Cul es el material hereditario? Fueron muchos los experimentos diseados y las hiptesis propuestas para

contestar esta pregunta: Mencionaremos las aportaciones ms importantes que marcaron el camino para

dilucidar la estructura del ADN.

En 1928, el bacterilogo Fred Griffith estaba interesado en la virulencia (capacidad de infectar y producir

enfermedad) de las bacterias causantes de la neumona, llamadas Pneumonococcus. Primero obtuvo dos cepas,

una infecciosa y otra no infecciosa o inofensiva. La diferencia principal entre estas dos cepas era que la cepa

virulenta o mortal sintetizaba una cubierta lisa de polisacrido que protega a la bacteria de ser digerida por el

hospedero (el organismo al cual infectan), mientras que la cepa inofensiva no poda sintetizar la capa protectora

(y por eso era atacada por las defensas del hospedero, hacindola efectivamente inofensiva); al ponerlas a crecer

en una caja de Petri bajo cultivo, Griffith not que la cepa virulenta formaba placas lisas, mientras que la

inofensiva produca placas rugosas.

Como primer paso, Griffith inyect a ratones normales con estas dos cepas para ver qu suceda. El resultado

fue poco sorprendente. Los ratones que fueron inyectados con la cepa lisa o virulenta murieron, mientras que

los que recibieron la cepa rugosa, sobrevivieron. El segundo paso fue aplicar calor a las bacterias de la cepa lisa

o virulenta para matarlas (como sabemos, la mayora de las bacterias mueren con el calor, de ah que, por

ejemplo, debamos hervir el agua antes de tomarla para garantizar la muerte de estos microorganismos), e

inyectarlas posteriormente a los ratones. Los ratones no murieron. Recordemos que la diferencia entre las dos

cepas es la presencia de una capa de polisacrido protectora. Fue as como Griffith demostr que el polisacrido

por s solo no infectaba a las clulas de los ratones cuando la bacteria estaba muerta.

Hasta aqu todo haba salido como Griffith lo esperaba. Pero el siguiente paso fue lo ms importante. Se le

ocurri mezclar bacterias muertas de la cepa virulenta lisas (a las cuales les haba aplicado calor) con bacterias

vivas de la cepa inofensiva, y las inyect en los ratones. Qu creen que pas? Pues simplemente que los

ratones murieron de neumona. Cmo explicar esto, si las bacterias virulentas estaban muertas? Al hacer las

autopsias de los ratones Griffith encontr bacterias lisas vivas. De dnde salieron?

Lo primero que pens Griffith fue que haba cometido algn error, en algn punto y que no haba matado a las

bacterias lisas, o que haba habido contaminacin y por lo tanto accidentalmente haba inyectado bacterias

virulentas vivas en los ratones, produciendo su muerte. Griffith procedi a repetir varias veces su experimento.

El resultado fue el mismo: los ratones murieron al serles inyectada una mezcla de bacterias lisas muertas con

bacterias rugosas vivas (Figura 17).

Figura 17. Los experimentos de Griffith contribuyeron a sustentar la idea de que el ADN era el material gentico. En su experimento, Griffith trabaj con dos cepas de pneumonococcus (agente causante de la neumona

bacteriana). La cepa lisa era virulenta mientras que la cepa rugosa era inocua. Griffith intuy que alguna

sustancia o factor de los neumonococos lisos muertos por el calor poda transferirse a la cepa rugosa,

transformndola en virulenta.

Entonces Griffith pens que la solucin a este rompecabezas era que en algn momento, y de alguna forma, las

bacterias no infecciosas, rugosas, se haban transformado en bacterias virulentas. Pero cmo? Pues

incorporando el material gentico de las bacterias muertas lisas, y adquiriendo la capacidad (perdida

anteriormente) de producir la cubierta protectora, lo cual las haba convertido en virulentas.

Con esta interrogante otros investigadores disearon nuevos experimentos y se llevaron a cabo una y otra vez

ensayos que permitieran establecer cul era esta misteriosa sustancia transformadora . No fue sino hasta 1944

que C.T. Avery, C.M. Mc Leod y MJ. McCarty publicaron sus resultados sobre la transformacin bacteriana y

demostraron que la sustancia transformadora era ADN. Estos estudios concluyeron que la sustancia

transformadora no era ms que el ADN de las bacterias lisas, que se haba incorporado por el mecanismo de

transformacin bacteriana al ADN de las bacterias rugosas, hacindolas virulentas. Es decir, por medio de la

transformacin bacteriana se pueden insertar fragmentos de ADN extrao en el cromosoma de otra bacteria, reemplazando al gene inactivo de esta ltima y recuperando su capacidad virulenta una vez ms.

A pesar de que esto demostraba que el ADN era el material gentico, pocos bilogos y genetistas estaban convencidos de haber encontrado, finalmente, la molcula de la herencia.

Vino entonces la prueba definitiva. Alfred Hershey y Margaret Chase en 1952 llevaron a cabo el experimento

que no dejara lugar a dudas de que el ADN era la molcula de la herencia, el material gentico. Utilizaron un organismo novedoso, un virus capaz de destruir a las bacterias como Escherichia coli. Este bacterifago o virus

tiene un solo cromosoma de ADN dentro de una cpside de protenas. Es muy bonito pues tiene forma de nave espacial y al momento de infectar lo hace como si se estuviera inyectando a la bacteria con un mbolo,

quedndose la cpside en el exterior de la bacteria, mientras que el ADN es impulsado hacia adentro. El proceso

de infeccin contina con la incorporacin del ADN viral en el cromosoma de la bacteria, apoderndose de su maquinaria gentica para ordenar la fabricacin de virus, los cuales llegan a romper la clula y son liberados

hacia el exterior de ella, listos para infectar a otras bacterias.

Para demostrar que el ADN penetra en la bacteria, Hershey y Chase idearon hacer crecer al virus en un medio con fsforo y azufre radiactivos, es decir; marcndolo radiactivamente con estos dos compuestos. Como ya

sabemos, las protenas contienen azufre y no fsforo, por lo tanto, solamente la cpside del virus tena azufre

radiactivo. Y por el contrario, como el ADN contiene fsforo pero 110 azufre, el ADN viral estaba marcado con fsforo radiactivo, lo cual haca muy distinguible su presencia dentro o fuera de la bacteria al momento de la

infeccin.

Al infectar a las bacterias con el virus marcado se esperara encontrar cul de los dos elementos, la protena

exterior o el ADN cromosomal, penetraba en la bacteria y transformaba su aparato gentico para producir ms virus. A este experimento se le denomina el experimento de la licuadora, pues Hershey y Chase, una vez que

hubieron infectado las bacterias, y sin dar mayor tiempo para la reproduccin interna de nuevos virus, metieron

la mezcla de virus y bacterias en una licuadora de cocina, para que, al agitarla, se desprendieran las dos

porciones del virus. Despus de esto pudieron separar por centrifugacin los elementos y analizarlos. El

resultado fue que la mayor parte del fsforo radiactivo, es decir, el ADN, se encontr dentro de las bacterias infectadas, y por el contrario, se encontr muy poco azufre radiactivo, es decir, protena marcada, dentro de las

bacterias. Para Hershey y Chase, y para la comunidad biolgica, sta era la prueba definitiva de que es el ADN es el material gentico (Figura 18).

Pero, cul es su estructura?

Ya para 1950 se saba que los cidos ribonucleicos estaban formados por monmeros de fosfatos, azcares y

bases nitrogenadas. Pero lo curioso es que Erwin Chargaff demostr que, segn el organismo, el ADN tena diferentes proporciones de las bases nitrogenadas. Al analizar las proporciones de estas bases en otros

organismos se dio cuenta de que siempre aparecan las mismas proporciones de adenina y timinas y, por otro

lado, de guaninas y citosinas. Pronto dedujo que exista una regla general: las cantidades de A y T (adenina y

timina) son iguales, mientras que las de G y C (guanina y citosina) guardan tambin la misma proporcin. En el

caso del humano y otros mamferos las cantidades son aproximadamente: 21%C, 21%G, 29% A y 29%T.

Independientemente del origen del ADN, la regla de Chargaff se conserva: la mitad exacta de las bases nucleotdicas son purinas (adenina y guanina), y la otra mitad son pirimidinas (timina y citosina). Seran

posteriormente Watson y Crick quienes interpretaran esta curiosidad de Chargaff en trminos del apareamiento

de las bases en la molcula.

