http://rdp.cme.msu.edu.
Las células procariotas comprenden los dominios Bacteria y las Archea. Aunque las
distintas especies de Bacteria y Archea comparten una estructura celular de tipo
procariótico, se diferencian notablemente entre sí por su historia evolutiva.
38
2.2.2 El árbol de la vida.
Cabe preguntarse si la estructura celular es reflejo de una relación evolutiva. La
respuesta a este pregunta es “si” y “no”. Los vínculos evolutivos entre las formas de
vida son el objeto de estudio de la ciencia de la filogenia. Por una parte se puede
afirmar que todas las células procarióticas conocidas son distintas filogenéticamente
de las eucariotas. Por otra parte parece claro que no todas las células procarióticas
están relacionadas entre sí en un sentido evolutivo. Se llegó a esta conclusión tras
estudios de evolución molecular en procariotas, específicamente de las relaciones
filogenéticas deducidas después de comparar las secuencias de macromoléculas
esenciales.
Los
cronómetros
excelentes
de
la
relación
evolutiva
son
las
macromoléculas ribosómicas, en especial los RNAs ribosómicos.
Como todos los organismos contienen ribosomas y por tanto RNA ribosómico, este
tipo de moléculas se pueden usar y de hecho se han usado para construir un árbol
filogenético para todas las formas de vida procarióticas y eucariótica. Carl Woese, un
microbiólogo estadunidense, fue el primero en advertir la posibilidad de emplear el
RNA ribosómico como instrumento idóneo para establecer relaciones filogenéticas. La
tecnología utilizada en estas estimaciones es ya una práctica rutinaria y se resume en
el siguiente esquema (figura 2.3).
39
Secuenciación del gen del RNA ribosómico y filogenia
Figura 2.3
Fuente: Brock, 2010
(a). Las células procedentes de un cultivo axénico, o de una muestra de un ambiente
natural, se rompen o lisan; (b). Se aísla al gen que codifica al RNA ribosómico y
producen luego muchas copias por la llamada técnica de la reacción en cadena de la
polimerasa, abreviadamente “PCR” (c). El gen es secuenciado, y (d). Las secuencias
obtenidas
se
alinean
por
computadora.
Un
programa
informático
realiza
comparaciones por pares y genera un árbol (e). Se reflejan las diferencias en la
secuencia del RNA ribosómico del organismo analizado.
Se han identificado tres líneas celulares filogenéticamente distintas a partir de la
comparación de las secuencias del RNA ribosómico, dos de éstas líneas contienen
sólo procariotas, mientras la tercera está compuesta por eucariotas.
Estas líneas evolutivas, conocidas como dominios evolutivos son: Bacteria, Archaea
y Eukarya. Figura 2.4
Se supone que en los comienzos de la historia de la vida sobre la tierra, estos
dominios surgieron por divergencia a partir de un organismo antecesor común, el
“antecesor universal”
40
Árbol filogenético de la vida construido a partir de la comparación de las
secuencias de del RNA ribosómico
Figura 2.4.
Fuente: Brock, 2010
El árbol está formado por tres dominios de organismos: Bacteria y Archaea, que
presentan células procarióticas, y Eukarya
(células eucarióticas). Se indican
solamente unos cuantos grupos de organismos dentro de cada dominio. El grupo
sombreado en rosa son macroorganismos. El resto de los organismos en el árbol de
la vida son microorganismos.
Además de mostrar claramente que no todos los procariotas están relacionados
filogenéticamente, el árbol de la vida pone de manifiesto otro hecho evolutivo
importante: Las especies de Archaea están más relacionados con los Eucariotas que
con las especies del dominio Bacteria. Este hecho, en apariencia sorprendente, ha
recibido un considerable apoyo de los estudios comparativos realizados con otras
macromoléculas de especies de cada uno de los tres dominios. Tres micrografías de
este tipo de células se pueden observar en la figura 2.5
41
Micrografías electrónicas de
organismos vivos.
células de cada uno de los tres dominios de
Figura 2.4
Fuente: Brock, 2010
(a) Heliobacterium domesticaldum (dominio Bacteria); la célula mide 1 x 3 µm.
(b) Methanopyrus kandleri (dominio Archaea); la célula mide de 0,5 x 4 µm.
(c). Saccharomyces cerevisae (dominio Eukaria); la célula mide 8 µm de diámetro.
Por tanto, la diversidad evolutiva a partir del antecesor común parece que fue en dos
direcciones, hacia Bacteria por un lado y hacia “otra cosa” por otro lado, y que esta
última finalmente se diversificó dando origen a los dominios independientes de
Archaea y Eukarya.
2.3 Diversidad bioquímica y metabólica de las células procariotas.
El metabolismo de los procariotas es enormemente variado, a diferencia de los
eucariotas, y muchos resisten condiciones ambientales sorprendentes por lo extremas
en parámetros como la temperatura o la acidez.
Cuando se considera la diversidad de los metabolismos, se observa que en toda su
extensión es propia de los procariontes, y que la diversidad metabólica de los
eucariontes es sólo un subconjunto de la anterior. Ver Figura 2.5.
42
Estructura celular de una bacteria procariota
Figura 2.5
Fuente: Curtis, 2005
Si en eucariontes encontramos diferencias metabólicas importantes, como la que
distingue a los fotoautótrofos de los heterótrofos, o la que hay entre anaerobios y
aerobios, es solamente porque portan distintos orgánulos de origen endosimbiosis,
como plastos, mitocondrias o hidrogenosomas, procedentes de distintos procariontes.
Son células sin núcleo. La zona de la célula donde está el ADN no está limitada por
membrana alguna. Actualmente están divididas en dos grupos:
● Eubacterias, que poseen paredes celulares formadas por peptidoglicano o por
mureína. Incluye a la mayoría de las bacterias y también a las cianobacterias.
● Arqueobacterias, que utilizan otras sustancias para constituir sus paredes
celulares. Son todas aquellas características que habitan en condiciones extremas
como manantiales sulfurosos calientes o aguas de salinidad muy elevada
2.4 Evolución Celular.
No está aceptado que las células procariotas del dominio Archaea fueron las primeras
células vivas, aunque se conocen fósiles de hace 3500 millones de años. Después de
su aparición, han sufrido una gran diversificación. Su metabolismo es lo que más
diverge, y causa que algunas procariotas sean muy diferentes a otras.
43
Se cree que todos los organismos que existen actualmente derivan de una forma
unicelular procariótica. A lo largo de un lento proceso evolutivo, hace unos 1500
millones de años, las procariotas derivaron en células más complejas, las eucariotas,
probablemente por la combinación en una sola célula o más procarióticas.
2.5 Célula Eucariotica
En las células eucariotas el núcleo está rodeado por una membrana nuclear, mientras
que en las procariotas no existe dicha membrana, por lo que el material nuclear está
disperso en el citoplasma que suele tener una forma redondeada, o elíptica en las
células prismáticas, en el centro de la célula y mantiene casi siempre esta posición.
El núcleo de una célula normal puede presentarse en dos formas distintas, según sea
el estadio en que se halle la propia célula. Al comenzar la división celular o mitosis se
distinguen en el núcleo unos corpúsculos característicos, susceptibles de ser
coloreados, son los cromosomas, portadores de los factores hereditarios o genes.
Cuando la célula permanece sin dividirse (periodo interfase), el núcleo presenta una
estructura interna filamentosa, poco visible al microscopio óptico, en la que destaca
un orgánulo denominado nucléolo.
Los cromosomas contenidos en el núcleo, llevan a cabo la trasmisión de información
genética de una célula a otra, sin modificarla ni empobrecerla, se realiza propiamente
en el momento de la división celular, que es consecuentemente el de la división del
núcleo. Esta división, la mitosis, provoca un importante cambio de forma en el núcleo,
que se presenta al microscopio bajo la forma de los llamados cromosomas.
Son unos a modo de bastoncillos, curvos o en forma de V, que en el curso de la
mitosis aparecen siempre claramente diferenciados e individualizados. No se conoce
todavía de modo exacto la estructura de cada cromosoma, pero se supone que cada
uno de ellos consta de una o varias dobles hélices de ADN, varias veces envueltas
sobre sí mismas. El número de cromosomas de cada célula es constante para cada
especie, pero se reduce a la mitad en las células germinales o gametos. En razón de
este fenómeno, a estas células se las llama haploide, frente a la denominación de
diploides que tienen su juego de cromosomas completo. En la figura 2.6 se presenta
una célula eucariotica fotosintética poco usual.
44
La Chlamydomonas, célula eucariotica fotosintética que contiene un núcleo
"verdadero”
Figura 2.6
Fuente: Curtis, 2005
El nucléolo. Es un pequeño orgánulo, fácilmente distinguible con el microscopio
óptico debido a su tamaño (1 a 7 micrómetros de diámetro).
Su tamaño y su morfología son no obstante, variables en función de la especie, del
tipo celular y del estado fisiológico de la célula.
Tienen forma redondeada, que desaparece durante la división celular, pero mantiene
contacto con regiones definidas de algunos cromosomas. En realidad, el nucléolo es
elaborado por los cromosomas, y contiene principalmente proteínas, ARN, lípidos y
algunos enzimas. Ver figura 2.7
45
Esquema de célula eucariota de una hoja de maíz
Figura 2.7
Fuente: Curtis, 2005
2.6 Movimiento del Agua y los Solutos
Hay dos mecanismos involucrados en el movimiento del agua y de los solutos a nivel
celular: el flujo global y la difusión. En los sistemas vivos, el flujo global mueve
agua y solutos de una parte de un organismo multicelular a otra, mientras que la
difusión mueve moléculas e iones hacia dentro, hacia fuera y a través de la célula. Un
caso particular de difusión, el del agua a través de una membrana que separa
soluciones de diferente concentración, se conoce como osmosis.
El flujo global es el movimiento general, en grupo, de las moléculas de agua y solutos
disueltos, como, por ejemplo, cuando el agua fluye en respuesta a la gravedad o a la
presión.
La circulación de la sangre a través del cuerpo humano es otro ejemplo de flujo
global. La difusión implica el movimiento al azar de moléculas individuales o de iones
y resulta en el movimiento neto a favor de un gradiente de concentración. Este
proceso es más eficiente cuando el área superficial es mayor con relación al volumen,
cuando la distancia implicada es corta y cuando el gradiente de concentración es
pronunciado.
46
Por sus actividades metabólicas, las células mantienen pronunciados gradientes de
concentración de muchas sustancias. La velocidad de movimiento de sustancias
dentro de las células también se incrementa por corrientes citoplasmáticas.
La difusión es el resultado del movimiento individual al azar de las moléculas (o
iones). Produce un movimiento neto de partículas desde la región con mayor
concentración a la región con menor concentración.
Este movimiento es a favor del gradiente de concentración. Obsérvese que en la
figura 2.8, las moléculas de colorante (en rojo) difunden hacia la derecha, mientras
que las de agua (en azul) difunden hacia la izquierda. El resultado final es una
distribución uniforme de ambos tipos de moléculas.
Proceso de difusión al añadir una gota de colorante en un recipiente con agua
Figura 2.8
Fuente: Curtis, 2005
(a). Una sección del volumen del recipiente se amplía en (b), mostrando la posición de
las moléculas de agua y colorante en tres momentos distintos.
