Principios de Genética Molecular y Microbiología: Herencia, ADN y Microorganismos

Teoría Cromosómica de la Herencia (Sutton-Boveri)

Al observar el paralelismo entre la herencia de los factores hereditarios mendelianos y el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y la fecundación, Walter Sutton y Theodor Boveri propusieron que los genes se encontraban en los cromosomas. Esta es la base de la teoría cromosómica de la herencia.

Conclusión de Morgan: Los experimentos de Thomas Hunt Morgan con Drosophila melanogaster confirmaron y ampliaron esta teoría, demostrando que los genes se disponen linealmente en los cromosomas y que se produce la recombinación genética entre cromosomas homólogos durante la meiosis.

Flujo de la Información Genética en los Seres Vivos

El dogma central de la biología molecular describe el flujo de la información genética:

1. Replicación: Duplicación del ADN para asegurar la transmisión de la información a las células hijas.
2. Transcripción: Síntesis de ARN mensajero (ARNm) a partir de un molde de ADN.
3. Traducción: Síntesis de proteínas utilizando la información codificada en el ARNm.
4. Retrotranscripción: Síntesis de ADN a partir de un molde de ARN (ocurre en retrovirus y mediante retrotransposones).

La Replicación del ADN

Proceso mediante el cual una molécula de ADN se duplica para generar dos copias idénticas. Existen tres modelos teóricos propuestos:

• Conservadora: Se generarían dos moléculas de ADN, una completamente original y otra completamente nueva. (Modelo incorrecto)
• Semiconservadora: Cada una de las dos moléculas hijas contiene una hebra original y una hebra nueva. (Modelo correcto, demostrado por Meselson y Stahl)
• Dispersa: Las dos moléculas hijas presentarían fragmentos de ADN antiguo y nuevo mezclados en ambas hebras. (Modelo incorrecto)

Enzimas que actúan en la replicación

1. ADN-Polimerasas: Enzimas clave que sintetizan las nuevas hebras de ADN. Necesitan un molde de ADN, cebadores de ARN, desoxirribonucleótidos trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) e iones Mg⁺². Se encuentran en el núcleo (eucariotas) o nucleoide (procariotas). Añaden nucleótidos en dirección 5'→3'.
2. Helicasas: Rompen los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, separando las dos hebras de ADN. Este proceso es bidireccional y crea las "burbujas de replicación".
3. Topoisomerasas (Girasas): Liberan las tensiones producidas en la doble hélice de ADN por el desenrollamiento causado por las helicasas, evitando el superenrollamiento.
4. ARN-Polimerasa (Primasa): Sintetiza pequeños fragmentos de ARN que actúan como cebadores (primers), proporcionando un extremo 3'-OH libre necesario para que la ADN-polimerasa comience la síntesis.
5. ADN-Polimerasa III (en procariotas): Principal enzima replicativa. A partir del cebador, sintetiza la nueva hebra en sentido 5'→3'. La hebra conductora (leading strand) se sintetiza de forma continua, mientras que la hebra retardada (lagging strand) se sintetiza discontinuamente en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki.
6. ADN-Polimerasa I (en procariotas): Tiene doble función: actividad exonucleasa (elimina los cebadores de ARN) y actividad polimerasa (rellena los huecos dejados por los cebadores con nucleótidos de ADN).
7. ADN-Ligasa: Une los diferentes fragmentos de ADN (especialmente los fragmentos de Okazaki en la hebra retardada y los segmentos rellenados por la ADN-polimerasa I) mediante enlaces fosfodiéster.

Diferencias entre replicación eucariota y procariota

• El ADN procariota generalmente no está asociado a histonas (aunque sí a otras proteínas), mientras que el ADN eucariota forma cromatina con histonas.
• El ADN eucariota es mucho más largo y presenta múltiples orígenes de replicación, mientras que el ADN procariota (generalmente circular) suele tener un único origen.
• Las enzimas implicadas (polimerasas, etc.) son diferentes en eucariotas y procariotas.

Técnica de la PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)

Objetivo: Obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN específico in vitro de forma rápida.

