El ADN: Estructura, Replicación y Reparación
1.1. El ADN como Material Genético
Diversos experimentos demostraron que el ADN es el material hereditario.
Experimento de Griffith (1928)
El experimento de Griffith (1928) mostró que una sustancia presente en bacterias muertas con cápsula (cepa S) podía transformar cepas vivas sin cápsula (cepa R) en virulentas, aunque no se conocía la naturaleza química de dicha sustancia.
Experimento de Hershey y Chase (1952)
Más adelante, Hershey y Chase (1952) confirmaron que era el ADN y no las proteínas el responsable de transmitir la información genética, usando virus bacteriófagos marcados con isótopos radiactivos (³²P para el ADN y ³⁵S para las proteínas).
1.2. Organización del Material Genético
En Procariotas y Eucariotas
En las células procariotas, casi todo el ADN está activo, mientras que en las eucariotas solo alrededor del 10% se utiliza para producir proteínas (eucromatina). En los eucariotas, además, existen regiones de ADN altamente repetitivo que no codifican proteínas.
Intrones y Exones
Las secuencias codificantes están interrumpidas por tramos no codificantes (intrones), y las partes funcionales se llaman exones. La existencia de intrones se cree beneficiosa porque favorece la recombinación genética y, por tanto, la evolución.
1.3. Replicación del ADN
Hipótesis de Replicación
Al principio se barajaban tres hipótesis sobre cómo se duplicaba el ADN: conservativa, semiconservativa y dispersiva. El experimento de Meselson y Stahl demostró que la replicación del ADN es semiconservativa: cada nueva molécula contiene una hebra original y una recién sintetizada.
Mecanismo de Replicación
El proceso de replicación comienza en regiones específicas del ADN. La enzima helicasa separa las dos cadenas rompiendo los puentes de hidrógeno. La topoisomerasa elimina las tensiones estructurales que se generan, y las proteínas SSB estabilizan las hebras separadas. La síntesis de las nuevas hebras la lleva a cabo la ADN polimerasa III, que solo puede añadir nucleótidos al extremo 3′ de una cadena existente, por lo que necesita un cebador de ARN, sintetizado por la enzima primasa.
La replicación es bidireccional desde el origen. Una hebra se copia de forma continua (hebra conductora), mientras que la otra se sintetiza de manera discontinua (hebra retardada) en fragmentos llamados fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos son iniciados por cebadores y luego unidos por la ADN ligasa, tras ser reemplazados los cebadores por ADN gracias a la ADN polimerasa I.
Diferencias entre la Replicación en Procariotas y Eucariotas
En eucariotas, las histonas originales se conservan en la hebra conductora y se sintetizan nuevas para la retardada. Los fragmentos de Okazaki son más cortos (100-200 nucleótidos frente a los 1000-2000 de procariotas). Además, los procariotas tienen tres tipos de ADN polimerasa, mientras que los eucariotas poseen cinco. También difieren en el número de orígenes de replicación: uno solo en procariotas y múltiples (cientos por cromosoma) en eucariotas. Cada unidad de replicación en eucariotas se llama replicón.
Corrección de Errores en la Replicación del ADN
Aunque el sistema de replicación es muy preciso, puede haber errores (1 por cada 10⁷-10⁸ nucleótidos). Existen mecanismos de reparación que reducen la tasa de error a 1 por cada 10¹⁰. Estos mecanismos incluyen la acción de endonucleasas, que detectan errores y cortan la hebra, exonucleasas que eliminan el segmento incorrecto, ADN polimerasa que sintetiza el fragmento corregido, y ADN ligasa que une el nuevo fragmento con el resto de la cadena. Esta mínima tasa de error permite mantener la estabilidad genética, pero también genera la variabilidad necesaria para la evolución.
Expresión Génica: Del ADN a las Proteínas
2.1. Dogma Central de la Biología Molecular
El dogma central de la biología molecular establece que la información genética fluye desde el ADN al ARN y de ahí a las proteínas. El ADN contiene la información en forma de genes, que son segmentos que codifican proteínas. Este flujo de información ocurre en dos procesos fundamentales: la transcripción y la traducción.
2.2. Transcripción
Proceso General
La transcripción es el proceso por el cual se sintetiza una molécula de ARN utilizando el ADN como molde. La enzima encargada de este proceso es la ARN polimerasa ADN-dependiente. Esta enzima se une al ADN en regiones específicas llamadas promotores y copia la información siguiendo la secuencia de la hebra molde en dirección 3’ a 5’, mientras sintetiza el ARN en sentido 5’ a 3’. Los nucleótidos usados son trifosfatados y complementarios a las bases del ADN.
