El genoma es la totalidad de la información genética de un organismo. Se encuentra contenido en el núcleo de todas las células y en las mitocondrias. Se organiza en dos juegos de 23 cromosomas, uno de los cuales proviene del padre y otro de la madre. En total, 46 cromosomas. De los 23 pares, los 22 primeros son autosomas (cromosomas no sexuales) y el par 23 es un gonosoma (cromosoma sexual). Este último está implicado en la determinación sexual primaria del individuo y se compone por los cromosomas X e Y. Si la persona tiene el par XX será una mujer, mientras que si tiene el XY, será un hombre. La imagen siguiente muestra los 23 pares de cromosomas en este caso de un hombre, como se aprecia en el par XY.
Los cromosomas
El proceso de formación de cromosomas parte de cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). Estas bases siempre se emparejan adenina con timina (A-T) y citosina con guanina (C-G). Estos emparejamientos son la parte principal de los nucleótidos y, al enlazarse formando una doble hélice, componen el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN se enrolla alrededor de unas proteínas llamadas histonas, que a su vez se enrollan sobre sí mismas formando la cromatina. La cromatina también se enrolla sobre sí misma, dando lugar a los cromosomas. La siguiente imagen ilustra el proceso:
Los genes
Un gen es un fragmento de ADN que cumple una función específica. Básicamente, los genes contienen la información para llevar a cabo los complejos procesos que las células tienen que seguir para crear proteínas. Se diferencian entre ellos por su longitud y por el orden y la composición de las bases a lo largo de ésta. Técnicamente se habla de secuencia de bases para referirse a la longitud del gen y de secuenciación para el orden exacto de las bases.
Un gen humano tiene una longitud media de unas 3.000 bases y el genoma humano tiene entre 20.000 y 25.000 genes. Sin embargo, los genes constituyen menos del 5% del material genómico total. El resto son secuencias de las cuales, en gran cantidad, todavía no se conoce la función. Esta falta de conocimiento llevó a muchos expertos a concluir que simplemente no tenían función y lo bautizaron como ADN basura. No obstante, cada vez aprendemos más sobre estas secuencias y todo apunta a que no tienen nada de basura precisamente. Por ejemplo, se ha descubierto que muchas de esas secuencias están implicadas en la regulación de la expresión de los genes.
Los genes indican a las células cómo fabricar las proteínas que desarrollan la estructura y la funcionalidad de las mismas células para cumplir su propósito. Simplificando con un ejemplo, las células de pelo crean las proteínas que las convertirán en pelo, las de hueso crean las que las convertirán en hueso, etc. Las proteínas también realizan otras funciones como ayudar en el transporte de material entre células, facilitando la comunicación entre ellas.
Todas las células contienen la misma información genética, pero en cada una sólo se expresan los genes apropiados. Concretamente, en cada célula se expresa aproximadamente el 5% de sus genes, los apropiados para las funciones que la célula debe cumplir. Por ejemplo, las células de un riñón deben realizar una serie de procesos y producir unas sustancias diferentes a las de las células del cerebro, por lo que los genes que se expresan en cada órgano son diferentes y apropiados a cada caso. Además, un mismo gen puede producir diferentes resultados según el tipo de célula que lo contenga. Los genes que no se expresan simplemente permanecen inactivos.
La epigénesis
Si bien todavía hoy se desconoce mucho sobre los procesos que causan que un gen se exprese o no, hay un proceso que ha sido ampliamente estudiado: la epigénesis. Se trata de un proceso por el cual se puede alterar la acción de un gen sin alterar su propio ADN. Las proteínas, el ácido ribonucleico (ARN) y los genes reguladores pueden llevar a cabo este tipo de procesos. Los mecanismos de epigénesis se activan como respuesta a la estimulación del ambiente y modifican la expresión génica en consecuencia. Por ello, se trata de mecanismos de enorme impacto en la conducta de las personas y permanecen activos durante toda la vida. La epigénesis muestra que para la presencia de conductas determinadas no es importante tener o no tener ciertos genes, sino cómo y cuándo se expresan, y en eso es el ambiente quien tiene la última palabra.
Las proteínas
El proceso para sintetizar proteínas comienza en el núcleo de la célula correspondiente, pero se lleva a cabo fuera de éste, en un ribosoma. Esto es así porque el proceso requiere acceso a la información contenida en el ADN y éste se encuentra en el núcleo, mientras que el ribosoma está fuera, en el citoplasma de la célula.