47
2.7 Osmosis.
La ósmosis es la difusión del agua a través de una membrana, que permite el paso de
agua, pero que impide el movimiento de la mayoría de los solutos; se dice que esta
membrana es selectivamente permeable. La ósmosis da como resultado la
transferencia neta de agua de una solución que tiene un potencial hídrico mayor a una
solución que tiene un potencial hídrico menor.
La palabra isotónico fue acuñada para describir dos o más soluciones que tienen el
mismo número de partículas disueltas por unidad de volumen y, por lo tanto, el mismo
potencial hídrico. No hay movimiento neto de agua a través de una membrana que
separe dos soluciones isotónicas, a menos, por supuesto, que se ejerza presión
sobre uno de sus lados.
En ausencia de otras fuerzas, el movimiento neto de agua en la ósmosis ocurre de
una región de menor concentración de soluto (medio hipotónico) y, por lo tanto, de
mayor potencial hídrico, a una región de mayor concentración de soluto (medio
hipertónico) y, por consiguiente, de menor potencial hídrico.
La difusión del agua no se ve afectada por qué cosa está disuelta en ella sino
solamente por cuánto se encuentra disuelto, o sea, por la concentración de partículas
de soluto (moléculas o iones) en el agua.
El movimiento osmótico de agua a través de la membrana celular causa algunos
problemas cruciales a los sistemas vivos. Estos problemas varían según si el
organismo o la célula son hipotónicos, isotónicos o hipertónicos con relación a su
ambiente. Los organismos unicelulares que viven en los mares, por ejemplo,
habitualmente son isotónicos respecto al medio salino en el que habitan y no
presentan problemas de pérdida o ganancia de agua.
Las células de la mayoría de los invertebrados marinos también son isotónicas
respecto al agua de mar. De modo semejante, las células de los invertebrados son
isotónicas con la sangre y la linfa, que constituyen el medio acuoso en el que esas
células viven. Sin embargo, muchos tipos de células viven en un ambiente hipotónico
48
y el agua que los rodea tiende a penetrar en la célula por ósmosis. Si entrara
demasiada agua en la célula, podría diluir los contenidos celulares hasta el punto de
interferir con las funciones biológicas y podría, finalmente, romper la membrana
celular. En el Paramecium, existe una organelo especializado, la vacuola contráctil,
que evita que esto ocurra ya que recoge agua de varias partes de la célula y la
bombea hacia fuera con contracciones rítmicas. Este proceso de transporte global
consume energía.
La turgencia de las células vegetales es también una consecuencia de la ósmosis. La
presencia del soluto disminuye el potencial hídrico y así se crea un gradiente de
potencial hídrico a lo largo del cual difunde el agua.
2.8 Transporte Mediado por Proteínas
El agua y otras moléculas hidrofílicas excluyen a los lípidos y a otras moléculas
hidrofóbicas. Las moléculas hidrofóbicas excluyen a las hidrofílicas. Este
comportamiento de las moléculas, determinado por la presencia o ausencia de
regiones polares o cargadas, es de importancia fundamental en la capacidad de las
membranas celulares para regular el pasaje de materiales hacia dentro y hacia fuera
de las células y de las organelas.
Las membranas celulares están formadas por una bicapa lipídica, en cuyo interior
confluyen las colas hidrofóbicas de las moléculas de lípidos.
Este mar lipidio interior es una barrera formidable para los iones y la mayoría de las
moléculas hidrofílicas, pero permite el pasaje fácil de moléculas hidrofóbicas, tales
como las hormonas esteroides. Así, la composición físico-química de la membrana
celular es la que determina qué moléculas pueden atravesarla libremente y qué
moléculas no. Ver figura 2.9.
Las moléculas no polares pequeñas atraviesan libremente una bicapa lipídica. Las
moléculas polares relativamente grandes sin carga, o los pequeños iones (con carga)
no pueden atravesar el interior hidrofóbico. El agua y otras moléculas polares
pequeñas y sin carga difunden a través de la bicapa.
49
Permeabilidad de una bicapa lipídica
Figura 2.9
Fuente: Curtis 2005
La mayoría de las moléculas orgánicas de importancia biológica tienen grupos
funcionales polares y, por lo tanto, son hidrofílicas; a diferencia del dióxido de
carbono, el oxígeno y el agua, ellas no pueden atravesar libremente la barrera lipídica
por difusión simple.
De modo similar, los iones que son de importancia crucial en la vida de la célula no
pueden difundir a través de la membrana. Aunque los iones individuales, como el
sodio (Na+) y el cloruro (Cl-), son bastante pequeños, en solución acuosa se
encuentran rodeados por moléculas de agua y, tanto el tamaño como las cargas de
los agregados resultantes impiden que los iones se deslicen a través de las aberturas
momentáneas que sí permiten el pasaje de las moléculas de agua.
El transporte de estos agregados y de todas las moléculas hidrofílicas, excepto las
muy pequeñas, depende de proteínas integrales de membrana que actúan como
transportadores, transfiriendo a las moléculas hacia uno y otro lado de la membrana
sin que entren en contacto con su interior hidrofóbico.
2.9 Proteínas de Transporte
Se pueden distinguir dos tipos principales de proteínas de transporte: las llamadas
proteínas transportadoras o carrier
y las proteínas formadoras de canales
(canales iónicos).
50
Las proteínas "carrier" que se encuentran en la membrana plasmática o en la
membrana que rodea a las organelos son altamente selectivas. Lo que determina
qué moléculas puede transportar es la configuración de la proteína, o sea, su
estructura terciaria o, en algunos casos, cuaternaria.
Aunque en el curso del proceso del transporte la proteína sufre típicamente cambios
en la configuración, esa alteración no es permanente.
Las proteínas "carrier" son muy similares a las enzimas, que son también altamente
selectivas en cuanto a las moléculas con las que interactúan y no se alteran
permanentemente por esas interacciones.
El modelo actual del mecanismo de transporte llevado a cabo por proteínas carrier
sugiere que la proteína transportadora se une específicamente a la molécula a
transportar y sufre cambios temporales en su configuración provocados, en general,
por la unión misma del soluto. Son estos cambios conformacionales los que permiten
la transferencia del soluto a través de la membrana. Ver Figura 2.9.1
Las proteínas carrier se unen al soluto y sufren cambios conformacionales al
transferirlo al otro lado de la membrana
Figura 2.9.1
Fuente: Curtis 2005
Hay tres tipos de proteínas carrier: las del sistema uniporte, simporte y antiporte. En el
sistema de transporte más simple, conocido como uniporte, un soluto en particular se
mueve directamente a través de la membrana en una dirección.
51
En el tipo de cotransporte conocido como simporte dos solutos diferentes se mueven
a través de la membrana, simultáneamente y en el mismo sentido. Frecuentemente,
un gradiente de concentración, que involucra a uno de los solutos transportados,
impulsa el transporte del otro; por ejemplo, un gradiente de concentración de iones
Na+ frecuentemente impulsa el cotransporte de moléculas de glucosa. En otro tipo de
sistema de cotransporte, conocido como antiporte, dos solutos diferentes se mueven
a través de la membrana, simultánea o secuencialmente en sentidos opuestos. La
bomba Na+ - K+ es un ejemplo de sistema de cotransporte que implica un antiporte.
Las proteínas que forman canales no se unen al soluto, sino que forman poros
hidrofílicos que atraviesan la membrana permitiendo exclusivamente el pasaje de
iones (canales iónicos); el tipo de ion se selecciona de acuerdo al tamaño y a la
carga.
Los canales iónicos se encuentran generalmente cerrados con una especie de
"compuerta", que impide el pasaje de iones por el poro. Los canales pueden abrirse
por un intervalo de tiempo breve como respuesta a distintos tipos de estímulos,
permitiendo el pasaje de un ion específico a través de la membrana.
2.9.1 Difusión Facilitada
Las proteínas canal y muchas proteínas "carrier" sólo pueden trasladar sustancias a
través de la membrana en forma pasiva. Este pasaje mediado por proteínas se
conoce como difusión facilitada.
La glucosa, por ejemplo, es una molécula hidrofílica que entra en la mayoría de las
células por difusión facilitada. Dado que la glucosa se degrada rápidamente cuando
entra en una célula, se mantiene un marcado gradiente de concentración entre el
interior y el exterior. Sin embargo, cuando en el medio circundante hay un número
muy grande de moléculas de glucosa, la velocidad de entrada no se incrementa más
allá de un cierto punto; alcanza un pico y luego permanece estacionaria en ese nivel.
Este límite a la velocidad de entrada es el resultado del número limitado de moléculas
de la proteína de transporte específica de la glucosa que existe en la membrana
celular.
52
El pasaje de iones a través de canales iónicos es más rápido que a través de las
proteínas "carrier", ya que no requiere la unión del ion con la proteína del poro.
Durante el intervalo de tiempo en que el canal se encuentra abierto, los iones
difunden rápidamente a favor de su gradiente electroquímico. Esta característica de
los canales iónicos es fundamental en la transmisión de señales eléctricas -impulso
nervioso- en el sistema nervioso.
Tanto la difusión facilitada como la difusión simple son impulsadas por un gradiente
de potencial químico. Las moléculas sin carga son transportadas simplemente a favor
del gradiente, desde una región de mayor concentración a una de concentración
menor. Pero, si el soluto transportado tiene carga neta (iones) su transporte no sólo
depende de su gradiente de concentración sino también de la diferencia de potencial
eléctrico a través de la membrana (diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la
membrana debida a la distribución desigual de iones).
La fuerza total que mueve el soluto en este caso es la resultante de la combinación de
ambos gradientes: el eléctrico y el químico. El gradiente resultante se denomina
gradiente electroquímico. Casi todas las membranas plasmáticas tienen una
diferencia de potencial eléctrico, llamado potencial de membrana, en el que el lado
citoplasmático de la membrana es negativo respecto al lado externo. Ver Figura 2.9.2
Modelo de Bomba sodio - potasio
Figura 2.9.2
Fuente: Curtis, 2005
a. un ion Na+ proveniente del citoplasma se inserta con precisión en la proteína
de transporte.
53
b. Luego, una reacción química que involucra al ATP une un grupo fosfato (P) a la
proteína, liberándose ADP (difosfato de adenosina). Este proceso da como
resultado
c. un cambio en la conformación de la proteína que hace que el Na+ sea liberado
afuera de la célula.
d. Un ion K+ en el espacio extracelular se inserta en la proteína de transporte, que
en esta conformación ofrece una mejor acopladura para el K+ que para el Na+.
e. El grupo fosfato luego se libera de la proteína, induciendo la conversión a la
otra forma, y el ion K+ es liberado en el citoplasma. Ahora, la proteína está lista
una vez más para transportar Na+ hacia fuera de la célula.
Para mayor claridad, se muestran en la figura solamente dos iones. Los estudios
cuantitativos, sin embargo, han mostrado que cada secuencia de bombeo completo
transporta tres iones Na+ hacia fuera y dos iones K+ hacia el interior de la célula. De
esta forma, la actividad de la bomba de Na+ / K+ contribuye a generar parte del
potencial eléctrico de membrana en las células animales.
