Actualmente, todos estamos familiarizados con el concepto de que la información es algo que podemos almacenar y medir. Por ejemplo, nuestros teléfonos son capaces de almacenar fotografías, música y documentos en gigabytes (1x109 bytes) de “memoria”. Toda esta información no está almacenada como tal, sino que se encuentra codificada en ceros y unos, en lo que conocemos como el sistema binario. A lo largo de 3.5 billones de años, todas las células (y, por ende, todos los seres vivos) almacenan su información genética en la doble hélice del ADN; al igual que en las computadoras, esta información se encuentra codificada, sólo que, en vez de un sistema binario, utiliza las cuatro bases nitrogenadas Adenina, Timina, Citosina y Guanina (A, T, C y G).
Esta información contiene todas las instrucciones necesarias para construir un organismo completo, idéntico al de la generación anterior. Desde el punto de vista de la biología del desarrollo, éste es un concepto fundamental, puesto que una célula (ovocito) recién fecundada (ahora llamado cigoto) tiene la capacidad de formar un organismo completo.
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¿Cómo una célula es capaz de formar todos los diferentes tipos celulares a partir del mismo “instructivo”? Es la pregunta central de la biología del desarrollo. |
OpenClipart-Vectors. (2013). Estructura del ADN [ilustración].
Tomada de
https://pixabay.com/photo-156404/
En esta unidad revisaremos los fundamentos de los aspectos moleculares que controlan todas las funciones de las células, durante el desarrollo y en la etapa posnatal. Se revisará cómo la información pasa desde el ADN al ARN y, posteriormente, a las proteínas. Finalmente, se abordarán aspectos básicos de cómo se lleva a cabo el control de la expresión genética y cómo los errores en estos procesos afectan la función celular; además de su relevancia para la embriología como parte de la biología del desarrollo.
Identificar al ácido desoxirribonucleico (ADN) como la molécula encargada de almacenar, regular y transmitir la información genética; al ARN y a las proteínas como los efectores de la respuesta biológica y la relevancia de estas moléculas para la embriología, como parte de la biología del desarrollo.
En la actualidad, damos por hecho que la información genética se encuentra codificada en el ADN. Sin embargo, durante la primera mitad del siglo XX, existía un debate sobre cuál de las diferentes macromoléculas estaba encargada de tal función. Una de las pistas clave para descifrar este misterio vino por el famoso experimento de Avery-MacLeod-McCarty. Este trío de científicos diseñó un simple pero elegante experimento para determinar quién estaba encargado de transmitir la información genética: usaron una bacteria (streptococcus pneumoniae) como modelo experimental.
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Otras figuras que quizás sean más reconocidas son los científicos británicos James Watson y Francis Crick, su descubrimiento de la estructura del ADN revolucionó el área de la biología. Su investigación pudo realizarse gracias a las aportaciones (directas e indirectas) de varias personas más.
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Fue a través de éstas y otras investigaciones que actualmente podemos clasificar a los seres vivos en dos grandes categorías, según cómo almacenan su información genética. Por un lado, los procariontes (bacterias y arqueas) que tienen su ADN disperso en el citosol, sin una organización aparente; por otro lado, los eucariontes que tienen su ADN dentro del núcleo organizado con la ayuda de proteínas en una estructura denominada cromatina. Dado que los seres humanos y todos los mamíferos somos eucariontes centraremos la discusión en los procesos que éstos llevan a cabo.
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La presencia de proteínas para formar cromatina es esencial para su correcto empaquetamiento; empaquetar (envolver) todo el ADN de una célula humana en el núcleo equivale a enrollar una cuerda de 20 km dentro de una caja de sólo 6 cm de diámetro. |
Ruiz, M. y Pérez, M. (2007). Célula procariota [ilustración].
Tomada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Average_prokaryote_cell-_es.svg
Romero, N. (2016). Célula eucariota [ilustración].
Tomada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Celula_Eucariota_Animal_3(1).gif
El genoma humano consta de aproximadamente 3.2 x109 pares de bases (A, T, C y G); éste se encuentra repartido en 24 cromosomas diferentes.
