Conceptos Esenciales de Biología Molecular y Genética Celular

Introducción a la Genética Molecular

En 1871, Friedrich Miescher aisló del núcleo de las células de pus una sustancia ácida que contenía fósforo, a la que denominó nucleína. Posteriormente, Frederick Griffith obtuvo la primera evidencia de que el ADN era el material hereditario. Mediante la inoculación de ratones con dos cepas de bacterias, sus experimentos lo llevaron a la conclusión de la existencia de un principio transformante. Tras él, numerosos investigadores contribuyeron a explicar la naturaleza del material hereditario.

El Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN está compuesto por moléculas de alto peso molecular, formadas por polinucleótidos. Cada nucleótido, a su vez, se compone de:

• Una molécula de ácido fosfórico.
• Una desoxirribosa (azúcar de cinco carbonos).
• Una base nitrogenada (púrica o pirimidínica).

Estructura del ADN

Los nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster. El ADN se organiza en una doble hélice de 2 nm de diámetro, formada por dos cadenas que se enrollan alrededor de un eje principal. Las bases nitrogenadas se orientan hacia el interior de la hélice, mientras que los esqueletos de azúcar-fosfato forman el exterior. Las cadenas de nucleótidos se disponen de forma antiparalela y se enrollan en sentido dextrógiro (hacia la derecha). Las bases nitrogenadas de cadenas opuestas se unen mediante puentes de hidrógeno, siguiendo la complementariedad de bases (Adenina con Timina, Guanina con Citosina).

Desnaturalización e Hibridación del ADN

El ADN es una molécula muy estable, lo que dificulta su ruptura. Sin embargo, puede desnaturalizarse (separar sus dos cadenas) aplicando temperaturas muy elevadas. La desnaturalización puede ser irreversible o reversible. Si se conoce la temperatura de desnaturalización, una molécula de ADN desnaturalizada puede hibridarse, es decir, sus cadenas complementarias pueden volver a unirse. Para que esto ocurra, las bases deben ser complementarias.

Organización del ADN

El ADN se enrolla sucesivamente sobre sí mismo, compactándose hasta formar cromosomas. En cada célula diploide, existen dos cromosomas homólogos.

ADN No Codificante (Antiguo "ADN Basura")

Lo que antes se conocía como "ADN basura" no es realmente inútil. Se refiere a segmentos de ADN que no codifican proteínas, pero que pueden realizar diversas funciones, como la regulación génica o la movilidad dentro del genoma (elementos transponibles).

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso semiconservativo, lo que significa que cada una de las dos cadenas originales actúa como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria. La adición de nuevos nucleótidos es catalizada por la enzima ADN polimerasa.

El proceso se inicia cuando la enzima helicasa desenrolla y separa las dos cadenas de ADN en un extremo. A partir de un fragmento de ARN que actúa como cebador, la ADN polimerasa se encarga de añadir los nucleótidos según la complementariedad de bases, siempre en dirección 5' → 3'. Esta dirección es la única en la que la polimerasa puede sintetizar, avanzando a medida que la cadena molde se abre. Finalmente, la enzima ligasa une los fragmentos de ADN resultantes.

Expresión Génica: Transcripción y Traducción

Transcripción

Durante la transcripción, la cadena de ADN se abre y la ARN polimerasa lee la cadena molde en dirección 3' → 5'. Simultáneamente, sintetiza una nueva hebra de ARN complementaria en dirección 5' → 3'. Esta nueva hebra de ARN se diferencia del ADN en que contiene ribosa en lugar de desoxirribosa y Uracilo (U) en lugar de Timina (T).

Traducción

La traducción es el proceso por el cual el ARN mensajero (ARNm) se utiliza para sintetizar una cadena de aminoácidos, formando una proteína. Cada tipo de ARN de transferencia (ARNt) se une a un aminoácido específico y lo transporta al ribosoma, donde se unen para formar polipéptidos. Cada codón (secuencia de tres nucleótidos) del ARNm interactúa con un ARNt que lleva el anticodón complementario y el aminoácido correspondiente.

Mutaciones Genéticas

La información contenida en el ADN puede ser modificada por mutaciones, que son errores en la replicación del ADN, a menudo causados por fallos de la ADN polimerasa. Existen mecanismos de reparación que revierten estos errores rápidamente. Por ejemplo, la ADN polimerasa puede localizar un error, eliminar la base errónea y colocar una nueva correcta.

Cuando un nucleótido en una cadena de ADN se daña, es detectado y eliminado enzimáticamente, siendo sustituido por uno nuevo. Sin embargo, no siempre se logra la reparación, lo que puede dar lugar a nuevos genotipos y, por ende, a variabilidad genética.

Ciclo Celular y División Celular

Mitosis

La mitosis es un proceso de división celular que asegura el mantenimiento del número de cromosomas en las células hijas. Este proceso lo llevan a cabo exclusivamente las células somáticas.

La mitosis se divide en cuatro fases principales:

1. Profase: El núcleo aumenta de tamaño, la membrana nuclear se rompe y se forma el huso mitótico. Los cromosomas se condensan y se hacen visibles.
2. Metafase: Los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula (placa metafásica).
3. Anafase: Las cromátidas hermanas se separan y cada una se dirige hacia uno de los polos opuestos de la célula.
4. Telofase: Se forma una nueva membrana nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas en los polos. Comienza la citocinesis (estrangulamiento del citoplasma en células animales o formación de placa celular en vegetales), aparecen los nucleolos y las fibras del huso mitótico desaparecen.

Meiosis

La meiosis es un proceso de división celular especializado que produce células hijas con la mitad del número de cromosomas de la célula madre (células haploides). Este proceso es fundamental para la reproducción sexual y lo llevan a cabo únicamente las células sexuales (gametos o esporas).

La meiosis consta de dos divisiones celulares consecutivas (Meiosis I y Meiosis II). Al inicio del proceso, los cromosomas se duplican y los nucleolos desaparecen. Durante la meiosis I, se forma el huso y la membrana nuclear se rompe. Un evento crucial en la meiosis I es el entrecruzamiento (o recombinación genética) de cromátidas no hermanas, lo que genera variabilidad genética en las células hijas.