los aportes a la genética adn
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como se descubrió el ADNTRANSCRIPT
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Cul es el material hereditario? Fueron muchos los experimentos diseados y las hiptesis propuestas para
contestar esta pregunta: Mencionaremos las aportaciones ms importantes que marcaron el camino para
dilucidar la estructura del ADN.
En 1928, el bacterilogo Fred Griffith estaba interesado en la virulencia (capacidad de infectar y producir
enfermedad) de las bacterias causantes de la neumona, llamadas Pneumonococcus. Primero obtuvo dos cepas,
una infecciosa y otra no infecciosa o inofensiva. La diferencia principal entre estas dos cepas era que la cepa
virulenta o mortal sintetizaba una cubierta lisa de polisacrido que protega a la bacteria de ser digerida por el
hospedero (el organismo al cual infectan), mientras que la cepa inofensiva no poda sintetizar la capa protectora
(y por eso era atacada por las defensas del hospedero, hacindola efectivamente inofensiva); al ponerlas a crecer
en una caja de Petri bajo cultivo, Griffith not que la cepa virulenta formaba placas lisas, mientras que la
inofensiva produca placas rugosas.
Como primer paso, Griffith inyect a ratones normales con estas dos cepas para ver qu suceda. El resultado
fue poco sorprendente. Los ratones que fueron inyectados con la cepa lisa o virulenta murieron, mientras que
los que recibieron la cepa rugosa, sobrevivieron. El segundo paso fue aplicar calor a las bacterias de la cepa lisa
o virulenta para matarlas (como sabemos, la mayora de las bacterias mueren con el calor, de ah que, por
ejemplo, debamos hervir el agua antes de tomarla para garantizar la muerte de estos microorganismos), e
inyectarlas posteriormente a los ratones. Los ratones no murieron. Recordemos que la diferencia entre las dos
cepas es la presencia de una capa de polisacrido protectora. Fue as como Griffith demostr que el polisacrido
por s solo no infectaba a las clulas de los ratones cuando la bacteria estaba muerta.
Hasta aqu todo haba salido como Griffith lo esperaba. Pero el siguiente paso fue lo ms importante. Se le
ocurri mezclar bacterias muertas de la cepa virulenta lisas (a las cuales les haba aplicado calor) con bacterias
vivas de la cepa inofensiva, y las inyect en los ratones. Qu creen que pas? Pues simplemente que los
ratones murieron de neumona. Cmo explicar esto, si las bacterias virulentas estaban muertas? Al hacer las
autopsias de los ratones Griffith encontr bacterias lisas vivas. De dnde salieron?
Lo primero que pens Griffith fue que haba cometido algn error, en algn punto y que no haba matado a las
bacterias lisas, o que haba habido contaminacin y por lo tanto accidentalmente haba inyectado bacterias
virulentas vivas en los ratones, produciendo su muerte. Griffith procedi a repetir varias veces su experimento.
El resultado fue el mismo: los ratones murieron al serles inyectada una mezcla de bacterias lisas muertas con
bacterias rugosas vivas (Figura 17).
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Figura 17. Los experimentos de Griffith contribuyeron a sustentar la idea de que el ADN era el material gentico. En su experimento, Griffith trabaj con dos cepas de pneumonococcus (agente causante de la neumona
bacteriana). La cepa lisa era virulenta mientras que la cepa rugosa era inocua. Griffith intuy que alguna
sustancia o factor de los neumonococos lisos muertos por el calor poda transferirse a la cepa rugosa,
transformndola en virulenta.
Entonces Griffith pens que la solucin a este rompecabezas era que en algn momento, y de alguna forma, las
bacterias no infecciosas, rugosas, se haban transformado en bacterias virulentas. Pero cmo? Pues
incorporando el material gentico de las bacterias muertas lisas, y adquiriendo la capacidad (perdida
anteriormente) de producir la cubierta protectora, lo cual las haba convertido en virulentas.
Con esta interrogante otros investigadores disearon nuevos experimentos y se llevaron a cabo una y otra vez
ensayos que permitieran establecer cul era esta misteriosa sustancia transformadora . No fue sino hasta 1944
que C.T. Avery, C.M. Mc Leod y MJ. McCarty publicaron sus resultados sobre la transformacin bacteriana y
demostraron que la sustancia transformadora era ADN. Estos estudios concluyeron que la sustancia
transformadora no era ms que el ADN de las bacterias lisas, que se haba incorporado por el mecanismo de
transformacin bacteriana al ADN de las bacterias rugosas, hacindolas virulentas. Es decir, por medio de la
transformacin bacteriana se pueden insertar fragmentos de ADN extrao en el cromosoma de otra bacteria, reemplazando al gene inactivo de esta ltima y recuperando su capacidad virulenta una vez ms.
A pesar de que esto demostraba que el ADN era el material gentico, pocos bilogos y genetistas estaban convencidos de haber encontrado, finalmente, la molcula de la herencia.
Vino entonces la prueba definitiva. Alfred Hershey y Margaret Chase en 1952 llevaron a cabo el experimento
que no dejara lugar a dudas de que el ADN era la molcula de la herencia, el material gentico. Utilizaron un organismo novedoso, un virus capaz de destruir a las bacterias como Escherichia coli. Este bacterifago o virus
tiene un solo cromosoma de ADN dentro de una cpside de protenas. Es muy bonito pues tiene forma de nave espacial y al momento de infectar lo hace como si se estuviera inyectando a la bacteria con un mbolo,
quedndose la cpside en el exterior de la bacteria, mientras que el ADN es impulsado hacia adentro. El proceso
de infeccin contina con la incorporacin del ADN viral en el cromosoma de la bacteria, apoderndose de su maquinaria gentica para ordenar la fabricacin de virus, los cuales llegan a romper la clula y son liberados
hacia el exterior de ella, listos para infectar a otras bacterias.
Para demostrar que el ADN penetra en la bacteria, Hershey y Chase idearon hacer crecer al virus en un medio con fsforo y azufre radiactivos, es decir; marcndolo radiactivamente con estos dos compuestos. Como ya
sabemos, las protenas contienen azufre y no fsforo, por lo tanto, solamente la cpside del virus tena azufre
radiactivo. Y por el contrario, como el ADN contiene fsforo pero 110 azufre, el ADN viral estaba marcado con fsforo radiactivo, lo cual haca muy distinguible su presencia dentro o fuera de la bacteria al momento de la
infeccin.
Al infectar a las bacterias con el virus marcado se esperara encontrar cul de los dos elementos, la protena
exterior o el ADN cromosomal, penetraba en la bacteria y transformaba su aparato gentico para producir ms virus. A este experimento se le denomina el experimento de la licuadora, pues Hershey y Chase, una vez que
hubieron infectado las bacterias, y sin dar mayor tiempo para la reproduccin interna de nuevos virus, metieron
la mezcla de virus y bacterias en una licuadora de cocina, para que, al agitarla, se desprendieran las dos
porciones del virus. Despus de esto pudieron separar por centrifugacin los elementos y analizarlos. El
resultado fue que la mayor parte del fsforo radiactivo, es decir, el ADN, se encontr dentro de las bacterias infectadas, y por el contrario, se encontr muy poco azufre radiactivo, es decir, protena marcada, dentro de las
bacterias. Para Hershey y Chase, y para la comunidad biolgica, sta era la prueba definitiva de que es el ADN es el material gentico (Figura 18).
Pero, cul es su estructura?
Ya para 1950 se saba que los cidos ribonucleicos estaban formados por monmeros de fosfatos, azcares y
bases nitrogenadas. Pero lo curioso es que Erwin Chargaff demostr que, segn el organismo, el ADN tena diferentes proporciones de las bases nitrogenadas. Al analizar las proporciones de estas bases en otros
organismos se dio cuenta de que siempre aparecan las mismas proporciones de adenina y timinas y, por otro
lado, de guaninas y citosinas. Pronto dedujo que exista una regla general: las cantidades de A y T (adenina y
timina) son iguales, mientras que las de G y C (guanina y citosina) guardan tambin la misma proporcin. En el
caso del humano y otros mamferos las cantidades son aproximadamente: 21%C, 21%G, 29% A y 29%T.
Independientemente del origen del ADN, la regla de Chargaff se conserva: la mitad exacta de las bases nucleotdicas son purinas (adenina y guanina), y la otra mitad son pirimidinas (timina y citosina). Seran
posteriormente Watson y Crick quienes interpretaran esta curiosidad de Chargaff en trminos del apareamiento
de las bases en la molcula.
