martes, 30 de diciembre de 2014

(Un poco) más allá de las leyes de Mendel

Dicen las malas lenguas que Mendel envió una larga carta a la máxima autoridad biológica de la época, Charles Darwin, explicándole sus trabajos y los resultados que había obtenido, pero que Darwin fue incapaz de aceptarlos e integrarlos con su teoría de la evolución.

Lo cierto es que Darwin tenía su propia teoría acerca de la herencia genética, bastante diferente de la de Mendel. Mientras que los caracteres mendelianos son "discretos", están "cuantizados" (es decir, responden a leyes de todo o nada), Darwin necesitaba para explicar su teoría evolutiva rasgos con variación continua, que él comparaba con líquidos que se mezclaban en proporciones variables.

También es cierto que, para ser los únicos enunciados a los que se atribuye el rango de "ley" biológica, los postulados de Mendel están llenos de excepciones, que empezaron a encontrarse al poco de su descubrimiento y que, curiosamente, no las invalidan sino que dan más mérito a la intuición del buen monje centroeuropeo. Entre esas excepciones hay algunas que podrían dar una parte de razón a Darwin y a su idea de los caracteres de varación continua.

Codominancia y dominancia incompleta

 Tanto la herencia intermedia como la codominancia se refieren a alteraciones en la dominancia clásica que Mendel reflejó en sus trabajos. Según sus resultados, uno de los alelos "domina" sobre el otro, tiene más fuerza, por lo que es el que da lugar al fenotipo del individuo aunque éste sea heterocigoto, es decir, aunque el individuo tenga los dos alelos. Pero, ¿qué pasaría si los dos alelos de un gen tuvieran la misma fuerza?

En algunos casos esto se traduce en que los individuos heterocigóticos tienen un fenotipo diferente a los individuos homocigóticos, tal y como ocurre en las flores del rododendro. En esta planta, el color de la flor está determinado por un gen que tiene un alelo que determina que los pétalos sean de color rojo, y otro que hace que sean blancos. Los individuos heterocigóticos expresan ambos alelos, de modo que sus flores son en parte rojas y en parte blancas. Otro ejemplo de codominancia, Uno de los mejor conocidos se presenta en el sistema de grupos sanguíneos AB0, en el que los alelos que determinan el grupo A y el grupo B tienen la misma fuerza, de modo que cuando un individuo posee los dos alelos no presenta ni el grupo A ni el B, sino el grupo AB, un grupo sanguíneo que no es intermedio entre los otros dos, sino que más bien recoge las características de ambos.

También puede ocurrir que un alelo no llegue a dominar por completo al otro. Por ejemplo, ahora sabemos que cuando Mendel estudió la heredabilidad del carácter "color de la semilla" de los guisantes se encontró con que la presencia de una sustancia coloreada amarilla daba a estas semillas ese color, mientras que su falta hacía que fueran de color verde. Pero, ¿qué pasaría si en lugar de que un alelo permitiera la formación de un pigmento y el otro no los dos alelos dieran lugar a pigmentos de colores diferentes?

Esto, precisamente, es lo que ocurre en las flores del dondiego de noche. El gen que determina el color de la flor tiene dos alelos, uno de los cuales hace que la flor produzca una sustancia de color rojo, mientras que el otro hace que produzca una sustancia de color blanco. Todos sabemos qué es lo que ocurre cuando mezclamos pintura roja y blanca: conseguimos un color rosa. Lo mismo le pasa a los dondiegos, es decir, las flores heterocigóticas no son ni rojas ni blancas, sino rosas.

El caso de los dondiegos es uno de los mejores ejemplos conocidos de herencia intermedia. El resultado que obtenemos es que los individuos heterocigóticos tienen un fenotipo diferente a los dos individuos homocigóticos, que resulta intermedio entre ambos. La única diferencia entre este caso y el estudiado por Mendel es que los fenotipos en la F1 son diferentes a los individuos parentales. Sin embargo, el mecanismo de transmisión es exactamente el mismo que el de los genes con alelos dominantes y recesivos, y las proporciones genotípicas de los individuos responden exactamente a las leyes de Mendel.

La herencia incompleta puede darse en diferentes "grados": si el individuo heterocigoto es exactamente intermedio entre los dos parentales se considera que no hay dominancia, mientras que si se parece más a uno de los dos parentales que al otro se dice que ese alelo tiene una dominancia parcial o incompleta.


En su momento estos casos se vieron como objeciones a las leyes de Mendel; la codominancia pudo interpretarse como la "aparición" de un nuevo carácter, mientras que los casos de dominancia incompleta daban la impresión de responder a un mecanismo de herencia "por mezcla", parecido al que en su día propuso Darwin. Sin embargo, actualmente sabemos que son solo casos particulares, que pueden explicarse perfectamente mediante el mecanismo general de transmisión de los caracteres hereditarios.

Alelismo múltiple

En última instancia, los diferentes alelos que puede presentar un gen se deben a las mutaciones que ese gen ha podido sufrir a lo largo de la historia evolutiva de la especie que lo presenta. Evidentemente, un mismo gen puede sufrir más de una mutación a lo largo del tiempo, lo que hace que, en muchos casos, los genes tengan más de dos alelos.

Un ejemplo típico de alelismo múltiple (o serie alélica) lo constituye el gen que determina, en la especie humana, el grupo sanguíneo en el sistema AB0. En este caso, el carácter está determinado por tres alelos, IA, IB e I0.

El mecanismo de transmisión de los alelos de una serie alélica es totalmente mendeliano: cada individuo posee dos alelos del gen en sus células, de los cuales transmite solo uno a sus descendientes a través de sus gametos. Las relaciones de dominancia entre los diferentes alelos también son las que ya conocemos, pudiendo darse dominancia completa (IA > I0, IB > I0, incompleta o codominancia (IA = IB).

Los sistemas genéticos de alelos múltiples pueden dar lugar a una mayor variedad de genotipos y de fenotipos. Por ejemplo, en el sistema de grupos AB0 se pueden dar seis genotipos diferentes que, a su vez, dan lugar a cuatro posibles fenotipos. De este modo, la variabilidad genética de estos genes aumenta, lo que puede mejorar la capacidad de supervivencia de sus portadores.

Es posible apreciar esto siguiendo con el ejemplo de los grupos sanguíneos. En este caso, la función que determina este gen es la formación de una proteína que se presenta en la parte externa de los glóbulos rojos y que permite discriminar, distinguir entre los componentes de nuestro organismo y células procedentes de otros individuos. Desde este punto de vista, resulta evidente que si solo hubiera dos fenotipos posibles la capacidad de discriminación sería bastante baja, ya que todos los individuos con el mismo fenotipo que nosotros mismos serían considerados "inofensivos". A medida que aumenta el número de fenotipos, se incrementa también la proporción de individuos que son identificados como "diferentes", lo que supone una ventaja desde el punto de vista de la defensa inmunológica.

Genes ligados al sexo

En algunos organismos, como en la propia especie humana, la determinación del sexo se debe a la presencia de dos tipos de cromosomas, de modo que hay un sexo que es homocromosómico (posee dos cromosomas iguales) mientras que el otro es heterocromosómico. En el caso de los vertebrados estos cromosomas sexuales se denominan X e Y, y el sexo homocromosómico, las hembras, poseen dos cromosomas X mientras que los machos presentan un cromosoma X y otro Y.

Esto hace que la dotación genética de machos y hembras sea diferente. En general el cromosoma Y es más pequeño, y posee un número reducido de genes, relacionados con la diferenciación hacia el sexo masculino (en el hombre, por ejemplo, se incluyen entre estos genes el de la testosterona, hormona sexual masculina, pero también el de la alopecia androgénica, la forma de calvicie más frecuente, así como otros relacionados con la fertilidad masculina). Los individuos del sexo femenino no poseen estos genes específicos, mientras que los del sexo masculino sí que presentan esos genes, pero también los que se encuentran en el cromosoma X. Sin embargo, los machos solo poseen una copia de cada uno de estos genes que, debido a esto, se dice que actúan en hemicigosis.

Los genes que se encuentran en uno de los cromosomas sexuales se denominan "genes ligados al sexo", y su transmisión se caracteriza porque aparecen con diferente frecuencia en machos y hembras. Si un gen se encuentra en el cromosoma Y va a ser transmitido a todos los hijos de sexo masculino del progenitor que lo presenta, y solo a ellos. Además, como solo hay una copia del mismo en cada individuo el alelo siempre se manifiesta, y no tiene sentido hablar de "dominancia".

