Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso fundamental mediante el cual una molécula de ADN se duplica para producir dos moléculas de ADN idénticas. Este proceso es esencial para la herencia genética y la división celular.

Experimentos Clave en la Replicación del ADN

  • Griffith y Hershey & Chase: Demostraron que el ADN es el portador de la información genética.
  • Meselson y Stahl: Confirmaron que la replicación del ADN es semiconservativa.
  • Cairns: Observó la replicación bidireccional y semiconservativa del ADN bacteriano.

Síntesis del ADN

Síntesis in vitro

  • La ADN polimerasa es la enzima clave. Requiere un cebador, solo añade nucleótidos en dirección 3′ y no puede iniciar una cadena desde cero.

Síntesis in vivo

  • Se forman fragmentos de Okazaki (compuestos de ARN y ADN) en la hebra rezagada, los cuales requieren la acción de la primasa.

Replicación en Procariotas

  • Iniciación: Involucra helicasas, topoisomerasas, proteínas SSBP y el origen de replicación (oriC).
  • Elongación: Se produce una hebra continua y una hebra retardada, con la participación de las polimerasas III y I, y la ligasa.
  • Corrección de Errores: Incluye mecanismos de autocorrección y reparación postreplicativa.

Replicación en Eucariotas

La replicación en eucariotas es más lenta y compleja, caracterizada por:

  • Múltiples orígenes de replicación.
  • La presencia de nucleosomas.
  • La replicación de los telómeros.
  • La participación de diversas polimerasas: α, β, γ, δ y ε.

Transcripción: Síntesis de ARN

La transcripción es el proceso mediante el cual la información genética contenida en el ADN se copia en una molécula de ARN. Es el primer paso de la expresión génica.

Conceptos Clave de la Transcripción

  • Hebra molde: La cadena de ADN que sirve de plantilla (3’→5′).
  • Hebra codificante (o informativa): La cadena de ADN complementaria a la molde (5’→3′), cuya secuencia es similar a la del ARN transcrito (excepto por la timina/uracilo).
  • Tipos de ARN: ARNm (mensajero), ARNr (ribosómico) y ARNt (de transferencia), transcritos a partir de genes estructurales o no estructurales.

Transcripción en Eucariotas

  • Elementos Reguladores: Promotores (como TATA, CAAT), potenciadores y silenciadores.
  • ARN Polimerasas:
    • ARN polimerasa I: Transcribe ARNr.
    • ARN polimerasa II: Transcribe ARNm.
    • ARN polimerasa III: Transcribe ARNt.
  • Etapas: Iniciación, elongación, terminación y maduración.
  • Maduración del ARNm: Incluye la adición de un Cap 5′, una cola poli-A y el splicing (eliminación de intrones y unión de exones, realizado por el espliceosoma).

Transcripción en Procariotas

En procariotas, la transcripción es más sencilla:

  • Poseen un promotor simple.
  • No hay procesos de maduración ni splicing post-transcripcional.

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso por el cual la información genética del ARNm se utiliza para sintetizar proteínas. Ocurre en los ribosomas.

El Código Genético

  • Se basa en tripletes (codones) de nucleótidos.
  • Es degenerado: varios codones pueden especificar el mismo aminoácido.
  • Es universal: el mismo código se utiliza en casi todos los organismos.
  • Es sin solapamientos: los codones se leen de forma consecutiva sin superponerse.
  • Codón de inicio: AUG (codifica metionina).
  • Codones de parada (stop): UAA, UAG, UGA.

Etapas de la Traducción

  • Iniciación: Las subunidades ribosómicas se ensamblan con el ARNt-Met y el ARNm.
  • Elongación: Los aminoácidos se añaden uno a uno en los sitios A, P y E del ribosoma, con la formación de enlaces peptídicos catalizada por la peptidil transferasa y la translocación del ribosoma.
  • Terminación: Un codón de parada es reconocido por factores de liberación, lo que provoca la disociación del ribosoma y la liberación de la proteína.
  • Postraducción: La proteína recién sintetizada sufre plegamiento, modificaciones químicas y, en algunos casos, cortes para adquirir su forma funcional.

Regulación Génica

La regulación génica es el control de la expresión de los genes, permitiendo que las células activen o desactiven genes específicos en respuesta a su entorno o necesidades internas.

Regulación Génica en Procariotas

  • Operón Lactosa: Un ejemplo clásico de regulación.
    • En ausencia de lactosa: Hay represión de los genes del operón.
    • En presencia de lactosa: La transcripción de los genes es permitida.

Regulación Génica en Eucariotas

La regulación en eucariotas es más compleja y puede ocurrir en múltiples niveles:

  • Regulación Pretranscripcional: A través de la compactación del ADN (cromatina).
  • Regulación Epigenética: Modificaciones químicas del ADN o histonas, como la acetilación y metilación.
  • Regulación Transcripcional: Mediante la interacción de promotores y factores de transcripción.
  • Regulación Postranscripcional: Incluye la maduración del ARN, su transporte y su degradación.
  • Regulación a Nivel de Traducción y Postraducción.

