Astronomía I - El universo

Origen y estructura del universo

El universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan.

Observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de entre 13.730 y 13.810 millones de años y por lo menos 93.000 millones de años luz de extensión… que es lo que podemos observar desde la Tierra. En realidad es imposible conocer el tamaño exacto del Universo, que además sigue expandiéndose y en gran medida es un inmenso vacío.

El universo es por tanto inabarcable para nosotros, por lo que normalmente hablamos del concepto universo observable, que es basicamente la parte del universo que podemos ver desde la Tierra, es decir literalmente la parte del universo que ha tenido tiempo de emitir luz y esa luz ha tenido tiempo de llegar a nosotros. El universo real puede ser mucho más grande que el universo observable. Sin embargo, no podemos ver más allá del universo observable porque la luz de los objetos más allá de ese límite no ha tenido tiempo de llegar a nosotros.

Desde un punto de vista práctico,  el universo observable es basicamente una esfera con un radio de aproximadamente 46.500 millones de años luz. Esto significa que la luz que vemos de los objetos más lejanos del universo observable ha tardado 46.500 millones de años en llegar a nosotros.

La imagen de luz visible más profunda del cosmos, el Campo Ultra Profundo del Hubble (Foto: NASA)
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Contiene aproximadamente unos 10 millones de supercúmulos de galaxias donde podrían encontrarse hasta dos 2 billones de galaxias, estructuras compuestas por gas, polvo estelar, estrellas (entre 10⁷ y 10¹⁴ ), los planetas que orbiten alrededor de ellas, lunas, asteroides... así como materia oscura, todo ello unido y orbitando por las fuerzas gravitacionales.

Estas galaxias están en movimiento. Podemos analizar las ondas electromagnéticas que emiten y que viajan a grandes velocidades. Gracias al efecto Doppler, analizando las ondas de luz, podríamos saber si hay galaxias que se acercan a la nuestra (sus ondas de luz se comprimirían) o si otras se estan alejando (sus ondas de luz se expandirían al alejarse). Hoy sabemos que todas las galaxias se están alejando, y además en 1929 Hubble descubrió que mientras mas lejos se encuentra una galaxia, más rápido se aleja. 

El fenómeno a partir del cual surgió el universo (es decir, la materia, el espacio y el tiempo), es el Big Bang. 

No, este no... aunque os lo recomiendo.

La Teoría del Big Bang es un modelo cosmológico sobre el origen del universo y es el más aceptado actualmente en base a las observaciones de la expansión del Universo, los estudios de la radiación cósmica de fondo (lo que sería el "eco" del Big Bang) y la composición general del universo, cuyos elementos principalmente son el hidrógeno y el helio, que son los elementos más ligeros y cuya presencia y abundancia es consistente con la idea de que el universo comenzó en un estado muy caliente. Según esta teoría, el universo comenzó hace unos 13.800 millones de años en un estado muy denso y caliente. A partir de ese momento, el universo comenzó a expandirse y enfriarse.

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La Vía Láctea

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es una galaxia espiral mediana con un diámetro de aproximadamente 100.000 años luz, pero las galaxias pueden ser de formas variadas: elípticas, irregulares, lenticulares... 

La formación del Sistema Solar, situado en el brazo de Orión de la Vía Lactea, tuvo lugar hace aproximadamente 4.570 millones de años. La vida en la Tierra se estima que tiene unos 3.800 millones de años.

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La Tierra es un planeta rocoso con un diámetro de aproximadamente 12.756 kilómetros. Es el tercer planeta desde el Sol, y orbita alrededor de él a una distancia media de unos 150 millones de kilómetros (una unidad astronómica, UA). Su posición relativa, es decir su ubicación con respecto a otros objetos en el espacio con respecto al Sol, determina la cantidad de luz solar que recibe. Aunque puede parecer lo contrario, cuando la Tierra está más cerca del Sol, en su perihelio, recibe menos luz solar y cuando la Tierra está más lejos del Sol, en su afelio, recibe más luz solar, esto es debido a la inclinación del eje de rotación de la Tierra, que también influye en la cantidad de luz solar que recibe el planeta. El eje de rotación de la Tierra está inclinado 23,5 grados con respecto al plano de su órbita alrededor del Sol. Esta inclinación es la responsable de las estaciones del año. 