La bomba de sodio-potasio está presente en todas las células animales. La mayoría
de las células mantienen un gradiente de concentración de iones sodio (Na+) y potasio
(K+) a través de la membrana celular: el Na+ se mantiene a una concentración más
baja dentro de la célula y el K+ se mantiene a una concentración más alta.
El bombeo de iones Na+ y K+ es llevado a cabo por una proteína transportadora
("carrier"), que existe en dos configuraciones alternativas. Una configuración tiene una
cavidad que se abre al interior de la célula, en la cual encajan los iones Na+; la otra
tiene una cavidad que se abre hacia fuera, en la cual encajan los iones K+. El Na+
dentro de la célula se une a la proteína de transporte.
Simultáneamente, una reacción que involucra al ATP, libera energía y da como
resultado que un grupo fosfato se una a la proteína. Esto provoca un cambio de la
proteína a la configuración alternativa y la liberación del Na+ en el lado externo de la
membrana. Ahora, la proteína de transporte está lista para captar K+, lo cual da como
54
resultado la liberación del grupo fosfato de la proteína, haciendo que ésta vuelva, así,
a la primera configuración y libere al K+ en el interior de la célula.
Como puede verse, este proceso generará un gradiente de iones Na+ y K+ a través de
la membrana. La bomba de sodio-potasio, al regular el pasaje de estos iones, controla
el volumen de las células animales. El gradiente generado por la bomba tiene
asociada una energía potencial eléctrica que puede ser aprovechada en el transporte
activo de otras sustancias que deben atravesar la membrana contra gradiente de
concentración.
La difusión facilitada, al igual que la difusión simple discutida previamente, es un
proceso pasivo que no requiere despliegue energético por parte de la célula; el
transporte activo, en cambio, requiere el gasto de energía celular. En la figura 2.9.3 se
puede observar un esquema general de los tipos de transporte
Modos de transporte a través de la membrana celular
Figura. 2.9.3
Fuente: Curtis, 2005
En la difusión simple y la difusión facilitada, las moléculas o iones se mueven a favor
de un gradiente electroquímico. La energía potencial del gradiente electroquímico
dirige estos procesos que son, en lo que concierne a la célula, pasivo.
55
En el transporte activo, por el contrario, las moléculas o los iones se mueven contra
un gradiente electroquímico. Para impulsar el transporte activo es necesaria la
energía liberada por reacciones químicas celulares.
Tanto la difusión facilitada como el transporte activo requieren de la presencia de
proteínas integrales de membrana, específicas para el tipo de la sustancia que está
siendo transportada. El transporte activo sólo puede ser realizado por las proteínas
carrier, mientras que la difusión facilitada puede ser llevada a cabo tanto por las
proteínas carrier como por las proteínas canal.
2.9.2 Obtención de Energía (Las leyes de la termodinámica)
La primera ley de la termodinámica establece que la energía puede convertirse de
una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. La energía puede almacenarse
en varias formas y luego transformarse en otras. Cuando los organismos oxidan
carbohidratos, convierten la energía almacenada en los enlaces químicos en otras
formas de energía.
En una noche de verano, por ejemplo, una luciérnaga convierte la energía química en
energía cinética, en calor, en destellos de luz y en impulsos eléctricos que se
desplazan a lo largo de los nervios de su cuerpo. Las aves y los mamíferos convierten
la energía química en la energía térmica necesaria para mantener su temperatura
corporal, así como en energía mecánica, energía eléctrica y otras formas de energía
química.
En el caso de las reacciones químicas, esto significa que la suma de la energía de los
productos de la reacción y la de la energía liberada en la reacción misma es igual a la
energía inicial de las sustancias que reaccionan.
La segunda ley de la termodinámica establece que en el curso de las conversiones
energéticas, el potencial termodinámico -o energía potencial termodinámica- de un
sistema en el estado final siempre será menor que el potencial termodinámico del
mismo sistema en el estado inicial. La diferencia entre los potenciales termodinámicos
56
de los estados inicial y final se conoce como cambio en la energía libre (o de Gibss)
del sistema y se simboliza como DG.
Las reacciones exergónicas
(que liberan energía) tienen un DG negativo y las
reacciones endergónicas (que requieren de energía) tienen un DG positivo. Los
factores que determinan el DG incluyen DH, el cambio en el contenido de calor, y DS,
el cambio en la entropía, que es una medida del comportamiento aleatorio o
desorden del sistema. Estos factores se relacionan según la siguiente fórmula:
DG=DH - TDS.
La entropía de un sistema es una medida del "grado de desorden" o "grado de
aleatoriedad" de ese sistema. Supongamos que dividimos el espacio contenido en
una caja en pequeños compartimientos y queremos distribuir moléculas de dos gases
-a las que llamaremos moléculas "blancas" y moléculas "negras"- en esos
compartimientos.
Hay muchas más maneras de disponer las moléculas dentro de la caja si no
establecemos ninguna restricción que si pedimos, por ejemplo, que todas las
moléculas "blancas" estén de un lado de la caja y todas las "negras" del otro. Decimos
que el sistema de moléculas está más "ordenado" en el último caso. Pero, ¿qué
significa esto? Si representamos el "orden" del sistema con el número de maneras de
disponer sus elementos internamente, un número mayor de maneras de disponer los
elementos implica un sistema menos ordenado, o bien, más desordenado.
Diremos que la entropía del sistema está asociada al número de maneras
mencionado, de forma que un sistema más desordenado posee mayor entropía.
Entonces, otra manera de enunciar la segunda ley de la termodinámica es que todos
los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía del
Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida,
los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita
superar la tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta
energía.
57
3.0 Genética
3.1 Los Experimentos de Mendel
Las leyes de Mendel de la herencia fueron derivadas de las investigaciones sobre
cruces entre plantas realizadas por Gregor Mendel, un monje agustino Austriaco, en
el siglo XIX. Entre los años 1856 y 1863, Mendel cultivó y probó cerca de 28,000
plantas de la especie Pisum sativum (guisante). Sus experimentos le llevaron a
concebir dos generalizaciones que después serían conocidas como Leyes de Mendel
de la herencia o herencia mendeliana. Las conclusiones se encuentran descritas en
su artículo titulado Experimentos sobre hibridación de plantas (cuya versión
inglesa se denomina “Experiments on Plant Hybridization” y la versión original en
alemán “Experimente auf Pflanzenkreuzung”) que fue leído a la Sociedad de Historia
Natural de Brno el 8 de febrero y el 8 de marzo de 1865 y posteriormente publicado
en 1866.
Gregor Johann Mendel (1832-1884) descubridor de las leyes básicas de la herencia biológica.
Mendel envió su trabajo al botánico suizo Karl von Nägeli (una de las máximas
autoridades de la época en el campo de la biología), fue él quien le sugirió que
realizara su serie de experimentos en varias especies del género Hieracium. Mendel
no pudo replicar sus resultados, ya que posteriormente a su muerte, en 1903, se
descubrió que en Hieracium se producía un tipo especial de partenogénesis,
provocando desviaciones en las proporciones mendelianas esperadas.
De su experimento con Hieracium, Mendel posiblemente llegó a pensar que sus leyes
sólo podían ser aplicadas a ciertos tipos de especies y, debido a esto, se apartó de la
58
ciencia y se dedicó a la administración del monasterio del cuál era monje. Murió en
1884, completamente ignorado por el mundo científico.
En 1900, sin embargo, el trabajo de Mendel fue redescubierto por tres científicos
europeos, el holandés Hugo de Vries, el alemán Carl Correns, y el austríaco Erich von
Tschermak, por separado, y sin conocer los trabajos de Mendel llegaron a las mismas
conclusiones que él. De Vries fue el primero que publicó sobre las leyes, y Correns,
tras haber leído su artículo y haber buscado en la bibliografía publicada, en la que
encontró el olvidado artículo de Mendel, declaró que éste se había adelantado y que
el trabajo de De Vries no era original.
En Europa fue William Bateson, quien impulsó en 1900 el conocimiento de las leyes
de Mendel. Al dar una conferencia en la Sociedad de Horticultura, tuvo conocimiento
del trabajo de Mendel, a través del relato de Hugo de Vries; así encontró el refrendo
de lo que había estado experimentando. Él fue, pues, quien dió las primeras noticias
en Inglaterra de las investigaciones de Mendel. En 1902, publicó “Los principios
mendelianos de la herencia”: una defensa acompañada de la traducción de los
trabajos originales de Mendel sobre hibridación. Además, fue el primero en acuñar
términos como "genética", "gen" y "alelo" para describir muchos de los resultados de
esta nueva ciencia biológica.
En 1902, Theodore Boveri y Walter Sutton, trabajando de manera independiente,
llegaron a una misma conclusión y propusieron una base biológica para los principios
mendelianos, denominada “Teoría cromosómica de la herencia”. Esta teoría
sostiene que los genes se encuentran en los cromosomas y al lugar cromosómico
ocupado por un gen se le denominó locus (se habla de loci si se hace referencia al
lugar del cromosoma ocupado por varios genes).
Ambos se percataron de que la segregación de los factores mendelianos (alelos) se
correspondía con la segregación de los cromosomas durante la división meiótica (por
tanto, existía un paralelismo entre cromosomas y genes).
Algunos trabajos posteriores de biólogos y estadísticos tales como R.A. Fisher (1911)
mostraron que los experimentos realizados por Mendel tenían globalidad en todas las
especies, mostrando ejemplos concretos de la naturaleza. Los principios de la
59
segregación equitativa (2ª ley de Mendel) y la transmisión independiente de la
herencia (3ª ley de Mendel) derivan de la observación de la progenie de cruzamientos
genéticos, no obstante, Mendel no conocía los procesos biológicos que producían
esos fenómenos.
Así, puede considerarse que las leyes de Mendel reflejan el comportamiento
cromosómico durante la meiosis: la primera ley responde a la migración aleatoria de
los cromosomas homólogos a polos opuestos durante la anafase I de la meiosis (tanto
los alelos como los cromosomas homólogos segregan de manera equitativa o 1:1 en
los gametos) y la segunda ley, al alineamiento aleatorio de cada par de cromosomas
homólogos durante la metafase I de la meiosis (por lo que genes distintos y pares
diferentes de cromosomas homólogos segregan independientemente). Ver tabla 3.1
Los siete caracteres que observó G. Mendel en sus experiencias genéticas
con los guisantes
Tabla 3.1
Fuente: Curtis, 2005
Mendel publicó sus experimentos con guisantes en 1865 y 1866. A continuación se
describen las principales ventajas de la elección de Pisum sativum como organismo
modelo: su bajo coste, tiempo de generación corto, elevado índice de descendencia,
diversas variedades dentro de la misma especie (color, forma, tamaño, etc.).
Además, reúne características típicas de las plantas experimentales, como poseer
caracteres diferenciales constantes.
Pisum sativum es una planta autógama, es decir, se autofecunda. Mendel lo evitó
emasculándola (eliminando las anteras). Así pudo cruzar exclusivamente las
60
variedades deseadas. También embolsó las flores para proteger a los híbridos de
polen no controlado durante la floración.
Llevó a cabo un experimento control realizando cruzamientos durante dos
generaciones sucesivas mediante autofecundación para obtener líneas puras para
cada carácter.
Mendel llevó a cabo la misma serie de cruzamientos en todos sus experimentos.
