Fundamentos de Biología Molecular: Estructura del ADN, Expresión Génica y Síntesis de Proteínas

Fundamentos de Biología Molecular: Estructura del ADN y Procesos Centrales

Estructura Química del Nucleótido del ADN

El nucleótido del ADN está formado por tres componentes esenciales:

• Azúcar: Pentosa desoxirribosa.
• Grupo Fosfato (p).
• Base Nitrogenada: Se clasifican en dos tipos:
  • Púricas: Adenina (A) y Guanina (G).
  • Pirimidínicas: Citosina (C) y Timina (T).

Experimento de Griffith y el Principio Transformante

El experimento de Griffith demostró la existencia de un 'principio transformante' capaz de transferir características hereditarias:

1. Inyección de bacterias patógenas vivas en ratón: el ratón muere.
2. Inyección de bacterias no patógenas vivas en ratón: el ratón no muere.
3. Inyección de bacterias patógenas muertas y no patógenas vivas en ratón: el ratón muere. Esto ocurre porque las bacterias muertas transfieren su material genético (ADN) a las vivas no patógenas, transformándolas. Este fenómeno se denomina principio transformante.

Descubrimiento de la Estructura del ADN por Watson y Crick

Watson y Crick determinaron la estructura del ADN como una doble hélice. Es importante notar que en el ARN (Ácido Ribonucleico), la Timina (T) no está presente y es reemplazada por el Uracilo (U).

Expresión Genética: Del Gen a la Proteína

La expresión genética es el proceso mediante el cual la información codificada en un gen se utiliza para sintetizar un producto funcional, generalmente una proteína.

• Gen: Determina el genotipo.
• Proteína: Determina el fenotipo.

El ARN actúa como intermediario, copiando la información del ADN y transportándola al citoplasma para la síntesis proteica.

Transcripción: Copia de ADN a ARN

Este proceso ocurre en el núcleo y consiste en la síntesis de una molécula de ARN a partir de una plantilla de ADN:

1. Se abren las cadenas de ADN y se localiza la secuencia de inicio (TAC en la cadena molde).
2. La enzima ARN polimerasa comienza a copiar la secuencia del ADN en una cadena de ARN.
3. La ARN polimerasa detecta la secuencia de término (ATC) y se forma el ARN mensajero (ARNm).

Maduración del ARN (Procesamiento)

Tras la transcripción, el ARN primario sufre maduración: los intrones (secuencias no codificantes) se eliminan y quedan solo los exones (secuencias codificantes), formando el ARNm maduro.

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es la síntesis de proteínas (cadenas de aminoácidos) y ocurre en los ribosomas del citoplasma.

Tipos de ARN Involucrados

• ARNm (Mensajero): Lleva la información del núcleo al ribosoma en el citoplasma para la síntesis proteica. Tres nucleótidos forman un codón, que es reconocido por un anticodón.
• ARNt (Transferencia): Transporta los aminoácidos específicos según la información del codón para construir la proteína.
• ARNr (Ribosomal): Componente estructural del ribosoma; esencial para la síntesis proteica.

El Código Genético

El código genético es universal (compartido por casi todos los seres vivos) y define qué codón corresponde a cada aminoácido.

Estructura de las Proteínas

Las proteínas se definen por su estructura tridimensional, determinada por la secuencia de aminoácidos:

Estructura Primaria (1°):

Es la secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos (similar a una cadena de cuentas).

Estructura Secundaria (2°):

Interacciones (principalmente enlaces de hidrógeno) entre los aminoácidos cercanos que dan lugar a formas regulares como la hélice alfa o la hoja beta.

Estructura Terciaria (3°):

Plegamiento tridimensional complejo de la cadena polipeptídica, estabilizado por diversas interacciones entre los grupos R de los aminoácidos (similar a un intestino plegado).

Estructura Cuaternaria (4°):

Se forma cuando varias cadenas polipeptídicas (subunidades) se asocian para formar una proteína funcional completa.

Proteínas y Enzimas

Una proteína está formada por una o más cadenas de aminoácidos (pueden ser 10 o más).

Una enzima es un tipo de proteína con funciones catalíticas:

• Actúan como catalizadores, acelerando reacciones químicas.
• Son específicas y poseen un centro activo.
• Disminuyen la energía de activación necesaria para que ocurra una reacción.
• Actúan sobre un sustrato específico, transformándolo en productos.
• Su actividad es sensible a las condiciones ambientales: si la temperatura sube de 40°C o el pH cambia drásticamente, la enzima se desnaturaliza ('caga').
• A mayor concentración de sustrato (hasta cierto punto), la reacción es más rápida.

Replicación del ADN

La replicación es el proceso por el cual el ADN se duplica, asegurando que cada célula hija reciba una copia completa del material genético. Existen tres modelos propuestos:

Modelos de Replicación

• Conservativa: Una molécula hija sería idéntica a la madre y la otra totalmente nueva.
• Dispersiva: El ADN se distribuye aleatoriamente entre las dos nuevas cadenas.
• Semiconservativa: Cada molécula hija contiene una hebra original (madre) y una hebra recién sintetizada (hija).

Experimento de Meselson y Stahl (Confirmación Semiconservativa)

Este experimento confirmó el modelo semiconservativo:

Se utilizó ADN pesado ($ ext{N}^{15}$) y se cultivaron bacterias en medio con $ ext{N}^{14}$ (ligero). Tras varias generaciones, se observó que las moléculas de ADN híbridas contenían ambas cadenas, confirmando la replicación semiconservativa.

Proceso de Replicación Semiconservativa

1. Las helicasas desenrollan y abren las cadenas de ADN.
2. La ADN polimerasa sintetiza las nuevas hebras hijas en dirección 5' $ ightarrow$ 3':
   • Hebras conductoras (Leading): Copian continuamente en dirección 5' $ ightarrow$ 3'.
   • Hebras retardadas (Lagging): Se sintetizan de forma discontinua en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki, ya que la dirección de lectura de la plantilla es 3' $ ightarrow$ 5'.
3. La enzima ligasa une los fragmentos de Okazaki, completando la hebra retardada en dirección 5' $ ightarrow$ 3'.