Biología Molecular Esencial: ADN, ARN y la Expresión de la Información Genética

El Flujo de la Información Genética: De Genes a Proteínas

Un gen no puede sintetizar directamente un polipéptido; primero, la información genética del ADN, organizada en tripletes, debe ser descodificada. Este proceso fundamental se divide en dos etapas principales:

1. Transcripción del Mensaje Genético

En esta fase, la información genética contenida en el ADN se copia en una molécula de ARNm (ácido ribonucleico mensajero). En las células eucariotas, la transcripción tiene lugar en el núcleo. Durante este proceso:

• Las dos cadenas del ADN se separan.
• Una de ellas actúa como molde para la síntesis de una molécula de ARNm.
• La síntesis del ARNm sigue las reglas de complementariedad de bases, con la particularidad de que la base complementaria de la adenina (A) es el uracilo (U), en lugar de la timina (T).

2. Traducción del Mensaje Genético

La traducción consiste en convertir el mensaje del lenguaje de los ácidos nucleicos (ARNm) al de las proteínas. El ARNm transporta la información desde el núcleo hasta el citoplasma, donde los ribosomas interpretan los tripletes que lleva. Cada uno de estos tripletes se denomina codón. Siguiendo un código específico, cada codón especifica un aminoácido determinado, traduciéndose así al lenguaje de las proteínas.

De esta forma, la secuencia de bases nitrogenadas del ARNm determina el orden en el que los aminoácidos se van añadiendo a la cadena polipeptídica que, finalmente, dará lugar a la proteína. El ARNt (ácido ribonucleico de transferencia) es el encargado de transportar los aminoácidos específicos hasta los ribosomas.

Estructura y Función del Material Genético

Estructura del Genoma

Solo una parte del ADN de los cromosomas codifica para proteínas. La mayoría del genoma contiene:

• Genes que regulan la actividad de otros genes.
• Fragmentos cuya función aún se desconoce.

Existen diferencias significativas en la estructura del genoma entre procariotas y eucariotas.

Mutaciones Genéticas

Las mutaciones son alteraciones en la secuencia del ADN. Pueden ser:

• Espontáneas: Ocurren de forma natural.
• Artificiales: Inducidas por agentes mutagénicos.

Algunos tipos de mutaciones incluyen:

• Deleción: Pérdida de un segmento de ADN.
• Duplicación: Repetición de un segmento de ADN.
• Inversión: Un segmento de ADN se invierte dentro del cromosoma.

Ingeniería Genética

La ingeniería genética es un conjunto de técnicas que permiten la manipulación y transferencia de genes entre organismos. Esto puede dar lugar a un organismo transgénico o a la creación de ADN recombinante. Los componentes y pasos clave incluyen:

• Enzimas de restricción: Cortan el ADN en secuencias específicas.
• ADN ligasa: Une fragmentos de ADN.
• Vector de transferencia: Molécula (a menudo un plásmido o virus) que transporta el ADN deseado a la célula huésped.

El proceso general implica:

1. Localización y aislamiento del gen de interés.
2. Selección del vector adecuado.
3. Unión del ADN elegido al ADN del vector.
4. Inserción del vector con el ADN recombinante en la célula huésped.
5. Multiplicación de las células huésped para obtener copias del gen o su producto.

El Proyecto Genoma Humano (PGH), por ejemplo, tuvo como objetivos principales:

• Identificación y localización de todos los genes humanos.
• Secuenciar cada gen.
• Determinar la función de cada gen.

El Código Genético y la Expresión de la Información

El Código Genético

Durante la traducción, los ribosomas interpretan el mensaje del ARNm. La secuencia de codones en el ARNm determina el orden de los aminoácidos en la cadena polipeptídica. Cada molécula de ARNt posee un anticodón que se aparea por complementariedad con un codón específico del ARNm.

De esta forma, las moléculas de ARNt van añadiendo aminoácidos a la cadena polipeptídica en formación, siguiendo el orden de los codones del ARNm. Existen 64 codones posibles. La correspondencia entre los codones del ARNm y los aminoácidos que codifican se denomina código genético.

Características clave del código genético:

• Es universal (prácticamente el mismo en todos los organismos).
• Existen codones de "stop" (por ejemplo, UAA, UAG, UGA) que marcan el final de la traducción.
• El codón AUG es la señal de inicio para que comience la traducción y también codifica para metionina.

La Expresión de la Información Genética

Las proteínas son macromoléculas complejas resultantes de la combinación de monómeros llamados aminoácidos. Existen veinte aminoácidos diferentes, y su orden y número en cada proteína son únicos, lo que determina su estructura y función.

Los ácidos nucleicos y las proteínas se basan en lenguajes diferentes:

• La información genética del ADN se expresa mediante cuatro "letras": A, G, T, C (adenina, guanina, timina, citosina), cada una representando un nucleótido.
• Las proteínas, por otro lado, utilizan veinte aminoácidos como unidades elementales.

La información contenida en el ADN se organiza en tripletes, donde cada triplete es una combinación posible de tres nucleótidos.

Componentes Clave de la Genética

ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

El ADN contiene toda la información genética necesaria para el desarrollo y funcionamiento de un organismo. En las células eucariotas, se encuentra principalmente en el núcleo.

Características principales del ADN:

• Descubierto por Crick y Watson (estructura de doble hélice).
• Compuesto por dos cadenas de polinucleótidos que forman una doble hélice.
• Posee un "esqueleto" exterior de azúcares y fosfatos.
• Las cadenas son antiparalelas.
• Las bases nitrogenadas se unen mediante enlaces de hidrógeno, siguiendo la regla de complementariedad (A con T, G con C).

ARN (Ácido Ribonucleico)

El ARN es fundamental en la expresión de la información del ADN a través de las proteínas. Se encuentra tanto en el núcleo como en el citoplasma y generalmente consta de una sola cadena de nucleótidos.

Tipos principales de ARN:

• ARNm (ARN mensajero): Copia la información del ADN y la lleva a los ribosomas.
• ARNr (ARN ribosómico): Forma parte de los ribosomas y participa en la síntesis de proteínas.
• ARNt (ARN de transferencia): Transporta los aminoácidos específicos a los ribosomas durante la traducción.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual una molécula de ADN se duplica para formar dos moléculas idénticas. Es un proceso:

• Semiconservativo: Cada nueva molécula de ADN contiene una cadena original y una cadena recién sintetizada.
• Involucra enzimas de reparación que corrigen errores durante la síntesis.

ADN como Portador de la Información Genética

La evidencia de que el ADN es el material genético provino de experimentos clave:

• Griffith (1928): Descubrió el "factor transformante" en bacterias.
• Avery, MacLeod y McCarty (1944): Demostraron que el ADN era el responsable de hacer virulenta a la bacteria.

Concepto de Gen

Un gen es una unidad de herencia que determina un carácter o rasgo específico. El trabajo de Beadle y Tatum (hipótesis "un gen, una enzima") estableció que cada gen codifica para una enzima que, a su vez, determina un carácter particular.