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Figura 18. Cul es el material gentico? Esta pregunta la cotestaron Harshey y Chase marcando fagos
radiactivamente. La cspide con azufre radiactivo y el ADN con fsforo radiactivo. Posteriormente infectaron
una colonia de bacterias, pero sin dar tiempo para la duplicacin del ADN. Separaron la cpside vaca del fago y encontraron que nicamente el fsforo radiactivo (32P) haba penetrado en la clula.
Con la ayuda de la cristalografa de rayos X se pudo dilucidar la estructura del ADN en 1953. Esta tcnica consiste en dirigir los rayos X a un cristal y observar cmo stos son desviados (difractados) por la estructura
molecular repetitiva dentro del cristal. Este patrn de difraccin es posible verlo en una placa fotogrfica, en
donde encontraremos lneas y puntos distribuidos en forma radial, que permiten entender el acomodo de las
molculas de un cristal inorgnico. Gracias a que algunos compuestos orgnicos como el ADN, el ARN las
protenas pueden cristalizarse, fue exitosa la idea de estudiar el ADN con esta tcnica, diseada originalmente
para cristales inorgnicos. Fue as como Maurice Wilkins y Rosalind Franklin obtuvieron fotografas del ADN y
ciertas medidas intramoleculares (es decir las medidas que separaban a los constituyentes del ADN) cuyo significado desconocan, pero que aparecan con regularidad: 2.0 nanmetros (nm), 0.34 nm y 3.4 nm.
Fue as como James D. Watson y Francis Crick intervinieron en este problema sobre la dilucidacin de la
estructura de la doble hlice, el ADN. Partiendo de la regla de Chargaff saban que el nmero de timinas era igual al de adeninas, y que el nmero de guaninas era igual al de citosinas. Pero, cmo estaban dispuestas?
Saban que tena que haber una explicacin para los nmeros proporcionados por Wilkins y Franklin. Hicieron
varios modelos para probar diferentes disposiciones de los elementos que constituyen el ADN, hasta. que uno de
stos result apegarse con mayor exactitud a los datos de Chargaff y de Wilkins-Franklin. El ADN pareca ser una doble cadena, enrollada sobre s misma, con un esqueleto de fosfato- azcar (los pilares), con las bases
nitrogenadas (uniendo los pilares) orientadas hacia el interior. En este modelo los nmeros que hemos
mencionado indicaban que el ancho total de la doble hlice era de 2.0 nm (nanmetros), el grosor de las bases
nucleotdicas era de 0.34 nm., y dado que la doble cadena gira sobre s misma enrrollndose, la escalera de
caracol dara una vuelta completa cada 3.4 nm, esto es, cada 10 pares de bases. He aqu el modelo de la doble
hlice de Watson y Crick (Figura 19).
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Figura 19. Francis H. Crick.
Por este gran descubrimiento recibieron tiempo despus el Premio Nobel en fisiologa y medicina en 1962. El
descubrimiento de la estructura del ADN marc una nueva etapa de la biologa molecular.
Cmo se duplica el ADN?
Como ya hemos mencionado, el material gentico tiene la capacidad de sintetizar otros compuestos (protenas)
y de duplicarse (hacer copias exactas de s mismo).
El ADN tiene que duplicarse cuando la clula entra en divisin, para que cada clula hija tenga el mismo
contenido de ADN, es decir, el mismo nmero de cromosomas.
El mismo modelo de Watson y Crick dio la respuesta a la duplicacin. El ADN es como una escalera enrollada. Lo primero que tiene que ocurrir es que una enzima especial desenrolle la cadena hasta dejarla como si
estuviramos viendo una escalera sobre una pared. El segundo paso es separar a Watson y Crick, es decir,
separar ambos lados de la escalera. Para esto existe una enzima especial, llamada ADN polimerasa, que se encarga de apartar a las dos cadenas; rompiendo los puentes de hidrgeno que antes las unan. Otra enzima se
encarga de ir apareando las bases con sus contrapartes en cada cadena; en cuanto se van llenando los huecos la
separacin de las cadenas Watson y Crick contina. Al final de este proceso tenemos dos dobles hlices donde
antes slo haba una. A este tipo de duplicacin se le conoce como semiconservadora pues ambas hlices
nuevas tienen una de las cadenas originales (Figura 3).
Cmo se procesa la informacin contenida en el ADN? El cdigo gentico
Como ya hemos mencionado la molcula de la herencia, el ADN, tiene forma de una escalera de caracol, y cada uno de sus peldaos es un nucletido. Cada nucletido est caracterizado por su base: adenina, guanina, timina
y citosina. La informacin gentica es precisamente la secuencia de estas bases dentro de un segmento
determinado. Se dice entonces que la informacin est codificada por su secuencia de bases. Cada tres bases
forman un codn, que corresponde a su vez a uno de los 20 aminocidos existentes (Figura 20).
Figura 20. El cdigo gentico. En esta tabla podemos observar que existen 64 codones posibles. La columna de
la izquierda marca la primera letra de los codones. En la parte superior est la segunda letra y a la derecha la
tercera letra. Cada codn indica el aminocido que produce. El cdigo gentico es redundante, ya que existe
ms de un codn para cada aminocido. UAA, UAG y UGA representan seales de paro o trmino. AUG tiene dos
funciones: cooficia para metionina y tambin significa inicio. Todos los ARM comienzan con el codn AUG, lo cual indica que ste es el codn iniciador.
De esta manera, la informacin contenida en el ADN tiene que ser transcrita (o vuelta a escribir) a otra molcula
intermedia, su similar, el ARN. Una cadena sencilla es transcrita a una molcula complementaria de ARN de acuerdo con las reglas establecidas por el modelo de Watson y Crick: una A se aparea con una U (recordemos
que en el caso del ARN la timina es sustituida por el uracilo), y una G por una C. El resultado es la formacin de
una molcula conocida como ARN mensajero que a su vez ser traducida (o decodificada) en una protena. Cada
codn (tres bases consecutivas) de ARN dirige la incorporacin de un aminocido particular para formar una
protena. De este modo tenemos que la formacin de protenas a partir de ADN es un proceso de dos pasos.
Primero, a partir de una cadena de ADN se forma un ARN mensajero, es decir, el ADN es transcrito en ARN;
segundo, este ARN mensajero es traducido para formar las protenas.
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Dicho en otras palabras, los genes codifican para protenas; la expresin de un gene se hace a travs de una
copia de s mismo en el ARN, que a su vez dirige la sntesis de las protenas especficas. La va molecular de esta sntesis fue designada por F. Crick como el dogma central de la biologa molecular expresando los flujos de
informacin de la siguiente manera:
Transcripcin. Traduccin.
Replicacin ADN ARNProtenas
En algunos casos este diagrama puede invertirse, pero slo en el paso que va de ADN a ARN, nunca de protenas a
ARN. Podemos obtener copias de ADN a partir de ARN si est presente una enzima llamada transcriptasa reversa,
que como su nombre lo indica toma como molde una molcula de ARN y produce o sintetiza una molcula de
ADN. Este descubrimiento ha sido muy exitoso pues ha demostrado la posibilidad de producir ADN nuclear a
partir de las molculas de ARN aisladas del citoplasma.
Si el ADN contiene cuatro tipos de bases que arreglados en codones (series de tres) nos dan un total de 64 combinaciones, tenemos que traducir estas 64 posibilidades en los 20 aminocidos que se presentan en las
protenas. De estos 64 codones se sabe que 61 codifican para aminocidos, mientras que los tres restantes
indican el trmino de la sntesis. Tambin podemos notar en la figura 20 que varios tripletes pueden codificar
para el mismo aminocido, de donde se dice que el cdigo gentico es redundante. A pesar de que las
investigaciones acerca del cdigo gentico fueron llevadas a cabo en la regin rII del bacterifago T4, se han
obtenido los resultados que indican que este cdigo es universal, es decir, se presenta en todos los seres
vivientes.
Ahora, es fcil suponer que si una protena promedio est formada por 300 aminocidos (las hay ms grandes,
desde luego), y cada triplete o codn codifica para uno, se requieren 900 pares de bases para formar la protena.
Se sabe que en algunos organismos procariontes como Escherichia coli su cromosoma sencillo contiene
aproximadamente tres millones de pares de bases, suficientes para codificar ms o menos 3 000 protenas. En
las clulas eucariontes la cantidad de ADN aumenta proporcionalmente con la complejidad. Por ejemplo, en clulas de mamferos existen aproximadamente de tres a cuatro billones de pares de bases formando los
cromosomas, cantidad suficiente para codificar ms o menos tres millones de protenas, aunque se sabe que las
protenas presentes en este tipo de clulas no son ms de 100 000 y en algunos casos pueden ser hasta 30 000.
