José Juan Aguilar GavilánDpto. Microbiología

La célula viva

Isótopos

Cuando una sustancia radiactiva es incorporada al organismo de cualquier ser vivo (al respi-rar, comer, etc.) puede decaer radiactivamente, para transformarse en otra sustancia química, oser eliminada del organismo por los mecanismos normales o habituales (estos no discriminan entresustancias radiactivas o no).

La eliminación del cuerpo de los isótopos radiactivos depende tanto de su período de semidesinte-gración Т (tiempo que el número de átomos radiactivos cuyos núcleos permanecen sin desintegrar se redu-ce a la mitad, un decaimiento radiactivo propio de la sustancia) como del período de semidesintegraciónbiológica Тb (tiempo que tarda el organismo en eliminar o deshacerse de la mitad de la cantidad de unelemento ingerido, decaimiento radiactivo propio tanto de la sustancia en cuestión como del organismo).

El fraccionamiento durante la transferencia biogeoquímica de carbono en la naturaleza producevariaciones en la distribución de equilibrio de los isótopos de carbono (12C, 13C y 14C). Algunos pro-cesos, como la fotosíntesis, favorecen al isótopo más ligero (el isótopo C13 en la planta se agotaen 1,8% en comparación con sus proporciones naturales en la atmósfera). A la inversa, el carbo-no inorgánico disuelto en los océanos suele ser enriquecido con 13C en un 0,7% en comparacióncon el CO2 atmosférico. El CO2 liberado al quemar combustibles fósiles baja la proporción 13C/12C enla atmósfera, sin que eso ocurra con el CO2 aportado por el volcanismo o la respiración.

El fraccionamiento isotópico de los isótopos establesde carbono, medido como relación entre el 13C y el 12C, serefiere a la fluctuación de isótopos de carbono como re-sultado de los procesos bioquímicos naturales.

Isótopos (átomos cuyo núcleo tiene el mismo número deprotones –elementos responsables de las característicasquímicas del átomo- pero distinto número de neutrones -).

➢ Estables (como por ej., el hidrógeno ordinario -1H- y eldeuterio -2H-, el carbono-12 -12C- y el carbono-13 -13C-).

➢ Radiactivos o inestables (como el tritio -3H- y el car-bono 14 -14C-).

Utilidad de los isótopos radiactivos En Biología:

✓14C

✓3H

✓32P

En Medicina:

✓60Co

✓131I,132I

✓99Tc

Fotografía de rayos gamma del cerebro

Marcaje y rastreo de estructuras biológicas

▪ Procesos del ciclo del N en el suelo

▪ Prácticas de fertilización con N y S

▪ Fijación biológica de N

▪ Fijación de CO2 por plantas C3, C4 y CAM (metabolismo ácido de crasuláceas)

▪ Metabolismo del N y el S, en plantas y animales

▪ Edad y descomposición de la materia orgánica en el suelo*

▪ Diferencias genotípicas a estrés ambientales

▪ Uso del agua por las plantas

* Para poder proporcionar fechas radiocarbónicas correctas y exactas es necesario medir losisótopos estables de 13C y 12C y su proporción. Esto se logra mediante la extracción de una pe-queña cantidad de CO2 generado durante la combustión o hidrólisis ácida y la medición de larazón 13C/12C en comparación con el estándar de espectrometría de masas. Se utiliza esta rela-ción para calcular la edad de radiocarbono y el error con el fin de corregir el fraccionamientoisotópico en la naturaleza.

Willar Frank Libby, Nobel de Química en 1960

Datación isotópica de material orgánico

Si la materia viva produce 12,5 impulsos por minuto y gramo, a partir de los impulsos producidos pormateriales antiguos de edad conocida (hecho histórico destacado) y aplicando la fórmula anterior secalcula el periodo de semidesintegración del 14C (t1/2). Para 14C el valor de t1/2 es de 5.730 años.

- N (número de partículas o impulsos emitidos al minutopor gramo de la materia de t años de antigüedad).

- N0 (número de partículas o impulsos emitidos al minutopor gramo de materia viva).

- k (constante de desintegración). k = 0,693/t1/2 (t1/2 esel “periodo de semidesintegración”).

- 2,3 (factor de conversión de Ln en Log10).

Cuando la materia orgánica muere, la proporción de car-bono radiactivo (14C) en ella o en sus productos de trans-formación disminuye, y de la proporción existente en estemomento puede hallarse la edad del material investigado(t) a partir de la fórmula siguiente:

Log (N/N0) = (k.t)/2,3

En 1947, el equipo de investigadores dirigido por el químico norteamericano Willard Frank Libby(1908-1980) elaboró la técnica de datación mediante carbono-14, popularmente conocida comodel “reloj registrador atómico”, que se convirtió en un instrumento indispensable para la arqueo-logía, la antropología física y la geología; se trata de un método para determinar la edad geológi-ca de objetos orgánicos, o que contienen carbono, midiendo la cantidad contenida en ellos del isóto-po radiactivo inestable C-14 del carbono (14C). La técnica sirve para calcular edades de entre unoscientos de años hasta 50 000 años.

¿Es auténtica la Sábana Santa de Turín?

Una pieza de lino de 4,35 x 1,11 m, un sudario que lleva laimagen del frente y de la espalda de un hombre que fuecrucificado y flagelado de la misma manera que la Bibliadescribe la Pasión de Cristo.

El Santo Sudario de Turín (así llamado por conservarseen dicha ciudad italiana desde 1578) llamó la atención delpúblico por primera vez en 1335 cuando fue exhibido en laIglesia de Santa María en Lirey (Francia). Le había sido en-tregado a la iglesia por un caballero francés, Geoffroy deCharny, quien probablemente lo adquirió en Constantinopla.

La controversia acerca de la Sábana Santa de Turín se resolvió una vez que laspruebas de radiocarbono realizadas en los años 1980 establecieron que la fecha delsudario se situaba en el S-XIV, indicando que la reliquia era un engaño.

El manto pronto comenzó a ser objeto de controversia. Uninforme extendido al Papa Clemente VI argumentaba que elmanto era una mera pintura, y que estaba siendo falsamenteexhibido como una reliquia verdadera con el fin de solicitar do-naciones para la Iglesia.

Bioelementos: el papel central del carbono en la vida

Su capacidad de formar enlaces covalentes (sencillos odobles), consigo mismo y con otros átomos, permite in-troducir gran número de clases de grupos de átomos en lasmoléculas orgánicas, conocidos como “grupos funcionales”.

Enlace covalente sencillo C-C

Enlace covalente doble C-C

Es el elemento más ligero capaz de aceptar o ceder 4electrones (4e-), lo que le permite formar hasta un máximode 4 enlaces covalentes sencillos con otros átomos: la dis-posición más favorable de los e- es su distribución híbridaen los 4 vértices de un tetraedro regular.

Átomo de carbono

Los átomos de C unidos covalente-mente entre sí constituyen el esquele-to de una inmensa variedad de molécu-las orgánicas diferentes.

Los compuestos que tiene la mismafórmula química pero sus átomos sedisponen de manera diferente se deno-minan isómeros. Estos pueden ser dedos tipos:

➢ Isómeros ópticos (estereoisómeros o enantió-meros) (figura adjunta). Moléculas asimétricas y,por tanto, ópticamente activas. Una de ellas es laimagen especular de la otra y no se pueden super-poner: se dice que es la enantioforma o forma qui-ral de la otra.

➢ Isómeros estructurales. Moléculas que presen-tan la misma cantidad y tipo de átomos, pero dis-puestos de forma distinta (como por ejemplo, laacetona y el propionaldehído: C3H6O) .

PropionaldehídoAcetona

Las dos formas enantiómeras tienen las mismas propiedades físicas, excepto la interacción conla luz polarizada en un plano. Puede ser que un isómero desvíe el plano de polarización hacia la de-recha (en el sentido de las agujas del reloj) –de el se dice que es dextrógiro y tal carácter se indicausando como prefijo la letra "de" minúscula (d), o un signo positivo (+)-, mientras el otro isómero lodesvíe hacia la izquierda –de el se dice que es levógiro y se caracteriza colocando como prefijo a sunombre una letra "ele" minúscula (l), o un signo negativo (–)-. La nomenclatura D y L, se utiliza paradestacar que el grupo funcional importante queda a derecha (D) o a la izquierda (L), esta propie-dad no tiene que ver nada con el carácter dextrógiro o levógiro: un enantiómero puede ser L-dextrógiro o L-levógiro o un D-dextrógiro o D-levógiro.

Por síntesis química se suele obtener una mezcla racémica (50% de cada enantiómero, forma dy formas l) de la molécula quiral -las mezclas racémicas son ópticamente inactivas debido a que losefectos polarizantes de cada enantiómero se anulan con los del enantiómero complementario-. Dadala dificultad que supone separar dos enantiómeros, hasta hace unos años los medicamentos qui-rales se administraban habitualmente como mezclas racémicas.