Figura 18. Cul es el material gentico? Esta pregunta la cotestaron Harshey y Chase marcando fagos

radiactivamente. La cspide con azufre radiactivo y el ADN con fsforo radiactivo. Posteriormente infectaron

una colonia de bacterias, pero sin dar tiempo para la duplicacin del ADN. Separaron la cpside vaca del fago y encontraron que nicamente el fsforo radiactivo (32P) haba penetrado en la clula.

Con la ayuda de la cristalografa de rayos X se pudo dilucidar la estructura del ADN en 1953. Esta tcnica consiste en dirigir los rayos X a un cristal y observar cmo stos son desviados (difractados) por la estructura

molecular repetitiva dentro del cristal. Este patrn de difraccin es posible verlo en una placa fotogrfica, en

donde encontraremos lneas y puntos distribuidos en forma radial, que permiten entender el acomodo de las

molculas de un cristal inorgnico. Gracias a que algunos compuestos orgnicos como el ADN, el ARN las

protenas pueden cristalizarse, fue exitosa la idea de estudiar el ADN con esta tcnica, diseada originalmente

para cristales inorgnicos. Fue as como Maurice Wilkins y Rosalind Franklin obtuvieron fotografas del ADN y

ciertas medidas intramoleculares (es decir las medidas que separaban a los constituyentes del ADN) cuyo significado desconocan, pero que aparecan con regularidad: 2.0 nanmetros (nm), 0.34 nm y 3.4 nm.

Fue as como James D. Watson y Francis Crick intervinieron en este problema sobre la dilucidacin de la

estructura de la doble hlice, el ADN. Partiendo de la regla de Chargaff saban que el nmero de timinas era igual al de adeninas, y que el nmero de guaninas era igual al de citosinas. Pero, cmo estaban dispuestas?

Saban que tena que haber una explicacin para los nmeros proporcionados por Wilkins y Franklin. Hicieron

varios modelos para probar diferentes disposiciones de los elementos que constituyen el ADN, hasta. que uno de

stos result apegarse con mayor exactitud a los datos de Chargaff y de Wilkins-Franklin. El ADN pareca ser una doble cadena, enrollada sobre s misma, con un esqueleto de fosfato- azcar (los pilares), con las bases

nitrogenadas (uniendo los pilares) orientadas hacia el interior. En este modelo los nmeros que hemos

mencionado indicaban que el ancho total de la doble hlice era de 2.0 nm (nanmetros), el grosor de las bases

nucleotdicas era de 0.34 nm., y dado que la doble cadena gira sobre s misma enrrollndose, la escalera de

caracol dara una vuelta completa cada 3.4 nm, esto es, cada 10 pares de bases. He aqu el modelo de la doble

hlice de Watson y Crick (Figura 19).

Figura 19. Francis H. Crick.

Por este gran descubrimiento recibieron tiempo despus el Premio Nobel en fisiologa y medicina en 1962. El

descubrimiento de la estructura del ADN marc una nueva etapa de la biologa molecular.

Cmo se duplica el ADN?

Como ya hemos mencionado, el material gentico tiene la capacidad de sintetizar otros compuestos (protenas)

y de duplicarse (hacer copias exactas de s mismo).

El ADN tiene que duplicarse cuando la clula entra en divisin, para que cada clula hija tenga el mismo

contenido de ADN, es decir, el mismo nmero de cromosomas.

El mismo modelo de Watson y Crick dio la respuesta a la duplicacin. El ADN es como una escalera enrollada. Lo primero que tiene que ocurrir es que una enzima especial desenrolle la cadena hasta dejarla como si

estuviramos viendo una escalera sobre una pared. El segundo paso es separar a Watson y Crick, es decir,

separar ambos lados de la escalera. Para esto existe una enzima especial, llamada ADN polimerasa, que se encarga de apartar a las dos cadenas; rompiendo los puentes de hidrgeno que antes las unan. Otra enzima se

encarga de ir apareando las bases con sus contrapartes en cada cadena; en cuanto se van llenando los huecos la

separacin de las cadenas Watson y Crick contina. Al final de este proceso tenemos dos dobles hlices donde

antes slo haba una. A este tipo de duplicacin se le conoce como semiconservadora pues ambas hlices

nuevas tienen una de las cadenas originales (Figura 3).

Cmo se procesa la informacin contenida en el ADN? El cdigo gentico

Como ya hemos mencionado la molcula de la herencia, el ADN, tiene forma de una escalera de caracol, y cada uno de sus peldaos es un nucletido. Cada nucletido est caracterizado por su base: adenina, guanina, timina

y citosina. La informacin gentica es precisamente la secuencia de estas bases dentro de un segmento

determinado. Se dice entonces que la informacin est codificada por su secuencia de bases. Cada tres bases

forman un codn, que corresponde a su vez a uno de los 20 aminocidos existentes (Figura 20).

Figura 20. El cdigo gentico. En esta tabla podemos observar que existen 64 codones posibles. La columna de

la izquierda marca la primera letra de los codones. En la parte superior est la segunda letra y a la derecha la

tercera letra. Cada codn indica el aminocido que produce. El cdigo gentico es redundante, ya que existe

ms de un codn para cada aminocido. UAA, UAG y UGA representan seales de paro o trmino. AUG tiene dos

funciones: cooficia para metionina y tambin significa inicio. Todos los ARM comienzan con el codn AUG, lo cual indica que ste es el codn iniciador.

De esta manera, la informacin contenida en el ADN tiene que ser transcrita (o vuelta a escribir) a otra molcula

intermedia, su similar, el ARN. Una cadena sencilla es transcrita a una molcula complementaria de ARN de acuerdo con las reglas establecidas por el modelo de Watson y Crick: una A se aparea con una U (recordemos

que en el caso del ARN la timina es sustituida por el uracilo), y una G por una C. El resultado es la formacin de

una molcula conocida como ARN mensajero que a su vez ser traducida (o decodificada) en una protena. Cada

codn (tres bases consecutivas) de ARN dirige la incorporacin de un aminocido particular para formar una

protena. De este modo tenemos que la formacin de protenas a partir de ADN es un proceso de dos pasos.

Primero, a partir de una cadena de ADN se forma un ARN mensajero, es decir, el ADN es transcrito en ARN;

segundo, este ARN mensajero es traducido para formar las protenas.

Dicho en otras palabras, los genes codifican para protenas; la expresin de un gene se hace a travs de una

copia de s mismo en el ARN, que a su vez dirige la sntesis de las protenas especficas. La va molecular de esta sntesis fue designada por F. Crick como el dogma central de la biologa molecular expresando los flujos de

informacin de la siguiente manera:

Transcripcin. Traduccin.

Replicacin ADN ARNProtenas

En algunos casos este diagrama puede invertirse, pero slo en el paso que va de ADN a ARN, nunca de protenas a

ARN. Podemos obtener copias de ADN a partir de ARN si est presente una enzima llamada transcriptasa reversa,

que como su nombre lo indica toma como molde una molcula de ARN y produce o sintetiza una molcula de

ADN. Este descubrimiento ha sido muy exitoso pues ha demostrado la posibilidad de producir ADN nuclear a

partir de las molculas de ARN aisladas del citoplasma.

Si el ADN contiene cuatro tipos de bases que arreglados en codones (series de tres) nos dan un total de 64 combinaciones, tenemos que traducir estas 64 posibilidades en los 20 aminocidos que se presentan en las

protenas. De estos 64 codones se sabe que 61 codifican para aminocidos, mientras que los tres restantes

indican el trmino de la sntesis. Tambin podemos notar en la figura 20 que varios tripletes pueden codificar

para el mismo aminocido, de donde se dice que el cdigo gentico es redundante. A pesar de que las

investigaciones acerca del cdigo gentico fueron llevadas a cabo en la regin rII del bacterifago T4, se han

obtenido los resultados que indican que este cdigo es universal, es decir, se presenta en todos los seres

vivientes.

Ahora, es fcil suponer que si una protena promedio est formada por 300 aminocidos (las hay ms grandes,

desde luego), y cada triplete o codn codifica para uno, se requieren 900 pares de bases para formar la protena.

Se sabe que en algunos organismos procariontes como Escherichia coli su cromosoma sencillo contiene

aproximadamente tres millones de pares de bases, suficientes para codificar ms o menos 3 000 protenas. En

las clulas eucariontes la cantidad de ADN aumenta proporcionalmente con la complejidad. Por ejemplo, en clulas de mamferos existen aproximadamente de tres a cuatro billones de pares de bases formando los

cromosomas, cantidad suficiente para codificar ms o menos tres millones de protenas, aunque se sabe que las

protenas presentes en este tipo de clulas no son ms de 100 000 y en algunos casos pueden ser hasta 30 000.

