II. LA GEN�TICA
EL HOMBRE, a trav�s de la historia, ha realizado experimentos pr�cticos utilizando, sin conocerlos, los principios relacionados con la herencia de los caracteres. Por ejemplo, los babilonios desde hace 8 000 a�os dejaron en sus piedras labradas figuras que representan �rboles geneal�gicos de caballos y esquemas de polinizaci�n artificial de d�tiles. Por su parte, los chinos mejoraron las semillas de arroz escogiendo las plantas con las caracter�sticas deseadas y haciendo cruzas controladas entre ellas. En Am�rica el ma�z fue mejorado por selecci�n y los griegos propusieron en sus relatos h�bridos raros: por ejemplo, de la cruza entre el dromedario y el leopardo resultaba la jirafa, el camello se originaba del dromedario y el jabal� y el pl�tano de la acacia y la palma.
La gen�tica como ciencia se inicia formalmente con los principios y reglas anal�ticas propuestas en 1865 por el monje agustino Gregorio Mendel, quien present� en la Sociedad de Historia Natural de Brno [actual Rep�blica Checa] el resultado de sus experimentos acerca de la hibridaci�n en plantas, y postul� las leyes de transmisi�n de los caracteres hereditarios discretos. Fue una sesi�n en la que no hubo preguntas, pues sus monumentales contribuciones no fueron comprendidas por sus contempor�neos, a pesar de que Mendel propuso una teor�a cient�fica unificadora sobre los mecanismos que rigen los patrones hereditarios de los organismos.
Hoy d�a la herencia es un fen�meno natural para todos. Sin embargo, se trata de una ciencia joven; el cuerpo de conocimientos que integran a la ciencia que estudia a los genes y su variaci�n, la gen�tica, se han acumulado en este siglo. Las unidades funcionales de la herencia, los genes, constituyen el centro de estudio de la gen�tica, al igual que su transmisi�n de generaci�n en generaci�n, sus propiedades b�sicas, las fuentes de variaci�n naturales o artificiales que existen y de c�mo se reflejan �stas en los individuos y en las poblaciones.
Estos conocimientos han unificado a la biolog�a moderna, de manera que hoy d�a no es posible pensar en ning�n �rea de la biolog�a en la que no incida la gen�tica: la unidad de la vida est� dada por la estructura qu�mica b�sica del gene y sus funciones, que son muy semejantes en todos los seres vivos. La diversidad biol�gica puede explicarse al menos en parte por los arreglos peculiares del material gen�tico en cada especie, que son el resultado de la herencia y la variaci�n, y la continuidad de la vida misma se establece al transmitirse el material gen�tico de generaci�n en generaci�n.
Las caracter�sticas biol�gicas que se observan en los seres vivos, tales como forma, color, talla, capacidad metab�lica, funciones bioqu�micas, etc., est�n bajo control gen�tico. Por lo tanto, los genes controlan miles de reacciones qu�micas que se presentan en los organismos.
Los genes interact�an con el medio para producir un car�cter o rasgo, llamado fenotipo. As�, dos individuos con genotipo id�ntico (como los gemelos monocig�ticos) se desarrollan de manera distinta en dos ambientes diferentes, de la misma manera que dos individuos con genotipo diferente (como los hermanos) se desarrollan de forma distinta en el mismo ambiente.
El genotipo permanece constante durante la vida del organismo. Sin embargo, el fenotipo cambia continuamente en funci�n del tiempo y de la secuencia peculiar de medios interno y externo a los que est� expuesto el individuo en su historia particular.
Los seres vivos se clasifican en procariontes y eucariontes, de acuerdo con su organizaci�n celular. Los procariontes son organismos unicelulares en los cuales los genes se encuentran localizados en una estructura generalmente circular, desnuda y libre en el citoplasma, llamada cromosoma o gen�foro. En cambio, los eucariontes son aquellos seres vivos que presentan en sus c�lulas al menos un n�cleo rodeado por una membrana nuclear, en el cual queda albergado el material gen�tico que siempre est� asociado a prote�nas espec�ficas (histonas), formando un complejo que se denomina cromatina.