La situación es distinta si el gen se encuentra en el cromosoma X, como ocurre, por ejemplo, con el gen que determina el daltonismo en la especie humana. El daltonismo está determinado por un gen situado en el cromosoma X, de modo que su alelo dominante, XD, determina la visión de los colores normal, mientras que el recesivo, Xd produce el daltonismo cuando se encuentra en homocigosis (o en hemicigosis). Esto da lugar a diferentes relaciones entre genotipos y fenotipos en mujeres y varones, como se recoge en la siguiente tabla:

Genotipos Fenotipos
XDXD Mujer con visión normal
XDXd Mujer con visión normal
XdXd Mujer daltónica
XDY Varón con visión normal
XdY Varón daltónico

Las mujeres heterocigóticas no padecen la alteración, pero sí que pueden transmtírsela a sus hijos, por lo que frecuentemente se les denomina "portadoras".

El cuadrado de Punnett de la derecha muestra todas las posibles combinaciones de gametos que pueden darse en relación con la transmisión del daltonismo, con sus respectivas frecuencias en la población. Como se aprecia en la imagen, la proporción de individuos con daltonismo es distinta entre las mujeres (1%) que entre los hombres (9%), debido a que en estos últimos manifiestan el carácter solo con poseer un alelo ya que, al no tener otro que pueda "ocultarlo", siempre actúa como dominante.

 Genes ligados

Los casos anteriores son, en realidad, casos particulares de la primera ley de Mendel, que se explican perfectamente según ella una vez que se entienden las relaciones entre los alelos que los determinan. Sin embargo, a principios del siglo XX empezaron a encontrarse ejemplos de genes que contravenían la tercera ley de Mendel, la transmisión independiente de los caracteres.

La tercera ley de Mendel afirma que los genes se transmiten independientemente entre sí. Desde el punto de vista citogenético, eso significa que los genes se separan durante la formación de los gametos, de modo que se pueden combinar entre ellos de todas las formas posibles. Sin embargo, al estudiarse la transmisión de ciertos pares de caracteres se empezó a observar que se transmiten siempre (o casi siempre) juntos, sin combinarse entre sí.

De hecho, el propio Mendel pudo haberse encontrado con este mismo fenómeno si hubiera estudiado la transmisión del color y la forma de la vaina de los guisantes, en lugar de hacerlo con las semillas. El resultado de su experimento, en ese caso, habría sido aproximadamente el que se muestra en la figura de al lado, que correspondería más a la transmisión de un solo carácter que a la de dos independientes.

Sin embargo, en este tipo de cruzamientos sí que aparecen los "nuevos" fenotipos (amarillo rugoso y verde liso), aunque con una frecuencia muy baja, mucho más de la que se esperaría según la tercera ley de Mendel.

El estudio genético de distintos organismos dio lugar al concepto de los "grupos de ligamiento", grupos de genes que se transmiten conjuntamente. El fundamento biológico de este fenómeno se encuentra en que los grupos de ligamiento se corresponden con los cromosomas. Es decir, dos genes están ligados entre sí cuando se encuentran localizados en el mismo cromosoma, y por lo tanto se transmiten como un todo a los descendientes del individuo que los lleva. Esto también permite explicar la aparición de nuevas combinaciones entre esos genes, cuando se tiene en cuenta la posibilidad de que se produzca sobrecruzamiento entre los cromosomas homólogos durante la meiosis.

Caracteres poligénicos o cuantitativos

Muchos de los caracteres que se observan en un individuo no se deben a la acción de un único gen, sino al efecto combinado de varios. Este es el caso, por ejemplo, del color de la piel o del pelo o de la altura en los seres humanos. El resultado es que dichos caracteres muestran, en la práctica, una variación continua o casi continua, ya que los diferentes genes contribuyen cuantitativamente (aportan "un poco" de la caracteristica) al resultado final. En la imagen se recoge la variación del color de la piel a partir de un modelo de tres genes.

Genes pleiotrópicos

También puede darse la situación "inversa", es decir, que un único gen afecte a varios caracteres fenotípicos distintos. Es bastante habitual en genes relacionados con ciertas enfermedades, como ocurre por ejemplo en la anemia falciforme, una enfermedad que se debe a una mutación en un único gen, el que determina la estructura de la hemoglobina, la proteína encargada de transportar oxígeno en los glóbulos rojos. Los efectos fenotípicos en los individuos homocigóticos incluyen fallo renal, fallo cardiaco, trombosis y múltiples daños en diferentes tejidos.

Otras excepciones a los mecanismos de herencia simples

Existen otras excepciones a los mecanismos sencillos de transmisión de caracteres geneticos descritos por Mendel, como la existencia de genes deletéreos, que provocan la muerte de los individuos que los presentan. Es el caso, por ejemplo, del gen que determina la hemofilia, ligado al cromosoma X y que es letal cuando se encuentra en homocigosis, por lo que no hay mujeres que padezcan esta enfermedad.

También se dan casos en los que un gen modifica o regula la expresión de otro u otros genes. Un ejemplo es un gen que determina el desarrollo de cataratas en humanos. Aunque se trata de un gen dominante, no llega a expresarse si no se presenta, a la vez, cierto alelo en otro gen distinto.

Hay también genes que no se expresan a no ser que se den ciertos factores ambientales que los desencadenan. Por ejemplo, el gen que determina la diabetes tipo 2 no produce esta enfermedad a no ser que se sufra, además, de sobrepeso, estrés psicológico o grave privación de sueño. También ocurre algo similar con el gen que produce la esclerosis múltiple, cuyo efecto puede ser desencadenado por un virus (el de Epstein Barr) u otras situaciones de estrés ambiental. Se dice que estos genes presentan una penetración incompleta.

Otro caso más de herencia compleja se da en los genes cuya expresión está relacionada con el sexo; los genes limitados por el sexo se transmiten del mismo modo en varones y en mujeres, pero solo se expresan en uno de los dos sexos, como ocurre con la barba. Por su parte, los genes controlados por el sexo se expresan de forma diferente en varones o en mujeres. La gota es un ejemplo de enfermedad controlada por este tipo de genes, ya que presenta una incidencia ocho veces mayor en varones que en mujeres, lo que significa que es dominante en el hombre y recesivo en la mujer.

domingo, 14 de diciembre de 2014

La reproducción (y el resto de la vida) de las células

Normalmente, cuando se habla del ciclo celular se hace, en realidad, para describir los procesos de reproducción celular, tanto asexuales (mitosis) como sexuales (meiosis), lo que puede dar la impresión de que las células de cualquier organismo están permanentemente desarrollando tales actividades. Esta visión deja de lado dos hechos fundamentales en el funcionamiento de cualquier organismo: el primero es que las células también mueren, por lo que no debería considerarse que su vida es un "ciclo". El segundo es que, dentro de un organismo pluricelular, la reproducción celular es un hecho muy regulado, que se produce solo en ciertas condiciones y que, en general, está limitado solo a un número reducido de células.

Así pues, en lugar de representar la vida de las células como un ciclo "eterno", sería más ajustado presentarla como un proceso lineal: la célula nace de otra que, en general, está menos especializada que ella, se desarrolla adquiriendo las características que le van a permitir realizar sus funciones específicas en el organismo del que forma parte y tras un cierto periodo de actividad acaba muriendo, ya sea de forma programada o como resultado de algún tipo de error, fallo de funcionamiento, daño, infección... Normalmente, una de estas células "adultas" (diferenciadas es el término correcto) de nuestro organismo no es reemplazada por una de sus hijas, sino más bien por una de sus "hermanas", ya que estas células suelen tener muy limitada su capacidad de reproducirse. 

Para tratar de evitar este problema, que puede dar lugar a algunas ideas equivocadas acerca de cómo funciona un organismo vivo, describiremos la vida de tres células diferentes: una totalmente diferenciada, que no va a volver a dividirse, una célula "madre", es decir, cuya función en el organismo es dar lugar a otras células "somáticas", y finalmente una célula madre de los gametos, cuyo papel es el de producir ese tipo celular específico que participará en la reproducción sexual del organismo en su conjunto.

La vida de una célula diferenciada

Muchas células de nuestros tejidos y órganos están programadas para no dividirse nunca. Nacen como resultado de un proceso de reproducción celular "asimétrico", que da lugar a dos tipos de células diferentes: una de ellas va a conservar la capacidad de reproducirse, para seguir dando lugar a nuevas células del tejido o del órgano. El ejemplo extremo de este tipo de células son los glóbulos rojos, tan especializados que ni siquiera tienen núcleo (en los mamíferos). Sin llegar tan lejos, las neuronas son también un caso de células que no se vuelven a dividir a lo largo de la vida del organismo.

