La Genética: Conceptos Fundamentales

La genética es la rama de la biología que estudia cómo se transmiten los caracteres hereditarios de generación en generación. Los organismos heredan características morfológicas (forma, color, estructura) y fisiológicas (funcionamiento interno) de sus progenitores a través del ADN, molécula que contiene toda la información genética. El ADN está formado por numerosas unidades funcionales llamadas genes, que contienen la información necesaria para determinar los caracteres biológicos. Un gen es, por tanto, una unidad de información hereditaria que controla un carácter o participa en su expresión.

Hitos Experimentales en la Historia de la Genética

• Experimento de Griffith: Trabajó con la bacteria Streptococcus pneumoniae. Descubrió que una sustancia procedente de bacterias virulentas podía transformar bacterias no virulentas en virulentas.
• Experimento de Avery, MacLeod y McCarty: Demostraron que la sustancia transformante era el ADN, estableciendo que el ADN es el material genético.
• Experimento de Beadle y Tatum: Estudiaron las consecuencias de los cambios génicos o mutaciones utilizando el hongo Neurospora. Introdujeron mutaciones y observaron que algunos organismos perdían la capacidad de sintetizar determinados aminoácidos. Conclusión: Cada mutación afectaba a una enzima. Propusieron la hipótesis: un gen, una enzima. Esto implicaba que los genes controlan la síntesis de enzimas y, por tanto, el metabolismo celular.

Posteriormente, se estudió la diferencia entre la hemoglobina normal y la hemoglobina falciforme. Se demostró que la hemoglobina falciforme difería de la normal en un solo aminoácido de los aproximadamente 600 que componen la proteína. Esto significa que una alteración en un gen produce un cambio en un aminoácido, lo que altera la estructura y función de la proteína. Este hallazgo consolidó la idea de que el ADN determina la secuencia de aminoácidos de las proteínas.

El Experimento de Meselson y Stahl (1958)

Para demostrar cómo se replica el ADN, utilizaron la bacteria Escherichia coli. En ese momento existían tres modelos posibles: conservativo, dispersivo y semiconservativo.

Diseño experimental:

1. Cultivaron bacterias en un medio con nitrógeno pesado, que se incorporó al ADN.
2. Luego trasladaron las bacterias a un medio con nitrógeno ligero.
3. Extrajeron ADN tras cada generación.
4. Separaron las moléculas según su densidad mediante centrifugación en gradiente.

Resultados: Primera generación: ADN con densidad intermedia (híbrido). Segunda generación: ADN híbrido + ADN ligero. No apareció ADN completamente pesado tras el cambio de medio. Conclusión: La replicación es semiconservativa: cada molécula hija conserva una hebra original y sintetiza una nueva. Importancia: confirmó experimentalmente el modelo propuesto por Watson y Crick.

El Dogma Central de la Biología Molecular

El dogma central de la biología molecular establece que la información genética fluye en una dirección principal: ADN → ARN → Proteína.

Este flujo implica tres procesos fundamentales: replicación, transcripción y traducción. Además, existen excepciones en algunos virus.

• Replicación: Es el proceso mediante el cual el ADN se duplica antes de la división celular, garantizando que cada célula hija reciba una copia idéntica de la información genética. Ocurre en la fase S del ciclo celular. Su importancia es fundamental: asegura la continuidad genética de generación en generación.
• Transcripción: Es el proceso por el cual la información contenida en un gen se copia en forma de ARN mensajero. Una enzima llamada ARN polimerasa reconoce una región inicial del gen (promotor), separa las dos hebras de ADN y utiliza una de ellas como molde para sintetizar una molécula de ARN complementaria en dirección 5’→ 3′. En eucariotas, el ARNm recién sintetizado (pre-ARNm) sufre un proceso de maduración: eliminación de intrones, unión de exones, adición de caperuza 5′ y cola de poli-A en el extremo 3’. Una vez maduro, el ARNm sale del núcleo hacia el citoplasma.
• Traducción: Es el proceso mediante el cual la secuencia de nucleótidos del ARNm se convierte en una secuencia de aminoácidos, formando una proteína. Tiene lugar en los ribosomas. El ARNm se lee en grupos de 3 nucleótidos llamados codones. Cada codón especifica un aminoácido. El proceso comienza en un codón de inicio (AUG) y termina en un codón de parada.

Excepciones al dogma central: Algunos virus poseen ARN como material genético (ej. VIH). Estos virus realizan transcripción inversa, sintetizando ADN a partir de ARN gracias a la enzima transcriptasa inversa.

Estructura y Organización de los Genes

Un gen es un fragmento de ADN localizado en una región concreta de un cromosoma que constituye una unidad funcional de información genética. Sus funciones son: almacenar información, expresar la información (produciendo ARN o proteína) y transmitir la información a la descendencia.

Organización estructural

• Secuencia reguladora: Controla cuándo, dónde y en qué cantidad se expresa el gen.
• Secuencia estructural: Contiene la información para la síntesis del producto génico. En eucariotas, esta secuencia está formada por exones (regiones codificantes) e intrones (regiones no codificantes que se eliminan durante la maduración del ARN).

Diferencias entre Procariotas y Eucariotas

• Procariotas: Un único cromosoma circular, secuencia continua (sin intrones), toda la información se traduce. Pueden tener plásmidos (pequeñas moléculas de ADN circular que se replican independientemente y pueden transferirse entre bacterias).
• Eucariotas: ADN lineal en el núcleo, presencia de intrones y exones, ADN asociado a histonas y ADN propio en mitocondrias y cloroplastos.

Mecanismos de Replicación del ADN

La replicación es el proceso mediante el cual, a partir de una molécula de ADN progenitora, se sintetizan dos moléculas hijas idénticas.

Replicación en Procariotas

Se divide en tres fases: iniciación, elongación y terminación. El proceso es bidireccional y utiliza enzimas clave como la helicasa (rompe puentes de hidrógeno), girasa (evita superenrollamiento), primasa (sintetiza cebadores) y ADN polimerasas (síntesis y corrección).

• Hebra conductora (líder): Síntesis continua.
• Hebra retardada: Síntesis discontinua mediante fragmentos de Okazaki.

Replicación en Eucariotas

Semejanzas: Es semiconservativa, bidireccional, necesita cebadores y presenta hebra conductora y retardada.

Diferencias: ADN lineal y mucho más largo, asociado a histonas, múltiples orígenes de replicación (replicones), uso de cinco ADN polimerasas, fragmentos de Okazaki más pequeños y un proceso más lento y complejo.