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Un gen, muchas proteínas (primera parte)

24 enero, 2013

DNA puzzleHasta hace algunos años, uno de los principios básicos de la biología era aquel que afirmaba “un gen, una proteína”. Sin embargo, a lo largo de las dos últimas décadas, los nuevos descubrimientos y el avance de nuestro conocimiento sobre los procesos de transcripción y traducción del ADN han derribado la idea que fue considerada como uno de los dogmas de la genética moderna. Este es un ejemplo más de que en ciencia, el dogma no existe, o no significa lo mismo que en otros campos, especialmente los religiosos.

La relación entre genes y proteínas ha sido un campo muy activo en biología molecular desde el propio descubrimiento de los genes, y lo sigue siendo en la actualidad. A mediados del siglo XX, aun antes de descubrir la naturaleza y estructura del ADN, se comenzó a formar la idea de que un gen constituía un fragmento de información que servía para codificar una proteína, responsable a su vez de un carácter hereditario.

Los hongos mutantes

En 1941, la publicación de una serie de experimentos realizados por George Wells Beadle (1903 – 1989) y Edward Lawrie Tatum (1909-1975) abrieron la puerta a esta hipóteis, que en poco tiempo pasó a ser considerada uno de los paradigmas de la genética. Beadle y Tatum expusieron cepas del hongo Neurospora crassa a radiación de rayos X para obtener mutaciones en diferentes pasos de las rutas metabólicas. Las estirpes irradiadas fueron cruzadas con estirpes normales, obteniendo así una gran cantidad de esporas, normales y mutantes.

Experimentos de Beadle y Tatum (1941)

Experimentos de Beadle y Tatum (1941). Imagen: Dpto. Genética. Universidad Complutense de Madrid.

El siguiente paso consistió en sembrar, con una única espora, cientos de cultivos con medio completo (es decir, con todos los nutrientes necesarios para el crecimiento), obteniendo así un elevado número de cultivos donde todos los individuos de cada uno de ellos procedían de un único progenitor, fuera mutante o normal. A continuación, replicaron estos cultivos en medio mínimo, donde únicamente pueden crecer las estirpes normales que poseen las rutas metabólicas completas para sintetizar todos los materiales necesarios para el crecimiento. Esto les permitió identificar las cepas mutantes, dado que eran aquellas que no mostraban crecimiento.

Habiendo seleccionado de esta forma aquellos cultivos con alguna mutación, Beadle y Tatum pasaron a determinar qué parte de la ruta era la afectada. Para ello, replicaron cada muestra en un medio mínimo (donde no debería crecer ninguna), un medio completo (donde deberían crecer todas), un medio mínimo con aminoáciodos (donde podrían crecer aquellas que tuvieran bloqueado un paso de la ruta de síntesis de aminoácidos) y un medio mínimo con vitaminas (donde podrían crecer las que tuvieran bloqueado un paso en la ruta de síntesis de vitaminas). Esto permitió a los investigadores identificar las mutaciones en alguna ruta de síntesis de aminoácidos o de vitaminas.

A continuación, seleccionaron aquellos mutantes en las rutas de síntesis de aminoácidos, y replicaron los cultivos en 20 medios mínimos, donde a cada uno se le suministraba un tipo de aminoácido como suplemento. De esta forma, pudieron identificar aquellos mutantes que tenían bloqueada la síntesis de cada aminoácido, dado que eran los únicos capaces de crecer en el medio suplementado con el aminoácido en cuestión.

Los mutantes de la arginina

Los mutantes de la arginina

Un último paso les llevó a concretar aún más el tipo de mutación: cultivaron los mutantes en medios suplementados por distintos precursores de la síntesis del aminoácido para el que presentaban la mutación, pudiendo identificar así aún más finamente el paso de la ruta metabólica bloqueado. Así cultivaron mutantes que necesitaban arginina en medios mínimos dotados de ornitina y citrulina (la arginina se puede sintetizar en el ciclo de la urea, donde la arginina se forma a partir de citrulina y ésta a partir de ornitina). Los experimentos revelaron tres mutantes distintos para la arginina: los que eran capaces de crecer en presencia de arginina, de citrulina o de ornitina, los que podían crecer en medios con arginina o citrulina, pero no con ornitina, y los que únicamente podían crecer con arginina.  Beadle y Tatum llamaron arg1, arg2 y arg3 a estos mutantes, respectivamente.