Mutaciones: Alteraciones del Material Genético

Una mutación es un cambio permanente en la secuencia del ADN. Puede afectar a un solo nucleótido o a grandes fragmentos de ADN, y son la fuente principal de variabilidad genética.

Clasificación de las Mutaciones

  • Según el tipo de célula:
    • Somáticas: Ocurren en células del cuerpo (no sexuales). No se heredan. Pueden provocar enfermedades como el cáncer.
    • Germinales: Se producen en las células sexuales (óvulos o espermatozoides). Sí se heredan y pueden transmitirse a la descendencia.
  • Según la extensión del cambio:
    • Génicas o puntuales: Afectan a uno o pocos nucleótidos.
      • Sustitución: Se cambia una base por otra. Puede ser:
        • Silenciosa: No altera el aminoácido.
        • Con sentido equivocado (missense): Cambia un aminoácido por otro.
        • Sin sentido (nonsense): Genera un codón de parada prematuro.
      • Inserción: Se añade una base.
      • Deleción: Se elimina una base.
      • Las inserciones y deleciones (excepto si son de 3 nucleótidos o múltiplos) pueden provocar un desplazamiento del marco de lectura (frameshift), afectando toda la proteína.
    • Cromosómicas: Afectan a partes del cromosoma (con muchos genes).
      • Deleción: Se pierde un fragmento de cromosoma.
      • Duplicación: Se repite un segmento.
      • Inversión: Un segmento se invierte de sentido.
      • Translocación: Intercambio de fragmentos entre cromosomas no homólogos.
    • Genómicas: Afectan al número total de cromosomas.
      • Aneuploidías: Pérdida o ganancia de cromosomas individuales (Ej: trisomía 21 = síndrome de Down).
      • Poliploidías: El organismo tiene más de dos juegos completos de cromosomas (común en plantas, rara en humanos).
  • Según su causa:
    • Espontáneas: Ocurren naturalmente durante la replicación del ADN (errores de la ADN polimerasa) o por reacciones químicas celulares.
    • Inducidas: Causadas por agentes mutágenos (físicos, químicos, biológicos).
  • Según su efecto:
    • Neutras: No alteran la función del gen o la proteína.
    • Perjudiciales: Pueden causar enfermedades genéticas (como la distrofia muscular) o cáncer (si afectan a genes reguladores del ciclo celular).
    • Beneficiosas: Raras, pero pueden mejorar funciones y son la base de la evolución.
  • Según su expresión:
    • Dominantes: Se manifiestan con una sola copia mutada.
    • Recesivas: Requieren dos copias mutadas para manifestarse.

Mecanismos de Producción de Mutaciones

Las mutaciones pueden producirse de dos maneras principales:

  • Espontáneamente:
    • Durante la replicación del ADN, la ADN polimerasa puede cometer errores.
    • Por reacciones químicas naturales dentro de la célula (oxidación, desaminación…).
  • Por agentes mutágenos:
    • Físicos: Radiación UV, rayos X.
    • Químicos: Benzopirenos del tabaco, formaldehído.
    • Biológicos: Algunos virus que insertan su ADN en el genoma (como el papiloma humano).

Conceptos Clave Relacionados con Mutaciones y Cáncer

  • Carcinogénesis: Proceso por el cual una célula normal se transforma en una célula cancerosa. Suele ser consecuencia de mutaciones somáticas acumuladas.
  • Neoplasia: Crecimiento anormal de tejido causado por una proliferación celular descontrolada. Puede ser benigna o maligna.
  • Cáncer: Es una neoplasia maligna. Las células se dividen sin control, pueden invadir tejidos y hacer metástasis.
  • Oncogenes: Genes que, cuando mutan o se expresan en exceso, promueven el crecimiento celular y pueden causar cáncer.
  • Protooncogenes: Genes normales que regulan el crecimiento celular. Si mutan, se convierten en oncogenes.
  • Genes supresores de tumores: Genes que normalmente inhiben la división celular o inducen la muerte celular. Si se inactivan por mutación, se favorece el desarrollo de tumores.
  • Apoptosis: Muerte celular programada. Es un proceso natural que evita que células dañadas o mutadas sigan vivas.

Consecuencias de las Mutaciones

Las mutaciones pueden tener diversas consecuencias en el organismo:

  • Neutras: No alteran la función del gen o la proteína.
  • Perjudiciales: Pueden causar enfermedades genéticas (como la distrofia muscular) o cáncer (si afectan a genes reguladores del ciclo celular).
  • Beneficiosas: Raras, pero pueden mejorar funciones y son la base de la evolución.

Mecanismos de Defensa Celular contra Mutaciones

Las células poseen sistemas para protegerse del daño genético:

  • Reparación del ADN: Existen enzimas que detectan y corrigen errores en la secuencia del ADN.
  • Apoptosis: Si el daño es irreparable, la célula se autodestruye mediante muerte celular programada.
  • Sistema inmunológico: Puede eliminar células tumorales que han acumulado mutaciones.