Lo que sucede es que existen secuencias que son meramente estructurales, y otras que estn repetidas hasta
cientos de veces por genoma. Esto explicara la cantidad tan alta de ADN en relacin con la cantidad de protenas que pueden procesarse. Otra explicacin es que en el caso de los procariontes, la transcripcin y la traduccin se
llevan a cabo en el mismo lugar, mientras que en los eucariontes estos dos procesos estn separados tanto en
tiempo como en lugar. El ADN es transcrito dentro del ncleo en la molcula de ARN mensajero precursor. Este
precursor es procesado en el ncleo y reducido su tamao para formar un ARN mensajero maduro que sale a travs de la membrana celular hacia el citoplasma de la clula en donde es traducido a protenas. Esto quiere
decir que no todo el ADN que se transcribe es traducido a protenas. A este problema volveremos ms adelante,
por ahora volvamos a la pregunta de cmo tal cantidad de ADN puede estar contenida dentro del ncleo de las clulas eucariontes.
Pero, cmo se forman los cromosomas?
Como ya hemos visto, en las clulas eucariontes no todo el ADN se encuentra en el ncleo, tambin
encontramos ADN en las mitocondrias (organelos donde se lleva a cabo la respiracin) y en los cloroplastos, en el caso de las clulas vegetales (en ellos se lleva a cabo la fotosntesis). Sin embargo, podemos decir que casi
todo el ADN se encuentra en el ncleo, que de manera ordinaria est dividido en dos o ms cromosomas. El nmero de stos es caracterstico de cada especie: el hombre tiene 23 pares de cromosomas, el maz 10, la
mosca de la fruta 4, etc. La cantidad de ADN presente en cada ncleo celular es tan grande que, como veremos ms adelante, necesita enrollarse y doblarse para formar los cromosomas.
En las clulas eucariontes el ADN es el principal componente del ncleo, pero no se encuentra suelto sino formando parte de la cromatina. En 1879 Flemming us este trmino de cromatina (del griego chroma, color)
para designar a la sustancia que toma tonalidades intensas con colorantes bsicos en el ncleo de las clulas
debido a la presencia de una sustancia llamada por l nuclena, compuesto fosforado que se haba aislado en
1871 de clulas de pus.
Ya desde 1876 Balbiani haba observado que antes de la divisin celular en el ncleo se formaban pequeas
estructuras cilndricas, y ms tarde en 1888 Waldeyer denomin a estas estructuras cromosomas, haciendo
nfasis en la continuidad entre la cromatina descrita por Flemming y las estructuras cilndricas explicadas por
Balbiani.
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Gracias al desarrollo de ciertas tcnicas citolgicas se pudo aislar la cromatina del ncleo que es una masa
gelatinosa compuesta por ADN, ARN, protenas bsicas histonas y protenas no histnicas o cidas. La
cantidad de ARN y de protenas no histnicas es variable de clula a clula, pero la cantidad de histonas nos
revela una relacin de uno a uno con el ADN. Estas protenas son de cinco clases y su papel es proporcionar una
estructura estable al ADN. Estas histonas se unen con fuerza al ADN para formar una estructura llamada nucleosoma.
Cuatro de las cinco histonas forman octmeros, alrededor de los cuales se enrolla el filamento de ADN que da dos
vueltas de 140 pares de bases. La quinta histona se une al puente de ADN que une los nucleosomas, los cuales a su vez se pliegan para formar una fibra gruesa en la cual hay seis nucleosomas por cada vuelta de la doble
hlice (Figura 21).
Figura 21. Relacin de la fibra de ADN con la histona del nucleosoma. Las histonas estn representadas por las
pelotas y el ADN por el tubo. El ADN se enrolla por fuera de las protenas (histonas) dando configuracin en collar.
Esto quiere decir que en el ncleo el ADN est formando la cromatina en asociacin con ARN y protenas; cuando se va a iniciar la divisin celular los nucleosomas se superempaquetan, formando los cromosomas. (Figura 22).
Es por esta razn que una fibra tan larga como el ADN ocupa un espacio muy pequeo dentro del ncleo de las
clulas, haciendo ms fcil la divisin celular. Esta organizacin del ADN en los cromosomas explica por qu todos los datos requeridos para la formacin de una planta, un animal o una persona se puede guardar dentro del
ncleo de las clulas eucariontes.
Figura 22. Enrollamiento de la fibra 10 nm para constituir la de 20-30 nm.
LA MOLCULA VIAJERA
La historia de las ciencias demuestra que el desarrollo de una ciencia no slo depende de la genialidad de los
investigadores o cientficos, sino de la existencia de un horizonte terico comn que permita el entendimiento y
asimilacin de las ideas; y tambin ensea que, algunas veces, muchos de los descubrimientos cientficos
quedan fuera del entendimiento comn. En la historia de la gentica tal es el caso de Mendel, cuyas leyes
quedaron en el olvido o desconocimiento durante cerca de 40 aos, en espera de un ambiente cientfico que
permitiese su asimilacin a principios del siglo XX. A partir de su reconocimiento universal, el mendelismo constituy la piedra angular de la gentica moderna. Otro caso similar es el de Brbara McClintock, quien en
1948 descubri un fenmeno gentico hasta entonces inimaginado: la transposicin o movilidad de los genes
dentro de los cromosomas. A pesar de que sus estudios pasaron inadvertidos para la comunidad cientfica del
momento durante casi 30 aos (en la segunda mitad del presente siglo, florecimiento de la biologa molecular),
la historia le hizo justicia cuando se le otorg el Premio Nobel en fisiologa y medicina en el ao de 1983 por
sus experimentos de los genes saltarines con la planta del maz.
Cmo fueron descubierto los genes saltarines ?
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Brbara McClintock empez su trabajo de gentica con la planta del maz. Encontr que las semillas de las
mazorcas mostraban coloraciones diversas, a veces otras mostraban pequeos parches verdes, blancos o
amarillos plidos. De esta observacin, McClintock dedujo que cada parche indicaba la presencia de una familia
de clulas que en algn momento del desarrollo haba sufrido algn cambio o mutacin. Dependiendo del
momento del cambio (mutacin), el parche podra adoptar diferentes coloraciones y tamaos. Si era temprano
los fragmentos seran grandes, mientras que si era tardo el parche sera pequeo. De igual forma, la cantidad de
parches presentes en una semilla indicara que el cambio o mutacin haba ocurrido mltiples veces. As fue
como B. McClintock decidi seguir la historia celular y averiguar qu era lo que haba ocurrido.
Haciendo anlisis citolgicos al microscopio, McClintock analiz el comportamiento de los cromosomas
durante la divisin celular. En particular, el par nmero 9 (la planta del maz tiene pares de cromosomas)
mostraba ciertos rompimientos que ocurran con gran regularidad y en lugares especficos. Durante sus
observaciones not tambin que una vez ocurrido un rompimiento, ste permaneca en las generaciones
celulares siguientes. McClintock lleg a la conclusin de que no era ms que un tipo de rompimiento controlado
en el cromosoma, y que cada tipo de rompimiento corresponda a una clase de parche en la semilla, el cual
determinaba tambin su coloracin.
Estudiando as la herencia del color y la distribucin de estos parches de la planta del maz que haba presentado
rompimientos cromosmicos repetidos, B. McClintock encontr que la actividad de genes particulares se haba
modificado gracias a estos rompimientos. Como estos genes estaban asociados a la coloracin de los granos de
las mazorcas, algunas de stas aparecan moteadas y otras sin coloracin. Esta actividad, concluy B.
McClintock, se deba a la accin de unidades gnicas, a las que llam elementos controladores, que
aparentemente podan moverse de lugar dentro del cromosoma originando que se modificara la actividad de
otros genes, junto a los cuales estos elementos se insertaban. Sus anlisis microscpicos demostraron la
existencia de estos elementos controladores y confirmaron que stos servan como sitios especficos de
rompimiento y salida de segmentos de ADN, causando cambios pequeos y grandes.
En 1948 B. McClintock public sus resultados y su hiptesis: existen elementos genticos capaces de produrcir
los rompimientos en los cromosomas y alterar los patrones de desarrollo de las clulas. Estos elementos
genticos no son ms que segmentos de ADN (genes) capaces de moverse o saltar dentro de los cromosomas, produciendo un cambio o mutacin en el lugar donde se inserten. A este fenomeno McClintock lo denomin
transposicin.
