Fundamentos de Genética: Herencia, ADN y Biología Molecular

Herencia Mendeliana y No Mendeliana

Son patrones de transmisión de rasgos genéticos que difieren en la forma en que dichos rasgos se expresan.

1. Herencia Mendeliana (Monogénica)

Sigue los principios de Gregor Mendel. Los rasgos son determinados por genes con alelos dominantes y recesivos, lo que da como resultado patrones de herencia predecibles.

Características:

• Se basa en la segregación de alelos de un gen, donde uno domina sobre el otro.
• Los rasgos monogénicos causados por mutaciones en el genoma nuclear se denominan mendelianos.

Principios Fundamentales (Leyes de Mendel):

• Ley de la uniformidad: Al cruzar dos individuos de raza pura (homocigotos), la descendencia de la primera generación filial ($F_1$) será idéntica entre sí en genotipo y fenotipo.
• Ley de la segregación: Durante la formación de gametos, los dos alelos de un gen se separan (segregan) para que cada gameto reciba solo un alelo.
• Ley de la transmisión independiente: Diferentes rasgos se heredan de manera independiente unos de otros.

Ejemplos clásicos:

• Color de los guisantes y la coloración de sus flores (dominancia completa).
• En humanos: Color de ojos, tipo de sangre (en aspectos simples) y la forma del lóbulo de la oreja (libre o adherido).
• Trastornos genéticos: Fibrosis quística, enfermedades autosómicas dominantes, autosómicas recesivas y ligadas al cromosoma X.

Importancia y Aplicaciones:

• Fundamentos de la genética: Explica la transmisión de rasgos y la variabilidad.
• Biomedicina: Es crucial para entender la herencia de enfermedades genéticas y facilitar diagnósticos.
• Agricultura: Permite mejorar cultivos mediante la selección de rasgos deseables, aumentando resistencia y productividad.

Herencia No Mendeliana

Involucra patrones más complejos donde los rasgos no siguen las leyes clásicas de Mendel; participan interacciones complejas entre múltiples genes, alelos y factores ambientales.

Tipos principales:

• Dominancia incompleta: El fenotipo del heterocigoto es un resultado intermedio o mezcla de los parentales (ej. flores de color rosa derivadas del cruce de flores rojas y blancas).
• Codominancia: Ambos alelos se expresan simultáneamente en el heterocigoto, manifestando características de ambos (ej. grupos sanguíneos AB).
• Herencia ligada al sexo: Genes ubicados en los cromosomas sexuales (X e Y) que se heredan de manera diferente en hombres y mujeres (ej. hemofilia, daltonismo).
• Alelos múltiples: Un rasgo es controlado por más de dos alelos en la población (ej. color de la piel, color de semilla de trigo).
• Herencia poligénica: Un rasgo es controlado por múltiples genes, generando una variación continua (ej. altura, peso).
• Herencia mitocondrial: El ADN mitocondrial se hereda exclusivamente de la madre a través del óvulo.
• Impronta genética: Solo se expresa un alelo parental debido a modificaciones epigenéticas.
• Epistasia: Interacción genética compleja donde un gen epistático impide o enmascara la manifestación de otro gen (hipostático).

Biología Molecular y Genética Moderna

Técnicas actuales:

• CRISPR-Cas9: Herramienta de edición genética (guía de ARN y tijeras moleculares Cas) utilizada en terapias génicas, mejora de cultivos y edición de embriones.
• Secuenciación de nueva generación: Permite análisis genómicos a gran escala y bajo costo.
• Eficiencia de qPCR: Útil para la detección de enfermedades y análisis de expresión génica.

Futuras direcciones:

• Edición genética avanzada para corregir patologías y estudiar funciones específicas.
• Estudio del epigenoma, evaluando cómo las modificaciones químicas influyen en la expresión sin alterar la secuencia de ADN.

1. Introducción al Dogma Central de la Biología Molecular

Propuesto por Francis Crick, describe el flujo de información genética en las células.