Una célula somática (no reproductora) especializada crece hasta alcanzar su tamaño definitivo. Sus orgánulos están bien diferenciados, incluyendo la envoltura nuclear, y una parte de sus genes está activa, pero el resto está inactivada porque no los va a utilizar.

La célula está realizando sus funciones habituales, para lo cual necesita producir proteínas. Por ese motivo el ADN está descondensado, de modo que no pueden observarse los cromosomas. Durante este periodo se está produciendo la transcripción, es decir, el ADN es leído y da lugar a moléculas de ARN, así que puede observarse el nucleolo como una estructura diferenciada.

En cuanto a la cantidad de ADN que tiene la célula, hay dos copias de cada cromosoma, pero cada una de esas copias solo está formada por una cromátide (2n cromosomas, 2n cromátides).

Al cabo de un cierto tiempo, más o menos largo, todas las células del organismo mueren. Este proceso puede tener lugar de dos modos diferentes, en función de si se trata de un acontecimiento "programado" como parte del funcionamiento habitual del organismo, por ejemplo cuando se reabsorbe parte de un tejido durante el desarrollo, o de si la muerte celular se produce como consecuencia de un daño. En el primer caso la célula muere por "apoptosis". Es un proceso ordenado, en el que la mayor parte de los materiales celulares se reutilizan. Si, por el contrario, la célula ha sufrido algún daño y debe ser eliminada la muerte se produce mediante "necrosis": la membrana celular se rompe, el contenido de la célula sale al exterior y se liberan sustancias que actúan como mensajeros para advertir al resto del organismo que el daño ha tenido lugar.

La vida de una célula madre

Dentro de un organismo, las células capaces de reproducirse se encuentran, nomalmente, en un estado similar al G0, es decir, realizando sus "trabajos de mantenimiento" habituales, lo que supone utilizar sus genes para sintetizar las proteínas que necesitan y obtener materiales y energía de los nutrientes que utilizan. La división celular solo ocurre como respuesta a un mensaje procedente del resto del organismo, que llega en forma de una sustancia química que actúa como "agente mitógeno", es decir, que induce la mitosis. Como la célula va a seguir, a partir de este momento, un proceso de división la fase en que se encuentra se denomina G1 en lugar de G0, pero ambos estados son idénticos.


La llegada de los agentes mitógenos a la célula va a desencadenar en ella una serie de procesos que permiten su división, y que deben ocurrir de un modo secuencial y controlado:
  1. Duplicación del material genético.
  2. Comprobación de que el material genético se ha duplicado correctamente.
  3. Distribución del material genético en dos núcleos hijos.
  4. Reparto del citoplasma y de los orgánulos.
  5. Control de que el proceso se ha realizado correctamente y crecimiento.
Si después de la división la célula debe volver a dividirse, por ejemplo porque forma parte de un tejido en proliferación, como las células madre de la sangre, estos procesos se repiten de forma cíclica, mientras que si no es necesario dar lugar a más células volverá a entrar en una fase de reposo (G0).

El proceso [3], la distribución del material genético entre las células hijas, recibe el nombre de mitosis y el [4], el reparto de los orgánulos, se denomina citocinesis, mientras que el resto del ciclo celular constituye la interfase.

Interfase

El ciclo de vida de una célula de este tipo, desde una división a la siguiente, se caracteriza porque tiene fases en las que se observa una intensa actividad alternándose con otras en las que la célula parece tranquila, al menos cuando se observa a través del microscopio, por lo que se denominan periodos "gap". Sin embargo estas fases son imprescindibles, porque durante ellas la célula está llevando a cabo procesos fundamentales para poder seguir con su división.

Entrada en división: la fase G1

En realidad, como se ha dicho, la fase G1 no se distingue de la G0, solo se denominan de forma diferente según lo que le vaya a ocurrir a la célula a continuación.

Antes de empezar a dividirse la célula debe crecer, hasta alcanzar un tamaño adecuado. Para ello produce proteínas activamente y realiza sus funciones con normalidad. Si recibe la señal adecuada, empieza los procesos para dividirse, pero antes realiza una comprobación de que todo está funcionando adecuadamente. Este momento es fundamental en la vida de la célula, y recibe el nombre de punto de restricción. Si la célula lo supera va a seguir con el ciclo celular con normalidad, pero si detecta que ha ocurrido algún error se produce su muerte mediante un proceso de apoptosis.

En esta fase el núcleo esta rodeado por la envuelta nuclear y presenta nucleolo. Junto a él se encuentra un centrosoma, es decir, una pareja de centriolos de los que irradia un haz de microtúbulos.

Periodo S: la duplicación del material genetico

En la fase G1 las células tienen solo el material genético que necesitan para realizar su actividad habitual: dos copias de cada cromosoma, pero cada una de ellas formada por una sola cromátide, que es una única doble hélice de ADN. Esta molécula sirve de molde en el proceso de replicación, de modo que al final de esta fase cada cromosoma, que sigue desespiralizado, está formada por dos cromátides idénticas unidas entre sí por el centrómero.

Fase G2: control del proceso

El periodo G2 vuelve a ser una etapa de calma aparente, después de los cambios ocurridos durante la fase de síntesis anterior. Durante este tiempo la célula se dedica a comprobar que la replicación del material genético ha tenido lugar correctamente antes de iniciar la división. Si todo ha ido bien, continuará con el proceso, pero si se han producido fallos que no pueden ser reparados entrará en un proceso de apoptosis que provocará su muerte.

Fuera del núcleo la actividad celular es intensa: el centrosoma se duplica y se sintetizan muy activamente proteínas del citoesqueleto que, formando los microtúbulos, participarán en el reparto de los cromosomas.

División nuclear: mitosis

 El reparto del material genético entre dos células es un proceso delicado, que debe garantizar la integridad de las moléculas de ADN y que se distribuyan equitativamente entre los dos núcleos, de modo que cada uno de ellos tenga exactamente la misma información que el otro.

Hay que tener en cuenta que el ADN es una molécula extraordinariamente larga, que debe encontrarse desenrollada para realizar sus funciones. Podemos compararla con un hilo de gran longitud suelto en un recipiente. Tratar de repartir el material genético de un núcleo plantea un problema parecido a tratar de separar varios hilos de cientos de metros que están mezclados en una caja de zapatos sin que se enrede entre ellos o se rompan, y la solución que adopta la célula es bastante parecida a la que usaríamos nosotros ante semejante problema: enrollar sobre sí mismo cada hilo para formar una bobina, mucho más corta y compacta, mucho más sencilla de separar del resto.

El equivalente celular de las bobinas de hilo son las cromátides condensadas de los cromosomas. El empaquetamiento del ADN en esas "bobinas" es muy grande: una molécula de ADN asociada a las histonas (proteínas que lo acompañan en la cromatina de las células eucariotas) forma una fibra de unos 10 nm de diámetro, mientras que esa misma molécula, cuando se enrolla sobre sí misma y se asocia a otras proteínas para formar la cromátide durante la mitosis llega a alcanzar un diámetro de unos 700 nm.

Así pues, para que pueda producirse el reparto del material genético durante la división celular, deben tener lugar los siguientes procesos:

  1. Empaquetamiento del ADN: la cromatina se condensa para dar lugar a los cromosomas, que pueden ser observados con el microscopio óptico.
  2. Retirada de la envoltura nuclear: la envuelta nuclear es reabsorbida por el retículo endoplásmico rugoso, lo que deja más espacio libre para la división y facilita la unión de los cromosomas a los microtúbulos.
  3. Formación del "huso mitótico" y unión de los cromosomas a los microtúbulos: los microtúbulos son unas estructuras que forman parte del citoesqueleto. Están formadas por la asociación de un gran número de moléculas de una proteína, la tubulina, como si se tratara de una cadena formada por eslabones, de modo que pueden alargarse o acortarse añadiendo o eliminando moléculas de tubulina en sus extremos. Durante la división celular se forma un haz de microtúbulos llamado huso acromático o huso mitótico que es el responsable de la separación de las cromátides en la mitosis o de los cromosomas en la meiosis. Para ello, los microtúbulos se unen por uno de sus extremos a los centrómeros de los cromosomas, y al ir perdiendo "eslabones" de tubulina en el otro extremo se van acortando y, por lo tanto, tirando del material genético. En las células animales, los centrosomas son los orgánulos que se encargan de organizar y controlar el funcionamiento de los microtúbulos.
  4. Separación de las cromátides: los microtúbulos se acortan desde el extremo próximo a los centrosomas, por lo que arrastran a las cromátides, separándolas entre sí. De este modo se garantiza el reparto equitativo del material genético.
  5. Recuperación de la situación inicial: el ADN vuelve a recuperar su estado no condensado y se regeneran las envueltas nucleares alrededor de los dos nuevos núcleos.
Una vez que se inicia la mitosis todos estos procesos ocurren de forma ininterrumpida, pero para describirlos se suele descomponer el proceso de división nuclear en varias fases:

Profase

Durante la profase la cromatina se enrolla y condensa hasta formar cromosomas visibles al microscopio óptico. Ahora se puede apreciar que cada uno de ellos está formado por dos cromátides. Entre tanto, el nucleolo desaparece, porque deja de producirse el ARN que lo forma.