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Las primeras observaciones astronómicas daban por sentado que la Tierra era el centro del universo y a su alrededor girarían las estrellas y los llamados "estrellas o cuerpos errantes" (los planetas), que no estarían en un sitio fijo en el cielo como las estrellas y que, además, en ocasiones retrocederían en su órbita.

Modelo geocéntrico

Aristóteles, en el siglo IV a. C., creía que la Tierra era la forma más perfecta de los cuatro elementos clásicos: tierra, agua, aire y fuego. La tierra era sólida y pesada, y por lo tanto debía ser el centro del universo. Sin embargo este modelo no sería desarrollado el siglo II d. C., cuando el matemático y astrónomo griego Ptolomeo propuso un sistema complejo para explicar los movimientos de los planetas mediante órbitas circulares alrededor de la Tierra. Según esta teoría la Tierra estaría en el centro del universo y que el Sol, los planetas y las estrellas giran alrededor de ella. 

Para Ptolomeo el retroceso de las "estrellas errantes" se debería a que realizan giros en círculo (epiciclos) al tiempo que avanzaban en su órbita alrededor de la Tierra (órbitas deferentes).

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Esta teoría fue aceptada durante siglos, desde la antigüedad hasta el siglo XVI por la mayoría de los científicos y filósofos. Se ajustaba a las observaciones del cielo, y proporcionaba una explicación simple para los movimientos de los planetas. Sin embargo, el modelo geocéntrico también tenía algunos problemas. Por ejemplo, no podía explicar por qué las estrellas no se mueven con respecto a la Tierra. La "solución" era mantener la idea de Aristóteles, de que esfera final contenía a las estrellas fijas.

Modelo helicéntrico

Aunque en el siglo III a.C. Aristarco de Samos ya propuso un modelo en el que el Sol era el centro del Universo, mientras que la Tierra y otros planetas giraban alrededor suyo, esta teoría, publicada en un libro titulado "Sobre las magnitudes y distancias del Sol y la Luna", fue rechazada por la mayoría de científicos y filósofos de su época.

No sería hasta el siglo XVI, cuando el astrónomo polaco Nicolás Copérnico propuso un modelo heliocéntrico que cambiaría realmente la visión anterior del universo, aunque fue rechazado en un principio, pero fue ganando aceptación con el tiempo. En el siglo XVII, el astrónomo italiano Galileo Galilei proporcionó pruebas definitivas del modelo heliocéntrico. Galileo observó que Venus pasaba por fases, como la Luna, lo que solo era posible si Venus giraba alrededor del Sol, esto permitió que el modelo geocéntrico fuera finalmente abandonado y el modelo heliocéntrico fuera aceptado por la mayoría de los científicos.

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¿Cómo se explica entonces el aparente retroceso de Marte y otros planetas visto desde la Tierra? pues simplemente porque la Tierra gira más rápido alrededor del Sol que Marte y otros planetas, de modo que se adelanta en su órbita y por ello, da la sensación que esos planetas retroceden.

Retrogradación planetaria
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Medir distancias en el universo.

Debemos recordar que la distancia promedio Tierra-Sol es de unos 150.000.000 kilómetros, lo qu se conoce como Unidad Astronómica.

El Año-Luz, es la distancia que recorre la luz en un año. Como la velocidad de la luz es de unos 300.000 km/s la luz del Sol tarda 8 minutos en llegar a la Tierra, y la de la Luna 1 segundo.

Para medir distancias dentro del Sistema Solar se utiliza por tanto las UA, mientras que para medir distancias fuera del Sistema Solar se utiliza el Año Luz, pudiendo utilizar también el Pársec (3,2616 años luz), que sería el acrónimo de "paralelaje de un arco de un segundo" (parallax of one arc second).

El paralaje es la desviación angular de la posición aparente de un objeto, dependiendo del punto de vista elegido.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

Esta característica nos permite estimar las distancias a las estrellas más cercanas midiendo los angulos de las posiciones aparentes con seus meses de distancia. De este modo "construimos un triángulo" y al saber el valor de esos ángulos y la distancia Sol-Tierra, podemos calcular la distancia de las estrellas.

Nota: En sentido estricto, el pársec se define como la distancia desde la cual el radio medio de la órbita terrestre abarca unp ángulo de 1 segundo de arco. En otras palabras, una estrella dista un pársec si su paralaje es igual a 1 segundo de arco entre el Sol y la Tierra. Eso serían unos 3,2616 años luz.