En primer lugar es necesario sacar la información fuera del núcleo. Esto es posible gracias a un proceso llamado transcripción, en el cual se copia parte de los genes. Las bases que componen un gen se organizan en codones. Un codón es un grupo de tres bases nitrogenadas consecutivas con una función concreta. Para realizar la transcripción se utiliza ARN mensajero (ARNm), que consiste en una sola cadena de bases nitrogenadas organizadas también en codones. El ARNm se une al gen que contiene la información necesaria y modifica su propia estructura para quedar compuesto por los codones complementarios. Tal y como se ha explicado anteriormente, la adenina (A) siempre se complementa con la timina (T), mientras que la citosina (C) lo hace con la guanina (G). El ARNm concretamente utiliza otra base nitrogenada, el uracilo (U), como sustituto de la timina, que también se complementa con la adenina. El resultado de la transcripción es una cadena de ARNm complementaria al gen requerido.
Esta cadena de ARNm resultante sale fuera del núcleo y se une a los ribosomas, donde realiza el segundo proceso: la traducción. Cada códon codifica uno de los veinte aminoácidos del organismo humano, obtenidos tras la descomposición de los alimentos ingeridos. Los aminoácidos que codifica un gen se unen en cadenas de hasta miles de ellos gracias al ARN de transferencia (ARNt). Orientativamente, una cadena de menos de 10 es un oligopéptido; una de más de 10, un polipéptido; y una de más de 100, una proteína.
Se calcula que los entre 20.000 y 25.000 genes que contiene el genoma humano producen entre 500 y 1 millón de proteínas diferentes. Todavía hoy no se sabe con certeza cómo una cantidad tan inferior de genes puede producir tal cantidad de proteínas, pero se trabaja con diversos mecanismos:
- Combinación de genes: las cadenas peptídicas que se forman a partir de los genes se pueden combinar de diferentes maneras para producir diferentes proteínas.
- Splicing: en función de los fragmentos de gen que se transcriban y traduzcan se obtiene diferentes proteínas de un mismo gen.
- Modulación de la expresión génica: ciertos mecanismos, como la epigénesis, pueden producir diferentes proteínas modulando la expresión de los genes.
Los alelos
Aunque todas las personas tienen el mismo paquete básico de genes, cada gen puede tener diferentes versiones llamadas alelos. Los alelos pueden diferenciarse tanto en el orden de las bases nitrogenadas como en su longitud. La mayoría de los genes humanos tienen dos o más alelos. De hecho, el genoma de cada individuo de la misma especie es diferente al del resto. Si bien se ha calculado que la secuencia genética de cualquier humano es aproximadamente un 99.9% idéntica a la de los demás, el pequeño porcentaje restante es suficiente para producir grandes diferencias individuales.
Las células humanas son diploides, ya que contienen un par de cada cromosoma (uno de la madre y otro del padre, explicado anteriormente). Al tener dos copias de cada cromosoma también tenemos dos copias de cada gen. Por lo tanto, tenemos capacidad para dos alelos de cada gen. Si ambos son idénticos se dice que están en homocigosis, mientras que si son diferentes están en heterocigosis. Ls múltiples posibilidades resultantes de esta variedad de alelos es lo que hace a cada ser humano único genéticamente.
Esta dotación única de alelos que tiene cada individuo se llama genotipo. La expresión del genotipo contribuye en la formación del fenotipo: el conjunto de características físicas y conductuales observables del individuo.
El origen de los alelos se encuentra en las mutaciones genéticas transmitidas de generación en generación. Las células que componen el organismo crean copias de sí mismas para renovar las viejas y permitir que los tejidos crezcan. En estos procesos tienen que copiar la enorme cantidad de bases que contienen, por lo que es posible que cometan errores y generen mutaciones. A veces puede colocar bases donde no debe o simplemente suprimirlas. También puede producir copias extra de pares de bases, codones e incluso de cromosomas enteros. Aproximadamente, estos errores ocurren como mínimo una de cada millón de veces que las células se replican. Generalmente su efecto sobre la actividad de los genes es muy pequeño o inexistente, pero es posible que cause un gran efecto, por ejemplo provocando que un gen produzca proteínas diferentes o que simplemente no produzca. Con todo, aunque algunas mutaciones son causa de enfermedades, otras son beneficiosas al aumentar la variabilidad de la especie.
La evolución
El impacto de las variaciones en el genotipo puede verse comparando diferentes especies. Por ejemplo, los genes del chimpancé y los del ser humano se parecen en un 99.4%; y casi la totalidad de los del ratón también se corresponden. Esto muestra como genomas con tan poca diferencia pueden producir fenotipos muy diferentes. Esto se debe a las diferencias en la expresión génica, es decir, a qué genes se activan.
Según indicios científicos, todas las especies derivan de un único organismo simple que existió en un tiempo remoto. Cada nueva especie derivada ha conservado una parte del ADN de sus predecesores. Este proceso se conoce como evolución y se produce como resultado de tres mecanismos: mutaciones genéticas, selección natural y deriva genética.