Figura 10. C�lula procarionte y c�lula eucarionte
Los procariontes poseen un solo cromosoma circular o nucleoide y se reproducen mediante una divisi�n celular despu�s de que el cromosoma se ha duplicado. Entre los eucariontes, el cromosoma tiene forma de varilla y se presentan m�s de dos cromosomas en n�mero caracter�stico para cada especie. En estos �ltimos se presentan los fen�menos de dominancia y recesividad debido a que los cromosomas se presentan por pares (diploidia). Los procariontes son haploides, es decir, el genoma es �nico. En la figura 10 se muestra de manera esquem�tica una c�lula procarionte y otra eucarionte.
Los eucariontes pueden estar formados por una o por muchas c�lulas. Las formas de divisi�n celular pueden ser asexuales, es decir, que un solo progenitor se divide en dos, gener�ndose dos c�lulas iguales, o bien a partir de estacas, como ocurre entre las plantas frutales. La forma de reproducci�n sexual implica la uni�n de dos gametos o c�lulas sexuales provenientes de dos progenitores distintos.
Los eucariontes que presentan reproducci�n sexual poseen en su organismo c�lulas que conforman al cuerpo, o som�ticas, en las que se mantiene el n�mero cromos�mico caracter�stico de la especie, ya que antes de dividirse duplican sus cromosomas, los que se distribuyen en forma igual a las c�lulas hijas. Este proceso se llama mitosis, y es distinto a la meiosis, en la cual se forman las c�lulas sexuales o gametos. Una c�lula se divide dos veces, en tanto que el material gen�tico se duplica una sola vez, de manera que a partir de una c�lula diploide se obtienen cuatro c�lulas haploides. Es decir, el n�mero cromos�mico caracter�stico de la especie queda reducido a la mitad.
La fusi�n de los gametos masculino y femenino restituye el n�mero diploide de la especie, a partir del huevo o cigoto. Este va dividi�ndose por mitosis sucesivas hasta que se produce el nuevo organismo, el cual estar� formado por c�lulas som�ticas diploides y por gametos haploides. Cuando vuelven a unirse los gametos por fecundaci�n se restituye el complemento diploide.
La mitosis es esencialmente un proceso conservativo, ya que a partir de una c�lula diploide se forman dos c�lulas hijas iguales con id�ntico complemento cromos�mico. La meiosis es el proceso que genera variabilidad entre los organismos de una misma especie; en ella los cromosomas intercambian informaci�n gen�tica. Este fen�meno, llamado recombinaci�n, da origen a productos en combinaciones distintas de las parentales; el n�mero y el sitio en el que se producen los intercambios de material gen�tico en los gametos nunca es igual de una meiosis a otra. Este mecanismo permite explicar la raz�n por la cual no hay dos individuos exactamente iguales, a menos de que se trate, como ya vimos, de gemelos homocig�ticos.
LOS �CIDOS NUCLEICOS: MACROMOL�CULAS ESENCIALES.
La vida est� formada por varios elementos qu�micos, entre los que se destacan sobre todo el carbono, el hidr�geno, el ox�geno, el nitr�geno, el f�sforo y el azufre. En las c�lulas estos �tomos forman mol�culas simples como el agua y los fosfatos, o bien grandes mol�culas constituidas por miles de �tomos, como los �cidos nucleicos y las prote�nas. En las mol�culas, los �tomos se mantienen unidos por varios tipos de enlaces, como por ejemplo el i�nico, que resulta de la interacci�n de dos elementos con carga el�ctrica opuesta, y el covalente, en el que los �tomos comparten electrones.
Los �cidos nucleicos son las macromol�culas en las cuales se almacena y procesa toda la informaci�n gen�tica de los sistemas biol�gicos. En las c�lulas de los organismos existen dos tipos de �cidos nucleicos: el �cido desoxirribonucleico (ADN) y el �cido ribonucleico (ARN). Todos los organismos actuales utilizan al ADN como macromol�cula informativa, aunque existen muchos virus, como el de la polio y el de la gripa, que usan ARN.
Las mol�culas del �cido desoxirribonucleico son, como se muestra en la figura 11, cadenas de nucle�tidos formadas por una base nitrogenada, un az�car, la desoxirribosa y un fosfato.
Figura 11. Nucle�tido del ADN.
