El ADN es una molécula increíble que contiene la información genética necesaria para cualquier organismo vivo en forma de secuencias nucleótidas. La replicación y transmisión de estas secuencias permiten la continuidad de la vida en la Tierra.
La genética se encarga de estudiar la composición genética de los individuos, los Genes, su variación y cómo son heredados. Las similitudes y diferencias entre todos los seres vivos existentes se deben a similitudes y diferencias entre sus secuencias de ADN.
Debido a que el ADN es una molécula, todos estos procesos tienen una base molecular, la cual es el objeto de estudio de la genética molecular. La genética molecular estudia todo lo relacionado con el ADN y la información genética a nivel molecular, desde su estructura y funcionamiento, hasta su replicación, regulación y expresión.
Genética molecular: la estructura del ADN
El ADN es una doble hélice antiparalela formada por dos moléculas de polinucleótidos. Recordemos que los polinucleótidos son largas cadenas de nucleótidos (monómeros) unidos por enlaces fosfodiéster. Estos nucleótidos tienen tres componentes comunes: un grupo fosfato, un azúcar desoxirribosa y una base nitrogenada (adenina, timina, citosina o guanina). Las dos cadenas de polinucleótidos se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarias; las cadenas son antiparalelas porque van en direcciones opuestas. Si recuerdas, en una cadena, un extremo tiene un grupo fosfato unido a un átomo de carbono 5’ y el otro extremo tiene un grupo hidroxilo unido a un carbono 3’; así que una cadena va en dirección 5’ a 3’ y la otra de 3’ a 5’.
El emparejamiento de bases complementarias se produce entre una pirimidina y su purina complementaria. Esto significa que, en el ADN la adenina se empareja con la timina, mientras que la citosina se empareja con la guanina. Si no recuerdas la estructura del ADN, puedes revisar el artículo de Ácidos Nucleicos y ADN y ARN.
Replicación del ADN
El ADN contiene toda la información genética de un organismo y cada célula del organismo posee una copia de la información completa. Cualquier célula nueva en el organismo —que se desarrolla para crecimiento, mantenimiento o reproducción— debe contener la misma información. Así que una célula duplica su ADN, antes de dividirse, para formar nuevas Células por Mitosis o Meiosis. Este proceso se denomina Replicación del ADN.
La Replicación del ADN ocurre durante la fase S del Ciclo celular y mediante un mecanismo semiconservativo. Esto significa que las moléculas de ADN resultantes contienen una hebra vieja, derivada del ADN original, y una hebra nueva formada por nuevos nucleótidos. La hebra vieja sirve de plantilla, a la cual se van uniendo las bases complementarias para formar la hebra nueva.
La fase S (S de síntesis de ADN) se produce después de la G1 y antes de la G2. En conjunto, la fase G1, la fase S y la fase G2 constituyen la interfase. Puedes repasar este tema en nuestro artículo El Ciclo celular.
Genética molecular: los cromosomas
¿Recuerdas que el ADN almacena todo nuestro genoma? El ADN es una molécula extremadamente larga, por lo que está organizado en estructuras llamadas cromosomas. Para que una molécula de ADN no se enrede y pueda compactarse de forma eficiente, se asocia a Proteínas llamadas histonas.
Las histonas son Proteínas que dan soporte estructural al ADN compactado.
Esto permite el almacenamiento eficaz del ADN en el núcleo. El complejo de ADN e histonas asociadas se llama cromatina; por tanto, los cromosomas están formados de fibras de cromatina.
La estructura característica en forma de X es, quizá, la primera imagen en la que piensas; pero, los cromosomas pueden adoptar varias formas dependiendo de la etapa del ciclo celular en que se encuentre la célula. La cromatina existe en dos formas: heterocromatina y eucromatina.
- La heterocromatina consiste en el ADN fuertemente enrollado y condensado alrededor de las histonas.
- La eucromatina es un ADN poco empaquetado; se observa como una masa de fibras sueltas en el núcleo con un microscopio.
