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La biología es un tema enorme. El planeta Tierra contiene una asombrosa variedad de formas de vida. Ya conocemos la existencia de 286.000 especies de plantas con flores, 500.000 especies de hongos y 750.000 especies de insectos. Además, se siguen descubriendo muchas más especies. Hace cincuenta años, la ciencia de la biología estaba dividida en disciplinas separadas, cada una de las cuales analizaba la vida a un nivel diferente. La morfología, la fisiología, la bioquímica, la taxonomía, la ecología, la genética, etc., trabajaban en gran medida en compartimentos académicos separados. Sin embargo, los descubrimientos de la genética han proporcionado algunos de los temas unificadores más importantes para el conjunto de la biología, de modo que ahora los hilos conceptuales vinculan las subdisciplinas.

El principal hilo temático proporcionado por la genética es literalmente un hilo, la molécula genética ADN. Ahora sabemos que el ADN es la base informativa que subyace a todos los procesos y estructuras de la vida. La molécula de ADN tiene una estructura que explica dos de las propiedades clave de la vida, la reproducción y la generación de la forma. En este libro aprenderemos que el ADN es una estructura doblemente helicoidal cuyo diseño inherente es tal que puede replicarse para hacer dos copias idénticas. La replicación del ADN es la base de toda la reproducción,celular y del organismo. El ADN se replica antes de la división celular, lo que permite a los cromosomas dividirse en cromátidas, que acaban convirtiéndose en cromosomas hijos, que pasan a las células hijas. Este proceso de replicación y formación de cromátidas es esencialmente similar durante la división de las células asexuales y sexuales, y está diagramado en la figura 1-8. (Nótese, sin embargo, que los dos tipos de división celular tienen muchas diferencias, que abordaremos en capítulos posteriores). Por lo tanto, vemos que es la propiedad de la replicación del ADN la que permite que se hagan réplicas de células y organismos y que persistan en el tiempo (Figura 1-9). Así que el ADN puede verse como el hilo que nos conecta con todos nuestros antepasados evolutivos. Además, el ADN genera la forma porque en la secuencia lineal de los bloques de construcción de una molécula de ADN hay un código que contiene las instrucciones para construir un organismo; podemos verlo como información, o «lo que es necesario para dar forma». Las características únicas de una especie, ya sean estructuras o procesos, están bajo la influencia delADN. Así, bajo las estructuras estudiadas por los morfólogos, las reacciones estudiadas por los fisiólogos, las homologías estudiadas por los evolucionistas, etc., vemos el hilo unificador de la molécula de ADN.

Figura 1-8

Cuando se crean nuevas células, la replicación del ADN permite que un cromosoma se convierta en un par de cromátidas, que finalmente se convierten en cromosomas hijos y pasan a las nuevas células.

Figura 1-9

La replicación del ADN es la base de la perpetuación de la vida a través del tiempo.

El ADN funciona prácticamente igual en todos los organismos. Esto en sí mismo proporciona otro tema unificador, pero además significa que lo que aprendemos en un organismo a menudo puede aplicarse en principio a otros. Por esta razón, la genética ha recurrido ampliamente a los organismos modelo, muchos de los cuales aparecerán en las páginas de este libro. De hecho, los avances logrados en la genética humana en las últimas décadas han sido posibles en gran parte gracias a los avances logrados con organismos modelo tan poco conocidos como las bacterias y los hongos.

La genética también ha proporcionado algunos de los enfoques analíticos más incisivos que se utilizan actualmente en todo el espectro de las disciplinas biológicas. La más importante es la técnica de disección genética. En este enfoque experimental, cualquier estructura o proceso puede ser desmenuzado, o «disecado», observando cómo influyen en él los genes mutantes. Al estudiar la anormalidad, podemos deducir el caso normal. Por ejemplo, en el estudio del desarrollo de organismos adultos a partir de un óvulo fecundado, cada gen mutante que produce una anomalía en el desarrollo identifica un componente en el proceso normal de desarrollo. La disección genética de cepas mutantes paralizadas de gusanos nematodos ha permitido comprender los genes que controlan el movimiento normal. La imagen global de un proceso concreto puede ensamblarse interrelacionando todos estos componentes controlados genéticamente.