Nota Friki:

En la traducción original al castellano de "Una Nueva Esperanza" (1977), se utiliza el término "12 parasegundos", en vez de "12 parsecs", dando a entender que es una unidad de tiempo, cuando es una unidad de distancia. Han Solo hizo la ruta Kessel más corta, no más rápido.                                                                       

Composición de la materia estelar 

La composición de la materia estelar se conoce gracias al estudio del espectro solar, la descomposición de la luz del Sol en sus colores componentes, que se puede observar al hacer pasar la luz solar a través de un prisma, tal y como demostró en 1667, Isaac Newton.

https://concepto.de/luz-solar/

Nota: De manera natural podemos ver este efecto en la lluvia... las gotas de agua de lluvia son atravesadas por la luz y provocan un efecto de difracción de la luz que todos hemos visto: el arcoiris.

Más tarde, hacia 1814, Joseph von Fraunhofer observó que el espectro solar estaba interrumpido por una serie de líneas oscuras, al desarrollar un aparato capaz de analizar el espectro de frecuencias característico de la luz, un  espectrómetro o espectroscopio. A esas líneas negras las llamó líneas de Fraunhofer.

En 1859, Bunsen y Kirchhoff utilizaron un espectroscopio para analizar la luz emitida por diferentes elementos químicos. Observaron que cada elemento químico tiene un espectro único, que está formado por una serie de líneas de colores. Estas líneas se deben a la emisión de luz por parte de los átomos del elemento químico. Por ello propusieron que las líneas de absorción de Fraunhofer se debían a la presencia de elementos químicos específicos en la atmósfera solar. Esto se debe a que los átomos de la fotosfera solar, a menos temperatura que los de la superficie del Sol, abosrben parte de la radiación, lo que provoca esas líenas negras.

En base a todos estos trabajos, se sabe que la composición de la materia estelar es similar a la composición de la materia terrestre, lo que nos indica un origen común. Los elementos químicos más abundantes en las estrellas son el hidrógeno (71%) y el helio (27%), seguidos del oxígeno, carbono, nitrógeno, calcio y hierrro. La diferencia es que en el Sol las altas temperaturas (Unos 5.500 ºC), provocan que toda la materia se encuentre en forma de plasma (gases ionizados, núcleos de hidrógeno y helio con los electrones libres). Esto constituye el 99% de toda la masa del Sistema Solar.

Composición del Sol y las estrellas

Las estrellas son cuerpos celestes que emiten luz y calor de forma natural. Están formadas por gas, principalmente hidrógeno y helio, que debido a su alta temperatura está en forma de plasma, y su tamaño y luminosidad pueden variar enormemente.

La alta energía que se desprende de las estrellas se debe a las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en su interior, en las que átomos de hidrógeno se convierten en helio debido a las altas temperaturas. Estas permiten la unión de los isótopos de hidríogeno Deuterio (²H) y Tritio (³H), que normalmente se repelen, provovando así la creación de Helio y la liberación de un neutró y una alta cantidad de energía. Estos procesos de fusión siguen produciendo cada vez núcleos más masivos hasta llegar a formar hierro, el elemento más estable del universo.

http://www.inin.gob.mx/

Las explosiones estelares, como las supernovas, liberan mucha energía y generan nuevos elementos.

Ciclo de vida de las estrellas

Las estrellas se originan en nebulosas, grandes nives de materia interestelar formadas por polvo, gases, hielo y fragmentos de roca. 

https://www.gq.com.mx/

Por acción de la gravedad la materias se comienza a contraer provocando una mayor presión y temperatura tan alta que los núcleos de hidrógeno comienzan a fusionarse formando estrellas.

En función del tamaño de las estrellas pueden pasar por diversas fases en su ciclo de vida:

Grupo SM

Dependiendo de la temperatura de la superficie, podemos encontrar diversos colores de estrellas. En gran medida ese color dedende del elemento que se está fusionando (azules hidrógeno, rojas carbono) y la temperatura superficial también depdende de la distancia al núcleo de la estrella, que es más caliente, por lo que las estrellas "más grandes" serán "más frías"

Nota: Os recuerdo la fórmula de conversión de ºC y K

Nuestro Sol, con una temperatura que ronda los 6.000 K, se considera por tanto una estrella amarilla.

