Ácidos Nucleicos: Fundamentos de la Información Genética

Los ácidos nucleicos son moléculas complejas que contienen la información genética esencial para el funcionamiento y herencia de las células. Están formados por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Contienen información genética, necesaria para controlar las funciones celulares y transmitir características hereditarias.

Localización Principal:

• El núcleo.
• Las mitocondrias.
• Los cloroplastos (en células vegetales).

Estructura de los Nucleótidos:

Están formados por nucleótidos, cada uno compuesto por:

• Un grupo fosfato (ácido ortofosfórico).
• Una pentosa (azúcar de 5 carbonos): ribosa o desoxirribosa.
• Una base nitrogenada: adenina, guanina, citosina, timina (solo en ADN) o uracilo (solo en ARN).

El ADN: Molécula de la Herencia

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una molécula bicatenaria compuesta por dos cadenas de polinucleótidos unidas por enlaces de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas: adenina se une siempre con timina, y citosina con guanina. Estas cadenas son complementarias y mantienen una estructura estable. Dentro de las células, el ADN contiene los genes, que son segmentos responsables de transmitir la información hereditaria. Cada gen puede codificar (o no) la síntesis de una proteína y determinar las características biológicas de un organismo.

Evolución del Concepto de Gen:

• Inicios del siglo XX: Mendel y Morgan establecieron que los genes eran unidades de herencia localizadas en los cromosomas.
• 1944: Avery y colaboradores demostraron que los genes están compuestos de ADN.
• 1953-1965: Se descubrió la estructura del ADN y se formuló el dogma central de la biología: ADN → ARN → proteína.
• Actualmente: Se sabe que el gen es una unidad funcional que puede tener funciones más allá de la codificación de proteínas.

La Replicación del ADN: Copia Precisa de la Información Genética

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual se copia la molécula de ADN para que, durante la mitosis, cada célula hija reciba exactamente la misma información genética que la célula madre. Este proceso ocurre en el núcleo y es exclusivo del ADN. Se le llama también autoduplicación y se caracteriza por ser preciso: si ocurrieran errores, las células hijas tendrían distinta información genética. La replicación es un proceso semiconservativo, lo que significa que cada nueva molécula de ADN conserva una cadena original y forma otra nueva, complementaria.

Etapas del Proceso de Replicación:

1. La doble hélice del ADN se abre y las dos cadenas se separan.
2. Se incorporan nuevos nucleótidos con bases complementarias a las originales.
3. Los nucleótidos se unen entre sí formando nuevas cadenas.
4. Se forman dos moléculas de ADN idénticas a la original.

La Expresión Génica: Del ADN a las Proteínas

La expresión génica es el proceso por el cual la información contenida en el ADN se utiliza para sintetizar proteínas. El dogma central de la biología molecular, propuesto por Francis Crick en 1958, describe este proceso en tres etapas:

1. Replicación: el ADN se copia a sí mismo cuando la célula se divide.
2. Transcripción: un gen del ADN se copia en una molécula de ARN.
3. Traducción: el ARN sale del núcleo y, en el citoplasma, dirige la síntesis de proteínas.

Este modelo fue criticado y ampliado a lo largo del tiempo debido a nuevos descubrimientos: algunos virus (como los del SIDA y la COVID-19) tienen ARN como material genético y realizan una transcripción inversa, es decir, producen ADN a partir de ARN.

Transcripción: Síntesis de ARNm

La transcripción es el proceso mediante el cual la información del ADN se copia en una molécula de ARN mensajero (ARNm). Esto permite que las instrucciones para fabricar proteínas salgan del núcleo, donde está el ADN, y lleguen al citoplasma, donde se realiza la síntesis de proteínas.

Pasos del Proceso de Transcripción:

1. La doble hélice del ADN se abre.
2. Solo una de las dos cadenas de ADN (la cadena molde) se utiliza como guía.
3. Se incorporan nucleótidos de ARN complementarios a esa cadena molde.
4. Se forma una nueva cadena de ARN, cuya secuencia es complementaria a la del ADN.
5. El ARNm sale del núcleo a través de los poros de la envoltura nuclear hacia el citoplasma.

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso por el cual se sintetizan proteínas a partir de la información contenida en el ARN mensajero (ARNm), y ocurre en los ribosomas. Cada proteína se forma a partir de una secuencia específica de aminoácidos, por lo que el proceso debe ser muy preciso.

Elementos Necesarios para la Traducción:

• ARNm, que lleva la información desde el ADN.
• Ribosomas, que leen el ARNm.
• ARN de transferencia (ARNt), que transporta los aminoácidos correctos.
• Aminoácidos libres en el citoplasma, que se ensamblan en las proteínas.