 

Un gen, una enzima

Los resultados de estos experimentos les llevaron a confirmar lo propuesto nueve años antes por Hans Krebs y Kurt Henseleit cuando describieron el ciclo de la urea: la ornitina y la citrulina debían ser precursores de la arginina, el producto final del proceso (dado que todos los mutantes eran capaces de crecer en presencia de arginina), mientras que la ornitina debía ser el primero, dado que los mutantes capaces de crecer en presencia de ornitina, también crecían con citrulina, pero los que necesitaban citrulina no podían desarrollarse solo con ornitina. Obviamente, la citrulina debía estar en un punto intermedio.

Esto explicaría las tres mutaciones: arg1 debía tener bloqueado un paso previo a la síntesis de ornitina, ya que podía desarrollarse con cualquier compuesto posterior; arg2 tendría bloqueado el paso orntina->citrulina, pues no crecía por mucho que se aportara la primera, pero sí con la segunda. Por último, arg3 presentaría un bloqueo del paso citrulina->arginina, pues solo crecía en medios complementado con esta última sustancia.

La conclusión obtenida a partir de todos estos resultados fue clara: hay una relación directa entre los genes y las enzimas que catalizan los procesos metabólicos, demostrándose que la mutación de un gen origina la inactividad de la enzima y el fallo en la reacción metabólica que controla. Esta hipótesis fue denominada “un gen, una enzima”, a pesar de desconocerse aún cuál era la relación entre el gen y la enzima.

No obstante, No fue hasta unos cuantos años más tarde, tras los trabajos de Pauling, Sanger y finalmente Vernon Ingram, que en 1956 descubrió que la diferencia entre la hemoglobina normal (HbA) y la hemoglobina falciforme (HbS) se debía únicamente a un aminoácido de un total de 600, demostrando que el tipo de relación gen-proteina era informacional, dado que una alteración en el primero producía un cambio de aminoácido en el segundo.

Beadle y Tatum recibieron el Premio Nobel en 1958 por sus trabajos sobre los procesos químicos controlados por genes.

 

Rectificando: un gen, una proteína

Los trabajos de Pauling, Sanger e Ingram, junto a otros descubrimientos, extendieron la hipótesis enzimática de  Beadle y Tatum al resto de proteínas, pasándose a denominar “un gen, una proteina”, contribuyendo a establecer lo que se conoce como “Dogma central de la biología molecular”, el cual describe que el ADN es transcrito a un ARN mensajero y que éste es traducido a una proteína

"Dogma central de la biología molecular". Propuesta inicial de Crick (1970)

“Dogma central de la biología molecular”. Propuesta inicial de Crick (1970)

Esta cadena de investigaciones representa un ejemplo de cómo se puede llegar a deducir las complejas características biológicas de los organismos, incluyendo la codificación y traducción de información química en elementos funcionales como enzimas, hormonas y otras proteínas, mediante una serie de experimentos correctamente ingeniados y desarrollados. En resumen, un bonito cuadro del funcionamiento del método científico.

Sin embargo, todo esto también nos enseña una lección no menos importante: los resultados científicos, por sólidos, contrastados y explicativos que sean, siempre son provisionales. Como escribíamos al principio del artículo, el dogmatismo no existe en la ciencia. Y es que, con toda su elegancia, con toda su capacidad explicativa y con todas las pruebas acumuladas a su favor, el concepto “un gen, una proteína” resultó no ser tan exacto, debiendo corregirse profundamente algunas décadas después, de igual forma que el “Dogma central” ha tenido que ser reformulado ya varias veces debido a serias excepciones.

Pero todo eso lo contaremos en la próxima entrada…


  1. Juan de terzas
    25 enero, 2013 en 0:53

    Porfa… ¡que llegue pronto esa siguiente entrada.

  2. 25 enero, 2013 en 6:36

    Para cuando se secuenció el genoma humano, ya se sabía que la idea “un gen, una proteína” no era cierta. Para el año 2000 ya se conocían multitud de ejemplos en animales y plantas, donde 1 sólo gen daba lugar >1 proteína (empalmes alternativos de exones).

    Pero el paradigma subyacía el pensamiento de cada biólogo molecular. Por ello supuso una gran sorpresa conocer que los humanos teníamos 100 mil.

