Conceptos Esenciales de Biología: Genética, Microorganismos y Procesos Celulares

Ingeniería Genética: Fundamentos y Aplicaciones

La Ingeniería Genética es un conjunto de técnicas que permiten modificar el ADN de los seres vivos con diversos fines, como curar enfermedades, crear medicamentos, o mejorar cultivos y animales.

Tecnología del ADN Recombinante

La Tecnología del ADN Recombinante es una técnica fundamental que consiste en insertar un fragmento de ADN de un organismo en el ADN de otro, formando así una molécula de ADN recombinante.

Pasos del Proceso de ADN Recombinante

• Corte del ADN: Se utilizan enzimas de restricción, conocidas como "tijeras moleculares", que pueden dejar extremos cohesivos (similares a piezas de puzle) o romos.
• Unión del ADN: La enzima ligasa se encarga de unir los fragmentos de ADN.
• Inserción en Célula Huésped: El ADN recombinante se introduce en una célula receptora (como una bacteria o levadura), la cual lo copia al reproducirse.

Vector de Clonación

Un vector de clonación es un vehículo que transporta el gen de interés hasta la célula huésped. Comúnmente, se utiliza un plásmido, que es una molécula de ADN circular capaz de replicarse de forma independiente dentro de la célula.

Clonación del ADN Recombinante: Pasos Clave

1. Aislamiento del gen de interés.
2. Selección del vector de clonación.
3. Inserción del gen en el vector.
4. Introducción del vector en la célula huésped.
5. Multiplicación y selección de las células que contienen el ADN recombinante, a menudo utilizando genes marcadores.

Aplicaciones de la Ingeniería Genética

Ejemplo de Aplicación: Producción de Insulina Humana

1. Se extrae el gen de la insulina humana.
2. Se inserta este gen en un plásmido bacteriano.
3. El plásmido recombinante se introduce en una bacteria.
4. La bacteria se reproduce y, al hacerlo, produce insulina humana.
5. La insulina se extrae y se purifica para su uso como medicamento.

Organismo Transgénico

Un organismo transgénico es un ser vivo que ha sido modificado genéticamente con ADN de otra especie (por ejemplo, una planta con un gen bacteriano para resistir plagas).

Microorganismos: Diversidad y Características

1. Microorganismos

Los microorganismos son seres vivos de tamaño microscópico.

Crecimiento Microbiano

• Cultivo Continuo: Se caracteriza por una entrada constante de nutrientes y una salida continua de residuos, manteniendo un crecimiento sostenido.
• Cultivo Cerrado: Presenta cuatro fases distintas de crecimiento:
  • Latencia: Adaptación al medio.
  • Exponencial: Rápida multiplicación.
  • Estacionaria: Equilibrio entre nacimientos y muertes.
  • Muerte: Disminución de la población.

2. Bacterias

Las bacterias son organismos procariotas, unicelulares, pertenecientes al reino Monera.

Características de las Bacterias

• ADN: Generalmente circular, bicatenario y libre en el nucleoide. Pueden contener también plásmidos.
• Pared Celular: Compuesta principalmente de peptidoglucano (con la excepción de los micoplasmas).
• Tipos Morfológicos:
  • Cocos: Esféricas.
  • Bacilos: En forma de bastón.
  • Espirilos: En espiral.
  • Vibrios: En forma de coma.

Estructura Bacteriana

• Cápsula: Capa externa que proporciona protección, favorece la adherencia y previene la desecación.
• Pared Celular:
  • Gram Positivas: Gruesa, con ácidos teicoicos (ej. Clostridium).
  • Gram Negativas: Fina, con una membrana externa adicional (ej. E. coli).
• Membrana Plasmática: Contiene mesosomas (invaginaciones implicadas en el metabolismo y la división celular).
• Citoplasma: Contiene ribosomas 70S, inclusiones, vesículas y plásmidos.
• Apéndices:
  • Fimbrias: Para la adherencia.
  • Pili: Implicados en el intercambio de ADN (pili sexual).
  • Flagelos: Para el movimiento.

Reproducción Bacteriana

• Asexual: Principalmente por bipartición.
• Parasexuales (intercambio genético):
  • Transformación: Absorción de ADN libre del entorno.
  • Transducción: Transferencia de ADN mediada por virus (bacteriófagos).
  • Conjugación: Paso de plásmidos de una bacteria a otra a través de un pili sexual.

