ADN y ARN: Estructura y Diferencias Fundamentales

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una macromolécula compleja que se encuentra principalmente en el núcleo de las células y constituye el principal componente del material genético de los seres vivos.

Tanto el ADN como el ARN (ácido ribonucleico) son ácidos nucleicos formados por nucleótidos. Estos, a su vez, están compuestos por un grupo fosfato, un azúcar de 5 átomos de carbono y una base nitrogenada.

Diferencias Clave entre ADN y ARN

• En el azúcar de 5 carbonos:
  • ADN: Desoxirribosa
  • ARN: Ribosa
• En las bases nitrogenadas:
  • ADN: Adenina, Citosina, Guanina y Timina
  • ARN: Adenina, Citosina, Guanina y Uracilo

El Ciclo Celular: Fases y Procesos de División

La interfase es la fase más larga del ciclo celular, donde la célula crece y se prepara para la división del material genético, ocupando casi el 90% del ciclo. Transcurre entre dos mitosis y comprende tres etapas:

Etapas de la Interfase

• Fase G1

  La célula duplica su tamaño y aumenta el número de orgánulos, sintetiza proteínas, enzimas y ARN principalmente. Es el periodo que transcurre entre el fin de una mitosis y la fase S. La carga genética es 2n (diploides).

• Fase S

  En ella se produce la replicación o duplicación del ADN. Como resultado, cada cromosoma se duplica formando cromátidas hermanas.

  Nota: No siempre pasará la célula de la fase G1 a la fase S. A veces, la célula puede entrar en un estado de latencia y no se dividirá. Esta fase se conoce como Fase G0.

• Fase G2

  Continúa la síntesis de proteínas y ARN, y los cromosomas comienzan a condensarse. La carga genética es 2n (diploides).

Fase M: División Celular

La Fase M es la etapa en la que se produce la división celular. En ella podemos diferenciar la cariocinesis (división del núcleo) y la citocinesis (división del citoplasma).

• Cariocinesis: División del núcleo (mitosis/meiosis)
• Citocinesis: División del citoplasma

Mitosis: División de Células Somáticas

La mitosis es un proceso de división celular típico de las células somáticas, en el que se obtienen dos células hijas idénticas y con la misma información genética que la célula madre. En este proceso se pueden diferenciar cuatro etapas:

• Profase

  El ADN se condensa por completo, formándose los cromosomas. Desaparece la envoltura nuclear y se forma el huso mitótico (microtúbulos).

• Metafase

  Las cromátidas hermanas (pares de cromosomas idénticos) se alinean en la placa metafásica y se unen al huso mitótico por el centrómero.

• Anafase

  Las cromátidas hermanas se separan y cada uno de los cromosomas idénticos se aleja hacia un extremo opuesto de la célula. Los microtúbulos no unidos a ningún cromosoma crecen y empujan los extremos de la célula, haciéndola más larga y estrecha.

• Telofase

  Se desintegra el huso mitótico. Se forman nuevos núcleos. Los cromosomas empiezan a descondensarse.

Meiosis: División de Células Reproductoras

La meiosis es un proceso de división celular propio de las células reproductoras, en el que se reduce a la mitad el número de cromosomas, generando células haploides. Su finalidad es la formación de células haploides (n) a partir de células diploides (2n), esenciales para la reproducción sexual. Consta de dos fases:

• Meiosis I

  En esta fase se produce la separación de los cromosomas homólogos, resultando en dos células haploides con cromosomas duplicados.

• Meiosis II

  En esta fase, similar a una mitosis, se separan las cromátidas hermanas, dando como resultado final cuatro células haploides a partir de la célula diploide original.

Citocinesis: Separación del Citoplasma

La citocinesis es el proceso de separación y segmentación del citoplasma que tiene lugar al final de la mitosis y la meiosis. Se forma un anillo de actina (proteína) que va estrangulando a la célula, obteniendo dos células hijas.

Radiobiología: Principios y Acción de la Radiación Ionizante (R.I.)

