Fundamentos de Genética Clásica

Diferencia entre alelos dominantes y recesivos

Los alelos son las diferentes formas en las que puede expresarse un gen y se heredan dos para cada gen. Un alelo dominante es aquel que determina el carácter que se expresa en un organismo heterocigoto, mientras que el alelo recesivo es aquel que solo podrá manifestarse en organismos homocigóticos para este alelo, ya que en presencia de un alelo dominante, este será el que se exprese.

Influencia y redescubrimiento de los trabajos de Mendel

Los principios de Mendel se convirtieron en la base de la genética moderna, explicando cómo se transmiten los rasgos de una generación a otra. A partir de sus leyes, los científicos buscaron el soporte físico de la herencia, lo que llevó al descubrimiento del ADN y su papel en la transmisión de información genética. Morgan enunció la teoría cromosómica de la herencia, ayudando a la comprensión de la transmisión de los caracteres de generación en generación, la genética moderna y la biología evolutiva. Toda esta información ha llevado a importantes innovaciones en medicina e ingeniería genética, entre otros campos.

Relación entre la teoría cromosómica y las leyes de Mendel

La teoría cromosómica explica cómo las leyes de Mendel están relacionadas con los cromosomas, ya que estos se comportan de manera similar a los factores hereditarios de los que hablaba Mendel. La teoría cromosómica explica cómo se transmiten los caracteres hereditarios relacionando los principios de Mendel con los cromosomas. Las leyes de Mendel explican cómo se heredan los rasgos, y la teoría cromosómica explica cómo ocurre este proceso en los cromosomas.

Contribución del entrecruzamiento cromosómico a la variabilidad genética

El entrecruzamiento permite que genes de ambos progenitores se mezclen en la profase I de la meiosis, donde se da el intercambio de información genética entre las cromátidas de los cromosomas homólogos, originándose combinaciones nuevas y aumentando la variabilidad genética, de tal manera que permite que los descendientes originados a partir de los gametos conserven gran parte de las características de sus ancestros, pero dando al nuevo individuo un perfil absolutamente único y distintivo.

Estructura y Función del ADN y ARN

Friedrich Miescher y el descubrimiento del ADN

Friedrich Miescher fue un biólogo y médico suizo que, en 1869, aisló unas moléculas del núcleo que llamó nucleínas y terminaría descubriendo el ADN. Los estudios de Miescher permitieron a Watson y Crick descubrir la estructura en doble hélice del ADN. Este tiene un papel muy importante en la biología molecular, permitiendo avances en la manipulación genética, biotecnología y medicina moderna, incluyendo la ingeniería genética y la terapia génica.

Watson y Crick y la doble hélice del ADN

• El experimento de Avery, MacLeod y McCarty y el experimento de Hershey y Chase (1952): demostraron que el ADN es la molécula responsable de la herencia genética que se transmite.
• Reglas de Chargaff (1950): la cantidad de adenina (A) es igual a la de timina (T) y la de citosina (C) es igual a la de guanina (G), lo que sugiere un patrón de emparejamiento.
• Cristalografía de rayos X (Franklin y Wilkins): reveló que el ADN tenía una estructura helicoidal.

Diferencias estructurales entre ADN y ARN

• El ADN es una doble hélice formada por dos cadenas, mientras que el ARN es monocatenario.
• El ADN tiene desoxirribosa y el ARN tiene ribosa.
• En el ADN, la base complementaria de la Adenina (A) es la Timina (T), mientras que en el ARN, la Adenina (A) se une al Uracilo (U) en lugar de Timina.

Composición del ADN

• Un grupo fosfato: Un átomo de fósforo rodeado por oxígeno, que forma el “esqueleto” del ADN.
• Un azúcar: En el caso del ADN, el azúcar es la desoxirribosa, una molécula de cinco átomos de carbono.
• Una base nitrogenada: Las bases nitrogenadas son moléculas que contienen nitrógeno y son las que almacenan la información genética. Hay cuatro tipos de bases nitrogenadas en el ADN: adenina (A), timina (T), citosina (C), guanina (G).

Características de la doble hélice del ADN

• Está formada por dos cadenas de nucleótidos que se enrollan entre sí, similar a una escalera de caracol.
• Las cadenas están unidas por puentes de hidrógeno, que permiten la separación del ADN durante la replicación y transcripción.
• Emparejamiento de bases: Adenina (A) ↔ Timina (T) (unidas por dos puentes de hidrógeno). Citosina (C) ↔ Guanina (G) (unidas por tres puentes de hidrógeno, más fuerte).
• Las cadenas son antiparalelas: Una hebra va en dirección 5′ → 3′ y la otra en dirección 3′ → 5′.
• La doble hélice es lo suficientemente estable para mantener la información genética, pero flexible para permitir procesos celulares como la transcripción.