En el mundo de las moléculas nos encontramos con mul-titud de ellas que son quirales, lo que quiere decir queexisten bajo dos formas (llamadas enantiómeros) que sediferencian del mismo modo que lo hacen la mano derechay la izquierda.

Muchas de estas moléculas tienen actividad biológica:aminoácidos, proteínas, aromas, esencias, fármacos, fungi-cidas, herbicidas, pesticidas, etc.

“La catástrofe de la talidomida”

Dado que la acción terapéutica de muchos medicamentos sebasa en interacciones con los centros quirales (sitios ocupadospor un átomo de carbono con cuatro sustituyentes distintos) delas biomoléculas, no es de extrañar que tal acción curativa seadistinta para las formas d y l. Mientras solo uno de los enan-tiómeros suele ser el responsable de los beneficios buscados,el otro puede ser inactivo o incluso perjudicial.

La talidomida es un ejemplo dramático de lo que acabamos deexponer.

La talidomida, 2-(2,6-Dioxopiperidin-3-il)-2H-isoindol-1,3-diona, serecetó por primera vez en 1957 en Europa para tratar la ansiedad,el insomnio y, en las mujeres embarazadas, las náuseas y los vó-mitos matutinos.

➢ El día de Navidad de 1956, nació la hija de un trabajadorde la fábrica de la compañía Grünenthal, en Alemania, una niñacon malformaciones: fue la primera víctima de la talidomida.

El fármaco fue retirado del mercado en noviembre de 1961en Alemania, cuando los médicos descubrieron que producía terri-bles malformaciones fetales y más de 15.000 niños habían re-sultado afectados por sus efectos: una falta de desarrollo total(dismielia) o parcial (focomielia) de piernas y brazos, y la presenciade manitas en forma de aleta.

Enantiómeros de la talidomida

R-(+)-talidomida (inductor del sueño)

S-(-)-talidomida (teratogénico)

➢ Las propiedades sedantes deseadas se encontraban en la (R)-(+)-talido-mida, pero se administraba la mezcla racémica. Se ignoraba que la (S)-(-)-talidomida fuese teratogénica (productora de malformaciones fetales), algoque pasó desapercibido hasta que en 1961 empezaron a notificarse casosde niños afectados. Más tarde se descubrió que, a pH fisiológico la molé-cula se racemiza, la (R)-(+)-talidomida se convierte parcialmente en (S)-(-)-talidomida, por lo que ni el enantiómero sedante debía suministrarse.

El principio activo se vendió en más de 50 países de todo el mundo, con más de 80 nom-bres comerciales, y en España se distribuyó desde el año 1957 hasta 1965.

➢ En Alemania, las víctimas han conseguido con la farmacéutica desde 1971 una pensión vitalicia, peroen España no se han alcanzado a pesar de que ambas partes han mantenido tres reuniones y un acto deconciliación en los Juzgados de Madrid. La farmacéutica ofreció 120.000 euros anuales para todoslos afectados españoles, pero éstos lo rechazaron.

➢ En mayo de 2013, cuando los representantes de AVITE mostraron varios documentos con los quepretendían probar que en España el fármaco se “siguió exportando, vendiendo y recetando” hastamayo de 1962 tras su prohibición mundial, la farmacéutica lamentó en un comunicado la “tragedia” dela talidomida y sostuvo que dio instrucciones a su distribuidor español para que dejara de comercializarlos productos con talidomida en noviembre de 1961, es decir, en el momento en el que había cesado lapromoción del medicamento tanto en Alemania como en otros países. Además, aseguró que “en Españahubo otras empresas que habían fabricado y distribuido productos con talidomida”.

El 14 de octubre de 2013 las más de 500 víctimasespañolas de la talidomida pidieron 204,5 millones de eu-ros de indemnización en el juicio que se celebra en el juz-gado de 1ª instancia nº 90 de Madrid, tras la demanda queinterpuso en febrero de 2012 la Asociación de Víctimasde la Talidomida de España (AVITE) contra la farma-céutica Grünenthal, fabricante de este fármaco.

Los contactos entre AVITE y Grünenthal comenzaron en 2010, después de que el Gobierno apro-bara un Real Decreto por el que concedía 1,5 millones de euros en concepto de ayuda a una veintenade personas reconocidas como afectadas en España durante el periodo 1960-1965.

Rafael Basterrechea, con sus padres Araceli y Rafael

➢ Alemania, Francia, Japón, Suiza, Italia, Australia y unsinfín de países ya habían celebrado juicios y pagaban in-demnizaciones, a veces desde hace décadas, para ver-güenza de las víctimas en España, que por fin aspiraban aque se les escuchase. Además, confiaban en que tras ellospudieran ir todos los que faltaban, porque en ese momen-to los demandantes eran apenas 20

Aunque en 1ª instancia les fue reconocida una indemnización de 204 millones de euros, el pagode la misma fue anulado por la Audiencia Provincial de Madrid el 22 de octubre de 2014, alconsiderar el recurso presentado por Grünenthal y considerar prescrito el caso. Ante el recursopresentado por AVITE, la Sala de lo Civil del Tribunal Supremo acordó el 23 de septiembre de2015 rechazarlo por 8 votos a 1, al entender que la indemnización reclamada estaba prescrita.

El organismo como nivel de organización equivalenteal ser vivo: organismos unicelulares y pluricelulares

Entre los organismos pluricelulares se descubren niveles de organización de distinta com-plejidad:

Nivel sistemas orgánicos (seres vivos de máxima complejidad, con una organización for-mada por órganos diferentes, agrupados en aparatos, como ocurre en los animales superiores).

Nivel órgano (varios tejidos se reúnen para formar un órgano, el “cormo” -plantas superio-res-, que consta de raíz, tallo y hojas).

Nivel tejido (el llamado “talo” en las algas, el “micelio” ” de los hongos, el “cuerpo” de losanimales inferiores -hidra, medusas, etc.-).

La célula como unidad de vida: distintivos de la vida celular

7. Exhibe entropía negativaConstruye orden a partir del desorden, es una in-versión local del gradiente de entropía, un reman-so de orden en un Universo que se dirige hacia elcaos.

La célula viva como máquina natural

El filósofo francés René Descartes (1596-1650) decía“cuando un reloj marca las horas por medio de las ruedasque lo componen, es algo tan natural como para un árbol darfrutos”.

Éstos no son otros que las enzimas, proteínas especializadas en catalizar las reacciones quí-micas específicas que se dan en los sistemas biológicos. Así pues la función como máquina dela célula, su metabolismo (pautas de transformaciones químicas que acaecen en su interior),está en definitiva determinada por la cantidad y tipo de las diferentes enzimas que ca-da célula posee.

El genetista y evolucionista norteamericano R. W. Kaplan afirmó en1979 lo siguiente: “la vida se provoca merced a la unión de componentesmateriales inertes perfectamente ensamblados”.

¿Qué componentes hacen funcionar a la célula viva como máquina natural?

La vida parece estar basada en un puro “mecanismo”.

Para que una célula se reproduzca necesita: un suministro adecuado de energía y deprecursores para la síntesis de nuevas macromoléculas (funciones de máquina), yun material genético (su ADN) capaz de duplicarse (proceso de replicación), para queen la división cada célula hija reciba una copia, y de expresarse (procesos de trans-cripción y traducción), para formar las cantidades requeridas de proteínas y de otrasmoléculas para hacer las nuevas células (funciones de codificación).

Funciones de máquina

Funcionesde codificación

Replicación

- Energía (ATP)- Precursores de macromoléculas

(azúcares, aminoácidos, etc.)

Transcripción Traducción

Proteína

Reproducción (crecimiento)

ADN ARN mensajero

ADN

La célula, una máquina natural donde se llevan a cabo lastransformaciones químicas que permiten su funcionamiento yperpetuación

Células procariotas1-5 µm X 1 µm

Célula eucariota

Proteína membrana plasmática

Proteína de exportación

Núcleo

Cromatina

Retículo endoplásmico rugoso

Proteínasmitocondriales

Mitocondria Lisosoma

Aparato de Golgi

Proteínascitosólicas

ProteínasNucleares

35-40 µm X 25 µm

Aunque en las células humanas su núcleotiene aproximadamente el tamaño deuna célula bacteriana grande, la canti-dad de ADN que encierra en sus 23cromosomas -un ADN que extendido ocu-paría una longitud de 1,8 m- es algo me-nos de 1.000 veces superior a la por-tada por el cromosoma único y circularde Escherichia coli (3.167 millones depares de bases vs. 4 millones de paresde bases).