La selección natural es el fenómeno por el cual las especies que transmiten los cambios que aumentan su probabilidad de supervivencia se adaptan mejor a los cambios. Cuando las mutaciones se producen en los gametos (óvulos y espermatozoides), los cambios derivados serán heredados por la siguiente generación. Con el paso de las generaciones, una mutación puede convertirse en el modelo predominante. De hecho, dado el tiempo suficiente, la acumulación de mutaciones puede llevar al desarrollo de una nueva especie.
La deriva genética se produce cuando los miembros de una especie se separan en poblaciones diferentes. Por ejemplo, si parte de una especie animal decide emigrar debido a la falta de alimento en la región pero la otra parte se queda. Si ambas no mantienen contacto durante el tiempo suficiente, los alelos que desarrollará cada grupo serán diferentes, lo cual llevará a cada parte a evolucionar en una línea diferente.
La expresión génica
Como se ha explicado anteriormente, en nuestro organismo hay capacidad para dos alelos de cada gen. No obstante, sólo uno puede expresarse y por lo tanto contribuir al fenotipo. Cada gen tiene tres posibles genotipos. Por ejemplo, suponiendo un gen A con dos alelos (el 1 y el 2), estás serían sus tres posibilidades:
- Homocigótico para el alelo 1: A1 A1
- Homocigótico para el alelo 2: A2 A2
- Heterocigótico: A1 A2
La mitosis
La mitosis es el proceso mediante el cual las células se dividen creando copias de sí mismas. Todas las células de nuestro organismo excepto los gametos se multiplican de esta manera. Durante el proceso, la célula se divide en dos copias idénticas a la original, siempre y cuando no se produzca un error en la copia, como se ha explicado anteriormente. La mitosis consiste en las siguientes fases:
Interfase:
En
primer lugar los cromosomas se descompactan en forma de cromatina y se
duplican. Puede verse en la imagen cómo el núcleo está abarrotado de
cromatina. El tamaño de la célula aumenta. En la parte superior destacan
dos centrosomas,
formados cada uno por dos centriolos (de amarillo en la imagen), que
serán útiles en fases posteriores. En condiciones normales sólo hay uno,
pero como muchos otros orgánulos se duplica en esta fase. 
Profase:La cromatina se compacta en dos copias exactas de cada cromosoma, unidos por el centro mediante un centrómero. Los dobles cromosomas unidos se denominan cromátidas hermanas. Cada centrosoma se dirige a un polo opuesto de la célula, donde se establecerán. A partir de ellos crecen unas estructuras tubulares, los microtúbulos. La membrana nuclear comienza a deshacerse.
Prometafase:
La membrana nuclear se separa y los microtúbulos invaden el núcleo, insertándose en los centrómeros. Otros microtúbulos se enlazan con los del centrosoma opuesto, formando una estructura de lado a lado de la célula llamada huso mitótico.
Metafase:
Las cromátidas hermanas se concentran en una línea imaginaria central, el plano ecuatorial.
Anafase:En primer lugar las cromátidas hermanas se separan en dos juegos completos e idénticos de cromosomas. Cada juego queda enganchado a un centrosoma a través del microtúbulo que lo había ensartado. Después, los microtúbulos que componen el huso mitótico comienzan a crecer empujándose en direcciones opuestas.
Telofase:
Los cromosomas vuelven a quedar envueltos en un núcleo formado a partir de los restos del anterior. Un segundo proceso, la citocinesis, se inicia simultáneamente a la telofase y termina por separar completamente la célula en dos copias.
La meiosis
La meiosis es el proceso mediante el cual una célula diploide se divide en dos haploides y éstas a su vez en otras dos haploides. Las dos primeras contienen 46 cromosomas, pero se trata de una copia del mismo juego de 23, no de dos juegos diferentes (uno de la madre y otro del padre) como caracteriza a las diploides. Las últimas cuatro sí que contienen únicamente 23 cromosomas. En nuestro organismo, las únicas células haploides son los gametos (óvulos y espermatozoides). Su proceso de copia es diferente a la mitosis ya que, si utilizara el mismo proceso, cada nueva generación doblaría la cantidad de cromosomas que contiene. La meiosis consiste en una serie de fases divididas en dos procesos: la meiosis I, donde se realiza la primera división de la célula diploide en dos células con un sólo juego de cromosomas duplicado; y la meiosis II, donde ambas se dividen y generan cuatro haploides. Previamente a la meiosis I se produce una interfase del mismo modo que en la mitosis. El resto de fases son similares a la mitosis (se explican de nuevo de modo que este apartado de meiosis pueda leerse independientemente del de mitosis).