• Flujo unidireccional: Va del ADN al ARN y de este a las proteínas, regulando la expresión génica.
• Resumen de etapas: El ADN se copia en ARN mensajero (transcripción) y este se usa para sintetizar proteínas (traducción).
• Importancia biológica: Explica la transmisión de características hereditarias y es clave para la investigación genética, medicina y agricultura.

2. Estructura y Función del ADN

• Composición química: Doble hélice formada por dos cadenas de nucleótidos.
• Estructura del nucleótido: Compuesto por un grupo fosfato, desoxirribosa y una base nitrogenada.
• Bases nitrogenadas: Adenina (A), Timina (T), Guanina (G) y Citosina (C).
• Interacción de bases: Se emparejan específicamente como A-T y C-G mediante enlaces de hidrógeno.
• Organización en cromosomas: Se compacta (desde doble hélice hasta histonas) para distribuirse en la división celular.
• Funciones principales: Almacenar y transmitir información genética en genes y regular la expresión génica mediante elementos como promotores.

3. Mecanismos de Replicación del ADN

Capacidad del ADN de hacer copias exactas antes de la división celular.

Proceso y Enzimas Clave:

• Iniciación: La Helicasa rompe puentes de hidrógeno y separa las cadenas formando horquillas.
• Proteínas SSB: Mantienen separadas las cadenas abiertas.
• Síntesis: La ADN Polimerasa añade nucleótidos en dirección 5' a 3'.
• Procesamiento: La ADN Polimerasa I reemplaza cebadores y la Ligasa une los fragmentos.
• Mecanismos correctores: Sistemas de revisión que aseguran la alta fidelidad de la copia.

4. Transcripción (ADN a ARN)

Proceso que copia la secuencia del ADN para generar ARN mensajero (ARNm).

• Enzima clave: La ARN polimerasa sintetiza el ARN usando el ADN como molde.
• Regulación: Factores de transcripción y co-reguladores (co-activadores para eucromatina o co-represores para heterocromatina) modulan los genes.
• Errores: Los sistemas correctores previenen fallos; su alteración causa proteínas defectuosas y cáncer.

5. Tipos de ARN y Traducción

Tipos de ARN

• ARNm (Mensajero): Lleva la información genética del ADN a los ribosomas.
• ARNr (Ribosómico): Forma parte de los ribosomas y cataliza enlaces peptídicos.
• ARNt (Transferencia): Incorpora aminoácidos emparejando anticodones con los codones del ARNm.

Proceso de Traducción y Ribosomas

• Función de los ribosomas: Maquinaria molecular con subunidades y sitios (E, P, A) para traducir el ARNm en polipéptidos.
• Plegamiento: Las proteínas deben plegarse de forma correcta para ser funcionales.

Modificaciones Post-Traduccionales:

• Fosforilación: Regula la señalización, ciclo celular y apoptosis.
• Glicosilación: Interviene en el reconocimiento e interacción celular.
• Ubiquitinación: Marca proteínas para su degradación.

6. Ejemplos de Proteínas y sus Funciones

• Enzimas: Aceleran reacciones bioquímicas del metabolismo y la digestión.
• Hemoglobina: Transporta oxígeno y dióxido de carbono en la sangre.
• Colágeno: Otorga soporte estructural, elasticidad y resistencia a tejidos y huesos.

7. Implicaciones y Aplicaciones Prácticas del Dogma Central

• Relación Genes y Fenotipos: Los fenotipos dependen de la genética, la epigenética y factores ambientales (dieta, ejercicio, microbiota, etc.).

Aplicaciones en Biotecnología y Salud:

• Medicina Personalizada: Adapta tratamientos según variantes genéticas individuales.
• Vacunas de ARNm: Enseñan a las células a generar respuestas inmunitarias.
• Cultivos Mejorados: Plantas resistentes a plagas y entornos adversos.
• Salud Pública: Uso de biomarcadores para detección temprana de enfermedades.