Semilla lisa o rugosa

Semilla verde o amarilla

Estambre (macho)

Carpelo (hembra)

Flores axiales o terminales

Flores blancas o púrpuras

Vaína verde o amarilla

Hacia 1865 el monje agustino Gregor Mendel, nacido en Moravia (Austria), desarrolló losprincipios fundamentales de lo que hoy conocemos como “Genética”: demuestra que, en plan-tas de guisante (Pisum sativum), ciertos “factores” (a los que llamó “elemente” y que despuésse denominarán “genes”) no se mezclan en las generaciones sucesivas, sino que se heredan deforma independiente.

Herencia y material genético, Mendel nos dio la clave deporqué nos parecemos a nuestros padres o abuelos

Cruce monohíbrido clásico

Generación parental

1ª Generación (F1)

2ª Generación (F2)

YY yy

Yy

YY

Yy

Yy

yy

YyX

X

YY,Yy (guisante verde liso)yy (guisante verde rugoso)

3. Carpelo polinizado maduro en la vaina

2. Transferir polen de los estambres de la flor blanca al carpelo de la flor púrpura

1. Retirar es-tambres de la flor púrpura

4. Plantar semillas de la vaina

5. Descendencia: todas las flores púrpuras

Carpelo (femenino)

Estambres(masculino)

Púrpura

Blanca

Generación parental

1ª Genera-ción de des-cendientes

En 1892 el biólogo alemán August Weismann postula que una sus-tancia presente en los cromosomas del núcleo celular, a la que llama“plasma germinal”, es la responsable de transmitir los rasgos here-ditarios.

August Weismann (1834-1914)

Fundamentos físicos de la herencia

Entre 1910 y 1915 el biólogo norteamericanoThomas Hunt Morgan y sus colaboradores, estu-diando varias generaciones de moscas del vinagre(Drosophila melanogaster), deducen la existenciade genes, los vinculan a la herencia y los localizanen los cromosomas.

En 1910, Thomas Hunt Morgan (1866-1945) descubrió los mutantes de ojos blancos en D. melanogas-ter. En la Universidad de Columbia abordó, junto a sus discípulos norteamericanos M.A.H. Sturtevant (queaparece a la dcha. en la sala de Drosophila de los laboratorios Kerchoff), H.J. Muller y Calvin J.B., estu-dios sobre fundamentos físicos de la herencia que le permitieron obtener el Nobel de Medicina de 1933.

Mosca mutante de ojos blancos

Mosca silvestre de ojos rojos

La información que dicta las estructuras de la enorme variedad de moléculas deproteínas que se encuentran en los organismos está codificada en moléculas conoci-das como ácidos nucleicos. La información presente en los ácidos nucleicos es trans-crita y luego traducida a las proteínas. Son las proteínas las moléculas que final-mente ejecutan las "instrucciones" codificadas en los ácidos nucleicos.

El material genético: ácido nucléico

A

H Desoxirribosa(desoxirribonucleotido)

OH Ribosa (ribonucleótido)

Los ácidos nucleicos están formados por ca-denas largas de nucleótidos.

B

Un nucleótido (A) consta de un grupo fosfato,un azúcar (ribosa o desoxirribosa) y una basenitrogenada (B) (una purina –adenina o guanina- ouna piramidina –timina, citosina o uracilo-).

La cadena polinucleotídica tiene “polaridad”: uno de susextremos, el 5’, lo ocupa un nucleótido que tiene el gru-po 5’OH de su ribosa sin unir a otro nucleótido; el otroextremo, conocido como 3’, es donde se halla un nucleó-tido cuya ribosa no posee su grupo 3’OH unido a otronucleótido. Así pues, en cualquier ácido nucleico su se-cuencia de bases está escrita en la dirección 5’→3’.

5’

3’

Las cadenas formadas pueden ser de 2 tipos: po-lidesoxirribonucleotídicas, conocidas como ácido des-oxirribonuclico (ADN), y polirribonucleotídicas, el lla-mado ácido ribonucleico (ARN).

Nucleótido 1

Nucleótido 2

Aunque químicamente son muy semejantes, elADN y el ARN desempeñan papeles biológicosmuy diferentes (el ADN, el constituyente pri-mario de los cromosomas de las células, es elportador del mensaje genético; el ARN seocupa de descifrar el mensaje genético pre-sente en el ADN para traducirlo a proteínas)y exhiben una estructura diferente.

Los nucleótidos pueden unirse en cadenas largaspor reacciones de condensación mediante puentes fos-fodiéster, establecidos entre el grupo 3’OH de la pen-tosa de un nucleótido y el grupo 5’OH de la pentosa delsiguiente.

El biólogo norteamericano James D. Watson ysu colega británico Francis H. Crick descubren en1953 la estructura tridimensional del ADN: do-ble hélice formada por 2 cadenas polinucleotídicasenrolladas a lo largo de un eje común.

El descubrimiento de la estructura del ADN, uno de los hi-tos destacados de la historia de la Biología

James D. Watson (1928)

Francis H. Crick (1916-2004)

En 1962, junto con el biofísico inglés Maurice Wilkins, Watson yCrick recibieron el Nobel de Fisiología y Medicina. Franklin se vioinjustamente apartada de dicho premio.

¡Un descubrimiento que condujo a la comprensiónde la función del gen en términos moleculares y de-sentrañó el misterio de cómo se produce la trans-misión genética de padres a hijos!

Para su descubrimiento re-sultó crucial una radiografíadel ADN hecha en 1953 porRosalind Franklin en el labo-ratorio dirigido por MauriceWilkins (King’s College, Lon-dres).

Rosalind Franklin (1920-1958)

En los seres vivos las cadenas polidesoxirribonucleotídicas se asocian de 2 e 2 en direc-ción opuesta (el extremo 5’ de una con el extremo 3’ de otra) para formar el ADN genómico(ADN bicatenario) y se estabilizan mediante puentes de hidrógeno: éstos se establecen entreuna base púrica y una pirimidínica (la adenina -A- está siempre emparejada con la timina -T- y laguanina -G- con la citosina -C-).

5’

5’

3’

3’

Desoxirribosa

Timina

ADN

Además de desentrañar la estructura del ADN genómico, Watsony Crick descubrieron que todos los seres vivos albergan en el interiorde sus células un código genético para su propia perpetuación, untexto escrito en un lenguaje común a todas las formas de vida: elsencillo código de 4 letras del ADN bicatenario formando largascadenas polidesoxirribonucleotídicas.

5’

3’

Las cadenas polirribonu-cleotídicas que permiten lainterpretación del códigogenético, contrariamente alas del ADN portador delmismo, permanecen aisla-das (ARN monocatenario)para formar distintos tiposde moléculas: ARN ribosó-mico (ARNr); ARN mensa-jero (ARNm) y ARN trans-ferente (ARNt).

Ribosa

Uracilo

ARN

El código genéticoLa información que dicta las estructuras de la enorme variedad de moléculas de pro-teínas que se encuentran en los organismos está codificada en forma de “tripletes”de nucleótidos (codones) en la cadena del ADN cromosómico que sirve de molde pa-ra la síntesis de ARN.

El código genético (64 combinaciones de tri-pletes -codones-) y sus aminoácidos corres-pondientes.

Severo Ochoa (1905-1993)

Médico y fisiólogo español que contribuyó a desci-frar el código genético a comienzos de los años1950, apoyándose en los resultados de los análisisbioquímicos y genéticos de mutantes microbianos.Compartió con el biólogo norteamericano ArthurKornberg el Nobel de Fisiología y Medicina en1959.

Ácido ribonucleico

6. Cromosoma en metafase (1.400 nm)

CromátidaNúcleo

Telómero

Célula

Centrómero

Par de bases Histonas

Cuentas e hilo del collar (al que se unen histonas adicionales) empaqueta-das en α-hélice

3. Fibra de nucleosomas (30 nm)

Desde el ADN al cromosoma eucariótico: niveles de organización

1. Doble hélice de ADN (2 nm)

2. Nucleosomas (11nm)Para estabilizarse, la doble hélice de ADN (ácido -con carganegativa-) se enrolla alrededor de histonas (proteínas bási-cas -con carga positiva-) para formar los nucleosomas. La uni-dad fundamental de estos complejos es una estructura conforma de cuenta (bolita de collar), formada por 140 pares debases de ADN enrolladas alrededor de un núcleo discoidal(formado por 8 moléculas de histonas).

Fibras de nucleosomas empaquetadas dis-puestas en hélices, formando dominios enbucle. La cromatina es el complejo nucleo-proteico (35% ADN, 5% ARN y 60% pro-teína) que compone los cromosomas.

4. Cromatina extendida (30 nm)

Espirales de cromatina unidas entre si por proteínas no histónicas

5. Cromatina condensada (200 nm)

En el momento de la división celular, lasfibras de cromatina se condensan y son visi-bles como cromosomas bien definidos en for-ma de barra: los llamados cromosomas meta-fásicos.