Nutrición Bacteriana

Relación con el Entorno

• Responden a estímulos como la luz (fototactismo) y sustancias químicas (quimiotactismo).
• Se mueven mediante flagelos o reptación.
• Pueden formar endosporas: estructuras resistentes que les permiten sobrevivir en condiciones adversas.
• Según el oxígeno:
  • Aerobias estrictas
  • Anaerobias estrictas
  • Anaerobias facultativas

3. Arqueobacterias

Las arqueobacterias son procariotas unicelulares que se distinguen de las bacterias verdaderas por varias características:

• Carecen de peptidoglucano en su pared celular, la cual tiene una composición diferente.
• Su membrana celular contiene lípidos de tipo éter.
• Están adaptadas a ambientes extremos (alta salinidad, temperaturas elevadas, pH extremos).
• Genéticamente, su ADN está asociado a histonas, a diferencia de las bacterias.

4. Protozoos

Los protozoos son eucariotas unicelulares, sin pared celular y de nutrición quimioheterótrofa.

Clasificación de Protozoos según su Movimiento

• Sarcodinos: Se mueven mediante pseudópodos (ej. Amoeba).
• Flagelados: Utilizan flagelos para el movimiento (ej. Trypanosoma).
• Ciliados: Se desplazan mediante cilios (ej. Paramecium).
• Esporozoos: Son inmóviles en su fase adulta (ej. Plasmodium).

5. Algas

Las algas pueden ser microscópicas (unicelulares) o macroscópicas (pluricelulares sin tejidos diferenciados). Son eucariotas y fotosintéticas.

• Habitan principalmente en ambientes acuáticos o zonas húmedas.
• Poseen una gran importancia ecológica, siendo componentes clave del fitoplancton y productoras de oxígeno.
• La eutrofización, causada por el exceso de nutrientes, puede provocar la proliferación de algas tóxicas, generando daño ecológico.

6. Hongos Microscópicos

Los hongos microscópicos son eucariotas heterótrofos, que pueden ser unicelulares (levaduras) o filamentosos (mohos). Su pared celular está compuesta de quitina.

• Tienen una gran importancia ecológica como descomponedores.
• Levaduras: Se reproducen por gemación (ej. Saccharomyces cerevisiae, utilizada en la producción de pan y vino).
• Mohos: Se reproducen mediante conidios y esporas (ej. Penicillium).
• Líquenes: Son una simbiosis mutualista entre un hongo y un alga.

7. Virus

Los virus son parásitos intracelulares obligados y, por lo general, no se consideran seres vivos debido a su incapacidad para replicarse de forma autónoma.

Estructura Viral

• Ácido Nucleico: Puede ser ADN o ARN.
• Cápsida: Cubierta proteica formada por capsómeros.
• Envoltura Lipídica: Una capa externa opcional, derivada de la membrana de la célula huésped.

Clasificación Viral

• Por forma: Helicoidales, icosaédricos, complejos, envueltos.
• Por tipo de ácido nucleico: ADN o ARN (monocatenario o bicatenario).
• Por huésped: Bacteriófagos (bacterias), virus animales, virus vegetales.

Ciclos de Replicación Viral

• Ciclo Lítico: El virus se replica y destruye la célula huésped.
• Ciclo Lisogénico: El ADN viral se integra en el genoma de la célula huésped, permaneciendo latente.

Tipos de Infección Viral

• Lítica, persistente, latente, oncogénica.

8. Viroides y Priones

• Viroides: Son moléculas de ARN circular sin cápsida proteica. Infectan principalmente plantas.
• Priones: Son proteínas mal plegadas que pueden inducir el plegamiento anormal de proteínas normales. Causan enfermedades neurodegenerativas en animales (ej. encefalopatía espongiforme bovina o "vacas locas").

Mutaciones, Evolución y Cáncer: Alteraciones Genéticas y sus Consecuencias

¿Qué es una Mutación?

Una mutación es cualquier cambio en la secuencia o estructura del ADN. Estos cambios pueden afectar la supervivencia del organismo o modificar sus características hereditarias.

Tipos de Mutaciones

1. Según las Células Afectadas

• Somáticas: Ocurren en células no reproductoras. No son heredables, pero pueden causar enfermedades en el individuo.
• Germinales: Ocurren en células sexuales o sus precursoras. Sí son heredables y pueden afectar a la descendencia.

2. Según la Causa

• Espontáneas: Se producen por errores naturales durante la replicación del ADN, la meiosis o por daños intrínsecos en el ADN.
• Inducidas: Causadas por la exposición a agentes mutagénicos (radiaciones, sustancias químicas, virus, etc.).