Materia y energía oscura

“La luz cree que viaja más deprisa que nada, pero se equivoca. Por muy rápido que vaya la luz, siempre se encuentra con que la oscuridad ha llegado antes y la está esperando.”     ― Terry Pratchett, El Segador

Como hemos visto, el universo está en gran medida vacío, oscuro y frío. La luz de las estrellas permite ver aquellos cuerpos celestes que no emiten su propia luz, como los planetas. Sabemos que estos se mueven debido a las fuerzas gravitacionales que les mantienen en orbitas alrededor de las estrellas y, cuanto más lejos de su estrella, más lento es su desplazamiento. Por ejemplo la Tierra se desplaza más rápido que Neptuno.

Lo mismo pasa con las estrellas, que giran alrededor del núcleo de cada galaxia. Sin embargo, en la década de 1970, Vera Rubin y Kent Ford estudiaron las curvas de rotación de las galaxias espirales. Las curvas de rotación muestran cómo cambia la velocidad de las estrellas a medida que se alejan del centro de la galaxia. Pero sus estudios descubrieron que las estrellas en las galaxias espirales giran a velocidades mucho más altas de lo que se esperaba, dado la cantidad de materia visible en esas galaxias. Esto significa que debe haber una gran cantidad de materia invisible, o materia oscura, que está proporcionando la gravedad necesaria para mantener a las estrellas girando a esas velocidades.

Las observaciones de Rubin y Ford fueron un descubrimiento importante que cambió la forma en que los científicos entienden la estructura del universo. La materia oscura representa aproximadamente el 25% de la masa total del universo, y es esencial para explicar la formación de las galaxias y la evolución del universo.

Pero hay más, el hecho de que el universo se expande es algo conocido, sin embargo debido a las fuerzas de atracción gravitacional entre las galaxias esta expansión debería estar frenándose, y sin embargo se está expandiendo y además de manera acelerada. Para justificar esto se se especula con la existencia de una energía oscura que vencería estas fuerzas de atracción.

De hecho, de todas las observaciones, se deduce que sólo un 4% del universo es materia ordinaria, es decir galaxias, estrellas, planetas... un 22% materia oscura indetectable, y el 74% energía oscura.

¿Cómo acabará el universo?

El destino final del universo es un tema incierto que ha sido debatido por los científicos dando lugar, entre otras, a tres teorías principales:

• Big Freeze: Esta teoría sostiene que el universo continuará expandiéndose para siempre, y que las galaxias se alejarán cada vez más entre sí. Con el tiempo, las estrellas se apagarán y los planetas se enfriarán. El universo se convertirá en un lugar frío y oscuro, donde no habrá vida.

• Big Rip: Esta teoría sostiene que la expansión del universo se acelerará cada vez más provocando la muerte "térmica" del universo. Con el tiempo, la energía oscura será tan fuerte que desgarrará la estructura del universo, desde las galaxias hasta los átomos provocando grandes agujeros negros absorbiendo las estrellas apagadas.

• Big Crunch: Esta teoría sostiene que la expansión del universo se ralentizará y finalmente se detendrá. Luego, el universo comenzará a contraerse, y las galaxias se acercarán entre sí. Finalmente, todas las estrellas, planetas y galaxias se colapsarán en un punto singular, y el universo terminará en un Big Crunch. Se especula que, tras ocurrir esto, se producirá un nuevo Big Bang.

¿Volvería a empezar todo?

Tema 02 - Genética.

Hasta este momento hemos visto cómo el material genético (ADN), contiene la información necesaria pare el correcto funcionamiento de las células y por lo tanto de todo el organismo. También hemos estudiado cómo se produce la transmisión de esa información de una célula madre a sus células hijas y cómo en el proceso de meiosis las células hijas presentan diferencias en cuanto a la información que transmiten dado el proceso de entrecruzamiento de los cromosomas.

En este tema vamos a estudiar el fenómeno de la herencia de los caracteres, cómo se transmiten de padres a hijos y cómo interactúan entre ellos.

Caracteres y los genes:

Si miramos a nuestro alrededor veremos que todos los seres vivos que nos rodean, incluidos nuestro compañeros y amigos, presentan características distintivas. A menudo estas características se presentan también en sus progenitores.

