Fundamentos de Genética Molecular y Evolución: Del ADN a la Proteína

Genética Molecular

1. Introducción

Origen: En el siglo XX nace la genética moderna.

• Watson y Crick: Descubrieron la estructura del ADN (doble hélice).
• Avery (1944): Demostró que el ADN es el material genético.

Evolución del concepto de gen

1. Un gen → una enzima
2. Un gen → una proteína
3. Un gen → una cadena polipeptídica (concepto correcto)

Gen: Fragmento de ADN que codifica una cadena polipeptídica. Sus funciones principales son: almacenar información, expresar información, regular y transmitir.

Estructura del gen

• Secuencias codificadoras: Exones.
• Secuencias no codificadoras: Intrones.
• Secuencias reguladoras: Controlan el inicio y el fin (no se transcriben).

Otros elementos:

• Pseudogenes: No funcionales.
• ADN intergénico (aprox. 98%): Posee función reguladora (anteriormente denominado «ADN basura»).

Diferencias entre procariotas y eucariotas

• Procariotas: ADN circular, sin intrones, gen continuo.
• Eucariotas: ADN lineal (cromosomas), con intrones y exones, requiere procesamiento del ARN.

Dogma central de la biología molecular (Severo Ochoa, años 60-80)

Describe el flujo de la información genética:

• ADN → Replicación
• ADN → ARN (Transcripción)
• ARN → Proteína (Traducción)

Excepciones:

• Retrovirus (ej. VIH): ARN → ADN (mediante la transcriptasa inversa).
• Retrotransposones: Realizan retrotranscripción en eucariotas.
• Algunos virus: ARN → ARN (replicación de ARN).

2. Replicación del ADN

Consiste en la formación de dos moléculas de ADN idénticas y ocurre durante la fase S del ciclo celular.

Características

• Semiconservativa: Las dos cadenas se separan y cada una sirve como molde para una nueva.
• Bidireccional.
• Semidiscontinua: Debido a la aparición de los fragmentos de Okazaki.

Fases de la replicación

1. Inicio: Comienza en el origen de replicación (oriC).
   • Enzimas: Helicasa (separa las hebras), SSB (estabilizan las hebras), Topoisomerasa (evita el superenrollamiento), Primasa (sintetiza el cebador de ARN).
2. Elongación:
   • ADN polimerasa III: Sintetiza el nuevo ADN.
   • ADN polimerasa I: Sustituye los cebadores de ARN por ADN.
3. Terminación: Encuentro de las horquillas de replicación.

Síntesis de cadenas

Problema: El ADN es antiparalelo y la polimerasa solo actúa en dirección 5’→3’.

Solución:

• Hebra conductora: Síntesis continua.
• Hebra retardada: Síntesis discontinua mediante fragmentos de Okazaki.

Proceso: 1. Cebador, 2. Elongación, 3. Sustitución de ARN por ADN, 4. La ADN ligasa une los fragmentos.

Replicación en eucariotas (diferencias)

Presenta múltiples orígenes de replicación, utiliza proteínas RPA, cuenta con 5 tipos de ADN polimerasas, las histonas se duplican, los telómeros se acortan y los fragmentos de Okazaki son más pequeños.

3. Transcripción: De ADN a ARN

Características

• Selectiva: Solo copia la información del gen de interés.
• Reiterativa: Se suelen realizar varias transcripciones de un mismo gen.
• Asimétrica: Solo se utiliza una hebra como molde.

Enzima clave: ARN polimerasa (sintetiza ARN en dirección 5’→3’).

Fases en procariotas

1. Iniciación: Reconocimiento del promotor (secuencia de nucleótidos) y formación de la burbuja de transcripción.
2. Elongación: Se añaden nucleótidos complementarios. El ARN resultante es igual a la cadena codificante (sustituyendo Timina por Uracilo).
3. Terminación: Al encontrar la secuencia terminadora (palindrómica del ADN), se forma un lazo y el proceso se detiene.

En procariotas: No hay maduración y la traducción es simultánea.

Diferencias en eucariotas

Ocurre en el núcleo y participan 3 tipos de ARN polimerasas:

• I: ARNr
• II: ARNm
• III: ARN pequeños

Procesamiento del ARNm (Maduración)

• Una enzima une al extremo 3’ una cola poli-A.
• Se añade también la caperuza en el extremo 5’.
• Splicing: Se eliminan los intrones y se empalman los exones.

4. Traducción: De ARNm a Proteína

Ocurre en los ribosomas.

4.1 Código genético

Características

• Basado en tripletes o codones (3 bases para codificar 20 aminoácidos).
• Existen 64 codones: 61 codifican aminoácidos, 1 es de inicio (AUG) y 3 son de parada o stop (UAA, UAG, UGA).

Propiedades

• Degenerado: Los aminoácidos están codificados por más de un triplete (codones sinónimos).
• No solapado: Sin superposiciones.
• Continuo: Sin espacios ni comas.
• Específico: Ningún codón codifica más de un aminoácido.
• Universal: Los tripletes y aminoácidos son iguales para todos los seres vivos (con mínimas excepciones).
• Arbitrario.

4.2 Tipos de ARN y Ribosomas

• ARNm: Lleva la información genética desde el ADN hasta los ribosomas.
• ARNt: Transporta aminoácidos y posee un anticodón (triplete de nucleótidos en el brazo central).
• ARNr: Forma los ribosomas y cataliza el enlace peptídico.

