Genes y cromosomas

Los genes están constituidos por ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN contiene el código, o las instrucciones, usadas para sintetizar las proteínas o una molécula de ácido ribonucleico (ARN). Los genes poseen tamaños variables, en función de la dimensión de las proteínas que codifican.

Cada molécula de ADN es una doble hélice larga, semejante a una escalera de caracol de millones de escalones. Cada escalón consiste en un par de moléculas emparejadas. Estas moléculas se denominan bases (nucleótidos). En cada escalón, la base adenina (A) está emparejada con la base timina (T), o la base guanina (G) está emparejada con la base citosina (C). Cada molécula de ADN, extremadamente larga, está enrollada en el interior de uno de los cromosomas.

Estructura del ADN

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es el material genético de la célula, que se encuentra en los cromosomas, que a su vez, están contenidos en el núcleo de la célula y de las mitocondrias. Excepto en algunas células (por ejemplo, en los espermatozoides, los óvulos y los eritrocitos), el núcleo de una célula contiene 23 pares de cromosomas. Un cromosoma contiene muchos genes. Un gen es un segmento de ADN que proporciona el código para sintetizar una proteína o una molécula de ARN. La molécula de ADN es una doble hélice larga y enrollada que se asemeja a una escalera de caracol. En una molécula de ADN se encuentran dos hebras, compuestas por un azúcar (desoxirribosa) y por moléculas de fosfato, todo ello conectado por pares de cuatro moléculas llamadas bases, que forman los peldaños de la escalera. Cada par de bases (un peldaño) está emparejado de forma concreta: la adenina se empareja con la timina; y la guanina lo hace con la citosina. Cada par de bases se mantiene unido por un enlace de hidrógeno. Un gen consiste en una secuencia de bases. Cada secuencia de tres bases codifica un aminoácido (los aminoácidos son los componentes esenciales de las proteínas) o bien proporciona otra información.

Las proteínas están compuestas de una larga cadena de aminoácidos encadenados uno tras otro. Hay 20 aminoácidos distintos disponibles que pueden usarse para la síntesis de proteínas; algunos proceden de alimentos (aminoácidos esenciales), mientras otros se fabrican en el organismo mediante enzimas. Cuando se junta una cadena de aminoácidos, se pliega sobre sí misma creando una compleja estructura tridimensional. Es la forma de la estructura plegada la que determina su función en el cuerpo. Dado que el plegado está determinado por una secuencia de aminoácidos precisa, cada secuencia distinta da como resultado una proteína distinta. Algunas proteínas (como la hemoglobina) contienen varias cadenas plegadas. Las instrucciones para la síntesis de proteínas están codificadas en el ADN.

La información está codificada en el ADN por la secuencia en que se organizan las bases (A, T, G y C). El código está escrito en tripletes. Es decir, las bases se organizan en grupos de tres. Cada secuencia de tres bases en el ADN codifica instrucciones específicas, tales como la adición de un aminoácido en una cadena. Por ejemplo, la secuencia GCT (guanina, citosina, timina) codifica la adición del aminoácido alanina, mientras que la secuencia GTT (guanina, timina, timina) codifica la adición del aminoácido valina. Así, la secuencia de aminoácidos en una proteína está determinada por el orden de los tripletes de bases del gen que codifica esa proteína en la molécula de ADN. El proceso por el que la información del código genético se convierte en una proteína incluye la transcripción y la traducción.

La transcripción es el proceso a través del cual la información codificada en el ADN se transfiere (transcribe) al ácido ribonucleico (ARN). El ARN es una cadena larga de bases, como una hebra de ADN, con la diferencia de que la base uracilo (U) sustituye a la base timina (T). Así, el ARN contiene información codificada en tripletes exactamente igual que el ADN.

Cuando se inicia la transcripción, parte de la doble hélice de ADN se abre y se desenrolla. Una de las hebras de ADN desenrolladas actúa como un patrón con el que se formará una hebra complementaria de ARN. La hebra complementaria de ARN se denomina ARN mensajero (ARNm). El ARNm se separa del ADN, abandona el núcleo y viaja hasta el citoplasma de la célula (la parte de la célula externa al núcleo). Aquí el ARNm se adhiere a un ribosoma, que es una estructura diminuta dentro de la célula donde se produce la síntesis de la proteína.

En esta estructura ocurre la traducción, el proceso que consiste en interpretar el código del ARNm (que proviene del código del ADN) y determinar el tipo y orden de aminoácidos a enlazar. Los aminoácidos llegan al ribosoma gracias a un tipo de ARN mucho más pequeño llamado ARN de transferencia (ARNt). Cada molécula de ARNt transporta e incorpora un aminoácido a la cadena de proteína que se está formando, la cual se pliega en un complejo de estructura tridimensional bajo la influencia de moléculas cercanas (llamadas proteínas chaperonas).