En la saga de Harry Potter todos los Weasley

han heredado el pelo pelirrojo de sus padres

Esta herencia de los caracteres se estudia en la rama de la biología denominada genética.

Se denomina carácter a cada característica presente en un organismo que es heredable por sus descendientes.

Durante siglos se desconocía cómo se heredaban las características. Se sabía que algunas de ellas pasaban de padres a hijos pero se desconocía el mecanismo por el que esto ocurría. No sería hasta la comprensión de los procesos de mitosis y meiosis cuando se relacionó la herencia con la transmisión del ADN, y se empezó a hablar de los genes.

Un gen es un fragmento del ADN que contiene la información para un determinado carácter y que por tanto controla dicho carácter. Ademas existen distintas "alternativas" para cada gen, y a cada una de ellas se la denomina alelo.

Dado que heredamos un cromosoma de cada par de cada uno de nuestros progenitores, podemos entender fácilmente que en cada uno de nuestros cromosomas homólogos (o iguales) tenemos una copia del mismo gen (por ejemplo el que determina el color de ojos) pero no necesariamente el mismo alelo (por ejemplo ojos azules en el cromosoma paterno y ojos verdes en el materno).

                                               

Además cada gen se localiza siempre en una posición específica del cromosoma que se denomina locus.

A los alelos que heredamos podemos representarlos con letras mayúsculas (ej. A) o minúsculas (ej. a),según sea un gen dominante o recesivo. Si los dos alelos que presenta un organismo son idénticos (AA o aa) entonces a dicho organismo lo denominamos homocigótico para ese carácter. Si son distintos (Aa) lo denominamos heterocigótico o híbrido para ese carácter.

Si en los organismos heterocigóticos para ese carácter (Aa) se manifiesta uno de ellos (A) entonces se dice que ese alelo es dominante y el otro (a) es recesivo. Esos alelos recesivos se manifiestan sólo en homocigosis (aa).

Por ejemplo en gatos el pelo corto domina sobre el largo.

El nacimiento de la genética: Los trabajos de Mendel.

Gregor Johann Mendel (20 de julio de 1822 - 6 de enero de 1884) fue un monje agustino nacido en Heinzendorf, Austria (hoy, República Checa) que se encargaba de las labores del huerto en el monasterio donde vivía. Allí, entre 1856 y 1863, probó cerca de 28000 cruces entre diferentes variedades de guisante (Pisum sativum), y dedujo las que hoy conocemos como leyes de Mendel, que publicó bajo el título de "Experimentos en hibridación vegetal"

Mendel, J. G., 1866. Versuche über Plflanzenhybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn, Bd. IV für das Jahr, 1865 Abhandlungen:3-47

Aunque pueda parecer extraño sus conclusiones pasaron desapercibidos durante 35 años, cuando se tradujeron al ingles en 1901. No sería hasta entonces cuando tres investigadores, Correns, Tschermak y DeVries, "redescubren" este trabajo y dan validez a dichas leyes al realizar ellos mismos experimentos similares y llegar a las mismas conclusiones.

Mendel fue un gran observador de la naturaleza y la elección que hizo de la planta a estudiar resulto totalmente acertada:

• La planta es fácil de manipular, se autopoliniza pero puede aceptar la polinización cruzada de manera artificial.
• Los caracteres elegidos son "puros", es decir, presentan el mismo patrón generación tras generación
• Aplicó un método estadístico al análisis de los resultados.

Las Leyes de Mendel:

Primera ley o principio de la uniformidad: Cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes son todos iguales.

El cruce de dos individuos homocigóticos, uno de ellos dominante (AA) y el otro recesivo (aa), origina sólo individuos heterocigóticas, es decir, los individuos de la primera generación filial son uniformes entre ellos (Aa).

Segunda ley o principio de la segregación de caracteres en la segunda generación filial: Los caracteres que se encuentran juntos en los individuos heterocigóticos se segregan sin mezclarse cuando se forman los gametos.

El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a pesar de que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A". Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había desaparecido, sino que sólo había sido ocultado por el carácter "A" pero que, al reproducirse un individuo, cada carácter se segrega por separado.

Tercera ley o principio de la transmisión independiente: Los distintos caracteres se transmiten independientemente unos de otros, de modo que pueden aparecer todas las combinaciones posibles en la descendencia.

