Fundamentos de los Ácidos Nucleicos: Estructura y Función del ADN y ARN

Los Ácidos Nucleicos

Definición

Son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más sencillas, llamadas nucleótidos.

Estructura del nucleótido

Los nucleótidos están constituidos por tres tipos de moléculas:

1. Resto de ácido ortofosfórico (H₃PO₄).
2. Monosacárido de cinco carbonos (pentosa), que puede ser:
   • Ribosa (en ARN).
   • Desoxirribosa (en ADN).
3. Base nitrogenada.

Formación de polinucleótidos

Los nucleótidos se unen formando largas cadenas llamadas polinucleótidos. La unión entre ellos se realiza entre la pentosa de un nucleótido y el resto fosfórico del siguiente.

Bases nitrogenadas

• Púricas (dos anillos): Adenina (A) y Guanina (G).
• Pirimídicas (un anillo): Citosina (C), Timina (T) —solo en ADN— y Uracilo (U) —solo en ARN—.

Comparación ADN vs ARN

El ADN

Estructura

La molécula de ADN es como "cuentas de un collar", formada por dos cadenas de polinucleótidos. Estas cadenas están unidas por enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas.

Apareamiento de bases

• Adenina (A) con Timina (T) → 2 puentes de hidrógeno.
• Citosina (C) con Guanina (G) → 3 puentes de hidrógeno.

Estas bases son complementarias, manteniendo siempre la misma distancia entre las dos hebras.

Historia

En 1953, James Watson y Francis Crick elaboraron el modelo de doble hélice del ADN. Esto fue posible gracias a los estudios de difracción de rayos X llevados a cabo por Rosalind Franklin. La estructura recuerda a una escalera de cuerda que se enrolla sobre sí misma como dos muelles entrelazados.

Estructura del Genoma

Organismos procarióticos

El genoma está compuesto por un solo cromosoma circular. Toda la información genética está en este cromosoma. Muchas bacterias contienen plásmidos: moléculas de ADN circulares más pequeñas que el cromosoma y con capacidad para replicarse independientemente.

Organismos eucarióticos

El ADN está en el núcleo, constituyendo cromosomas. En el citoplasma hay ADN en mitocondrias y cloroplastos. El genoma eucariota es más complejo:

• Contiene secuencias repetidas y secuencias no codificantes.
• El ADN se asocia con proteínas (histonas) para formar cromosomas.
• Los genes se encuentran fragmentados en:
  • Intrones: secuencias que no se transcriben.
  • Exones: secuencias que se transcriben y se traducen.

La Replicación del ADN

Definición

Es el proceso por el cual el ADN se duplica durante la fase S de la interfase del ciclo celular.

Modelo de replicación

Propuesto por J.D. Watson y F.H.C. Crick como replicación semiconservativa. En este modelo:

• La doble hélice del ADN se abre y las dos cadenas de nucleótidos se separan.
• A partir de cada una de las dos cadenas se forma una nueva, complementaria a la que ha servido como patrón.
• Se plantean otros modelos (conservativo y dispersivo), pero el semiconservativo es el aceptado.

Mecanismo

1. Enzimas especializadas separan las dos cadenas de ADN que servirán de molde.
2. Las polimerasas unen nucleótidos complementarios a los de la cadena que sirve de molde.
3. Como resultado, aparecen dos moléculas nuevas de ADN, con dos cadenas cada una:
   • Una cadena procede de la molécula original.
   • La otra cadena es de nueva síntesis.

La Expresión Génica

Definición

Es el proceso por el cual los organismos transforman la información contenida en los ácidos nucleicos en proteínas. Se lleva a cabo mediante mecanismos similares en todos los seres vivos.

El dogma central de la biología molecular

Fue enunciado en 1958 por Francis Crick. Toma la siguiente forma:

Replicación | ADN → Transcripción → ARN → Traducción → Proteína

Modificaciones al dogma central (1970)

1. Transcripción inversa: Algunos virus (retrovirus) sintetizan ADN a partir de ARN.
2. Priones: Proteínas que se propagan sin ayuda de ningún ADN.
3. Ribozimas: Moléculas de ARN que pueden autoduplicarse.

