BIOLOGÍA MOLECULAR

INFORMACIÓN GENÉTICA Y EL ADN

A Los rasgos morfológicos, fisiológicos y comportamentales distintivos de cada organismo se les llama CARACTERES, los cuales son heredados de los progenitores (padres) e influenciados por el ambiente en el cual vive el organismo.

Todas las indicaciones que se necesitan para generar los caracteres de un ser vivo se encuentran almacenadas en el ADN, (ácido desoxirribonucleico) el cual es una molécula portadora de la información genética, (conjunto de características que un organismo hereda de su progenitor).

El ADN esta organizado en genes o unidades de información. Un gen es un fragmento de ADN que posee la información necesaria para producir una molécula de proteína o ARN con una función celular específica, y es responsable de la expresión de un determinado carácter.

El conjunto completo de genes de un organismo o especie se denomina genoma, que corresponde al total de la información genética que este posee. En los procariotas, el genoma está formado por un solo cromosoma (estructura en la que el ADN está compactado por proteínas y que contiene información genética esencial). En los organismos eucariotas, el genoma está organizado en varios cromosomas localizados en el núcleo de la célula. 

COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DEL ADN

El ADN también es llamado la "molécula de la vida" porque contiene todas las instrucciones para fabricar las proteínas, que determinaran la forma y el desempeño de un organismo, ademas de otros moléculas llamadas ARN. 

La estructura del ADN fue establecida en 1953, por el biofísico inglés FRANCIS CRICK (1916-2004) y el biólogo estadounidense JAMES WATSON (1928), quienes construyeron un modelo basándose en los datos de otros cientificos como el físico neozelandés MAURICE WILKINS (1916-2004) y la biofísica y cristalógrafa inglesa ROSALIND FRANKLIN (1920-1958)

El ADN es una molécula formada por dos cadenas que se enrollan entre sí de manera helicoidal para formar una estructura de doble hélice, constituida por tan solo seis componentes:

Un grupo fosfato
Una molécula de azúcar 
Cuatro bases nitrogenadas

• Adenina (A)
• Guanina (G)
• Citosina (C)
• Timina (T)

La unidad básica de la doble hélice de ADN se denomina desoxirribonucleótido, un tipo de nucleótido formado por un grupo fosfato, una molécula de azúcar de cinco carbonos llamada desoxirribosa y una de cuatro bases nitrogenadas.

Las bases nitrogenadas forman parejas químicamente estables con las bases de la otra hebra de la doble hélice mediante interacciones débiles denominadas puentes de hidrógeno.

Las dos hebras de la doble hélice son complementarias y antiparalelas. Que sean complementarias significa que la adenina (A) de una cadena solo se une a la timina (T) de la otra por medio de dos puentes de hidrógeno, mientras que la guanina (G) solamente se une a la citosina (C) por medio de tres puentes de hidrógeno. Por su parte, que sean antiparalelas significa que una de las hebras de la molécula se encuentra en dirección 3' a 5' , mientras que la otra está en la dirección 5' a 3'. Por este motivo es que se puede predecir la secuencia de su hebra complementaria.

Con base en la estructura del ADN se puede comprender los mecanismos por los cuales esta molécula se transmite a lo largo de las generaciones y la manera en la que determina las características de los seres vivos.

LAS MOLÉCULAS FUNCIONALES

Son las encargadas de realizar actividades específicas en la célula.

EL ARN

Significa ácido ribonucleico. Esta es una molécula que está presente en los seres vivos y además constituye el material genético de algunos retrovirus. 

Desempeña varias funciones en las células: en donde 

• Actúa como intermediario entre el ADN y las proteínas
• Regula la expresión de ciertos genes. 
• Algunos tipos pueden llevar a cabo una función como catalizadores.

El ARN forma una hebra que está constituida por un tipo de nucleótido, que al igual que el ADN, contiene un grupo fosfato, una molécula de azúcar y una de las cuatro posibles bases nitrogenadas. Sin embargo, a diferencia del ADN, el ARN presenta las siguientes características:

• Su unidad básica son los ribonucleótidos, nombre que reciben debido a que su azúcar es la ribosa.
• Presenta la base nitrogenada uracilo (U) en lugar de la base timina (T), ademas de citocina (C), guanina (G) y adenina (A).
• Es monocatenario, es decir posee una sola cadena, aunque puede exhibir apariencia doble cadena por apareamiento de bases complementarias dentro de la misma hebra.
• En las células eucariotas se encuentra en el núcleo, pero según su función también se puede hallar en el citoplasma.