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Si imaginamos al genoma humano como una enciclopedia, cada uno de los tomos de ésta correspondería a un cromosoma y cada gen correspondería a un capítulo dentro del mismo. |
Cada cromosoma es una hebra de cromatina, los seres humanos poseemos 22 cromosomas no sexuales o autosomas y dos cromosomas sexuales X o Y. Las mujeres poseen 22 autosomas y dos cromosomas X. Por otro lado, los hombres presentan 22 autosomas y dos cromosomas sexuales XY. Además, cada célula humana posee dos copias de cada autosoma, dando un total de 23 pares de cromosomas (22 pares de autosomas y un par sexual); por lo anterior, nuestra especie es diploide.
Pontificia Universidad Católica de Chile. (2018). Cariotipo humano
[ilustración].
Tomada de http://www7.uc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval8.2.2.html
Contrario a lo que podríamos esperar, de todo el genoma humano solamente un 5 % contiene información “útil”. Es decir, hay un exceso de ADN que aparentemente no codifica para información, este ADN ha recibido el nombre de “ADN basura”; sin embargo, recientemente se ha determinado que parte de éste, aunque no contiene información, es esencial para la correcta expresión del resto del genoma. Dentro de este 5 % de información útil encontramos a los genes, éstos son la unidad mínima y funcional de la información genética.
Bdna.gif. (2011). Modelo animado de ADN [GIF].
Tomado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bdna_cropped.gif
El ADN es un polímero, es decir, está formado por la unión repetida de unidades más pequeñas, denominadas nucleótidos. Cada nucleótido, a su vez, está integrado por una molécula de fosfato, un azúcar (desoxiribosa) y una de las cuatro bases nitrogenadas (A, T, C y G), encadenados uno de tras de otro por uniones covalentes, denominadas fosfodiéster. Cabe mencionar que el ADN se encuentra en las células como dos cadenas enrolladas, también conocida como doble hélice. Ambas cadenas están unidas por interacciones, conocidas como puentes de hidrógeno, donde la A siempre se une con una T, y la C con una G.
Este apareamiento de bases es el principio por el cual se lleva a cabo el mecanismo de duplicación del ADN, también llamado replicación. Debido a que siempre deben aparearse las bases en la proporción previamente mencionada, cada cadena sencilla tiene el potencial de generar su cadena complementaria. Dicho de otra manera, cada cadena sirve de molde para la otra cadena; de esta manera la célula se asegura de generar copias idénticas del material genético para pasar a su descendencia durante la mitosis.
Madprime. (2013). Duplicación de ADN [ilustración].
Tomada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_replication_split.svg
La replicación del ADN ocurre durante la fase S (síntesis) del ciclo celular; y como es de esperar, es un proceso altamente regulado; es decir, es un proceso controlado por otras moléculas, de manera que se lleve a cabo de forma eficiente y sin errores. La célula debe asegurarse de que todo el genoma haya sido duplicado correctamente y una sola vez.
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Además de almacenar y duplicar la información, el ADN debe expresar esta información; es decir, debe hacerla llegar a los organelos o incluso a otras células. Además, si recordamos, el ADN se encuentra almacenado en el núcleo, por lo que necesita un intermediario que lleve a cabo funciones en otros compartimentos celulares. Este intermediario es el ácido ribonucleico (ARN). El ARN es sintetizado en el núcleo por medio de una reacción, conocida como transcripción. Tiene similitud al ADN, en cuanto a estructura, pero con algunas diferencias clave:
Características del ácido ribonucleico (ARN)
J3D3. (2012). Diferencias entre DNA y RNA [ilustración].
Tomada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Difference_DNA_RNA-ES.svg
Durante la transcripción, una de las dos cadenas del ADN, llamada codificante, es sintetizada en forma de ARN, usando como molde a la cadena complementaria, denominada templado. Este proceso ocurre prácticamente a lo largo de toda la vida de la célula; sin embargo, para que un gen se transcriba, se requieren condiciones y situaciones específicas; lo cual es el origen de la multitud de fenotipos (características morfológicas), generados durante el desarrollo.