Proceso básico

1. Replicación: El ADN se autoduplica cada vez que una célula se divide.
2. Transcripción: Cuando es necesario producir una proteína, el gen de ADN que codifica esa proteína se transcribe a ARN.
3. Traducción: El ARN sale del núcleo al citoplasma, donde tiene lugar la traducción del gen y la síntesis de esa proteína.

La Transcripción

Definición

Ocurre en el núcleo de la célula. El ARNm formado sale al citoplasma a través de los poros de la membrana nuclear.

Características

• El ARNm es complementario, en su secuencia de bases, al fragmento de ADN que se ha transcrito.
• Es el fragmento de ADN que corresponde con la secuencia que codifica para una proteína determinada.
• No debe haber errores en la secuencia de ribonucleótidos.

Elementos necesarios

1. Una cadena de ADN que actúe como molde: De las dos cadenas de nucleótidos que forman el gen, solo una (cadena molde) se transcribe, mientras que la otra (cadena informativa o codificante) no lo hace.
2. Enzimas: Catalizado por las ARN polimerasas (una en procarióticos; tres en eucarióticos: ARN polimerasa I, II y III).
3. Ribonucleótidos trifosfatos de A, G, C y U: Se unen mediante enlace entre el ácido fosfórico (posición 5') de un ribonucleótido y el grupo -OH (extremo 3') del último ribonucleótido de la cadena en formación.

Etapas de la transcripción

1. Iniciación: Las dos cadenas de ADN se separan. La cadena que se va a copiar se llama cadena molde. Su complementaria es la cadena codificadora; su secuencia de bases será igual a la del ARNm (con U en lugar de T).
2. Elongación: Las polimerasas de ARN van añadiendo nucleótidos a la nueva cadena de ARN, usando U en vez de T.
3. Terminación: Una vez transcrito el ARNm, este se separa y las dos cadenas de ADN vuelven a unirse.

La Traducción

Definición

Es el proceso de síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ARNm formado en la transcripción. Tiene lugar en el interior de los ribosomas.

Elementos necesarios

1. Una molécula de ARNm, que procede de la transcripción de un fragmento de ADN concreto.
2. Ribosomas, que "leen" el ARNm. Pueden estar libres en el citoplasma o unidos al retículo endoplasmático.
3. ARN de transferencia (ARNt), moléculas que llevan los aminoácidos hasta los ribosomas. Cada aminoácido es transportado por un tipo específico de ARNt.
4. Aminoácidos libres en el citoplasma.

El código genético

En los ácidos nucleicos, la información está escrita con cuatro letras (bases): A, G, C, T en ADN; A, G, C, U en ARN. En las proteínas, el lenguaje consta de 20 letras (20 aminoácidos). El paso de 4 a 20 letras es posible gracias a grupos de tres bases llamados codones o tripletes.

• Con cuatro letras se pueden formar 4³ = 64 tripletes distintos.
• Como los aminoácidos son 20, para la mayoría existen varios codones (sinonimia).
• El código genético es universal: el mismo codón codifica el mismo aminoácido en todos los seres vivos.
• Ejemplos: UGG en ARNm = Triptófano; AUG = Metionina + codón de inicio; UAA, UAG, UGA = codones de terminación.

Características del código genético

• Degenerado: Varios tripletes codifican el mismo aminoácido.
• Sin solapamiento: Cada nucleótido pertenece a un solo triplete.
• Sin comas: No hay espacios en blanco en la lectura.
• Universal: Mismo en todas las especies.

Proceso de traducción

1. El ARNm se une a los ribosomas por el extremo adecuado para iniciar la traducción.
   • Los ARNt son específicos para cada aminoácido y tienen un anticodón (tres bases complementarias al codón del ARNm).
2. Poco a poco se produce el enlace entre cada nuevo aminoácido y la proteína en crecimiento.
   • El ribosoma se desplaza sobre el ARNm y los ARNt se emparejan sucesivamente con los aminoácidos adecuados gracias a la complementariedad del anticodón.
3. Llega al ribosoma un ARNt cargado con aminoácido y sale otro descargado.
   • El ribosoma sigue desplazándose hasta llegar a un codón de terminación (UAA, UAG o UGA).
   • Como no hay ARNt que los reconozca, finaliza la síntesis de la proteína.