En el exterior del núcleo los centrosomas empiezan a moverse, separándose entre sí. A medida que lo hacen los microtúbulos que los unen se van alargando, de modo que se va formando el aparato mitótico.

Prometafase

La prometafase se caracteriza por la desaparición de la envoltura nuclear. Los cromosomas siguen condensándose, por lo que se observan más cortos y gruesos, y empiezan a relacionarse con microtúbulos que tiran de ellos, haciendo que cambien de posición. Entre tanto, los centrosomas han continuado desplazándose hasta situarse en polos opuestos de lo que antes era el núcleo.


Metafase

Es la fase más larga de la mitosis, llegando a durar unos 20 minutos. Durante ella los cromosomas se mueven hasta situarse en el plano ecuatorial de la célula, es decir, más o menos a la misma distancia de los dos centrómeros.






Anafase

Esta es, en cambio, la fase más corta de la mitosis. Los microtúbulos que se encuentran unidos a los cromosomas se acortan, porque van perdiendo unidades de tubulina en su extremo próximo a los centrómeros. Como consecuencia, las dos cromátides de cada cromosoma se separan entre sí y van siendo arrastradas hacia los dos centrómeros. La fase puede darse por terminada cuando todas las cromátides se sitúan cerca de los centrosomas.

Telofase

En esta etapa se invierten los procesos que habían tenido lugar durante la profase: se regenera la envuelta nuclear, en torno a los dos núcleos, a partir del retículo endoplásmico rugoso y los cromosomas de desespiralizan. Los nuevos núcleos acaban la división con el mismo aspecto que tenía el núcleo de la célula original en el periodo G1: 2n cromosomas formados por una cromátide cada uno de ellos.

Citocinesis

Mientras se está produciendo la division del núcleo los organulos también se están distribuyendo por el citoplasma de modo que, cuando éste se divida, el contenido de las dos nuevas células sea más o menos equilibrado. Las mitocondrias y los cloroplastos tienen la capacidad de reproducirse por sí mismos, utilizando un mecanismo de bipartición similar al de las bacterias, mientras que el resto puede crecer a partir de fragmentos, alcanzando su tamaño final durante el desarrollo de la célula en la fase G1.

La división del citoplasma ocurre de forma diferente en las células vegetales y en las animales. En las primeras, se forma un gran número de vesículas de membrana que ocupan la parte central de la célula y que contienen los componentes de la pared. Todas esas vesículas se fusionan entre sí, lo que hace que la célula se divida en dos células hijas, entre las que se ha depositado una capa de pared.

En las células animales, por su parte, la división del citoplasma se produce por estrangulación: un anillo del citoesqueleto va cerrándose progresivamente por debajo de la membrana, hasta que la separación es total y las células se independizan.



La vida de una célula precursora de los gametos

La reproducción sexual fue una innovación evolutiva para los organismos, porque les proporcionó un mecanismo para incrementar su variabilidad genética. Eso, a su vez, incrementa las posibilidades de sobrevivir de una población de organismos aunque cambien las características de su ambiente.

Podemos suponer que el primer mecanismo de reproducción sexual pudo ser similar a algunos procesos que se dan actualmente en ciertos tipos de hongos: dos células haploides (con una sola copia de cada cromosoma) se fusionan entre sí. Si sus núcleos llegan a unirse se tiene una célula con dos copias para cada gen, por lo que tiene la posibilidad de expresar diferentes alelos, lo que puede beneficiarle en ciertas condiciones ambientales.

Sin embargo, esto crea un problema para el organismo: la célula resultante de la fecundación es diploide, mientras que la original era haploide. Esta nueva célula con una dotación genética diferente (2n) no puede volver a fusionarse, sino que antes debe reducir a la mitad la información que contiene, pero conservando una copia de todos y cada uno de los genes. Este objetivo se logra mediante un proceso denominado meiosis.

En los animales y en las plantas con flores la meiosis se produce solo en un grupo reducido y especializado de células, situadas en los órganos reproductores, y que dan lugar a la formación de células haploides especializadas en la reproducción: los gametos.

Los procesos de la meiosis

Las células que van a empezar una división meiótica tienen una composición genética similar a la del resto de células del organismo que se encuentran en fase G0 o G1: poseen dos copias de cada cromosoma, formadas por una única cromátide. Las células resultantes, los gametos, tendrán solo una copia de cada cromosoma, con una sola cromátide. Para pasar de la primera situación a la segunda ocurren los siguientes procesos:
  1. Duplicación del material genético, igual que ocurre antes de una mitosis.
  2. Condensacion de la cromatina para formar los cromosomas.
  3. Apareamiento de los cromosomas homólogos, que son los que contienen información para los mismos genes. Durante una fase de la división los cromosomas homólogos se sitúan muy cerca uno del otro, perfectamente alineados formando una estructura llamada bivalente (o tetrada, si tenemos en cuenta las cromátides que los forman). Esta estructura va a permitir el siguiente proceso, que es uno de los más importantes de la meiosis por su significado biológico.
  4. Sobrecruzamiento y recombinación genética: una vez que están alineadas, las cromátides de los dos cromosomas homólogos pueden cortarse por el mismo punto y volver a unirse de forma cruzada, dando lugar a cromátides "híbridas", con un fragmento de uno de los cromosomas y otro de su pareja. El sobrecruzamiento es el fenómeno físico que se puede observar, porque en un momento dado las cromátides aparecen cruzadas entre sí, mientras que la recombinación es la consecuencia genética, ya que el resultado del proceso es que se combinen entre sí alelos que antes estaban separados.
  5. Separación de los cromosomas homólogos entre sí, dando lugar a células haploides pero con dos cromátides en cada cromosoma. Estas células aún pueden dividirse mediante una mitosis "normal".
  6. Separación de las cromátides de cada cromosoma.
Las fases de la meiosis

 La meiosis puede describirse como un conjunto de dos divisiones consecutivas entre las cuales no se produce una interfase ni nueva síntesis de ADN. De esas dos divisiones, la que presenta características diferentes es la primera, ya que en ella se separan entre sí cromosomas, y no cromátides.

Interfase previa a la meiosis

La célula arranca su meiosis partiendo de un periodo G1 normal, en el que crece y utiliza sus genes para construir sus estructuras normalmente. A este periodo le siguen una fase S y un periodo G2 también idénticos a los de las células somáticas. Si la célula supera con éxito las comprobaciones que tienen lugar en los puntos de control de G1 y G2 comienza la primera división meiótica.

Primera división meiótica

Profase I

En el exterior del núcleo se divide el centrosoma y se forma el huso, con la migración de los centrosomas hasta situarse en polos opuestos del núcleo. Al final de esta fase la envoltura nuclear se reabsorbe hacia el retículo endoplásmico rugoso.

En el interior del núcleo, entre tanto, el nucleolo desaparece y la cromatina va condensándose para empaquetar el ADN en forma de cromosomas. Mientras lo hace, los cromosomas homólogos se aparean, disponiéndose alineados uno junto al otro. La característica que diferencia esta fase de cualquier otro momento de una división celular es que se observan estructuras formadas por cuatro cromátides (tetradas), es decir, por parejas de cromosomas homólogos (bivalentes) distribuidos por el núcleo. Entre esos cromosomas pueden observarse, en ocasiones, quiasmas, es decir, cruces, que representan el punto en el que las dos cromátides se han cortado y vuelto a unir, formando cromátides recombinantes. Es decir, los puntos donde se cruzan las cromátides o quiasmas son la representación visible de la recombinación.

Esta es la fase más larga de toda la meiosis, e incluso puede incluir un periodo de "parada" cuya duración puede ser de años, como ocurre en la especie humana.