Qu es la transposicin?
La transposicin es la movilidad que poseen ciertos genes dentro del genoma celular de un organismo. En la
actualidad se conocen y se han clasificado varios segmentos de ADN con estas caractersticas, que son:
secuencias de insercin, transposones, y ADN extracromosomal, como los virus y los plsmidos.
Las secuencias de insercin (SI) son los elementos mviles ms pequeos, pues consisten de unas cuantas bases
de nucletidos. Los transposones son elementos ms grandes que incluyen SI en sus extremos con genes intermedios; estos extremos repetidos permiten a toda esta unidad salirse de un sitio e insertarse en otro. Los
plsmidos son segmentos de ADN extracromosomal que tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma bacteriano, o pasar de bacteria en bacteria. Los virus pueden funcionar como elementos mviles, ya que cuando
infectan una bacteria o una clula eucarionte se insertan y separan de la misma forma que los transposones.
Aunque la estructura de estos elementos sea diferente, sobre todo por su tamao, todos comparten
caractersticas importantes: pueden insertarse en los cromosomas gracias a la presencia de terminales definidas
por secuencias especficas que hacen que reconozcan los lugares donde han de insertarse y tambin son capaces
de duplicarse independientemente de la replicacin de todo el genoma durante la duplicacin celular.
Estos elementos causan mutaciones o alteraciones, as como reacomodos de los genes que ya existen,
provocando que la expresin de stos sea diferente. Tambin pueden apagar o encender los genes junto a los
cuales se inserten, as como viajar de bacteria en bacteria confirindole, por ejemplo, resistencia a ciertos
antibiticos.
Posteriores estudios han comprobado la existencia de estos elementos en otros organismos. Adems del maz, se
les ha encontrado en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, en hongos, en bacterias, y en el hombre y se
cree que sta sea una caracterstica universal de todos los organismos vivientes.
Una de las ms importantes consecuencias de este fenmeno de la transposicin est relacionada con la
medicina: cmo es que las bacterias han adquirido la resistencia a ciertos antibiticos? Debido a la gran
administracin de antibiticos en la medicina humana y en veterinaria, la transposicin ha adquirido
dimensiones mayores. Antes de este descubrimiento se saba que la resistencia a diversos antibiticos poda ser
transmitida de bacteria a bacteria a travs de los plsmidos segmentos de ADN que no forman parte del cromosoma bacteriano, pero no se entenda con claridad cmo es que estos genes se acumulaban en ellos. La explicacin actual radica en que los elementos que otorgan la resistencia a los antibiticos en los plsmidos no
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son ms que colecciones de transposones que contienen genes que codifican para la resistencia, a uno o a varios
antibiticos.
P. Sharp descubri que la estructura de ciertos plsmidos bacterianos es modular. Esto es, que ciertas partes del
plsmido son muy parecidas entre s, mientras que otras no muestran parecido alguno. Esto se explica debido a
la abundante replicacin de secuencias dentro del plsmido. Se han encontrado en la naturaleza transposones
idnticos en ciertas especies bacterianas. Es as como distintas especies de bacterias han adquirido en el curso
de la evolucin la capacidad para resistir a los antibiticos. Gracias al descubrimiento de la transposicin
muchos de estos rompecabezas se han resuelto, y esperemos que crezca su repercusin en la medicina.
LA ESTRUCTURA MOLECULAR DEL GENE
Cmo vara el material gentico: la mutacin
Los organismos actuales difieren no slo en la suma total de su material gentico, nmero de cromosomas, etc.,
sino tambin en su constitucin estructural, fisiolgica o de comportamiento. Denominamos genotipo a la
constitucin gentica de un organismo, y fenotipo a la suma de las caracterstica de una clula o de un
organismo que resulta de la interaccin del genotipo con el medio ambiente.
Si suponemos que todos los organismos vivos se derivan de un organismo ancestral con un genotipo
determinado, entonces sera lgico pensar que el genotipo de este organismo sufri cambios sucesivos en el
curso de la evolucin hasta producir la multitud de genotipos diferentes que ahora conocemos. A estos cambios
en el genotipo se les llama mutaciones, y al producto se le denomina mutante.
Todos aquellos cambios genticos que no se deban a la recombinacin, son mutaciones por definicin. Este
trmino incluye una multiplicidad de fenmenos como cambios fsicos en los genes, cambios cromosmicos
estructurales y cambios en el nmero de stos.
Podemos dividir a las mutaciones en grandes (macromutaciones) y pequeas (micromutaciones). Empezaremos
por analizar las pequeas.
Mutaciones puntuales
Estas mutaciones son causadas por sustitucin, adicin o eliminacin de nucletidos dentro de una seccin o
gene de ADN o ARN. Este cambio puede producir algn cambio fenotpico visible. Es decir, algunas de estas mutaciones puntuales pueden ser silenciosas, no observables por mtodos convencionales, pero detectables con
anlisis moleculares.
El modelo de Watson y Crick sugiri que si un par de nucletidos era sustituido o sustrado causara una
mutacin puntual. Ms tarde, Freese en 1959 mape las mutaciones producidas en el fago T4 por una base
anloga a las cuatro que ya conocemos, la 5-bromouracil y observ que los agentes usados requeran que el ADN
se replicase para producir una mutacin. Es decir, es durante el proceso de replicacin de la molcula del ADN que se presentan las mutaciones puntuales. A partir de estas observaciones, Freese propuso dos diferentes clases
de mutaciones puntuales: las transiciones y las transversiones.
Las transiciones son el reemplazo de una purina por otra purina o de una pirimidina por otra pirimidina,
causando una mutacin en la cual la protena tiene un aminocido sustituido por otro. Si esta mutacin se lleva a
cabo durante la replicacin del ADN, la mutacin se fijar en la siguiente replicacin (Figura 23(a)).
Figura 23(a). Transiciones y transversiones.
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Las transversiones son el remplazo de una purina por una pirimidina, y viceversa, causadas por ciertos
compuestos como las acridinas. Estas mutaciones producen protenas que no son similares a la original (Figura
23(b)).
Figura 23(b). Transiciones y transversiones.
Mutaciones estructurales en los cromosomas
Las mutaciones estructurales en los cromosomas pueden ser de varios tipos:
1) Por prdida o ganancia de alguno de los genes en un cromosoma. Si un cromosoma normal contiene los
genes ABCDEFG, el cromosoma deficiente contendr slo los genes ABCDFG; si el cromosoma normal
contiene los genes ABCDEFG, el cromosoma duplicado contendr los genes AABBCDEFG.
2) Por cambios debidos a una alteracin en el agrupamiento de los genes. Estos cambios son causados: i) por
desplazamiento o translocaciones que indican que una parte de un cromosoma se adhiera a otro cromosoma
diferente, o que haya intercambio de secciones entre dos cromosomas; ii) por inversiones que indican que en el
mismo cromosoma alguna seccin gire sobre su eje 180, originando una inversin de la secuencia de genes;
por ejemplo, si en un cromosoma los genes estn en el siguiente orden: ABCDEFG, una inversin dara como
resultado el siguiente orden: AFEDCBG. iii) por transposicin lo cual indica que un bloque de genes se
desplaza a una nueva posicin dentro de un cromosoma, por ejemplo ABCDEFG muta por transposicin a
ADEFBCG.
Cambios numricos en los cromosomas.
Se puede alterar el nmero de cromosomas por:
1) aneuploidia, que es la falta de uno o ms cromosomas en el juego normal (por ejemplo el sndrome de
Turner; que indica la falta de un cromosoma del par sexual en las mujeres), o un exceso de ellos (como el
sndrome de Down, que indica la presencia de tres cromosomas en el par 21 del hombre); y
2) poliploidia, que produce organismos con dos o ms juegos de cromosomas. Este fenmeno es frecuente en
plantas y se sabe que gracias a este evento se han generado especies nuevas.