Interfase: En primer lugar los cromosomas se descompactan en forma de cromatina y se duplican. Puede verse en la imagen cómo el núcleo está abarrotado de cromatina. El tamaño de la célula aumenta. En la parte superior destacan dos centrosomas, formados cada uno por dos centriolos (de amarillo en la imagen), que serán útiles en fases posteriores. En condiciones normales sólo hay uno, pero como muchos otros orgánulos se duplica en esta fase.
Meiosis I
Profase I:
La cromatina se compacta en dos copias exactas de cada cromosoma, unidos por el centro mediante un centrómero. Los dobles cromosomas unidos se denominan cromátidas
hermanas. En este punto hay cuatro copias de cada cromosoma: los dos
originales (uno de la madre y otro del padre) y sus dos copias. Cada
cromátida hermana se entrecruza con su copia, formando una tétrada (como se ve en la imagen). Entonces se produce una recombinación genética:
el cromosoma obtenido de la madre intercambia una parte con el obtenido
del padre. El resultado es o bien un cromosoma obtenido del padre con
una parte del obtenido de la madre, o bien uno de la madre con una parte
del del padre. Además, cada centrosoma se dirige a un polo opuesto de
la célula,
donde se establecerán. A partir de ellos crecen unas estructuras
tubulares, los microtúbulos. La membrana nuclear se separa.
Metafase I:
Los microtúbulos se insertan en los centrómeros. Otros microtúbulos se enlazan con los del centrosoma opuesto, formando una estructura de lado a lado de la célula llamada huso acromático. Las cromátidas se concentran en una línea imaginaria central, el plano ecuatorial.
Anafase I:Los microtúbulos conectados a centrómeros separan las tétradas, dejando un juego de cromátidas recombinadas en cada lado. Los cromosomas obtenidos del padre y los de la madre son conducidos a un lado u otro de manera aleatoria. Después, los microtúbulos que componen el huso acromático comienzan a crecer empujándose en direcciones opuestas.
Telofase I:Los microtúbulos desaparecen mientras que las cromátidas vuelven a quedar envueltas en un núcleo formado a partir de los restos del anterior. Aunque ahora cada núcleo vuelve a tener 23 pares de cromosomas se trata de células haploides, ya que son 23 cromosomas y sus copias en vez de dos juegos diferentes. Un segundo proceso, la citocinesis, se inicia simultáneamente a la telofase y termina por separar completamente la célula en dos haploides.
Meiosis II
Profase II:La membrana nuclear comienza a desaparecer. El centrosoma se duplica y cada uno se dirige a un polo opuesto de la célula. Comienzan a crecer los microtúbulos.
Metafase II:
Los microtúbulos se insertan en los centrómeros y forman el huso acromático. Las cromátidas se concentran en el plano ecuatorial.
Anafase II:
Los microtúbulos separan las cromátidas.
Telofase II:
Los microtúbulos desaparecen mientras que las cromátidas vuelven a quedar envueltas en un núcleo formado a partir de los restos del anterior. Ahora cada núcleo contiene 23 cromosomas. La citocinesis separa completamente la célula en dos haploides. Dado que este proceso se ha producido en las dos células que se han generado en la meiosis I, se ha obtenido cuatro células.
La gametogénesis
El proceso mediante el cual los organismos con reproducción sexual generan gametos maduros se denomina gametogénesis.
En el caso de los óvulos, las mujeres nacen con su dotación completa pero inmadura. Concretamente, se detiene en la profase I de la meiosis y se mantiene así hasta la pubertad. A partir de ese punto, cada aproximadamente 28 días, un gameto o a veces varios continuan el proceso de meiosis, aunque sólo uno producirá un gameto maduro. Estos ciclos se repiten hasta que la mujer alcanza la menopausia.
En el caso de los espermatozoides, su producción comienza en la pubertad y realiza procesos de meiosis de manera continuada hasta la muerte. En cada proceso de meiosis se obtienen cuatro gametos maduros.
El ADN mitocondrial
El ADN está contenido principalmente en el núcleo de la célula, pero una parte también se encuentra en las mitocondrias. Estos genes se denominan genes mitocondriales. Codifican proteínas relacionadas con los procesos de oxidación celular y pueden estar relacionados con patologías como las demencias seniles y enfermedades neuromusculares. A diferencia del resto de genes, éstos sólo se heredan de la madre.
__________________________________________________________________________________
Fuentes:
- Genética del Comportamiento; Servicio de Publicaciones de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), Departamento de Psicobiología y de Metodología de las Ciencias de la Salud; 1ª edición (2006).
- Nature nº437 (7055) (1 de septiembre de 2005).
- Science nº298 (5591): Rethinking behavior genetics; Hamer, D. (2002)
- The International Human Genome Sequencing Consortium (Octubre 2004).
- Wikipedia.
No hay comentarios:
Publicar un comentario