Replicación del ADN

La replicación o duplicación del ADN es el proceso por el cual una molécula de ADN (con doble hélice) da lugar a otras dos moléculas con la misma secuencia de bases. Se produce durante la fase S de la interfase y es necesaria para el reparto del material genético entre las células hijas durante la división celular. Actualmente, se conoce con detalle el proceso de la duplicación del ADN y las enzimas implicadas, pero históricamente, se propusieron varias hipótesis para explicar este proceso.

El experimento definitivo para dilucidar cuál de las tres hipótesis era la correcta fue el de Meselson y Stahl, que confirmó la hipótesis semiconservativa. Veamos las hipótesis propuestas:

• Hipótesis conservativa: Tras la duplicación quedan, por un lado, las dos hebras antiguas juntas y, por otro, las dos hebras nuevas también juntas.
• Hipótesis dispersiva: Proponía que las hebras finales están constituidas por fragmentos distintos de ADN antiguo y de ADN recién sintetizado.
• Hipótesis semiconservativa: En las dos nuevas moléculas de ADN de doble hélice hijas, una de las hebras sería la antigua, que actúa como molde, y la otra hebra es la nueva, formada por polimerización de nucleótidos libres complementarios a los de la hebra molde.

Transcripción del ADN

La transcripción es la síntesis de ARN a partir del ADN. Ocurre en el citoplasma en procariotas y en el núcleo en eucariotas. Para que el proceso de transcripción se pueda llevar a cabo se necesita:

• Una cadena que actúe como molde. De las dos cadenas que constituyen una molécula de ADN (doble hélice) solo una se utilizará para la síntesis de un ARN complementario. La que se usa se llama cadena molde y la que no se conoce como cadena informativa o codificante. La región de ADN que se emplea para la síntesis de ARN se denomina unidad de transcripción.
• Enzima ARN polimerasa: En procariotas hay solo 1, mientras que en eucariotas hay 3.
• Ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.

El proceso de transcripción ocurre en 4 etapas: iniciación, elongación, terminación y maduración.

Traducción del ARN

La traducción es la síntesis de proteínas, que se produce en los ribosomas, a partir de la unión de aminoácidos mediante el enlace peptídico. La molécula que se usa de referencia para la síntesis de la proteína es el ARNm, formado durante la transcripción. La correspondencia entre los tripletes de nucleótidos del ARNm y los aminoácidos de las proteínas se denomina código genético, y presenta una serie de características:

• Es universal: Es igual para todos los seres vivos.
• Está degenerado: Hay 64 tripletes posibles (4³), y solo 20 aminoácidos. Debido a esto, varios tripletes codifican para un mismo aminoácido, y generalmente se diferencian en un nucleótido (ej.: UAU, UAC codifican para Tirosina). Esto representa una ventaja, pues si hay errores en algún nucleótido puede seguir codificando para el mismo aminoácido, y no repercute en las proteínas.
• Algunos tripletes no codifican para ningún aminoácido, sino para finalizar la traducción (UAA, UAG, UGA son tripletes de fin). Son tripletes sin sentido, de paro o stop.
• La secuencia AUG codifica el principio de la región que se va a traducir y al mismo tiempo sirve para codificar al aminoácido metionina. Por lo tanto, todas las proteínas comienzan por la metionina. Posteriormente, esta metionina que ocupa la posición inicial puede ser eliminada.

Etapas de la Biosíntesis de Proteínas

1. Activación de los aminoácidos: Unión de los aminoácidos a sus ARNt correspondientes. El aminoácido se une por su grupo carboxilo al ARNt (al extremo 3′-OH del ARNt) y quedan unidos formando un aminoacil-ARNt. Para ello se necesita energía que aporta el GTP al romperse y transformarse en GMP y dos Pi. Este proceso lo cataliza la enzima aminoacil-ARNt sintetasa.
2. Traducción: Síntesis de la proteína. En eucariotas, el ARNm madura en el núcleo y luego pasa al citoplasma, donde tendrá lugar la traducción. En procariotas, el ARNm no madura, y la traducción comienza antes de que finalice la transcripción. En ocasiones, varios ribosomas pueden estar traduciendo a la vez un mismo ARNm, formando polirribosomas. La traducción se divide en:

• Iniciación: La subunidad menor del ribosoma se une a una zona del ARNm llamada región líder. Posteriormente, la subunidad menor se mueve por el ARNm hasta que encuentra el codón de iniciación (5′ AUG 3′). A continuación, se une el ARNt específico, con un anticodón complementario al AUG (3′ UAC 5′), que transporta el aminoácido metionina. También se une la subunidad mayor del ribosoma. Toda esa estructura (ARNm + ribosoma + ARNt con su aminoácido) se denomina complejo ribosomal o complejo activo. En el ribosoma se distinguen tres zonas:
  • Centro P: Zona a la que pasa el péptido que se va formando.
  • Centro A: Zona a la que llega el ARNt con su aminoácido y se enfrenta al ARNm.
  • Centro E: Zona de salida del ARNt sin aminoácido.
• Elongación: Un nuevo aminoacil-ARNt (con su anticodón complementario al siguiente codón del ARNm) se sitúa en el centro A, y el primer aminoácido (Met) se une con el nuevo aminoácido que trae el ARNt mediante un enlace peptídico, gracias a la enzima peptidil transferasa. (Se une el grupo carboxilo del primer aminoácido, Met, con el grupo amino del segundo aminoácido). El ribosoma se desplaza un triplete, y el primer ARNt, libre, que ya ha cedido su aminoácido, pasa al centro E y sale del ribosoma; el dipéptido formado pasa del centro A al centro P (translocación ribosomal) y un nuevo aminoácido se sitúa en el centro A que ha quedado libre. Se repite el proceso anterior y se añaden aminoácidos según la secuencia de codones del ARNm.
• Finalización: Cuando el ribosoma llega a un codón de terminación o STOP (5′ UAA 3′, UAG, UGA), termina la síntesis de la proteína, porque para estos codones no hay anticodón complementario en el ARNt. Unos factores proteicos de liberación se sitúan en el centro A, y el -COOH del último aminoácido añadido reacciona con el agua y así se libera la cadena polipeptídica y se separa el ARNm y las subunidades ribosómicas.

