Genética: Conceptos Fundamentales

¿Qué es la genética?

Es una rama de la biología que estudia los genes y cómo se transmiten de generación en generación.

¿Qué es un gen?

Es un segmento del ADN que contiene información genética.

Conceptos básicos:

• El gen es la unidad fundamental de la herencia.
• Los genes se presentan en múltiples formas denominadas alelos.
• Los genes codifican los genotipos.
• La información genética es transportada por el ADN y el ARN.
• Los genes se localizan en los cromosomas.
• Los cromosomas se separan a través de los procesos de mitosis y meiosis.
• Los cromosomas se localizan en el núcleo de la célula.
• La información genética se transmite desde el ADN a la proteína.
• Las mutaciones son cambios permanentes y heredables en la información genética.

¿Qué es el genoma?

Es toda la información genética que posee un organismo en particular.

¿Qué son los alelos?

Son formas alternativas del mismo gen que ocupan una posición idéntica en los cromosomas homólogos y que controlan la misma característica, pero con diferente información.

¿Qué es un locus?

Es una posición fija donde se encuentra un gen en un cromosoma.

¿Qué es el genotipo?

Es el conjunto de genes que cada individuo ha heredado.

¿Qué es el fenotipo?

Es la expresión del genotipo en un determinado ambiente. P = G + A, donde P = cualquier característica medible (ej. longitud de la mazorca), G = genotipo, y A = ambiente.

¿Qué es el fenoma?

Es el conjunto del material fenotípico de una persona; el genoma es todo el material genético del individuo.

¿Qué es la herencia?

Es la manera en que se transmiten, de generación en generación, las características fisiológicas, morfológicas y bioquímicas de los seres vivos bajo diferentes condiciones ambientales.

¿Qué son los cromosomas?

Son organelos celulares ubicados en el núcleo de la célula, encargados de transportar la mayor parte de la información genética y las características hereditarias de cada especie.

Importancia de la agricultura: Revolución Verde (1970)

Se escogieron plantas con las mejores cualidades y, mediante cruzamientos controlados, nacieron nuevas variedades con capacidad de resistencia a factores bióticos y abióticos, incrementando la calidad del producto a cosechar en menor tiempo y costo. Esto implicó mejorar prácticas agrícolas como la fertilización, rotación de cultivos y control de plagas y enfermedades.

Ingeniería genética

Es la manipulación del ADN bajo condiciones controladas para identificar el gen que otorga las características deseadas y transferirlo a otra planta, con la finalidad de crear nuevas especies.

Plantas transgénicas

Son el resultado de un proceso de ingeniería genética en el cual un organismo es modificado a través de la incorporación de genes de distintas especies con el fin de engendrar y desarrollar nuevas características en el organismo para que este sea más resistente a los herbicidas, a las plagas y a las adversidades del clima y del entorno.

Naturaleza del Material Hereditario

Objetivos:

• Conocer las pruebas que permiten concluir que el ADN es el material hereditario en los seres vivos.
• Conocer la forma en que están organizadas las moléculas de los ácidos nucleicos.
• Reconocer las características que debe tener el material hereditario para ser considerado como tal.

Experimento de Griffith (1928)

Observó el ADN de la cepa Streptococcus pneumoniae (S) y Streptococcus pneumoniae (R).

Streptococcus pneumoniae (S): al colocarse a alta temperatura para matarla y luego inyectarse a un ratón, no presentó ningún síntoma porque había muerto.

Streptococcus pneumoniae (R) fue colocada con pneumoniae (S) muerta e inyectada a un ratón; este murió, actuando como pneumoniae (S) después de ser inofensiva.

La bacteria había muerto, pero su ADN sobrevivió al proceso de alta temperatura y fue tomado por la bacteria Streptococcus pneumoniae (R).

Experimentos de Avery, MacLeod, y McCarty (1944)

Mediante ultracentrifugación, aislaron a partir de extractos de neumococos SIII muertos por calor cinco fracciones distintas con el mayor grado de pureza posible en la época: polisacáridos, lípidos, proteínas, ARN y ADN. Intentaron transformar las células RII vivas en SIII. Comprobaron que ninguna de las fracciones era capaz de transformar los neumococos RII en SIII excepto la fracción químicamente pura que contenía ADN. Para asegurarse de que solamente la fracción de ADN era capaz de transformar los neumococos RII en SIII, emplearon enzimas que degradan o digieren específicamente el ADN. Cuando trataban la fracción de ADN con estas enzimas y después intentaban transformar las células RII en SIII, no lo conseguían. Para verificar con enzimas que degradan específicamente el ARN y después intentaban la transformación, las células RII se transformaban en SIII.