La radiobiología es la ciencia que estudia los fenómenos que se producen en el organismo tras la absorción de la energía de las radiaciones ionizantes. Estos fenómenos incluyen tanto las lesiones producidas por las radiaciones ionizantes como los mecanismos de reparación de dichas lesiones.

Principios Generales de la Acción de la R.I.

La acción de las radiaciones ionizantes sobre el organismo está basada en una serie de principios generales:

• La acción es al azar: Puede haber o no interacción de las radiaciones ionizantes con la materia, y si la hay, puede producir daño o no.
• La acción no es selectiva: La radiación no elige ninguna zona concreta del organismo o de la célula.
• La lesión es inespecífica: La lesión producida por las radiaciones ionizantes puede producirse por otras causas.
• Periodo de latencia: La lesión aparece tras un periodo de tiempo o de latencia muy variable que puede ser de minutos, semanas, años, etc.

Los fenómenos radiobiológicos parten de una ley fundamental: solo la energía absorbida actúa biológicamente, a través de etapas sucesivas:

1. Etapa física: Es la etapa de ionización.
2. Etapa fisicoquímica: Afectación de moléculas simples (Ejemplo: agua).
3. Etapa bioquímica: Afectación de moléculas complejas (Ejemplo: ADN, ARN, proteínas).
4. Etapa biológica: Se producen lesiones celulares de tejidos y órganos que podrán ser reparados o no.

Mecanismos de Acción de la Radiación Ionizante y Radicales Libres

La radiación provoca efectos sobre la célula a través de dos mecanismos principales:

Mecanismo de Acción Directa

Se produce cuando un fotón de la radiación interacciona directamente con una macromolécula biológica, como el ADN, ARN, proteínas estructurales o enzimáticas, traduciéndose en un cambio de la estructura o de la función de las mismas.

Las consecuencias biológicas (cambios de estructura y función) dependen de:

• La importancia del blanco alcanzado: No todos los elementos de la célula tienen la misma importancia para la vida. Según dónde se dé el impacto, la vida celular será afectada en mayor o menor grado.
• Su capacidad de recuperación: La mayor parte de las moléculas pueden ser reemplazadas (Ejemplo: proteínas), pero otras como el ADN no. Por lo que su afectación resultaría muy grave para la célula.
• El número de blancos alcanzados: No es lo mismo que se vea afectado un solo cromosoma que diez.

Mecanismo de Acción Indirecta (Teoría de los Radicales Libres)

En este caso, la R.I. afectará a moléculas que no desempeñan un papel crítico en la célula, pero pueden activar procesos intermedios que sí acaben afectando a estas moléculas con papel crítico. Como el agua es la molécula más abundante en el cuerpo humano, la R.I. producirá sus efectos sobre ella, produciendo la radiólisis del agua.

Efectos de la Radiación Ionizante en Biomoléculas Esenciales

Proteínas

Están formadas por largas cadenas de aminoácidos, unidos por enlaces peptídicos. Tendrán diferentes niveles de plegamiento, los cuales determinarán sus diversas funciones. Los principales procesos celulares en los que intervienen las proteínas son:

• Catalizar y acelerar diferentes reacciones biológicas.
• Formar anticuerpos para la defensa frente a virus y bacterias, desempeñando un papel defensivo de gran importancia.
• Posibilitar el movimiento, gracias al papel contráctil de la actina y la miosina.
• Comunicar y transportar señales de una célula a otra.
• Función estructural: Aportan rigidez o flexibilidad, dependiendo del caso.
• Transportar sustancias o moléculas por todo el organismo.
• Controlar el paso a la célula de iones específicos.

La radiación, sobre todo a través de mecanismos indirectos, puede causar alteraciones en las proteínas, puesto que afecta con rapidez a los aminoácidos y puede romper enlaces, causando lesiones puntuales que inhiben su función. Estos daños generalmente son reversibles mediante procesos de reparación intracelular.