Qu efectos producen estas mutaciones
Si los genes codifican para alguna protena, su cambio o mutacin afectar la produccin de esta ltima. Esto
fue demostrado por Beadle y Tatum en 1948 cuando propusieron una cadena de produccin de la protena en la
cual si un paso era afectado, el resultado era la falta de formacin de la protena final. Este es el caso de las
enfermedades metablicas, las cuales indican un error gentico heredable. En el hombre se conocen varias de
estas enfermedades que son producidas por mutaciones especficas en el ADN, que alteran la produccin normal de las protenas. Por ejemplo, la fenilcetonuria es una enfermedad que causa retraso mental en el hombre. En
1930 se descubri que en la orina de los pacientes que sufran esta enfermedad estaba presente una sustancia
llamada cido fenilpirvico. En este caso, la fenilalanina, componente normal en la dieta, no puede ser
degradado a tirosina debido a la ausencia de la enzima que lleva a cabo este paso metablico, entonces la
fenilalanina es transformada por una va alterna en dosis peligrosas de cidos fenilpirvico, produciendo el
retraso mental de los pacientes. Ahora podemos decir que esta enfermedad es producto de una mutacin que
inhibe la produccin de la enzima presente en el metabolismo normal. Existen otras enfermedades metablicas
cuyos rasgos caractersticos son la ausencia de enzimas por la mutacin de un gene particular (Figura 24).
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Enfermedad Enzima o protena afectada
Acatalasemia Catalasa
Afibrinogenemia Fibringeno
Agammaglobulinemia Gamaglobulina
Albinismo Tirosinasa
Alcaptonuria Oxidasa del cido homogentsico
Analbuminemia Albmina srica
Galactosemia Trasferasa de la uridil-galactosa 1-fosfato
Enfermedades con acumulacin de
glucgeno:
Tipo I (Von Gierke's Glucosa 6- fosfatasa
Tipo III Amilo-1, 6-glucosidasa
Tipo IV Amilo-(1,4 - 1,6) transglucosidasa
Tipo V (Mc Ardle's) Fosforilasa del msculo
Tipo VI (Hers') Fosforilasa del hgado
Bocio familiar Deshalogenasa de la yodotirosina
Hemoglobinopatas Hemoglobinas
Hemofilia A Factor antihemoflico A
Hemofilia B Factor antihemoflico B
Histidinemia Histidinasa
Hiperbilirrubinemia (enfermedad de
Gilbert)
Transferasa de uridino-disfosfato
glucoronato
Hipofosfatemia Fosfatasa alcalina
Sindrome de Lesh-Nyhan Trasferasa de fosforribosil-hipoxantina-
guanina
Metahemoglobinemia Metahemoglobina-reductasa
Fenilcetonuria Fenilalanina-hidroxilasa
Enfermedad de Wilson Ceruloplasmina
Xantinuria Xantinooxidasa
Xerodermia pigmentaria Enzimas que reparan el ADN
Figura 24. Enfermedades hereditarias en el hombre en las que falta o se ha modificado una protena.
La estructura fina del gene
Como ya hemos mencionado, la biologa molecular es una rama derivada de la gentica mendeliana cuyo
objetivo es el anlisis estructural, bioqumico y morfolgico del material gentico. La introduccin de
microorganismos como las bacterias y los virus tuvo consecuencias importantes en el desarrollo de esta rama ya
que permiti trabajar muchas generaciones en poco tiempo, con poco material gentico (procariontes) y con una
capacidad de manipulacin que era impensable tanto para la poca en que se hicieron experimentos con la
mosca de la fruta Drosophila melanogaster como para los aos en los que Mendel trabaj con plantas.
Una de las caractersticas de la gentica bacteriana es que los mutantes que se producen pueden estudiarse desde
el punto de vista bioqumico. Esto es, pueden analizarse los productos que resultan de la alteracin del gene
bacteriano. A los mutantes que han perdido su capacidad para crecer en cierto tipo de medios se les llama
auxtrofos. Estos mutantes son muy tiles, ya que podemos inferir la composicin gentica de una bacteria a partir de su crecimiento en cierto medio dentro de una caja de Petri. Dicho en otras palabras, si sabemos que
cierta bacteria, digamos A, crece normalmente en un medio con la sustancia X, y producimos una mutacin que
impida que esta bacteria A crezca con la sustancia X, entonces podremos analizar bioqumicamente su
comportamiento. Podemos decir que la mutacin afect una seccin del cromosoma bacteriano (gene) que ha
bloqueado la formacin de la enzima que digiere a la sustancia X por medio de la cual la bacteria obtiene sus
recursos alimenticios. Si infectamos una cepa A auxtrofa para la sustancia X, con un virus conocido, el
genoma viral por traduccin se incorporar al cromosoma bacteriano. Si el fragmento incorporado del virus
lleva el gene normal del mutante auxtrofo, es decir, su capacidad para digerir a X, la cepa restablecer su
funcin original. Si se lleva a cabo la transformacin de las bacterias podremos separar a los grupos dentro de la
caja de Petri fcilmente: aquellos que han incorporado el genoma viral crecern formando placas definidas en la
caja, aquellas que no lo hayan hecho simplemente morirn ya que, recordemos, son auxtrofas para la sustancia
X. Que significado tiene esto? Estos experimentos sugieren que un gene es una regin extendida dentro del
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cromosoma y que los cambios que ah ocurren pueden dar lugar a diferentes mutantes, dependiendo de la
posicin de la mutacin o insercin de nuevas secuencias de ADN. Tambin indica que las regiones dentro de esta seccin o gene son separables y recombinables con regiones homlogas de un gene de otro cromosoma.
Con estos estudios Seymour Benzer pudo caracterizar, segn las propiedades moleculares, el tamao de las
unidades de funcin, de mutacin y de recombinacin.
S. Benzer en 1957 defini el gene de un modo novedoso que incluye una divisin tripartita del gene clsico
(mendeliano) basada en la estructura fina de la mutacin, la funcin y la recombinacin. Estos anlisis de
Benzer demostraron que dentro de los genes haba secciones que podan ser intercambiables con sus homlogos
del otro cromosoma. La unidad de recombinacin fue definida como el elemento ms pequeo dentro de un
gene que es intercambiable por recombinacin gentica. A este elemento se le llam recn. La unidad de
mutacin, el mutn, se defini como el elemento ms pequeo que, alterado, da lugar a una forma mutante del
organismo. La unidad de funcin, definida genticamente, fue definida como el segmento del mapa que
corresponde a una funcin unitaria llamndosele cistrn.
La definicin del gene como unidad de funcin y de mutacin se tom obsoleta a partir de estos estudios sobre
la estructura fina del gene. En 1957 Benzer simplific la definicin del gene clsico, dividindola en cistrn,
mutn y recn. Al gene que produce una protena especfica se le denomin cistrn, al segmento ms pequeo
que sufre alteraciones, mutn, y al gene definido como el segmento capaz de recombinarse, recn. De estos
trminos, el ms ampliamente usado, especialmente en sistemas microbianos como sinnimo de gene, pero con
una clara connotacin que hace referencia a la estructura molecular encontrada por Benzer, es el de cistrn.
Genes partidos
Desde que los trabajos de Mendel fueron reconocidos de manera universal a principios de este siglo, hemos
visto que los conceptos originales de carcter unitario, factor o gene, se han modificado debido al avance tanto
terico como experimental de la gentica, que ha permitido mirar ms de cerca a las unidades de la herencia.
Durante estos primeros aos de desarrollo se crea que los genes eran unidades discretas que producan un
carcter particular a travs de la sntesis de una protena. Posteriormente, y gracias al modelo de Watson y Crick
se supo que el gene estaba constituido de ADN, formando una "doble hlice". Se entendieron, en consecuencia,
la replicacin o duplicacin, la mutacin o variacin del material gentico, y la sntesis de protenas. Sin
embargo, investigaciones ms recientes han demostrado que los genes no son continuos, sino que si los
miramos ms de cerca, estn divididos o partidos en trozos o secciones.
Este descubrimiento indic que los genes estn fragmentados en una serie de regiones alternantes que codifican
para partes de las protenas (exones) y regiones intercaladas (intrones) cuya informacin no indica la creacin
de ningn compuesto. Los exones y los intrones forman una unidad que es transcrita como una sola molcula de
ARN. Recordemos que del ADN se forma una molcula de ARN mensajero precursor dentro del ncleo, que es
procesado para formar una molcula de ARN mensajero maduro que sale del ncleo para ser traducido a protenas. Este proceso de separacin de la transcripcin y la traduccin puede explicar las discrepancias
existentes entre la cantidad de ADN que tiene una clula y la cantidad de protenas que sintetiza. Pero la pregunta
obligada es: qu segmentos son cortados de la molcula de ARN mensajero antes de salir del ncleo?