En los organismos eucariotas, como los humanos, los cromosomas son lineales. Tras la replicación del ADN (que se produce durante la fase S), cada cromosoma tendrá una copia unida, lo que le da la forma característica de una X cuando se compactan durante la Mitosis. Por lo tanto, la X corresponde a un cromosoma duplicado, pero recuerda que esta estructura solo aparece tras la replicación del ADN. Cada parte del cromosoma duplicado es una cromátida (cromátidas hermanas). Estas están unidas entre sí por medio del centrómero (Figura 1).
La forma en que se encuentre la cromatina es importante para que se lleven a cabo distintos procesos que involucran el ADN.
Por ejemplo, la célula duplica su ADN en algún momento de su ciclo de vida, y también debe expresar o activar la información guardada en el ADN.
Estos procesos solamente pueden llevarse a cabo cuando la cromatina está en forma de eucromatina, ya que las Enzimas involucradas pueden acceder a los nucleótidos del ADN. En el caso de la heterocromatina, al estar fuertemente empaquetada se bloquea el acceso al ADN y no pueden llevarse a cabo estos procesos.
Genética molecular: ¿Qué son los cromosomas homólogos?
Los humanos, y la mayoría de animales y plantas, tenemos dos juegos de cromosomas. Heredamos un juego de cromosomas de nuestra madre y otro de nuestro padre, lo que forma dos pares de cromosomas, como se muestra en el siguiente diagrama (Figura 2). Los cromosomas de cada par se denominan homólogos, ya que son homólogos en su estructura.
Los humanos tenemos Células diploides —que contienen dos juegos de cromosomas— y Células haploides —que solo contienen uno—. Las Células somáticas o corporales son diploides (tienen 46 cromosomas/23 pares), mientras que los gametos (óvulos y espermatozoides) son Células haploides (contienen 23 cromosomas).
Esto significa que ambos cromosomas contienen los mismos Genes en la misma localización (loci); sin embargo, pueden tener alelos diferentes. Los alelos son versiones diferentes del mismo gen, porque cada alelo posee una secuencia de bases de ADN diferente. Esto significa que la proteína resultante es ligeramente diferente, dependiendo de cada alelo.
Genética molecular: genes
Un cromosoma está conformado por secciones más cortas llamados genes. Un gen contiene la información que determina un rasgo de un organismo (como color del pelaje, peso, o altura). Un gen tiene una ubicación específica en un cromosoma, llamada locus (plural loci). Además, el gen constituye la unidad de información y herencia de un rasgo, ya que los genes son los que se transfieren de padres a hijos. Los alelos representan diferentes formas o variaciones del mismo gen.
El gen del color de los ojos tiene diferentes variantes o alelos que determinan los diferentes colores (como el marrón, el azul, el verde, etc). La extensión del pelaje en un mamífero también puede tener diferentes variantes (como pelaje largo, corto, o mediano).
Como los organismos diploides tenemos 2 juegos de cromosomas (uno heredado de nuestra madre y otro de nuestro padre), esto resulta en que también tenemos dos copias de cada gen. Es posible que hayamos heredado la misma variante en las dos copias o que hayamos heredado una variante diferente para cada una.
Expresión génica
Hemos visto que los genes determinan los rasgos de un individuo. Pero, ¿cómo funciona esto exactamente? La secuencia de bases de un gen tiene la información necesaria para fabricar un polipéptido (proteína). Esta información debe decodificarse y el gen decodificado sirve para la síntesis de proteínas. Este proceso se llama Expresión génica —porque cada gen es expresado como una proteína— y consta de dos pasos: la Transcripción y, luego, la traducción del gen.
El proceso general de Expresión génica se resume así:
Los tipos de proteínas resultantes incluyen Enzimas, hormonas y Anticuerpos. Algunos genes codifican ciertos tipos de ARN —incluyendo el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr)— que son necesarios para la síntesis de proteínas.