LAS PROTEÍNAS

Las proteínas son polímeros formados por la unión de varios aminoácidos cuya secuencia está determinada por la información codificada en el ADN. 

Desempeñan gran variedad de actividades en las células:

• Son imprescindibles para el crecimiento, ya que forman parte estructural de los tejidos.
• Algunas son anticuerpos que ayudan al sistema inmune a defenderse de las sustancias extrañas que entran al organismo.
• Participan en la contracción muscular.
• Están involucradas  en el transporte de oxigeno a todos los órganos.
• Degradan sustancias.
• Aceleran procesos metabólicos.
• Ayudan a mantener el pH celular.
• Facilitan la transducción de señales (conversión de los estímulos provenientes del medio en señales que pueden ser interpretadas por el sistema nervioso.

Las proteínas encontradas en los organismos se forman a partir de la combinación de solo 22 tipos de aminoácidos distintos, los cuales se unen entre sí para formar largas cadenas denominadas polipéptidos, que tienen diferentes tamaños y que se disponen en cuatro niveles de organización estructural: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

EL FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA

La secuencia de nucleótidos del ADN posee la información para la síntesis de moléculas funcionales (ARN) y las proteínas.

Este flujo de información se da por intermedio de mecanismos celulares:

• REPLICACIÓN: El ADN realiza copias de sí mismo.
• TRANSCRIPCIÓN: El ADN se convierte en ARN.
• TRADUCCIÓN: El ARN se transforma en moléculas de proteína.

EL CÓDIGO GENÉTICO

Posee las instrucciones para sintetizar las moléculas de proteína. Es el conjunto de normas por las cuales una secuencia de nucleótidos de ARNm, transcrito a partir de ADN, se convierte en la secuencia de aminoácidos de una proteína cuando es sintetizada durante el proceso de la traducción.

Los seres vivos cuentan con una especie de "alfabeto" en la molécula de ADN a partir del cual se pueden generar múltiples proteínas. A partir de las bases nitrogenadas de los nucleótidos se pueden generar todas las proteínas de un organismo.

Cada triplete de bases nitrogenadas de una secuencia de nucleótidos de ARNm, sintetizados a partir del ADN, forman un codón. Cada codón codifica un aminoácido que se adiciona a una cadena proteica durante el proceso de la síntesis de proteínas o traducción.

La existencia de los codones y la correspondencia de estos con los aminoácidos que conforman las proteínas fue demostrada en 1961 por Marshall Nirenberg y J. Heinrinch Matthaei, determinando que:

• El codón UUU codifica para el aminoácido fenilalanina.
• El codón AUG que es el codón de inicio de la síntesis de proteína.
• Los codones UAA, UAG y UGA, son sitios de parada de la síntesis de la proteína.

El código genético presenta las siguientes características:

• ESPECÍFICO: Cada codón codifica solamente un aminoácido.
• DEGENERADO: El código genético es redundante, lo que significa que diferentes tripletes pueden codificar para un mismo aminoácido.
• CONTINUO Y NO SE SOBRELAPA: Los tripletes se disponen de manera lineal y no comparten bases nitrogenadas entre sí.
• UNIVERSAL: El código es el mismo para todos los seres vivos.

LA REPLICACIÓN DEL ADN

Es el proceso mediante el cual una célula duplica su ADN, lo transmite a las células hijas resultantes de la mitosis. Este proceso se lleva a cabo por enzimas que controlan y dirigen el proceso en todo momento.

Cada cadena de la doble hélice del ADN sirve de molde para fabricar otra idéntica. La replicación inicia en sitios específicos, llamados orígenes de replicación, a partir de allí el mecanismo avanza de manera secuencial formando regiones con forma de Y conocidas como horquillas de replicación. La replicación es bidireccional, es decir, desde cada origen se sintetizan las nuevas cadenas en ambos sentidos. 

LA TRANSCRIPCIÓN

Es el proceso por el cual se sintetiza una hebra de ARNm como copia complementaria de una hebra de ADN molde. Los pasos de este proceso son:

• La secuencia de ADN que se va a copiar se expone por acción de enzimas helicasas que abren la doble hélice.
• La enzima ARN polimerasa reconoce el gen que se va a copiar y comienza adicionar ribonucleótidos complementarios en sentido 5' - 3' para sintetizar el pre-ARNm.
• Finaliza el proceso, una vez la enzima detecta la señal de terminación.
• Se genera un pre-ARNm.

Durante el proceso de maduración postranscripcional del pre-ARNm ocurren dos eventos:

• SPLICING: Corte de secuencias no codificantes de aminoácidos (INTRONES) y empalme de secuencias codificantes (EXONES)
• Adicion de "caperuza" de guanina metilada al extremo 5' ( CAP 5') y adeninas (cola de poliA) en el extremo 3'.