Estructura, Organización y Comparación del Ácido Nucleico

1. Estructura y Componentes del ADN

• Doble hélice: Otorga estabilidad al ADN, siendo clave para la replicación y transmisión genética.
• Nucleótidos: Sus enlaces de hidrógeno entre bases complementarias aseguran la fidelidad en la replicación y expresión génica.
• Variabilidad genética: Su secuencia de pares de bases determina la diversidad genética y las características fenotípicas.

2. Organización del ADN en Eucariotas

• Eucromatina y heterocromatina: Formas de organización de la cromatina que regulan el acceso al ADN para la transcripción y expresión génica.
• Niveles de empaquetamiento: Las histonas (H3, H4, H2A, H2B) forman el núcleo del nucleosoma, unidas por ADN espaciador y la histona H1. Se pliegan en una fibra de 30 nm, luego en bucles de 300 nm, hasta formar el cromosoma.

Mecanismos de Reorganización del ADN

Procesos que modifican la estructura o secuencia del ADN para garantizar la estabilidad genética y la evolución.

1. Recombinación Homóloga

• Concepto: Intercambio de segmentos de ADN entre moléculas altamente similares o idénticas.
• Ocurrencia: Entre cromosomas homólogos (paterno y materno) en la meiosis para formar gametos, o para reparar roturas de doble cadena.
• Función: Asegura la viabilidad genética, mezcla alelos y permite la adaptación evolutiva.

2. Recombinación Sitio-Específica

• Concepto: Ocurre entre secuencias cortas de ADN muy específicas con poca o ninguna homología (ej. virus Lambda y E. coli).
• Enzimas clave: Integrasas y recombinasas, que facilitan cortes precisos.
• Aplicaciones: Ingeniería genética para cultivos agrícolas y edición genética (CRISPR/Cas9).

3. Transposición ("Genes Saltarines")

Movimiento en el que un segmento de ADN (transposón) se desplaza e inserta en otra ubicación del genoma.

Tipos principales:

• Retrotransposones: Usan un intermediario de ARN y la transcriptasa reversa.
• Transposones de ADN: Usan un mecanismo directo de "cortar y pegar".
• Impacto evolutivo: Crea combinaciones genéticas que generan adaptaciones y nuevas especies.

Replicación del ADN

Copia de una molécula de ADN que produce dos moléculas idénticas, esencial para la división celular y la herencia.

Fases del Proceso

• Desenrollamiento (Unzipping): La doble hélice se abre por acción de la helicasa.
• Apareamiento: Cada hebra sirve de molde; la ADN polimerasa añade nucleótidos complementarios (A-T, C-G).
• Síntesis: Se forman dos dobles hélices idénticas a la original (creando hebras conductoras y hebras rezagadas con fragmentos de Okazaki).

Enzimas Clave y su Función

• Helicasas: Desenrollan la doble hélice.
• ADN polimerasa: Sintetiza la nueva cadena y corrige errores mediante actividad exonucleasa (alta fidelidad).
• ADN ligasa: Sella los fragmentos nuevos (especialmente en la hebra rezagada) para dar continuidad.

Reparación del ADN y Errores

Tipos de Daños

• Una sola cadena: Se usa la cadena intacta como plantilla para una reparación segura y sin mutaciones.
• Dos cadenas: Daño crítico que puede causar muerte celular o enfermedades graves si no se repara.

Principales Mecanismos de Reparación

• Fotoreparación: La enzima ADN fotoliasa (activada por luz visible) rompe los enlaces de los dímeros de timina causados por luz UV.
• Reparación por Escisión: Una enzima nucleasa corta los puntos dañados. La ADN helicasa retira el segmento y la ADN polimerasa con la ADN ligasa rellenan y sellan el espacio.
• Reparación de Desajustes (Mismatch Repair): Corrige errores post-replicación comparando cadenas metiladas y no metiladas.