Hace referencia al cruce polihíbrido (dos o más caracteres). Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que los caracteres se transmitían independientemente unos de otros. Esta ley, sin embargo, deja de cumplirse cuando existe vinculación (dos genes están muy cerca y no se separan en la meiosis).

Hacia 1915 se aceptaba como válida la interpretación de la genética mendeliana, que se había podido aplicar en una amplia variedad de organismos. No obstante se encuentran algunas excepciones a las leyes de Mendel.

Codominancia

Ocurre cuando dos alelos se manifiestan de manera simultanea. Es decir la presencia de uno no afecta a la manifestación del otro. El ejemplo mas característico es el de los grupos sanguíneos, en el que los alelos A y B se pueden manifestar al mismo tiempo (grupo AB).

Pero no es el único ejemplo. Podemos encontrar casos de mezcla de colores en plantas y animales.

Por ejemplo en las vacas se combinan el blanco y el negro y en el rododendro el blanco y el rosa

Herencia intermedia

Sucede cuando los dos alelos se manifiestan y se mezclan los fenotipos. El ejemplo mas típico es en la planta conocida como Dondiego de noche (Mirabilis jalapa), en la que las flores pueden presentar la mezcla de los colores de los progenitores. El caso mas conocido es el cruce de flores rojas y blancas, que presenta como descendencia flores rosas.

Si posteriormente cruzásemos los resultados de esa F1 tendríamos en la F2 los fenotipos de los progenitores.

El ligamento y la recombinación

Entre las excepciones a las leyes de Mendel destacan estas dos, debidas a la localización de los genes en los cromosomas. Ambos fueron descubiertos por el equipo que estudiaba la genética de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) dirigidos por  Thomas Hunt Morgan, quienes desarrollaron la teoría mendeliana-cromosómica de la herencia, ampliamente aceptada por la comunidad científica para 1925.

Algunos de los trabajos del equipo de venían a confirmar las leyes de Mendel, por ejemplo al demostrar la herencia de ojos blancos (recesivos frente a rojos) en las moscas tal y como establece la segunda ley de Mendel. El problema era que la mutación encontrada sólo aparecía en machos. Eso llevó a Morgan a considerar que la mutación se encontraba ligada al sexo.

Sin embargo entre los descubrimientos de Morgan destacan precisamente las excepciones a dicha tercera ley. Esto se debe a que algunos genes se transmiten juntos en vez de ser independientes, como si fueran una única unidad. y es que estando juntos en el cromosoma se heredan juntos y se manifiestan juntos.

En el caso de los guisantes sería algo así.

(Fuente: http://www.geocities.ws/batxillerat_biologia/genmendeliana.htm)

Además Morgan fue quien descubrió en el proceso de meiosis el sobrecruzamiento y recombinación de los cromosomas, lo que también altera el resultado esperado conforme a las leyes de Mendel.

En esta época ya se habían desarrollado cálculos estadísticos suficientes para poder entender la genética de poblaciones e interpretar a la luz de la genética los estudio de la evolución. Sin embargo lo que no estaba claro era qué era lo que hacía de los cromosomas el material de la herencia. No sería hasta la década de 1940-1959 cuando se descubre la composición de los cromosomas como una enorme molécula de Ácido Desoxirribonucleico. Lo que no se conocía era cómo se estructuraba dicha molécula y cómo funcionaba. No sería hasta 1953 que James D. Watson y Francis Crick publican la estructura de doble hélice del ADN, lo que facilita entender los mecanismos de su funcionamiento, su copia, etc.

Por esta publicación recibieron el premio Nobel en 1962. No obstante no debemos olvidar el papel de la cristalógrafa Rosalind Franklin en este descubrimiento, dado que es algo histórico que su trabajo con las fotografías de las sales de ADN resultó fundamental para este descubrimiento y que una de estas fotografías es la base de este trabajo.

Puedes ver una cronología de la historia de la genética en la Wikipedia

Estructura del ADN

Los ácidos nucleicos son moléculas formadas por la unión de unas moléculas mas sencillas llamadas nucleótidos.

Los nucleótidos están formados por tres componentes:

•     Una base nitrogenada: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), Timina (T), Uracilo (U)
•    Un azúcar de cinco átomos de carbono (pentosa), que puede ser una ribosa (ARN) o una desoxirribosa (ADN)
•    Un grupo fosfato, que es un derivado del ácido fosfórico (H₃PO₄).