Las bases nitrogenadas pueden ser p�ricas, como la adenina y la guanina, y pirim�dicas, como la citosina y la timina (Figura 12).
Figura 12. Bases nitrogenadas del ADN.
Aunque la composici�n b�sica del ADN se conoci� durante algunas d�cadas, los genetistas de los a�os cuarenta no pod�an imaginar c�mo este grupo tan limitado de mol�culas podr�a guardar tanta y tan variada informaci�n de los seres vivos. Los primeros cient�ficos que propusieron una estructura qu�mica coherente con las funciones que realiza el �cido desoxirribonucleico fueron James D. Watson y Francis H. Crick en 1953.
El modelo de la doble h�lice describe la conformaci�n de las mol�culas del ADN en el espacio. Cada h�lice es una cadena de nucle�tidos que se mantiene unida a trav�s de puentes fosfodiester, de tal manera que el grupo fosfato forma un puente entre dos grupos OH de dos az�cares adyacentes (Figura 13).
Figura 13. Una h�lice o cadena del ADN.
Las dos hebras de la doble h�lice son antiparalelas, es decir, est�n orientadas en direcci�n opuesta. Las dos h�lices se mantienen unidas entre s� por puentes de hidr�geno que se establecen entre las bases nitrogenadas, las cuales se aparean de forma complementaria, tal como ocurre con la llave que abre una cerradura. Es decir, debido a la estructura qu�mica de las mol�culas, la adenina s�lo puede aparearse con la timina mediante dos puentes de hidr�geno, y la citosina con la guanina con tres puentes de hidr�geno (Figura 14). A diferencia de los enlaces covalentes, los puentes de hidr�geno son relativamente d�biles, hecho que es muy importante para las funciones que realiza esta macromol�cula esencial.
Fig. 14. La dobre h�lice y apareamiento entre las bases nitrogenadas por puentes de hidr�geno.
El esclarecimiento de la base qu�mica de la herencia sugiri� la forma en que la mol�cula de ADN se replica, ya que cada base especifica a su complementaria (que s�lo es una), debido a los puentes de hidr�geno que pueden formarse entre ellas.
La estructura de doble h�lice tambi�n sugiri� que el orden o secuencia en el que se encuentran las bases en el ADN debe dirigir un mensaje codificado que la maquinaria celular debe traducir a un lenguaje distinto, el de las prote�nas, que en �ltima instancia est�n organizadas por los genes.
La replicaci�n del �cido desoxirribonucleico se realiza de acuerdo con un principio muy simple. Cada hebra de la doble h�lice sirve como molde para la bios�ntesis de una nueva cadena complementaria, proceso que est� catalizado por enzimas espec�ficas. Imaginemos a la doble h�lice como si fuera una cremallera. Si la abrimos se rompen los puentes de hidr�geno y cada lado corresponder�a a una hebra de ADN, de manera que las bases quedan expuestas y pueden dirigir la incorporaci�n de sus complementarias; los nuevos nucle�tidos se van adicionando (que provienen de una poza de ribonucle�tidos que existe en la c�lula) y la bios�ntesis de desoxirribonucle�tidos es casi simult�nea a la replicaci�n del ADN. Al final de la r�plica quedan formadas dos dobles h�lices, cada una de ellas con una de las hebras originales (molde) y una hebra reci�n sintetizada (hija). En la figura 15 se muestra un esquema del proceso.
Figura 15. Replicaci�n del ADN.
La unidad funcional m�s sencilla en una mol�cula de ADN es un gene, y no hay que olvidar que las caracter�sticas tanto visibles como fisiol�gicas de los seres vivos dependen de la estructura y de la expresi�n precisa de los genes. Los productos de los genes son, por una parte, distintas mol�culas de ARN, y por otra, las prote�nas, que en las c�lulas realizan varias funciones: estructurales, enzim�ticas y reguladoras. Las enzimas, y en general todas las prote�nas, est�n formadas por mol�culas llamadas amino�cidos, cuyo orden determina su estructura primaria. En los organismos existen 20 amino�cidos esenciales, los cuales se unen por enlaces covalentes, llamados pept�dicos, que se forman liber�ndose agua en la reacci�n. La conformaci�n de las prote�nas en el espacio y su enrollamiento produce estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias que crean sitios espec�ficos en los cuales los sustratos se pegan, permitiendo as� que ocurran las reacciones enzim�ticas. Debido a que los genes codifican la estructura primaria de las enzimas, se puede decir que controlan su funci�n.