Cruzó dos variedades o líneas puras diferentes respecto de uno o más caracteres.
Como resultado obtenía la primera generación filial (F1), en la cual observó la
uniformidad fenotípica de los híbridos. Posteriormente, la autofecundación de los
híbridos de F1 dió lugar a la segunda generación filial (F2), y así sucesivamente.
También realizó cruzamientos recíprocos, es decir, alternaba los fenotipos de las
plantas parentales:
♀P1 x ♂P2
♀P2 x ♂P1
(Siendo P la generación parental y los subíndices 1 y 2 los diferentes fenotipos de
ésta).
Además, llevó a cabo retrocruzamientos, que consisten en el cruzamiento de los
híbridos de la primera generación filial (F1) por los dos parentales utilizados, en las
dos direcciones posibles:
♀F1 x ♂P2 y ♀P2 x ♂F1 (cruzamientos recíprocos)
♀F1 x ♂P1 y ♀P1 x ♂F1 (cruzamientos recíprocos)
Los experimentos demostraron que:
•
La herencia se transmite por elementos particulados (refutando, por tanto, la
herencia de las mezclas).
•
Siguen normas estadísticas sencillas, resumidas en sus dos principios
61
3.2 Las leyes de Mendel
Son un conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia de las
características de los organismos padres a sus hijos. Se consideran reglas más que
leyes, pues no se cumplen en todos los casos y hay excepciones, como cuando los
genes están ligados, es decir, se encuentran en el mismo cromosoma, donde no se
cumplen.
Estas reglas básicas de herencia constituyen el fundamento de la genética. Las leyes
se derivan del trabajo realizado por Gregor Mendel publicado en el año 1865 y el
1866, aunque fue ignorado por largo tiempo hasta su redescubrimiento en 1900.
Las tres leyes de Mendel explican y predicen cómo van a ser los caracteres físicos
(fenotipo) de un nuevo individuo. Frecuentemente se han descrito como «leyes para
explicar la transmisión de caracteres» (herencia genética) a la descendencia.
Desde este punto de vista, de transmisión de caracteres, estrictamente hablando no
correspondería considerar la primera ley de Mendel (Ley de la uniformidad). Es un
error muy extendido suponer que la uniformidad de los híbridos que Mendel observó
en sus experimentos es una ley de transmisión, pero la dominancia nada tiene que
ver con la transmisión, sino con la expresión del genotipo. Por lo que esta observación
mendeliana en ocasiones no se considera una ley de Mendel.
Así pues, hay tres leyes de Mendel que explican los caracteres de la descendencia de
dos individuos, pero solo son dos las leyes mendelianas de transmisión: la Ley de
segregación de caracteres independientes (2ª ley, que, si no se tiene en cuenta la ley
de uniformidad, es descrita como 1ª Ley) y la Ley de la herencia independiente de
caracteres (3ª ley, en ocasiones descrita como 2ª Ley).
1ª Ley de Mendel: Ley de la uniformidad
Establece que si se cruzan dos razas puras para un determinado carácter, los
descendientes de la primera generación son todos iguales entre sí (igual fenotipo e
igual genotipo) e iguales (en fenotipo) a uno de los progenitores.
62
No es una ley de transmisión de caracteres, sino de manifestación de dominancia
frente a la no manifestación de los caracteres recesivos. Por ello, en ocasiones no es
considerada una de las leyes de Mendel. Indica que da el mismo resultado a la hora
de descomponerlo en genotipos
2ª Ley de Mendel: Ley de la segregación de caracteres independientes
Conocida también, en ocasiones como la primera Ley de Mendel, de la segregación
equitativa o disyunción de los alelos.
Esta ley establece que durante la formación de los gametos cada alelo de un par se
separa del otro miembro para determinar la constitución genética del gameto filial. Es
muy habitual representar las posibilidades de hibridación mediante un cuadro de
Punnett.
Mendel obtuvo esta ley al cruzar diferentes variedades de individuos heterocigotos
(diploides con dos variantes alélicas del mismo gen: Aa), y pudo observar en sus
experimentos que obtenía muchos guisantes con características de piel amarilla y
otros (menos) con características de piel verde, comprobó que la proporción era de
3:4 de color amarilla y 1:4 de color verde (3:1).
Según la interpretación actual, los dos alelos, que codifican para cada característica,
son segregados durante la producción de gametos mediante una división celular
meiótica. Esto significa que cada gameto va a contener un solo alelo para cada gen.
Lo cual permite que los alelos materno y paterno se combinen en el descendiente,
asegurando la variación.
Para cada característica, un organismo hereda dos alelos, uno para cada pariente.
Esto significa que en las células somáticas, un alelo proviene de la madre y otro del
padre. Éstos pueden ser homocigóticos o heterocigóticos.
En palabras del propio Mendel:
Resulta ahora claro que los híbridos forman semillas que tienen el uno o el otro de los
dos caracteres diferenciales, y de éstos la mitad vuelven a desarrollar la forma
63
híbrida, mientras que la otra mitad produce plantas que permanecen constantes y
reciben el carácter dominante o el recesivo en igual número.
3ª Ley de Mendel: Ley de la transmisión independiente de caracteres
En ocasiones es descrita como la 2ª Ley. Mendel concluyó que diferentes rasgos son
heredados independientemente unos de otros, no existe relación entre ellos, por tanto
el patrón de herencia de un rasgo no afectará al patrón de herencia de otro. Sólo se
cumple en aquellos genes que no están ligados (en diferentes cromosomas) o que
están en regiones muy separadas del mismo cromosoma. Es decir, siguen las
proporciones 9:3:3:1.
Por tanto, no hay duda de que a todos los caracteres que intervinieron en los
experimentos se aplica el principio de que la descendencia de los híbridos en que se
combinan varios caracteres esenciales diferentes, presenta los términos de una serie
de combinaciones, que resulta de la reunión de las series de desarrollo de cada
pareja de caracteres diferenciales. Gregor Mendel.
Patrones de herencia mendeliana
Mendel describió dos tipos de "factores" (genes) de acuerdo a su expresión fenotípica
en la descendencia, los dominantes y los recesivos, pero existe otro factor a tener en
cuenta en organismos dioicos y es el hecho de que los individuos de sexo femenino
tienen dos cromosomas X (XX) mientras los masculinos tienen un cromosoma X y uno
Y (XY), con lo cual quedan conformados cuatro modos o "patrones" según los cuales
se puede trasmitir una mutación simple:
•
Gen dominante ubicado en un autosoma (herencia autosómica dominante).
•
Gen recesivo ubicado en un autosoma (herencia autosómica recesiva).
•
Gen dominante situado en el cromosoma X (herencia dominante ligada al X).
•
Gen recesivo situado en el cromosoma X (herencia recesiva ligada al
cromosoma X).
64
Herencia dominante
Cuando el gen productor de una determinada característica (o enfermedad) se
expresa aún estando en una sola dosis se denomina dominante y los linajes donde
se segrega muestran un árbol genealógico en que, como regla, hay varios individuos
que lo expresan y los afectados tienen un progenitor igualmente afectado. No
obstante, hay diferencias de acuerdo a si el gen está ubicado en un autosoma o en el
cromosoma X.
En la herencia autosómica dominante se cumplen los siguientes hechos:
•
Varios individuos afectados.
•
Los afectados son hijos de afectados.
•
Se afectan por igual hombres y mujeres.
•
Como regla, la mitad de la descendencia de un afectado hereda la afección.
•
Los individuos sanos tienen hijos sanos.
•
Hay hombres afectados hijos de hombres afectados (lo cual excluye la
posibilidad de que el gen causante de la afección está ubicado en el
cromosoma X, que en los varones procede de la madre).
•
El patrón ofrece un aspecto vertical.
En este caso los individuos afectados son usualmente heterocigóticos y tienen un
riesgo del 50% en cada intento reproductivo de que su hijo herede la afección
independientemente de su sexo.
En la herencia dominante ligada al cromosoma X, aunque el gen sea dominante, si
está ubicado en el cromosoma X, el árbol genealógico suele mostrar algunas
diferencias con respecto al de la herencia autosómica dominante:
•
Aunque los afectados usualmente son hijos de afectados y la mitad de la
descendencia presenta la afección, no podemos identificar varones que hayan
heredado la afección de su padre, o sea, no hay trasmisión varón-varón,
puesto que los padres dan a sus hijos el cromosoma Y.
•
Igualmente llama la atención que hay un predominio de mujeres afectadas
pues mientras estas pueden heredar el gen de su madre o de su padre, los
varones sólo lo adquieren de su madre.
65
•
Una mujer afectada tendrá el 50% de su descendencia afectada, mientras que
el hombre tendrá 100% de hijas afectadas y ningún hijo afectado.
Herencia recesiva
Cuando el gen causante de la afección es recesivo, por regla general el número de
afectados es mucho menor y suele limitarse a la descendencia de una pareja, pero es
más evidente la diferencia en la trasmisión según la mutación esté situada en un
autosoma o en el cromosoma X.
En la herencia autosómica recesiva llama la atención la aparición de un individuo
afectado fruto de dos familias sin antecedentes. Esto ocurre pues ambos padres de
este individuo son heterocigóticos para la mutación, la cual, por ser recesiva, no se
expresa ya que existe un alelo dominante normal, pero, como estudiamos en las leyes
de Mendel, existe un 25% en cada embarazo, de que ambos padres trasmitan el alelo
mutado, independientemente del sexo del nuevo individuo. Por aparecer usualmente
en la descendencia de un matrimonio, se dice que su patrón es horizontal. Otro
aspecto a señalar es que cuando existe consanguinidad, aumenta la probabilidad de
aparición de este tipo de afecciones, debido a que ambos padres comparten una
parte de su genoma proporcional al grado de parentesco entre ellos.
En la herencia recesiva ligada al cromosoma X es evidente que los individuos
afectados son todos del sexo masculino; esto se justifica porque al tener la mujer dos
X y ser el gen recesivo, el alelo dominante normal impide su expresión, mientras el
varón homocigótico si tiene la mutación la expresará. También se observa que entre
dos varones afectados existe una mujer, que en este caso es portadora de la
mutación. La probabilidad de descendencia afectada dependerá del sexo del
progenitor que porta la mutación:
•
Un hombre enfermo tendrá 100% de hijas portadoras y 100% de hijos sanos.
•
Una mujer portadora tendrá 50% de sus hijas portadoras y 50% de hijos
varones afectados.
66
3.3 Reproducción asexual
Se caracteriza por la ausencia de fusión de células, existe una multiplicación de los
individuos por otros mecanismos; puede ser a partir de células vegetativas
(multiplicación vegetativa) por fragmentación o a partir de células o cuerpos
especiales. La reproducción asexual permite a un organismo producir descendientes
rápidamente sin perder tiempo y recursos en cortejos, búsqueda de parejas y
acoplamiento.
La falta de variabilidad genética en las poblaciones que se reproducen asexualmente
puede volverse en contra cuando las condiciones ambientales (para la cual todos los
clones están bien adaptados) cambian rápidamente.
Tipos de reproducción asexual
• Multiplicación vegetativa: por fragmentación y división de su cuerpo, los
vegetales originan nuevos individuos, genéticamente idénticos al que los originó.