Transcripción en Procariotas
En procariotas existe una única ARN polimerasa compuesta por varias subunidades. Para iniciar la transcripción necesita asociarse con el factor sigma, el cual reconoce regiones promotoras específicas como la caja TATA (TATAAT). La terminación ocurre cuando la enzima encuentra una secuencia rica en guaninas y citosinas que forma una estructura de horquilla, a veces ayudada por el factor rho. En procariotas, el ARNm se puede traducir inmediatamente sin necesidad de maduración, mientras que el ARNt y el ARNr sí requieren ciertos procesos de maduración.
Transcripción en Eucariotas
En células eucariotas existen tres tipos de ARN polimerasa: la ARN polimerasa I transcribe los ARNr, la II transcribe los ARNm y la III los ARNt. Estas enzimas no utilizan el factor sigma, sino que requieren una variedad de factores de transcripción. Una vez sintetizado, el ARN primario (o transcrito primario) necesita ser madurado. Este proceso incluye la adición de una caperuza de 7-metilguanosina en el extremo 5’, la incorporación de una cola de poliadeninas (cola poli-A) en el extremo 3’, y la eliminación de intrones mediante un complejo llamado espliceosoma, que une los exones funcionales. Solo tras este proceso se obtiene el ARNm maduro.
2.3. El Código Genético
El código genético es el sistema por el cual se traduce la información del ARN a proteínas. Está compuesto por tripletes de bases llamados codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido específico. Existen 64 codones posibles: 61 codifican aminoácidos y 3 funcionan como señales de parada (UAA, UAG y UGA). El codón de inicio es AUG, que codifica la metionina. Este código es universal (común a todos los seres vivos) y degenerado, ya que varios codones pueden corresponder al mismo aminoácido.
2.4. Traducción
Traducción en Procariotas
La traducción es el proceso en el que se sintetizan proteínas a partir del ARNm, y en procariotas ocurre en el citoplasma. Comienza con la activación de los aminoácidos, que se unen a sus ARNt específicos utilizando ATP, formando aminoacil-ARNt. La iniciación comienza cuando la subunidad menor del ribosoma se une al ARNm y al ARNt con formilmetionina (fMet), y luego se une la subunidad mayor del ribosoma. Durante la elongación, nuevos ARNt entran en el ribosoma, se forman enlaces peptídicos entre los aminoácidos y la cadena se va alargando. Este proceso requiere factores de elongación y GTP como fuente de energía. La terminación se da cuando un codón de parada entra en el ribosoma, lo que provoca la liberación de la proteína sintetizada y la disociación de las subunidades ribosómicas.
Traducción en Eucariotas
La traducción en eucariotas es muy similar a la de procariotas pero con algunas diferencias clave. El ARNm es monocistrónico, es decir, cada molécula de ARNm codifica una sola proteína. Además, la iniciación de la traducción comienza con una metionina sin modificar, no con formilmetionina. También hay diferencias en los factores de iniciación, elongación y terminación, y la traducción solo ocurre después de que el ARNm ha sido completamente madurado y exportado al citoplasma desde el núcleo.
Mutaciones: Tipos, Origen y Consecuencias
3.1. Clasificación de las Mutaciones
Las mutaciones son cambios en la secuencia del ADN que afectan a la estructura y función de las proteínas. Se clasifican en:
Mutaciones génicas (puntuales): Afectan la secuencia de nucleótidos de un gen. Pueden ser:
Sustituciones de bases: Transiciones (púrica ↔ púrica, pirimidínica ↔ pirimidínica) o transversiones (púrica ↔ pirimidínica).
Pérdidas o inserciones: Alteran la lectura del código genético desde el punto de cambio.
Transposiciones: Segmentos de ADN que cambian de lugar, modificando la información genética.
Mutaciones cromosómicas: Afectan la estructura de los cromosomas, visibles al microscopio. Tipos:
Inversiones: Fragmento de gen invertido. Puede ser pericéntrica (incluye centrómero) o paracéntrica (no incluye centrómero).
Translocaciones: Fragmento que cambia de posición dentro del mismo cromosoma o hacia otro. Puede ser recíproca o simple.
Deficiencias y deleciones: Pérdida de fragmentos cromosómicos.
Duplicaciones: Repetición de segmentos, relevantes en la evolución por el aumento de genes.
Mutaciones genómicas (numéricas): Cambios en el número de cromosomas detectables mediante cariotipo.
Euploidías: Cambios en juegos completos de cromosomas (ej., poliploidía en vegetales).
Monoploidías (n), Triploidías (3n), Tetraploidías (4n), etc.
Aneuploidías: Falta o exceso de cromosomas individuales.
Nulisomías (2n-2), Monosomías (2n-1), Trisomías (2n+1), Tetrasomías (2n+2).
3.2. Mutaciones y Evolución
Las mutaciones génicas son una fuente importante de variabilidad genética. No siempre son perjudiciales; algunas pueden ser beneficiosas, aumentando la adaptación y seleccionándose evolutivamente. Las mutaciones recurrentes pueden acelerar los cambios genéticos. En vegetales, las mutaciones genómicas, como la poliploidía, son frecuentes y conducen a nuevas especies.