La producci�n de un polip�ptido se realiza en la c�lula mediante un proceso complejo en el que intervienen enzimas y diferentes mol�culas de ARN. El mensaje codificado en el ADN es primero transcrito a una mol�cula intermediaria, el llamado �cido ribonucleico mensajero (ARNm) que lleva la informaci�n a los ribosomas. All� ocurre la traducci�n del mensaje gen�tico y la uni�n de los amino�cidos que conforman la estructura primaria de la cadena polipept�dica. Durante el proceso de expresi�n de los genes intervienen tres mol�culas distintas de �cido ribonucleico, y las tres son copias complementarias de secuencias espec�ficas del ADN. El ARN se caracteriza por ser de una hebra generalmente sencilla, su az�car siempre es la ribosa y en lugar de timina siempre existe otra base pirim�dica, el uracilo.
El desciframiento del c�digo gen�tico se llev� a cabo mediante una serie de experimentos elegantes que mostraron inequ�vocamente que el lenguaje molecular est� conformado por cuatro letras, que si se combinan en forma de tripletes, 43, producen 64 palabras, las que pueden ordenarse de manera definida para producir escritos peculiares, las prote�nas, que son altamente espec�ficas.
A veces el cambio de un solo amino�cido es suficiente para alterar la funci�n de una prote�na. Estos cambios en la arquitectura de las prote�nas son producto de las alteraciones o mutaciones en la secuencia de bases de un gene en particular.
Las mutaciones son cambios al azar que ocurren en el material gen�tico y que se heredan a la siguiente generaci�n. Hay mutaciones puntuales, o microlesiones, que se dan entre los genes, los cuales cambian a una nueva forma al�lica; tambi�n hay mutaciones de la estructura, o del n�mero cromos�mico, llamadas mutaciones cromos�micas o macrolesiones.
Las mutaciones puntuales ocurren en forma natural debido a errores poco frecuentes durante la duplicaci�n del ADN, o a da�os espont�neos en esta mol�cula. Los errores ocasionales en el apareamiento de las bases durante la s�ntesis del ADN ocasionan sustituciones de una base original por otra. Por ejemplo, el desplazamiento de un prot�n que cambia las propiedades qu�micas de la mol�cula, puede llevar a una alteraci�n de la geometr�a de los puentes de hidr�geno, que quiz� ocasione que una guanina se parezca temporalmente a la adenina.
En la conformaci�n normal del ADN la guanina y la timina se encuentran en forma ceto (C=O) y pueden cambiar a la forma enol (COH), lo que se conoce como cambio tautom�rico. Por su parte, la adenina y la citosina se presentan normalmente en forma amino (NH2) pero pueden tautomerizarse a formas imino (NH), tal como se muestra en la figura 16.
Figura 16. Formas normales y tautom�ricas de las bases nitrogenadas.
Este tipo de sustituciones se conoce como transici�n, de una purina a otra purina o de una pirimidina a otra pirimidina. 1) Al pasar la adenina de la forma amino a la imino se comporta como guanina; el resultado es que frente a la adenina habr� una citosina; 2) cuando la guanina pasa a la forma enol es equivalente a la adenina; por lo tanto, habr� un error al aparearse con la timina; 3) cuando la timina pasa a la forma enol se comporta como citosina; 4) cuando la citosina pasa a la forma imino se comporta como timina; se aparear� por lo tanto como adenina (Figura 17).
Figura 17. Mutaciones puntuales por sustituci�n (transiciones).
Durante la replicaci�n puede tambi�n sustituirse una base p�rica por una pirim�dica o viceversa, produci�ndose una transversi�n, tal como se muestra en la figura 18.
Figura 18. Mutaciones puntuales por sustituci�n (transversiones).
El origen de las transversiones es menos conocido, ya que la propia conformaci�n espacial de la doble h�lice impide este tipo de errores.
Existen otras mutaciones, como las que ocurren por corrimiento del marco de lectura, que se deben a la adici�n o a la deleci�n de una o m�s bases nitrogenadas del ADN durante la replicaci�n (Figura 19).