• Bipartición o fisión binaria: es la forma más sencilla en organismos unicelulares,
cada célula se parte en dos, previa división de núcleo (cariocinesis) y posterior
división de citoplasma (citocinesis).Ver Figura 3.1
Bipartición en Euglena
Figura 3.1
Fuente: Ville, 2000
Gemación: es un sistema de duplicación de organismos unicelulares donde por
evaginación se forma una yema que recibe uno de los núcleos mitóticos y una proción
de citoplasma. Uno de los organismos formados es de menor tamaño que el otro, ej:
67
Sachharomyces cereviceae. Ver figura 3.2 La hidra también se reproduce por
gemación.
Sachharomyces cereviceae en gemación
Figura 3.2
Fuente: Ville, 2000
Fragmentación: en pluricelulares se denomina a la separación de porciones del
organismo que crecen hasta convertirse en otro individuo. Pueden producirse por
simple ruptura o por destrucción de partes viejas, que dejan separadas partes de la
planta (Frutilla, Elodea) que se transforman en individuos independientes. La estrella
de mar puede regenerar su cuerpo de un fragmento del cuerpo original.
Existen numerosos ejemplos de fragmentación que son usados para la propagación
de vegetales útiles al ser humano. Ejemplo:
Acodo: ramas que se entierran hasta producir nuevas raíces, de uso corrientes en
especies leñosas: vid, manzano, avellano.
Estacas: porciones de ramas cortadas y puestas a producir nuevas raíces.
Esporulación: formación mitótica de células reproductivas especiales (esporas),
provistas de paredes resistentes.
Apomixis: fenómeno de los vegetales superiores donde hay formación asexual de un
embrión, sin fecundación. Este término fue introducido por Wrinkler (1908) para
denominar a aquellas plantas que se reproducen sin la intervención de meiosis ni
68
singamia.
Existen dos vías para la reproducción apomíctica:
Embrionía adventicia: es común en los Citrus, se forman embriones a partir de células
de la nucela del óvulo. Es común que estos embriones asexuales se produzcan al
mismo tiempo los embriones sexuales: poliembrionía. Técnicas modernas de cultivo in
vitro permiten la producción de embriones "somáticos" a partir de células no
sexuales.
Partenocarpia: el embrión se forma a partir de una célula gamética no reducida
Apogamia: Se forman embriones a partir de una célula vegetativa del gametofito
femenino que no sea la ovocélula. En algunos Olmos (Ulmus sp.).
3.4 Meiosis y recombinación
Cada organismo tiene un número de cromosomas característico de su especie. Sin
embargo, en estos los organismos y en la mayoría de las otras plantas y animales
conocidos, las células sexuales, o gametos, tienen exactamente la mitad del número
de cromosomas que las células somáticas del organismo. El número de cromosomas
de los gametos se conoce como número haploide , y en las células somáticas , como
número diploide . Las células que tienen más de dos dotaciones cromosómicas se
denominan poliploides.
Utilizando una notación abreviada, el número haploide se designa como n y el número
diploide como 2n. Cuando un espermatozoide fecunda a un óvulo, los dos núcleos
haploides se fusionan, n + n=2n, y el número diploide se restablece. La célula diploide
producida por la fusión de dos gametos se conoce como cigoto.
En toda célula diploide, cada cromosoma tiene su pareja. Estos pares de cromosomas
se conocen como pares homólogos. Los dos se asemejan en tamaño y forma y
también en el tipo de información hereditaria que contienen.
69
Uno de los cromosomas homólogos proviene del gameto de uno de los progenitores y
su pareja, del gameto del otro progenitor. Después de la fecundación,
ambos
homólogos se encuentran presentes en el cigoto. Ver figura 3.3.
En la meiosis, la dotación cromosómica diploide, que contiene los dos homólogos de
cada par, se reduce a una dotación haploide, que contiene solamente un homólogo de
cada par. Así, la meiosis compensa los efectos de la fecundación.
Recombinación cromosómica en la fecundación
Figura 3.3
Fuente: Curtis, 2005
Durante la meiosis, los miembros de cada par de cromosomas homólogos se separan
y cada gameto haploide (n), producido por una célula diploide (2n), lleva sólo un
miembro de cada par de homólogos. En la fecundación, los núcleos del
espermatozoide y del óvulo se unen en el cigoto, cuyo núcleo contiene, nuevamente,
los cromosomas homólogos de a pares. Cada par está formado por un cromosoma
homólogo proveniente de un progenitor y un homólogo proveniente del otro
progenitor. Aquí se usan los colores rojo y negro para indicar los cromosomas
paternos y maternos de cada par homólogo, respectivamente.
70
3.5 Reproducción Sexual
La reproducción sexual requiere, en general, de dos progenitores y siempre involucra
dos hechos: la fecundación y la meiosis. La fecundación es el medio por el cual las
dotaciones genéticas de ambos progenitores se reúnen y forman una nueva identidad
genética, la de la progenie. La meiosis es un tipo especial de división nuclear en el
que se redistribuyen los cromosomas y se producen células que tienen un número
haploide de cromosomas (n). La fecundación restablece el número diploide (2n). En
organismos con reproducción sexual, la haploidía y la diploidía se suceden a lo largo
de los ciclos de vida.
Cada una de las células haploides producidas por meiosis contiene un complejo único
de cromosomas, debido al entrecruzamiento y a la segregación al azar de los
cromosomas. De esta manera, la meiosis es una fuente de variabilidad en la
descendencia.
Los acontecimientos que tienen lugar durante la meiosis se asemejan a los de la
mitosis, proceso de reproducción en el cual el material genético –el DNA– se reparte
en partes iguales entre dos nuevas células hijas. Existen importantes diferencias entre
los procesos de mitosis y meiosis.
Durante la meiosis, cada núcleo diploide se divide dos veces, produciendo un total de
cuatro núcleos. Sin embargo, los cromosomas se duplican sólo una vez, antes de la
primera división nuclear. Por lo tanto, cada uno de los cuatro núcleos producidos
contiene la mitad del número de cromosomas presentes en el núcleo original. A
diferencia de lo que ocurre en la meiosis, en la mitosis, luego de la duplicación de los
cromosomas, cada núcleo de divide sólo una vez. En consecuencia, el número de
cromosomas se mantiene invariable.
Debido al fenómeno del entrecruzamiento y al de segregación al azar de los
cromosomas, durante la meiosis se recombina el material genético de los
progenitores, lo que no ocurre en la mitosis.
71
La mitosis puede ocurrir en células haploides o diploides, mientras que la meiosis
ocurre solamente en células con un número diploide (o poliploide) de cromosomas.
La meiosis ocurre en diferentes momentos del ciclo vital, según en que especie se
produzca.
Aunque la meiosis en los animales produce gametos, en las plantas produce esporas.
Una espora es una célula reproductora haploide que, a diferencia de un gameto,
puede producir un organismo haploide sin haberse fusionado previamente con otra
célula.
Sin embargo, con la formación de gametos y esporas por meiosis, se obtiene el
mismo resultado: en algún momento del ciclo vital de un organismo que se reproduce
sexualmente, se reduce la dotación diploide de cromosomas a la dotación haploide.
Durante la profase I de la meiosis, los cromosomas homólogos se disponen de a
pares –se aparean–. Cada par homólogo está formado por cuatro cromátides por lo
que también se conoce como tétrada (del griego, tetra que significa "cuatro"). Entre
las cromátides de los dos cromosomas homólogos se produce el entrecruzamiento, es
decir, el intercambio de segmentos cromosómicos. Los cromosomas homólogos
permanecen asociados en los puntos de entrecruzamiento –o quiasmas– hasta el final
de la profase I. c) Luego, los cromosomas comienzan a separarse. Como se puede
ver, las cromátides hermanas de cada homólogo ya no son completamente idénticas;
el entrecruzamiento da como resultado una recombinación del material genético de
los dos homólogos. Ver figura 3.4
72
Fases de la Meiosis
Figura 3.4
Fuente: Curtis, 2005
La meiosis, según en qué especie se produzca, ocurre en diferentes momentos del
ciclo vital. En muchos protistas y hongos, tales como el alga Chlamydomonas y el
moho Neurospora, ocurre inmediatamente después de la fusión de las células
fecundantes. Las células, habitualmente son haploides, y la meiosis restablece el
número haploide después de la fecundación.
Los gametos (óvulos y espermatozoides) son producidos por meiosis. En la
fecundación, los gametos haploides se fusionan, restableciéndose, en el cigoto, el
número diploide. El cigoto dará lugar a un hombre o a una mujer que, cuando
maduren, nuevamente producirán gametos haploides. Como en el caso de la mayoría
del resto de los animales, las células son diploides durante casi todo el ciclo de vida;
la única excepción son los gametos. Ver figura 3.5
73
Ciclo de vida de Homo sapiens
Figura 3.5
Fuente: Curtis, 2005
En la especie humana, a partir de cada espermatocito primario diploide se forman,
en el hombre, cuatro espermátidas
haploides, que se diferencian en cuatro
espermatozoides. En la mujer, en cambio, a partir de cada ovocito primario diploide,
el citoplasma se divide desigualmente y se produce un solo óvulo haploide; los
núcleos haploides restantes forman los cuerpos o corpúsculos polares que se
desintegran.
3.6 Bases moleculares de la herencia
Por muchos años, la genética clásica se dedicó a estudiar los mecanismos de la
herencia, a dilucidar la manera en que las unidades hereditarias pasan de una
generación a la siguiente y a investigar cómo los cambios en el material hereditario se
expresan en los organismos individuales. En la década de 1930, surgieron nuevas
preguntas y los genetistas comenzaron a explorar la naturaleza del gen, su estructura,
composición y propiedades.
A comienzos de la década de 1940, ya no quedaban dudas sobre la existencia de los
genes ni sobre el hecho de que estuviesen en los cromosomas. Ciertos científicos
pensaban que si se llegaba a comprender la estructura química de los cromosomas,
74
entonces se podría llegar a comprender su funcionamiento como portadores de la
información genética. Los primeros análisis químicos del material hereditario
mostraron que el cromosoma eucariótico está formado por ácido desoxirribonucleico
(DNA) y proteínas, en cantidades aproximadamente iguales. Ver Figura 3.6
Componentes Químicos del DNA
Figura 3.6
Fuente: http//:www. biolgía.net
Antes de conocerse cuál era, tanto el DNA como las proteínas eran buenos
candidatos para ser la molécula portadora del material genético. Esta línea de
pensamiento marcó el comienzo de la vasta gama de investigaciones que conocemos
como genética molecular.
Ya avanzada la década de 1940, algunos investigadores llegaron a una conclusión
importante: el material hereditario podía ser el ácido desoxirribonucleico (DNA).
En 1953, los científicos Watson y Crick reunieron datos provenientes de diferentes
estudios acerca del DNA. Sobre el análisis de esos datos, Watson y Crick postularon
un modelo para la estructura del DNA y fueron capaces de deducir que el DNA es una
doble hélice, entrelazada y sumamente larga.
75
Una propiedad esencial del material genético es su capacidad para hacer copias
exactas de sí mismo. Watson y Crick supusieron que debía haber alguna forma en
que las moléculas de DNA pudiesen replicarse rápidamente y con gran precisión, de
modo que les fuese posible pasar copias fieles de célula a célula y del progenitor a la
descendencia, generación tras generación.