Como se muestra en el esquema adjunto, cada cromosoma metafásico,como los de la fotomicrografía superior (imagen al microscopio electró-nico de barrido), contiene un par de cromátidas hermanas (1), aso-ciadas de manera estrecha en su región condensada, o constreñida,llamada centrómero (2), que confiere la apariencia general de cadacromosoma: con 2 brazos cortos -p- (3) y 2 brazos largos –q- (4).

El cromosoma eucariótico

Wilhelm von Waldeyer (1836-1921)

El anatomista y patólogo alemán Wilhelmvon Waldeyer en 1888 les dio el nombre decromosoma (del griego chroma –color- y soma -cuerpo o elemento-) a los filamentos nuclearesque se teñían con colorantes básicos.

Karl Wilhelm von Nägeli (1817-1891)

Los cromosomas fueron descubiertos en 1841 por el botánicosuizo Karl Wilhelm von Nägeli.

Los telómeros son cruciales para la estabilidad estructural del cro-mosoma eucariótico, la división celular y para el tiempo de vida de ca-da célula. Además están implicados en enfermedades tan importantescomo el cáncer. En procariotas, los cromosomas son circulares y no po-seen telómeros.

Hermann Joseph Muller (1890-1967)

El biólogo y genetista estadounidense Hermann Joseph Muller es con-siderado como uno de los renovadores de la Genética. Sus estudios acercade la acción de los rayos X como productores de mutación sobre lascélulas de Drosophila le permitieron descubrir en 1938 una parte de loscromosomas vital para la supervivencia celular: un ADN no codificantey altamente repetitivas situado en los extremos del cromosoma, al queMuller asignó en principio el nombre de “gen terminal” y más tarde el detelómero (del griego telos, final, y meros , parte), para destacar su posi-ción. En 1946, por su hallazgo recibió el Nobel de Fisiología y Medicina.

Cromosomas humanos y sus telómeros (en blanco)

Telómeros, supervivencia y muerte celular

Los biólogos estadounidenses Elizhabeth H. Blackburn (A), Carol W.Greider (B) y Jack W. Szostak (C), recibieron el Nobel de Fisiología yMedicina de 2009 por la descripción molecular de telómeros, por confir-mar su conservación evolutiva y por caracterizar la telomerasa.

CBA

A B C D E

Según la posición del centrómero, loscromosomas exhiben una forma diferente,recibiendo un nombre distinto: metacén-tricos -A- (el centrómero se localiza a mi-tad del cromosoma y los dos brazos tienenigual longitud); submetacéntricos -B- (lalongitud de un brazo del cromosoma es algomayor que la del otro, y, a veces, el brazomás corto lleva un satélite -C-); acrocén-tricos –D- (un brazo es muy corto, cono-cido como p, y el otro largo, denominadoq), y, telocéntricos –E- (sólo se aprecia unbrazo del cromosoma al estar el centróme-ro en el extremo).

Cromosomas eucarióticos: tipos

En algunas especies los pares cromosómicos nopueden diferenciarse claramente considerandosolo sus componentes distintivos en sentido lon-gitudinal; en estos casos se recurre a técnicas ci-tológicas especiales para teñirlos –por ejemplo, conGiemsa-: al observarlos al microscopio óptico sedetectan “bandas” transversales (claras y oscu-ras) a lo largo de los mismos, y que corresponden alos distintos tipos de cromatina: las claras a laeucromatina –genes activos- y las oscuras a la he-terocromatina –genes no funcionales- En cada es-pecie estas variantes de la cromatina presentan untamaño y disposición dado (como se muestra almargen en los cromosomas humanos 19 y X –meta-céntricos- y el cromosoma 14 –acrocéntrico-).

X

Los cromosomas sufren grandes variacionesen su tamaño a lo largo del ciclo celular, pa-sando de estar muy poco compactados (interfa-se) a estar muy compactados (metafase), por talmotivo, los estudios sobre el tamaño de loscromosomas suelen realizarse durante la me-tafase mitótica. Además, es necesario tener encuenta que los tratamientos para teñir los cro-mosomas y para obtener las metafases mitóticasinfluyen de manera muy importante en el tamañode los cromosomas.

Cromosomas eucarióticos: tamaño y número

Metafase Telofase

Profase Interfase G2

X 2.000 X 30.000

X 30.000 X 50.000

Hay especies eucarióticas con cromosomas grandes y especies con cromosomas pequeños.

Una especie determinada tiene un número característico de pares de cromo-somas (ADN diploide, 2n) en el núcleo de sus células somáticas (i.e., no reproduc-tivas o no germinales): dicho número es aleatorio e independiente de la cantidad degenoma, de la complejidad de la especie y grupo taxonómico al que pertenece.Además, cada cromosoma puede contener desde varios cientos a unos pocos milesde genes.

n = 38

➢ Las monocotiledóneas (gramíneas, liliáceas, etc.) y los anfibios (salamandra, rana, etc.) e in-sectos ortópteros (grillos, saltamontes, etc.) poseen cromosomas muy largos (de 10 a 20 μm).

Hordeum vulgare (cebada) Gryllus assimilis (grillo negro)Bufo bufo (sapo común)

➢ Las dicotiledóneas (rosal, roble, encina, etc.), las algas, los hongos y la mayoría de las espe-cies animales poseen cromosomas pequeños (inferior a 5 μm, mínima de 0,2 μm). Existen algunasexcepciones: así, el cromosoma 1 humano, cuyo ADN está formado por casi 224 millones de pa-res de bases, lo que equivale a una longitud total de ADN desplegado de 7,3 cm, a pesar de es-tar fuertemente compactado (en metafase mitótica mide aproximadamente 0,001 cm (10 μm).

Rosa canina (rosa silvestre) Fucus vesiculosus (sargazo vesiculoso, alga)

Lactarius deliciosus(níscalo, hongo)

Par del cromosoma 1 humano

Homo sapiensn = 23

19.000

E (Endosimbionte); P (Parásito) y VL (Vida libre); Mbp (millones de pares de bases)

Genoma eucariótico: rasgos distintivos

En el reino vegetal el número de cromosomas varía ampliamente de unas especies a otras

Allium cepa 16

Ophioglossum sp.

1.262

308Morus nigra

Secale cereale 14Haplopappus gracilis 4

Crepis capillaris 6

Triticum aestivum 42

Solanum tuberosum 60

Homo sapiens 46

Lysandra atlantica 434-446

Myrmecia pilosula 2

En el reino animal el número de cromosomas varía ampliamente de unas especies a otras

Obviamente no es su número de cromosomas sino “la información ge-nética portada por los genes que albergan” y “la regulación diferencial encada especie de genes idénticos en muchas de ellas”.

Canis lupus familiaris 78

Felis domesticus 76Cyprinus carpio 104

Culex pipiens 6

¿Qué es lo que hace única a cada especie”

Muntiacus reevesi

Muntiacus muntjak

Un ejemplo claro de la independencia del nú-mero de cromosomas con el grupo taxonómico alque pertenece el ser vivo que los alberga en sunúcleo es el de los ciervos del mismo taxón (géneroMuntiacus) en el que hay especies muy similares(denominadas especies gemelas), una con sólo 3pares de cromosomas (M. muntjak) y otra con 23pares (M. reevesi).

Sorprendentemente, Aulacantha scolymantha-un radiolario minúsculo (0,9 mm de largo y0,009 mm de ancho) (Cercozoa, Rhizaria)-, con800 pares de cromosomas en sus células, es laespecie unicelular conocida con mayor númerode cromosomas.

Las células sexuales -gametos- tienenun solo juego de cada uno de los 23 cromo-somas diferentes (condición monosómicaconocida como haploidía, n): los esperma-tozoides (gametos masculinos) sustituir elcromosoma X de los óvulos (gametos feme-ninos) por un cromosoma Y.

El término cariotipo se refiere tanto a lacomposición cromosómica de un individuocomo a la fotomicrografía que nos mues-tra esa composición.

Cariotipo normal del hombre

Las células somáticas humanas tienen 46 cromosomas (23 pares de cromoso-mas iguales de dos en dos o repetidos -condición disómica conocida como diploi-día, 2n-, excepto en varones: en el hombre uno de los cromosomas X del par 23de la mujer es sustituido por un cromosoma diferente, llamado Y).

Citogenética: disciplina que se ocupa del estudio de los cromosomas y de su participación en la herencia

El ADN del interior de cada cromosoma es una molécula única muy larga y arrollada quecontiene secuencias lineales de genes. Éstos encierran a su vez instrucciones codificadaspara la construcción de las moléculas de proteínas y ARN necesarias para producir una co-pia funcional de la célula.

Gen

Intrón

Exón

Exón

Existen 2 categorías de genes: los genes discontinuos(segmentados) y los genes continuos, según sus regionescodificantes (exones) estén o no interrumpidas por regio-nes no codificantes (intrones).