El ARNm maduro viaja a los ribosomas en el citoplasma en el citoplasma o en el retículo endoplasmático rugoso, en donde sirve de molde para el proceso de la traducción.

LA TRADUCCIÓN

Es el proceso por el cual se sintetiza una proteína a partir de una hebra de ARNm maduro mediante la lectura del código genético.

• ACTIVACIÓN: Cada ARNt se "activa" uniéndose a su aminoácido respectivo en el citoplasma y lo transporta a los ribosomas, que es el organelo encargado de enlazarlos para formar la proteína.
• INICIACIÓN: La subunidad pequeña del ribosoma se une al extremo 5' del ARNm. A su vez, el anticodón, que es un triplete de ARNt, se une al codón sobre el ARNm.
• ELONGACIÓN: Más moléculas de ARNt se unen al ribosoma y crece la cadena de aminoácidos. La enzima peptidiltransferasa une a los aminoácidos mediante enlaces peptídicos.
• TERMINACIÓN: El ribosoma encuentra un codón de parada y termina la síntesis. Se desacopla el sistema de traducción y se libera la proteína ya sintetizada.

LA MADURACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Algunas proteínas una vez sintetizadas quedan listas para ejercer su función, otras, necesitan de cambios postraduccionales, es decir, modificaciones que ocurren después de la traducción y que son necesarias para que estas sean a un organelo particular o liberadas fuera de la célula:

• ADICIÓN DE MOLÉCULAS: Las proteínas pueden ser metiladas por la adición de un grupo metilo CH3-, acetiladas por la unión  de un grupo acetilo CH3CO- o fosforiladas por la adición de un grupo fosfato. Algunas se unen a carbohidratos para formar glicoproteínas o a lípidos en el caso de las lipoproteínas.
• PLEGAMIENTO: Ciertas proteínas requieren de la ayuda de otras proteínas llamadas "chaperonas" para adquirir una estructura secundaria, terciaria o cuaternaria adecuada para que puedan llevar a cabo su función.
• PROCESAMIENTO PROTEOLÍTICO: Es realizado por las proteasas, que son enzimas que cortan en aminoácidos específicos a los polipéptidos formados. Es un proceso importante para que cierta proteínas puedan realizar su función de manera adecuada.

LAS MUTACIONES

Es una modificación aleatoria en el ADN de una célula, la cual es heredada a las células hijas en sucesivas generaciones. 

Según el efecto sobre el organismo, estas pueden ser perjudiciales si confieren una desventaja para la supervivencia del individuo; benéficas si aumentan la probabilidad de supervivencia y aportan variabilidad a la población, o neutras en el caso de las mutaciones que no interfieren en la supervivencia del individuo.

Las mutaciones se pueden clasificar según las consecuencias y de acuerdo a las causas.

SEGÚN LAS CONSECUENCIAS

• MORFOLÓGICAS: Altera la forma o el color de los organismos (polidactilia).
• LETAL: Produce la muerte 
• DELETÉREA: Reduce la supervivencia o la capacidad reproductiva (anemia falciforme).
• DE PÉRDIDA DE FUNCIÓN: Disminuye o elimina la actividad del gen (trastorno depresivo).
• DE GANANCIA DE FUNCIÓN: Pueden generar nuevos fenotipos. Son más comunes en bacterias (resistencia a antibióticos).

DE ACUERDO A LAS CAUSAS

• GÉNICA O MOLECULAR: Cambia la secuencia de nucleótidos. Hay tres tipos:
• SUSTITUCIÓN: Cambia un nucleótido por otro.
• INSERCIÓN: Se ganan bases nitrogenadas.
• DELECIÓN: Se pierden bases nitrogenadas.
• CROMOSÓMICA: Se afecta un segmento del cromosoma. Existen cuatro tipos:
• INVERSIÓN: Cambia la orientación de un segmento dentro del cromosoma.
• DELECIÓN: Se pierde una porción del cromosoma.
• DUPLICACIÓN: Se repite una porción del cromosoma.
• TRANSLOCACIÓN: Una porción del cromosoma se  mueve a otro lugar del genoma.
• GENÓMICA: Varia el numero o la disposición de los cromosomas de una especie. Se conocen dos tipos:
• POLIPLOIDE: Se generan grupos extra de cromosomas.
• ANEUPLOIDE: Varía la disposición de los cromosomas en el genoma.

INGENIERÍA GENÉTICA