Lo que sucede es que existen secuencias que son meramente estructurales, y otras que estn repetidas hasta

cientos de veces por genoma. Esto explicara la cantidad tan alta de ADN en relacin con la cantidad de protenas que pueden procesarse. Otra explicacin es que en el caso de los procariontes, la transcripcin y la traduccin se

llevan a cabo en el mismo lugar, mientras que en los eucariontes estos dos procesos estn separados tanto en

tiempo como en lugar. El ADN es transcrito dentro del ncleo en la molcula de ARN mensajero precursor. Este

precursor es procesado en el ncleo y reducido su tamao para formar un ARN mensajero maduro que sale a travs de la membrana celular hacia el citoplasma de la clula en donde es traducido a protenas. Esto quiere

decir que no todo el ADN que se transcribe es traducido a protenas. A este problema volveremos ms adelante,

por ahora volvamos a la pregunta de cmo tal cantidad de ADN puede estar contenida dentro del ncleo de las clulas eucariontes.

Pero, cmo se forman los cromosomas?

Como ya hemos visto, en las clulas eucariontes no todo el ADN se encuentra en el ncleo, tambin

encontramos ADN en las mitocondrias (organelos donde se lleva a cabo la respiracin) y en los cloroplastos, en el caso de las clulas vegetales (en ellos se lleva a cabo la fotosntesis). Sin embargo, podemos decir que casi

todo el ADN se encuentra en el ncleo, que de manera ordinaria est dividido en dos o ms cromosomas. El nmero de stos es caracterstico de cada especie: el hombre tiene 23 pares de cromosomas, el maz 10, la

mosca de la fruta 4, etc. La cantidad de ADN presente en cada ncleo celular es tan grande que, como veremos ms adelante, necesita enrollarse y doblarse para formar los cromosomas.

En las clulas eucariontes el ADN es el principal componente del ncleo, pero no se encuentra suelto sino formando parte de la cromatina. En 1879 Flemming us este trmino de cromatina (del griego chroma, color)

para designar a la sustancia que toma tonalidades intensas con colorantes bsicos en el ncleo de las clulas

debido a la presencia de una sustancia llamada por l nuclena, compuesto fosforado que se haba aislado en

1871 de clulas de pus.

Ya desde 1876 Balbiani haba observado que antes de la divisin celular en el ncleo se formaban pequeas

estructuras cilndricas, y ms tarde en 1888 Waldeyer denomin a estas estructuras cromosomas, haciendo

nfasis en la continuidad entre la cromatina descrita por Flemming y las estructuras cilndricas explicadas por

Balbiani.

Gracias al desarrollo de ciertas tcnicas citolgicas se pudo aislar la cromatina del ncleo que es una masa

gelatinosa compuesta por ADN, ARN, protenas bsicas histonas y protenas no histnicas o cidas. La

cantidad de ARN y de protenas no histnicas es variable de clula a clula, pero la cantidad de histonas nos

revela una relacin de uno a uno con el ADN. Estas protenas son de cinco clases y su papel es proporcionar una

estructura estable al ADN. Estas histonas se unen con fuerza al ADN para formar una estructura llamada nucleosoma.

Cuatro de las cinco histonas forman octmeros, alrededor de los cuales se enrolla el filamento de ADN que da dos

vueltas de 140 pares de bases. La quinta histona se une al puente de ADN que une los nucleosomas, los cuales a su vez se pliegan para formar una fibra gruesa en la cual hay seis nucleosomas por cada vuelta de la doble

hlice (Figura 21).

Figura 21. Relacin de la fibra de ADN con la histona del nucleosoma. Las histonas estn representadas por las

pelotas y el ADN por el tubo. El ADN se enrolla por fuera de las protenas (histonas) dando configuracin en collar.

Esto quiere decir que en el ncleo el ADN est formando la cromatina en asociacin con ARN y protenas; cuando se va a iniciar la divisin celular los nucleosomas se superempaquetan, formando los cromosomas. (Figura 22).

Es por esta razn que una fibra tan larga como el ADN ocupa un espacio muy pequeo dentro del ncleo de las

clulas, haciendo ms fcil la divisin celular. Esta organizacin del ADN en los cromosomas explica por qu todos los datos requeridos para la formacin de una planta, un animal o una persona se puede guardar dentro del

ncleo de las clulas eucariontes.

Figura 22. Enrollamiento de la fibra 10 nm para constituir la de 20-30 nm.

LA MOLCULA VIAJERA

La historia de las ciencias demuestra que el desarrollo de una ciencia no slo depende de la genialidad de los

investigadores o cientficos, sino de la existencia de un horizonte terico comn que permita el entendimiento y

asimilacin de las ideas; y tambin ensea que, algunas veces, muchos de los descubrimientos cientficos

quedan fuera del entendimiento comn. En la historia de la gentica tal es el caso de Mendel, cuyas leyes

quedaron en el olvido o desconocimiento durante cerca de 40 aos, en espera de un ambiente cientfico que

permitiese su asimilacin a principios del siglo XX. A partir de su reconocimiento universal, el mendelismo constituy la piedra angular de la gentica moderna. Otro caso similar es el de Brbara McClintock, quien en

1948 descubri un fenmeno gentico hasta entonces inimaginado: la transposicin o movilidad de los genes

dentro de los cromosomas. A pesar de que sus estudios pasaron inadvertidos para la comunidad cientfica del

momento durante casi 30 aos (en la segunda mitad del presente siglo, florecimiento de la biologa molecular),

la historia le hizo justicia cuando se le otorg el Premio Nobel en fisiologa y medicina en el ao de 1983 por

sus experimentos de los genes saltarines con la planta del maz.

Cmo fueron descubierto los genes saltarines ?

Brbara McClintock empez su trabajo de gentica con la planta del maz. Encontr que las semillas de las

mazorcas mostraban coloraciones diversas, a veces otras mostraban pequeos parches verdes, blancos o

amarillos plidos. De esta observacin, McClintock dedujo que cada parche indicaba la presencia de una familia

de clulas que en algn momento del desarrollo haba sufrido algn cambio o mutacin. Dependiendo del

momento del cambio (mutacin), el parche podra adoptar diferentes coloraciones y tamaos. Si era temprano

los fragmentos seran grandes, mientras que si era tardo el parche sera pequeo. De igual forma, la cantidad de

parches presentes en una semilla indicara que el cambio o mutacin haba ocurrido mltiples veces. As fue

como B. McClintock decidi seguir la historia celular y averiguar qu era lo que haba ocurrido.

Haciendo anlisis citolgicos al microscopio, McClintock analiz el comportamiento de los cromosomas

durante la divisin celular. En particular, el par nmero 9 (la planta del maz tiene pares de cromosomas)

mostraba ciertos rompimientos que ocurran con gran regularidad y en lugares especficos. Durante sus

observaciones not tambin que una vez ocurrido un rompimiento, ste permaneca en las generaciones

celulares siguientes. McClintock lleg a la conclusin de que no era ms que un tipo de rompimiento controlado

en el cromosoma, y que cada tipo de rompimiento corresponda a una clase de parche en la semilla, el cual

determinaba tambin su coloracin.

Estudiando as la herencia del color y la distribucin de estos parches de la planta del maz que haba presentado

rompimientos cromosmicos repetidos, B. McClintock encontr que la actividad de genes particulares se haba

modificado gracias a estos rompimientos. Como estos genes estaban asociados a la coloracin de los granos de

las mazorcas, algunas de stas aparecan moteadas y otras sin coloracin. Esta actividad, concluy B.

McClintock, se deba a la accin de unidades gnicas, a las que llam elementos controladores, que

aparentemente podan moverse de lugar dentro del cromosoma originando que se modificara la actividad de

otros genes, junto a los cuales estos elementos se insertaban. Sus anlisis microscpicos demostraron la

existencia de estos elementos controladores y confirmaron que stos servan como sitios especficos de

rompimiento y salida de segmentos de ADN, causando cambios pequeos y grandes.

En 1948 B. McClintock public sus resultados y su hiptesis: existen elementos genticos capaces de produrcir

los rompimientos en los cromosomas y alterar los patrones de desarrollo de las clulas. Estos elementos

genticos no son ms que segmentos de ADN (genes) capaces de moverse o saltar dentro de los cromosomas, produciendo un cambio o mutacin en el lugar donde se inserten. A este fenomeno McClintock lo denomin

transposicin.

