El ADN, los cromosomas y los genes

  • El ADN (o ácido desoxirribonucleico) es una macromolécula formada por bases nitrogenadas que pueden ser púricas o pirimidínicas unidas a una cadena de desoxirribosa. Estas bases son citosina, guanina, timina y adenina.

  • El ADN se dispone en dobles hélices formadas por dos cadenas complementarias de ADN enrolladas sobre sí mismas. Si esta doble hélice se separa, se forman nuevas cadenas complementarias, replicándose su información.

  • Su reproducción es semiconservativa; cada célula hija hereda una de las dos cadenas complementarias, y a partir de ella sintetiza su doble hélice.

  • El ADN se encuentra en la cromatina de las células durante la interfase, pero cuando se va a producir la división celular, adopta forma de cromosomas. Esto lo hace enrollándose en torno a unas proteínas que llamamos histonas, y adopta la estructura de “collar de perlas”.

  • A nivel funcional, se organiza en genes. Un gen es una sección de ADN responsable de una característica física específica.

El ADN (II)

  • Replicación: La capacidad de hacer copias de sí mismo permite que la información genética se transfiera de una célula a las células hijas y de generación en generación.

  • Codificación: La codificación de las proteínas adecuadas para cada célula se realiza gracias a la información que provee el ADN; a partir de una cadena de ADN se puede producir una cadena de ARN, que es capaz de salir del núcleo, ir hasta un ribosoma y ser leída para formar un aminoácido.

  • Metabolismo celular: Intervienen en el control del metabolismo celular mediante la ayuda del ARN y mediante la síntesis de proteínas y hormonas.

  • Mutación: Nuestra evolución como especie está determinada por la función de mutación del ADN. También la diversidad biológica responde a esta capacidad.

Importancia de la reproducción sexual y asexual

  • La mitosis daba lugar a células hijas idénticas a sus predecesoras, con carga genética completa (2n), a la que llamábamos diploide.

Sucedía en 4 fases: Profase, Metafase, Anafase y Telofase; además, durante las dos últimas tenía lugar la citocinesis (separación de las células hijas), y entre ciclos mitóticos encontrábamos la interfase, que a su vez se dividía las “sub fases” G1, S y G2.

  • La meiosis daba lugar a células hijas con la mitad de la dotación cromosómica (n), llamadas haploides. Este tipo de división celular daba lugar a los gametos, y constaba de dos divisiones, a las que llamamos Meiosis I y Meiosis II. Tras la primera división meiótica, el material genético aún era 2n, pero al finalizar la segunda división, el resultado final eran 4 células hijas haploides (n).

Durante la Meiosis ocurre un proceso llamado “sobrecruzamiento”, en el que los cromosomas homólogos intercambian fragmentos, lo que causará que cada una de las cuatro células hijas sean genéticamente distintas.

Meiosis I y Meiosis II

  • Apareamiento de los cromosomas homólogos.

  • Recombinación genética: los cromosomas dejarán de ser paternos o maternos, pues una de sus cromátidas tendrá trozos de ADN paterno y materno.

  • Segregación de cromosomas homólogos. No se reparten cromátidas, sino cromosomas enteros.

La meiosis II es esencialmente igual que la mitosis. El resultado es que se forman cuatro células haploides a partir de una célula madre diploide.

  • En la primera división se separan los cromosomas homólogos y en la segunda división se separan las cromátidas de cada cromosoma. Las células hijas son ya haploides, aunque los cromosomas están duplicados.

La profase I

  • Es la fase más larga y compleja de la meiosis. En ella, los cromosomas homólogos se aparean e intercambian fragmentos de material hereditario.

  • Se divide en cinco subfases: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis.

  • La meiosis (III): Quiasmas y Sobrecruzamiento

  • Los sobrecruzamientos hacen que, partiendo de dos cromosomas, terminemos teniendo cuatro cromosomas completamente distintos unos de otros

  • Los puntos en los que se producen estos sobrecruzamientos se llaman quiasmas.

Meiosis (IV): Profase I en detalle

  • Leptoteno: Los extremos de cada cromosoma se encuentran unidos a la lámina fibrosa por una estructura llamada placa de unión.

  • Zigoteno: Comienza el apareamiento entre los cromosomas homólogos, conocido como sinapsis, que tiene lugar mediante la formación de una estructura proteica entre ambos cromosomas, el complejo sinaptonémico.

  • Paquiteno: Se produce el sobrecruzamiento entre cromátidas homólogas, con lo que aumenta la variabilidad.

  • Diploteno: Desaparece el complejo sinaptonémico y los cromosomas se repelen, aunque permanecen unidos por unos puntos, los quiasmas, que reflejan los lugares en donde tuvo lugar el sobrecruzamiento.

En la mujer, los ovocitos del ovario fetal alcanzan esta fase en el quinto mes de la vida prenatal y permanecen en él hasta poco antes de la ovulación, que puede llegar desde 12 a 50 años después.

  • Diacinesis: los cromosomas adoptan la configuración más compacta, lo que permite ver por primera vez las dos cromátidas de cada cromosoma.