Sitios del Ribosoma:

• A: Entrada (aceptor).
• P: Cadena (peptídica).
• E: Salida (exit).

Activación de aminoácidos: Para que la traducción tenga lugar, el aminoácido debe unirse al extremo 3’ del ARNt (Aminoácido + ARNt → aminoacil-ARNt). Requiere 1 ATP y la enzima aminoacil-ARNt sintetasa.

4.3 Fases de la traducción

1. Iniciación: El primer aminoácido siempre es Metionina (Met). El ARNm (5’) se une a la subunidad pequeña, el ARNt (Met) se une al codón AUG (sitio P) y finalmente se une la subunidad grande.
2. Elongación (ciclo): Entrada del ARNt al sitio A, la peptidil-transferasa forma el enlace peptídico con cada aminoácido incorporado y ocurre la translocación (requiere GTP).
3. Terminación: El codón de stop llega al sitio A, un factor de liberación se une al codón de terminación y se libera la proteína.

4.4 Diferencias entre procariotas y eucariotas

• Procariotas: Traducción simultánea a la transcripción, ribosomas 70S.
• Eucariotas: Separación espacio-temporal, ribosomas 80S.

4.5 Regulación Génica

Procariotas: El Operón Lactosa

Componentes: Promotor, Operador (fija proteínas reguladoras), Genes estructurales (codifican proteínas) y Gen regulador (sintetiza proteínas reguladoras).

Funcionamiento:

• Con lactosa (inductor): El represor está inactivo y el gen se transcribe.
• Sin lactosa: El represor está activo y NO se transcribe.

Eucariotas

La regulación ocurre en la condensación de la cromatina, la transcripción y la maduración del ARN. La eucromatina es la forma activa y la heterocromatina es la inactiva.

Genética y Evolución

1. Las Mutaciones

• Alteración permanente del ADN.
• Puede transmitirse a las células hijas.
• Fuente de variabilidad genética.
• Junto con la recombinación meiótica, constituye la base de la evolución.

Importancia evolutiva: La selección natural actúa sobre la variabilidad generada por las mutaciones y la recombinación.

Clasificación de las mutaciones

1. Según la causa: Espontáneas o inducidas.
2. Según el agente: Físicos, químicos o biológicos.
3. Según el efecto en la proteína: Positivas (<1%, beneficiosas), negativas (perjudiciales) o neutras.
4. Según la célula afectada:
   • Somáticas: No heredables, se transmiten por mitosis.
   • Germinales: En gametos, son heredables.
5. Según la magnitud:
   • A) Mutaciones génicas (puntuales): Afectan a un solo gen por cambios en los nucleótidos.
   • B) Cromosómicas: Cambios en la estructura del cromosoma.
   • C) Genómicas: Cambios en el número de cromosomas (cariotipo).

1.1 Mutaciones puntuales

• Sustitución de bases: Transición (misma clase) o Transversión (purina ↔ pirimidina). Puede ser silenciosa si no cambia la proteína.
• Inserción o deleción: Añadir o quitar bases. Si no es múltiplo de 3, cambia el marco de lectura, lo cual tiene un efecto muy grave.

1.2 Mutaciones cromosómicas

Cambios estructurales:

• Deleción: Pérdida de un fragmento (puede ser letal).
• Duplicación: Repetición de un fragmento.
• Inversión: Cambio de sentido (pericéntrica si incluye el centrómero o paracéntrica si no).
• Inserción: Fragmento en otro cromosoma.
• Translocación: Intercambio entre cromosomas.
• Fusión robertsoniana: Unión de cromosomas.

1.3 Mutaciones genómicas

Cambio en el número de cromosomas:

• Euploidías: Cambio en juegos completos (n, 3n, 4n o poliploidía). Muy común en plantas.
• Aneuploidías: Cambio en cromosomas individuales.
  • Monosomía: 2n − 1.
  • Trisomía: 2n + 1 (ej. Síndrome de Down en el par 21, Síndrome de Turner XO, Síndrome de Klinefelter XXY).

Origen: Error en la meiosis por no disyunción.

2. Agentes Mutagénicos

• Físicos: Radiación UV (dímeros T-T o C-C), Rayos X y gamma (roturas del ADN).
• Químicos: Ácido nitroso (cambia C por U), análogos de base (5-bromouracilo) e intercalantes (originan inserciones o deleciones).
• Biológicos: Virus que insertan su ADN en las células.

3. Reparación del ADN

Durante la replicación, la ADN polimerasa corrige errores de mal apareamiento. En otras fases existen mecanismos como:

• Reversión directa: La enzima fotoliasa repara dímeros causados por UV.
• Escisión: Se elimina el segmento dañado y se reemplaza.

4. Mutaciones y Cáncer

El cáncer es un tumor maligno caracterizado por la división sin control (hiperplasia), invasión y daño de tejidos (displasia) y metástasis. Es causado por mutaciones en genes del ciclo celular:

• Protooncogenes: Regulan el crecimiento. Si mutan, se convierten en oncogenes, provocando división excesiva.
• Genes supresores (ej. p53): Frenan la división celular e inducen la apoptosis. Si mutan, se pierde el control del tumor.

5. Origen de la Variabilidad

Las fuentes principales son las mutaciones y la recombinación meiótica. Esto permite la selección natural y es la base de la evolución. Las mutaciones pueden ser perjudiciales (más comunes) o beneficiosas (menos frecuentes), y su impacto depende siempre del ambiente.