Qu es la transposicin?

La transposicin es la movilidad que poseen ciertos genes dentro del genoma celular de un organismo. En la

actualidad se conocen y se han clasificado varios segmentos de ADN con estas caractersticas, que son:

secuencias de insercin, transposones, y ADN extracromosomal, como los virus y los plsmidos.

Las secuencias de insercin (SI) son los elementos mviles ms pequeos, pues consisten de unas cuantas bases

de nucletidos. Los transposones son elementos ms grandes que incluyen SI en sus extremos con genes intermedios; estos extremos repetidos permiten a toda esta unidad salirse de un sitio e insertarse en otro. Los

plsmidos son segmentos de ADN extracromosomal que tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma bacteriano, o pasar de bacteria en bacteria. Los virus pueden funcionar como elementos mviles, ya que cuando

infectan una bacteria o una clula eucarionte se insertan y separan de la misma forma que los transposones.

Aunque la estructura de estos elementos sea diferente, sobre todo por su tamao, todos comparten

caractersticas importantes: pueden insertarse en los cromosomas gracias a la presencia de terminales definidas

por secuencias especficas que hacen que reconozcan los lugares donde han de insertarse y tambin son capaces

de duplicarse independientemente de la replicacin de todo el genoma durante la duplicacin celular.

Estos elementos causan mutaciones o alteraciones, as como reacomodos de los genes que ya existen,

provocando que la expresin de stos sea diferente. Tambin pueden apagar o encender los genes junto a los

cuales se inserten, as como viajar de bacteria en bacteria confirindole, por ejemplo, resistencia a ciertos

antibiticos.

Posteriores estudios han comprobado la existencia de estos elementos en otros organismos. Adems del maz, se

les ha encontrado en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, en hongos, en bacterias, y en el hombre y se

cree que sta sea una caracterstica universal de todos los organismos vivientes.

Una de las ms importantes consecuencias de este fenmeno de la transposicin est relacionada con la

medicina: cmo es que las bacterias han adquirido la resistencia a ciertos antibiticos? Debido a la gran

administracin de antibiticos en la medicina humana y en veterinaria, la transposicin ha adquirido

dimensiones mayores. Antes de este descubrimiento se saba que la resistencia a diversos antibiticos poda ser

transmitida de bacteria a bacteria a travs de los plsmidos segmentos de ADN que no forman parte del cromosoma bacteriano, pero no se entenda con claridad cmo es que estos genes se acumulaban en ellos. La explicacin actual radica en que los elementos que otorgan la resistencia a los antibiticos en los plsmidos no

son ms que colecciones de transposones que contienen genes que codifican para la resistencia, a uno o a varios

antibiticos.

P. Sharp descubri que la estructura de ciertos plsmidos bacterianos es modular. Esto es, que ciertas partes del

plsmido son muy parecidas entre s, mientras que otras no muestran parecido alguno. Esto se explica debido a

la abundante replicacin de secuencias dentro del plsmido. Se han encontrado en la naturaleza transposones

idnticos en ciertas especies bacterianas. Es as como distintas especies de bacterias han adquirido en el curso

de la evolucin la capacidad para resistir a los antibiticos. Gracias al descubrimiento de la transposicin

muchos de estos rompecabezas se han resuelto, y esperemos que crezca su repercusin en la medicina.

LA ESTRUCTURA MOLECULAR DEL GENE

Cmo vara el material gentico: la mutacin

Los organismos actuales difieren no slo en la suma total de su material gentico, nmero de cromosomas, etc.,

sino tambin en su constitucin estructural, fisiolgica o de comportamiento. Denominamos genotipo a la

constitucin gentica de un organismo, y fenotipo a la suma de las caracterstica de una clula o de un

organismo que resulta de la interaccin del genotipo con el medio ambiente.

Si suponemos que todos los organismos vivos se derivan de un organismo ancestral con un genotipo

determinado, entonces sera lgico pensar que el genotipo de este organismo sufri cambios sucesivos en el

curso de la evolucin hasta producir la multitud de genotipos diferentes que ahora conocemos. A estos cambios

en el genotipo se les llama mutaciones, y al producto se le denomina mutante.

Todos aquellos cambios genticos que no se deban a la recombinacin, son mutaciones por definicin. Este

trmino incluye una multiplicidad de fenmenos como cambios fsicos en los genes, cambios cromosmicos

estructurales y cambios en el nmero de stos.

Podemos dividir a las mutaciones en grandes (macromutaciones) y pequeas (micromutaciones). Empezaremos

por analizar las pequeas.

Mutaciones puntuales

Estas mutaciones son causadas por sustitucin, adicin o eliminacin de nucletidos dentro de una seccin o

gene de ADN o ARN. Este cambio puede producir algn cambio fenotpico visible. Es decir, algunas de estas mutaciones puntuales pueden ser silenciosas, no observables por mtodos convencionales, pero detectables con

anlisis moleculares.

El modelo de Watson y Crick sugiri que si un par de nucletidos era sustituido o sustrado causara una

mutacin puntual. Ms tarde, Freese en 1959 mape las mutaciones producidas en el fago T4 por una base

anloga a las cuatro que ya conocemos, la 5-bromouracil y observ que los agentes usados requeran que el ADN

se replicase para producir una mutacin. Es decir, es durante el proceso de replicacin de la molcula del ADN que se presentan las mutaciones puntuales. A partir de estas observaciones, Freese propuso dos diferentes clases

de mutaciones puntuales: las transiciones y las transversiones.

Las transiciones son el reemplazo de una purina por otra purina o de una pirimidina por otra pirimidina,

causando una mutacin en la cual la protena tiene un aminocido sustituido por otro. Si esta mutacin se lleva a

cabo durante la replicacin del ADN, la mutacin se fijar en la siguiente replicacin (Figura 23(a)).

Figura 23(a). Transiciones y transversiones.

Las transversiones son el remplazo de una purina por una pirimidina, y viceversa, causadas por ciertos

compuestos como las acridinas. Estas mutaciones producen protenas que no son similares a la original (Figura

23(b)).

Figura 23(b). Transiciones y transversiones.

Mutaciones estructurales en los cromosomas

Las mutaciones estructurales en los cromosomas pueden ser de varios tipos:

1) Por prdida o ganancia de alguno de los genes en un cromosoma. Si un cromosoma normal contiene los

genes ABCDEFG, el cromosoma deficiente contendr slo los genes ABCDFG; si el cromosoma normal

contiene los genes ABCDEFG, el cromosoma duplicado contendr los genes AABBCDEFG.

2) Por cambios debidos a una alteracin en el agrupamiento de los genes. Estos cambios son causados: i) por

desplazamiento o translocaciones que indican que una parte de un cromosoma se adhiera a otro cromosoma

diferente, o que haya intercambio de secciones entre dos cromosomas; ii) por inversiones que indican que en el

mismo cromosoma alguna seccin gire sobre su eje 180, originando una inversin de la secuencia de genes;

por ejemplo, si en un cromosoma los genes estn en el siguiente orden: ABCDEFG, una inversin dara como

resultado el siguiente orden: AFEDCBG. iii) por transposicin lo cual indica que un bloque de genes se

desplaza a una nueva posicin dentro de un cromosoma, por ejemplo ABCDEFG muta por transposicin a

ADEFBCG.

Cambios numricos en los cromosomas.

Se puede alterar el nmero de cromosomas por:

1) aneuploidia, que es la falta de uno o ms cromosomas en el juego normal (por ejemplo el sndrome de

Turner; que indica la falta de un cromosoma del par sexual en las mujeres), o un exceso de ellos (como el

sndrome de Down, que indica la presencia de tres cromosomas en el par 21 del hombre); y

2) poliploidia, que produce organismos con dos o ms juegos de cromosomas. Este fenmeno es frecuente en

plantas y se sabe que gracias a este evento se han generado especies nuevas.