Uno de los experimentos que llev al descubrimiento de los genes partidos fue el de P. Chambon y sus
colaboradores en 1975, quienes trabajaban con la protena ovoalbmina. Esta protena tiene una cadena de 386
aminocidos sintetizada en clulas glandulares especializadas del oviducto de las gallinas ponedoras. La
diferenciacin de estas clulas y la expresin del gene de la ovoalbmina estn controladas por las hormonas
sexuales de las hembras. Si las hormonas no estn presentes, el gene no se expresa y no se forma el ARN mensajero, y por lo tanto la ovoalbmina no es sintetizada. Para entender esto, P. Chambon aisl el gene de la
ovoalbmina de clulas glandulares y tambin de otras clulas en donde este gene no es expresado (por
ejemplo, en eritrocitos) para analizar la estructura molecular del gene en dos ambientes distintos.
El primer resultado que obtuvo fue que ambos genes eran idnticos. Entonces decidi comparar el gene de las
clulas glandulares con el ARN mensajero aislado del citoplasma. El resultado fue que el ARN mensajero era de dimensiones menores que el gene original. Esto hizo suponer que el gene estaba partido en secuencias que eran
codificadoras y en otras que no lo eran, a las primeras se les llam exones, mientras que a las segundas,
intrones. Anlisis ms finos de la estructura molecular del gene de la ovoalbmina demostraron que ste estaba
formado por ocho exones, entre los cuales se encontraron intrones que no tenan su contraparte en el ARN mensajero. La secuencia estudiada confirm que el orden de los exones corresponda al orden de sus
transcriptos en el ARN mensajero, indicando una colinearidad entre el ADN y el ARN. Tambin pudieron medir el largo total de ambas molculas. El tamao total del gene era de 7 700 pares de bases, mientras que el mensajero
contena slo 1 872.
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El descubrimiento de los genes partidos explica por qu no todo el ADN codifica para protenas. A este descubrimiento han seguido otros tantos que han demostrado una estructura similar para otros genes: el gene de
la beta-globina (componente de la hemoglobina) de ratn y de conejo, por ejemplo. Tambin se ha comprobado
que estn presentes en genes de mamferos, aves y anfibios, algunos insectos, hongos, y se cree que sea una
estructura universal de los genes de los organismos eucariontes.
Regulacin y control gentico: el modelo del opern
Hasta ahora nos hemos dedicado a comprender cmo est estructurado el ADN en los organismos, pero la siguiente pregunta por contestar es qu y cmo hace lo que tiene que hacer. Su tarea es, bsicamente, construir
los organismos. Siempre ha sido difcil imaginarse cmo de una molcula de ADN se obtienen bacterias, perros o animales tan espeluznantes como las vboras, los murcilagos, etc. Para darnos una idea del campo de la
biologa que estudia este desarrollo revisemos de nuevo algunos conceptos importantes.
Ya hemos hablado de los conceptos genotipo y fenotipo, el primero, designa el acervo gentico de un individuo
o una especie, y el segundo su apariencia. Sin embargo, poco hemos hablado de cmo el genotipo se expresa en
el fenotipo, es decir, cmo el genotipo produce las caractersticas morfolgicas, fisiolgicas y de
comportamiento que caracterizan a cada especie biolgica.
La va molecular de la sntesis de protenas llamada por Crick el dogma central de la biologa molecular
expresa los flujos de informacin de la siguiente manera:
Transcripcin. Traduccin.
Replicacin ADN ARNProtenas
Este aparato gentico est sujeto a regulacin. No todos los genes estn actuando en todo momento, por lo cual
la clula debe regular activando o desactivando aquellos genes cuyos productos le sean necesarios para
responder satisfactoriamente al medio ambiente. (Si todos los genes de las clulas actuaran en todo momento,
habra clulas semejantes y con las mismas funciones, cosa que evidentemente no ocurre; para que ocurra la
diferenciacin deben activarse algunos genes, mientras que otros permanecen inactivos.) Adems, esta
regulacin est ntimamente relacionada con el crecimiento y la diferenciacin celular.
Empezaremos hablando de la regulacin en procariontes y posteriormente analizaremos la regulacin en
eucariontes.
En 1961 dos microbilogos franceses, Francois Jacob y Jacques Monod, descubrieron un mecanismo de
regulacin y control de sntesis de protenas en bacterias al que dieron el nombre de opern.
Notaron que la bacteria Escherichia coli sintetizaba ciertas enzimas de manera constante, mientras que otras se
sintetizaban en el momento en que eran requeridas. Es decir, si la bacteria era colocada en un medio que
contena lactosa (azcar de la leche), sta empezaba a producir las enzimas que la digieren en galactosa y
glucosa; por el contrario, si el medio careca de lactosa, la bacteria no la produca pues era intil su produccin.
Jacob y Monod estudiaron la produccin de tres enzimas que intervienen en la digestin de la lactosa: la beta-
galactosidasa, la galactosa permeasa y la tiogalactsido transacetilasa. Por razones de nomenclatura decidieron
llamarlas enzimas z, y y a, respectivamente. De igual forma designaron a los genes que las producan como los
genes estructurales responsables de su sntesis (un gene estructural es aquel que codifica, es decir que tiene la
informacin necesaria para la sntesis de una protena o parte de ella) (Figura 25 (a)).
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Figura 25. Modelo del opern de Jacob y Monod. En este modelo se ilustra la produccin de las tres enzimas
responsables del metabolismo de las lactosas que est bajo el control del opern lac. Este sistema est integrado
por 3 partes: el gene regulador, la regin promotora/reguladora y los genes estructurales z, y y a. En (a) los
genes estructurales estn reprimidos por la integracin del gene regulador y el operador. 1) el gene regulador se
transcribe en ARN mensajero, 2) es traducido en una protena represora que, 3) se pega al operador y lo bloquea
y 4) se inhibe la transcripcin del ARNm en los genes estructurales.
Jacob y Monod descubrieron que los genes estructurales del opern de la lactosa z, y y a, estaban alineados en el
cromosoma, mientras que un cuarto gene se localizaba a cierta distancia, al que llamaron gene regulador. De
estos cuatro genes, los tres estructurales se transcriben al mismo tiempo en ARN, mientras que el cuarto gene, el
represor, transcribe un ARN mensajero que codifica para una protena represora que se une a otra regin muy
especial de ADN presente en el opern de la lactosa. Esta regin es la del operador. Si la enzima que sintetiza el gene regulador se pega al operador, inhibe su accin y podemos decir que el sistema est apagado. Si, por el
contrario, esta enzima represora se pega con el azcar de la lactosa presente en el medio, se despegar del
operador y ser entonces cuando empiecen a funcionar los genes estructurales, sintetizando las enzimas que
desdoblan eficientemente a la lactosa. Este sistema del opern de la lactosa que regula la produccin de enzimas
se autorregula en el momento que las enzimas producidas por los genes estructurales han digerido a la lactosa
en galactosa y glucosa, lo que disminuye la concentracin de lactosa; y por lo tanto, la molcula represora, al no
encontrar lactosas libres para pegarse, se vuelve a unir al operador, apagndolo. Este sistema, como vemos, es
negativo y el inductor, el elemento que provoca la reaccin en cadena es, en este caso, la lactosa (Figura 25(b)).
Figura 25(b). Observamos que cuando entra lactosa el medio 5), acta como inductor despegando la protena
represora 6), liberndose al operador, y la ARN polimerasa inicia la transcripcin. (8) el ARN se traduce en tres enzimas del metabolismo de lactosa. Cuando la lactosa se consume 9) la protena represora puede unirse de
nuevo al operador y cerrar el sistema del opern lac.
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Jacob y Monod no slo estudiaron la estructura del opern de la lactosa, sino tambin el opern del triptfano
(Figura 26 (a)). El triptfano es un aminocido que la bacteria necesita constantemente en la sntesis de las
protenas necesarias para su supervivencia. Jacob y Monod se dieron cuenta de que el opern del triptfano (el
cual controla las enzimas encargadas de la sntesis del triptfano) trabaja constantemente, a menos que exista
suficiente triptfano en el medio.
Figura 26(a). Opern del triptfano. Este sistema funciona de forma opuesta al opern de la lactosa. Aqu el
opern se encuentra encendido ya que, aunque se sintetiza la enzima triptfano sintetasa, la cual es esencial para
la produccin del aminocido triptfano 1), sta no se une al gene operador.
Este funciona como el descrito para la lactosa, con la salvedad de que en el primer caso la lactosa actuaba como
inductora pegndose al operador; en el segundo caso, el triptfano acta como represor al unirse con una
protena represora, formando un complejo triptfanorepresor que se pega al operador y que impide la accin de
los genes estructurales, por lo tanto no se sintetizan las protenas adecuadas. Como vemos este sistema tambin
es de control negativo (Figura 26 (b)).