Transcripción

Proceso de síntesis de una molécula de ARN utilizando una hebra de ADN como molde.

Intervienen:

• ADN molde: La secuencia de ADN que se va a transcribir.
• Ribonucleótidos trifosfato: ATP, UTP, CTP, GTP, que son los monómeros para construir el ARN.
• Enzimas: Principalmente la ARN-polimerasa. También pueden intervenir topoisomerasas (girasas) para desenrollar el ADN y endonucleasas en procesos posteriores.
• Cofactores: Iones como Mg⁺² pueden ser necesarios para la actividad enzimática.

Proceso

1. Iniciación: La ARN-polimerasa reconoce y se une a secuencias específicas en el ADN llamadas promotores (señales de inicio).
2. Alargamiento: La ARN-polimerasa se desplaza a lo largo del ADN molde, desenrollándolo y sintetizando una cadena de ARN complementaria en dirección 5'→3'. En eucariotas, al inicio de la transcripción se añade una caperuza (metil-guanosina-trifosfato) en el extremo 5' del ARNm naciente.
3. Finalización: La transcripción termina cuando la ARN-polimerasa encuentra secuencias específicas de terminación en el ADN (ej., secuencia rica en A-T como TTATTT en algunos casos, o estructuras en horquilla en el ARN).
4. Maduración (splicing en eucariotas): En los genes eucariotas, el ARN transcrito primario (pre-ARNm) contiene secuencias no codificantes (intrones) y secuencias codificantes (exones). Los intrones se eliminan y los exones se empalman mediante un proceso llamado splicing, catalizado por el espliceosoma (complejo de ARN y proteínas, incluyendo ARN-ligasas implícitamente). Además, se añade una cola de poli-A en el extremo 3'.

Retrotranscripción (Retrovirus)

Proceso catalizado por la enzima transcriptasa inversa (o retrotranscriptasa), que sintetiza ADN a partir de un molde de ARN. Es característico de los retrovirus (como el VIH).

Código Genético

Conjunto de reglas que establece la correspondencia entre la secuencia de nucleótidos en el ARN (o ADN) y la secuencia de aminoácidos en las proteínas.

Características:

• Es un código de tripletes: Cada grupo de tres nucleótidos consecutivos en el ARNm, llamado codón, codifica para un aminoácido específico o una señal de terminación.
• Sin superposición ni solapamiento: Los codones se leen de forma consecutiva, sin que las bases de un codón formen parte del siguiente.
• Lectura secuencial: Se lee en un marco de lectura continuo desde un codón de inicio hasta un codón de terminación.
• Es degenerado: Varios codones diferentes pueden codificar para el mismo aminoácido (ej., hay 6 codones para Leucina).
• No es ambiguo: Ningún codón codifica para más de un aminoácido.
• Existen tripletes sin sentido o de terminación (stop codons): Indican el final de la síntesis de la proteína (UAA, UAG, UGA).
• Es (casi) universal: El mismo código es utilizado por la gran mayoría de los organismos, desde bacterias hasta humanos. Existen algunas excepciones menores, principalmente en mitocondrias y algunos protozoos.

Traducción (Síntesis de Proteínas)

Proceso mediante el cual la información genética codificada en el ARNm se utiliza para sintetizar una cadena polipeptídica (proteína) en los ribosomas.

Mecanismo:

1. Activación de los aminoácidos: Cada aminoácido se une a su molécula de ARN de transferencia (ARNt) específica. Este proceso ocurre en el citoplasma (hialoplasma), es catalizado por enzimas llamadas aminoacil-ARNt sintetasas y requiere energía en forma de ATP e iones Mg⁺².
2. Traducción en los ribosomas:
   • Inicio: El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. El codón de inicio (generalmente AUG, que codifica para Metionina en eucariotas o Formilmetionina en procariotas) es reconocido por el ARNt iniciador. Luego, se ensambla la subunidad mayor del ribosoma, formando el complejo de iniciación.
   • Elongación: El ribosoma se mueve a lo largo del ARNm codón por codón (en dirección 5'→3'). Para cada codón, un aminoacil-ARNt con el anticodón complementario se une al sitio A del ribosoma. Se forma un enlace peptídico entre el nuevo aminoácido y la cadena polipeptídica creciente (unida al ARNt en el sitio P). El ribosoma se transloca, moviendo el ARNt descargado al sitio E (exit) y el ARNt con el péptido al sitio P, dejando el sitio A libre para el siguiente aminoacil-ARNt.
   • Terminación: Cuando el ribosoma alcanza uno de los codones de terminación (UAA, UAG, UGA) en el ARNm, factores de liberación se unen al sitio A, provocando la hidrólisis del enlace entre el polipéptido y el ARNt, la liberación de la proteína sintetizada y la disociación de las subunidades ribosómicas y el ARNm.
3. Modificación post-traduccional y plegamiento: Una vez sintetizada, la cadena polipeptídica debe plegarse correctamente en su estructura tridimensional funcional. Además, puede sufrir diversas modificaciones (eliminación de aminoácidos, adición de grupos químicos, formación de puentes disulfuro, etc.) para volverse activa.

Regulación de la Expresión Génica

Mecanismos que controlan qué genes se expresan (transcriben y traducen) en una célula, en qué momento y en qué cantidad.

Control génico en procariotas: El Modelo del Operón

Modelo propuesto por François Jacob y Jacques Monod que describe la regulación coordinada de genes en bacterias.

Operón

Unidad de transcripción y regulación génica formada por:

• Genes estructurales: Codifican proteínas (generalmente enzimas de una misma ruta metabólica).
• Operador: Secuencia de ADN donde se une una proteína reguladora (represor) para bloquear o permitir la transcripción.
• Promotor: Secuencia de ADN donde se une la ARN-polimerasa para iniciar la transcripción.

Además, suele haber un gen regulador (ubicado en otro lugar del genoma) que codifica la proteína reguladora (activador o represor).

Operón Lac

Fue el primer operón descubierto. Regula la expresión de los genes necesarios para que la bacteria Escherichia coli metabolice la lactosa. Es un ejemplo de operón inducible: los genes solo se expresan activamente cuando la lactosa (el inductor) está presente en el medio y la glucosa (fuente de energía preferida) está ausente.

Mutaciones

Son cambios permanentes en el material genético (ADN o ARN en algunos virus). Pueden alterar el fenotipo del organismo. Las mutaciones son heredables si afectan a las células germinales (gametos o células precursoras).

Tipos de Mutaciones

• Según su origen:
  • Espontáneas: Ocurren de forma natural debido a errores durante la replicación del ADN, la reparación del ADN, o por procesos metabólicos normales (ej., daño oxidativo).
  • Inducidas: Causadas por la exposición a agentes externos llamados mutágenos (físicos como radiación UV o X, químicos como ciertos análogos de bases o agentes intercalantes, biológicos como algunos virus o transposones).
• Según el tipo de célula afectada:
  • Somáticas: Ocurren en células no reproductoras. Afectan solo al individuo donde ocurren y no se transmiten a la descendencia.
  • Germinales: Ocurren en las células que dan lugar a los gametos. Son heredables y se transmiten a la descendencia.
• Según su efecto en el individuo:
  • Perjudiciales o deletéreas: Disminuyen la capacidad de supervivencia o reproducción del individuo, o causan enfermedades.
  • Neutras o inocuas: No tienen un efecto significativo sobre el fenotipo o la aptitud del individuo (ej., mutaciones silenciosas).
  • Beneficiosas: Confieren alguna ventaja adaptativa al individuo en su ambiente.
• Según la extensión del material genético afectado:
  • Génicas o puntuales: Afectan a uno o unos pocos nucleótidos dentro de un gen. Pueden ser:
    • Sustituciones: Cambio de una base por otra (transiciones o transversiones). Pueden ser silenciosas (no cambian el aminoácido), de sentido erróneo (cambian el aminoácido) o sin sentido (introducen un codón de stop prematuro).
    • Inserciones o deleciones (indels): Adición o eliminación de uno o más nucleótidos. Si no son múltiplo de tres, causan un desplazamiento del marco de lectura.
  • Cromosómicas: Afectan a la estructura de uno o más cromosomas, alterando la ordenación de los genes. Incluyen:
    • Deleción: Pérdida de un fragmento del cromosoma.
    • Duplicación: Repetición de un fragmento del cromosoma.
    • Inversión: Un fragmento del cromosoma cambia de orientación dentro del mismo cromosoma.
    • Translocación: Un fragmento de un cromosoma se transfiere a otro cromosoma no homólogo.
  • Genómicas o cariotípicas: Afectan al número total de cromosomas. Incluyen:
    • Aneuploidías: Pérdida o ganancia de uno o varios cromosomas (ej., monosomía como el síndrome de Turner (X0), trisomía como el síndrome de Down (trisomía 21)).
    • Euploidías (Poliploidías): Afectan a juegos completos de cromosomas (común en plantas, raro en animales).