Tambi�n hay otras lesiones espont�neas en el ADN, como la depurinizaci�n. Ésta se presenta cuando el enlace glucos�dico entre la base nitrogenada y la desoxirribosa se rompe, lo cual conlleva a la eliminaci�n de una purina, A o G, del ADN. El resultado es una lesi�n que se conoce como sitio apur�nico (Figura 20).
Sin embargo, en los seres vivos existen sistemas enzim�ticos de reparaci�n de lesiones del ADN que son muy eficientes y que restituyen r�pidamente la base original. En ocasiones, en el sitio apur�nico puede insertarse una base distinta, lo que da origen a una mutaci�n puntual. �stas tambi�n se producen por desaminaci�n espont�nea, como la que ocurre con la citosina. Al desaminarse esta pirimidina se transforma en uracilo, el que se aparear� con adenina, gener�ndose una transici�n de GC a AT (Figura 21).
Figura 21. Desaminaci�n de la citosina.
Las mutaciones cromos�micas comprenden cambios en el n�mero o en la estructura de los cromosomas. Este tipo de alteraciones se detectan analizando las c�lulas de los eucariontes bajo el microscopio.
En la mayor�a de los seres vivos es posible detectar a los individuos que presentan cambios num�ricos, porque suelen ser distintos fenot�picamente de los individuos normales. Este tipo de aberraciones se producen por alteraciones durante la separaci�n normal de los cromosomas en el curso de la divisi�n celular. En los seres humanos, la falta de un cromosoma, o su presencia en n�meros mayores al diploide, genera severas alteraciones muy frecuentemente asociadas con retraso mental severo, periodos de vida cortos y con esterilidad.
Los cambios en la estructura de los cromosomas son macrolesiones y se producen por rompimientos en los cromosomas, con o sin rearreglos posteriores, lo cual genera alteraciones en la secuencia de los genes, y por lo tanto, en la expresi�n de los mismos en el organismo.
As� pues, las mutaciones son excepciones que se presentan durante la r�plica o la distribuci�n de los cromosomas durante la divisi�n celular. En condiciones naturales ocurren al azar, no tienen orientaci�n adaptativa, es decir, ocurren de manera accidental e independientemente del valor que pudieran tener en el ambiente en que viven los organismos.
Las mutaciones son procesos que se presentan en frecuencias muy bajas en las poblaciones naturales y representan la fuente natural de variaci�n biol�gica. Son la materia prima sobre la cual act�a la selecci�n natural y otros mecanismos evolutivos.
Los cambios en el material gen�tico pueden inducirse por agentes f�sicos o qu�micos, llamados mut�genos, que aumentan considerablemente su frecuencia. Los mut�genos qu�micos han sido utilizados experimentalmente para estudiar los mecanismos mediante los cuales se establecen las mutaciones. Estos mut�genos modelo o de referencia act�an reemplazando a una base, alterando la complementaridad, o da�ando al ADN de manera tal que no puede replicarse.
Los an�logos de bases son compuestos qu�micos similares a las bases nitrogenadas, pero con propiedades de apareamiento distintas, de manera que al incorporarse en el ADN producen mutaciones porque durante la duplicaci�n provocan sustituciones de una base por otra. Por ejemplo, el 5 bromouracilo es un an�logo de la timina que se presenta en condiciones normales en forma ceto, y por lo tanto se aparea con la adenina; puede cambiar a la forma en�lica, adquiriendo as� las propiedades de apareamiento de la citosina y generando una transici�n como se muestra en la figura 22.
Figura 22. Microlesiones inducidas por un an�logo de base.
Los agentes alquilantes son otro grupo de compuestos qu�micos que tienen la propiedad de a�adir radicales alquilo, como metilo o etilo, a las bases nitrogenadas y producir como resultado transiciones, tal como se muestra en la figura 23.
Figura 23. Transici�n inducida por etilmetanosulfonato.
Los agentes intercalantes constituyen un grupo de mol�culas que mimetizan a las bases nitrogenadas originales y que al insertarse entre ellas producen mutaciones de corrimiento de marco de lectura (Figura 24).
Figura 24. Mutaci�n puntual inducida por un agente intercalante.