Asociación de varias cadenas polipeptídicas (solo si la proteína tiene estructura cuaternaria): En algunas proteínas, con estructura cuaternaria, las cadenas polipeptídicas se asocian tras ser formadas.

Mutaciones

Mutaciones Génicas

Las mutaciones génicas son alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen. Por ello, también se las denomina mutaciones puntuales. Se clasifican en:

• Mutaciones por sustitución de bases o sustituciones: Son cambios de una base por otra. Pueden ser de dos tipos:
  • Transiciones: Sustitución de una purina por otra, o de una pirimidina por otra.
  • Transversiones: Sustitución de una purina por una pirimidina, o viceversa.
  Las sustituciones provocan la alteración de un único triplete y, por tanto, no suelen ser perjudiciales.
• Mutaciones por pérdida (deleciones) o inserción (adiciones) de nucleótidos: Como el mensaje genético se traduce de triplete en triplete, la adición o deleción de un nucleótido produce un corrimiento en el orden de lectura que altera todos los tripletes siguientes. Por esto, las consecuencias de este tipo de mutaciones suelen ser graves.

Las mutaciones génicas pueden suponer la aparición de un codón Stop y, por tanto, el fin de la síntesis de proteínas. Pueden suponer también el cambio de un aminoácido por otro y, por tanto, la modificación de la proteína. En ocasiones, estas mutaciones suponen un cambio de nucleótido que no implica el cambio de aminoácido de la proteína (ya que el código genético es degenerado); en estos casos, las mutaciones se denominan neutras o silenciosas. Las mutaciones génicas pueden producirse por errores de lectura durante la replicación del ADN o por lesiones fortuitas.

Mutaciones Cromosómicas

Las mutaciones cromosómicas provocan cambios en la estructura o secuencia de genes de los cromosomas. Se distinguen cuatro tipos:

• Deleción: Pérdida de un fragmento de cromosoma. Por ejemplo, la deleción en el cromosoma 5 produce un síndrome denominado cri du chat (maullido de gato).
• Duplicación: Repetición de un segmento de un cromosoma.
• Inversión: Cambio de sentido de un fragmento de cromosoma. Si el segmento invertido incluye el centrómero se denomina inversión pericéntrica y si no, inversión paracéntrica.
• Translocación: Cambio de posición de un segmento de cromosoma. Cuando se produce por un intercambio de segmentos entre dos cromosomas no homólogos se denomina translocación recíproca. Cuando hay traslación de un segmento a otro lugar del mismo cromosoma, se llama transposición.

Mutaciones Genómicas

Las mutaciones genómicas son alteraciones en el número de cromosomas de una célula. Se distinguen dos tipos:

• Aneuploidía: Alteración en el número de ejemplares de uno o más tipos de cromosomas. No afectan al juego cromosómico completo, solo a alguno de sus tipos. Pueden ser nulisomías, monosomías, trisomías, tetrasomías, etc. cuando en lugar de dos cromosomas de cada par no hay ninguno, o hay uno, tres, cuatro, etc. Por ejemplo, síndrome de Turner (mujeres XO, 2n-1), síndrome de Down (trisomía en el cromosoma 21, 2n+1).
• Euploidía: Alteración en el número normal de dotaciones cromosómicas (juegos de cromosomas). Incluye la monoploidía o haploidía (existencia de una sola dotación cromosómica, es decir, un ejemplar de cada tipo cromosómico, en vez de dos); y la poliploidía (existencia de más de dos ejemplares de cada tipo de cromosomas, es decir, más de dos juegos de cromosomas). Es típico de vegetales.

Agentes Mutagénicos

Los agentes mutagénicos o mutágenos son aquellos agentes físicos o químicos que aumentan la tasa de mutación espontánea del ADN, alterando su estructura. Los principales mutágenos son:

• Mutágenos físicos:
  • Radiaciones ionizantes como los rayos X, rayos gamma y las partículas alfa y beta liberadas en las explosiones nucleares. En la catástrofe de Chernóbil se emitieron altas dosis de dichas partículas ocasionando un incremento notable de los casos de cáncer.
  • Radiaciones no ionizantes como los rayos UV procedentes del sol o de lámparas, que ocasionan que dos timinas o dos citosinas contiguas se unan formando dímeros de timina o de citosina.
• Mutágenos químicos:
  • Sustancias presentes en el humo del tabaco y en los alquitranes son potentes cancerígenos que causan mutaciones al intercalarse entre las dos cadenas de ADN.