Hay muchos tipos de células en el cuerpo humano, como las cardíacas, hepáticas y musculares. Estas células tienen aspectos distintos y actúan de forma distinta, además de producir sustancias distintas. No obstante, cada célula es descendiente de un solo óvulo fertilizado, y como tal contiene fundamentalmente el mismo ADN. Las células pueden tener apariencia y funciones diferentes ya que, en células distintas, se expresan genes distintos (y en momentos distintos). La información sobre cuándo se expresa un gen está también codificada en el ADN. La expresión genética depende del tipo de tejido, de la presencia de señales químicas específicas y de otros numerosos factores y mecanismos. El conocimiento de estos otros factores y mecanismos que controlan la expresión génica está creciendo rápidamente, pero muchos de ellos son aún poco conocidos.

Los mecanismos mediante los cuales los genes ejercen su control unos sobre otros son muy complejos. Los genes tienen marcadores para indicar dónde empezará y acabará la transcripción. Diversas sustancias químicas (como las histonas) que se encuentran en el ADN, o alrededor de este, bloquean o permiten la transcripción. Además, una hebra de ARN puede emparejarse con una hebra complementaria de ARNm y bloquear la traducción.

Las células se reproducen dividiéndose en dos. Dado que cada nueva célula requiere un conjunto completo de moléculas de ADN, las moléculas de ADN de la célula original deben reproducirse (replicarse) durante la división celular. La replicación se produce de modo similar a la transcripción, con la excepción de que la molécula de ADN de doble hebra se desenrolla y se divide en dos. Después de la división, las bases de cada hebra se unen a las bases complementarias correspondientes (A con T y G con C). Al completarse este proceso, existen dos moléculas de ADN de doble hebra idénticas.

Para prevenir errores durante la replicación, las células tienen una función de corrección que contribuye a asegurar que las bases se emparejen adecuadamente. Hay también mecanismos químicos para reparar el ADN que no se copia correctamente. No obstante puede producirse algún error debido a que participan miles de millones de pares de bases y a la complejidad del proceso de síntesis de proteínas. Las causas de los errores pueden ser diversas (incluida la exposición a radiación, fármacos o virus) o pueden no tener una razón evidente. Las variaciones menores en el ADN son frecuentes y ocurren en la mayor parte de las personas. La mayoría de estas variaciones no afectan a las copias sucesivas de un gen. Los errores que se reproducen en las copias sucesivas del gen se conocen con el nombre de mutaciones.

Las mutaciones heredadas son las que pueden transmitirse a la descendencia. Las mutaciones solo se pueden heredar cuando afectan a las células reproductivas (espermatozoide u óvulo). Las mutaciones que no afectan a las células reproductivas solo afectan a la célula mutada y a sus células hijas (por ejemplo, convirtiéndose en un cáncer), pero no se transmiten hereditariamente a la descendencia.

Las mutaciones pueden ser exclusivas de un individuo o de la familia, y la mayoría de ellas son muy poco frecuentes. Las mutaciones que se vuelven tan comunes que afectan a más de 1% de una población se llaman polimorfismos (por ejemplo, los grupos sanguíneos humanos A, B, AB y O). La mayoría de los polimorfismos tienen poco o ningún efecto sobre el fenotipo (la estructura y función reales del organismo de una determinada persona).

Las mutaciones pueden afectar a segmentos de ADN pequeños o grandes. Según su tamaño y localización, la mutación puede no tener ningún efecto aparente; puede alterar la secuencia de aminoácidos en una proteína; o puede reducir la cantidad de proteína producida. Si la proteína tiene una secuencia de aminoácidos distinta de la original puede funcionar de modo diferente o no funcionar. La falta o la disfunción de una proteína suele ser perjudicial o mortal. Por ejemplo, en la fenilcetonuria, una mutación produce la deficiencia o ausencia de la enzima fenilalanina hidroxilasa. Esta deficiencia es la responsable de que el aminoácido fenilalanina (que se obtiene de la alimentación) se acumule en el organismo, y cause finalmente una grave discapacidad intelectual.

Raramente, una mutación introduce un cambio que resulta ventajoso. Por ejemplo, en el caso del gen de la anemia de células falciformes (anemia drepanocítica o drepanocitosis), cuando una persona hereda dos copias del gen anómalo desarrolla el trastorno por anemia de células falciformes. Sin embargo, cuando una persona hereda una sola copia del gen de la anemia de células falciformes (anemia drepanocítica o drepanocitosis) (llamado gen portador), desarrolla cierta protección contra la malaria (una infección de la sangre). Aunque la protección contra la malaria puede ayudar a la persona portadora del gen a sobrevivir, el trastorno por anemia de células falciformes (anemia drepanocítica o drepanocitosis) (en una persona que posee dos copias del gen) provoca síntomas y complicaciones que pueden acortar la esperanza de vida.

La selección natural se refiere al concepto de que las mutaciones perjudiciales para la supervivencia en un medio determinado tienen una menor probabilidad de ser transmitidas a la descendencia (de modo que son cada vez menos frecuentes en la población), mientras que las mutaciones beneficiosas para la supervivencia van haciéndose cada vez más frecuentes. Por lo tanto, las mutaciones beneficiosas, aunque inicialmente son raras, con el tiempo se convierten en comunes. Los cambios lentos producidos a lo largo del tiempo por las mutaciones y por la selección natural en una población entrecruzada se denominan globalmente evolución.