A partir de este momento, en que se distinguen las dos cromátidas de cada homólogo, las figuras se transforman en tétradas, ya que las cromátidas hermanas están unidas por los centrómeros, y las cromátidas no hermanas por los quiasmas.

Tipos de reproducción asexual

  • La reproducción asexual tiene una ventaja principal, y es una menor inversión de tiempo y energía. También tiene una desventaja importante, y es la reducción de la variabilidad genética. Su distinción es que sólo requiere un progenitor, y puede darse de muchas formas:

  • Fisión binaria: típico de seres unicelulares; una célula duplica su ADN y se divide en dos células hijas idénticas (ej: bacterias)

  • Propagación vegetativa: en plantas, es la creación de una planta completa a partir de una parte (una rama, una hoja…)

  • Apomixis: creación de semillas mitóticas, que dan lugar a organismos genéticamente idénticos. Algunas plantas se reproducen así facultativamente, y otras de forma obligada.

  • Poliembrionía o pluripartición: a partir de un único zigoto, por mitosis se forman varios zigotos que darán lugar a individuos idénticos (ej: diversos insectos y armadillos)

  • Gemación: un pequeño brote se desprende del individuo parental y da lugar a un nuevo individuo completo. Si la yema permanece unida al progenitor se originan las colonias.

  • En los vegetales existen yemas terminales en el tallo o en las axilas de las hojas, que pueden originar nuevas plantas si son separadas del progenitor. (ej: levaduras y algunos animales simples).

  • Escisión o fragmentación: un individuo se rompe en varios fragmentos, de los que surgirán nuevos individuos idénticos.

  • Esporulación: formación mitótica de células reproductivas, llamadas esporas (ej: setas o helechos). Aunque es típica de los hongos, se da también en algunas plantas y en seres unicelulares. Atendiendo a sus características, se diferencian distintos tipos de esporas (endosporas, exosporas, mitosporas…)

Reproducción asexual: propagación vegetativa

  • Estolones: son ramas laterales que crecen a ras de tierra cuyas yemas echan raíces y originan nuevos individuos, como ocurre en las fresas.

  • Rizomas: son tallos subterráneos cuyas yemas, situadas en las axilas de las hojas abortadas de gramíneas o helechos, se convierten en tallos aéreos que enraízan.

Algunos rizomas forman en los extremos unos abultamientos carnosos denominados tubérculos, que se independizan cuando la planta madre muere.

  • Bulbos: son yemas subterráneas con hojas desarrolladas que acumulan sustancias de reserva como la cebolla o el tulipán.

  • Propágulos: porciones unicelulares o pluricelulares que se separan espontáneamente de la planta, desarrollándose de forma independiente en plantas como briofitas.

Reproducción sexual

  • Somatogámica: la unión de dos células somáticas produciéndose en primer lugar la fusión de sus citoplasmas (plasmogamia) y posteriormente de sus núcleos (cariogamia) como ocurre en hongos basidiomicetes.

  • Gametangiogámica: la fusión de gametangios (gónadas) plurinucleados; se da en plantas y hongos.

  • Gamética: es la formación de nuevos individuos a partir de los gametos, y presenta dos variedades: la anfigonia, que es la reproducción gamética con fecundación, y la partenogénesis, que se realiza sin fecundación.

  • Anfigonia: es la modalidad más frecuente y se caracteriza por la fecundación y la formación del cigoto.

Isogamia si el cigoto resulta de la unión de dos gametos morfológicamente iguales denominados isogametos, en protozoos, algas y hongos.

Anisogamia si los gametos son morfológicamente distintos (uno es de mayor tamaño que el otro)

Los ciclos biológicos

  • Un ciclo biológico el un conjunto de cambios que sufre un organismo desde su creación hasta que da lugar a un nuevo organismo semejante. En dicho conjunto de cambios siempre se da la reproducción, ya sea de forma sexual o asexual.

  • En algunos organismos, varias formas pluricelulares forman parte de un único ciclo, como puede ser el caso de algunas algas o plantas. A este suceso se le denomina alternancia de generaciones o metagénesis.

Isomorfos: los individuos tienen un aspecto similar. (Ej: Ulva lactuca o lechuga de mar)

Heteromorfos: los individuos tienen aspecto distinto. (Ejemplo: algas inferiores, o helechos)

  • Existen casos particulares, como la partenogénesis, que se puede considerar un tipo de reproducción sexual a pesar de que sólo participa un único gameto (el óvulo).

Tipos de ciclos biológicos

  • Ciclos haplontes: la única fase diploide de todo el ciclo celular es el cigoto, que rápidamente se reproducen por meiosis, dando lugar a células haploides, que crearán un individuo haploide, que a su vez creará células haploides.

  • Ciclos diplontes: solamente los gametos son haploides; tanto el cigoto como los individuos adultos son diploides (ejemplo: humanos).