3.3. Mutaciones y Cáncer
El cáncer implica la proliferación celular descontrolada debido a alteraciones genéticas, a menudo inducidas por agentes mutagénicos. Se deben a fallos en genes que regulan el crecimiento celular:
Oncogenes: Estimulan la división celular sin necesidad de estímulos normales, derivados de protooncogenes.
Genes supresores de tumores: Al mutar, pierden su función y permiten la proliferación tumoral.
División Celular: Mitosis y Meiosis
4.1. Mitosis
La mitosis es un proceso de división celular propio de las células eucariotas somáticas, que permite obtener dos células hijas genéticamente idénticas a la célula madre, con el mismo número de cromosomas. Asegura la constancia genética, el crecimiento, la regeneración de tejidos y la reproducción asexual en organismos unicelulares.
La mitosis incluye dos procesos:
Cariocinesis: división del núcleo.
Citocinesis: división del citoplasma.
El proceso se divide en cinco fases:
Fases de la Mitosis
Profase
La cromatina se condensa en cromosomas visibles con dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero. Desaparecen el nucléolo y la envoltura nuclear. En células animales, los centrosomas se duplican y migran a polos opuestos, formando el huso mitótico. En células vegetales también se forma huso, aunque sin centriolos.
Prometafase
Se rompe la envoltura nuclear. Los microtúbulos del huso se unen a los cinetocoros del centrómero. Los cromosomas comienzan a moverse hacia el centro de la célula.
Metafase
Los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial formando la placa metafásica. Es la fase de máxima condensación cromosómica, ideal para observar cariotipos. Cada cromátida está orientada hacia polos opuestos.
Anafase
Se separan las cromátidas hermanas, que ahora se consideran cromosomas independientes. Migran a los polos por acortamiento de los microtúbulos del huso. Se garantiza la distribución equitativa del material genético.
Telofase
Los cromosomas llegan a los polos y se descondensan. Se forma de nuevo la envoltura nuclear y el nucléolo. El huso mitótico se desorganiza.
Citocinesis
División del citoplasma tras la telofase: En células animales: mediante un surco de segmentación generado por un anillo contráctil. En células vegetales: mediante una placa celular formada por vesículas del aparato de Golgi. Resultan dos células hijas con idéntico contenido genético.
4.2. Meiosis
La meiosis es un tipo de división celular que ocurre en células germinales (líneas sexuales) para la formación de gametos (óvulos y espermatozoides). A partir de una célula madre diploide (2n) se obtienen cuatro células hijas haploides (n), todas genéticamente diferentes entre sí.
Tiene dos divisiones consecutivas:
Meiosis I (Reduccional)
Reduce el número de cromosomas a la mitad.
Profase I
La más compleja, se divide en varias subfases:
Leptoteno: los cromosomas empiezan a condensarse.
Cigoteno: los cromosomas homólogos se aparean (sinapsis) formando tétradas.
Paquiteno: ocurre el entrecruzamiento o crossing-over, intercambio de fragmentos entre cromátidas no hermanas.
Diploteno: los homólogos comienzan a separarse, pero siguen unidos en los quiasmas.
Diacinesis: los cromosomas están completamente condensados; desaparecen nucléolo y envoltura nuclear.
Metafase I
Las tétradas se alinean en el plano ecuatorial. Los homólogos están orientados hacia polos opuestos.
Anafase I
Se separan los cromosomas homólogos, no las cromátidas.
Telofase I
Los cromosomas llegan a los polos y puede haber una reorganización nuclear breve. En algunos casos, no se forma una nueva envoltura nuclear.
Citocinesis I
Se generan dos células hijas con n cromosomas dobles (con dos cromátidas).
Meiosis II (Ecuacional)
Es similar a una mitosis, pero sin duplicación previa del ADN. Las dos células hijas de la meiosis I vuelven a dividirse.
Profase II
Se forma un nuevo huso en cada célula hija, los cromosomas vuelven a condensarse si estaban descondensados.
Metafase II
Los cromosomas se alinean en el ecuador.
Anafase II
Se separan las cromátidas hermanas de cada cromosoma.
Telofase II y Citocinesis
Se forman núcleos en los polos y se divide el citoplasma. Resultado final: cuatro células haploides, todas con material genético distinto debido al entrecruzamiento y la distribución aleatoria de cromosomas.
Importancia de la Meiosis
Reducción del número cromosómico a la mitad, esencial para mantener la estabilidad genética de la especie.
Generación de variabilidad genética mediante el entrecruzamiento y la distribución independiente de cromosomas.
Producción de gametos o esporas en organismos con reproducción sexual.