Experimentos con fagos radiactivos: Hershey y Chase (1952)

Utilizaron la bacteria E. coli y el virus T2. Se sabía que los virus T2 estaban conformados por ADN y una cubierta proteica. Marcaron radiactivamente dos cultivos de virus: uno con fósforo radioactivo y otro con azufre radioactivo. El fósforo es un constituyente del ADN pero no de las proteínas, y el azufre forma parte de las proteínas pero nunca del ADN. Cuando se usó virus marcado con fósforo, la radioactividad estaba presente solo dentro de la bacteria; cuando se hizo con los virus marcados con azufre, la radioactividad se ubicó solo en los restos de virus. Este experimento dio una nueva evidencia de que el ADN, y no las proteínas, era el material hereditario.

Estructura primaria del ADN

El material hereditario es una macromolécula sencilla constituida básicamente por cuatro tipos de moléculas llamadas nucleótidos: adenina, guanina, citosina, timina. Cada uno tiene tres componentes principales:

• Una base nitrogenada
• Un azúcar de tipo pentosa
• Una molécula de ácido fosfórico

Modelo de la estructura secundaria o de doble hélice de Watson y Crick

Menciona que el ADN es una molécula helicoidal constituida por dos bandas antiparalelas unidas mediante puentes de hidrógeno que enlazan las bases nitrogenadas de ambas bandas. Los cuatro tipos de nucleótidos son adenina, timina, citosina y guanina.

Características del material hereditario (razones por las que el ADN las cumple)

• Capacidad para transmitir fielmente la información que contiene.
• Capacidad de contener gran cantidad de información.
• Invariabilidad de la información genética, que no varía en condiciones ambientales.

Dogma Central de la Biología Molecular

Objetivos:

Analizar cómo, cuándo y dónde se dan los procesos naturales del dogma central de la biología molecular: duplicación, transcripción y traducción.

Procesos del dogma central de la biología molecular en una célula eucariótica

• Replicación o duplicación: una molécula de ADN produce dos moléculas exactamente iguales dentro del núcleo.
• Transcripción: los genes transcriben la información contenida en el ADN a una molécula de ARNm tantas veces como sea necesario en la vida celular.
• Traducción: el mensaje del ARNm es traducido en los ribosomas mediante el código genético para sintetizar una proteína.

Duplicación del ADN

Modelos propuestos

• Modelo conservativo: partiendo de una molécula de ADN, se obtienen dos moléculas; en una, las dos bandas son totalmente nuevas, y en la otra, las dos bandas son las mismas que dieron origen a la nueva molécula.
• Modelo semiconservativo: las dos moléculas resultantes tienen una banda de la molécula original y otra nueva.
• Modelo disperso: las moléculas resultantes tienen en ambas bandas segmentos originales y segmentos nuevos.

Experimento Meselson y Stahl (1958)

Hicieron crecer células de Escherichia coli en un medio de crecimiento con el isótopo pesado de nitrógeno-15 y otro grupo de células en un medio con nitrógeno-14 (normal). Las células colocadas en nitrógeno-15 se extrajeron después de varias divisiones celulares y se colocaron en el medio de nitrógeno-14; se tomaron dos muestras, una después de la primera generación y otra después de la segunda generación. En cada una de esas muestras se extrajo el ADN y se analizó mediante centrifugación con cloruro de cesio. En la primera generación, formaba una banda sencilla de densidad intermedia. En la segunda generación, se obtuvieron dos bandas, una con densidad ligera y otra con densidad intermedia.

El proceso de replicación del ADN

Para que se inicie la replicación del ADN se requiere de un punto de origen, que es una secuencia específica de ADN llamada ORI. Esta secuencia posee sitios que permiten que a ella se enlacen un conjunto de proteínas denominado replisoma, con función helicasa (desenrollan el ADN) y girasa (separan las dos bandas de ADN). De esta manera quedan expuestas las bases nitrogenadas de las dos bandas del ADN, lo cual permite a una enzima denominada ARN polimerasa ubicarse sobre la banda 3’—5’ y sintetizar un oligonucleótido llamado cebador o “primer”. Debido a que la enzima ADN polimerasa solo es capaz de sintetizar ADN en dirección 5’-3’, como las bandas que conforman al ADN son antiparalelas, hace imposible que las nuevas bandas sean sintetizadas en una misma dirección. Estos fragmentos discontinuos de ADN son llamados fragmentos de Okasaki, y son unidos posteriormente por la ADN polimerasa I y por la ADN ligasa para lograr las dos nuevas bandas de ADN.

Transcripción del ADN

Son genes que transcriben la información contenida en el ADN a una molécula de ARN tantas veces como sea necesaria en la vida celular.

Procesos de la transcripción

La transcripción genética tiene fases: promotora, codificante y terminación, cada una con su región.

• Promotora: donde se inicia el proceso de transcripción.
• Codificante: permite la elongación de la nueva cadena de ARN.
• Terminación: indica hasta dónde se copiará el mensaje del ADN.

