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Genes y cromosomas

Por David N. Finegold, MD

  • Un gen es un segmento de ADN que contiene el código necesario para sintetizar una proteína.

  • Un cromosoma contiene de cientos a miles de genes.

  • Cada una de las células humanas contiene 23 pares de cromosomas, es decir 46 cromosomas.

  • Un rasgo es una característica determinada genéticamente (por genes) y suele estar determinado por más de un gen.

  • Algunos rasgos están causados por genes defectuosos, los cuales pueden haber sido heredados o ser el resultado de una nueva mutación.

Las proteínas son probablemente el material más importante del organismo. Las proteínas no solo son los componentes esenciales que forman los músculos, el tejido conjuntivo, la piel y otras estructuras; también son necesarias para producir enzimas. Las enzimas son proteínas complejas que controlan y llevan a cabo casi todos los procesos y reacciones químicas del organismo. El organismo produce miles de enzimas distintas. Así, toda la estructura y funcionamiento del organismo depende del tipo y de las cantidades de proteínas que este sintetice. La síntesis de proteínas se controla a través de los genes, que se hallan contenidos en los cromosomas.

El genotipo, es la combinación única de genes de cada persona, es decir, es el conjunto completo de instrucciones con el que el organismo de esa persona sintetiza sus proteínas y, por tanto, con el que ese organismo debe construirse y funcionar.

El fenotipo consiste en la estructura y función reales del organismo de una determinada persona. El fenotipo suele diferir en algo del genotipo; esto se debe a que no todas las instrucciones del genotipo pueden ser realizadas (o expresadas). Si un gen se expresa o no y la forma cómo lo hace son aspectos que no dependen exclusivamente del genotipo, sino también del entorno (incluidas las enfermedades y la alimentación), además de otros factores diversos, algunos de los cuales son desconocidos.

El cariotipo de una persona es el conjunto completo de los cromosomas de sus células.

Genes

ADN

Los genes están constituidos por ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN contiene el código o las instrucciones usadas para sintetizar las proteínas. Los genes varían en tamaño, 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).

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.

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; y se mantienen unidas 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.

Síntesis de proteínas

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, que determina su función en el organismo. 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.

Codificación

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.

Transcripción y 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, que es la parte de la célula externa al núcleo (ver figura Interior de la célula). 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).

Control de la expresión génica

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.

Replicación

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.

Mutación

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 que afectan a las células reproductoras pueden transmitirse a la descendencia. 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 raras. 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 no tienen ningún efecto sobre el fenotipo (ver Genes y cromosomas).

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, el gen de la drepanocitosis causa anemia drepanocítica (o anemia de células falciformes), pero también proporciona protección contra la malaria. Aunque la protección contra la malaria puede ayudar a una persona a sobrevivir, la anemia de células falciformes causa síntomas y complicaciones que pueden acortar la esperanza de vida, por lo que la supervivencia no siempre es prolongada.

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.

¿Sabías que...?

  • El gen que causa la anemia de células falciformes (anemia drepanocítica o drepanocitosis) también proporciona protección contra la malaria.

  • Las personas poseen un promedio de 100 a 400 genes anormales.

Cromosomas

Un cromosoma está formado por una hebra muy larga de ADN que contiene muchos genes (cientos de miles). Los genes de cada cromosoma se organizan en una secuencia particular, y cada gen tiene una localización particular en el cromosoma (denominada locus). Además del ADN, los cromosomas contienen otros componentes químicos que influyen en el funcionamiento de los genes.

Emparejamiento

El núcleo de cada célula humana 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).

Cromosomas sexuales

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 de la madre y otra célula expresar el gen 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, ver ver Síndrome de Turner). Por tanto, la ausencia de un cromosoma X es mucho menos perjudicial que la de un cromosoma somático.

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 (ver Síndrome de triple X). La mayoría de los hombres que tienen más de un cromosoma Y (ver Síndrome XYY) no son física y mentalmente normales.

Anomalías cromosómicas

Existen distintos tipos de anomalías o alteraciones cromosómicas (ver Introducción a los trastornos cromosómicos). Una persona puede tener un número anormal de cromosomas o tener regiones anómalas en uno o más cromosomas. Muchas de estas irregularidades se pueden diagnosticar antes del nacimiento (ver Pruebas para detectar 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 normalmente 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 resultado de una nueva mutación (ver Mutación).

Cromosomas mitocondriales

Las mitocondrias son unas estructuras diminutas que están en el interior de las células y que sintetizan moléculas usadas para obtener energía. A diferencia de otras estructuras celulares, cada mitocondria contiene su propio cromosoma circular. Este cromosoma contiene ADN (ADN mitocondrial) que codifica algunas de las proteínas, pero no todas, que conforman la mitocondria. 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.

Rasgos

Un rasgo es una característica determinada genéticamente. Muchos rasgos son determinados por más de un gen. Por ejemplo, el peso de una persona está probablemente determinado por los genes que afectan al crecimiento, al apetito, a la masa muscular y al nivel de actividad. No obstante, algunos rasgos son determinados por un solo gen.

Las variaciones en algunos rasgos, como el color de los ojos o el grupo sanguíneo, se consideran normales. Otras alteraciones, como el albinismo, el síndrome de Marfan y la enfermedad de Huntington lesionan la estructura o la función corporal y se consideran enfermedades. No obstante, no todas estas alteraciones genéticas son igualmente nocivas. Por ejemplo, el gen de la drepanocitosis causa una enfermedad (anemia drepanocítica o de células falciformes), pero también proporciona protección contra la malaria.

Trastornos genéticos

Un trastorno genético es un rasgo perjudicial causado por un gen anormal. El gen anormal puede heredarse o bien surgir espontáneamente como resultado de una mutación. Las anormalidades de uno o más genes son bastante frecuentes. Cada ser humano porta un promedio de entre 100 a 400 genes anormales. No obstante, en la mayor parte de los casos, el gen correspondiente, en el otro par del cromosoma, es normal y evita los efectos nocivos del gen anormal. En la población general, la probabilidad de que una persona tenga las dos copias anormales de un mismo gen (y por lo tanto, manifieste un trastorno) es muy pequeña. Sin embargo, en los niños que son descendientes de parientes sanguíneos cercanos, las posibilidades son mayores. Las probabilidades también son mayores entre los hijos de personas que forman parte de poblaciones aisladas que se casan entre sí, como ocurre por ejemplo con la sociedad amish (o menonita) en Estados Unidos.

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