El núcleo de cada célula humana normal contiene 23 pares de cromosomas, con un total de 46 cromosomas, excepto en algunas células como por ejemplo, los espermatozoides, los óvulos o los eritrocitos. Normalmente, cada par está compuesto por un cromosoma de la madre y otro del padre.

Hay 22 pares de cromosomas somáticos o no relacionados con el sexo (autosomas) y un par de cromosomas sexuales. Los pares de cromosomas somáticos tienen, a efectos prácticos, igual tamaño, forma, posición y número de genes. Dado que ambos miembros de una pareja de cromosomas somáticos contienen un gen correspondiente, existe, en cierto sentido, una copia de seguridad de los genes localizados en dichos cromosomas.

El par número 23 es un cromosoma sexual (X e Y).

El par de cromosomas sexuales determina si un feto será masculino o femenino. Los masculinos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. El cromosoma X del varón procede de la madre y el cromosoma Y procede del padre. Las hembras tienen dos cromosomas X, uno de la madre y otro del padre. En algunos aspectos, los cromosomas sexuales funcionan de modo distinto a los cromosomas somáticos.

El cromosoma Y, más pequeño, contiene los genes que determinan el sexo masculino, así como algunos otros genes. El cromosoma X incluye muchos más genes que el cromosoma Y. Muchos de los genes del cromosoma X tienen funciones ajenas a la determinación sexual y no tienen equivalencia en el cromosoma Y. En los varones, debido a que no existe un segundo cromosoma X, los genes específicos del cromosoma X no están emparejados y prácticamente todos se expresan. Los genes del cromosoma X se denominan genes ligados al sexo o genes ligados al cromosoma X.

Normalmente, en los cromosomas somáticos, los genes de ambos pares de cromosomas son capaces de expresarse totalmente. No obstante, en las hembras, la mayoría de los genes en uno de los dos cromosomas X se inactiva mediante un proceso llamado inactivación del X (excepto en los óvulos). La inactivación del X se produce de forma temprana en la vida del feto. En algunas células, el X del padre se vuelve inactivo, mientras en otras células, el X de la madre es el que se inactiva. Así, una célula puede expresar un gen procedente de la madre y otra célula expresar el gen procedente del padre. Debido a la inactivación del X, las consecuencias de la ausencia de un cromosoma X suelen ser anomalías leves (como el síndrome de Turner). Por tanto, la ausencia de un cromosoma X es mucho menos perjudicial que la de un cromosoma somático (véase Introducción a las anomalías de los cromosomas sexuales).

Cromosoma X inactivo

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Cortesía de los Drs. L. Carrell y H. Williard, Case Western Reserve University School of Medicine.

Si una hembra tiene más de dos cromosomas X, los cromosomas extra tienden a ser inactivados. Por tanto, la presencia de uno o más cromosomas X adicionales provoca muchas menos anomalías en el desarrollo que el hecho de tener uno o más cromosomas somáticos extra. Por ejemplo, las mujeres con tres cromosomas X (síndrome de triple X) suelen ser física y mentalmente normales. Los hombres que tienen más de un cromosoma Y (véase Síndrome XYY) pueden verse afectados física y mentalmente.

Existen distintos tipos de anomalías cromosómicas. Una persona puede tener un número anormal de cromosomas o tener regiones anómalas en uno o más cromosomas. Muchas de estas anomalías se pueden diagnosticar antes del nacimiento (véase Pruebas para la detección de anomalías cromosómicas y genéticas).

Un número anormal de cromosomas somáticos suele ser causa de anomalías graves. Por ejemplo, recibir un cromosoma somático extra puede ser mortal para el feto o bien provocar anomalías como el síndrome de Down, que se produce porque la persona tiene tres copias del cromosoma 21. La falta de un cromosoma somático es mortal para el feto.

Un cromosoma puede presentar regiones extensas alteradas, generalmente debido a que una región entera se ha eliminado (deleción) o se ha colocado erróneamente en otro cromosoma (translocación). Por ejemplo, a veces la causa de la leucemia mieloide crónica es la translocación de una parte del cromosoma 9 al cromosoma 22. Esta anomalía puede ser hereditaria o bien ser resultado de una nueva mutación.

Las mitocondrias son unas estructuras diminutas que están en el interior de las células y que sintetizan moléculas utilizadas para obtener energía. Cada célula posee entre 1000 y 2500 mitocondrias. A diferencia de otras estructuras celulares, cada mitocondria contiene su propio cromosoma circular. Este cromosoma contiene ADN (ADN mitocondrial) que contiene a su vez 37 genes que codifican 13 proteínas, varios ARN y varias enzimas. El ADN mitocondrial procede normalmente solo de la madre, porque, en general, cuando un óvulo es fertilizado, solo las mitocondrias del óvulo pasan a formar parte del embrión en desarrollo. Las mitocondrias del espermatozoide, generalmente no llegan a formar parte del embrión en desarrollo.