Watson y Crick propusieron un mecanismo para la replicación del DNA. Dedujeron
que la molécula de DNA se replica mediante un proceso semiconservativo en el que
se conserva la mitad de la molécula.
El modelo de Watson y Crick mostró de qué manera se podía almacenar la
información en la molécula de DNA.
A medida que avanzaban los años, en la década de 1940, los biólogos comenzaron a
notar que todas las actividades bioquímicas de la célula viva dependen de ciertas
proteínas diferentes y específicas, las enzimas y que incluso la síntesis de enzimas
depende de enzimas.
Más aun, se estaba haciendo claro que la especificidad de las diferentes enzimas es
el resultado de la estructura primaria de estas proteínas, es decir, de la secuencia
lineal de aminoácidos que forman la molécula y que, a su vez, determina mayormente
su estructura tridimensional. Se comprobó que las proteínas tenían una participación
fundamental en todos los procesos bioquímicos y esto promovió la realización de
estudios posteriores. Así, se demostró cuál es la relación existe una relación entre
genes y proteínas.
Como resultado de los estudios realizados para dilucidar la relación entre DNA y
proteínas hubo un acuerdo general en que la molécula de DNA contiene instrucciones
codificadas para las estructuras y las funciones biológicas. Además, estas
instrucciones son llevadas a cabo por las proteínas, que también contienen un
"lenguaje" biológico altamente específico.
Como se descubrió posteriormente, no hay una, sino tres clases de RNA que
desempeñan funciones distintas como intermediarios en los pasos que llevan del DNA
76
a las proteínas: el RNA mensajero (mRNA), el RNA de transferencia (tRNa) y el RNA
ribosomal (rRNA).
Los científicos de muchas disciplinas se abocaron a investigaciones dedicadas a
estudiar la correspondencia entre el lenguaje de nucleótidos en el DNA y el lenguaje
de aminoácidos en las proteínas. Así, finalmente se dilucidó el código genético.
Una vez conocido el código genético, se pudo centrar la atención en el problema de
cómo la información codificada en el DNA y transcripta en el mRNA es luego
traducida a la secuencia específica de aminoácidos en las proteínas. De esta manera,
se establecieron los principios básicos de la síntesis de proteínas. Estos principios
son los mismos en las células eucarióticas y en las procarióticas, pero hay algunas
diferencias en la localización de los procesos, además de algunos detalles.
Hace casi 90 años, De Vries definió la mutación en función de características que
aparecen en el fenotipo. A la luz del conocimiento actual, la definición de mutación es
algo diferente a la propuesta por de Vries: una mutación es un cambio en la secuencia
o número de nucleótidos en el DNA de una célula.
En las décadas transcurridas desde que fue descifrado el código genético, se han
examinado el DNA y las proteínas de muchos organismos. La evidencia actual es
abrumadora: el código genético es el mismo para virtualmente todos los seres
vivos, es decir, es universal. Sin embargo, recientemente se han encontrado algunas
pocas excepciones interesantes. El origen del código es el problema de la biología
evolutiva que nos deja más perplejos. La maquinaria de traducción es tan compleja,
tan universal y tan esencial que es difícil imaginar cómo pudo haber surgido o cómo la
vida puede haber existido sin ella.
3.7. El concepto de Gen
La unidad de la herencia en un cromosoma; secuencia de nucleótidos en la molécula
de DNA que desempeña una función específica, tal como codificar una molécula de
RNA o un polipéptido.
77
Un fuerte apoyo a la hipótesis de que los genes están en los cromosomas, provino
de los estudios hechos por el genetista Morgan y su grupo en la mosquita de la fruta
D. melanogaster. Dado que es fácil de criar y mantener, la Drosophila ha sido usada
en una variedad de estudios genéticos. Esta mosca tiene 4 pares de cromosomas; 3
pares –los autosomas – son estructuralmente iguales en ambos sexos, pero el cuarto
par, los cromosomas sexuales , es diferente. En la mosquita de la fruta, como en
muchas otras especies (incluidos los humanos), los dos cromosomas sexuales son
XX en las hembras y XY en los machos.
En el momento de la meiosis, los cromosomas sexuales, al igual que los autosomas,
segregan.
Cada
óvulo
recibe
un
cromosoma
X,
pero
la
mitad
de
los
espermatozoides recibe un cromosoma X y la otra mitad, un cromosoma Y. Así, en
Drosophila, en los humanos y en muchos otros organismos (aunque no en todos), es
el gameto paterno el que determina el sexo de la progenie.
En los primeros años del siglo XX, los experimentos de cruzamientos de Drosophila
mostraron que ciertas características están ligadas al sexo, o sea, que sus genes
se encuentran en los cromosomas sexuales. Los genes ligados al X dan lugar a un
patrón de herencia particular.
En los machos, como no hay otro alelo presente, la existencia de un alelo recesivo
en el cromosoma X es suficiente para que la característica se exprese en el fenotipo.
Por oposición, una hembra heterocigota
para una variante recesiva ligada al X
portará esa variante, pero ésta no se manifestará en su fenotipo.
78
Determinación del sexo a partir de los cromosomas sexuales
Figura 3.7
Fuente: Curtis, 2005
3.8 Mutaciones
En genética y biología, la mutación es una alteración o cambio en la información
genética (genotipo) de un ser vivo y que, por lo tanto, va a producir un cambio de
características, que se presenta súbita y espontáneamente, y que se puede transmitir
o heredar a la descendencia. La unidad genética capaz de mutar es el gen que es la
unidad de información hereditaria que forma parte del ADN. En los seres
multicelulares, las mutaciones sólo pueden ser heredadas cuando afectan a las
células reproductivas.
Una consecuencia de las mutaciones puede ser una enfermedad genética, sin
embargo, aunque en el corto plazo puede parecer perjudiciales, a largo plazo las
mutaciones son esenciales para nuestra existencia. Sin mutación no habría cambio y
sin cambio la vida no podría evolucionar.
79
Definición
La definición que en su obra de 1901 "The Mutation Theory" Hugo De Vries dio de la
mutación (del latín mutare = cambiar) era la de cualquier cambio heredable en el
material hereditario que no se puede explicar mediante segregación o recombinación.
Más tarde se descubrió que lo que De Vries llamó mutación en realidad eran más bien
recombinaciones entre genes.
La definición de mutación a partir del conocimiento de que el material hereditario es el
ADN y de la propuesta de la doble hélice para explicar la estructura del material
hereditario (Watson y Crick, 1953), sería que una mutación es cualquier cambio en la
secuencia de nucleótidos del ADN.
La mutación es la fuente primaria de variabilidad genética en las poblaciones,
mientras que la recombinación al crear nuevas combinaciones a partir de las
generadas por la mutación, es la fuente secundaria de variabilidad genética.
Mutaciones
•
Mutación somática: es la que afecta a las células somáticas del individuo.
Como consecuencia aparecen individuos mosaico que poseen dos líneas
celulares diferentes con distinto genotipo. Una vez que una célula sufre una
mutación, todas las células que derivan de ella por divisiones mitóticas
heredarán la mutación (herencia celular). Un individuo mosaico originado por
una mutación somática posee un grupo de células con un genotipo diferente al
resto, cuanto antes se haya dado la mutación en el desarrollo del individuo
mayor será la proporción de células con distinto genotipo.
•
En el supuesto de que la mutación se hubiera dado después de la primera
división del cigoto (en estado de dos células), la mitad de las células del
individuo adulto tendrían un genotipo y la otra mitad otro distinto. Las
mutaciones que afectan solamente a las células de la línea somática no se
transmiten a la siguiente generación.
80
•
Mutaciones en la línea germinal: son las que afectan a las células
productoras de gametos apareciendo, de este modo, gametos con mutaciones.
Estas mutaciones se transmiten a la siguiente generación y tienen un mayor
importancia desde el punto de vista evolutivo.
Tipos de mutación según sus consecuencias
Las consecuencias fenotípicas de las mutaciones son muy variadas, desde grandes
cambios hasta pequeñas diferencias tan sutiles que es necesario emplear técnicas
muy elaboradas para su detección.
Mutaciones morfológicas
Afectan a la morfología del individuo, a su distribución corporal. Modifican el color o la
forma de cualquier órgano de un animal o de una planta. Suelen producir
malformaciones. Un ejemplo de una mutación que produce malformaciones en
humanos es aquella que determina la neurofibromatosis. Esta es una enfermedad
hereditaria, relativamente frecuente (1 en 3.000 individuos), producida por una
mutación en el cromosoma 17 y que tiene una penetrancia del 100% y expresividad
variable.
Sus manifestaciones principales son la presencia de neurofibromas, glioma del nervio
óptico, manchas cutáneas de color café con leche, hematomas del iris, alteraciones
óseas (displasia del esfenoide, adelgazamiento de la cortical de huesos largos). Con
frecuencia hay retardo mental y macrocefalia.
Mutaciones letales y deletéreas
Son las que afectan la supervivencia de los individuos, ocasionándoles la muerte
antes de alcanzar la madurez sexual. Cuando la mutación no produce la muerte, sino
una disminución de la capacidad del individuo para sobrevivir y/o reproducirse, se dice
que la mutación es deletérea. Este tipo de mutaciones suelen producirse por cambios
81
inesperados en genes que son esenciales o imprescindibles para la supervivencia del
individuo.
En general las mutaciones letales son recesivas, es decir, se manifiestan solamente
en homocigosis o bien, en hemicigosis para aquellos genes ligados al cromosoma X
en humanos, por ejemplo.
Mutaciones condicionales
Son aquellas que sólo presentan el fenotipo mutante en determinadas condiciones
ambientales (denominadas condiciones restrictivas), mostrando la característica
silvestre en las demás condiciones del medio ambiente (condiciones permisivas). Un
ejemplo es la mutación Curly en Drosophila melanogaster que se manifiesta como las
puntas de las alas del insecto curvadas hacia arriba. A temperaturas permisivas de 20
a 25ºC (las cuales son, por otro lado, las típicas del cultivo de este organismo) las
moscas homocigóticas para el factor Curly no se diferencian de las moscas normales.
No obstante, bajo condiciones restrictivas de temperaturas menores a 18ºC, las
moscas Curly manifiestan su fenotipo mutante.
Mutaciones bioquímicas o nutritivas
Son los cambios que generan una pérdida o un cambio de alguna función bioquímica
como, por ejemplo, la actividad de una determinada enzima. Se detectan ya que el
organismo que presenta esta mutación no puede crecer o proliferar en un medio de
cultivo por ejemplo, a no ser que se le suministre un compuesto determinado. Los
microorganismos constituyen un material de elección para estudiar este tipo de
mutaciones ya que las cepas silvestres solo necesitan para crecer un medio
compuesto por sales inorgánicas y una fuente de energía como la glucosa.
Ese tipo de medio se denomina mínimo y las cepas que crecen en él se dicen
prototróficas. Cualquier cepa mutante para un gen que produce una enzima
perteneciente a una vía metabólica determinada, requerirá que se suplemente el
medio de cultivo mínimo con el producto final de la vía o ruta metabólica que se
encuentra alterada. Esa cepa se llama auxotrófica y presenta una mutación
bioquímica o nutritiva.
82
Mutaciones de pérdida de función
Cuando desaparece alguna función. Suelen ser recesivas.