Metafase I

Los bivalentes se disponen en el centro del nucleoplasma, unidos a los microtúbulos del huso acromático, formando la placa ecuatorial. La característica que diferencia esta etapa de una metafase mitótica es que las estructuras que se disponen en la zona ecuatorial son bivalentes, de modo que se observan en ellos cuatro cromátides.




Anafase I

Los microtúbulos del huso acromático tiran de los bivalentes y fuerzan su separación pero, a diferencia de lo que ocurre en la mitosis, los elementos que se separan entre sí son cromosomas completos, con un par de cromátides cada uno de ellas, característica que permite diferenciar esta fase de una anafase mitótica.

Telofase I

Para finalizar la primera división meiótica, los juegos de cromosomas se agrupan cerca de los centrómeros, formando pronúcleos. Las células se dividen, pero la envuelta nuclear no llega a reconstruirse. Para diferenciar esta etapa de la meiosis conviene fijarse en que se observan dos células pequeñas, juntas, cada una de las cuales es haploide, porque todos sus cromosomas son diferentes entre sí.
La transición entre la primera y la segunda división en la meiosis ocurre sin que se produzca una interfase entre ellas.

Segunda división meiótica

La segunda división meiótica es una mitosis en la que se producen los procesos ya analizados para una célula somática en división. La característica que permite diferenciar esta división de una mitosis somática es la composición genética de las células que intervienen: en la meiosis, estas células son haploides, lo que puede apreciarse porque todos los cromosomas son diferentes entre sí, no hay parejas de homólogos.


Importancia biológica de la meiosis: meiosis y genética

Para entender bien la importancia biológica de la reproducción sexual y de la meiosis es conveniente relacionarlas con la genética. Recordemos los cromosomas están formados por ADN, y que este tiene "escrita" la información genética en el orden de los nucleótidos que lo forman. Cada unidad de información genética es un gen, que corresponde a una característica del individuo.

Cada cromosoma tiene un gran número de genes, situados uno tras otro formando una única molécula que es la cromátide, constituida por una doble hélice de ADN. Los cambios accidentales en esa molécula (mutaciones) tienen consecuencias para el individuo, porque alteran sus características, a veces mejorando su capacidad de supervivencia, a veces empeorándola.

Tomemos un ejemplo hipotético para ver cómo influye la meiosis en la generación de variabilidad genética que afecta a la supervivencia de los organismos. Supongamos que Biston betularia, la famosa polilla del abedul, posee tres características que afectan a sus posibilidades de vivir en un bosque contaminado: el color de las alas, porque el negro (mutante) le facilita camuflarse en los troncos oscuros, la capacidad para alimentarse de néctar de flores resistentes a la contaminación y la capacidad de soportar altas concentraciones de gases tóxicos. Frente a esas características podríamos encontrarnos alelos alternativos: alas blancas, incapacidad de alimentarse de flores resistentes e intolerancia a gases tóxicos. Supongamos también que esas características se encuentran codificadas en dos cromosomas diferentes, dos de ellas en el mismo y la tercera en otro cromosoma distinto, y veamos el efecto que la meiosis produce sobre los individuos de la población.

Nuestro ejemplo hipotético parte de dos individuos, uno negro que no puede comer flores resistentes ni soporta los gases tóxicos y el otro blanco pero que puede comer flores resistentes y soportar los gases tóxicos, así que las características ventajosas están repartidas entre ambos. Estos individuos pueden transmitir estos genes a sus descendientes, de modo que al menos algunos de ellos podrán reunirlas todas.

Cuando este individuo sufre meiosis produce gametos con información genética a la que él había recibido de sus progenitores. Incluso sin que se produzca recombinación, los cromosomas procedentes de sus dos padres pueden mezclarse entre sí para dar lugar a nuevas combinaciones de alelos:
En este caso, uno de los gametos solo presenta una de las características ventajosas del individuo, pero hay otro que posee dos de esas características ventajosas, además en una combinación que hasta el momento no se había producido: color oscuro y resistencia a gases tóxicos en el mismo gameto. El número de nuevas combinaciones cromosómicas que puede darse en un gameto es considerablemente alto: 2n, donde n es el número de cromosomas de la especie. Aunque con valores de n bajos esto pueda parecer casi insignificante, si el número de cromosomas es elevado el de combinaciones posibles es enorme. Por ejemplo, en nuestra especie, con n = 23 se tiene que 2n = 8388608.

Pero además hay que tener en cuenta la recombinación, que hace que las nuevas combinaciones de genes sean prácticamente infinitas, ya que permite que se den nuevos reagrupamientos de alelos dentro del mismo cromosoma. La siguiente imagen, por ejemplo, muestra los gametos que se pueden formar en nuestro caso si se produce recombinación entre los dos genes que están en el mismo cromosoma (solo se muestran los recombinantes, a los que habría que añadir las combinaciones no recombinantes de la imagen superior).  Como se ve, aparece un tipo de gametos que reune todas las características negativas, pero también otro que posee todas las características positivas. Esta es la ventaja biológica de la meiosis.


viernes, 12 de diciembre de 2014

Mendel y la herencia genética

La descripción del modo en el que se transmiten los caracteres hereditarios en los seres vivos está íntimamente relacionada con los trabajos científicos de un monje centroeuropeo, llamado Georg Mendel, un personaje ciertamente curioso dentro de la historia de la ciencia. Sus estudios no fueron los primeros sobre el tema: el el siglo XVII Leeuwenhoek (el inventor del microscopio) y Koelreuter habían tratado de explicar el modo en que los caracteres hereditarios se transmiten en animales y plantas sin conseguirlo. Sus resultados no fueron valorados en su tiempo, pasando totalmente desapercibidos después de ser publicados en una oscura revista científica escrita en alemán, hasta el punto de que se rumorea que Darwin, que los habría conocido mediante una carta escrita por el propio autor, no supo entenderlos ni incorporarlos a su teoría evolutiva. Hubo que esperar más de una década después de su muerte hasta que fueran redescubiertos y puestos en valor independientemente por tres investigadores, Tschermak, Correns y DeVries. Sus procedimientos también se han puesto en duda, porque se sospecha que "eliminó" selectivamente los resultados que no se ajustaban a su hipótesis, y, finalmente, no fue capaz de proponer un soporte biológico para sus descubrimientos. A pesar de todo ello, Mendel ocupa el lugar que le corresponde en la historia de la Biología, como descubridor del mecanismo que permite explicar la transmisión de los caracteres genéticos de una generación a otra, y los tres únicos enunciados biológicos que reciben la consideración de "leyes" llevan su nombre.

A lo largo del siglo XX, las leyes de Mendel se complementaron con la teoría cromosómica de la herencia: la información genética está almacenada en el ADN en forma de "unidades discretas", trozos de información, que llamamos genes. Esos genes equivalen a los "factores" que describió Mendel, y se encuentran alineados, uno tras otro formando los cromosomas. La existencia de cromosomas homólogos, con información para las mismas características, permitió explicar la intuición de Mendel al suponer que esos "factores" van por parejas en cada individuo. Asimismo, el descubrimiento de la relación entre el mensaje genético escrito en los genes y la elaboración de proteínas específicas por parte de la célula hizo posible explicar cómo se plasman las características genéticas de los organismos. Hoy en día es imposible separar las leyes de Mendel de los sucesos que tienen lugar durante la meiosis, por lo que parece lógico tratar de explicar ambos procesos conjuntamente.

Antes de empezar...

La observación de que los hijos se parecen a sus padres se remonta a los principios de la historia de la humanidad, y el uso de esa propiedad también. Al menos desde el Neolítico, el hombre se ha dedicado a cruzar entre sí animales o plantas con características interesantes, para quedarse luego con aquellos descendientes que mostraran las mejores combinaciones. Aun sin una base científica que lo justifique, eso supone la noción de que las características individuales se transmiten de padres a hijos (herencia) y de que esa transmisión ocurre por separado, es decir, que cada característica pasa de padres a hijos independientemente de las demás (al menos en algunos casos).

Esta práctica del cruce selectivo constituye también la primera actividad biotecnológica del hombre, que nos ha permitido contar en la actualidad con todos nuestros alimentos, tanto animales como vegetales, espectacularmente diferentes de sus parientes "naturales" más cercanos.