Hemos visto que la ingeniería genética molecular ha abierto nuevas perspectivas en la biotecnología aplicada, pero las mismas técnicas son igual de útiles en la investigación básica.Los científicos han manipulado los genes de la levadura para producir cromosomas totalmente artificiales y funcionales que pueden transportar enormes cantidades de ADN adicional para fines experimentales específicos. Recientemente se han creado incluso cromosomas humanos artificiales, que pueden introducirse en células de mamíferos, humanos o no. La capacidad de aislar un gen en un tubo de ensayo, modificar su estructura de forma específica y reinsertarlo en el organismo ha proporcionado el más afilado de los escalpelos para la disección genética.

Otra técnica de éxito es el uso de genes específicos como marcadores.Al igual que se pueden utilizar etiquetas de colores brillantes para marcar animales o plantas en algún estudio biológico, los genetistas utilizan ciertas formas de genes fácilmente detectables para seguir el rastro de estructuras-cromosomas, células o individuos. Esta técnica se ha aplicado en todas las disciplinas biológicas, desde la medicina forense hasta la biología celular, pasando por la evolución y la ecología. Por ejemplo, los genes de las enfermedades humanas se aíslan ahora en virtud de su proximidad cromosómica a secuencias marcadoras no relacionadas (la técnica de la clonación posicional). Gracias a la posibilidad de trasladar los genes de un organismo a otro, los genetistas han sustituido los genes residentes por genes «reporteros», cuyas funciones son más fáciles de detectar y estudiar experimentalmente. (El gen de la luciferasa de las luciérnagas se ha utilizado de esta manera; el gen puede insertarse en los cromosomas de animales o plantas de tal manera que hace que las células brillen en las etapas de desarrollo en las que el gen original estaba activo. El agene de la proteína verde fluorescente de las medusas también se utiliza como reportero. Los micrófonos con este gen brillan en verde bajo la irradiación UV (Figura 1-10). En conjunto, la ingeniería genética ha revolucionado las ciencias biológicas, y hoy en día ningún biólogo puede permitirse el lujo de ignorar esta poderosa herramienta analítica.

Figura 1-10

Ratones transgénicos que contienen el gen de la medusa para la proteína verde fluorescenteinsertado en sus cromosomas. (KYODO News International/AP.)

Quizás la mayor historia de éxito biológico de todas es la elucidación de cómo precisamente los genes hacen su trabajo, en otras palabras, cómo se forma la información. Es una historia fascinante que se ha desarrollado con asombrosa rapidez. Hoy en día, la codificación y el flujo de la información genética en las células son los fundamentos del pensamiento biológico moderno y las líneas de base desde las que parten las exploraciones experimentales. Merece la pena resumir los aspectos más destacados de cómo fluye la información genética o, lo que es lo mismo, cómo actúan los genes, lo que se ha denominado el nuevo paradigma de la biología.La figura 1-11 muestra en forma de diagrama los aspectos esenciales de la acción de los genes en una célula generalizada de un eucariota. Los eucariotas son aquellos organismos cuyas células tienen un núcleo unido a una membrana. Los animales, las plantas y los hongos son todos eucariotas. Dentro del núcleo se encuentra una serie de cromosomas, y fuera del núcleo hay una compleja serie de estructuras membranosas, incluyendo el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi, y orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos.

