Ácidos Nucleicos, Replicación, Síntesis Proteica y División Celular: Fundamentos de Biología Molecular

Ácidos Nucleicos: Las Moléculas de la Vida

Los ácidos nucleicos son macromoléculas fundamentales para la vida, formadas por la unión de unidades más sencillas llamadas nucleótidos. Existen dos tipos principales: el ADN y el ARN.

ARN (Ácido Ribonucleico)

El ARN se localiza principalmente en el núcleo y en el citoplasma de las células.

• Composición: Los nucleótidos del ARN contienen el azúcar ribosa y las bases nitrogenadas Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Uracilo (U).
• Estructura: Consta generalmente de una única cadena de nucleótidos.
• Tipos y Función: Existen varios tipos de ARN que intervienen en la fabricación de proteínas, como el ARN mensajero (ARNm) y el ARN de transferencia (ARNt). El ARN se sintetiza a partir de una hebra molde de ADN (proceso de transcripción) y juega un papel crucial en la síntesis de proteínas, ejecutando las órdenes codificadas en el ADN.

ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

El ADN se encuentra predominantemente en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma (nucleoide) de las células procariotas.

• Composición: Los nucleótidos del ADN contienen el azúcar desoxirribosa y las bases nitrogenadas Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T).
• Función: Es el portador de la información genética de la célula y dirige la síntesis de proteínas de forma indirecta.
• Estructura: Está formado por dos cadenas de desoxirribonucleótidos enrolladas en una doble hélice. Estas cadenas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno que se establecen entre las bases nitrogenadas complementarias (A con T, y G con C).
• Autoduplicación: El ADN tiene la capacidad de replicarse, es decir, de hacer copias exactas de sí mismo.

Síntesis de Proteínas (Expresión Génica)

La síntesis de proteínas es el proceso mediante el cual la información genética contenida en el ADN se utiliza para crear proteínas. Consta de dos etapas principales: transcripción y traducción.

1. Transcripción: En el núcleo (eucariotas), una porción de la doble hélice de ADN se desenrolla y se abre. Una de sus hebras sirve como molde para sintetizar una cadena complementaria de ARN, llamada ARN mensajero (ARNm).
2. Traducción: La molécula de ARNm viaja desde el núcleo al citoplasma y se une a un ribosoma.
3. Los ARN de transferencia (ARNt), cada uno unido a un aminoácido específico, reconocen secuencias de tres bases en el ARNm (llamadas codones o tripletes) mediante sus anticodones.
4. El ARNt correspondiente se une al codón del ARNm en el ribosoma, entregando su aminoácido.
5. El ribosoma cataliza la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos sucesivos, siguiendo la secuencia de codones del ARNm. El ARNt, una vez liberado su aminoácido, se desprende y vuelve al citoplasma para cargarse de nuevo.
6. Este proceso continúa hasta que se alcanza un codón de terminación en el ARNm. La cadena polipeptídica (proteína) recién formada se separa del ribosoma y queda libre en el citoplasma o se dirige a su destino celular.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso fundamental por el cual la célula duplica su material genético antes de la división celular. Es un proceso semiconservativo.

• La molécula de ADN que se va a duplicar se desenrolla y las dos cadenas de la doble hélice se separan.
• Cada cadena original (parental) sirve como molde para la síntesis de una nueva hebra de ADN complementaria.
• Enzimas específicas, como la ADN polimerasa, añaden nucleótidos complementarios a la hebra molde (A con T, G con C).
• Al final del proceso, se obtienen dos moléculas de ADN idénticas a la original. Cada una de estas nuevas moléculas está formada por una cadena antigua (parental) y una cadena nueva recién sintetizada.

Ciclo Celular en Eucariotas

El ciclo celular es la secuencia ordenada de eventos que ocurren desde que una célula se forma por división de una célula precursora hasta que se divide para dar lugar a dos células hijas. Se divide en interfase y fase M (división).

Interfase

Es el período de crecimiento y preparación para la división. Se subdivide en:

• Fase G1 (Gap 1): La célula aumenta de tamaño y sintetiza proteínas y orgánulos.
• Fase S (Síntesis): Ocurre la replicación del ADN. Al final de esta fase, cada cromosoma consta de dos copias idénticas llamadas cromátidas hermanas, unidas por el centrómero. Se duplica la información genética de la célula.
• Fase G2 (Gap 2): La célula continúa creciendo y se prepara para la mitosis. La cromatina empieza a condensarse gradualmente.

Fase M (División Celular)

Incluye la división del núcleo (mitosis o meiosis) y la división del citoplasma (citocinesis).

• Mitosis/Meiosis: El ADN, ya duplicado y condensado en forma de cromosomas, se reparte equitativamente (mitosis) o reductivamente (meiosis) entre las células que se están formando.
• Citocinesis: Se divide el citoplasma y los orgánulos, formándose finalmente dos (mitosis) o cuatro (meiosis) células hijas. En la mitosis, las células hijas suelen tener idéntica dotación cromosómica que la célula madre.

Condensación del ADN

Durante la interfase, el material genético (ADN asociado a proteínas, principalmente histonas) se encuentra en un estado relativamente laxo y se visualiza como cromatina dentro del núcleo. Durante esta fase se produce la replicación del ADN (Fase S). Cuando la célula entra en la fase de división (mitosis o meiosis), la cromatina experimenta un proceso progresivo de empaquetamiento y condensación, haciéndose visible al microscopio óptico en forma de estructuras definidas llamadas cromosomas.