Nota: Las mutaciones son la fuente primaria de variabilidad genética, sobre la cual actúa la selección natural, siendo esta última (junto con otros factores como la deriva génica) el principal motor de la evolución, no las mutaciones por sí solas.

Taxonomía Simplificada de Algunos Grupos de Organismos

Bacterias

• Organismos unicelulares procariotas.
• Carecen de núcleo definido y orgánulos membranosos; su material genético (ADN) es generalmente una molécula circular ubicada en una región llamada nucleoide. Pueden tener plásmidos.
• Presentan mecanismos de recombinación genética parasexual (conjugación, transducción, transformación) que aumentan su variabilidad.
• Metabolismo muy diverso (autótrofas, heterótrofas, aerobias, anaerobias).

Protozoos

• Organismos unicelulares eucariotas, pertenecientes al Reino Protista.
• Nutrición heterótrofa (fagocitosis, pinocitosis, absorción).
• Pueden ser de vida libre (en medios acuáticos o húmedos) o parásitos de otros organismos.
• Presentan características funcionales similares a las de los animales (movilidad, respuesta a estímulos).
• Se clasifican tradicionalmente por su forma de locomoción: ciliados (cilios), flagelados (flagelos), rizópodos o ameboides (pseudópodos), y esporozoos (generalmente inmóviles en fase adulta, parásitos).

Algas Unicelulares

• Organismos eucariotas, mayoritariamente acuáticos, pertenecientes al Reino Protista, que realizan fotosíntesis oxigénica.
• Grupo muy diverso y heterogéneo (ej., diatomeas, dinoflagelados, euglenoides).
• Las microalgas forman el fitoplancton, base de las cadenas tróficas en ecosistemas acuáticos y grandes productoras de oxígeno.
• Contienen cloroplastos con clorofila y otros pigmentos fotosintéticos.
• Algunas son móviles mediante flagelos.
• Reproducción principalmente asexual (bipartición), aunque muchas presentan también ciclos sexuales complejos.

Hongos

• Organismos eucariotas, que pueden ser unicelulares (levaduras) o pluricelulares (mohos, setas). Pertenecen al Reino Fungi.
• Nutrición heterótrofa por absorción (saprófitos, parásitos o simbiontes como en líquenes y micorrizas). Pared celular de quitina.
• Habitan preferentemente ambientes terrestres húmedos, aunque también los hay acuáticos.
• Reproducción asexual (gemación, fragmentación, esporas asexuales) y/o sexual (mediante esporas sexuales).
• Gran importancia ecológica como descomponedores y en simbiosis; importancia económica (alimentos, fermentaciones, antibióticos, enfermedades).

Tipos Principales (Morfología):

• Hongos filamentosos (Mohos, Setas): Organismos eucariotas pluricelulares (o cenocíticos). Su cuerpo vegetativo, el micelio, está formado por filamentos microscópicos llamados hifas.
• Levaduras: Hongos microscópicos unicelulares. Forma generalmente oval o esférica. Reproducción asexual típicamente por gemación. Muy importantes industrialmente por su capacidad de realizar fermentaciones (ej., alcohólica). Ampliamente distribuidas.