Mutaciones de ganancia de función
Cuando ocurre un cambio en el ADN, lo más normal es que corrompa algún proceso
normal del ser vivo. Sin embargo, existen raras ocasiones donde una mutación puede
producir una nueva función al gen, generando un fenotipo nuevo. Si ese gen mantiene
la función original, o si se trata de un gen duplicado, puede dar lugar a un primer paso
en la evolución.
Tipos de mutación según el mecanismo causal
Según el mecanismo que ha provocado el cambio en el material genético, se suele
hablar de tres tipos de mutaciones: mutaciones cariotípicas o genómicas,
mutaciones cromosómicas y mutaciones génicas o moleculares. En el siguiente
cuadro se describen los diferentes tipos de mutaciones y los mecanismos causales de
cada una de ellas. En el siguiente esquema se puede observar un esquema general
de los tipos de mutaciones cromosómicas, que involucran desde el intercambio de
una sección hasta un cromosoma completo.
INVERSIONES
MUTACIÓN
CROMOSMICA
DELESIONES O
DUPLICACIONES
TRANSLOCACIONES
Hay una tendencia actual a considerar como mutaciones en sentido estricto
solamente las génicas, mientras que los otros tipos entrarían en el término de
aberraciones cromosómicas.
83
En este sentido, las mutaciones cromosómicas, son los cambios que afectan a la
secuencia de los hipotéticos fragmentos en que podría subdividirse transversalmente
un cromosoma. Muchas de ellas son apreciables al microscopio gracias a la “técnica
de bandas” con la que se confecciona el cariotipo. Sobre las mutaciones
cromosómicas encontramos:
•
Mutación por inversión de un fragmento cromosómico. Es el cambio de
sentido de un fragmento del cromosoma.
•
Mutación por deleción o pérdida de un fragmento cromosómico.
•
Mutación por duplicación de un fragmento cromosómico. Suelen estar
asociadas casi siempre con deleciones en otro cromosoma.
•
Mutación por translocación de un fragmento cromosómico. Es decir por un
cambio en la posición de un fragmento cromosómico. La translocación puede
ocurrir en un solo cromosoma, entre cromosomas homólogos o entre
cromosomas diferentes.
En la figura 3.8 se pueden observar las Mutaciones cromosómicas o estructurales
Tipos de mutaciones cromosómicas o estructurales
Figura 3.8
Fuente: http://es.wikipedia.org
84
Mutaciones génicas o moleculares
Son las mutaciones que alteran la secuencia de nucleótidos del ADN. Estas
mutaciones pueden llevar a la sustitución de aminoácidos en las proteínas resultantes
(se denominan mutaciones no sinónimas). Un cambio en un solo aminoácido puede
no ser importante si es conservativo y ocurre fuera del sitio activo de la proteína.
Así, existen las denominadas mutaciones sinónimas o "mutaciones silenciosas" en las
que la mutación altera la base situada en la tercera posición del codón pero no causa
sustitución aminoacídica debido a la redundancia del código genético. El aminoácido
insertado será el mismo que antes de la mutación.
También, en el caso de las mutaciones neutras, el aminoácido insertado es distinto
pero con unas propiedades fisicoquímicas similares, por ejemplo la sustitución de
glutámico por aspártico puede no tener efectos funcionales en la proteína debido a
que los dos son ácidos y similares en tamaño. También podrían considerarse neutras
aquellas mutaciones que afecten a zonas del genoma sin función aparente, como las
repeticiones en tándem o dispersas, las zonas intergénicas y los intrones.
De lo contrario, la mutación génica o también llamada puntual, puede tener
consecuencias severas, como por ejemplo:
•
La sustitución de valina por ácido glutámico en la posición 6 de la cadena
polipeptídica de la beta-globina da lugar a la enfermedad anemia falciforme en
individuos homocigóticos debido a que la cadena modificada tiene tendencia a
cristalizar a bajas concentraciones de oxígeno.
•
Las
proteínas
del
colágeno
constituyen
una
familia
de
moléculas
estructuralmente relacionadas que son vitales para la integridad de muchos
tejidos incluidos la piel y los huesos. La molécula madura del colágeno está
compuesta por 3 cadenas polipeptídicas unidas en una triple hélice. Las
cadenas se asocian primero por su extremo C-terminal y luego se enroscan
hacia el extremo N-terminal. Para lograr este plegado, las cadenas de colágeno
tienen una estructura repetitiva de 3 aminoácidos: glicina - X - Y (X es
generalmente prolina y puede ser cualquiera de un gran rango de
aminoácidos). Una mutación puntual que cambie un solo aminoácido puede
85
distorsionar la asociación de las cadenas por su extremo C-terminal evitando la
formación de la triple hélice, lo que puede tener consecuencias severas. Una
cadena mutante puede evitar la formación de la triple hélice, aún cuando haya
2 monómeros de tipo salvaje. Al no tratarse de una enzima, la pequeña
cantidad de colágeno funcional producido no puede ser regulada. La
consecuencia puede ser la condición dominante letal osteogénesis imperfecta.
Bases moleculares de la mutación génica
Mutación por sustitución de bases: Se producen al cambiar en una posición un par de
bases por otro (son las bases nitrogenadas las que distinguen los nucleótidos de una
cadena). Distinguimos dos tipos que se producen por diferentes mecanismos
bioquímicos:

Mutaciones transicionales o simplemente transiciones, cuando un par de bases
es sustituido por su alternativa del mismo tipo. Las dos bases púricas son
adenina (A) y guanina (G), y las dos pirimídicas son citosina (C) y timina (T). La
sustitución de un par AT, por ejemplo, por un par GC, sería una transición.

Mutaciones transversionales o transversiones, cuando un par de bases es
sustituida por otra del otro tipo. Por ejemplo, la sustitución del par AT por TA o
por CG.
 Mutaciones de corrimiento estructural, cuando se añaden o se quitan pares de
nucleótidos alterándose la longitud de la cadena. Si se añaden o quitan pares
en un número que no sea múltiplo de tres (es decir si no se trata de un número
exacto de codones), las consecuencias son especialmente graves, porque a
partir de ese punto, y no sólo en él, toda la información queda alterada. Hay
dos casos:
• Mutación por pérdida o deleción de nucleótidos: En la secuencia de nucleótidos
se pierde uno y la cadena se acorta en una unidad.
• Mutación por inserción de nuevos nucleótidos: Dentro de la secuencia del ADN
se introducen nucleótidos adicionales, interpuestos entre los que ya había,
alargándose correspondientemente la cadena.
86
La trisomía en el par cromosómico 21 en los humanos ocasiona el Síndrome de Down
Las mutaciones genómicas o numéricas, son como su nombre lo indica, aquellas que
afectan al número de cromosomas o todo el complemento cromosómico (todo el
genoma). Un ejemplo recurrente es el síndrome de Down o trisomía 21, esta
alteración se puede ver en la figura 3.9
Tipos de mutaciones genómicas o numéricas
Figura 3.9
Fuente: Fuente: http://es.wikipedia.org
Otros tipos de mutaciones genómicas son:
•
Poliploidía: Es la mutación que consiste en el aumento del número normal de
“juegos de cromosomas” . Los seres poliploides pueden ser autopoliploides, si
todos los juegos proceden de la misma especie, o alopoliploides, si proceden
de la hibridación, es decir, del cruce de dos especies diferentes.
•
•
Haploidía: Son las mutaciones que provocan una disminución en el número de
juegos de cromosomas.
87
•
Aneuploidía: Son las mutaciones que afectan sólo a un número de ejemplares
de un cromosoma o más, pero sin llegar a afectar al juego completo. Las
aneuploidías pueden ser monosomías, trisomías, tetrasomías, etc, cuando en
lugar de dos ejemplares de cada tipo de cromosomas, que es lo normal, hay o
sólo uno, o tres, o cuatro, etc. Entre las aneuplodías podemos encontrar
diferentes tipos de trastornos genéticos en humanos como pueden ser:
o
Trisomía 21 o Síndrome de Down que tienen 47 cromosomas.
o
Trisomía 18 o Síndrome de Edwards. También tienen 47 cromosomas.
o
Monosomía X o Síndrome de Turner.
o
Trisomía sexual XXX o Síndrome del triple X.
o
Trisomía sexual XXY o Síndrome de Klinefelter.
o
Trisomía sexual XYY o Síndrome del doble Y.
o
Cromosoma extra Síndrome de Down.
4. Regulación de la expresión genética
4.1 Estructura y función del ADN
Por muchos años, la genética clásica se dedicó a estudiar los mecanismos de la
herencia, a dilucidar la manera en que las unidades hereditarias pasan de una
generación a la siguiente y a investigar cómo los cambios en el material hereditario se
expresan en los organismos individuales. En la década de 1930, surgieron nuevas
preguntas y los genetistas comenzaron a explorar la naturaleza del gen, su estructura,
composición y propiedades.
A comienzos de la década de 1940, ya no quedaban dudas sobre la existencia de los
genes ni sobre el hecho de que estuviesen en los cromosomas. Ciertos científicos
pensaban que si se llegaba a comprender la estructura química de los cromosomas,
entonces se podría llegar a comprender su funcionamiento como portadores de la
información genética. Los primeros análisis químicos del material hereditario
88
mostraron que el cromosoma eucariótico está formado por ácido desoxirribonucleico
(DNA) y proteínas, en cantidades aproximadamente iguales.
Antes de conocerse cuál era, tanto el DNA como las proteínas eran buenos
candidatos para ser la molécula portadora del material genético. Esta línea de
pensamiento marcó el comienzo de la vasta gama de investigaciones que conocemos
como genética molecular.
Ya avanzada la década de 1940, algunos investigadores llegaron a una conclusión
importante: el material hereditario podía ser el ácido desoxirribonucleico (DNA).
En 1953, los científicos Watson y Crick reunieron datos provenientes de diferentes
estudios acerca del DNA. Sobre el análisis de esos datos, Watson y Crick postularon
un modelo para la estructura del DNA y fueron capaces de deducir que el DNA es una
doble hélice, entrelazada y sumamente larga. Observe figura 4.1
Modelo del ADN de Watson y Crick
Figura 4.1
Fuente: http://images.ask.com
Una propiedad esencial del material genético es su capacidad para hacer copias
exactas de sí mismo. Watson y Crick supusieron que debía haber alguna forma en
que las moléculas de DNA pudiesen replicarse rápidamente y con gran precisión, de
89
modo que les fuese posible pasar copias fieles de célula a célula y del progenitor a la
descendencia,
generación
tras
generación.
Documentos/DAVID/Documents/Libros
Electronicos/Curtis/CURTIS/libro/c14d.htm
Dedujeron que la molécula de DNA se replica mediante un proceso semiconservativo
en el que se conserva la mitad de la molécula. El modelo de Watson y Crick mostró
de qué manera se podía almacenar la información en la molécula de DNA
A medida que avanzaban los años, en la década de 1940, los biólogos comenzaron a
notar que todas las actividades bioquímicas de la célula viva dependen de ciertas
proteínas diferentes y específicas, las enzimas y que incluso la síntesis de enzimas
depende de enzimas. Más aun, se estaba haciendo claro que la especificidad de las
diferentes enzimas es el resultado de la estructura primaria de estas proteínas, es
decir, de la secuencia lineal de aminoácidos que forman la molécula y que, a su vez,
determina mayormente su estructura tridimensional.