Formación de la doble hélice del ADN

Los nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster entre el fosfato de un nucleótido y la desoxirribosa del siguiente. Esta unión forma una cadena lineal con dirección 5′ → 3′. Dos cadenas de nucleótidos se unen mediante puentes de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas complementarias.

Función del ADN

• Almacenar información genética.
• Controlar la síntesis de proteínas.
• Transmitir la información hereditaria.
• Permitir la replicación celular.
• Regular la expresión génica.

Localización del ADN en células eucariotas animales

El ADN se encuentra principalmente en el núcleo, aunque también en las mitocondrias.

Procesos Clave de la Biología Molecular

Replicación semiconservativa

Cuando ocurre la replicación del ADN, este primero separa sus dos cadenas y cada una de ellas va a servir como molde para la formación de una nueva cadena complementaria, de forma que cada nueva molécula de ADN está formada por una hebra originaria del ADN inicial y la otra cadena es nueva, es decir, conserva una mitad original y su otra mitad es nueva. Este proceso se denomina replicación semiconservativa.

Etapas del dogma central de la biología molecular

El dogma central de la biología molecular describe el flujo de información genética:

• Replicación: Se crea una copia del ADN para transmitir la información genética a nuevas células.
• Transcripción: El ADN se transcribe para producir un ARN mensajero (ARNm).
• Traducción: El ARNm se utiliza para fabricar proteínas en los ribosomas.

Proceso de traducción

El ARNm es utilizado para sintetizar una proteína en los ribosomas, que son las “fábricas de proteínas” de la célula. Durante la traducción, la secuencia de nucleótidos del ARNm se “traduce” en una secuencia de aminoácidos, que luego se pliegan para formar una proteína funcional.

• Iniciación: Unión del ARNm al ribosoma. A la secuencia AUG del ARNm se le unirá un ARNt con el aminoácido metionina, dando inicio a la elongación.
• Elongación: Se incorporan aminoácidos a la cadena en crecimiento que corresponden a la secuencia de codones presentes en el ARNm y se unen a través de un enlace peptídico.
• Terminación: Cuando el ribosoma llega a un codón de terminación (UAA, UAG o UGA), la síntesis se detiene y se libera la proteína terminada. El ribosoma se desensambla y el ARNm puede ser reutilizado o degradado.

Características del código genético

• Tripletismo: El código genético está basado en tripletas de bases nitrogenadas (codones), cada una de las cuales corresponde a un aminoácido.
• Universalidad: Esto significa que las mismas secuencias de codones codifican los mismos aminoácidos en casi todas las especies, lo que refleja la unidad de la vida en la Tierra.
• Redundancia: Debido a que hay 64 posibles codones y solo 20 aminoácidos comunes, varios codones pueden codificar el mismo aminoácido.
• No superposición: El código genético se lee de forma continua y no solapada.
• Unidireccionalidad: El código genético se lee en una sola dirección, del extremo 5′ al 3′ del ARN mensajero, lo que define la secuencia de aminoácidos en la proteína.

Diferencias entre mitosis y meiosis

• En la mitosis se producen dos células genéticamente idénticas a la célula inicial (2n).
• En la meiosis, se producen cuatro células haploides (n), con la mitad de material genético que la célula inicial.
• En la Profase I de la meiosis se forman las tétradas y se produce el entrecruzamiento.
• La mitosis no influye en la herencia porque mantiene el mismo material genético en todas las células. Se usa para el crecimiento y reparación de tejidos, sin introducir variabilidad.
• La meiosis es esencial en la herencia porque crea gametos con la mitad de los cromosomas. Gracias al entrecruzamiento y la distribución independiente de los cromosomas, cada gameto es único, lo que genera variabilidad en la descendencia.

Células germinales

Las células germinales son las células encargadas de la reproducción y la transmisión de la información genética a la siguiente generación. Estas células incluyen los óvulos en las hembras y los espermatozoides en los machos. Las células germinales son haploides, lo que significa que contienen solo un conjunto de cromosomas. En los humanos, los óvulos y los espermatozoides contienen 23 cromosomas (uno de cada par cromosómico). Las células germinales se desarrollan a través de un tipo de división celular llamado meiosis.

