Estructura de los Ácidos Nucleicos

Las unidades químicas (monómeros) que constituyen a los ácidos nucleicos son los nucleótidos.

Cada nucleótido que forma a los ácidos nucleicos está formado por tres unidades. Estas se denominan: bases nitrogenadas, azúcar de 5 carbonos (pentosa) y un grupo fosfato.

Componentes de los Nucleótidos

Las pentosas que forman a los ácidos nucleicos se denominan: Ribosa y desoxirribosa.

Las bases nitrogenadas que forman a los ácidos nucleicos químicamente son de dos tipos:

• Purinas
• Pirimidinas

Las bases nitrogenadas de tipo purinas son:

• Adenina (A)
• Guanina (G)

Las bases nitrogenadas de tipo pirimidinas son:

• Citosina (C)
• Timina (T)
• Uracilo (U)

Composición Específica del ADN y ARN

Desoxirribonucleótidos que forman al ADN:

• De Adenina
• De Timina
• De Guanina
• De Citosina

Azúcar de 5 carbonos del ADN: Desoxirribosa.

Ribonucleótidos que forman al ARN:

• De Adenina
• De Uracilo
• De Guanina
• De Citosina

Azúcar de 5 carbonos del ARN: Ribosa.

Diferencias Químicas y Estructurales entre el ADN y el ARN

En el ADN, la complementariedad entre las bases se da de la siguiente forma:

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

Las cadenas en el ADN corren en sentido contrario, por lo que se dice que son antiparalelas.

El ADN es el encargado de guardar y transmitir la información genética de generación en generación.

Replicación del ADN

Es el proceso por medio del cual una molécula de doble cadena de ADN se duplica, originando dos cadenas dobles idénticas.

La replicación del ADN es semiconservativa porque, al final, se forman dos moléculas de doble cadena y cada una contiene una cadena madre (o parental) y otra cadena recién sintetizada.

Enzimas de la Replicación del ADN

• Topoisomerasas: Se encargan de desenrollar el superenrollamiento de la doble cadena de ADN.
• Helicasa: Se encarga de romper los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias.
• ADN polimerasa III: Introduce los desoxirribonucleótidos directamente en las cadenas en síntesis.
• ADN polimerasa I: Reemplaza los ribonucleótidos de los cebadores por nucleótidos de ADN.
• Proteínas SSB: Se unen a la cadena y la mantienen abierta en los replicones.
• ARN primasa: Permite la síntesis de los ARN cebadores o primers.
• ARN primer o cebador: Se introduce en los sitios de inicio de las horquillas de replicación donde la ADN polimerasa III va a iniciar la incorporación de desoxirribonucleótidos según la complementariedad de bases.
• ADN ligasa: Une los nucleótidos del ADN a través de puentes fosfato (enlaces fosfodiéster).

El Proceso de Replicación

La topoisomerasa desenrolla la doble cadena, la helicasa rompe los puentes de hidrógeno y las proteínas SSB se unen a la cadena abierta formando regiones de replicación llamados replicones. En los eucariotas se forman muchos replicones. Cada replicón consta de una burbuja de replicación (espacio abierto) y dos horquillas de replicación (puntos de inicio).

Como las dos cadenas del ADN son antiparalelas (una corre en dirección 3’→5’ y la otra 5’→3’) y la replicación solo puede darse en dirección 5’→3’, se producen dos tipos de síntesis:

1. Cadena líder: La cadena que corre en dirección 3’→5’ permite una síntesis continua en dirección 5’→3’. El ARN cebador se une en la horquilla y la ADN polimerasa coloca los nucleótidos directamente. Luego, la ADN ligasa los une.
2. Cadena rezagada: La cadena que corre en dirección 5’→3’ tiene una síntesis discontinua. El ARN cebador se une al ADN en varios sitios; en cada uno, la ADN polimerasa III introduce nucleótidos formando fragmentos denominados Fragmentos de Okazaki. Luego, la ADN polimerasa I reemplaza el ARN de los cebadores por ADN y la ADN ligasa une los fragmentos.

De esta manera, se producen dos moléculas de ADN de doble cadena idénticas.

Flujo de la Información Genética

La información genética está contenida en los genes que se encuentran en los cromosomas dentro del núcleo de las células eucariotas. Esta información se utiliza para formar proteínas en los ribosomas localizados en el citoplasma.

Transcripción

Consiste en formar una molécula de ARN mensajero (ARNm) a partir del gen del ADN. La enzima encargada es la ARN polimerasa, la cual identifica los sitios promotores e inicia la síntesis según la complementariedad (G=C y A=U) hasta encontrar un sitio de terminación.

En el núcleo de los eucariotas, el ARNm sufre un proceso de maduración que consiste en eliminar la información no codificadora (intrones) y empalmar la información codificadora (exones).

Traducción de la Información

Es el proceso por el cual se lee la información del ARNm para formar la cadena polipeptídica de la proteína. En este proceso interviene el Código Genético, que consta de tripletes llamados codones.

• Codón: Secuencia de tres nucleótidos adyacentes del ARNm que codifica un aminoácido. Existen 64 codones (61 codificadores y 3 de parada o stop).
• Anticodón: Secuencia de tres nucleótidos del ARNt que complementa al codón y transporta los aminoácidos.