Los llamados seudogenes son genes que han dejado de ser funcionales debido a procesosde mutación u otros fenómenos de reorganización, pero que persisten en los genomas de losseres vivos. Pueden ser muy parecidos a otros genes funcionales.

Hay genes que no son traducidos aproteína, sino que cumplen su función enforma de ARN. Entre éstos, encontramosgenes de ARN transferente (ARNt), ARNribosómico (ARNr), ribozimas y otros ARNpequeños de funciones diversas.

Genes, las unidades elementales de la vida

Para que se complete la expresión de un gen, latranscripción de la cadena de ADN que alberga sus se-cuencias genera una molécula de ARN, el llamado trans-crito primario, que -directamente o tras sufrir ciertasmodificaciones (procesamiento postranscripcional)- va aconvertirse en el ARN mensajero: molécula que, al serleída por un ribosoma, convierte en proteína la se-cuencia cifrada en dicho gen. Traducción

(síntesis proteica)

ADN ARNm

Transcripción (síntesis de ARNm)

Proteína

Posibles efectos de sustituciones de pares de ba-ses en un gen que codifica una proteína: tres pro-teínas diferentes originadas por cambios en el ADNde un único codón.

Variabilidad del material genético

Durante la replicación normal de los genes se producen ciertos errores, que se tradu-cen en la aparición de mutaciones. A ellas, conocidas como “naturales” se unen lasprovocadas por agentes físicos y químicos, conocidas como “artificiales o inducidas”.

La evolución tiene lugar debido a la selecciónnatural de los mutantes mejor adaptados alambiente en el que surgen. Este proceso es elresponsable de la diversidad de la vida so-bre la Tierra.

Por mutación y selección ha sido posible elespectacular incremento en el rendimientode la producción industrial de penicilinadesde su inicio en 1944 (1,2 mg/l) hasta lafecha (50 g/l).

Grupos sanguíneos humanos, herencia y compatibilidad Un grupo sanguíneo es una clasificación de la sangre de acuerdo con las características pre-sentes o no en la superficie de los glóbulos rojos (hematíes) y en el suero de la sangre. Las dosclasificaciones más importantes para describir grupos sanguíneos en humanos son: elsistema ABO (antígenos A, B y AB) y el factor Rh (antígeno D).

Karl Landsteiner (1868-1943) (A), biólogo y físico austriaco, determinó en1901 la existencia de tres tipos de hematíes, según la sangre estudiada, lla-mados A, B y 0, que daban lugar a reacciones de aglutinación. En 1903,Alfredo de Castello y Adriano Sturli, discípulos de Landsteiner, descubrenun 4º tipo de hematíes, al que llaman AB, sin poder aglutinante. Por sus ha-llazgos, en 1930 Landsteiner recibió el Nobel de Fisiología y Medicina.

A

En 1940, Karl Landsteiner (A) y Alexander Solomon Wiener (B), des-cubren un nuevo antígeno en los hematíes al que bautizaron como factorRh, al ser hallado en el suero de conejos inmunizados con sangre deun mono de la India de la especie Macacus rhesus.

B

0,45% (0,5%)

1,4% (2%)

4,3% (9%)

3,5% (8%)

5,0% (2,5%)

20,6% (8%)

36,5% (36%)

28,3% (34%)

Frecuencia mundial (europeos)

En Genética el gen “dominante” se refiere al miembro de un par alélico que se manifiesta en un fenotipo,tanto si se encuentra en dosis doble, habiendo recibido una copia de cada padre (combinación homocigóti-ca –por ejemplo, IAIA-) como en dosis simple, en la cual uno solo de los padres aportó el alelo dominanteen su gameto (heterocigosis, como IAi). Un fenotipo dominante es aquel que está determinado por un ale-lo dominante, y por lo tanto se expresa siempre que está presente. Los genes dominantes se representancon una letra mayúscula.

Eritroblastosis fetal (enfermedad hemolítica del recién nacido)

Rh+ (Ag D+) 85%

Rh- (AgD-) 15%

Trastorno sanguíneo en el que una madre Rh- duranteel embarazo produce anticuerpos que atacan a los gló-bulos rojos (eritrocitos) de su propio feto, cuando es-te hereda el carácter Rh+ del padre.

Enfermedades genéticas humanas

Las enfermedades “hereditarias”se incluyen en los tipos siguientes:

Enfermedad de Gaucher

Cáncer familiar de colon

Retinitis pigmentaria

Enfermedad de Huntington

Poliposis coli familiarHemocromatosisAtaxia medulocerebelosa

Fibrosis quística

Exotosis múltipleMelanoma maligno

Neoplasia endocrinamúltiple,tipo 2

Anemia falciforme

Fenilcetonuria

Retinoblastoma

Enfermedad de AlzheimerEnfermedad de Tay-Sach

Enfermedad poliquística de riñónCáncer de mamaAmitoidosis

Distrofia mióticaHipercolesterolemia familiar

Deficiencia en ADAEsclerósis lateral amiotróficaTrisomíaNeurofibromatosis,tipo 2Hemofilia

ADL (Adrenoleucodistrofia)

Síndrome de Marfan

Miopatías (de Duchenne y de Becker)

Cromosomas humanos y posición exacta de los genesresponsable de enfermedades genéticas conocidas

Las alteraciones en el número decromosomas (pérdida o duplicación) ylas mutaciones presentes en los cro-mosomas paterno y/o materno son lasresponsables de las llamadas enfer-medades “hereditarias” o “genéti-cas” (ya se han caracterizado 5.000).

➢ Monogénicas (un solo gen implicado).

A su vez, las enfermedades heredita-rias se separan, según el carácter delgen afectado -“dominantes” o “rece-sivas”- y según el cromosoma implicado-“ligadas al sexo” (X o Y) o “autosó-micas” (autosomas).

➢ Poligénicas (varios genes implicados).

➢ Cromosómicas (alteración del núme-ro de cromosomas).

➢ Mitocondriales (ADN mitocondrial).

Enfermedades genéticas humanas. El caso de la hemofiliaLa hemofilia es una enfermedad genética recesiva que impide labuena coagulación de la sangre. Está relacionada con el cromo-soma X y existen tres tipos: la hemofilia A, cuando hay un défi-cit del factor VIII de coagulación; la hemofilia B, cuando hay undéficit del factor IX de coagulación, y la hemofilia C, cuando hayun déficit en el factor XI de coagulación.

Hombre hemofílico y mujer portadora

Hombre sano y mujer portadora

Hombre hemofílico y mujer sana

Una mutación puntual recesiva en el gen de la hemoglobina –Hgb- (situado en el cromosoma 11),consistente en el cambio de una timina por una adenina, se traduce en la sustitución en las doscadenas de la Hgb habitual (la llamada HgbA) de un aminoácido de carácter ácido (ácido glutámico)por otro no cargado (valina), cambio que altera la superficie y funcionalidad de la molécula (a la quese denomina HgbS), produciendo una enfermedad hemolítica crónica grave, en ocasiones fatal,conocida como anemia falciforme.

A (Hematíes normales –AA-).B (Anemia falciforme –AS-).C (Anemia falciforme -SS-).

Aunque suele afectar a 4 de cada 1.000 niños negros, en ciertas zonas de África ecuatorialtal frecuencia alcanza hasta el 40%. En los afroamericanos es del 10%.

Los individuos heterocigóticos (AS) de rasgos falciformes están protegidos contra la formamás letal del paludismo (la alteración de la membrana celular del glóbulo rojo, causada por la acumu-lación de HgbS, se traduce en la pérdida de potasio –K+- y en la incapacidad de crecer del plasmodioen un ambiente intracelular pobre en K+). La incidencia de malaria y la frecuencia del gen falci-forme en África están inequívocamente correlacionadas. Esto es un claro ejemplo del denominadopolimorfismo compensado: un alelo que es altamente deletéreo en un homocigótico (SS) persisteporque el estado heterocigótico (AS) resulta ventajoso.

Las talasemias son enfermedades genéticas caracterizadas por una síntesis defectuosa de las ca-denas α y/o β de la Hgb, que hace que los glóbulos rojos sean más pequeños y menos coloreados(transportan menos Hgb): se habla de “microcitosis” o “hipocromía”. El nombre de talasemias derivadel griego talassa (mar), debido a la alta incidencia de algunas formas de talasemias en individuosoriundos de la costa mediterránea.

Grupo “hemo” portador de hierro

Glóbulo rojo Molécula de hemoglobina

La fibrosis quística (mucoviscidosis) es una enfermedadhereditaria de las glándulas exocrinas, que afecta funda-mentalmente a los aparatos digestivo y respiratorio y sue-le caracterizarse por: una “enfermedad pulmonar obstructi-va crónica (EPOC), insuficiencia pancreática y niveles muyelevados de electrólitos del sudor” (debido a la escasa re-absorción de Na+ y Cl-). Afecta a las glándulas que producenmoco, sudor, saliva y sustancias (enzimas) que intervienen enla digestión de los alimentos.