Técnicas y Aplicaciones en Biología Molecular

Plásmidos y su importancia en la clonación genética

Los plásmidos son pequeños fragmentos de ADN extracromosómico que se encuentran en algunas bacterias y otros organismos. Pueden replicarse por sí mismos y suelen ser circulares. Contienen genes adicionales que no son esenciales para la supervivencia, pero que pueden ofrecer ventajas a las bacterias, como resistencia a antibióticos.

Actúan como:

• Vectores de clonación, lo que significa que se usan para transportar y copiar ADN de interés en una célula huésped.
• Permiten multiplicar rápidamente el ADN de interés.
• Suelen tener genes de resistencia a antibióticos.
• Son fáciles de manipular en el laboratorio, pueden cortarse y modificarse utilizando enzimas de restricción, y luego insertarse con el ADN de interés de manera controlada.

Importancia del método de Sanger

El método de Sanger permitió a los científicos leer la información genética con precisión, lo que llevó a secuenciar el Genoma Humano y a avances en la comprensión de enfermedades, evolución y biología molecular.

PCR y su propósito

La PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) es una técnica que permite amplificar millones de veces una región específica de ADN en pocas horas. La PCR es un proceso enzimático que replica una secuencia específica de ADN en tres pasos principales, repetidos cíclicamente. Cada ciclo duplica la cantidad de ADN, lo que permite una amplificación exponencial.

Es esencial en:

• Diagnóstico médico: Detección de patógenos y enfermedades genéticas.
• Investigación científica: Clonación de genes, secuenciación de ADN y estudios de expresión génica.
• Medicina forense: Identificación de individuos mediante huellas genéticas.
• Biotecnología: Modificación genética de organismos.

Proyecto Genoma Humano

El Proyecto Genoma Humano consiguió mapear y secuenciar todos los genes del ADN humano, permitiendo conocer el número de genes que tenemos, diagnosticar enfermedades genéticas, desarrollar nuevas terapias y tratamientos y comprender mejor enfermedades como el cáncer al identificar los genes asociados. También nos ha ayudado a entender mejor la evolución al comparar el genoma humano con el de otras especies.

Sistema CRISPR-Cas9

El sistema CRISPR-Cas9 utiliza una molécula de ARN guía para dirigirse a una secuencia específica de ADN. La proteína Cas9 actúa como unas “tijeras moleculares” que cortan el ADN en el sitio deseado. Una vez cortado, la célula repara el ADN, lo que permite introducir cambios genéticos.

Aplicaciones de CRISPR-Cas9 en medicina

• Edición de genes en organismos modelo para estudiar enfermedades.
• Desarrollo de terapias génicas para tratar enfermedades genéticas.
• Mejora de cultivos y animales en la agricultura.
• Investigación en biología básica para entender la función de los genes.

Avances recientes en CRISPR-Cas9

• Tratamientos para enfermedades genéticas.
• Edición génica de precisión: Se han desarrollado técnicas como la edición de bases.
• Aplicaciones en agricultura para mejorar producción y características del cultivo.
• Optimización de la edición génica.
• Inmunoterapias personalizadas.

Mutaciones y su Impacto

Mutación

Una mutación es un cambio permanente en la secuencia de nucleótidos del ADN. Estos cambios pueden afectar a un solo nucleótido o a segmentos más grandes del genoma. Dependiendo de la naturaleza y el alcance de la mutación, sus efectos sobre el organismo pueden ser pequeños, graves o incluso letales.

Tipos de mutaciones puntuales

Son las más comunes y afectan a un solo nucleótido en la secuencia de ADN. Pueden clasificarse en tres tipos según cómo alteran la codificación genética:

• Sustitución de bases: Un nucleótido es reemplazado por otro, lo que puede alterar el codón y la proteína resultante. Existen tres tipos de sustituciones:
  • Mutación silenciosa: La sustitución de una base no cambia el aminoácido codificado debido a la redundancia del código genético.
  • Mutación de sentido erróneo (o no sinónima): La sustitución cambia un codón de modo que codifica un aminoácido diferente, lo que puede alterar la estructura o función de la proteína.
  • Mutación sin sentido: La sustitución genera un codón de terminación (como UAA, UAG o UGA), lo que provoca la terminación prematura de la síntesis de la proteína, resultando en una proteína incompleta o no funcional.
• Inserción: Se agrega uno o más nucleótidos en la secuencia de ADN. Esto puede causar un cambio en el marco de lectura (lectura incorrecta de los codones) y producir una proteína completamente diferente, a menudo no funcional.
• Deleción: Se elimina uno o más nucleótidos de la secuencia de ADN. Al igual que las inserciones, las deleciones pueden cambiar el marco de lectura y producir una proteína con una estructura alterada.