El código genético es degenerado (varios codones codifican un mismo aminoácido) y universal (leído igual por todos los seres vivos). La traducción ocurre en los ribosomas y consta de tres etapas:

1. Iniciación: El ARNm con el codón de inicio AUG (metionina) se une al anticodón del ARNt en el segmento menor del ribosoma, formando el complejo de iniciación. Luego se une el segmento mayor.
2. Elongación (Alargamiento): El ribosoma se mueve por el ARNm leyendo codones; los ARNt colocan los aminoácidos según la complementariedad, uniéndolos mediante enlaces peptídicos.
3. Terminación: La lectura prosigue hasta un codón de alto (UAA, UAG, UGA), reconocido por proteínas del complejo de terminación que liberan la cadena.

Mutaciones

Una mutación es un cambio aleatorio en el ADN de un organismo.

Clasificación de las Mutaciones

Según el tipo de célula:

• Somáticas: Si ocurren en las células del cuerpo.
• Génicas (Germinales): Si ocurren en las células reproductivas o gametos. Son heredables y motor de la evolución.

Según su origen:

• Espontáneas: Producidas de forma natural.
• Inducidas: Producidas por factores mutagénicos (Físicos: Rayos X, RUV; Químicos: drogas, humo del cigarrillo).

Según su efecto:

• Perjudiciales o deletéreas: Confieren desventajas para la supervivencia.
• Benéficas o ventajosas: Aumentan la probabilidad de supervivencia.
• Neutras: No afectan positiva ni negativamente.

Según el material genético afectado:

1. Mutaciones Génicas o Puntuales

Cambios en la secuencia de un gen. Pueden ser:

• Silenciosas: El cambio de base codifica el mismo aminoácido.
• Neutras: El aminoácido formado es equivalente en carácter.
• Con sentido equivocado: Codifica un aminoácido diferente, produciendo proteínas anormales.
• Sin sentido: Aparece un codón de alto prematuro.
• Cambio en el marco de lectura: Por pérdida o introducción de bases.

2. Mutaciones Cromosómicas o Estructurales

Cambios en la estructura de los cromosomas:

• Deleción: Pérdida de un fragmento.
• Translocación: Un segmento se une a otro cromosoma.
• Duplicación: Segmento repetido.
• Inversión: Segmento invertido.

3. Mutaciones Genómicas

Cambio en el número de cromosomas:

• Aneuploidías: Pérdida o ganancia de cromosomas individuales (Ej: Síndrome de Turner X0, Síndrome de Klinefelter XXY, Síndrome de Down trisomía 21).
• Euploidías: Ganancia de juegos completos (Triploides 3n, Poliploides). La poliploidía es beneficiosa en plantas pero no viable en animales.

Biotecnología e Ingeniería Genética

Biotecnología: Conjunto de procedimientos tecnológicos que utiliza microorganismos o procesos microbiológicos para obtener bienes y servicios.

Ingeniería Genética: Manipulación del ADN para producir organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos.

Evolución y Procesos Naturales

La biotecnología tradicional incluye procesos como la fabricación de cerveza, quesos y cruces de plantas. En la naturaleza, el ADN se recombina mediante:

• Reproducción sexual.
• Transformación bacteriana: Captación de fragmentos de ADN del medio.
• Transducción: Transferencia de ADN vía virus (vectores).

Plásmidos: Pequeñas moléculas de ADN circular en bacterias que se replican independientemente y permiten la adaptación (ej. resistencia a antibióticos).

Técnicas de Ingeniería Genética

Utiliza la técnica del ADN recombinante para producir vacunas, fármacos y hormonas. Un organismo transgénico posee genes de otra especie.

Enzimas de Restricción

• Reconocen secuencias palindrómicas y cortan el ADN.
• Dejan extremos pegajosos que permiten la unión con otros fragmentos.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (Técnica de PCR)

Desarrollada por Kary Mullis, permite obtener millones de copias de ADN. Requisitos:

• Enzima Taq polimerasa: De la bacteria Thermus aquaticus (resistente al calor).
• Nucleótidos (A, T, C, G).
• Cebadores o iniciadores (pequeñas cadenas de ARN).

Etapas del PCR:

1. Desnaturalización (95-97ºC): Separación de las cadenas.
2. Adición del cebador (50-60ºC): Los cebadores se unen a las secuencias complementarias.
3. Síntesis (72-75ºC): La ADN Taq polimerasa construye la cadena complementaria.

Identificación y Secuenciación

• Secuenciación: Permite conocer el orden exacto de los nucleótidos.
• STR (Repeticiones cortas en tándem): Segmentos repetitivos únicos para cada persona, usados en perfiles de ADN e identificación forense. Se separan mediante electroforesis.

Vectores comunes:

• Plásmidos: ADN circular bacteriano.
• Bacteriófagos: Virus que infectan bacterias.

Aplicaciones Específicas

Plantas Transgénicas:

• Gen Bt: De Bacillus thuringiensis, actúa como insecticida natural.
• Plásmido Ti: De Agrobacterium tumefaciens, usado como vector para insertar genes sin producir tumores.

Animales Transgénicos: Se obtienen mediante microinyección, vectores virales (más efectivo) o células madre embrionarias.

Tecnología CRISPR y Edición Genética

CRISPR (Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas) es un sistema descubierto en bacterias. La enzima Cas9 actúa como «tijeras moleculares» que cortan y editan el ADN asociado a enfermedades, dirigidas por un ARN guía.

Esta tecnología permite corregir cambios en el genoma y tiene gran potencial en medicina, agricultura y medio ambiente. El científico español Francis Mojica fue el pionero en estudiar estas secuencias en 1993, analizando microorganismos en las costas de Santa Pola (Alicante).