Qu efectos producen estas mutaciones

Si los genes codifican para alguna protena, su cambio o mutacin afectar la produccin de esta ltima. Esto

fue demostrado por Beadle y Tatum en 1948 cuando propusieron una cadena de produccin de la protena en la

cual si un paso era afectado, el resultado era la falta de formacin de la protena final. Este es el caso de las

enfermedades metablicas, las cuales indican un error gentico heredable. En el hombre se conocen varias de

estas enfermedades que son producidas por mutaciones especficas en el ADN, que alteran la produccin normal de las protenas. Por ejemplo, la fenilcetonuria es una enfermedad que causa retraso mental en el hombre. En

1930 se descubri que en la orina de los pacientes que sufran esta enfermedad estaba presente una sustancia

llamada cido fenilpirvico. En este caso, la fenilalanina, componente normal en la dieta, no puede ser

degradado a tirosina debido a la ausencia de la enzima que lleva a cabo este paso metablico, entonces la

fenilalanina es transformada por una va alterna en dosis peligrosas de cidos fenilpirvico, produciendo el

retraso mental de los pacientes. Ahora podemos decir que esta enfermedad es producto de una mutacin que

inhibe la produccin de la enzima presente en el metabolismo normal. Existen otras enfermedades metablicas

cuyos rasgos caractersticos son la ausencia de enzimas por la mutacin de un gene particular (Figura 24).

Enfermedad Enzima o protena afectada

Acatalasemia Catalasa

Afibrinogenemia Fibringeno

Agammaglobulinemia Gamaglobulina

Albinismo Tirosinasa

Alcaptonuria Oxidasa del cido homogentsico

Analbuminemia Albmina srica

Galactosemia Trasferasa de la uridil-galactosa 1-fosfato

Enfermedades con acumulacin de

glucgeno:

Tipo I (Von Gierke's Glucosa 6- fosfatasa

Tipo III Amilo-1, 6-glucosidasa

Tipo IV Amilo-(1,4 - 1,6) transglucosidasa

Tipo V (Mc Ardle's) Fosforilasa del msculo

Tipo VI (Hers') Fosforilasa del hgado

Bocio familiar Deshalogenasa de la yodotirosina

Hemoglobinopatas Hemoglobinas

Hemofilia A Factor antihemoflico A

Hemofilia B Factor antihemoflico B

Histidinemia Histidinasa

Hiperbilirrubinemia (enfermedad de

Gilbert)

Transferasa de uridino-disfosfato

glucoronato

Hipofosfatemia Fosfatasa alcalina

Sindrome de Lesh-Nyhan Trasferasa de fosforribosil-hipoxantina-

guanina

Metahemoglobinemia Metahemoglobina-reductasa

Fenilcetonuria Fenilalanina-hidroxilasa

Enfermedad de Wilson Ceruloplasmina

Xantinuria Xantinooxidasa

Xerodermia pigmentaria Enzimas que reparan el ADN

Figura 24. Enfermedades hereditarias en el hombre en las que falta o se ha modificado una protena.

La estructura fina del gene

Como ya hemos mencionado, la biologa molecular es una rama derivada de la gentica mendeliana cuyo

objetivo es el anlisis estructural, bioqumico y morfolgico del material gentico. La introduccin de

microorganismos como las bacterias y los virus tuvo consecuencias importantes en el desarrollo de esta rama ya

que permiti trabajar muchas generaciones en poco tiempo, con poco material gentico (procariontes) y con una

capacidad de manipulacin que era impensable tanto para la poca en que se hicieron experimentos con la

mosca de la fruta Drosophila melanogaster como para los aos en los que Mendel trabaj con plantas.

Una de las caractersticas de la gentica bacteriana es que los mutantes que se producen pueden estudiarse desde

el punto de vista bioqumico. Esto es, pueden analizarse los productos que resultan de la alteracin del gene

bacteriano. A los mutantes que han perdido su capacidad para crecer en cierto tipo de medios se les llama

auxtrofos. Estos mutantes son muy tiles, ya que podemos inferir la composicin gentica de una bacteria a partir de su crecimiento en cierto medio dentro de una caja de Petri. Dicho en otras palabras, si sabemos que

cierta bacteria, digamos A, crece normalmente en un medio con la sustancia X, y producimos una mutacin que

impida que esta bacteria A crezca con la sustancia X, entonces podremos analizar bioqumicamente su

comportamiento. Podemos decir que la mutacin afect una seccin del cromosoma bacteriano (gene) que ha

bloqueado la formacin de la enzima que digiere a la sustancia X por medio de la cual la bacteria obtiene sus

recursos alimenticios. Si infectamos una cepa A auxtrofa para la sustancia X, con un virus conocido, el

genoma viral por traduccin se incorporar al cromosoma bacteriano. Si el fragmento incorporado del virus

lleva el gene normal del mutante auxtrofo, es decir, su capacidad para digerir a X, la cepa restablecer su

funcin original. Si se lleva a cabo la transformacin de las bacterias podremos separar a los grupos dentro de la

caja de Petri fcilmente: aquellos que han incorporado el genoma viral crecern formando placas definidas en la

caja, aquellas que no lo hayan hecho simplemente morirn ya que, recordemos, son auxtrofas para la sustancia

X. Que significado tiene esto? Estos experimentos sugieren que un gene es una regin extendida dentro del

cromosoma y que los cambios que ah ocurren pueden dar lugar a diferentes mutantes, dependiendo de la

posicin de la mutacin o insercin de nuevas secuencias de ADN. Tambin indica que las regiones dentro de esta seccin o gene son separables y recombinables con regiones homlogas de un gene de otro cromosoma.

Con estos estudios Seymour Benzer pudo caracterizar, segn las propiedades moleculares, el tamao de las

unidades de funcin, de mutacin y de recombinacin.

S. Benzer en 1957 defini el gene de un modo novedoso que incluye una divisin tripartita del gene clsico

(mendeliano) basada en la estructura fina de la mutacin, la funcin y la recombinacin. Estos anlisis de

Benzer demostraron que dentro de los genes haba secciones que podan ser intercambiables con sus homlogos

del otro cromosoma. La unidad de recombinacin fue definida como el elemento ms pequeo dentro de un

gene que es intercambiable por recombinacin gentica. A este elemento se le llam recn. La unidad de

mutacin, el mutn, se defini como el elemento ms pequeo que, alterado, da lugar a una forma mutante del

organismo. La unidad de funcin, definida genticamente, fue definida como el segmento del mapa que

corresponde a una funcin unitaria llamndosele cistrn.

La definicin del gene como unidad de funcin y de mutacin se tom obsoleta a partir de estos estudios sobre

la estructura fina del gene. En 1957 Benzer simplific la definicin del gene clsico, dividindola en cistrn,

mutn y recn. Al gene que produce una protena especfica se le denomin cistrn, al segmento ms pequeo

que sufre alteraciones, mutn, y al gene definido como el segmento capaz de recombinarse, recn. De estos

trminos, el ms ampliamente usado, especialmente en sistemas microbianos como sinnimo de gene, pero con

una clara connotacin que hace referencia a la estructura molecular encontrada por Benzer, es el de cistrn.

Genes partidos

Desde que los trabajos de Mendel fueron reconocidos de manera universal a principios de este siglo, hemos

visto que los conceptos originales de carcter unitario, factor o gene, se han modificado debido al avance tanto

terico como experimental de la gentica, que ha permitido mirar ms de cerca a las unidades de la herencia.

Durante estos primeros aos de desarrollo se crea que los genes eran unidades discretas que producan un

carcter particular a travs de la sntesis de una protena. Posteriormente, y gracias al modelo de Watson y Crick

se supo que el gene estaba constituido de ADN, formando una "doble hlice". Se entendieron, en consecuencia,

la replicacin o duplicacin, la mutacin o variacin del material gentico, y la sntesis de protenas. Sin

embargo, investigaciones ms recientes han demostrado que los genes no son continuos, sino que si los

miramos ms de cerca, estn divididos o partidos en trozos o secciones.

Este descubrimiento indic que los genes estn fragmentados en una serie de regiones alternantes que codifican

para partes de las protenas (exones) y regiones intercaladas (intrones) cuya informacin no indica la creacin

de ningn compuesto. Los exones y los intrones forman una unidad que es transcrita como una sola molcula de

ARN. Recordemos que del ADN se forma una molcula de ARN mensajero precursor dentro del ncleo, que es

procesado para formar una molcula de ARN mensajero maduro que sale del ncleo para ser traducido a protenas. Este proceso de separacin de la transcripcin y la traduccin puede explicar las discrepancias

existentes entre la cantidad de ADN que tiene una clula y la cantidad de protenas que sintetiza. Pero la pregunta

obligada es: qu segmentos son cortados de la molcula de ARN mensajero antes de salir del ncleo?