Lípidos

Formados por carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Se caracterizan por ser hidrófobos y no polares en agua. Presentan una molécula de glicerina y ácidos grasos. Los principales procesos celulares en los que intervienen son:

• Almacenar energía química.
• Formar parte de las membranas celulares.
• Actuar como señales de comunicación entre células.

Los efectos de la radiación producen la peroxidación lipídica o degradación oxidativa de los lípidos. Este proceso ocurre cuando los radicales libres capturan electrones de los lípidos en las membranas celulares, alterando gravemente la permeabilidad de estas membranas.

Hidratos de Carbono

Moléculas con un grupo funcional carbonilo y varios grupos funcionales hidroxilos, junto a un número variable de enlaces carbono-hidrógeno. Los principales procesos celulares en los que intervienen son:

• Servir de sustrato para la síntesis de moléculas más complejas.
• Almacenar energía.
• Proporcionar estructura.

Los efectos de la radiación pueden alterar cualquier grupo funcional de los anteriormente nombrados, modificando por completo el hidrato de carbono. Este daño suele ser menos crítico para el individuo, ya que la célula puede desechar el hidrato de carbono dañado y sintetizar uno nuevo correctamente.

Efectos de la Radiación Ionizante sobre el ADN y Cromosomas

Los efectos de la radiación sobre el ADN se manifiestan principalmente de dos formas:

Sobre los Ácidos Nucleicos

Rotura de sus cadenas

• Primer Caso: Esta lesión es reparable mediante la intervención de enzimas que reconocen las zonas alteradas y reponen las partes de bases dañadas. También puede ocurrir una ruptura en una de las cadenas, pero las enzimas reparadoras sufren un error en la corrección y eliminan las bases que se enfrentan a las que no estaban, produciendo una mutación que puede ser viable o no.
• Segundo Caso: No será reparable cuando se produzca la ruptura de la doble hélice y, por tanto, del ADN, produciendo la muerte celular.

Alteración en el emparejamiento de las bases nitrogenadas

• Primer Caso: Se produce un emparejamiento erróneo de las bases nitrogenadas. Puede ser reparado siempre y cuando la otra cadena de ADN no haya sufrido ninguna alteración. Si sufre alteración la otra cadena del ADN, se producirá una mutación que puede ser viable o no.
• Segundo Caso: Se produce un dímero de timina por la radiación UV, impidiendo su replicación. Puede ser reparado siempre y cuando la otra cadena de ADN no haya sufrido ninguna alteración. Si sufre alteración la otra cadena del ADN, se producirá una mutación que puede ser viable o no.

Sobre los Cromosomas

Las alteraciones cromosómicas pueden ser:

• Anomalías en su número (poco frecuente).
• Anomalías en su estructura (más frecuente), llamadas aberraciones cromosómicas.

Tipos de Aberraciones Cromosómicas

• Deleciones

  Rotura cromosómica en la que se pierde un fragmento del cromosoma y, por tanto, material genético. Las consecuencias dependen del tamaño del fragmento delecionado, el número de los mismos y la función de los genes que contuviese dicho material.

• Formaciones Dicéntricas

  Se produce cuando cromosomas adyacentes sufren una rotura y ambos se recombinan, es decir, se unen formando un solo cromosoma que no puede ser leído y cuya información está perdida.

• Formación en Anillo

  Se produce cuando hay deleciones en ambos extremos del mismo cromosoma. Al quedar estos extremos sin la protección de los telómeros, pueden fusionarse entre sí.

• Translocaciones

  En este caso no se produce una pérdida de material genético, sino una reorganización del mismo. Esta reorganización recibe el nombre de translocación balanceada. Si algún progenitor posee en su ADN alguna translocación balanceada, es muy probable que sus hijos/as la hereden, lo que puede resultar en un trozo extra o de menos en algún cromosoma. Esto puede ocasionar diferentes problemas de salud, dependiendo de los genes afectados.

Alteraciones y Gradación del Daño Celular por Radiación Ionizante

Las alteraciones celulares causadas por la R.I. pueden manifestarse como:

• Alteraciones fuera de la mitosis, donde el núcleo es el más afectado.
• Alteraciones durante la mitosis, con importantes consecuencias en los cromosomas.
• Alteraciones en la síntesis de proteínas, necesaria para la mitosis.