Se comprobó que las proteínas tenían una participación fundamental en todos los
procesos bioquímicos y esto promovió la realización de estudios posteriores. Así, se
demostró cuál es la relación existe una relación entre genes y proteínas.
Como resultado de los estudios realizados para dilucidar la relación entre DNA y
proteínas hubo un acuerdo general en que la molécula de DNA contiene instrucciones
codificadas para las estructuras y las funciones biológicas. Además, estas
instrucciones son llevadas a cabo por las proteínas, que también contienen un
"lenguaje" biológico altamente específico. La cuestión entonces se convirtió en un
problema de traducción: ¿de qué manera el orden de los nucleótidos en el DNA
especifica la secuencia de aminoácidos en una molécula de proteína? La búsqueda
de la respuesta a esta pregunta llevó a una importante conclusión: el ácido
ribonucleico (RNA) era un buen candidato para desempeñar un papel en la traducción
de la información.
Como se descubrió posteriormente, no hay una, sino tres clases de RNA que
desempeñan funciones distintas como intermediarios en los pasos que llevan del DNA
a las proteínas: el RNA mensajero (mRNA), el RNA de transferencia (tRNa) y el RNA
ribosomal (rRNA).
90
Los científicos de muchas disciplinas se abocaron a investigaciones dedicadas a
estudiar la correspondencia entre el lenguaje de nucleótidos en el DNA y el lenguaje
de aminoácidos en las proteínas. Así, finalmente se dilucidó el código genético.
Una vez conocido el código genético, se pudo centrar la atención en el problema de
cómo la información codificada en el DNA y transcripta en el mRNA es luego
traducida a la secuencia específica de aminoácidos en las proteínas. De esta manera,
se establecieron los principios básicos de la síntesis de proteínas. Estos principios
son los mismos en las células eucarióticas y en las procarióticas, pero hay algunas
diferencias en la localización de los procesos, además de algunos detalles.
En las décadas transcurridas desde que fue descifrado el código genético, se han
examinado el DNA y las proteínas de muchos organismos. La evidencia actual es
abrumadora: el código genético es el mismo para virtualmente todos los seres vivos,
es decir, es universal. Sin embargo, recientemente se han encontrado algunas pocas
excepciones interesantes. El origen del código es el problema de la biología evolutiva
que nos deja más perplejos. La maquinaria de traducción es tan compleja, tan
universal y tan esencial que es difícil imaginar cómo pudo haber surgido o cómo la
vida puede haber existido sin ella.
4.2 Estructura y función de ARN.
Las moléculas de mRNA son largas copias (o transcriptos) de secuencias de DNA de 500 a 10.000 nucleótidos- y de cadena simple pero, a diferencia de las moléculas
de DNA, las de RNA se encuentran en su mayoría como moléculas de cadena única.
Cada nueva molécula de mRNA se copia -o transcribe- de una de las dos cadenas de
DNA (la cadena molde) según el mismo principio de apareamiento de bases que
gobierna la replicación del DNA. A1 igual que una cadena de DNA, cada molécula de
RNA tiene un extremo 5' y un extremo 3'. Como en la síntesis del DNA, los
ribonucleótidos, que están presentes en la célula como trifosfatos, se añaden uno por
vez al extremo 3' de la cadena en crecimiento de RNA.
El proceso, conocido como transcripción, es catalizado por la enzima RNA
polimerasa.
91
Esta enzima opera de la misma forma que la DNA polimerasa, moviéndose en
dirección 3' a 5' a lo largo de la cadena molde de DNA, sintetizando una nueva
cadena complementaria de nucleótidos
-en este caso de ribonucleótidos- en la
dirección 5' a 3'. Así, la cadena de mRNA es antiparalela a la cadena molde de DNA
de la cual es transcripta.
La RNA polimerasa, a diferencia de la DNA polimerasa, no requiere cebador para
comenzar la síntesis de RNA, ya que es capaz de iniciar una nueva cadena uniendo
dos ribonucleótidos. En procariotas, hay un único tipo de RNA polimerasa que, en
realidad, es un gran complejo multienzimático asociado con varias proteínas que
participan en diferentes momentos de la transcripción.
Cuando va a iniciar la transcripción, la RNA polimerasa se une al DNA en una
secuencia específica denominada secuencia promotora o promotor; abre la doble
hélice en una pequeña región y, así, quedan expuestos los nucleótidos de una
secuencia corta de DNA. Luego, la enzima va añadiendo ribonucleótidos, moviéndose
a lo largo de la cadena molde, desenrollando la hélice y exponiendo así nuevas
regiones con las que se aparearán los ribonucleótidos complementarios. El proceso
de elongación de la nueva cadena de mRNA continúa hasta que la enzima encuentra
otra secuencia especial en el transcripto naciente, la señal de terminación. En este
momento, la polimerasa se detiene y libera a la cadena de DNA molde y a la recién
sintetizada cadena de mRNA. Ver proceso de transcripción en la figura 4.2
Modelo de transcripción del DNA
Figura 4.2
Fuente: Curtis, 2005
92
El proceso de transcripción del mRNA descripto para procariotas es similar en
eucariotas, aunque presenta algunas diferencias importantes. Entre ellas, se puede
mencionar que, si bien en procariotas las moléculas de mRNA se producen
directamente por transcripción del DNA, en eucariotas superiores, la mayor parte de
los transcriptos sufren un procesamiento posterior a la transcripción -llamado splicing
del RNA- antes de dejar el núcleo e ingresar al citoplasma.
El RNA mensajero transcripto a partir del DNA es, entonces, la copia activa de la
información genética. Incorporando las instrucciones codificadas en el DNA, el mRNA
dicta la secuencia de aminoácidos en las proteínas.
4.3 Estructura y función de las proteínas
Las proteínas son biomoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos. El
nombre proteína proviene de la palabra griega πρωτεῖος ("proteios"), que significa
"primario" o del dios Proteo, por la cantidad de formas que pueden tomar.
Por sus propiedades físico-químicas, las proteínas se pueden clasificar en proteínas
simples (holoproteidos), que por hidrólisis dan solo aminoácidos o sus derivados;
proteínas conjugadas (heteroproteidos), que por hidrólisis dan aminoácidos
acompañados de sustancias diversas, y proteínas derivadas, sustancias formadas por
desnaturalización y desdoblamiento de las anteriores.
Las proteínas son indispensables para la vida, sobre todo por su función plástica
(constituyen el 80% del protoplasma deshidratado de toda célula), pero también por
sus funciones biorreguladoras (forma parte de las enzimas) y de defensa (los
anticuerpos).
Las proteínas desempeñan un papel fundamental para la vida y son las biomoléculas
más versátiles y más diversas. Son imprescindibles para el crecimiento del
organismo. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes. Así como los
polisacáridos se reducen a ser sustancias de reserva o moléculas estructurales, las
proteínas asumen funciones muy variadas gracias a su gran heterogeneidad
estructural. Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos
moleculares todos los fenómenos biológicos. Podemos destacar las siguientes:
93
•
función de reconocimiento de señales
•
función de transporte
•
función estructural
•
función de defensa
•
función de movimiento
•
función de reserva
•
transducción de señales
•
función reguladora
Muchas proteínas ejercen a la vez más de una de las funciones enumeradas: Las
proteínas de membrana tienen tanto función estructural como enzimática; la ferritina
es una proteína que transporta y, a la vez, almacena el hierro; la miosina interviene
en la contracción muscular, pero también funciona como un enzima capaz de
hidrolizar el ATP, y así se podrían poner muchos ejemplos más.
Las proteínas están formadas por aminoácidos los cuales a su vez están formados
por enlaces peptídicos. Ver figura 4.3
Estructuras generales de algunos aminoácidos
Figura 4.3
Fuente: http://proacidos.blogspot.com
94
Las proteínas de todos los seres vivos están determinadas mayoritariamente por su
genética (con excepción de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis no
ribosomal), es decir, la información genética determina en gran medida qué proteínas
tiene una célula, un tejido y un organismo.
Las proteínas se sintetizan dependiendo de cómo se encuentren regulados los genes
que las codifican. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores externos. El
conjunto de las proteínas expresadas en una circunstancia determinada es
denominado proteoma.
4.4 Modelo de Operón
Un Operón se define como una unidad genética funcional formada por un grupo o
complejo de genes capaces de ejercer una regulación de su propia expresión por
medio de los sustratos con los que interaccionan las proteínas codificadas por sus
genes. Este complejo está formado por genes estructurales que codifican para la
síntesis de proteínas (generalmente enzimas), que participan en vías metabólicas
cuya expresión generalmente está regulada por otros 3 factores de control, llamados:

Factor promotor: Zona que controla el inicio de la transcripción del operón, ya que
la ARN Polimerasa tiene afinidad por ella. Realmente, como un gen es cada unidad
de transcripción independiente, y puesto que el operón tiene un único promotor que
controla toda su expresión, no hay elementos para decir que se trate de "varios
genes" de expresión coordinada; más correcto sería decir que el operón es un único
gen que codifica un ARNm policistrónico (es decir, con muchos codones de inicio y
paro, con lo que a la hora de traducirse dará lugar a varias proteínas independientes).
Sin embargo, es común referirse a los "genes" del operón para hacer referencia a las
regiones que, una vez transcritas, codificarán proteínas independientes.

Operador: Zona de control que permite la activación/desactivación del promotor a
modo de "interruptor génico" por medio de su interacción con un compuesto inductor.
95
Esto lo logra porque tiene secuencias reconocibles por proteínas reguladoras. Tras su
unión, por plegamientos tridimensionales interacciona con la zona del promotor,
donde las proteínas reguladoras que se han unido contactan con la ARN Polimerasa,
aumentando o disminuyendo su afinidad por el promotor, y con ello dando lugar a la
expresión/represión del resto de los genes estructurales.

Gen regulador: Alguno de los genes del operón pueden codificar factores de
transcripción que se unan al promotor, regulando así la propia expresión del operón. A
toda regulación de la expresión realizada desde dentro del gen u operón se le llama
"regulación en cis", pero puede haber también genes muy alejados del operón que
codifiquen factores de transcripción para uno o varios otros genes u operones, y en
este caso se hablaría de "regulación en trans".
4.5 Activación y represión de genes
La regulación genética de los eucariotas, especialmente en los multicelulares se
complica por el proceso de diferenciación que ocurre en los organismos
multicelulares. Cada organismo multicelular comienza como una sola célula llamada
cigoto que se divide por mitosis. Las células se diferencian en variados tipos
funcionales utilizando algunos genes e ignorando otros. Los genes homeóticos
(Homeobox genes) dirigen la organización general del cuerpo y la posición de los
órganos en respuesta a un gradiente de moléculas regulatorias.
El momento ("timing") en que se expresa un determinado gen parece seguir una
secuencia, tal como la producción de hemoglobina fetal en los glóbulos rojos de los
mamíferos, que cambia a hemoglobina adulta poco antes del nacimiento. Claramente
la inactivación de ciertos genes ocurre en cada adulto y ello está relacionado con el
cáncer, la prolongación de la vida entre otros factores activadores o supresores.
96
97
Bibliografía
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