Pasos Principales de la Traducción:

1. El ARNm sale del núcleo y se une a un ribosoma.
2. El ARNt lleva aminoácidos al ribosoma siguiendo el orden del ARNm.
3. El ribosoma lee el ARNm y ensambla los aminoácidos en la secuencia correcta.
4. Se forma una proteína funcional.

Código Genético: El Lenguaje de la Vida

El código genético es la relación entre la secuencia de bases del ARNm y los aminoácidos que forman una proteína. Cada aminoácido se codifica mediante un triplete de nucleótidos, llamado codón en el ARNm (o codógeno en el ADN). Existen 64 codones: 61 codifican aminoácidos, 1 codón de inicio (para comenzar la traducción) y 2 codones de terminación (para finalizar la síntesis). El código genético fue descifrado entre 1955 y 1966, con una participación clave de Severo Ochoa, quien ayudó a aislar la ARN polimerasa, enzima esencial para la síntesis de ARN.

Ingeniería Genética: Modificando el ADN

La ingeniería genética permite modificar el ADN de un organismo para cambiar o mejorar sus características. Se basa en varias técnicas, entre ellas:

1. Técnica del ADN Recombinante

   Permite introducir genes de un ser vivo en otro organismo (normalmente una bacteria).

   Pasos de la Técnica del ADN Recombinante:

   1. Se corta el gen de interés (por ejemplo, el gen de la insulina humana) con enzimas de restricción.
   2. Se extrae un plásmido de una bacteria (molécula circular de ADN).
   3. El gen humano se inserta en el plásmido, usando enzimas ligasas.
   4. Se introduce el plásmido recombinante en una bacteria.
   5. La bacteria produce la proteína (como insulina), que luego puede ser extraída.

2. Técnica de PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)

   Sirve para copiar millones de veces un fragmento de ADN en poco tiempo.

   Pasos de la Técnica de PCR:

   1. Se toma una muestra de ADN.
   2. Se mezcla con enzimas (ADN polimerasa), cebadores y nucleótidos.
   3. Se somete a ciclos de temperatura:
      • Calor para separar las hebras.
      • Enfriamiento para unir los cebadores.
      • Temperatura óptima para sintetizar ADN nuevo.
   4. Se repite el ciclo muchas veces, obteniendo una gran cantidad del ADN deseado.

3. Clonación

   Consiste en crear copias genéticamente idénticas de un organismo o fragmento de ADN.

   Tipos de Clonación:

   1. Clonación Molecular: Se clona un gen específico insertándolo en un plásmido. Ese plásmido se introduce en una bacteria, y la bacteria lo copia muchas veces.
   2. Clonación Reproductiva: Se sustituye el núcleo de un óvulo por el núcleo de una célula adulta. Se estimula el óvulo para que se divida, se implanta en un útero, y nace un clon (ej. oveja Dolly).
   3. Clonación Terapéutica: Similar a la reproductiva, pero el embrión no se implanta. Se usa para obtener células madre que podrían curar enfermedades (como diabetes o Parkinson).

Biotecnología: Aplicaciones de la Biología

Es el uso de organismos vivos o sus derivados para obtener productos o procesos útiles para el ser humano.

Tipos de Biotecnología:

• Tradicional: Usa microorganismos en procesos naturales (como fermentaciones).
• Actual: Aplica técnicas avanzadas como ingeniería genética.

Biotecnología Tradicional

Se basa en microorganismos para obtener productos útiles en tres grandes áreas:

Aplicaciones Alimentarias:

• Pan: Fermentación con Saccharomyces cerevisiae (levadura).
• Quesos y lácteos: Fermentación láctica por bacterias.
• Bebidas alcohólicas: Fermentación alcohólica por levaduras.

Aplicaciones Medioambientales:

• Descomposición de residuos sólidos: Uso de bacterias.
• Depuradoras: Bacterias eliminan materia orgánica del agua.
• Bioplásticos: Bacterias fabrican plásticos biodegradables.
• Descontaminación de petróleo: Bacterias degradan hidrocarburos.

Biotecnología Actual

Es la biotecnología basada en la ingeniería genética, desarrollada desde los años 80. Junto con la tradicional, impulsa muchos procesos en los sectores alimentario, farmacéutico, agrícola y ganadero.

Aplicaciones Agrícolas y Ganaderas:

Objetivo: Mejorar plantas y animales para obtener productos de mayor calidad y resistencia.

Beneficios:

• Resistencia a plagas y condiciones adversas.
• Mejora de características útiles (sabor, tamaño, rendimiento).
• Conservación de variedades valiosas.

Técnicas Clave:

• Clonación
• Organismos transgénicos (modificados genéticamente)