Es importante mencionar que, en eucariotas, no todo el ADN corresponde a genes; ni todos los genes codifican para una proteína. Por eso se hace la distinción de secciones del ADN llamadas intrones (regiones no codificantes) y exones (regiones codificantes). Después de la Transcripción, se forma un pre-ARNm, el cual tiene que eliminar los intrones para obtener una cadena formada solo por exones, que sí es ARNm listo para la traducción.
Genética molecular: diferencias entre procariotas y eucariotas
Los organismos procariotas y eucariotas no se diferencian solamente en el tipo de células que los conforman (las cuales puedes revisar en nuestros artículos de células eucariotas y Células procariotas), sino también en la forma en que se organiza su ADN. Los eucariotas poseen una mayor cantidad de ADN que está organizado de forma más compleja, lo cual resulta en diferencias tanto en la replicación como en la expresión del ADN entre eucariotas y procariotas.
Primero, recordemos que los procariotas poseen un solo cromosoma circular y pueden contener varios plásmidos (moléculas circulares de ADN más pequeñas), en el citoplasma. Por otro lado, los eucariotas poseemos varias características únicas en cuanto a la organización y estructura del ADN:
- Varios cromosomas lineales encerrados en el núcleo, además del ADN mitocondrial y el ADN de los cloroplastos (este último únicamente en plantas) el cual se dispone de forma circular y se replica independientemente del ADN nuclear.
- Presencia de segmentos de ADN repetitivo que funcionan en la regulación de los genes.
- Presencia de intrones y exones.
- El ADN está asociado a histonas (proteínas).
Estas características dan como resultado las siguientes diferencias en la replicación del ADN: en eucariotas, se forman varios orígenes de replicación en los cromosomas, existe mayor número de enzimas asociadas a la replicación y el proceso de replicación toma mucho más tiempo que en procariotas.
La organización y estructura del ADN también implica diferencias en la expresión génica y su regulación entre procariotas y eucariotas:
- Sitio y tiempo de expresión: en procariotas, tanto la transcripción como la traducción ocurren en el citoplasma y de manera simultánea. En los eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma.
- Los procariotas poseen una sola ARN polimerasa, mientras que los eucariotas poseen tres.
- Número de genes por ARNm: en procariotas, múltiples genes pueden transcribirse en una sola molécula de ARNm; mientras que en eucariotas, un solo gen se transcribe en cada ARNm.
- El pre-ARNm solo se observa en Células Eucariotas, ya que el ADN de estas contiene tanto intrones (regiones no codificantes del ADN) como exones (regiones codificantes del ADN). Las Células procariotas fabrican el ARNm directamente, puesto que no contienen intrones.
- Regulación de la expresión génica: en procariotas ocurre al mismo tiempo de la transcripción, en eucariotas puede ocurrir en cualquier paso del proceso (transcripción, post-transcripción, traducción, post-traducción).
Genética molecular - Puntos clave
- La genética molecular es la rama de la genética que estudia todo lo relacionado con el ADN y la información genética (a nivel molecular), desde su estructura y funcionamiento, hasta su replicación, regulación y expresión.
- El ADN se asocia a histonas para formar cromatina, la cual se organiza en moléculas separadas llamadas cromosomas. Cada cromosoma contiene cientos o miles de secciones más cortas de ADN llamadas genes, los cuales contienen la información que determinan los rasgos de un individuo.
- Una célula duplica su ADN, antes de dividirse, para formar nuevas células que contengan la misma información genética que la célula original. Esto se denomina replicación del ADN.
- La secuencia de bases de un gen tiene la información necesaria para fabricar un polipéptido (proteína). Esta información, primero, debe decodificarse; y, luego, sintetizar la proteína, proceso denominado expresión génica.
- Las diferencias en la organización del ADN entre procariotas y eucariotas resultan en que los procesos de replicación y expresión en eucariotas sean más complejos y, por lo tanto, más lentos y con mayor regulación que en procariotas.
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