Uno de los experimentos que llev al descubrimiento de los genes partidos fue el de P. Chambon y sus

colaboradores en 1975, quienes trabajaban con la protena ovoalbmina. Esta protena tiene una cadena de 386

aminocidos sintetizada en clulas glandulares especializadas del oviducto de las gallinas ponedoras. La

diferenciacin de estas clulas y la expresin del gene de la ovoalbmina estn controladas por las hormonas

sexuales de las hembras. Si las hormonas no estn presentes, el gene no se expresa y no se forma el ARN mensajero, y por lo tanto la ovoalbmina no es sintetizada. Para entender esto, P. Chambon aisl el gene de la

ovoalbmina de clulas glandulares y tambin de otras clulas en donde este gene no es expresado (por

ejemplo, en eritrocitos) para analizar la estructura molecular del gene en dos ambientes distintos.

El primer resultado que obtuvo fue que ambos genes eran idnticos. Entonces decidi comparar el gene de las

clulas glandulares con el ARN mensajero aislado del citoplasma. El resultado fue que el ARN mensajero era de dimensiones menores que el gene original. Esto hizo suponer que el gene estaba partido en secuencias que eran

codificadoras y en otras que no lo eran, a las primeras se les llam exones, mientras que a las segundas,

intrones. Anlisis ms finos de la estructura molecular del gene de la ovoalbmina demostraron que ste estaba

formado por ocho exones, entre los cuales se encontraron intrones que no tenan su contraparte en el ARN mensajero. La secuencia estudiada confirm que el orden de los exones corresponda al orden de sus

transcriptos en el ARN mensajero, indicando una colinearidad entre el ADN y el ARN. Tambin pudieron medir el largo total de ambas molculas. El tamao total del gene era de 7 700 pares de bases, mientras que el mensajero

contena slo 1 872.

El descubrimiento de los genes partidos explica por qu no todo el ADN codifica para protenas. A este descubrimiento han seguido otros tantos que han demostrado una estructura similar para otros genes: el gene de

la beta-globina (componente de la hemoglobina) de ratn y de conejo, por ejemplo. Tambin se ha comprobado

que estn presentes en genes de mamferos, aves y anfibios, algunos insectos, hongos, y se cree que sea una

estructura universal de los genes de los organismos eucariontes.

Regulacin y control gentico: el modelo del opern

Hasta ahora nos hemos dedicado a comprender cmo est estructurado el ADN en los organismos, pero la siguiente pregunta por contestar es qu y cmo hace lo que tiene que hacer. Su tarea es, bsicamente, construir

los organismos. Siempre ha sido difcil imaginarse cmo de una molcula de ADN se obtienen bacterias, perros o animales tan espeluznantes como las vboras, los murcilagos, etc. Para darnos una idea del campo de la

biologa que estudia este desarrollo revisemos de nuevo algunos conceptos importantes.

Ya hemos hablado de los conceptos genotipo y fenotipo, el primero, designa el acervo gentico de un individuo

o una especie, y el segundo su apariencia. Sin embargo, poco hemos hablado de cmo el genotipo se expresa en

el fenotipo, es decir, cmo el genotipo produce las caractersticas morfolgicas, fisiolgicas y de

comportamiento que caracterizan a cada especie biolgica.

La va molecular de la sntesis de protenas llamada por Crick el dogma central de la biologa molecular

expresa los flujos de informacin de la siguiente manera:

Transcripcin. Traduccin.

Replicacin ADN ARNProtenas

Este aparato gentico est sujeto a regulacin. No todos los genes estn actuando en todo momento, por lo cual

la clula debe regular activando o desactivando aquellos genes cuyos productos le sean necesarios para

responder satisfactoriamente al medio ambiente. (Si todos los genes de las clulas actuaran en todo momento,

habra clulas semejantes y con las mismas funciones, cosa que evidentemente no ocurre; para que ocurra la

diferenciacin deben activarse algunos genes, mientras que otros permanecen inactivos.) Adems, esta

regulacin est ntimamente relacionada con el crecimiento y la diferenciacin celular.

Empezaremos hablando de la regulacin en procariontes y posteriormente analizaremos la regulacin en

eucariontes.

En 1961 dos microbilogos franceses, Francois Jacob y Jacques Monod, descubrieron un mecanismo de

regulacin y control de sntesis de protenas en bacterias al que dieron el nombre de opern.

Notaron que la bacteria Escherichia coli sintetizaba ciertas enzimas de manera constante, mientras que otras se

sintetizaban en el momento en que eran requeridas. Es decir, si la bacteria era colocada en un medio que

contena lactosa (azcar de la leche), sta empezaba a producir las enzimas que la digieren en galactosa y

glucosa; por el contrario, si el medio careca de lactosa, la bacteria no la produca pues era intil su produccin.

Jacob y Monod estudiaron la produccin de tres enzimas que intervienen en la digestin de la lactosa: la beta-

galactosidasa, la galactosa permeasa y la tiogalactsido transacetilasa. Por razones de nomenclatura decidieron

llamarlas enzimas z, y y a, respectivamente. De igual forma designaron a los genes que las producan como los

genes estructurales responsables de su sntesis (un gene estructural es aquel que codifica, es decir que tiene la

informacin necesaria para la sntesis de una protena o parte de ella) (Figura 25 (a)).

Figura 25. Modelo del opern de Jacob y Monod. En este modelo se ilustra la produccin de las tres enzimas

responsables del metabolismo de las lactosas que est bajo el control del opern lac. Este sistema est integrado

por 3 partes: el gene regulador, la regin promotora/reguladora y los genes estructurales z, y y a. En (a) los

genes estructurales estn reprimidos por la integracin del gene regulador y el operador. 1) el gene regulador se

transcribe en ARN mensajero, 2) es traducido en una protena represora que, 3) se pega al operador y lo bloquea

y 4) se inhibe la transcripcin del ARNm en los genes estructurales.

Jacob y Monod descubrieron que los genes estructurales del opern de la lactosa z, y y a, estaban alineados en el

cromosoma, mientras que un cuarto gene se localizaba a cierta distancia, al que llamaron gene regulador. De

estos cuatro genes, los tres estructurales se transcriben al mismo tiempo en ARN, mientras que el cuarto gene, el

represor, transcribe un ARN mensajero que codifica para una protena represora que se une a otra regin muy

especial de ADN presente en el opern de la lactosa. Esta regin es la del operador. Si la enzima que sintetiza el gene regulador se pega al operador, inhibe su accin y podemos decir que el sistema est apagado. Si, por el

contrario, esta enzima represora se pega con el azcar de la lactosa presente en el medio, se despegar del

operador y ser entonces cuando empiecen a funcionar los genes estructurales, sintetizando las enzimas que

desdoblan eficientemente a la lactosa. Este sistema del opern de la lactosa que regula la produccin de enzimas

se autorregula en el momento que las enzimas producidas por los genes estructurales han digerido a la lactosa

en galactosa y glucosa, lo que disminuye la concentracin de lactosa; y por lo tanto, la molcula represora, al no

encontrar lactosas libres para pegarse, se vuelve a unir al operador, apagndolo. Este sistema, como vemos, es

negativo y el inductor, el elemento que provoca la reaccin en cadena es, en este caso, la lactosa (Figura 25(b)).

Figura 25(b). Observamos que cuando entra lactosa el medio 5), acta como inductor despegando la protena

represora 6), liberndose al operador, y la ARN polimerasa inicia la transcripcin. (8) el ARN se traduce en tres enzimas del metabolismo de lactosa. Cuando la lactosa se consume 9) la protena represora puede unirse de

nuevo al operador y cerrar el sistema del opern lac.

Jacob y Monod no slo estudiaron la estructura del opern de la lactosa, sino tambin el opern del triptfano

(Figura 26 (a)). El triptfano es un aminocido que la bacteria necesita constantemente en la sntesis de las

protenas necesarias para su supervivencia. Jacob y Monod se dieron cuenta de que el opern del triptfano (el

cual controla las enzimas encargadas de la sntesis del triptfano) trabaja constantemente, a menos que exista

suficiente triptfano en el medio.

Figura 26(a). Opern del triptfano. Este sistema funciona de forma opuesta al opern de la lactosa. Aqu el

opern se encuentra encendido ya que, aunque se sintetiza la enzima triptfano sintetasa, la cual es esencial para

la produccin del aminocido triptfano 1), sta no se une al gene operador.

Este funciona como el descrito para la lactosa, con la salvedad de que en el primer caso la lactosa actuaba como

inductora pegndose al operador; en el segundo caso, el triptfano acta como represor al unirse con una

protena represora, formando un complejo triptfanorepresor que se pega al operador y que impide la accin de

los genes estructurales, por lo tanto no se sintetizan las protenas adecuadas. Como vemos este sistema tambin

es de control negativo (Figura 26 (b)).