Cuaderno de Cultura Científica. (2018). ¿Cuántas células hay en el cuerpo
humano? [Ilustración].
Tomada de https://culturacientifica.com/2018/02/25/cuantas-celulas-cuerpo-humano/
Al ver los diferentes tejidos que integran un organismo, resulta sorprendente que todos ellos provengan de una misma célula madre (el cigoto). Este hecho es aún más sorprendente si consideramos que todas las células de un tejido (salvo contadas excepciones) contienen exactamente el mismo número de genes. Esta riqueza de células y tejidos se debe a la expresión de genes-tejido específicos, los cuales se encargan de dar forma y función particular a cada una de las células. Muchas de las moléculas que dirigen el desarrollo embrionario actúan como factores de transcripción; es decir, partículas que controlan el lugar y momento donde un gen en particular va a ser expresado (transcrito).
Otro grupo de moléculas son los factores de crecimiento y los morfógenos, ambas son moléculas que se liberan al medio extracelular e inducen proliferación o diferenciación en sus células blanco. Ambas moléculas, al activar a sus receptores, desencadenan una serie de señales intracelulares que tienen como último resultado el “encendido” y “apagado” de genes (a través de su interacción con factores de transcripción). Dentro de las respuestas biológicas que pueden generar las moléculas antes mencionadas están:
Funciones de los factores de crecimiento y morfógenos
Resulta claro que cada uno de los diferentes tipos celulares que componen a un organismo surge por la correcta expresión de un grupo de genes particular. Un ejemplo es el caso del gen Sry; este gen ubicado en el cromosoma Y actúa como factor de transcripción, es el encargado de iniciar el programa de desarrollo sexual masculino. Si experimentalmente se insertara este gen a embriones XX (hembras) sería suficiente para iniciar el desarrollo de fenotipo masculino, sin importar la presencia de dos cromosomas X.
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Para saber más... |
Tanto el ADN como el ARN son moléculas cuya función es almacenar y transmitir información; sin embargo, salvo ciertas excepciones, no son capaces de participar directamente ni en el metabolismo, ni en la diferenciación celular. Esta función recae en las proteínas que son polímeros de aminoácidos, las cuales son sintetizadas en los ribosomas, en un proceso llamado traducción.
Las proteínas están compuestas por aminoácidos; existen 20 tipos diferentes de aminoácidos que al combinarse dan como resultado proteínas con múltiples propiedades para llevar a cabo las siguientes funciones:
Recuerda, la información para sintetizar proteínas se encuentra codificada en el núcleo. Uno de los primeros retos con los que se encontraron los científicos que estudiaban el proceso de traducción fue descifrar como es que con un “alfabeto” de cuatro letras (A, T, G y C) se podían sintetizar proteínas con 20 posibles monómeros. La respuesta vino en la forma del código genético; similar al código Morse, se usan combinaciones de ● y – para enviar mensajes, en este caso, la célula usa combinaciones de tres bases nitrogenadas, denominadas codones. Al usar combinaciones de tres bases, se pueden generar un total de 64 diferentes codones, por lo que algunos aminoácidos están codificados por más de un codón. Al igual que en el código Morse, es necesario tener un símbolo que indique el fin del mensaje para que la información cobre sentido; el código genético contiene tres codones que indican el final de la traducción, los cuales son llamados codones de stop.
Posiciona el cursor para ampliar la imagen y observar a detalle.
Kelvinsong y Porto, A. (2014). Traducción del RNA en la síntesis de proteínas
[ilustración].
Tomada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Protein_synthesis-es.svg
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Reflexiona... |
La integridad de la información genética es esencial para la forma y función del ARN y de las proteínas. Por lo que resulta necesario tener múltiples sistemas, al mismo tiempo, para asegurarse de que la información genética se encuentre intacta.
Sin embargo, a pesar de estos sistemas, llegan a presentarse cambios en la secuencia del ADN, denominados mutaciones. Pueden incluir:
Este tipo de errores en el ADN tienen un efecto muy localizado; sin embargo, las consecuencias pueden ser devastadoras.