  3. 25 enero, 2013 en 6:40

    Borre una parte del texto anterior y no se entiende:
    Decía que la sorpresa eran los menos de 30 mil genes encontrados en el genoma humano, cuando se esperaban más de 100 mil, pues esa era la estimación de proteínas humanas existentes.

  4. J.M.
    25 enero, 2013 en 8:30

    Se entiende, se entiende. Efectivamente, la secuenciación del genoma humano solo fue una confirmación de lo que ya se comenzó a sospechar en la década de los 80 del pasado siglo. Pero de eso, hablaremos en la próxima… :mrgreen:

  5. 25 enero, 2013 en 8:50

    El “dogma” un gen, una proteína ha quedado atrás. Y hay otro concepto con el que te acabo a seguir cuando acabes con esta serie: “una proteína, una función”. Cada vez hay más ejemplos de que una misma proteína (entendida como secuencia de aminoácidos) puede cumplir varias funciones.

  6. 25 enero, 2013 en 10:24

    A ver si publicas pronto la siguiente entrada, que quiero saber como se ha desechado la idea un gen una proteina.

  7. 25 enero, 2013 en 10:30

    Yo tenía entendido la multifunción de las proteínas ya estaba perfectamente contrastada. Una misma proteína se llega a emplear de más de 20 maneras diferentes (cito de memoria) en los diversos tejidos y esa es precisamente la principal causa de los efectos secundarios de los medicamentos (por lo menos de aquellos cuya diana es una proteína).

    Muy curioso que se emplee la palabra dogma en ciencia y más que forme parte de un término aceptado durante mucho tiempo: “Dogma central de la biología molecular”. En el fondo, da idea de la concepción subconsciente de la ciencia que tiene el que la usa.

  8. Víctor
    25 enero, 2013 en 17:17

    Me ha gustado mucho. Espero que salga pronto la próxima entrega. Un saludo.

  9. J.M.
    25 enero, 2013 en 19:25

    tarupakupak :

    Muy curioso que se emplee la palabra dogma en ciencia y más que forme parte de un término aceptado durante mucho tiempo: “Dogma central de la biología molecular”. En el fondo, da idea de la concepción subconsciente de la ciencia que tiene el que la usa.

    No creas. Todo depende del entorno en el que se use. “Dogma” es muy poco empleado en ciencia, pero cuando se hace, alude al significado literal “Proposición que se asienta por firme y cierta y como principio innegable de una ciencia.” (DRAE), pero esto es como los principios de Groucho Marx: (estos son mis principios, pero si no le gustan, tengo otros).

    Es decir, un dogma en sentido popular y religioso es algo que debe ser respetado bajo cualquier concepto. No importa las pruebas, evidencias o argumentos que acumule en contra; es inamovible y punto.

    Por el contrario, un dogma en ciencia hace referencia a un principio que se debe respetar para la interpretación de cualquier explicación posterior, hasta que acumule las pruebas suficientes como para desecharlo. Dicho de otro modo: el dogma es algo en lo que nos basamos en para interpretar los resultados. Por ello, cambiar de dogma o, como le gusta decir a mucho iluminado “cambiar de paradigma” suele exigir reinterpretar muchos datos anteriores.

    Por poner un ejemplo: el dogma central de la biología molecular era la sucesión unidireccional del proceso de transmisión de la información genética (ADN -> transcripción -> ARN -> traducción -> proteína). Por lo tanto, cualquier ARN debe estar codificado en el ADN nuclear, una ADN vírico debía ser el punto de origen de la transmisión de información para la replicación del virus, etc. Obviamente, cuando se ha ido descubriendo que ésto no siempre es así, toca abandonar el dogma y, como buenos Grouchos, cambiarlo por otro.

    Pero todo esto, en la siguiente entrada… 😉

  10. 25 enero, 2013 en 23:35

    Qué bueno JM! En el siguiente creo que habrá mucha más tela que cortar ;))

  11. 27 febrero, 2013 en 5:02

    excelente!!!!!!!

  12. 27 febrero, 2013 en 5:03

    Reblogged this on Desde Mendel hasta las moléculas and commented:

    JM nos cuenta como cambia el concepto de gen a lo largo de la historia, excelente!

  13. Ana María
    27 febrero, 2013 en 15:30

    Excelente; muy claro y completo! gracias por compartir esta información.

  14. walter
    23 noviembre, 2013 en 21:15

    si man , dejen las siguientes entradas, esta muy interesante.

  1. 25 enero, 2013 en 0:25
Los comentarios están cerrados.
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