Figura 26(b). Observamos que si se aade al sistema el aminocido triptfano 3), ste se une inmediatamente a

la protena represora 4) formando el complejo triptfano-represor, que a su vez se pega al operador y bloquea la

accin de la ARN polimerasa en el promotor. En 5) se detiene a los genes estructurales 6) que producen la triptfano sintetasa.

A partir de la publicacin en los aos sesenta de estos hallazgos de Jacob y Monod se ha ido descubriendo una

serie mayor de operones en diferentes organismos, pero todava no hay pruebas concluyentes acerca de si su

organizacin es universal para todos los organismos.

En los eucariontes la regulacin gentica es completamente distinta. Una de estas diferencias es su complejidad.

Uno de los sistemas de regulacin estudiados es el caso de la produccin de hormonas esteroides en las gallinas.

Los oviductos de las gallinas jvenes responden fcilmente a una hormona femenina llamada estrgeno (que es

un esteroide). En presencia de estrgeno, el oviducto empieza a sintetizar albmina y dems protenas de la

clara del huevo. Se ha marcado radiactivamente al estrgeno que penetra en las clulas y se ha encontrado que

se une a un receptor especfico que es ms que una protena citoplasmtica. Este primer complejo esteroide

receptor entra en el ncleo de la clula y se adhiere a una protena no histnica del cromosoma, iniciando as la

transcripcin al ejercer un control positivo.

Aunque nada est dicho en forma definitiva, estos estudios prometen dilucidar las diversas formas de control,

por ejemplo de los anticuerpos, las hormonas, etc. Parece que tendrn que pasar algunos aos y proponerse

nuevas tcnicas antes de que este tipo de problemas encuentren las soluciones adecuadas.

LA CONSTRUCCIN DE GENOMAS

Como hemos visto, el desarrollo de la biologa molecular ha sido vertiginoso desde su nacimiento en los aos

cincuenta hasta ahora. Tambin hemos visto cmo este desarrollo ha repercutido de manera sobresaliente en

otras ramas de la misma biologa y la medicina. La biologa molecular se ha convertido hoy en da en un arma

poderosa para entender, asimilar y manipular el genoma de los organismos vivos. Esta manipulacin, muy

especial, ha sido posible gracias al desarrollo de tcnicas nuevas cuyo poder de resolucin ha permitido

meternos dentro del ADN y no slo explicarlo y describirlo, sino tambin jugar con l de manera satisfactoria.

Si pensamos en los primeros genetistas como Mendel, Morgan e incluso Muller (quien fuera el primero en

producir mutaciones con radiacin) resulta hasta inocente su forma de concebir la gentica. Caracteres

diferenciantes, propona Mendel; cmo se heredan las mutaciones? preguntara Morgan, y cmo producirlas a

nuestro antojo? pensara Muller. Ahora estas preguntas resultan como un juego de nios comparadas con las

preguntas que la biologa molecular intenta resolver. Sin embargo, hay que hacerles justicia: sin la solidez de

sus hiptesis ni la claridad de sus experimentos, la ciencia de la gentica nunca hubiera podido establecer un

programa de investigacin que permitiese diversificar la problemtica del material gentico y darle soluciones

novedosas. Tal es el caso de la biologa molecular.

Uno de sus principales objetivos es entender la relacin entre la estructura de las protenas codificadas por el

ADN y su funcin dentro del metabolismo celular. Para ello ha desarrollado una tcnica especial llamada

ingeniera gentica, que se basa en la manipulacin directa de los genes o segmentos de ADN que codifican para determinada protena, y de los mecanismos de expresin de estos genes. El conjunto de tcnicas conocidas

como ingeniera gentica deriva en forma directa de la biologa molecular. Veamos sus principales

caractersticas.

Uno de los organismos mejor conocidos desde el punto de vista gentico es la bacteria Escherichia coli. Esta

bacteria es un procarionte con un cromosoma circular y genes en otras estructuras llamadas plsmidos. Como

resultado de extensas investigaciones de esta bacteria en particular, se ha conocido de manera sobresaliente la

estructura y funcin de los plsmidos. Este plsmido presenta caractersticas interesantes para su manipulacin.

Pero no slo esta bacteria los presenta. Los plsmidos forman parte del material gentico de casi todas las

bacterias.

Qu son los plsmidos?

Son ms sencillos que los virus ya que no tienen la capa proteica que caracteriza a estos ltimos y no son ms

que molculas circulares de ADN de doble hlice que se multiplican independientemente del resto de la clula. Los plsmidos tienen solamente entre el uno y el dos por ciento del total del material gentico de la bacteria, lo

cual los hace excelentes objetos de estudio y manipulacin. A pesar de su pequeo tamao se sabe que la

informacin que contienen codifica para caractersticas importantes como la conjugacin bacteriana, resistencia

a sustancias txicas como los antibiticos, etctera.

Estas caractersticas, y muy en especial la importancia clnica de la resistencia a los antibiticos, hizo que los

bilogos moleculares pusieran atencin a estas estructuras y descubrieran que pueden funcionar como

excelentes vehculos para introducir genes no bacterianos a la bacteria a la cual pertenecen por un

procedimiento de clonacin molecular, que es la base de esta nueva gentica aplicada con grandes

potencialidades para la medicina, la industria, la agricultura, etctera.

Cual es su estructura ?

Como mencionamos arriba, los plsmidos son molculas de ADN circulares de doble hlice que pueden adquirir

genes nuevos. Al igual que el ADN cromosomal, una cadena es complementaria de la otra: A siempre se une a T, G siempre lo hace con C.

Este ADN puede ser cortado en partes especficas con la accin de sustancias que por estas caractersticas se les

ha llamado enzimas de restriccin. Cada enzima de restriccin corta al ADN en una secuencia especial y caracterstica. Por ejemplo, toda vez que se halle la secuencia GAATTC (y su complementaria CTTAAG), la

enzima llamada EcoRI cortar en ese punto. El resultado es que podemos cortar el plsmido y obtener los trozos

deseados. A la fecha se han descrito ms de cien de estas enzimas. Existe otro tipo de enzimas, las ligasas, que

como su nombre lo indica ligan los segmentos que se encuentran separados, reconociendo los sitios exactos.

Una caracterstica importante que es necesario mencionar antes de seguir adelante es que en todo el ADN, desde el bacteriano hasta el del hombre, existen secuencias especficas de bases nitrogenadas que son reconocidas de

manera universal por estas enzimas llamadas endonucleasas (las que cortan y las que unen). Esto nos indica que

podemos cortar y pegar cualquier molcula de ADN, y no slo eso, sino tambin pegar secuencias

complementarias con ADN procedente de organismos distintos.

Ahora pues, ya tenemos nuestro plsmido, lo cortamos y le transferimos genes procedentes de otro organismo

(cortado y unido de la manera arriba descrita). A este proceso se le llama clonacin. A la molcula que se

obtiene de esta manera y que presenta genes propios y extraos se le considera un vehculo molecular. Por

medio de la transformacin este vehculo es introducido en una clula bacteriana o no bacteriana y, as, se

reproduce continuamente. El resultado ser que el gene que estamos introduciendo se amplificar (reproducir)

debido a la rapidez de la reproduccin bacteriana, y al crecer ser capaz de generar la protena deseada

utilizando el sistema gentico de la clula. De esta manera, lo que antes tardaba su tiempo, ahora es posible

obtenerlo ms rpida y eficientemente. Esta construccin de genomas ha sido utilizada en otras reas de la

actividad humana.

Cules han sido los principales resultados?

En la ganadera. la ingeniera gentica ha logrado que algunos animales incrementen su produccin de cras

simplemente haciendo mejoras genticas a travs de la introduccin de hormonas procedentes de otros

organismos. Por ejemplo, a las vacas productoras de leche se les proporcionan hormonas de crecimiento de

bovinos a travs de bacterias transformadas.

En la industria alimentaria la utilizacin de levaduras mejoradas genticamente para la produccin de cervezas

dietticas, la produccin de mejores condimentos para la comida, as como el aumento de aminocidos

presentes en ciertos alimentos, esta siendo un campo alentador de desarrollo de la biotecnologa.

