Fundamentos de los Ácidos Nucleicos: Del ADN a las Proteínas y Mutaciones

Ácidos Nucleicos: Bloques Fundamentales de la Vida

Los ácidos nucleicos son biomoléculas esenciales formadas por la unión de unidades más pequeñas llamadas nucleótidos.

Componentes de un Nucleótido

Cada nucleótido presenta tres componentes:

• Azúcar de cinco átomos de carbono (pentosa):
  • Ribosa (presente en el ARN)
  • Desoxirribosa (presente en el ADN)
• Base nitrogenada: Compuestos cíclicos que contienen nitrógeno. Se unen al carbono 1' del azúcar. Existen dos tipos:
  • Bases púricas: Adenina (A) y Guanina (G)
  • Bases pirimidínicas: Citosina (C), Timina (T, exclusiva del ADN) y Uracilo (U, exclusivo del ARN)
• Grupo fosfato (molécula de ácido fosfórico): Se une al carbono 5' del azúcar.

Formación de Cadenas de Ácidos Nucleicos

Los nucleótidos se unen unos con otros mediante enlaces fosfodiéster para formar largas cadenas. La unión siempre se produce entre el carbono 3' (C3') de un nucleótido y el grupo fosfato (unido al C5') del siguiente nucleótido. Lo que marca la diferencia entre un ácido nucleico y otro, y entre distintas moléculas del mismo tipo, es la secuencia (tipo y orden) de las bases nitrogenadas que presenta.

Tipos de Ácidos Nucleicos

Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos:

• ADN (Ácido Desoxirribonucleico):
  • Azúcar: Desoxirribosa
  • Bases Nitrogenadas: Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G), Timina (T)
  • Estructura: Generalmente bicatenaria (dos cadenas) y helicoidal (forma de hélice).
  • Localización:
    • Células procariotas: Principalmente en el citoplasma (nucleoide).
    • Células eucariotas: Principalmente en el núcleo, también en mitocondrias y cloroplastos.
  • Función: Portar y transmitir la información genética (caracteres hereditarios) de generación en generación.
• ARN (Ácido Ribonucleico):
  • Azúcar: Ribosa
  • Bases Nitrogenadas: Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G), Uracilo (U)
  • Estructura: Generalmente monocatenaria (una cadena) y lineal, aunque puede plegarse sobre sí misma.
  • Localización:
    • Células procariotas: Citoplasma.
    • Células eucariotas: Se sintetiza en el núcleo y actúa en el núcleo y/o citoplasma (ribosomas).
  • Función: Participar en la expresión génica, principalmente en la síntesis de proteínas.

ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

El ADN es una molécula orgánica de naturaleza ácida, formada por la unión de miles o millones de desoxirribonucleótidos (con A, C, G y T).

Estructura Secundaria: El Modelo de la Doble Hélice

Su estructura secundaria fue descrita por James Watson y Francis Crick en 1953, conocida como el modelo de la doble hélice del ADN.

• El ADN está formado por dos largas cadenas de nucleótidos enrolladas una sobre la otra formando una hélice dextrógira (gira a la derecha).
• Las dos cadenas de ADN son antiparalelas: una va en dirección 5' → 3' y la otra en dirección 3' → 5'.
• Las dos cadenas son complementarias: las bases nitrogenadas se aparean de forma específica mediante puentes de hidrógeno:
  • Adenina (A) siempre se une con Timina (T) mediante dos puentes de hidrógeno (A=T).
  • Citosina (C) siempre se une con Guanina (G) mediante tres puentes de hidrógeno (C≡G).
• Las bases nitrogenadas (A, T, C, G) se disponen hacia el interior de la doble hélice, mientras que los esqueletos de azúcar-fosfato quedan en el exterior.

ARN (Ácido Ribonucleico)

El ARN es una biomolécula orgánica de naturaleza ácida, formada por la unión de ribonucleótidos (con A, C, G y U).