Las diferencias básicas entre los dos tipos de ácidos nucléicos son: 

           ARN:

                   El ARN aparece tanto en el núcleo celular como en el citoplasma.

                   Contienen una ribosa como pentosa.

                   Sus bases nitrogenadas son A,G,C y U, no presentando Timina.

                   Generalmente el ARN es de una sola cadena de nucleótidos.

                   Existen diversos tipos de ARN, como el mensajero (ARNm) o el de transferencia (ARNt).

    

ADN:

       El ADN nunca sale del núcleo celular.

       Contienen una desoxiribosa como pentosa.

       Sus bases nitrogenadas son A,G,C y T.

       Su estructura se denomina de doble hélice, y fue descrita por Watson y Crick en 1953.

                                   

     Son dos cadenas que se pliegan formando una estrucutra de tipo "escalera de caracol".

     Las cadenas se mantienen unidas por los enlaces entre sus bases nitrogenadas.

     Las bases nitrogenadas se unen con sus complementarias: 

                                             Adenina (A) ::: Timina (T)

                                             Guanina (G) ::: Citosina (C)

      La secuencia de ADN de cada organismo constituye la llamada información genética.

Funciones de los ácidos nucleicos:

Los ácidos nucleicos tienen la función de:

     Regular la actividad de la célula mediante la síntesis de las proteínas necesarias en cada situación

   Transmitir la información genética: Es decir copiar la información del ADN y transmitir dichas copias a cada una de las células hijas.

La Regulación celular: Síntesis de proteínas

      Se realiza en dos fases:

                Transcripción: consiste en sintetizar en el núcleo de la célula una molécula de ARNm usando como molde un fragmento del ADN (gen).

                 Traducción: el ARNm sale al citoplasma celular,se une a los ribosomas (libres o en el Retículo endoplasmático rugoso) y se va fabricando la proteína codificada por el ARNm.

                     

                                  

Puedes ver un vídeo explicativo aquí:

El código genético:

    Durante la traducción el ribosoma debe interpretar el mensaje contenido en el ARNm para fabricar la proteína específica de esa información, para lo cual "lee" las bases nitrogenadas en grupos de tres, denominados codones. 

    La correspondencia entre los codones de ARNm y los aminoácidos se denomina código genético, que presenta algunas características:

                    

 Es universal: 

              Salvo alguna pequeña excepción puntual, el código es idéntico en todos los seres vivos de la tierra, desde bacterias a humanos.

            

Es degenerado:

              A la mayoría de los aminoácidos les corresponde mas de un codón, no es por tanto un código de dos direcciones. No se puede deducir la secuencia de nucleótidos a partir de la proteína.

              Tiene tripletes que no codifican para aminoácidos, y son los llamados tripletes de terminación o fin. (UAA, llamado ocre; UAG, llamado ámbar; UGA, llamado ópalo).

              En la mayoría de los casos el triplete AUG (Metionina) determina la señal de inicio. Esto no implica necesariamente que todas las proteínas activas tengan la metionina como el primer aminoácido, simplemente que se empieza su síntesis con una metionina, pero posteriormente las proteínas son "activadas" mediante diversos procesos de maduración entre los que la pérdida de fragmentos es frecuente.

Ejercicio para practicar:
¿Has entendido cómo funciona el código genético?. ¿Serías capaz de llegar a una proteína a partir de una secuencia de nucleócidos. Haz la prueba utilizando este sencillo ejercicio:


Secuencia  ADN:
     CGTAATACCCGCCTGCTAAGCTACATTGAATAGAAGTAAATTGCATTT

Trascripción  ARN:
     GCAUUAUGGGCGGACGAUUCGAUGAACUUAUCUUCAUUUAACGUAAA

Buscamos el triplete de inicio AUG y empezamos a "leer" de dentro hacia afuera en el código.

         GCAUUAUG/GGC/GGA/CGA/UUC/GAU/GAA/CUU/AUC/UUC/AUU/UAA/CGU/AAA
                        Met - Gly - Gly - Arg - Phe - Asp - Glu - Leu - Ile - Phe - Ile

En el codón UAA, que determina parada (Stop), no se añade nada. Es por eso por lo que se detiene la trascripcion


Ingeniería genética

     Tras muchos años de investigaciones básicas sobre la genética, actualmente se poseen suficientes conocimientos como para poder modificar los genes de un organismo.