Es importante destacar que la célula en la fase S es más resistente, mientras que en las fases G1 y M es más radiosensible.

Gradación del Daño Celular Causado por la R.I.

• Muerte Celular

  Se produce como consecuencia de una exposición elevada de R.I. La radiosensibilidad de cada tejido hace que el valor de esta dosis letal sea diferente entre ellos. Se destacan dos teorías:

  • Teoría del blanco único-impacto único.
  • Teoría del blanco múltiple-impacto único.

• Muerte Diferida

  La célula vive momentáneamente, pero la radiación afecta a su capacidad de reproducción.

• Retardo en la División Celular

  Es la alteración de menor gravedad. Se sigue produciendo la mitosis, pero con retrasos.

• Muerte por Necrosis

  Esta muerte es inmediata. La R.I. recibida es tan elevada que se necrosan las células y los tejidos.

• Modificación Celular

  Las células sufren transformaciones, pero siguen dividiéndose. Puede resultar en una mutación asumible o, tras una serie de cambios, dar lugar a un cáncer.

Síndrome Agudo de Irradiación: Definición y Condiciones

El síndrome agudo de irradiación es el conjunto de síntomas y el cuadro clínico que se produce como respuesta de un organismo adulto ante la exposición a radiación ionizante.

Condiciones para su Producción

Para que se produzca este síndrome, deben darse tres condiciones:

1. La irradiación tiene que ocurrir de forma aguda en un tiempo corto (Ejemplo: accidente nuclear).
2. La exposición a la irradiación debe comprender la totalidad del organismo o gran parte del mismo.
3. La irradiación debe proceder de una fuente externa, ya que la irradiación interna (administración de radioisótopos) no produce el síndrome agudo o lo hace de forma incompleta y atenuada.

Etapas del Síndrome Agudo de Irradiación

• Etapa Prodrómica

  Se caracteriza por náuseas, diarreas, cefaleas, alteraciones de los órganos de los sentidos, taquicardias, insomnio, etc., que puede durar desde minutos hasta uno o dos días.

• Etapa Latente

  Se caracteriza por la ausencia de síntomas. Dura desde horas hasta semanas.

• Etapa de Enfermedad Manifiesta

  Se presentan los síntomas concretos de los síndromes ya mencionados.

• Etapa de Recuperación

  Ocurre si la dosis no es letal.

Efectos de la Radiación Ionizante en Órganos y Sistemas

Sistema Hematopoyético

La médula ósea contiene las células precursoras de las células madre de la sangre. Estas células precursoras se llaman células madre y son totipotentes (con gran capacidad de diferenciación) y, por lo tanto, muy radiosensibles. A partir de las células madre de la médula ósea se producen los diferentes tipos de células de la sangre: eritrocitos, leucocitos y trombocitos.

La irradiación de las células madre de la médula ósea es letal, por lo que el efecto global es una pancitopenia (disminución de todos los elementos formes de la sangre). Según la dosis de R.I.:

• Dosis baja: Produce pancitopenia transitoria (regeneración celular).
• Dosis elevada: Produce pancitopenia aguda (aplasia medular).

La disminución o pérdida de las células de la sangre se manifiesta como:

• La disminución de los glóbulos rojos produce anemia.
• La disminución de los linfocitos produce una disminución de la resistencia ante las infecciones.
• La disminución de plaquetas producirá una tendencia a las hemorragias.

Aparato Digestivo

La parte más sensible del aparato digestivo es el intestino delgado. La R.I. produce daños en el revestimiento celular del mismo, reduciéndose el tamaño de las vellosidades intestinales que pueden llegar a atrofiarse, originando un grave síndrome de mala absorción.

Con dosis elevadas, se ulcera la mucosa en 4 o 5 días, lo que ocasiona diarreas. Otra posibilidad es el paso de las bacterias habituales del intestino hacia la sangre, originando una infección sistémica.