Figura 1-11

Vista simplificada de la acción génica en una célula eucariótica. El flujo básico de la información genética va del ADN al ARN y a la proteína. Se muestran cuatro tipos de genes. El gen 1 responde a señales reguladoras externas y fabrica una proteína para su exportación; el gen 2 responde a (mas…)

Dentro del núcleo eucariota, algunos genes codificadores de proteínas sintetizan su producto proteico de forma más o menos constante, pero otros tienen que ser activados y desactivados para adaptarse a las necesidades de la célula o del organismo. La señal para activar un gen puede venir de fuera de la célula, por ejemplo, de una sustancia como una hormona esteroidea. Las sustancias reguladoras se unen a una región especial del gen e inician la síntesis de los transcritos del ADN del gen. Entre la región codificadora de proteínas de un gen eucariota hay segmentos que no están destinados a traducirse en proteínas. Estas regiones no codificantes del gen se denominan «intrones» y se cortan de la transcripción inicial. La secuencia de ARN restante constituye el ARN mensajero. Las moléculas de ARNm pasan a través de los poros nucleares al citoplasma, donde unos orgánulos citoplasmáticos llamados ribosomas se unen al ARNm y traducen la información de la secuencia de ARNm en proteínas. El ARNm pasa por los ribosomas, que catalizan el ensamblaje del polipéptido, la cadena de aminoácidos que constituirá la estructura primaria de la proteína. Cada aminoácido es llevado al ribosoma por una molécula específica de ARN de transferencia (ARNt) que se acopla a una unidad codificadora específica del ARNm. Los ARNt se sintetizan a partir de genes especiales de ARNt. Los ARNt nunca se traducen en proteínas; se reciclan constantemente, entregando su aminoácido específico a los ribosomas. El ribosoma en sí está formado por un complejo conjunto de proteínas y varios tipos de ARN llamados ARN ribosómico (ARNr). Los genes del ARNr se encuentran en una región cromosómica especial denominada organizador nucleolar. Al igual que el ARNt, el ARNr nunca se traduce en proteína.

Mensaje

Los genes codificadores de proteínas funcionan mediante dos pasos de transferencia de información:

Cada gen codificador de proteínas codifica una proteína separada, con funciones específicas dentro de la célula (por ejemplo, la proteína cuadrada de la figura 1-11) o para su exportación a otras partes del organismo (la proteína circular). La síntesis de las proteínas para la exportación (proteínas secretoras) tiene lugar en los ribosomas que se encuentran en la superficie del retículo endoplásmico rugoso, un sistema de grandes vesículas aplanadas. Las cadenas de aminoácidos completadas pasan al lumen del retículo endoplásmico, donde se pliegan espontáneamente para adoptar su forma de proteína. Las proteínas pueden modificarse en esta fase, pero finalmente pasan a las cámaras del aparato de Golgi, y a los vasos secretores que se fusionan con la membrana celular y liberan su contenido al exterior.

Las proteínas destinadas a funcionar en el citosol, y la mayoría de las proteínas que funcionan en las mitocondrias y los cloroplastos, se sintetizan en el citosol en ribosomas no unidos a las membranas. Por ejemplo, las proteínas que funcionan como enzimas en la glucólisis siguen esta ruta. La síntesis de proteínas se produce por el mismo mecanismo utilizando los mismos tipos de ARNt. La proteína terminada se separa del ribosoma y se pliega en su forma adecuada en el citosol. Las proteínas destinadas a los orgánulos están especialmente marcadas para su inserción en el orgánulo. Además, las mitocondrias y los cloroplastos tienen sus propias moléculas circulares de ADN. La síntesis de las proteínas codificadas por los genes del ADN mitocondrial o del cloroplasto tiene lugar en los ribosomas del interior de los propios orgánulos. Por lo tanto, las proteínas de las mitocondrias y los cloroplastos tienen dos orígenes diferentes, o bien están codificadas por el núcleo y se importan al orgánulo, o bien están codificadas por el orgánulo y se sintetizan dentro del compartimento del orgánulo.

Los procariotas son organismos como las bacterias cuyas células tienen una estructura más simple; no hay núcleo ni otras estructuras unidas a la membrana dentro de estas células. La síntesis de proteínas en procariotas generalmente se asemeja a la de eucariotas, utilizando ARNm, ARNt y ribosomas, pero hay algunas diferencias importantes. Por ejemplo, los procariotas no tienen intrones.