Mitosis: División Celular Asexual

La mitosis es un tipo de división nuclear que produce dos núcleos hijos genéticamente idénticos al núcleo original. Es fundamental para el crecimiento, reparación de tejidos y reproducción asexual. Consta de las siguientes fases:

Profase

• Las fibras de cromatina se condensan progresivamente, formando los cromosomas visibles (cada uno con dos cromátidas hermanas).
• La membrana nuclear y el nucléolo desaparecen.
• Los centriolos (en células animales) se separan y migran hacia polos opuestos de la célula, organizando el huso mitótico (o acromático), una estructura de microtúbulos.

Metafase

• Los cromosomas alcanzan su máxima condensación.
• Los cromosomas se alinean en el plano central (ecuador) de la célula, formando la placa ecuatorial (o metafásica).
• Los microtúbulos del huso mitótico se unen a los cinetocoros de los centrómeros de cada cromosoma.

Anafase

• Los centrómeros se dividen, y las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan.
• Cada cromátida (ahora considerada un cromosoma hijo individual) es arrastrada hacia un polo opuesto de la célula por el acortamiento de los filamentos del huso mitótico.

Telofase

• Los cromosomas hijos llegan a los polos opuestos de la célula.
• Los cromosomas comienzan a descondensarse (desespiralizarse) y vuelven a formar la cromatina.
• Las fibras del huso mitótico desaparecen.
• Se reconstruye la membrana nuclear alrededor de cada conjunto de cromosomas y reaparece el nucléolo.
• Al final de la telofase, la célula posee dos núcleos genéticamente idénticos, cada uno con la misma dotación cromosómica que la célula original (por ejemplo, 2n en células diploides).

Generalmente, la mitosis va seguida de la citocinesis, la división del citoplasma.

Meiosis: División Celular para la Reproducción Sexual

La meiosis es un tipo especializado de división celular que reduce a la mitad el número de cromosomas, produciendo células haploides (gametos en animales, esporas en plantas y hongos) a partir de células diploides. Es esencial para la reproducción sexual y genera variabilidad genética. Consta de dos divisiones nucleares consecutivas: Meiosis I y Meiosis II.

Meiosis I (División Reduccional)

Reduce el número de cromosomas a la mitad.

Profase I

• Es la fase más larga y compleja. Las fibras de cromatina (duplicadas en la interfase previa) se condensan y los cromosomas se hacen visibles, cada uno formado por dos cromátidas hermanas.
• Los cromosomas homólogos (uno de origen paterno y otro materno) se aparean íntimamente en un proceso llamado sinapsis, formando bivalentes o tétradas.
• Durante la sinapsis, puede ocurrir el entrecruzamiento (o sobrecruzamiento), donde los cromosomas homólogos intercambian fragmentos de ADN. Este proceso genera nuevas combinaciones de alelos en los cromosomas (recombinación genética), lo que contribuye a que las células hijas sean genéticamente distintas a la célula madre y entre sí.
• Desaparece la membrana nuclear y se forma el huso meiótico (similar al mitótico).

Metafase I

• Los pares de cromosomas homólogos (bivalentes) se alinean en el plano ecuatorial de la célula, unidos a los filamentos del huso. La orientación de cada par homólogo es al azar.

Anafase I

• Las fibras del huso se acortan, separando los cromosomas homólogos completos (cada uno aún con sus dos cromátidas).
• Un cromosoma homólogo de cada par migra hacia un polo diferente de la célula. Importante: No se separan las cromátidas hermanas en esta fase.

Telofase I

• Los cromosomas llegan a los polos. En algunas especies, se forma una membrana nuclear transitoria y los cromosomas se descondensan parcialmente. El huso desaparece.
• Generalmente ocurre la citocinesis I, dividiendo el citoplasma y formando dos células hijas. Cada célula hija es ahora haploide (n) en cuanto al número de cromosomas, pero cada cromosoma todavía consta de dos cromátidas.

Meiosis II (División Ecuacional)

Es muy similar a una mitosis, pero ocurre en las dos células haploides resultantes de la Meiosis I.

Profase II

• Ocurre simultáneamente en las dos células hijas de la Meiosis I.
• Si se formó envoltura nuclear en Telofase I, desaparece. Los cromosomas (formados por dos cromátidas) vuelven a condensarse si se habían descondensado.
• Se forma un nuevo huso en cada célula.

Metafase II

• Los cromosomas (cada uno con dos cromátidas) se alinean individualmente en el plano ecuatorial de cada célula (placa ecuatorial).

Anafase II

• Los centrómeros se dividen y las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan.
• Cada cromátida (ahora un cromosoma hijo) migra hacia un polo opuesto de su respectiva célula.

Telofase II

• Los cromosomas hijos llegan a los polos y comienzan a descondensarse, volviendo al estado de cromatina.
• Se reconstituye la membrana nuclear alrededor de cada uno de los cuatro conjuntos de cromosomas. Desaparece el huso.

Citocinesis II

• El citoplasma de cada una de las dos células de la Meiosis I se divide (citocinesis II), resultando en un total de cuatro células hijas haploides (n). Cada célula contiene un juego completo de cromosomas, pero cada cromosoma consta de una sola cromátida. Estas células son genéticamente diferentes entre sí y de la célula madre original debido al sobrecruzamiento y a la segregación independiente de los cromosomas homólogos.