Figura 26(b). Observamos que si se aade al sistema el aminocido triptfano 3), ste se une inmediatamente a
la protena represora 4) formando el complejo triptfano-represor, que a su vez se pega al operador y bloquea la
accin de la ARN polimerasa en el promotor. En 5) se detiene a los genes estructurales 6) que producen la triptfano sintetasa.
A partir de la publicacin en los aos sesenta de estos hallazgos de Jacob y Monod se ha ido descubriendo una
serie mayor de operones en diferentes organismos, pero todava no hay pruebas concluyentes acerca de si su
organizacin es universal para todos los organismos.
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En los eucariontes la regulacin gentica es completamente distinta. Una de estas diferencias es su complejidad.
Uno de los sistemas de regulacin estudiados es el caso de la produccin de hormonas esteroides en las gallinas.
Los oviductos de las gallinas jvenes responden fcilmente a una hormona femenina llamada estrgeno (que es
un esteroide). En presencia de estrgeno, el oviducto empieza a sintetizar albmina y dems protenas de la
clara del huevo. Se ha marcado radiactivamente al estrgeno que penetra en las clulas y se ha encontrado que
se une a un receptor especfico que es ms que una protena citoplasmtica. Este primer complejo esteroide
receptor entra en el ncleo de la clula y se adhiere a una protena no histnica del cromosoma, iniciando as la
transcripcin al ejercer un control positivo.
Aunque nada est dicho en forma definitiva, estos estudios prometen dilucidar las diversas formas de control,
por ejemplo de los anticuerpos, las hormonas, etc. Parece que tendrn que pasar algunos aos y proponerse
nuevas tcnicas antes de que este tipo de problemas encuentren las soluciones adecuadas.
LA CONSTRUCCIN DE GENOMAS
Como hemos visto, el desarrollo de la biologa molecular ha sido vertiginoso desde su nacimiento en los aos
cincuenta hasta ahora. Tambin hemos visto cmo este desarrollo ha repercutido de manera sobresaliente en
otras ramas de la misma biologa y la medicina. La biologa molecular se ha convertido hoy en da en un arma
poderosa para entender, asimilar y manipular el genoma de los organismos vivos. Esta manipulacin, muy
especial, ha sido posible gracias al desarrollo de tcnicas nuevas cuyo poder de resolucin ha permitido
meternos dentro del ADN y no slo explicarlo y describirlo, sino tambin jugar con l de manera satisfactoria.
Si pensamos en los primeros genetistas como Mendel, Morgan e incluso Muller (quien fuera el primero en
producir mutaciones con radiacin) resulta hasta inocente su forma de concebir la gentica. Caracteres
diferenciantes, propona Mendel; cmo se heredan las mutaciones? preguntara Morgan, y cmo producirlas a
nuestro antojo? pensara Muller. Ahora estas preguntas resultan como un juego de nios comparadas con las
preguntas que la biologa molecular intenta resolver. Sin embargo, hay que hacerles justicia: sin la solidez de
sus hiptesis ni la claridad de sus experimentos, la ciencia de la gentica nunca hubiera podido establecer un
programa de investigacin que permitiese diversificar la problemtica del material gentico y darle soluciones
novedosas. Tal es el caso de la biologa molecular.
Uno de sus principales objetivos es entender la relacin entre la estructura de las protenas codificadas por el
ADN y su funcin dentro del metabolismo celular. Para ello ha desarrollado una tcnica especial llamada
ingeniera gentica, que se basa en la manipulacin directa de los genes o segmentos de ADN que codifican para determinada protena, y de los mecanismos de expresin de estos genes. El conjunto de tcnicas conocidas
como ingeniera gentica deriva en forma directa de la biologa molecular. Veamos sus principales
caractersticas.
Uno de los organismos mejor conocidos desde el punto de vista gentico es la bacteria Escherichia coli. Esta
bacteria es un procarionte con un cromosoma circular y genes en otras estructuras llamadas plsmidos. Como
resultado de extensas investigaciones de esta bacteria en particular, se ha conocido de manera sobresaliente la
estructura y funcin de los plsmidos. Este plsmido presenta caractersticas interesantes para su manipulacin.
Pero no slo esta bacteria los presenta. Los plsmidos forman parte del material gentico de casi todas las
bacterias.
Qu son los plsmidos?
Son ms sencillos que los virus ya que no tienen la capa proteica que caracteriza a estos ltimos y no son ms
que molculas circulares de ADN de doble hlice que se multiplican independientemente del resto de la clula. Los plsmidos tienen solamente entre el uno y el dos por ciento del total del material gentico de la bacteria, lo
cual los hace excelentes objetos de estudio y manipulacin. A pesar de su pequeo tamao se sabe que la
informacin que contienen codifica para caractersticas importantes como la conjugacin bacteriana, resistencia
a sustancias txicas como los antibiticos, etctera.
Estas caractersticas, y muy en especial la importancia clnica de la resistencia a los antibiticos, hizo que los
bilogos moleculares pusieran atencin a estas estructuras y descubrieran que pueden funcionar como
excelentes vehculos para introducir genes no bacterianos a la bacteria a la cual pertenecen por un
procedimiento de clonacin molecular, que es la base de esta nueva gentica aplicada con grandes
potencialidades para la medicina, la industria, la agricultura, etctera.
Cual es su estructura ?
Como mencionamos arriba, los plsmidos son molculas de ADN circulares de doble hlice que pueden adquirir
genes nuevos. Al igual que el ADN cromosomal, una cadena es complementaria de la otra: A siempre se une a T, G siempre lo hace con C.
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Este ADN puede ser cortado en partes especficas con la accin de sustancias que por estas caractersticas se les
ha llamado enzimas de restriccin. Cada enzima de restriccin corta al ADN en una secuencia especial y caracterstica. Por ejemplo, toda vez que se halle la secuencia GAATTC (y su complementaria CTTAAG), la
enzima llamada EcoRI cortar en ese punto. El resultado es que podemos cortar el plsmido y obtener los trozos
deseados. A la fecha se han descrito ms de cien de estas enzimas. Existe otro tipo de enzimas, las ligasas, que
como su nombre lo indica ligan los segmentos que se encuentran separados, reconociendo los sitios exactos.
Una caracterstica importante que es necesario mencionar antes de seguir adelante es que en todo el ADN, desde el bacteriano hasta el del hombre, existen secuencias especficas de bases nitrogenadas que son reconocidas de
manera universal por estas enzimas llamadas endonucleasas (las que cortan y las que unen). Esto nos indica que
podemos cortar y pegar cualquier molcula de ADN, y no slo eso, sino tambin pegar secuencias
complementarias con ADN procedente de organismos distintos.
Ahora pues, ya tenemos nuestro plsmido, lo cortamos y le transferimos genes procedentes de otro organismo
(cortado y unido de la manera arriba descrita). A este proceso se le llama clonacin. A la molcula que se
obtiene de esta manera y que presenta genes propios y extraos se le considera un vehculo molecular. Por
medio de la transformacin este vehculo es introducido en una clula bacteriana o no bacteriana y, as, se
reproduce continuamente. El resultado ser que el gene que estamos introduciendo se amplificar (reproducir)
debido a la rapidez de la reproduccin bacteriana, y al crecer ser capaz de generar la protena deseada
utilizando el sistema gentico de la clula. De esta manera, lo que antes tardaba su tiempo, ahora es posible
obtenerlo ms rpida y eficientemente. Esta construccin de genomas ha sido utilizada en otras reas de la
actividad humana.
Cules han sido los principales resultados?
En la ganadera. la ingeniera gentica ha logrado que algunos animales incrementen su produccin de cras
simplemente haciendo mejoras genticas a travs de la introduccin de hormonas procedentes de otros
organismos. Por ejemplo, a las vacas productoras de leche se les proporcionan hormonas de crecimiento de
bovinos a travs de bacterias transformadas.
En la industria alimentaria la utilizacin de levaduras mejoradas genticamente para la produccin de cervezas
dietticas, la produccin de mejores condimentos para la comida, as como el aumento de aminocidos
presentes en ciertos alimentos, esta siendo un campo alentador de desarrollo de la biotecnologa.