3. Según el Efecto

• Perjudiciales: Pueden ser letales, patológicas o teratológicas (causantes de malformaciones).
• Neutras: No tienen un efecto notable en el organismo.
• Beneficiosas: Mejoran la adaptación y supervivencia del organismo en su entorno.

4. Según el Tipo de Alteración Genética

• Mutaciones Génicas: Afectan a un solo gen.
  • Sustituciones: Cambio de una base nitrogenada por otra.
    • Transiciones: Purina por purina (A↔G) o pirimidina por pirimidina (C↔T).
    • Transversiones: Purina por pirimidina o viceversa.
    Tipos de sustituciones según su efecto en la proteína: silenciosas, sin sentido, de sentido erróneo.
  • Inserciones / Deleciones (indel): Ganancia o pérdida de uno o más nucleótidos. Estas mutaciones alteran el marco de lectura del gen, lo que suele tener consecuencias graves.
• Mutaciones Cromosómicas: Afectan a fragmentos de cromosomas.
  • Deficiencia / Deleción: Pérdida de un fragmento cromosómico.
  • Duplicación: Repetición de un segmento cromosómico.
  • Translocación: Cambio de posición de un fragmento cromosómico, que puede ser recíproca entre cromosomas no homólogos.
  • Inversión: Un fragmento cromosómico se gira 180 grados. Puede ser paracéntrica (sin incluir el centrómero) o pericéntrica (incluyendo el centrómero).
• Mutaciones Genómicas: Alteran el número de cromosomas.
  • Euploidías: Cambio en el número de juegos completos de cromosomas (ej. monoploidías 'n', poliploidías '3n', '4n').
  • Aneuploidías: Pérdida o ganancia de cromosomas individuales (ej. monosomía '2n–1', trisomía '2n+1' como en el síndrome de Down).

Agentes Mutagénicos

Son factores que pueden inducir mutaciones:

• Físicos: Rayos X, radiación UV (pueden romper el ADN o formar dímeros de pirimidina).
• Químicos: Benzopireno, ácido nitroso (alteran las bases nitrogenadas del ADN).
• Biológicos: Ciertos virus (ej. retrovirus), transposones (segmentos móviles de ADN).

Evolución Biológica: El Motor del Cambio en las Especies

Evolución Biológica

La evolución es el proceso de cambio de unas especies a otras a lo largo del tiempo, basado en:

• Mutaciones y recombinación genética: Generan la variabilidad genética necesaria.
• Selección natural: Los individuos mejor adaptados a su entorno sobreviven y transmiten sus genes a la siguiente generación.

En esencia, la Evolución = Mutación + Selección Natural.

Teorías Evolutivas: El Neodarwinismo

El Neodarwinismo (o Síntesis Moderna de la Evolución) integra las ideas de Darwin sobre la selección natural con los principios de la genética moderna.

• Rechaza el lamarckismo (herencia de caracteres adquiridos).
• Explica la evolución mediante la interacción de mutaciones, recombinación genética y selección natural.
• Actúa sobre las poblaciones, no sobre individuos aislados.
• Es un proceso gradual y acumulativo de pequeños cambios.

Pruebas de la Evolución

• Paleontológicas: Estudio de fósiles que muestran la progresión de las formas de vida.
• Genéticas y Moleculares: Comparación de secuencias de ADN, ARN y proteínas entre diferentes especies, revelando relaciones evolutivas.
• Anatómicas Comparadas:
  • Órganos Homólogos: Misma estructura básica, pero distinta función (ej. ala de murciélago y brazo humano), indicando un ancestro común.
  • Órganos Análogos: Distinta estructura, pero misma función (ej. ala de insecto y ala de ave), resultado de evolución convergente.
  • Órganos Vestigiales: Estructuras sin función aparente en la actualidad (ej. apéndice humano), remanentes de ancestros.
• Embriológicas: Similitudes en las fases tempranas del desarrollo embrionario de diferentes especies.
• Biogeográficas: Distribución geográfica de las especies y sus patrones de parentesco, sugiriendo antecesores comunes y dispersión.

Cáncer y Mutaciones: La Proliferación Celular Descontrolada

El Cáncer

El cáncer es una enfermedad caracterizada por la proliferación descontrolada de células.

Características de las Células Tumorales

• No realizan apoptosis (muerte celular programada).
• Crecen y se dividen sin freno.
• Pueden realizar metástasis (diseminarse a otras partes del cuerpo).