      Para esas modificaciones hacen falta diversas herramientas:
 

•     Enzimas de restricción: Son enzimas que actúan sobre secuencias específicas de ADN y las cortan de una manera concreta. Estas secuencias son palíndromos, es decir secuencias que se leen igual de derecha a izquierda que de izquierda a derecha. En el caso de la genética serían secuencias de AGCT de lectura idéntica en cualquiera de los sentidos.

•      Vectores: Son los vehículos con los que se introducen los nuevos genes a los hospedadores. En  la mayoría de los casos son plásmidos, pequeñas moléculas de ADN circular que las bacterias son capaces de asimilar y de intercambiar entre ellas.

•       ADN Ligasa: Las enzimas que unen los segmentos de ADN

•      Células huésped o receptoras: Aquellas en las que se introduce el nuevo gen

  

   Realiza el siguiente ejercicio para ver si has entendido cómo se hace un proceso de ingeniería genética.

     

      Otras técnicas de ingeniería genética:

•      PCR. La Reacción en cadena de la Polimerasa es una técnica que permite obtener muchas copias idénticas de una cadena de ADN, de modo que se "amplifica" la muestra inicial para poder utilizar ese ADN para otras técnicas.

•      Secuenciación del ADN. Una vez se tiene suficiente ADN se puede secuenciar, es decir analizar la secuencia de bases que aparecen en una cadena o fragmento concreto del ADN. Esto se realiza mediante secuenciadores que, de manera automática "leen" en ADN y almacenan la "letra" correspondiente que han "leido": A,T,C,G.  La mayor aplicación de esta técnica se encuentra en el Proyecto Genona Humano

•      La Clonación consiste en crear copias genéricamente idénticas de un organismo. Existen dos tipos fundamentales, la clonación reproductora (es decir crear un organismo idéntico a otro) y la terapéuta, que básicamente es crear tejidos y en un futuro órganos a partir de líneas celulares específicas (Células madre).

                El caso más conocido de clonación en mamíferos es de la oveja Dolly, cuya clonación podrás entender viendo este vídeo

      Puedes entender mejor la ingeniería genética, sus aplicaciones y sus riesgos viendo este vídeo de la editorial Anaya.

Edición de genes con la técnica CRISPR: Fuente: Wikipedia

Los CRISPR (en inglés: clustered regularly interspaced short palindromic repeats, en español repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas​) son loci de ADN que contienen repeticiones cortas de secuencias de bases. Tras cada repetición siguen segmentos cortos de "ADN espaciador" proveniente de exposiciones previas a un virus.

        Desde 2013, el sistema CRISPR/Cas se ha utilizado para la edición de genes (agregando, interrumpiendo o cambiando las secuencias de genes específicos) y para la regulación génica en varias especies.8​ Al administrar la proteína Cas9 y los ARN guía apropiados a una célula, el genoma de esta puede cortarse en los lugares deseados, cuyas secuencias serán complementarias a las de los ARN guía utilizados. Esto permite la eliminación funcional de genes o la introducción de mutaciones (tras la reparación del corte realizado por la maquinaria celular de reparación del ADN) para estudiar sus efectos

    Recientemente se ha usado con éxito para curar a un niño con "piel de mariposa" (epidermólisis ampollar).

    A finales de 2018 un equipo de científicos chinos afirmó haber utilizado esta técnica para lograr el nacimiento de dos niñas con el genoma editado de tal modo que fueran resistentes al SIDA.

En diciembre de 2019 el investigador jefe de este equipo de científicos, He Jiankui,, fue condenado a tres años de cárcel y a pagar una multa de tres millones de yuanes (380.000 euros) al ser encontrado culpable de “llevar a cabo, de manera ilegal, la edición genética de varios embriones humanos con fines reproductivos”, ya que se saltó las regulaciones nacionales chinas sobre investigación científica y gestión médica de manera deliberada.

Algunos de los últimos avances de la Ingeniería genética:

• Obtienen gametos de ambos sexos de la cola de un ratón y logran el nacimiento de crías a partir de dos hembras.

• "Xenobots" robots vivos diseñados a partir de células de rana

¿Qué nos deparará el futuro?