Las Mutaciones

Definición

Las alteraciones del material genético se denominan mutaciones. Son perceptibles aquellas que modifican alguna característica. Las mutaciones se pueden transmitir a la descendencia y originarse de forma espontánea o por acción de agentes mutágenos. Resultan necesarias para aumentar la variabilidad de los individuos de una población. En algunos casos son perjudiciales (cáncer, enfermedades genéticas).

Clasificación de mutaciones

Tipos de mutaciones según alteración genética

1. Mutaciones génicas o moleculares:
   • Afectan a la estructura química de los genes (secuencia de nucleótidos del ADN).
   • Pueden producir cambios en la secuencia de aminoácidos de la proteína.
   • Ejemplo: anemia falciforme (cambio de un aminoácido en la hemoglobina).
2. Mutaciones cromosómicas:
   • Afectan a la estructura de los cromosomas (duplicaciones, deleciones, cambios de fragmentos).
   • Son apreciables al microscopio y ocurren en algunos tumores.
3. Mutaciones genómicas o numéricas:
   • Afectan al número de cromosomas.
   • Tipos: Aneuploidías (falta o sobra de algún cromosoma) y Euploidías (afectado el juego diploide).

Mutaciones según la causa

1. Mutaciones espontáneas:
   • Consecuencia de errores en la replicación del ADN.
   • Probabilidad en eucariotas: 10^-4.
2. Mutaciones inducidas:
   • Producidas por agentes mutágenos (físicos, químicos o biológicos).

Agentes mutágenos

• Físicos: Radiaciones que alteran el ADN como ultravioleta, gamma, beta, radiación X y ultrasonidos.
• Químicos: Compuestos que alteran la secuencia de nucleótidos. Más de seis millones de sustancias: colorantes, pesticidas, contaminantes, nicotina, drogas (LSD).
• Biológicos:
  • Virus: introducen fragmentos de ADN de otras células al infectar.
  • Transposones: segmentos móviles de ADN que cambian de posición alterando el ADN original.

Las mutaciones germinales

Las mutaciones en células reproductoras (gametos) se llaman mutaciones germinales y son las únicas relevantes para la evolución, ya que se transmiten a la descendencia. Cuando se produce una mutación germinal, pueden darse tres casos:

1. Sin cambios apreciables (en ADN no transcrito o sin cambio en aminoácidos).
2. Pequeño cambio observable sin trascendencia.
3. Gran cambio aparente que puede conllevar mejora o grave perjuicio (incluso muerte).

Empaquetamiento del ADN en Eucariotas

• Nivel 1 - ADN desnudo: Doble hélice de ADN con un diámetro de 2 nm. Está formado por dos cadenas de nucleótidos con bases complementarias (A con T, G con C).
• Nivel 2 - Nucleosoma: 146 pares de bases de ADN se enrollan 1,65 vueltas alrededor de un octámero de histonas (formado por dos copias de cada una: H2A, H2B, H3 y H4). Este nivel tiene un diámetro de 11 nm y se asemeja a "cuentas en un collar".
• Nivel 3 - Fibra de 30 nm: Los nucleosomas se compactan formando una estructura en solenoide (hélice) con ayuda de la histona H1, que actúa como proteína ligadora entre nucleosomas adyacentes. Diámetro: 30 nm.
• Nivel 4 - Asas de cromatina: La fibra de 30 nm se organiza en bucles o asas de aproximadamente 300 nm de diámetro, ancladas a una matriz proteica formada por proteínas no histónicas como las condensinas.
• Nivel 5 - Cromosoma metafásico: Durante la división celular, las asas se compactan aún más alcanzando un diámetro de 700 nm, formando el cromosoma visible al microscopio óptico.

Función de las histonas

Son proteínas básicas ricas en lisina y arginina que neutralizan la carga negativa de los grupos fosfato del ADN. Permiten compactar aproximadamente 2 metros de ADN humano dentro de un núcleo celular de 5-10 micrómetros de diámetro. Las modificaciones químicas de las histonas (acetilación, metilación, fosforilación) regulan la expresión génica: la acetilación abre la cromatina permitiendo la transcripción activa, mientras que la desacetilación compacta la cromatina inhibiendo la transcripción.