Causas del Cáncer: Mutaciones Genéticas

El cáncer es causado por mutaciones en genes clave que regulan el ciclo celular:

• Protooncogenes: Genes que, al mutar, se convierten en oncogenes, promoviendo el crecimiento celular descontrolado.
• Genes Supresores de Tumores: Genes que normalmente frenan la división celular. Si fallan, la proliferación no se detiene.
• Genes Reparadores del ADN: Genes que corrigen errores en el ADN. Si fallan, se acumulan mutaciones, aumentando el riesgo de cáncer.

Dogma Central de la Biología Molecular: Flujo de la Información Genética

El Dogma Central de la Biología Molecular

El ADN es la molécula que contiene la información genética esencial para la vida. Esta información se gestiona de dos maneras principales:

• Transmisión: Se transmite a las células hijas mediante la replicación, un proceso que crea copias exactas del ADN.
• Expresión: Se expresa en forma de proteínas a través de dos procesos clave:
  • Transcripción: El ADN se copia en una molécula de ARN mensajero (ARNm).
  • Traducción: El ARNm dirige la síntesis de proteínas en los ribosomas.

Dogma Central Clásico (Crick, 1970)

El flujo de información genética se concebía como unidireccional:

ADN → ARN → Proteínas

Dogma Actualizado

Con el descubrimiento de ciertos virus, el dogma se ha ampliado. Algunos virus (como los retrovirus) pueden:

• Replicar ARN utilizando una ARN replicasa.
• Convertir ARN en ADN mediante la enzima retrotranscriptasa (proceso de retrotranscripción).

Material Genético en Procariotas y Eucariotas

• Procariotas: Poseen un ADN circular, libre en el citoplasma. La mayor parte de su ADN codifica proteínas y carece de intrones.
• Eucariotas: Su ADN es lineal y se encuentra en el núcleo, asociado a proteínas histonas. Contiene una gran cantidad de ADN no codificante e intrones intercalados entre los exones. También hay ADN en mitocondrias y cloroplastos.

Un gen es un fragmento de ADN que codifica una proteína específica y ocupa una posición determinada (locus) en un cromosoma.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso semiconservativo, lo que significa que cada nueva hélice de ADN está compuesta por una hebra original y una hebra recién sintetizada. Este proceso ocurre durante la fase S del ciclo celular.

Características de la Replicación

• Bidireccional: Comienza en uno o varios puntos específicos llamados "replicones" y avanza en ambas direcciones.
• Sentido 5’→3’: La ADN polimerasa solo puede sintetizar nuevas hebras en esta dirección.
• Semicontinua:
  • Hebra Continua (Conductora): Se sintetiza de forma ininterrumpida en sentido 5’→3’.
  • Hebra Discontinua (Retardada): Se sintetiza en pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki) en sentido 5’→3’, que luego son unidos.

Fases de la Replicación

1. Iniciación: La doble hélice de ADN se abre gracias a enzimas como la helicasa, topoisomerasa y proteínas SSB, formando una "burbuja de replicación".
2. Elongación:
   • La primasa sintetiza cebadores de ARN.
   • La ADN polimerasa III añade nucleótidos a la nueva hebra.
   • La ADN polimerasa I elimina los cebadores de ARN.
   • La ligasa une los fragmentos de ADN restantes.
3. Terminación: En procariotas, ocurre en la secuencia Ter con la ayuda de la proteína Tus. En eucariotas, la replicación termina cuando las burbujas de replicación se encuentran y se fusionan.

Diferencias en la Replicación entre Eucariotas y Procariotas (Aclaración del texto original)

• Eucariotas: Poseen telómeros, ADN asociado a histonas, múltiples orígenes de replicación, y la replicación ocurre en el núcleo, mitocondrias y cloroplastos.
• Procariotas: Generalmente tienen un único origen de replicación en su ADN circular, sin telómeros ni histonas, y la replicación ocurre en el citoplasma.

Corrección de Errores en la Replicación del ADN

La ADN polimerasa III posee una actividad exonucleasa 3’→5’ que le permite corregir errores durante la síntesis. Si estos mecanismos iniciales fallan, intervienen otros sistemas de reparación, como:

• Endonucleasas
• Exonucleasas
• ADN polimerasa II
• Ligasas

A pesar de estos sofisticados sistemas de corrección, algunos errores persisten, generando variabilidad genética, un factor crucial para la evolución.

Transcripción: Del ADN al ARN Mensajero

La transcripción es el proceso de copiar la información genética del ADN a una molécula de ARN, que servirá como molde para la síntesis proteica.