  • Ciclos haplodiplontes: es típica en plantas superiores. Un organismo adulto llamado “esporofito” da lugar a esporas haploides (n) o meiosporas. Estas esporas, a su vez, dan lugar a un organismo haploide, llamado gametofito, que formarán los gametos. Estos, a su vez, se unirán, formando un organismo diploide (el esporofito).

  • Se supone que el ciclo haplonte es el más primitivo al suponer que las primeras células eran haploides (n).

  • El aumento de la complejidad de los seres vivos daría paso a la reproducción sexual, que llevaría a la formación de un cigoto diploide (2n), y como consecuencia, a la meiosis para restablecer en estos organismos la haploidía original.

  • La suposición es que la fase diploide se habría ido alargando gradualmente, dando lugar al ciclo diplonte.

  • La ventaja de una dotación cromosómica doble es que, al estar los genes duplicados, las mutaciones dañinas podrían ser mitigadas por las copias sanas de cada par de alelos, así como aumentar la variabilidad genética.

Partenogénesis I

  • Todos los tipos de partenogénesis parten de una célula femenina no fecundada, que se desarrolla para dar lugar a un nuevo individuo. Puede ser diploide (sin meiosis, y por tanto asexual) o haploide (con meiosis, y por tanto sexual).

  • Diploide, cuando la célula huevo se crea por mitosis, dando lugar a individuos 2n. Al no producir meiosis, se crean individuos idénticos (clones). Se da en algunos insectos, y ciertos tipos de escarabajos.

  • Su ventaja es crear gran cantidad de descendencia en poco tiempo, a costa de sacrificar variabilidad genética.

  • Haploide, cuando el óvulo se divide por meiosis, sin ser fecundado, por lo que el individuo resultante puede ser haploide (una sola cadena de ADN en el cromosoma) o puede recuperar su condición diploide, duplicando la información genética heredada de la madre.

  • Además de diploide y haploide, puede ser facultativa, accidental, u obligada, atendiendo a cómo se produzca.

  • Facultativa: algunos óvulos se fecundan y otros no; dando lugar a nuevos individuos en ambos casos.

  • Obligada: los óvulos sólo se desarrollan cuando no son fecundados. Los óvulos (n) se fusionan con los cuerpos polares (

    n), formando células (2n), que da lugar a individuos clónicos, y sólo genera hembras. En estas especies, la partenogénesis es el método usual, pero puede darse reproducción sexual ocasionalmente.

  • Los corpúsculos polares son células que se producen durante el proceso de meiosis que da lugar a los óvulos; mientras que los espermatozoides sí se adaptan a la norma general de la meiosis donde 2 divisiones dan lugar a 4 células, en el caso de los óvulos cada división da lugar a un futuro óvulo y a un cuerpo polar. Estos cuerpos polares suelen morir.

  • Accidental: sucede ocasionalmente en especies de reproducción sexual.



 Casos atípicos

  • Los virus: como habíamos comentado en temas anteriores, los virus no son seres vivos, pero disponen de mecanismos para reproducirse.

En el caso de los virus que infectan a bacterias, hablamos de bacteriófagos, cuya cápside se ancla al exterior de una bacteria e inyecta dentro su material genético.

Este material genético puede hacer uso de las herramientas de la bacteria directamente, o puede integrarse en el ADN de la propia bacteria. En cualquier caso, obliga a la bacteria a crear copias del virus, pudiendo llegar a causar su lisis (muerte).

  • Los priones: son proteínas anómalas, cuya estructura primaria normalmente coincide con la de una proteína normal. Sin embargo, sus estructuras secundaria y terciaria difieren, causando la anomalía en cuestión. Su comportamiento, pese a no ser un ser vivo, es infectivo.

Mientras que la proteína normal es muy rica en hélices alfa, la proteína patógena lo es en láminas beta. Este cambio de configuración  es  crucial,  ya  que  las  proteínas  con  láminas  beta  son  muy  resistentes  a  las  enzimas proteolíticas, y al calor, además no se disuelven en agua. La proteína alterada tiene una característica  única:  interacciona  con  una  molécula  de  proteína  normal,  le  cambia  la  conformación  y  la hace  capaz  de  convertir  las  estructuras  de  más  proteínas  normales

Clones y clonación

  • La clonación es el proceso por el que se obtienen individuos genéticamente idénticos, y ocurre de manera natural durante la reproducción asexual. También puede darse de forma artificial por intervención humana, y se distingue clonación reproductiva y clonación terapéutica.

  • En el caso de la clonación reproductiva, está prohibida en humanos, y se emplea para recuperar animales en peligro de extinción o mejorar razas de animales que se exploten para consumo humano.

El proceso consiste en la introducción del núcleo de una célula del organismo que se desea clonar (A) en un óvulo de otro organismo (B), al que se le ha extraído su núcleo. De esta forma, tenemos el óvulo B con el núcleo A, que se implanta en un tercer organismo (C).

El organismo que se desarrollará será un clon de B, que es quien aporta en este caso el núcleo, y con él la información celular.

  • En el caso de la clonación terapéutica, se busca obtener embriones de los que extraer células madre compatibles, con las que poder tratar enfermedades complejas.