Bases Químicas de la Herencia

Los Genes y los Ácidos Nucleicos

Los genes están compuestos por ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos pueden ser de dos tipos:

• ADN (Ácido Desoxirribonucleico): Contiene las bases nitrogenadas Adenina (A), Timina (T), Guanina (G) y Citosina (C).
• ARN (Ácido Ribonucleico): Contiene las bases nitrogenadas Adenina (A), Uracilo (U), Guanina (G) y Citosina (C).

Componentes Estructurales de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos están formados por tres componentes principales:

1. Bases Nitrogenadas
2. Grupo Fosfato
3. Azúcar Pentosa (un azúcar de cinco carbonos)

1. Bases Nitrogenadas

Son moléculas con estructura en anillo de carbono y nitrógeno. Estas pueden ser de anillo simple (pirimidinas) o de anillo doble (purinas).

• Purinas (anillo doble): Adenina (A) y Guanina (G).
• Pirimidinas (anillo simple): Citosina (C), Timina (T) (presente en el ADN) y Uracilo (U) (presente en el ARN, reemplaza a la Timina).

Las bases nitrogenadas se unen de la siguiente manera:

• En el ADN: Adenina (A) se une con Timina (T) (A—T), y Guanina (G) se une con Citosina (C) (G—C).
• En el ARN: Adenina (A) se une con Uracilo (U) (A—U), y Guanina (G) se une con Citosina (C) (G—C).

2. Grupo Fosfato

Este grupo es esencial para la estructura de la cadena de ácido nucleico, formando los enlaces fosfodiéster que unen los nucleótidos.

3. Azúcar Pentosa

Las pentosas o azúcares de 5 carbonos que entran en la constitución de los ácidos nucleicos son:

• Desoxirribosa (en el ADN).
• Ribosa (en el ARN).

Formación de Nucleótidos

La unión de una base nitrogenada, un azúcar pentosa y un grupo fosfato se denomina nucleótido. Los nucleótidos son los monómeros o unidades básicas de los ácidos nucleicos.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El Ácido Desoxirribonucleico es aquel que posee desoxirribosa en su molécula. Es mejor conocido como ADN y es el portador principal de la información genética en la mayoría de los organismos.

La Doble Hélice: Estructura del ADN según Watson y Crick

James Watson y Francis Crick transformaron la biología con su descubrimiento de la estructura del ADN en 1953, sentando las bases para los avances posteriores en el genoma humano y la clonación de organismos.

El modelo propuesto por Watson y Crick describe la molécula de ADN como una pareja de hebras que se entrelazan helicoidalmente en torno a un eje común, formando una doble hélice. En este modelo podemos diferenciar:

• Estructura primaria: Se refiere a la secuencia lineal de nucleótidos en cada una de las hebras.
• Estructura secundaria: Las dos hebras se unen mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias (A con T, y G con C). Los «peldaños» de esta «escalera» helicoidal están formados por pares de bases nitrogenadas. Cada base está unida a una molécula de azúcar-fosfato que forma el esqueleto de la hélice. Los puentes de hidrógeno son enlaces químicos relativamente débiles que se forman cuando el hidrógeno es compartido entre dos átomos electronegativos.

El siguiente nivel de estructura hace referencia a la disposición espacial del eje de ambas hélices. En los casos más sencillos, como en muchos virus y bacterias, esta puede ser lineal o circular.

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN es una molécula que generalmente se encuentra en forma de cadena simple. Desempeña diversas funciones en la célula, incluyendo la síntesis de proteínas (ARN mensajero, ARN de transferencia, ARN ribosómico) y la regulación génica.

El Lenguaje de la Vida: La Clave Genética

El Dogma Central de la Biología Molecular

El dogma central de la biología molecular establece que la información genética fluye en una dirección principal: desde el ADN, que se replica para conservar la información, se transcribe a una molécula de ARN mensajero (ARNm), y esta información luego se traduce para sintetizar una proteína.

Secuencia: ADN → ARN → Proteína

Replicación del ADN

El Proceso de Autoduplicación Semiconservativa

La replicación del ADN se denomina autoduplicación semiconservativa. En este proceso, cada molécula de ADN se duplica originando dos moléculas hijas. Cada una de estas moléculas hijas conserva una hélice o cadena de la molécula «madre» original y sintetiza una hélice nueva complementaria. De este modo, se forman dos moléculas hijas exactamente iguales a la molécula original y entre sí. Antes de la duplicación, los cromosomas están compuestos por unidades que se extienden a todo lo largo. Durante la duplicación, estas unidades se separan, y cada una sirve de molde para la formación de una nueva unidad complementaria.

Modelos Históricos de la Replicación del ADN

Se propusieron varias hipótesis para explicar cómo se replicaba el ADN:

• Hipótesis Conservativa: Proponía que cada hebra de la molécula de ADN original (parental) servía de molde para sintetizar una hebra hija complementaria. Después de que las dos hebras hijas se sintetizaran, estas se unirían entre sí para formar una nueva molécula de doble hélice, conservándose intacta la molécula original.
• Hipótesis Dispersiva: Sugería que cada cadena de la molécula de ADN se duplicaba de forma mixta. Al final, las hebras resultantes serían una mezcla de fragmentos de la molécula de ADN original y nuevos fragmentos sintetizados durante el proceso.
• Hipótesis Semiconservativa (Confirmada): Propone que cada hebra de la molécula parental sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria hija. Durante el proceso, las hebras nuevas quedan unidas a las hebras parentales, y se forman dos moléculas de ADN idénticas, cada una con una hebra parental y una hebra hija recién sintetizada. Esta es la hipótesis que fue demostrada como correcta.

Transcripción: Del ADN al ARN Mensajero

Durante la transcripción, el ARN mensajero (ARNm) se forma a lo largo de una de las cadenas del ADN (la cadena molde). Este proceso sigue la misma regla de apareamiento de bases que regula la formación de una cadena de ADN, con una excepción crucial: en el ARN mensajero, el uracilo (U) sustituye a la timina (T) para aparearse con la adenina (A).

Regulación de la Expresión Génica

El Modelo del Operón de Jacob y Monod

La célula realiza una serie de procesos químicos muy complejos en los que intervienen muchas enzimas. Para controlar la síntesis de estas enzimas y, por lo tanto, la actividad metabólica, existen mecanismos de regulación génica. El Modelo de Jacob y Monod (originalmente descrito para el operón lac en bacterias) explica uno de estos mecanismos. Este modelo describe cómo la célula controla la actividad de los genes estructurales (que codifican proteínas) mediante la interacción de genes reguladores, operadores y promotores. Se distinguen dos tipos principales de control basados en la sustancia implicada:

• La sustancia inductora: Una sustancia inductora puede bloquear a una proteína represora. Cuando el represor está inactivo (por ejemplo, al unirse al inductor), no puede acoplarse con el gen operador. Esto permite que los genes estructurales se transcriban y se dirija la síntesis de proteínas.
• La sustancia represora (o correpresora): En otros sistemas, una sustancia (a menudo el producto final de una vía metabólica) puede actuar como correpresora, uniéndose a una proteína represora inactiva para activarla. La proteína represora activa se une al gen operador, impidiendo la síntesis de proteínas, ya que la actividad de los genes estructurales queda bloqueada.