• Lugar: En eucariotas, ocurre en el núcleo; en procariotas, en el citoplasma.
• Momento: Durante la interfase (fases G1 y G2) del ciclo celular.

Requisitos para la Transcripción

• Cadena Molde (3’-5’): Solo una de las hebras de ADN se transcribe (transcripción asimétrica).
• ARN Polimerasa: Enzima que sintetiza la nueva cadena de ARN en sentido 5’→3’.
• Ribonucleótidos Trifosfato: Adenina (A), Uracilo (U), Guanina (G), Citosina (C).

Fases de la Transcripción

1. Iniciación: La ARN polimerasa reconoce y se une a una secuencia específica en el ADN llamada promotor (ej. la caja TATA). El ADN se desenrolla, formando una "burbuja de transcripción".
2. Elongación: La ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena molde de ADN (en sentido 3’→5’), añadiendo ribonucleótidos complementarios y formando enlaces fosfodiéster. A medida que avanza, el ARN recién sintetizado se separa del ADN molde.
3. Terminación: La transcripción finaliza al encontrar señales específicas en el ADN que provocan la liberación de la cadena de ARN.
   • Dependiente de Rho (ρ): La proteína Rho rompe el complejo de transcripción.
   • Independiente de Rho: La formación de una estructura de horquilla en el ARN, seguida de una región rica en adeninas, provoca la liberación.

Maduración del ARNm (Solo en Eucariotas)

El ARN primario (pre-ARNm) sufre modificaciones antes de salir del núcleo:

• Caperuza 5’: Adición de una 7-metilguanosina en el extremo 5’, que protege el ARNm y facilita su reconocimiento por los ribosomas.
• Cola Poli-A (3’): Adición de aproximadamente 200 nucleótidos de adenina en el extremo 3’, lo que confiere estabilidad y facilita el transporte del ARNm fuera del núcleo.
• Splicing (Corte y Empalme): Eliminación de las secuencias no codificantes (intrones) y unión de las secuencias codificantes (exones) por un complejo llamado espliceosoma.

Código Genético: El Lenguaje de la Vida

El código genético es la relación que establece entre los tripletes de nucleótidos del ARNm (codones) y los aminoácidos que forman las proteínas.

Términos Clave del Código Genético

• Codón: Triplete de nucleótidos en el ARNm.
• Codógeno: Triplete de nucleótidos en la hebra de ADN que sirve de molde para el codón.
• Anticodón: Triplete de nucleótidos en el ARNt, complementario al codón del ARNm.

Características del Código Genético

• Universal (casi): Es el mismo para casi todos los seres vivos, con algunas excepciones en mitocondrias y ciertos protozoos.
• Degenerado: Varios codones pueden especificar el mismo aminoácido.
• No Ambiguo: Cada codón especifica un único aminoácido.
• Continuo y No Solapado: Se lee de tres en tres nucleótidos sin interrupciones ni solapamientos entre codones.

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm se utiliza para sintetizar una cadena polipeptídica (proteína).

• Lugar: Ocurre en el citoplasma, específicamente en los ribosomas.
• Participantes: ARNm, ARNt (ARN de transferencia), ARNr (ARN ribosomal), ribosomas, diversas enzimas y energía (ATP y GTP).

Fases de la Traducción

1. Activación de Aminoácidos: Cada aminoácido se une a su ARNt específico en un proceso que consume ATP, catalizado por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa, formando un aminoacil-ARNt.
2. Iniciación:
   • La subunidad menor del ribosoma se une al ARNm.
   • El codón de inicio (AUG) se posiciona en el sitio P del ribosoma.
   • Un ARNt iniciador, que transporta metionina (Met en eucariotas o formil-metionina en procariotas) y cuyo anticodón es UAC, se une al codón AUG.
   • Finalmente, la subunidad mayor del ribosoma se une al complejo.
3. Elongación:
   • Un nuevo aminoacil-ARNt entra en el sitio A del ribosoma, complementario al siguiente codón.
   • Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el del sitio A, catalizado por la peptidil transferasa (actividad del ARNr).
   • El ribosoma se transloca (avanza tres bases) a lo largo del ARNm, moviendo el ARNt con la cadena polipeptídica creciente al sitio P, y el ARNt vacío al sitio E.
   • El ARNt vacío sale del sitio E.
4. Terminación:
   • El proceso finaliza cuando un codón de "STOP" (UAA, UAG, UGA) entra en el sitio A.
   • Un factor de liberación se une al codón STOP.
   • La cadena proteica recién sintetizada se libera del ribosoma.
   • El complejo ribosomal se disocia.