Es la enfermedad hereditaria más común de la raza blanca. Setransmite con carácter autosómico recesivo, entre los nacidos vivosafecta a 1 de cada 2.000 de raza blanca y a 1 de cada 17.000 deraza negra. Los pacientes tienen un riesgo de engendrar un hijo enfer-mo del 1%, cifra muy superior a la de la población general. Existe apro-ximadamente un 5% de portadores sanos.

La fibrosis quística, una enfermedad genética humana

Estas secreciones que, normalmente son fluidas, en esta enfermedadson viscosas (debido a la menor presencia en ellas de agua, que ve su se-creción disminuida) y pegajosas: ello les impide actuar como lubricantes.

El gen de la fibrosis –CFTR-, fue el 1er gen humano clonadoy secuenciado en 1989 por Francis Collins y Lap-Chee-TSui.Situado en la región 31 del brazo largo del cromosoma 7codifica una proteína de 1.480 aminoácidos denominada CFTR,siglas en inglés de proteína “reguladora de la conductanciatransmembrana de la fibrosis quística”: transporta iones Cl-a través de la membrana de células epiteliales exocrinas.DF508 es la mutación más asidua (70%): deleción de 3 nucleó-tidos que causa la pérdida de fenilalanina en la posición 508. DF508

Anormalidades cromosómicas (aneuploidías): la trisomía delcromosoma 21 es la responsable del Síndrome de Down

En 1866 el médico inglés John Langdon Haydon Downdescribe por vez primera esta alteración genética.

Cariotipo de la niña de la fotografía

En julio de 1958 el investigador francés Je-rôme Lejeune descubrió que el síndrome obe-dece a la trisomía del cromosoma 21.

Anormalidades cromosómicas (aneuploidías): la disomía delcromosoma X en varones es la responsable del Síndrome dede Klinefelter

En humanos es el desorden más comúnde los cromosomas sexuales (se cree queCarlos II de España sufrió este síndrome,debido sobre todo a los sucesivos matrimo-nios endogámicos de sus antepasados) y elsegundo cromosómico más habitual (solosuperado por el síndrome de Down). Afec-ta al 0,1% de los varones, y 1 de cada 500posee un cromosoma X extra aunque no ma-nifiesta el síndrome. Otros mamíferos tam-bién se ven afectados (incluidos los ratones)

En la figura se indican los síntomas típicos del síndrome, éste además suele acompañarse de retraso mental.

Sin calvicie frontal

Barba escasa

Caderas anchas

Hombros estrechos

Brazos y piernas largos

Pocos pelos en el torso

Pecho desarrollado

Pelos en el pubis tipo femenino

Testículos pequeños

La genetista inglesa Patricia Ann Jacobs des-cubrió en 1959 que obedece a la presencia deun cromosoma X extra en los varones: se acha-ca a la separación incorrecta de los cromosomasX homólogos durante las meiosis que dan lugar alos óvulos de la madre.

El llamado síndrome de Klinefelter (tambiéndenominado síndrome 47, XXY y síndrome XXY)recibió su nombre en honor al Dr. Harry FitchKlinefelter, norteamericano que lo observó ydescribió en 1942 cuando trabajaba en el hospi-tal General de Massachusetts (Boston).

Anormalidades cromosómicas (aneuploidias): monosomía delcromosoma X (Síndrome de Turner o disgenesia gonadal)

La enfermedad afecta a 1 de cada 2.500bebés. Además de un cariotipo anormal mani-fiestan otros rasgos, como la línea del cabellobaja en la espalda y el cuello unido a la es-palda por membranas. Destaca sobre todo subaja estatura (1,30 a 1,47 m), unida a: párpa-dos caídos; anormalidades oculares (ojos re-secos, estrabismo y nistagmo -movimiento ocu-lar incontrolado-); desarrollo de la pubertadretardado e incompleto; falta de menstrua-ción; manos con pliegue simiesco; problemascardiacos (insuficiencia aórtica y malforma-ciones en la parte izquierda del corazón), etc.

El nombre de síndrome de Turner se debe al pediatra alemán Otto Ullrich(1894-1957) y al endocrinólogo estadounidense Henry Hubert Turner (1892-1970). En 1930 Ullrich describió por 1ª vez la combinación única de carac-trísticas de este síndrome, y en 1938 Turner expuso su individualidad. En1959 se pudo demostrar que el origen del síndrome de Turner obedecía a lapresencia de un solo cromosoma sexual, en forma de cromosoma X (a vecesse observan 2 cromosomas X, uno incompleto): los afectados se desarrollancomo mujeres estériles.

Pliegue simiesco

Pliegues normales

En el año 2007 dos temas biomédicos encabezaban el “ranking” de hitoscientíficos de revistas especializadas, como la prestigiosa revista estado-unidense Science. Esos temas eran:

➢ El genoma humano y las innumerablesvariaciones de nuestro “libro de la vida”.

➢ La creación de células madre similares alas células madre embrionarias” (pero sinsu polémico origen), llamadas “células ma-dre pluripotentes inducidas”.

Finalmente, los responsables de esta prestigiosa publicación científicaestadounidense dieron el oro a la investigación sobre el genoma humano.

Francis CollinsInstituto Nacional de Investiga-ción del Genoma Humano (USA)

J. Craig Venter

Hamilton Smith

Celera Genomic (USA)

Celera Genomic (USA)

Jean WeissenbachGenoscope (Francia)

John SulstonSanger Center (Reino Unido)

¡Además van y les conceden el Premio Príncipe de Asturias, de Investigación científica y Técnica!

2001

Hitos importantes en el conocimiento del ge-noma humano fueron: el descubrimiento en1956 del número de cromosomas que lo con-forman -se pudo determinar a través de su re-presentación gráfica (cariotipo)- y, sobre to-do, la secuenciación completa de dicho geno-ma en abril de 2003.

Los estudios microscópicos y de ADN indican que el cromosoma 2 (el 2º más grandede nuestro genoma), se formó en un ancestro humano, por la fusión de dos cromoso-mas de mono de tamaño medio. Además existen otras diferencias visibles entre losgenomas humano y de chimpancés. El cromosoma 9 humano es más grande que el 9del chimpancé y el 12 algo más corto. También, respecto al chimpancé, el cromosoma4 humano muestra ciertas reorganizaciones no observadas en el símico.

Hasta mediados del siglo XX la mejor estimación de la cienciarespecto al número de cromosomas humanos era de 48 (que coin-cide con el número de cromosomas del chimpancé, el gorila y el oran-gután).

El 22 de diciembre de 1955 elindonesio Joe Hin Tjio, expertoen genética vegetal, mientras de-sarrollaba nuevas técnicas de se-paración de cromosomas, descu-brió en tejido pulmonar humanoque solo teníamos 46 cromoso-mas. Tjio (1916-2001)

Cariotipo humano (ima-gen del artículo publi-cado en Hereditas).

Tjio hizo su hallazgo durante su estancia en Suecia, en ellaboratorio del Instituto de Genética (Universidad de Lund) diri-gido por Albert Levan, y, siguiendo la tradición universitaria –se-gún la cuál el director del laboratorio debía encabezar la autoríade los artículos científicos que se produjesen en su laboratorio,hubiera o no intervenido en la investigación-, su descubrimientolo tuvo que compartir con Levan (ambos firmaron el artículo ti-tulado “El número de cromosomas del hombre”, publicado en el 1er

número de 1956 en la revista Hereditas), quién, no solo no par-ticipó en el mismo, sino que estaba incluso de vacaciones.

Levan (1905-1998)

El proyecto genoma humano: la secuenciación del ge-noma humano El conocimiento de la secuencia genómica de un organismo no sólo revela sus genes,también nos ofrece importantes pistas acerca de cómo funciona dicho organismo y de suhistoria evolutiva. La palabra genómica se refiere a la disciplina encargada de mapear,secuenciar, analizar y comparar los genomas.

El proceso abría grandes esperanzas biomédicas, relacionadas con el conocimiento delos mecanismos moleculares implicados en la manifestación de las enfermedades gené-ticas (unas 5.000 ya han sido descritas). Ello permitirá su tratamiento y prevención.

➢ Celera Genomics (empresa norteamericana privada, fundada en mayo de 1998 por J.Craig Venter para comercializar los resultados de las investigaciones genómicas) seplantea el mismo objetivo que el HGP, aunque con un periodo de ejecución de solo 3años.

➢ En 1990 se forma un Consorcio Internacional para materia-lizar este proyecto público (EE. UU., Gran Bretaña, Francia, Japón yCanadá), dirigido -tras la renuncia de Watson- por el prestigiosobioquímico norteamericano Francis Collins. Sus planes eran comple-tar la secuenciación del genoma humano para el 2003.