Con el propsito de mejorar los productos de la agricultura, la ingeniera gentica trata de manipular el genoma

de ciertas plantas introducindole, como ya hemos visto, genes de otros organismos para as incrementar la

produccin de ciertas sustancias. Por ejemplo, se ha encargado de la produccin de cultivos resistentes a plagas,

enfermedades y suelos salitrosos. Se ha intentado, an sin xito, introducir genes para la fijacin del nitrgeno

presentes en la bacteria Rhizobium a plantas como el maz, para hacer innecesarios los fertilizantes artificiales, y as la planta sea capaz de transformar el nitrgeno atmosfrico en sustancias orgnicas. Otro

ejemplo conocido es la produccin de la jitopapa, que no es ms que la fusin de clulas procedentes de la papa

y el jitomate; la planta produce en su parte area jitomates y en su parte subterrnea, papas. Como vemos, es

promisorio este campo de experimentacin en el cual la biotecnologa intenta demostrar que la manipulacin de

los genomas puede traer buenos resultados en la produccin agrcola.

En la medicina, ya lo hemos mencionado, tambin es importante el avance de la ingeniera gentica. Se han

producido a gran escala protenas importantes, como la insulina, para el tratamiento de algunas enfermedades.

La insulina protena que transporta la glucosa del flujo sanguneo hacia las clulas y que est ausente en los diabticos producida por los cerdos, que ha sido utilizada tradicionalmente para tratar la enfermedad de la diabetes, tena un costo muy alto; con la utilizacin de la ingeniera gentica, el problema del consumo de

insulina y de su costosa produccin parece tener una solucin. Para obtener esta produccin masiva se ha

extrado el gene que la produce y se ha insertado en bacterias y levaduras cuya tasa de crecimiento es acelerado,

por lo que la produccin de esta protena aumenta. Existen otras protenas cuyo procedimiento es similar al de

la insulina: la somatotropina (estimulante del crecimiento), el factor VIII (protena importante en el proceso de

la coagulacin de la sangre, ausente en los pacientes de hemofilia), el interfern (sustancia que secretan las

clulas como defensa contra el ataque de virus), etctera.

Otro avance importante se refiere a la elaboracin de vacunas. Se utiliza un virus conocido, al cual se le insertan

genes de los diferentes anticuerpos para que el sistema inmune se defienda de los agentes infecciosos. Una de

estas pocas vacunas es la que se aplica contra la malaria. Tambin se han desarrollado vacunas contra ciertas

enfermedades bacterianas; y en 1985, se elabor la primera vacuna contra el cncer de mamferos (Leukocell),

que previene contra el virus que causa la leucemia en los gatos. Posiblemente el campo ms invadido por la

ingeniera gentica sea la medicina, aunque, como ya hemos visto, sus aplicaciones en otros campos van en

aumento y con resultados alentadores.

LA GENTICA DEL DESARROLLO

Uno de los temas ms apasionantes de la gentica es el desarrollo. Aqu la cuestin central es que si todas las

clulas de un organismo pluricelular tienen la misma informacin gentica, cmo es que se expresan genes

diferentes en distintos tejidos para producir rganos tan disimbolos como un ojo o una pierna? Esta pregunta ha

sido hecha sin mucho xito por muchos investigadores y slo recientemente ha aparecido evidencia que nos

acerca un poco a una respuesta. El organismo que una vez ms nos ha ayudado a entender un poco de este

proceso es la mosca Drosophila, en la que desde hace tiempo se conocen mutantes llamados Antennapedia que,

como lo indica el nombre, tienen en vez de una antena una pata en la cabeza. Estos "monstruos" nos ensean

que un pequeo cambio gentico puede ocasionar un gran cambio morfolgico a travs de genes reguladores de

otros.

La plenipotencialidad de las clulas

En las bacterias, estos genes se describieron desde la dcada de los sesenta, cuando J. Monod y F. Jacob (vase

captulo III) descubrieron que los genes de caminos metablicos son regulados en forma coordinada por otro

gene, un gene regulador que inhibe o estimula la expresin de ellos. ste es el fundamento de la gentica del

desarrollo, entender cmo se lleva a cabo la expresin diferencial de genes en diferentes tejidos. Una posible

respuesta podra ser que en los diversos tejidos las clulas pierden todos los genes, excepto aquellos que se

expresan en ese tejido. Esta posibilidad se elimin en la mayora de los tejidos al demostrarse que las diferentes

clulas de un organismo tienen toda la informacin gentica. Esto se hizo con experimentos que revirtieron el

proceso de diferenciacin y demostraron que clulas que originalmente expresaban los genes de un tejido

podan, en ciertas condiciones, expresar los genes de otro tejido. En particular, J. B. Gurdon demostr que

ncleos (donde est todo el material hereditario, el ADN) de clulas del intestino del renacuajo implantadas en citoplasmas de vulos no fecundados, tenan cierta probabilidad de desarrollar un sapo completo. Estos

experimentos demostraron que la diferenciacin celular es una expresin diferencial de genes y no una

presencia diferencial de genes en los diversos tejidos. Tambin, utilizando mtodos de hibridizacin de ADN se ha demostrado que las clulas de todos los tejidos de un organismo tienen todos los genes.

El desarrollo en la Drosophila

El desarrollo en la mosca de la fruta se inicia, como en todos los organismos, con la fertilizacin. Una vez

fertilizado el huevo se llevan a cabo varias divisiones celulares que dan origen a una estructura en forma elptica

que se llama blastodermo. La posicin que guardan las diferentes clulas en el blastodermo define qu tipo de

estructuras de la mosca adulta generarn (Figura 27). El descubrimiento de este tipo de estructuras, segn la

posicin de las clulas se ha hecho de diversas maneras. En una de ellas, por medio de la ciruga se eliminan del

blastodermo diversas porciones y se analiza posteriormente cmo es la morfologa de la mosca adulta. As, por

ejemplo, si se elimina la porcin intermedia de la izquierda (Figura 27), se eliminan partes del sistema nervioso

central, pero si se elimina la parte central, la mosca adulta no tendr alas. Otra manera de saber qu partes del

blastodermo originan las diferentes estructuras de la mosca adulta es llevando a cabo trasplantes de diferentes

porciones del blastodermo para ver qu estructuras se desarrollan.

Figura 27. (A) Mapa de predeterminacin del blastodermo de la D. melanogaster. Muestra los sitios de las

clulas que producirn las partes externas de la mosca adulta. Las distancias se dan en sturts. Las lneas sealan

las distancias a la lnea media ms prxima de la mosca. El mapa se observa desde el interior del hueco del

blastodermo, hacia fuera. (b) Partes externas de la mosca adulta representadas sobre la superficie del

blastodermo. Las lneas sealan las reas que dan origen al sistema nervioso y al mesodermo.

Adems de la mutacin antennapedia que ya hemos mencionado, existen otras mutantes, llamadas hometicas,

que son mutantes de genes que tienen la capacidad de detectar la posicin de las clulas para tomar un camino

especfico de desarrollo. Cuando estos genes mutan se pierde la capacidad de las clulas para leer correctamente

la informacin de las posiciones. Algunas de estas mutaciones son tambin la ophtalmoptera, que hace que el

tejido de las alas reemplace el tejido de los ojos. La mutacin proboscipedia hace que la prboscis se desarrolle

como una pata y la mutacin cabeza tumorosa hace que el tejido de la cabeza sea reemplazado por diferentes

tipos de tejido, incluyendo estructuras genitales. Quiz las mutaciones hometicas ms espectaculares sean las

del complejo de genes bithorax que, como lo indica su nombre, en moscas adultas genera segmentos extras, ya

que en su condicin normal se produce una sustancia de desarrollo que en forma gradual modifica su

concentracin de la parte anterior a la posterior, de tal manera que representa una seal acerca del camino de

desarrollo que pueden llevar a cabo las clulas segn su posicin. Por ello, se supone que los genes del

complejo bithorax tienen la capacidad de transformar la situacin posicional en expresin diferencial de genes

en diferentes clulas.

La gentica del desarrollo es, sin duda, uno de los campos que menos conocemos y del cual requerimos tener

ms informacin en el futuro. Es en ese mbito, entre la estructura del gene, que llev casi un siglo descubrir, y

el fenotipo, que el genetista siempre ha tratado de comprender, donde se requiere investigar ms en el futuro.

Quisiramos saber cmo es que de una estructura gentica particular se puede expresar cierta morfologa. Slo

experimentos cuidadosamente planeados y la creatividad que de vez en vez ha hecho avanzar a la gentica

podrn obtener esta respuesta, que es sin duda el mayor misterio que tenemos en el campo de la gentica.