Mendel trató de analizar el modo en el que se produce esta transmisión, para lo cual utilizó un "organismo modelo", herramienta que sigue siendo muy útil en la Biología actual. Usar un organismo modelo se basa en suponer que las consecuencias que se obtengan de su estudio pueden ser aplicadas a otros organismos diferentes, porque comparte características fundamentales con ellos. En el caso de Mendel ese organismo fue el guisante, que cultivaba en el huerto de su monasterio de Brnö. Al observar esta planta, se fijó en varias de sus características, que iban pasando de generación en generación.

Mendel preparó sus experimentos cruzando entre sí plantas con semilla verde hasta conseguir que todos sus descendientes fueran verdes, y plantas con semillas amarillas hasta conseguir que todos sus descendientes tuvieran semillas amarillas. A esos grupos de individuos los denominó "razas puras"

La primera ley

La primera ley de Mendel se deduce del primer cruzamiento que realizó, entre plantas con semillas amarillas (de raza pura para ese carácter) y plantas con semilla verde (de raza pura para el carácter). Al hacerlo, obtuvo un conjunto de plantas cuyos guisantes eran todos iguales, de color amarillo. Este resultado constituye la "Primera ley de Mendel":

Al cruzar entre sí individuos de dos razas puras para un carácter todos los individuos que se obtienen son iguales entre sí, e iguales a uno de los individuos parentales (uniformidad de la primera generación filial).

El carácter que se puede observar en la generación filial recibió el nombre de dominante, mientras que el que no puede observarse se denominó recesivo.

La segunda ley

¿Qué había pasado con el caracter verde? Para averiguarlo, cruzó entre sí los guisantes obtenidos en el primer experimento. Al hacerlo se obtuvo un conjunto de plantas de dos tipos: la mayoría, tres cuartas partes, correspondían al carácter dominante, mientras que el resto, una cuarta parte, presentaban el carácter recesivo.

En la segunda generación filial, los caracteres se segregan (se separan), volviendo a observarse el carácter recesivo de uno de los abuelos.

Base biológica de las dos primeras leyes de Mendel

En la actualidad sabemos que el fundamento biológico de las dos primeras leyes de Mendel está en la composición genética de los individuos y en los procesos que tienen lugar durante la meiosis y la formación de los gametos.

Cada característica "mendeliana" como el color de la semilla o el aspecto de la vaina está determinada por un único gen, es decir, por un fragmento de ADN dentro de un cromosoma concreto. Este trozo de ADN ha podido sufrir cambios en su secuencia (mutaciones), lo que da lugar a la aparición de diferentes alelos, cada uno de los cuales contiene la información para una de las modalidades de ese gen. En el caso estudiado por Mendel para formular sus dos primeras leyes, hay un solo gen, el color del guisante, que puede tener dos alelos distintos, amarillo y verde.

Los organismos con reproducción sexual son diploides, es decir, presentan una pareja de cada tipo de cromosoma. Los dos cromosomas de cada pareja son homólogos entre sí, lo que significa que tienen información para las mismas características o, dicho de otra forma, los mismos genes. Sin embargo, esto no significa que tengan la misma información. Utilizando el ejemplo de Mendel, los dos cromosomas incluirían el gen para el color de la semilla, pero uno de ellos podría tener la información para que la semilla fuera verde, y el otro para que fuera amarilla. Es decir, los dos cromosomas de cada pareja de homólogos tienen los mismos genes, pero pueden tener alelos iguales o diferentes. Si los dos alelos que posee un individuo para un determinado gen son iguales se dice que el organismo es homocigótico para ese carácter, mientras que si son diferentes se dice que es heterocigótico.

La razón de que un alelo "domine" sobre otro está en la naturaleza del producto codificado por el gen. Por ejemplo, en el caso del color del guisante el alelo amarillo determina la producción de un pigmento que se acumula en los plastos, mientras que el alelo verde supone que la semilla no puede producir ese pigmento. Así pues, basta con que las células tengan un solo alelo amarillo para que puedan producir el pigmento y, por tanto, tengan el color amarillo. Estas relaciones de dominancia entre los alelos hacen que pueda haber una diferencia entre las características que posee el individuo en su material genético y las que finalmente manifiesta. Por esta razón se habla de genotipo para indicar el conjunto de alelos que posee un individuo y de fenotipo para señalar la característica, determinada por el genotipo, que realmente se manifiesta.

Con esos conocimientos citogenéticos se puede reformular el planteamiento de los trabajos de Mendel, para relacionarlos con el funcionamiento celular.
Obtención de razas puras para un carácter: para que un individuo transmita solo una característica a sus descendientes, su genotipo debe coincidir con su fenotipo. Es decir, solo debe poseer un tipo de alelos para esa característica. Dicho de otro modo, una "raza pura" es, simplemente, un conjunto de individuos homocigóticos para el carácter o caracteres que se están considerando.
Formación de gametos en el primer cruzamiento experimental: para que los individuos que participan en el cruzamiento puedan reproducirse deben formar gametos mediante una meiosis, de modo que cada uno de esos gametos solo lleva un alelo para el carácter "color de la semilla". En el caso de la primera ley de Mendel, como los individuos que participan en el cruzamiento son homocigóticos, todos los gametos que forma cada individuo son idénticos entre sí.
Cruzamiento: en el caso de la primera ley, no hay más que una posible combinación de gametos entre los dos tipos de individuos que participan en el cruzamiento, por lo que todos los individuos resultantes serán idénticos entre sí. Aunque en este caso resulta evidente, se pueden representar todos los emparejamientos posibles de gametos, es decir, todos los posibles casos de fecundación, mediante un gráfico denominado "cuadrado de Punnett", en el que se recogen los genotipos de los gametos y de los individuos resultantes de cada emparejamiento.

Por lo tanto, el resultado del primer experimento de Mendel fue que todos los individuos de la generación filial eran heterocigotos, es decir, poseían los dos alelos para el carácter "color de la semilla", tanto el que determina que se pueda formar el pigmento (A) como el que no da lugar a la pigmentación (a). Como la presencia de un alelo A es suficiente para que se forme el pigmento amarillo, todos los guisantes de esta generación poseen el pigmento y en consecuencia son de color amarillo.

Formación de gametos en la F1: en su segundo experimento Mendel cruzó entre sí individuos obtenidos en el primer experimento. En este caso todos los individuos eran heterocigotos, por lo que durante la meiosis dan lugar a gametos diferentes: la mitad de los gametos de cada individuo llevarán el alelo para la formación del pigmento (A) mientras que la otra mitad llevarán el que no da lugar al pigmento (a).

Segundo cruzamiento: del mismo modo, ahora existen nuevas posibilidades de emparejamiento entre los diferentes gametos, como se recoge en el nuevo cuadro de Punnett:


La tercera ley de Mendel
Una vez que había entendido el modo en que se transmitía una característica hereditaria, Mendel trató de comprobar cómo se transmiten dos características simultáneamente, para lo que utilizó el color de la semilla y su textura, que puede ser lisa o rugosa. Al estudiar las dos características encontró que el color amarillo dominaba sobre el verde, y que la textura lisa lo hacía sobre la rugosa. Después empezó su siguiente experimento seleccionando razas puras (homocigotos) para los dos caracteres, de forma que obtuvo guisantes amarillos y lisos y otros verdes y rugosos.


Al cruzar entre sí estos guisantes obtuvo una primera generación filial en la que todos los individuos eran iguales entre sí y mostraban el fenotipo totalmente dominante: color amarillo y textura lisa. De nuevo, cruzó entre sí los guisantes de esta primera generación filial, con lo que en la segunda aparecieron nuevas combinaciones de características: además de los guisantes amarillos lisos y verdes rugosos, semejantes a los de la generación parental, se desarrollaron también guisantes amarillos rugosos y verdes lisos. Además, al repetir este cruzamiento observó que la proporción en la que aparecían los cuatro fenotipos era siempre la misma: 9:3:3:1, siendo el más frecuente el doble dominante (amarillo liso) y el menos abundante el doble recesivo (verde rugoso).

Los factores hereditarios (genes) se separan al formarse los gametos, de forma que se transmiten por separado a la descendencia.


Interpretación citogenética de la tercera ley

Para poder explicar los resultados que obtuvo Mendel en sus experimentos de la tercera ley debemos suponer que los dos genes que estudió, el color y la textura, se encuentran en distintos cromosomas. Si esto no es así, se dice que los genes están "ligados" y no se cumple el principio de segregación independiente, como descubrió Morgan años más tarde.

La meiosis de estos individuos da lugar a un solo tipo de gametos en cada caso, por lo que las plantas de la primera generación filial serán todas idénticas entre sí. 