Equivalencias en la Transcripción (ADN → ARNm)

Cuando el ADN se transcribe a ARNm, las bases se aparean de la siguiente manera:

• Si en la cadena molde de ADN hay Adenina (A), en el ARNm se pone Uracilo (U).
• Si en la cadena molde de ADN hay Timina (T), en el ARNm se pone Adenina (A).
• Si en la cadena molde de ADN hay Guanina (G), en el ARNm se pone Citosina (C).
• Si en la cadena molde de ADN hay Citosina (C), en el ARNm se pone Guanina (G).

Ejemplo práctico:
Cadena molde de ADN (3'→5'): T A C G G T C A T
ARNm resultante (5'→3'): A U G C C A G U A

Nota importante: La cadena codificadora de ADN (la que NO sirve de molde) tiene la misma secuencia que el ARNm, pero con Timina (T) en lugar de Uracilo (U).

Equivalencias en la Traducción (ARNm → ARNt)

El ARNt transporta aminoácidos al ribosoma. Cada ARNt tiene un anticodón de tres bases que es complementario y antiparalelo al codón del ARNm.

Regla clave: El anticodón del ARNt siempre es complementario al codón del ARNm y se lee en dirección opuesta (antiparalelo). Por ejemplo, si el codón del ARNm es 5'-AUG-3', el anticodón del ARNt es 3'-UAC-5' (que normalmente se escribe simplemente como UAC).

Resumen del Código Genético

• El código genético está formado por 64 codones tripletes posibles (4³), ya que existen 4 bases distintas (A, U, G, C) que se combinan de tres en tres.
• Estos 64 codones codifican para solo 20 aminoácidos, lo que significa que el código es degenerado: la mayoría de los aminoácidos están codificados por más de un codón (sinonimia).
• El codón AUG codifica para la metionina y además funciona como señal de inicio de la traducción.
• Los codones UAA, UAG y UGA no codifican ningún aminoácido; son señales de terminación que indican al ribosoma que debe detener la síntesis de la proteína.
• El código genético es universal: el mismo codón codifica para el mismo aminoácido en todos los seres vivos, desde bacterias hasta humanos.
• El código no tiene solapamiento: cada nucleótido pertenece a un único codón.
• El código no tiene comas: se lee de forma continua sin espacios en blanco entre los codones.

Resumen de Mutaciones

Tipos de mutaciones según la alteración genética

1. Mutaciones génicas o moleculares: Afectan a la secuencia de nucleótidos del ADN dentro de un gen. Pueden cambiar la secuencia de aminoácidos de la proteína resultante. Ejemplo: anemia falciforme.
2. Mutaciones cromosómicas: Afectan a la estructura del cromosoma completo, provocando duplicaciones, deleciones o reordenamientos de fragmentos cromosómicos. Son visibles al microscopio.
3. Mutaciones genómicas o numéricas: Afectan al número total de cromosomas. Se dividen en:
   • Aneuploidías: falta o exceso de uno o pocos cromosomas (ejemplo: trisomía 21 o síndrome de Down).
   • Euploidías: cambio en el número completo de juegos cromosómicos (ejemplo: individuos triploides con 3n cromosomas).

Agentes mutágenos

• Físicos: Radiaciones como ultravioleta, rayos gamma, rayos beta, rayos X y algunos ultrasonidos.
• Químicos: Colorantes, pesticidas, contaminantes ambientales, nicotina y drogas como el LSD.
• Biológicos:
  • Virus que insertan fragmentos de ADN ajeno.
  • Transposones: segmentos móviles de ADN que cambian de posición dentro del genoma.

Mutaciones germinales

Son las que ocurren en las células reproductoras (gametos). Son las únicas que se transmiten a la descendencia y por tanto son relevantes para la evolución. Pueden producir:

1. Ningún cambio visible.
2. Un pequeño cambio sin importancia biológica.
3. Un cambio grande que puede ser beneficioso o perjudicial (incluso letal).