Tipos de ARN

Existen varios tipos diferentes de ARN, cada uno con una función específica en la expresión génica:

• ARN mensajero (ARNm): Se sintetiza a partir de una hebra de ADN molde durante la transcripción. Contiene la información (en forma de codones) para la secuencia de aminoácidos de una proteína y actúa como molde durante la síntesis de proteínas (traducción).
• ARN ribosómico (ARNr): Es el componente estructural y catalítico principal de los ribosomas, las maquinarias celulares donde ocurre la síntesis de proteínas.
• ARN de transferencia (ARNt): Se encarga de transportar los aminoácidos específicos hasta el ribosoma durante la síntesis de proteínas, reconociendo los codones del ARNm mediante su anticodón.

Replicación del ADN

La replicación es el proceso que permite formar dos nuevas moléculas de ADN idénticas a partir de una molécula original. Este proceso es fundamental para la división celular y la herencia.

• Ocurre durante la fase S del ciclo celular, antes de la división.
• Es un proceso semiconservativo: cada nueva molécula de ADN resultante conserva una de las cadenas de la molécula original y la otra cadena es de nueva síntesis.

Fases de la Replicación

1. Apertura y desenrollamiento de la doble hélice: Enzimas como la helicasa rompen los puentes de hidrógeno y separan las dos cadenas.
2. Síntesis de las nuevas cadenas: La enzima principal, la ADN polimerasa, lee las cadenas molde de ADN en sentido 3' → 5' y sintetiza las nuevas cadenas complementarias en sentido 5' → 3', añadiendo nucleótidos.
3. Corrección de errores: La propia ADN polimerasa y otras enzimas revisan la nueva cadena sintetizada y corrigen posibles errores en el apareamiento de bases para asegurar una alta fidelidad en la copia.

Expresión Génica: Del ADN a la Proteína

La expresión génica es el proceso mediante el cual la información codificada en el ADN (en los genes) se utiliza para dirigir la síntesis de moléculas funcionales, principalmente proteínas (aunque también ARN funcionales). Consta de dos fases principales: transcripción y traducción.

Transcripción: Síntesis de ARN

La transcripción es el proceso que permite la obtención de una molécula de ARN (generalmente ARNm) a partir de la información contenida en una de las cadenas de un gen en el ADN (la cadena molde).

• Es llevada a cabo por una enzima llamada ARN polimerasa.
• La ARN polimerasa lee la cadena molde de ADN en sentido 3' → 5' y sintetiza la molécula de ARN complementaria en sentido 5' → 3', utilizando U en lugar de T.

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso que permite la obtención de una proteína (una cadena de aminoácidos) a partir de la información contenida en una molécula de ARNm.

El Código Genético

Para comprender la traducción, es fundamental conocer el código genético. Este código establece la correspondencia entre la secuencia de nucleótidos en el ARNm y la secuencia de aminoácidos en la proteína.

• Está escrito en el lenguaje del ARNm y está formado por un conjunto de tripletes de bases nitrogenadas llamados codones. Cada codón especifica un aminoácido particular (o una señal de inicio o parada).
• Presenta las siguientes características clave:
  • Es universal (o casi universal): Es el mismo para prácticamente todos los seres vivos.
  • Está degenerado: Varios codones diferentes pueden codificar para el mismo aminoácido (salvo la Metionina (AUG) y el Triptófano (UGG), que tienen un solo codón).
  • Es continuo y sin solapamiento: El ARNm se lee de forma continua, codón tras codón, sin que las bases de un codón formen parte del siguiente.

Fases de la Traducción

La traducción ocurre en los ribosomas y se divide en tres fases:

1. Iniciación:
   • Activación de los ARNt: Cada ARNt se une a su aminoácido correspondiente (aminoacil-ARNt).
   • La subunidad menor del ribosoma se une al extremo 5' del ARNm y busca el codón de inicio (generalmente AUG).
   • El primer ARNt (cargado con Metionina en eucariotas) se une al codón de inicio en el sitio P (peptidil) del ribosoma.
   • Finalmente, se une la subunidad mayor del ribosoma, completando el complejo de iniciación. El ribosoma tiene tres sitios importantes: A (aminoacil), P (peptidil) y E (exit/salida).
2. Elongación:
   • Un nuevo aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al siguiente codón del ARNm, entra en el sitio A (aminoacil) del ribosoma.
   • Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido situado en el sitio P y el nuevo aminoácido en el sitio A. La cadena polipeptídica creciente se transfiere al ARNt del sitio A.
   • El ribosoma se desplaza un codón a lo largo del ARNm (translocación) en dirección 5' → 3'.
   • El ARNt descargado que estaba en el sitio P pasa al sitio E y sale del ribosoma. El ARNt que lleva la cadena peptídica pasa del sitio A al sitio P. El sitio A queda libre para la entrada del siguiente aminoacil-ARNt.
   • Este ciclo de entrada, formación de enlace peptídico y translocación se repite, alargando la cadena polipeptídica.
3. Terminación:
   • La elongación continúa hasta que el ribosoma encuentra uno de los tres codones de terminación o stop (UAA, UAG, UGA) en el sitio A.
   • No existen ARNt con anticodones complementarios a los codones stop. En su lugar, factores de liberación se unen al sitio A.
   • Esto provoca la liberación de la cadena polipeptídica recién sintetizada del ARNt en el sitio P.
   • El complejo de traducción se disocia: las subunidades ribosómicas, el ARNm y los factores de liberación se separan.

Mutaciones: Cambios en el Material Genético

Concepto

Las mutaciones son cambios azarosos y permanentes en la secuencia o estructura del ADN. Pueden producirse de manera natural (espontánea, por errores en la replicación o meiosis) o ser inducidas de forma artificial por la exposición a agentes mutagénicos.

Agentes Mutagénicos

• Agentes físicos: Radiaciones ionizantes (rayos X, rayos gamma), radiación ultravioleta (UV).
• Agentes químicos: Componentes del humo del tabaco, contaminantes ambientales, algunos aditivos alimentarios, análogos de bases, agentes intercalantes.
• Agentes biológicos: Algunos virus (ej. virus oncogénicos que pueden integrarse en el genoma) y transposones.

Clasificación de las Mutaciones

En función del efecto provocado:

• Beneficiosas: Aumentan la probabilidad de supervivencia o reproducción del individuo (base de la evolución).
• Perjudiciales: Disminuyen la probabilidad de supervivencia o reproducción, pueden causar enfermedades genéticas.
• Neutras: No tienen efectos apreciables sobre el fenotipo del individuo.

En función de la célula afectada:

• Mutaciones somáticas: Ocurren en las células no sexuales (del cuerpo). Afectan solo al individuo en el que ocurren, no se transmiten a la descendencia.
• Mutaciones germinales: Ocurren en las células sexuales (gametos) o sus precursoras. No suelen afectar al individuo, pero se transmiten a la descendencia y pueden manifestarse en las siguientes generaciones.

En función del nivel de ADN alterado:

• Mutaciones génicas o puntuales: Afectan a la secuencia de nucleótidos de un gen específico. Pueden producirse mediante diferentes mecanismos:
  • Sustitución: Cambio de una base por otra.
  • Deleción: Pérdida de uno o más nucleótidos.
  • Adición o Inserción: Ganancia de uno o más nucleótidos.
• Mutaciones cromosómicas: Afectan a la estructura interna de uno o más cromosomas (cambios en segmentos cromosómicos). Incluyen:
  • Deleción: Pérdida de un fragmento de cromosoma.
  • Duplicación: Repetición de un fragmento de cromosoma.
  • Inversión: Cambio de sentido de un fragmento de cromosoma.
  • Translocación: Intercambio de fragmentos entre cromosomas no homólogos.
• Mutaciones genómicas o numéricas: Afectan al número total de cromosomas de un individuo. Se clasifican en:
  • Euploidías: Afectan al número de juegos cromosómicos completos (ej. poliploidía, como triploidía 3n).
  • Aneuploidías: Afectan al número de cromosomas de una sola pareja (falta o sobra un cromosoma). Ejemplos incluyen monosomías (2n-1, como el Síndrome de Turner) y trisomías (2n+1, como el Síndrome de Down - trisomía 21).