Virus

• Entidades acelulares (no se consideran seres vivos en sentido estricto).
• Carecen de metabolismo propio y de maquinaria para la síntesis de proteínas (ribosomas).
• Son parásitos intracelulares obligados: necesitan infectar una célula huésped para poder replicarse, utilizando la maquinaria celular de esta.
• Estructura básica: material genético (ADN o ARN, monocatenario o bicatenario) encerrado en una cubierta proteica llamada cápside. Algunos poseen además una envoltura lipídica externa.
• Existen virus que infectan todo tipo de organismos: animales, plantas, hongos, protistas y bacterias (estos últimos se llaman bacteriófagos o fagos).

Utilidad de los Microorganismos

La microbiología aplicada utiliza los conocimientos de la microbiología básica para desarrollar procesos y productos beneficiosos en diversos campos (medicina, industria, agricultura, medio ambiente).

Antibióticos

• Sustancias químicas, originalmente producidas por microorganismos (principalmente hongos como Penicillium y bacterias como Streptomyces), que tienen la capacidad de inhibir el crecimiento (bacteriostáticos) o matar (bactericidas) a otros microorganismos, especialmente bacterias.
• Actúan interfiriendo en procesos vitales específicos de las bacterias, como la síntesis de la pared celular, la síntesis de proteínas (actuando sobre ribosomas), el metabolismo de ácidos nucleicos, etc.
• Problemas actuales:
  1. Resistencia microbiana: La aparición y diseminación de cepas bacterianas resistentes a uno o múltiples antibióticos debido al uso (y abuso) de estos fármacos y a la capacidad de evolución de las bacterias.
  2. Alergias y efectos secundarios: Algunos antibióticos pueden causar reacciones alérgicas o tener otros efectos adversos en ciertos individuos.

Industria Alimentaria

Muchos alimentos y bebidas se producen mediante la actividad fermentativa de microorganismos:

• Vino: Fermentación alcohólica del mosto (zumo) de uva por levaduras, principalmente Saccharomyces cerevisiae.
• Cerveza: Fermentación alcohólica de un mosto obtenido a partir de granos de cereal germinados (malta, usualmente de cebada) por levaduras (S. cerevisiae para ales, S. pastorianus para lagers).
• Pan: Fermentación de la masa (harina, agua, sal) por la levadura Saccharomyces cerevisiae. El CO₂ producido hace que la masa suba (leve), y el alcohol se evapora durante el horneado.
• Yogur: Fermentación láctica de la leche por bacterias específicas (cultivo iniciador), como Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus, que producen ácido láctico, el cual coagula las proteínas de la leche y le da su textura y sabor característicos.
• Queso: Proceso más complejo que implica la coagulación de la leche (por acción de enzimas como el cuajo y/o bacterias ácido-lácticas) y una posterior maduración, donde diversos microorganismos (bacterias y/o hongos) desarrollan el sabor, aroma y textura finales.

Microorganismos y Ciclo del Nitrógeno

• El nitrógeno (N) es un elemento esencial para la vida (componente de proteínas y ácidos nucleicos). Aunque abunda como gas (N₂) en la atmósfera, la mayoría de los organismos no pueden utilizarlo directamente.
• Los microorganismos desempeñan papeles cruciales en la transformación del nitrógeno entre sus diversas formas químicas (N₂, NH₃/NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻, N orgánico) en la biosfera.
• Amonificación: Bacterias y hongos descomponedores degradan la materia orgánica muerta (proteínas, ácidos nucleicos) liberando sus componentes nitrogenados en forma de amoniaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺). (El texto original solo mencionaba este paso).
• Otros pasos clave del ciclo incluyen: Fijación de nitrógeno (conversión de N₂ a NH₃ por bacterias fijadoras), Nitrificación (oxidación de NH₃ a NO₂⁻ y luego a NO₃⁻ por bacterias nitrificantes) y Desnitrificación (reducción de NO₃⁻ a N₂ por bacterias desnitrificantes).