Ejemplos de mutaciones genéticas
En la mayoría de los casos pueden ocurrir mutaciones en regiones no codificantes, las cuales pasan mayoritariamente desapercibidas. Por otro lado, si ocurren en una región codificante, pueden cambiar el codón de un aminoácido por otro, si este aminoácido se encuentra en una región critica de la proteína, ésta puede alterar dramáticamente su función. Revisa las características de los siguientes ejemplos:
Este padecimiento congénito está caracterizado por un acortamiento de los huesos de las extremidades. La causa molecular de esta enfermedad es la sustitución de una base nitrogenada por otra, en el gen del Receptor 3 para el Factor de Crecimiento de Fibroblastos (FGFR3 por sus siglas en inglés); esta mutación ocasiona que el receptor esté activo de forma permanente, lo cual tiene un efecto inhibitorio sobre el desarrollo óseo.
Kinderradiologie Olgahospital Klinikum Stuttgart. (2014).
Acondroplasia [imagen].
Tomada de
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Achondroplasie_10J_m.png
Es una devastadora enfermedad degenerativa, en la cual se presenta una pérdida progresiva del músculo estriado, que es sustituido por tejido adiposo o fibroso. Los pacientes afectados por esta enfermedad raramente sobreviven más allá de los 25 años, falleciendo por problemas cardiacos o de los músculos de la respiración. Algunas variantes de este padecimiento se originan por la sustitución de una base nitrogenada, lo que cambia un codón de un aminoácido por uno de stop, generando versiones truncas de la proteína distrofina con una función limitada. En condiciones normales, esta proteína tiene una actividad que otorga estructura al unir proteínas del citoesqueleto con la membrana de la fibra muscular.
Edwin, P. y Ewing, Jr. (1972). Título
[imagen].
Tomada de
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Duchenne-muscular-dystrophy.jpg
El par de ejemplos anteriores resalta la importancia de una correcta información genética para el desarrollo normal del organismo. Dado que el defecto causante de la enfermedad se encuentra en el ADN, éste es transmitido a las siguientes generaciones, siguiendo diferentes patrones de herencia. Además, es posible que algún padecimiento se presente en una familia sin antecedentes; estos casos se deben a mutaciones espontáneas o de novo en la línea germinal de los padres (ovocitos y espermatozoides).
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Comenzando a poner prueba lo aprendido... |
Para finalizar, ten en cuenta que todas las células eucariontes almacenan la información genética en su núcleo; ésta contiene toda la información necesaria para construir un organismo completo. Esta información está contenida en la molécula del ADN, la cual se duplica para transmitirse a futuras generaciones (replicación); es transcrita para generar ARN y, finalmente, traducida para sintetizar proteínas. La multitud de tipos celulares generados por un organismo durante el desarrollo surge del tipo de genes (información) que expresa. Errores o defectos en esta información pueden desencadenar una multitud de defectos congénitos, dependiendo de la región del ADN donde ocurran.
Las células, el ADN, sus componentes y la forma en la que funcionan en el almacenamiento, regulación y transmisión de información genética en diferentes niveles de organización, son uno de los primeros acercamientos para comprender la complejidad de los seres vivos en la embriología, como parte de la biología del desarrollo.
El proceso del ADN a la proteína pasa por diferentes etapas, con características determinantes para su óptimo funcionamiento.
Básicas
Bibliografía
Alberts, A., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M. y Roberts, K. (2007). Molecular biology of the cell
(5.a ed.). Nueva York: Garland Publishing.
Complementarias
Bibliografía
Stryer, L. (2013). Bioquímica (7.a ed.). Barcelona: Reverte.
Sitios electrónicos
National Center for Biotechnology Information. (2018). National Library of Medicine. Consultado el
7 de septiembre de 2018 de https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/
Cómo citar
Escalona, J. R., Sánchez, M. G. y De Ita, M. (2018). Del ADN a la proteína: controlando el destino de las células. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED/Facultad de Medicina-UNAM. Consultado el (fecha) de (vínculo)