La secuenciación del genoma humano se planteó por 1ª vez en losEE. UU. Para ello en 1988 se creó el Human Genome Project –HGP-, cuyas oficinas se establecieron en el Instituto Nacional de la Salud(NIH), nombrándose a James Dewey Watson como director: porentonces J. Craig Venter, otro científico estadounidense de reco-nocido prestigio, trataba de patentar fragmentos de ADN humanoclonado a partir de tejido cerebral, a lo que Watson se oponía.

J.D. Watson (1928)

Subyacía el temor posible de que en un futuro se utilice la información genéti-ca para discriminar a las personas predispuestas a padecer enfermedades cró-nicas, por ejemplo en la contratación y en las promociones laborales, en seguros, etc.

Celera Genomics anunció en enero de 2000 que ha-bían secuenciado el 90% del genoma.

En ese momento, en realidad solo se había descifradoalgo más del 90%. Al boceto del genoma humano se lebautizó como el “libro de la vida”, y a cada cromosoma co-mo “un capítulo del mismo”.

El 26 de junio de 2000, 3 años antes de lo previsto enel HGP, el presidente norteamericano Bill Clinton y el pri-mer ministro británico Tony Blair por medio de una tele-conferencia anuncian al mundo, en una ceremonia en la CasaBlanca de gran impacto mediático, la existencia del primerborrador del genoma humano completo.

Un libro extraordinariamente complejo, como se puede intuir a partir de lo afir-mado por Francis Collins (director del HGP): “Es un libro cuyo texto tardaríamos11 años en recitar, de ser capaces de leerlo a una velocidad de 10 letras porsegundo”.

Oficialmente el primer borrador dela secuencia completa del genomahumano se publicó la 2ª semana defebrero de 2001 en la revista britá-nica Nature (la obtenida por el HGP) yen la norteamericana Science (la halla-da por la empresa privada Celera Ge-nomics).

El inmenso esfuerzo científico para descifrar el genoma humano evidenció la ba-talla entre dos mundos de investigación, el público y el privado, por el dinero yel libre acceso a los conocimientos. Afortunadamente, gracias a las investigacio-nes públicas, ambas secuencias, y con ellas los datos que abren una nueva era dela Medicina, se colocaron en Internet en bancos de datos genéticos de libreacceso sin costo alguno para la comunidad científica.

Los investigadores destacaron que el paso siguiente debíaser la elaboración del mapa de las proteínas humanas: enel 2001 se creó la Organización para el Proteoma Humano-la HUPO, siglas en inglés-: se trata de encontrar y definirlas decenas de miles de proteínas distintas del cuerpo huma-no, pues ellas son las que en realidad especifican el compor-tamiento de nuestro cuerpo.

Francis Collins (representante del Consorcio de Secuenciación del Genoma Humano)y J. Graig Venter (Celera Genomics), en rueda de prensa conjunta (Washington, 12de febrero del 2001) presentan el mapa del genoma humano en su país. Ese mismodía se presenta en Paris, Londres y Berlín. El día siguiente fue presentado en Tokyo.

El libro de la vida (el genoma humano)

Una persona contempla la representacióndigital obtenida por computador del geno-ma humano (Museo de New York, 2001)

1,5%

23,5%

Tamaño: 3.164 millones de pares de bases.

El 99.9% del genoma es idéntico en todos los individuos.

El número total de genes: entre20.000 y 25.000 (10 años después, enjulio de 2015, se rebajó a 19.000).

El 75% son regiones intergénicas, ydel 25% de las secuencias génicas só-lo el 1,5% son exones (i.e., secuenciascodificantes), el 23,5% son intrones.

El genoma humano es un ADN bicatenario de 1,8 metros de longitud, formado por 3.164millones de pares de bases (3.164 megabases –Mb-, o 3,164 gigabases –Gb-).

Solo el 1,5% de nuestro genoma está formado por secuencias codificantes, por lo queéste alberga menos genes de los previstos: entre 20.000 y 25.000 (en julio de 2015 seestableció en 19.900 el número de genes codificantes, cifra bastante inferior a la que inicial-mente se presumía -unos 100.000 genes-). El 98,5% del genoma humano restante seríabasura genómica. Es como si en una estantería con 200 libros, solo 3 libros significaranalgo o, mejor aún, como si solo fuera cierto un versículo de la Biblia por página.

La longitud media de cada gen humano es de unas 50.000 bases nucleotídicas (50 kilobases,kb), estimándose un número medio de genes por cromosoma de entre 2.000 y 5.000, conunas 400 mutaciones detectadas por gen.

Destacan los llamados genes mórbidos (genes directa o indi-rectamente implicados enenfermedades genéticas). En octubre de 2008 ya se habían caracterizado unos 19.000.

Existen alrededor de 4.500 sitios de polimorfismo de un nu-cleótido, conocidos como SNP (Single Nucleotide Polymorphism,se pronuncia esnip) –un SNP corresponde a una variación en la se-cuencia de ADN que afecta a un nucleótido, algunos autores con-sideran que cambios en unos pocos nucleótidos y pequeñas inser-ciones o deleciones pueden ser consideradas como un SNP-. Paraconsiderarse un SNP se ha de presentar en al menos el 1% de lapoblación, en caso contrario se considera como “mutación pun-tual”. Los SNP abarcan unos 3 millones de pb (el 0,1% de nuestrogenoma) y constituyen hasta el 90% de todas las variacionesgenómicas humanas, apareciendo cada 1.300 bases en prome-dio, a lo largo del genoma humano. Dos tercios de los SNP corres-ponden a la sustitución de una citosina (C) por una timina (T). LosSNP pueden afectar la respuesta de los individuos a enfer-medades, bacterias, virus, agentes químicos, fármacos, etc.

El proyecto ENCODE (acrónimo inglés de “Encyclopedia ofDNA Elements”), desarrollado por un superconsorcio científicointernacional -442 científicos-, presentó el 4 de septiembrede 2012 sus resultados en 30 artículos (6 de ellos en la pres-tigiosa revista Nature): el hallazgo principal de esta especiede Proyecto Genoma II fue que el ADN basura no es tal.

Hasta ahora no se ha descubierto un gen exclusivamente humano, por lo que se admiteque lo que nos diferencia de los seres vivos más simples es el modo como funcionan nues-tros genes: se trata de genes más complejos y que disponen de mayor cantidad de secuen-cias genómicas no codificantes para controlar su funcionamiento.

El 80% del genoma humano resulta tener al menos una función bioquímica en al menos al-gún tejido del cuerpo y en al menos alguna fase del desarrollo o de la vida adulta. Y nadamenos que el 90% del genoma participa en la regulación de los genes convencionales. De hecho,la mayoría de las variaciones implicadas hasta ahora en alguna enfermedad humana está enestas zonas que se consideraban basura, lo que abrirá nuevas posibilidades a la medicina.

Los 19.000 genes del genoma humano representan un número similar a hallado en: Caeno-rhabditis elegans, un gusano nematodo de apenas 1 mm; la lombriz de tierra y el ratón (com-partimos el 70% de secuencias codificantes, que representan solo el 1,5% de las genómicas).Además nuestro genoma comparte material genético con organismos mucho más simples, co-mo la levadura (20%) o la mosca del vinagre (casi 50%). Muchos de nuestros genes, idénticos agenes bacterianos (compartimos 17 genes) y de virus, provienen de intercambios con dichosseres en etapas tempranas de la evolución.

En un comunicado del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España),publicado el 3 de noviembre de 2009 en la prensa nacional, se informaba que el melón (Cucumismelo) en sus 24 cromosomas, aunque tienen solo unos 450 millones de pares de bases(pb), alberga unos 26.000 genes, un número de genes superior a los 19.000 genes del ge-noma humano (portador de 3.164 millones de pb en sus 32 cromosomas).

Cuando, en febrero de 2001, se presentó el “libro de la vida”, uno de los datos máschocantes y polémico fue el hallazgo de 17 genes bacterianos intercalados entre los hu-manos, atribuible, según unos, a un posible error experimental o, según otros, a una transfe-rencia horizontal de genes desde bacterias.

Aunque uno de estos genes “no humanos” es el genbacteriano ABO (responsable del grupo sanguíneo), losdemás se relacionan con procesos muy diversos e impor-tantes: por ejemplo, con el metabolismo de los ácidosgrasos (13 genes) y la modificación de grandes biomo-léculas (15 genes); con la respuesta inmune (7 genes);con actividades antioxidantes de la célula (5 genes).

Hace millones de años, dichos genes eran para nuestros antepasados “transgenes”, si-milares a los que desde 1983 confieren a variedades biotecnológicas nuevas propiedades(resistencia a antibióticos, a herbicidas o poder insecticida), y que tanto rechazo generan,transgenes que para los humanos han terminado convirtiéndose en indispensables.