Mutaciones en secuencias regulatorias

Estas mutaciones afectan las regiones del ADN que no codifican directamente proteínas, pero que controlan la expresión génica (como los promotores o los elementos de respuesta). Aunque no alteran la secuencia de aminoácidos de la proteína, pueden afectar su cantidad, momento o lugar de expresión.

Mutaciones de desplazamiento del marco de lectura

Cuando se produce una inserción o eliminación de nucleótidos que no es un múltiplo de tres, esto cambia el marco de lectura de los codones, lo que da lugar a una proteína completamente diferente desde el punto de la mutación hasta el final de la cadena. Este tipo de mutación suele ser muy dañina, ya que cambia completamente la estructura de la proteína.

Mutaciones cromosómicas

Son mutaciones que involucran grandes cambios en la estructura de los cromosomas, como deleciones, duplicaciones, inversiones o translocaciones. Estas mutaciones pueden afectar a varios genes o incluso a la organización completa del genoma.

Consecuencias de las mutaciones

• Neutras: Muchas mutaciones no tienen ningún efecto sobre el organismo. Pueden ser “silenciosas”, sin cambiar la función de la proteína, o pueden producir una proteína que no tiene un impacto significativo en la función celular.
• Dañinas o perjudiciales: Algunas mutaciones pueden llevar a proteínas mal formadas o disfuncionales, lo que puede causar enfermedades genéticas. Ejemplos incluyen la fibrosis quística, donde una mutación en el gen CFTR afecta a la proteína que regula el transporte de iones, o la anemia de células falciformes, donde una mutación en el gen de la hemoglobina cambia la forma de los glóbulos rojos.
• Beneficiosas: En algunos casos, las mutaciones pueden proporcionar una ventaja selectiva, como aquellas que confieren resistencia a enfermedades o mejor adaptación a cambios ambientales. Estas mutaciones son la base de la evolución.

Importancia de la Genética en Biología y Evolución

Importancia de la genética en biología

La genética es la rama de la biología que estudia la herencia y la variación de los organismos. Se centra en entender cómo se transmiten las características de una generación a otra a través de los genes, y cómo estos genes influyen en los rasgos físicos, comportamentales y fisiológicos de los seres vivos.

• Entender la herencia: La genética permite comprender cómo las características se transmiten de los padres a los hijos.
• Desarrollo y funcionamiento de los organismos: Los genes son los que dictan cómo las células se desarrollan, crecen y funcionan. Las proteínas que codifican los genes son esenciales para casi todos los procesos biológicos.
• Medicina y salud: Nos permite identificar enfermedades genéticas, predecir la predisposición a enfermedades y desarrollar tratamientos personalizados. Las pruebas genéticas también se utilizan para diagnosticar trastornos genéticos y determinar el riesgo de enfermedades.
• Biotecnología y agricultura: La genética permite el desarrollo de organismos genéticamente modificados, que se utilizan en la agricultura para mejorar el rendimiento de cultivos, así como en la industria para producir medicamentos, hormonas y otros productos biotecnológicos.

Importancia de los genes en la evolución

• Mutaciones y variabilidad genética: Los genes juegan un papel crucial en la evolución a través de las mutaciones, que son cambios en la secuencia del ADN. Las mutaciones pueden generar variaciones en las características de los organismos, y si estas variaciones son beneficiosas, pueden ser seleccionadas por el entorno, lo que lleva a la adaptación.
• Selección natural: La teoría de la evolución de Charles Darwin se basa en la idea de que, en un entorno determinado, los organismos con características genéticas ventajosas tienen más probabilidades de sobrevivir y reproducirse. Esto es posible gracias a la herencia genética, que transmite esas características a la descendencia.
• Especiación: Los cambios en los genes, a lo largo de miles o millones de años, pueden llevar a la especiación, o la formación de nuevas especies. Si dos poblaciones de una misma especie se aíslan genéticamente (por ejemplo, por barreras geográficas) y adquieren diferencias genéticas significativas, pueden dar lugar a nuevas especies.
• Evolución molecular: A nivel molecular, la genética permite rastrear el linaje de las especies, observar la relación entre diferentes organismos y comprender cómo las características genéticas se han transformado a lo largo de la historia evolutiva.