Las plantas de esta nueva generación producen cuatro tipos de gametos diferentes cuando sufren la meisis, al combinarse entre sí los cromosomas de todas las formas posibles: amarillo liso y verde rugoso (combinaciones originales), pero tambien amarillo rugoso y verde liso.

Son estos cuatro tipos de gametos los que pueden unirse, de todas las formas posibles, durante la fecundación para dar lugar a una nueva generación (F2), lo que explica la aparición de combinaciones de características que no estaban presentes en la F1 ni en los individuos originales de la generación parental. Así pues, la tercera ley de Mendel es una consecuencia directa de la reordenación de los cromosomas durante la primera división de la meiosis.

Los resultados del cruzamiento entre individuos de la primera generación filial pueden observarse en el siguiente cuadrado de Punnett:


El diseño experimental y las leyes de Mendel

El experimento es el elemento central de las ciencias empíricas o naturales (Física, Química, Geología y Biología), porque es la herramienta que se utiliza para comprobar las hipótesis científicas y, por lo tanto, para desarrollar nuevo conocimiento. 

Un experimento es una reproducción controlada de un fenómeno natural. El adjetivo "controlado" es lo que diferencia al experimento de la observación, y lo que permite extraer conclusiones válidas de lo que se observa en el proceso. Controlar significa, en este contexto, eliminar cualquier aspecto que pueda influir en el desarrollo del fenómeno que estamos reproduciendo. Una vez que se ha controlado el fenómeno, el experimento trata de analizar el comportamiento de una sola característica "variable" cuando se dan ciertas condiciones o de la interacción entre diferentes variables.

En el experimento de la primera ley Mendel utilizó como característica el color de la semilla del guisante. Para empezar, se trata de una característica variable, porque puede tomar dos modalidades: verde y amarillo. Al dejar de observar el resto de las características de la planta "eliminó" esas variables de su estudio, lo que hace de su análisis un auténtico experimento.

El control se consigue mediante la selección de las razas puras. En primer lugar, esto permite establecer un aspecto previo, que damos por sentado pero que hay que comprobar: la característica se transmite de padres a hijos, lo que se demuestra al cruzar entre sí los guisantes y observar que dan lugar a otros con el mismo color de semilla. Otro aspecto que se controla al seleccionar las razas puras es el hecho de que las características no se "pierden" ni desaparecen con el paso de las generaciones.

Queda una última variable que, potencialmente, puede influir en la transmisión de caracteres genéticos en la reproducción sexual: la direccionalidad del cruzamiento. ¿Se obtienen los mismos resultados cuando los individuos que poseen un determinado carácter (por ejemplo el color amarillo) son machos que cuando son hembras? La mejor forma de "neutralizar" esa posible fuente de diferencias en las conclusiones es introduciéndola en el diseño del experimento, es decir, haciendo cruzamientos en las dos direcciones, considerando los resultados por separado y comparándolos entre sí.

Finalmente, queda la cuestión de la "validez" de los resultados obtenidos. La reproducción es un proceso aleatorio y probabilístico, en el que los gametos se encuentran al azar en la fecundación. Un ejemplo lo explicará mejor: la probabilidad de que nazca un niño o una ñina es la misma, del 50%. Sin embargo, esto no significa que cada familia con dos hijos tenga exactamente un varón y una mujer. Los resultados de este tipo se van acercando a la probabilidad teórica a medida que el número de individuos crece, es decir, tienen una validez estadística. Por ese motivo, uno de los aciertos de Mendel, que le permitió superar los problemas que en su momento tuvo Leeuwenhoek, fue utilizar un organismo que produce una gran cantidad de descendientes por generación. En la actualidad, además, habríamos utilizado pruebas de comprobación estadística de los resultados, como la prueba de χ2 ("Chi cuadrado").

viernes, 14 de noviembre de 2014

El ADN, la molécula de la herencia

Al menos desde principios del siglo XX se empezó a sospechar que la información genética guardaba relación con la molécula más abundante en el núcleo de las células, el ADN, que era el principal constituyente de los cromosomas.

El nombre completo del ADN es ácido desoxirribonucleico. Es una molécula con estructura fibrilar, es decir, en forma de hilo, enormemente larga, que está formada por la unión de miles de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos.

Las células utilizan con frecuencia este mecanismo para construir moléculas de gran tamaño: unen entre sí moléculas pequeñas, de naturaleza similar, formando largas cadenas. Las moléculas pequeñas, cuando forman parte de otras más grandes se denominan "monómeros", mientras que las cadenas formadas por ellas se denominan genéricamente "polímeros". Los polímeros están formados por moléculas del mismo tipo (por ejemplo glúcidos, aminoácidos o nucleótidos), que pueden ser iguales entre sí (homopolímeros) o diferentes (heteropolímeros). Con esta estrategia las células consiguen dar un doble uso a sus componentes: además de las funciones que realizan los monómeros, consiguen crear otras moléculas con función diferente, gracias a su tamaño y a su estructura. Los principales polímeros celulares son los polisacáridos, formados por glúcidos, las proteínas, formadas por aminoácidos, y los ácidos nucleicos, formados por nucleótidos.

Los nucleótidos son una familia de compuestos químicos que tienen la misma estructura: una base nitrogenada unida a un monosacárido de cinco carbonos que, a su vez, está unido a uno o varios grupos fosfato. Los seres vivos utilizamos varios tipos de nucleótidos, más o menos unos cincuenta, porque estas sustancias tienen una cierta variabilidad dentro de esa estructura común:
  • Se usan dos tipos de monosacáridos, la ribosa y la desoxirribosa, que dan lugar a dos tipos de nucleótidos: ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos.
  • Pueden incluir uno, dos o tres grupos fosfato.
  • La base nitrogenada puede ser de diferentes tipos. Esta diferencia es la más significativa, especialmente dentro de los ácidos nucleicos.
Los nucleótidos son fundamentales para el funcionamiento celular, incluso cuando no forman parte de los ácidos nucleicos. Uno de ellos, el ATP, acumula en sus enlaces la mayor parte de la energía que la célula necesita para su actividad cotidiana, mientras que otro, llamado NADH, permite que la célula evite la oxidación de otras sustancias.

Cuando los nucleótidos se unen entre sí formando cadenas dan lugar a los ácidos nucleicos. Si incluyen ribosa en su composición el ácido nucleico que se forma se denomina ácido ribonucleico (ARN), mientras que si contienen desoxirribosa dan lugar al ADN.

En los ácidos nucleicos los nucleótidos se unen entre sí formando un "esqueleto" de fosfatos y monosacáridos del que "cuelgan" las bases nitrogenadas. En cada molécula de ácido nucleico puede haber cuatro tipos de bases que forman una secuencia. Las bases nitrogenadas que aparecen en el ADN son la Adenina (A), la Citosina (C), la Guanina (G) y la Timina (T), mientras que en el ARN esta última es remplazada por el Uracilo (U), con la que guarda un gran parecido químico. Estas bases pueden ordenarse de cualquier forma posible, repitiéndose indefinidamente, de modo que un ácido nucleico puede presentar cualquier secuencia posible de nucleótidos.
Los ácidos nucleicos y la información

Los seres vivos necesitamos información y, para que nos resulte útil, necesitamos también un mecanismo que nos permita "gestionarla". Ese mecanismo necesita cumplir ciertos requisitos: debe permitir almacenar esa información, transmitirla (por ejemplo de padres a hijos, o de célula madre a células hijas) y expresarla, es decir, hacer que su contenido se transforme en elementos funcionales. Para que los ácidos nucleicos puedan servir como sistemas de gestión de información sus características químicas deberían explicar estos tres procesos. La confirmación de que el ADN puede cumplir esa función se consiguió cuando se descubrió la estructura tridimensional de esta molécula, ya que sus características permitieron explicar el modo en que esos procesos pueden llevarse a cabo.

La estructura del ADN

 En 1962 James D. Watson y Francis H. Crick consiguieron establecer la estructura tridimensional del ADN. Estos investigadores descubrieron que las bases nitrogenadas que forman parte de los nucleótidos tienen cierta afinidad química entre sí, de modo que pueden formar enlaces débiles, específicos: la Adenina forma enlaces con la Timina, pero no con las otras bases, mientras que la Citosina se empareja con la Guanina, y no de otro modo. Gracias a estas relaciones específicas, que constituyen lo que se conoce como "principio de complementariedad de bases", fueron capaces de explicar algunas características químicas del ADN que se conocían desde antiguo (reglas de Chargaff) y de proponer un modelo de estructura del ADN.