Como se ve, buena parte de nuestra interacción con el mundomicrobiano se basa en genes adquiridos de los propios micro-bios. El gen que nos permite sintetizar ácido hialurónico es deorigen fúngico, mientras que el gen que gobierna la masa corpo-ral y la obesidad parece proceder de un alga. Además portamos40 genes procedentes de gusanos.

El 12 de marzo de 2015, Alastair Crisp y sus co-legas de la Universidad de Cambridge, en un estudio pu-blicado en Genome Biology, no solo confirmaron que nose trataba de un error (los 17 genes sospechosos eranbacterianos), sino que además nuestro genoma albergaotros 128 genes de procedencia muy diversa.

Muchos científicos opinaban que, aunque la información por esclarecerrepresentaba solo un 0,8% de la total, situándose además en enclavespoco importantes, la misma debería caracterizarse al 100%. Algo que,según los expertos, exige 10-20 años más de trabajo.

Se ha de destacar el extraordinario parecido del ge-noma humano y el del chimpancé: un 99% de homología.

Las diferencias entre la información genética de razashumanas distintas afectan sólo al 0,1% de sus secuencias.

El boceto presentado por el HGP en el 2001, en elque aparecía sin poder ser leída algo menos del 10% dela información presente en los 23 pares de cromoso-mas, se consideró concluido el 14 de abril de 2003.

Casi todos los genes estaban ya en su posición correcta, algo vital paralocalizar un gen que contribuye a una enfermedad determinada: solo pe-queñas secciones del nuevo boceto seguían en blanco, junto con unos400 párrafos de longitud conocida cuyos textos faltaban.

Se han caracterizado hasta 83 genes que difieren enhumanos modernos y neandertales (especie extinta del G.Homo que habitó Europa y partes de Asia occidental desdehace 230.000 hasta 28.000 años atrás, durante el Pleisto-ceno medio y superior y culturalmente integrada en el Pa-leolítico medio).

Neanderthal

Cro-Magnon

NeanderthalCro-MagnonEn un periodo de unos 5.000 años, los neander-

thales y el hombre de Cro-Magnon, el 1er hombre mo-derno en Europa, convivieron en los mismos territorios.

El número de genes –originados de nuevo en términos evolutivos– que nos separan de losratones –anteriores a los primates en la escala evolutiva– podría ser inferior a 10, en lugarde los más de 500 que se presuponían con anterioridad.

Las secuencias conocidas como “polimorfismo de nucleótidosimple” –SNP- (siglas de “Single Nucleotide Polymorphism”), sonlas que nos distinguen a unos de otros. En ellas se halla la in-formación sobre: el fenotipo de algunas personas (por ejemplo,el color de ojos); la susceptibilidad a enfermedades (cáncer,paludismo, Sida); el mejor modo de diagnosticar y tratar ennosotros esas dolencias; cómo respondemos a los medicamen-tos, etc. De ahí que los análisis genéticos basados en la detec-ción de SNPs, puedan revelar información acerca del riesgo depadecer ciertas enfermedades, como Parkinson, diabetes, tras-torno bipolar, etc.

En la actualidad se sabe que el genoma humano porta po-cos genes relacionados con las enzimas necesarias para ladigestión de los carbohidratos vegetales complejos queingerimos, la mayoría de los genes que empleamos (más de100) se hallan presentes en el microbioma (nombre acuñadoen 2001 por el biólogo estadounidense Joshua Lederbergpara referirse al “conjunto de genes de los microorganismosque conforman la microbiota corporal”). El genoma de estamicrobiota, del que se han caracterizado unas 2.000 espe-cies y 100 billones de células, porta unos 8 millones de genes.

Sabemos por ejemplo, que, tanto las pre-ferencias sexuales como el deseo sexual,están controlados por nuestro genoma (lalibido en concreto por una región llamada“DRD4”, codificada en el brazo corto delcromosoma 11 -11p.15.5.-, que regula la ac-tuación de la dopamina sobre el cerebro).

Una VNTR humana, que posee 17 pares de bases –pb-, se repite entre 70 y 450 veces (ellosignifica que el total de pb de ella podría variar de unos individuos a otros entre 1.190 y7.650 pb de su ADN genómico).

En el genoma humano se descubren secuencias repetitivas y redundantes -como las de lafamilia de secuencias llamadas VNTR (siglas en inglés de “variable number of tandem repeats”,o, número variable de repeticiones tándem), secuencias polimórficas (i.e., muchas “formas” o“alelos” diferentes para estos “loci”) cuyo número y posición en cada cromosoma varía deunos individuos a otros. Por ello, sirven para distinguirnos de los demás, lo que resulta deutilidad en ciencias forenses, en criminología, en casos de paternidad dudosa, etc.

El cromosoma Y ha sido catalogado como “castillo decristal genómico”, debido a que contiene extensas regio-nes especulares o palindrómicas (que lo hacen ser únicoentre los cromosomas humanos), en las que se sitúan porduplicado la mayoría de sus 454 genes funcionales, entrelos que se hallan los que afectan la fertilidad masculina,destacando también la presencia de genes vestigiales.

Cromosoma X

Cromosoma Y

➢ El cromosoma Y es un mosaico de 2 tipos de secuenciasgenómicas: eucromáticas, que albergan a los genes acti-vos, y heterocromáticas, que no son funcionales.

➢ Sus secuencias se publicaron en la revista Nature: el 19 de junio de2003, la de los 58 millones de pares de bases (pb) del cromosoma Y; el17 de marzo de 2005, la de los 155 millones de pb del cromosoma X.

El par 23 de cromosomas humamos, par de cromosomas sexuales, es-tá formado por 2 cromosomas idénticos en la mujer, llamados X, ydiferentes en el hombre, un único cromosomas X y un cromosoma Y.

El genoma humano: cromosomas sexuales X e Y

➢ Entre las secuencias eucromáticas funcionaleshay 3 clases: “X degenerada” (20%, reliquias degenes de cuando los cromosomas X e Y evoluciona-ron a partir de un ancestro común, genes pareci-dos a genes del cromosoma X, se expresan encualquier parte del cuerpo, aunque muchos deellos no funcionales); “X traspuesta” (genes in-tercambiados con el cromosoma X hace 3-4 mi-llones de años, cuando divergieron los antepasa-dos de los humanos y los chimpancés. Muy pocosson funcionales), y “amplicónica” (67-70%, se si-túan en las regiones palindrómicas, se expresansolo en las células espermatogénicas, siendo losresponsables de la fertilidad masculina).

X-traspuestasX-degeneradas

AmplicónicasHeterocromáticas

PseudoautosómicasOtras

Región específica masculina

Cromosoma X humano: localización de algunos genes causantes de enfermedades genéticas

¿Cómo se repara a sí mismo el cromosoma Y?

Un gen es dañado por mutación

La mutación se corrige copiandola versión silvestre del otromiembro del par de genes idén-ticos del palíndromo, ubicado enel brazo opuesto

Aunque anteriormente se le creía “dormido”, el cromosoma X tiene activos en todo momen-to más del 15% de sus 1.850 genes. De ellos, 345 se han relacionado con enfermedadesgenéticas, incluido el DMD (gen de la distrofina, el gen humano de más largo -2,5 millones depares de bases, el 0,08% del total del genoma, y 97 exones, implicado en la distrofia muscularde Duchenne) y 59 están también en el cromosoma Y.

El genoma humano: el cromosoma 1, el último caracterizado

El 18 de mayo de 2006 la agencia Reuters co-municaba la obtención de la secuencia completa delcromosoma 1. Una investigación, publicada ese mis-mo día en Nature, que ha tardado más de 10 años enhacerse y en la que han participado unos 150 cientí-ficos ingleses y norteamericanos.

➢ Con el cromosoma 1 se relacionan alrededor de 350 enfermedades, entre ellas ciertos cánce-res, el Alzheimer y el Parkinson.

➢ Se trata del cromosoma humano más grande (su información -247.199.719 pb- supone un 9%del total del genoma humano). Aparece formado por 4.222 genes -lo que supone algo más del do-ble de la media de genes albergados por cada cromosoma humano y más de 3 veces el de ge-nes totales presentes en nuestros 3 cromosomas más pequeños (el cromosoma 4, que posee451 genes; el cromosoma 11, con 449 genes, y el cromosoma Y, con 454 genes)-.

➢ Sus espacios intergénicos están ocupados por 1,3 millones de pb que forman secuencias lamayoría de ellas repetidas.

En ella se destaca lo siguiente:

En el cromosoma X se han caracterizado 30 genes relacionados con laproducción de retraso mental exclusivamente en varones. En las mujeres,es harto improbable que ambos cromosomas X lleven la versión alterada delmismo gen: de ahí que la mujer, no sólo tiene menor probabilidad que elhombre de padecer retraso mental sino que además posee más plasticidadgenética. Así ella evita enfermedades que podrían ser letales, lo que enparte podría explicar la mayor longevidad femenina.

¡Ante la duda, yo la viuda!