Con el propsito de mejorar los productos de la agricultura, la ingeniera gentica trata de manipular el genoma
de ciertas plantas introducindole, como ya hemos visto, genes de otros organismos para as incrementar la
produccin de ciertas sustancias. Por ejemplo, se ha encargado de la produccin de cultivos resistentes a plagas,
enfermedades y suelos salitrosos. Se ha intentado, an sin xito, introducir genes para la fijacin del nitrgeno
presentes en la bacteria Rhizobium a plantas como el maz, para hacer innecesarios los fertilizantes artificiales, y as la planta sea capaz de transformar el nitrgeno atmosfrico en sustancias orgnicas. Otro
ejemplo conocido es la produccin de la jitopapa, que no es ms que la fusin de clulas procedentes de la papa
y el jitomate; la planta produce en su parte area jitomates y en su parte subterrnea, papas. Como vemos, es
promisorio este campo de experimentacin en el cual la biotecnologa intenta demostrar que la manipulacin de
los genomas puede traer buenos resultados en la produccin agrcola.
En la medicina, ya lo hemos mencionado, tambin es importante el avance de la ingeniera gentica. Se han
producido a gran escala protenas importantes, como la insulina, para el tratamiento de algunas enfermedades.
La insulina protena que transporta la glucosa del flujo sanguneo hacia las clulas y que est ausente en los diabticos producida por los cerdos, que ha sido utilizada tradicionalmente para tratar la enfermedad de la diabetes, tena un costo muy alto; con la utilizacin de la ingeniera gentica, el problema del consumo de
insulina y de su costosa produccin parece tener una solucin. Para obtener esta produccin masiva se ha
extrado el gene que la produce y se ha insertado en bacterias y levaduras cuya tasa de crecimiento es acelerado,
por lo que la produccin de esta protena aumenta. Existen otras protenas cuyo procedimiento es similar al de
la insulina: la somatotropina (estimulante del crecimiento), el factor VIII (protena importante en el proceso de
la coagulacin de la sangre, ausente en los pacientes de hemofilia), el interfern (sustancia que secretan las
clulas como defensa contra el ataque de virus), etctera.
Otro avance importante se refiere a la elaboracin de vacunas. Se utiliza un virus conocido, al cual se le insertan
genes de los diferentes anticuerpos para que el sistema inmune se defienda de los agentes infecciosos. Una de
estas pocas vacunas es la que se aplica contra la malaria. Tambin se han desarrollado vacunas contra ciertas
enfermedades bacterianas; y en 1985, se elabor la primera vacuna contra el cncer de mamferos (Leukocell),
que previene contra el virus que causa la leucemia en los gatos. Posiblemente el campo ms invadido por la
ingeniera gentica sea la medicina, aunque, como ya hemos visto, sus aplicaciones en otros campos van en
aumento y con resultados alentadores.
LA GENTICA DEL DESARROLLO
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Uno de los temas ms apasionantes de la gentica es el desarrollo. Aqu la cuestin central es que si todas las
clulas de un organismo pluricelular tienen la misma informacin gentica, cmo es que se expresan genes
diferentes en distintos tejidos para producir rganos tan disimbolos como un ojo o una pierna? Esta pregunta ha
sido hecha sin mucho xito por muchos investigadores y slo recientemente ha aparecido evidencia que nos
acerca un poco a una respuesta. El organismo que una vez ms nos ha ayudado a entender un poco de este
proceso es la mosca Drosophila, en la que desde hace tiempo se conocen mutantes llamados Antennapedia que,
como lo indica el nombre, tienen en vez de una antena una pata en la cabeza. Estos "monstruos" nos ensean
que un pequeo cambio gentico puede ocasionar un gran cambio morfolgico a travs de genes reguladores de
otros.
La plenipotencialidad de las clulas
En las bacterias, estos genes se describieron desde la dcada de los sesenta, cuando J. Monod y F. Jacob (vase
captulo III) descubrieron que los genes de caminos metablicos son regulados en forma coordinada por otro
gene, un gene regulador que inhibe o estimula la expresin de ellos. ste es el fundamento de la gentica del
desarrollo, entender cmo se lleva a cabo la expresin diferencial de genes en diferentes tejidos. Una posible
respuesta podra ser que en los diversos tejidos las clulas pierden todos los genes, excepto aquellos que se
expresan en ese tejido. Esta posibilidad se elimin en la mayora de los tejidos al demostrarse que las diferentes
clulas de un organismo tienen toda la informacin gentica. Esto se hizo con experimentos que revirtieron el
proceso de diferenciacin y demostraron que clulas que originalmente expresaban los genes de un tejido
podan, en ciertas condiciones, expresar los genes de otro tejido. En particular, J. B. Gurdon demostr que
ncleos (donde est todo el material hereditario, el ADN) de clulas del intestino del renacuajo implantadas en citoplasmas de vulos no fecundados, tenan cierta probabilidad de desarrollar un sapo completo. Estos
experimentos demostraron que la diferenciacin celular es una expresin diferencial de genes y no una
presencia diferencial de genes en los diversos tejidos. Tambin, utilizando mtodos de hibridizacin de ADN se ha demostrado que las clulas de todos los tejidos de un organismo tienen todos los genes.
El desarrollo en la Drosophila
El desarrollo en la mosca de la fruta se inicia, como en todos los organismos, con la fertilizacin. Una vez
fertilizado el huevo se llevan a cabo varias divisiones celulares que dan origen a una estructura en forma elptica
que se llama blastodermo. La posicin que guardan las diferentes clulas en el blastodermo define qu tipo de
estructuras de la mosca adulta generarn (Figura 27). El descubrimiento de este tipo de estructuras, segn la
posicin de las clulas se ha hecho de diversas maneras. En una de ellas, por medio de la ciruga se eliminan del
blastodermo diversas porciones y se analiza posteriormente cmo es la morfologa de la mosca adulta. As, por
ejemplo, si se elimina la porcin intermedia de la izquierda (Figura 27), se eliminan partes del sistema nervioso
central, pero si se elimina la parte central, la mosca adulta no tendr alas. Otra manera de saber qu partes del
blastodermo originan las diferentes estructuras de la mosca adulta es llevando a cabo trasplantes de diferentes
porciones del blastodermo para ver qu estructuras se desarrollan.
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Figura 27. (A) Mapa de predeterminacin del blastodermo de la D. melanogaster. Muestra los sitios de las
clulas que producirn las partes externas de la mosca adulta. Las distancias se dan en sturts. Las lneas sealan
las distancias a la lnea media ms prxima de la mosca. El mapa se observa desde el interior del hueco del
blastodermo, hacia fuera. (b) Partes externas de la mosca adulta representadas sobre la superficie del
blastodermo. Las lneas sealan las reas que dan origen al sistema nervioso y al mesodermo.
Adems de la mutacin antennapedia que ya hemos mencionado, existen otras mutantes, llamadas hometicas,
que son mutantes de genes que tienen la capacidad de detectar la posicin de las clulas para tomar un camino
especfico de desarrollo. Cuando estos genes mutan se pierde la capacidad de las clulas para leer correctamente
la informacin de las posiciones. Algunas de estas mutaciones son tambin la ophtalmoptera, que hace que el
tejido de las alas reemplace el tejido de los ojos. La mutacin proboscipedia hace que la prboscis se desarrolle
como una pata y la mutacin cabeza tumorosa hace que el tejido de la cabeza sea reemplazado por diferentes
tipos de tejido, incluyendo estructuras genitales. Quiz las mutaciones hometicas ms espectaculares sean las
del complejo de genes bithorax que, como lo indica su nombre, en moscas adultas genera segmentos extras, ya
que en su condicin normal se produce una sustancia de desarrollo que en forma gradual modifica su
concentracin de la parte anterior a la posterior, de tal manera que representa una seal acerca del camino de
desarrollo que pueden llevar a cabo las clulas segn su posicin. Por ello, se supone que los genes del
complejo bithorax tienen la capacidad de transformar la situacin posicional en expresin diferencial de genes
en diferentes clulas.
La gentica del desarrollo es, sin duda, uno de los campos que menos conocemos y del cual requerimos tener
ms informacin en el futuro. Es en ese mbito, entre la estructura del gene, que llev casi un siglo descubrir, y
el fenotipo, que el genetista siempre ha tratado de comprender, donde se requiere investigar ms en el futuro.
Quisiramos saber cmo es que de una estructura gentica particular se puede expresar cierta morfologa. Slo
experimentos cuidadosamente planeados y la creatividad que de vez en vez ha hecho avanzar a la gentica
podrn obtener esta respuesta, que es sin duda el mayor misterio que tenemos en el campo de la gentica.