Según Watson y Crick cada cromátide de un cromosoma estaría constituida, en realidad, por dos hebras de ADN, complementarias entre sí. Que las dos hebras sean complementarias significa que, si en una de las hebras aparece, en una cierta posición, una base nitrogenada, por ejemplo Adenina, en la otra cadena debe aparecer, necesariamente, la Timina, que es su base complementaria. Del mismo modo, si en una cadena aparece la Guanina, en la otra debe aparecer, por fuerza, la Citosina.

Gracias a la complementariedad de bases, a que las bases complementarias se atraen entre sí formando enlaces débiles, las dos cadenas permanecen unidas y se enrollan una en torno a la otra formando una estructura con forma de "doble hélice". El modelo de Watson y Crick puede observarse mediante técnicas de estudio adecuadas, como la difracción de rayos X, y actualmente se considera que refleja fielmente la disposición de los nucleótidos en el ADN de los seres vivos. Este modelo permite explicar, con relativa facilidad, el papel del ADN como sistema de información en los organismos.

Los ácidos nucleicos almacenan información

Nosotros gestionamos nuestra información por medio del lenguaje. Para expresar mensajes distintos, por ejemplo para diferenciar entre conceptos distintos como "ramo" o "mora" utilizamos palabras diferentes. Pero cada palabra es, al fin y al cabo, una secuencia de signos ordenados de un modo concreto. La naturaleza de los signos no tiene demasiada importancia: en el lenguaje hablado son sonidos, pero en el lenguaje escrito son letras. Pueden ser también números, o ideogramas... Lo importante es el orden en que se encuentran, la posibilidad de ordenarlos de diferente manera. En el ejemplo anterior se han utilizado los mismos signos, "a", "m", "o" y "r", dispuestos en orden diferente, lo que ha dado lugar a mensajes distintos.

Los ácidos nucleicos también presentan esta característica. Una molécula de ADN es una sucesión de nucleótidos diferentes entre sí. Cada nucleótido juega el papel de un "signo", y como pueden ordenarse de formas distintas, las diferentes secuencias dan lugar a mensajes distintos, como en el lenguaje escrito. Los grupos de signos juegan el mismo papel que las "palabras" o las "frases" en el lenguaje. Por lo tanto, la naturaleza de los ácidos nucleicos, su carácter de heteropolímeros, explica cómo pueden ser usados para almacenar información.

Según el modelo de Watson y Crick, una cadena de ADN puede tener cualquier secuencia de nucleótidos, sin ninguna restricción. La estructura del ADN en su conjunto está determinada por la relación entre las dos cadenas, de modo  que si nos fijamos en una de ellas la otra sí está fijada, porque es su complementaria.

La célula contiene otros heteropolímeros, como las proteínas, que también son moléculas "informativas", aunque en este caso los organismos utilizamos directamente la información contenida en ellas para realizar las funciones que necesitamos desempeñar.

ADN y transmisión de la información

Poder almacenar información no es suficiente para ser útil como sistema de gestión de información. Los seres vivos se caracterizan por su capacidad para reproducirse, y eso implica que puedan transmitir su información a otros organismos, a ser posible sin que se produzcan cambios en ella. La estructura del ADN también explica el modo en que esto puede ocurrir.

Los enlaces que se establecen entre las dos cadenas de la molécula de ADN son débiles, lo que significa que pueden deshacerse con cierta facilidad. Gracias al principio de complementariedad de bases, si se separan entre sí las dos hebras que forman la molécula de ADN, cada una de ellas puede servir de modelo para una nueva cadena complementaria, de modo que a partir de una única molécula se pueden formar dos que contengan la misma información que la original. Este proceso puede repetirse indefinidamente, sin que la información sufra cambios.



El modelo también explica por qué pueden producirse, ocasionalmente, cambios en la información genética (mutaciones), debido a errores durante el proceso de copia. Si, por accidente, una de las bases del ADN es sustituida por otra, en el siguiente proceso de copia de la información se habrá introducido un cambio en la información genética como si, en el lenguaje escrito, nosotros sustituimos una letra por otra.

ADN y expresión de la información

La información genética de las células se expresa mediante la síntesis de proteínas. Esto significa que lo que las células utilizan para realizar sus funciones, sus herramientas, son, en realidad, las moléculas de proteína. Cada proteína diferente tiene una función concreta, y expresar la información genética significa seguir las instrucciones contenidas en ella para construir una proteína concreta, que nos sirva para llevar a cabo la función que queremos realizar.

Las proteínas son heteropolímeros de aminoácidos, y la función que realizan depende de su estructura, de su forma tridimensional, que a su vez está determinada por la secuencia de esos aminoácidos. Por lo tanto, para construir una proteína concreta es necesario saber, en cada momento, qué aminoácido debe ir situado en una posición determinada. Esto hace "equivalente" la información que contienen los ácidos nucleicos (la posición de cada nucleótido) con la que contienen las proteínas (la posición de cada aminoácido), simplemente es necesario traducir la información de un lenguaje (ácidos nucleicos) a otro (proteínas).

Sabemos que este proceso tiene lugar en los ribosomas. En ellos, la información de los ácidos nucleicos es leída por el orgánulo y utilizada para ir colocando sucesivos aminoácidos en la cadena de proteína. Este proceso de traducción es totalmente literal, es decir, se lleva a cabo "palabra a palabra", de modo que cada "palabra" contenida en la molécula de ácido nucleico equivale a una "palabra" en la proteína.

(El número de signos de los ácidos nucleicos es más pequeño que el de "palabras" necesarias para construir las proteínas: hay cuatro nucleótidos distintos para expresar veinte aminoácidos diferentes. Esto se resuelve combinando los signos, los nucleótidos, para formar "palabras", como hacemos en el lenguaje. En el caso de los ácidos nucleicos, todas las palabras tienen la misma longitud, tres nucleótidos, lo que hace un total de 64 palabras diferentes, más que suficientes para los veinte aminoácidos que forman las proteínas).

La expresión de la información genética, en todo caso, utiliza un intermediario: los ribosomas no leen directamente la información del ADN, sino que ésta se copia a una molécula de ARN llamada mensajero. Esta molécula, en los eucariotas, sale del núcleo a través de los poros y se asocia con los ribosomas, donde ocurre la traducción. La copia del ADN a ARN sigue los mismos principios que la duplicación del ARN, con la diferencia de que la base complementaria a la Adenina es el Uracilo (la Timina no forma parte del ARN). 

Posiblemente, la explicación de que exista este intermedio sea de naturaleza evolutiva (el ARN apareció históricamente antes que el ADN), y ahora tiene ventajas para los seres vivos, ya que permite mantener protegido al ADN; el ARN mensajero, que es como se llama la molécula que lleva la información hasta los ribosomas, se degrada después de ser utilizado.

La expresión de la información genética

De acuerdo con lo anterior, podríamos decir que la expresión de la información genética es el conjunto de procesos que permite elaborar moléculas funcionales (proteínas) siguiendo las instrucciones contenidas en el ADN y dar lugar a nuevas células que posean la información genética de la original. Esto incluye varios subprocesos que tienen lugar de manera ordenada y organizada en la célula:
  • La replicación o duplicación del ADN es el proceso mediante el cual una molécula de ADN se copia a sí misma para dar lugar a dos moléculas idénticas entre sí, pasando de una doble hélice a dos dobles hélices. Solo tiene lugar antes de que la célula se vaya a dividir.
  • La transcripción es el proceso mediante el cual un fragmento de una molécula de ADN se copia para dar lugar a una molécula de ARN. El ARN, a diferencia del ADN, tiene una única cadena de nucleótidos, no forma dobles hélices. El proceso de transcripción ocurre en el núcleo de las células eucariotas, y tiene lugar cada vez que la célula necesita producir nuevas copias de una proteína específica, o cuando necesita formar nuevos ribosomas.
  • La traducción es la producción de proteínas específicas según las instrucciones contenidas en una molécula de ARN. Ocurre en los ribosomas, que se encuentran en el citoplasma o asociados a las membranas del retículo endoplásmico rugoso, y se produce cada vez que la célula necesita elaborar una proteína específica.


Todos los procesos relacionados con la actividad de los ácidos nucleicos necesitan, además, la participación de proteínas que son las realmente encargadas de llevarlos a cabo. Es decir, tanto durante la replicación como en la transcripción y en la traducción intervienen, además de los ácidos nucleicos, un considerable número de proteínas diferentes, que no se han nombrado para no complicar más la explicación, pero sin cuya intervención no podrían tener lugar.