Iniciación

La región promotora del ADN debe ser reconocida por la ARN polimerasa.

Elongación

La enzima actúa sobre los cuatro tipos de nucleótidos de ARN y los une.

Terminación

Existen dos mecanismos para detener la polimerización del ARN:

• Secuencias palindrómicas complementarias: a nivel del ARN produce una “cabeza de alfiler”, lo cual provoca el desacople de la ARN polimerasa del ADN molde.
• Proteína RHO: se acopla al ARN en un sitio específico y desacopla el ARN sintetizado de la polimerasa.

Cambios post-transcripcionales

Intrones: son secuencias de ADN sin función conocida que no llegan a ser traducidas. Para esto, el ARN sintetizado en el proceso de transcripción debe sufrir algunos cambios antes de ser el ARNm que se dirigirá hacia los ribosomas. Entre estos cambios destaca la eliminación enzimática de los intrones. El ARNm sale del núcleo al citoplasma en busca de los ribosomas.

Código Genético

Es un conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético se traduce en proteínas en las células.

Características del código genético:

• La información se lee en un solo sentido.
• El código se lee desde un punto de inicio fijo.
• Es universal.
• El código es degenerado (más de un triplete codifica para un mismo aminoácido).

Aplicaciones de la Biología Molecular

Objetivo

Aplicación de la biología molecular en el ámbito agrícola. Conocer y entender los marcadores moleculares.

Caracterización de individuos o poblaciones

Diferenciar individuos de una misma especie. Una mayor variabilidad genética permite un mejoramiento genético más eficaz.

Objetivos de la caracterización:

• Evaluación de la diversidad genética.
• Mejoramiento genético.
• Estudio de las relaciones evolutivas.
• Diagnóstico de patógenos o insectos plaga.
• Identificación de un cultivar vegetal.

Electroforesis

Técnica que permite la migración de partículas cargadas eléctricamente sobre un soporte o gel sometido a un potencial eléctrico.

Etapas de la electroforesis:

1. Extracción de la muestra.
2. Preparación del soporte.
3. Separación a través de electroforesis.
4. Visualización de las bandas.
5. Interpretación del zimograma.

La electroforesis permite diferenciar individuos según las diferencias en los patrones electroforéticos (disposición de las bandas) de cada muestra. Polimorfismo: si una banda se presenta en al menos una muestra y no en el resto.

Caracterización mediante proteínas

Cuando los individuos evaluados tienen una estrecha relación genética, pequeñas diferencias en la movilidad de alguna proteína pueden ser ocultadas por otras. Esta electroforesis puede ser más refinada al extraer solo proteínas solubles en ciertas sustancias, permitiendo una mayor resolución. Puede darse el caso que el ADN de los individuos muestreados sea exactamente igual en las regiones que codifican para dichas proteínas, resultando en la imposibilidad de diferenciar los individuos bajo estudio mediante su constitución proteica.

Caracterización mediante isoenzimas

Las isoenzimas son proteínas funcionales de distintas formas moleculares; su acción metabólica es sobre un mismo sustrato, pero su estructura no es la misma, lo que provoca diferencias en su movilidad electroforética. Esta técnica es más ventajosa que la de proteínas totales para diferenciar individuos, ya que el zimograma tendrá menos bandas.

Desventajas de utilizar isoenzimas:

• Influencia ambiental sobre los sustratos.
• Número limitado de isoenzimas (menos de 40 características).

Caracterización mediante ácidos nucleicos

La secuencia de nucleótidos del ADN permanece invariable ante cambios ambientales, a diferencia de las proteínas.

Técnicas no basadas en PCR:

Se refiere a secuencias específicas de nucleótidos en el ADN que son reconocidas y cortadas por las enzimas de restricción para obtener diferencias.

Técnicas basadas en PCR:

Permite obtener grandes cantidades de determinados segmentos de ADN (duplicación acelerada in vitro).

Etapas de la PCR:

1. Desnaturalización del ADN molde: a 90-95°C, se rompen los enlaces de hidrógeno, exponiendo las bases nitrogenadas.
2. Unión de los “primers”: a 35°C, por complementariedad al ADN molde.
3. Elongación de la cadena de ADN: a 70°C, la Taq polimerasa coloca los nucleótidos.

Después de 40 ciclos, se habrán producido millones de copias del gen de interés.

Selección asistida por marcadores moleculares

Los marcadores moleculares son útiles para seleccionar individuos resistentes; es una de las técnicas más refinadas en mejoramiento genético de plantas. Es apreciable en cultivos perennes, ya que la selección de una característica no requiere del tiempo que necesita la planta para expresarla; con tejido de semilla o plántula se puede determinar si la planta presentará o no dicha característica.

Transferencia del gen

Agrobacterium tumefasciens se basa en la capacidad de esta bacteria de utilizar los genes de la planta hospedera para su beneficio, introduciendo su ADN a la planta.