Cristalino

Tras la irradiación del cristalino, se producen opacificaciones en el mismo.

• Dosis iguales o superiores a 7 Gy producen el 100% de los casos de cataratas.
• Dosis por debajo de 2 Gy tienen un porcentaje de cataratas muy bajo.

Vasos Sanguíneos

• Lesión vascular precoz: Produce endotelitis.
• Lesión vascular tardía: Produce disminución del diámetro y de la elasticidad del vaso sanguíneo. Esto conlleva una disminución del oxígeno y una atrofia del órgano correspondiente a ese vaso.
• Lesiones indirectas: La mayoría de las lesiones del riñón, pulmón y sistema nervioso se producen por una afectación de los vasos sanguíneos. Esto explica lesiones a nivel del SNC cuyas células son muy radiorresistentes.

Gónadas

En las gónadas tiene lugar el proceso de gametogénesis. Sobre las gónadas, las R.I. producen dos tipos de lesiones: esterilidad y daño genético.

• Con dosis de 0.5 Gy aparece esterilidad temporal, y con 4-6 Gy, definitiva.
• El daño genético (alteración del ADN) puede aparecer con dosis muy bajas y no parece existir ninguna dosis umbral (efecto heredable).

Embrión y Feto

Los principales efectos no estocásticos de la radiación en el embrión y en el feto son:

• Muerte.
• Malformaciones.
• Cambios estructurales.

El Cáncer como Efecto Radioinducido

El cáncer se trata de un efecto estocástico, y sus etapas son las siguientes:

1. La R.I. incide sobre una célula normal y pueden suceder tres cosas:
   • Mutación que es corregida y da lugar de nuevo a una célula normal.
   • Se produce la muerte de la célula por una mutación no asumible o por la cantidad de R.I.
   • Se produce una mutación que es asimilable y la célula no muere.
2. Posteriormente, se produce la conversión, que altera su capacidad de división.
3. Por último, se produce la promoción/progresión, donde se genera una división incontrolada y rápida de la célula.

Clasificación de los Efectos Biológicos Radioinducidos

Podemos diferenciar los efectos biológicos radioinducidos atendiendo a dos criterios:

Según la Posibilidad de Transmisión

• Efectos Somáticos

  Son los que afectan a las células somáticas y aparecen en la persona que ha recibido la radiación.

• Efectos Hereditarios o Genéticos

  Son los que afectan a las células germinales y, por lo tanto, se transmiten genéticamente.

Según la Relación Dosis-Daño

• Efectos Estocásticos o Aleatorios

  La probabilidad de que aparezcan o no depende de la dosis recibida (exposición más o menos prolongada). Se producen tras una exposición moderada-baja a la R.I. Se caracterizan porque la gravedad del daño es independiente de la dosis recibida. No tienen dosis umbral. Sus consecuencias suelen ser graves y de aparición tardía. Pueden ser letales o subletales. Estas últimas son las más comunes y pueden ser:

  • Mutaciones con división continua (células somáticas).
  • Anomalías hereditarias (células germinales).

• Efectos Deterministas o No Estocásticos

  Existe una relación directa entre la dosis recibida y el efecto producido. Son responsables de la muerte de un número elevado de células de un tejido u órgano. Sí tienen dosis umbral; por debajo de esta, no aparecen. Sus consecuencias suelen ser de aparición rápida. Son letales.

Lesiones Comunes de los Órganos (Efectos No Estocásticos)

• Precoces (menos de 6 meses)

  • Inflamación: Respuesta del organismo a la agresión, caracterizada por rubor, calor, tumor y dolor.
  • Edema: Acumulaciones anómalas de líquido orgánico intra o extracelular.
  • Hemorragias: Sangrado abundante.

• Tardías (más de 6 meses)

  • Distrofias: Alteraciones en la forma.
  • Atrofias: Falta de desarrollo.
  • Fibrosis: Acumulación anómala de tejido conjuntivo (cicatriz).
  • Ulceraciones: Lesión abierta en la piel o mucosa.
  • Necrosis: Muerte celular.