El ADN: Estructura, Replicación, Mutaciones y su Rol en la Evolución y el Cáncer

1. El ADN: Molécula Portadora de la Información Genética

El ADN es la molécula portadora de la información genética debido a sus características:

• Estabilidad: El ADN es una molécula estable.
• Replicación: El ADN es capaz de replicarse a sí mismo.
• Transmisión hereditaria: El ADN se transmite de generación en generación.
• Susceptibilidad a mutaciones: El ADN es susceptible a mutaciones que generan variabilidad genética.

Experimentos de Griffith

Griffith realizó experimentos en ratones con bacterias causantes de la neumonía. Demostró que el material genético era un portador activo de la información genética, incluso cuando la célula que lo contiene no está viva.

Conclusiones de los experimentos de Griffith:

• La información genética está contenida en un componente celular presente en todas las células.
• El material genético lleva la información genética, aunque la célula que la contiene no esté viva.

Modelo de Doble Hélice de Watson y Crick

Watson y Crick elaboraron el modelo de doble hélice para explicar la estructura secundaria del ADN. Es importante destacar que el ADN no siempre es la molécula portadora de la información genética, ya que existen virus de ARN.

2. El Material Genético en Procariotas y Eucariotas

Células Procariotas

En las células procariotas, el material genético se encuentra en el citoplasma y casi todo sirve como información para la síntesis de proteínas.

Células Eucariotas

En las células eucariotas, el ADN se encuentra en el núcleo asociado a histonas. También hay ADN en mitocondrias y cloroplastos. Aproximadamente un 10% codifican proteínas y el resto tienen otras funciones.

• El ADN altamente repetitivo y las secuencias que codifican las proteínas no suelen ir continuas.
• Los segmentos de ADN que codifican proteínas se llaman exones.
• Los segmentos que no las codifican se llaman intrones.

3. Replicación del ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice formada por dos cadenas antiparalelas y complementarias que se unen por puentes de hidrógeno a nivel de las bases nitrogenadas.

Se propusieron tres modelos para la replicación del ADN:

• Semiconservativa: Cada doble hélice generada tiene una cadena nueva y una de la doble hélice original.
• Conservativa: Se genera una doble hélice nueva y se conserva la original.
• Dispersa: En cada hélice hay fragmentos de la original y de la nueva.

Experimento de Meselson y Stahl

Meselson y Stahl demostraron que la replicación es semiconservativa. Para ello utilizaron nitrógeno 15. Aparecieron dos bandas en los tubos de la centrífuga, una de 15N y otra de 14N.

3.1 Características de la Replicación

• Semidiscontinua: La síntesis de ADN es continua en la hebra líder y discontinua en la hebra retardada.
• Bidireccional: La replicación avanza en ambas direcciones a partir de un punto de inicio.
• Semiconservativa: Cada nueva molécula de ADN está formada por una cadena original y una cadena nueva.

3.2 Mecanismo de la Replicación

1. Helicasas: Enzimas que rompen los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas, separando las dos hebras de ADN.
2. Topoisomerasas: Enzimas que eliminan las tensiones generadas por el desenrollamiento.
3. Proteínas SSB: Estabilizan las hebras sencillas durante la replicación y se forma la burbuja de replicación.
4. Primasas: Sintetizan un ARN cebador.
5. ADN polimerasa III: Sintetiza las nuevas cadenas de ADN utilizando como molde las cadenas del ADN original. Solo puede avanzar en sentido 3' a 5' por la cadena molde y añadir nucleótidos en sentido 5' a 3'.

La ADN polimerasa III utiliza nucleótidos trifosfato que proporcionan la energía necesaria para la unión por complementariedad de bases. Además, necesita un cebador para la hebra líder de síntesis continua y para la hebra retardada, que es de síntesis discontinua, ya que se generan los fragmentos de Okazaki.

6. ADN polimerasa I: Elimina los cebadores y rellena el hueco que han dejado. También repara lesiones en el ADN.
7. Ligasas: Unen los fragmentos de ADN adyacentes mediante enlaces fosfodiéster.
8. Tras la replicación, cada célula recién sintetizada y la que ha hecho de molde aparecen enrolladas.

4. Corrección de Errores en la Replicación

Tras la replicación, se lleva a cabo la corrección de errores por:

• Endonucleasas: Cortan la cadena anormal.
• Exonucleasas: Eliminan el fragmento incorrecto.
• ADN polimerasas: Sintetizan el segmento correspondiente al fragmento eliminado.
• ADN ligasa: Une el segmento al resto de la cadena.

5. Muerte Celular Programada (Apoptosis)

La apoptosis es un proceso de muerte celular programada que juega un papel importante en el desarrollo y la homeostasis de los tejidos. La apoptosis está mediada por la proteína P53. El envejecimiento celular se produce por el acortamiento de los telómeros a nivel de la hebra retardada cuando se ha de generar el último fragmento de Okazaki.

6. Mutaciones

Las mutaciones son cambios en la secuencia del ADN. Pueden ser:

• Células afectadas: Germinales o sexuales (se transmiten a la descendencia) o somáticas (no se transfieren a la descendencia).
• Causas: Naturales o espontáneas, inducidas por agentes mutagénicos.
• Efectos: Neutros, beneficiosos, perjudiciales (letales: muerte en un 90%, subletales: muerte en un 10%, patológicas).
• Tipo de expresión génica: Dominantes y recesivas.

7. Agentes Mutagénicos

Los agentes mutagénicos son factores que pueden causar mutaciones. Se clasifican en:

• Físicos: Radiaciones ionizantes y no ionizantes.
• Químicos: Producen modificaciones o sustituciones de bases, inserción de nucleótidos.
• Biológicos: Algunos virus y transposones.

8. Mutaciones y Evolución

Los cambios en el material genético son el motor de la evolución de las especies, ya que generan variabilidad entre los individuos que forman parte de la población. Darwin planteaba que la selección natural actúa sobre la variabilidad poblacional y el mejor adaptado sobrevive. Las mutaciones génicas se acumulan a un ritmo casi constante, mientras que las mutaciones cromosómicas, como por ejemplo, la duplicación de fragmentos cromosómicos, han hecho posible la aparición de la estructura cuaternaria de la hemoglobina. Además, algunas mutaciones genómicas han supuesto una evolución de especies vegetales.

9. Mutaciones y Cáncer

El cáncer es causado por una división celular descontrolada que provoca la multiplicación rápida y desorganizada de células, destruyendo el tejido afectado y pudiendo invadir otros tejidos. Hay una relación entre algunos cambios en el material genético y la aparición de células cancerosas. En este proceso intervienen dos tipos de genes:

• Oncogenes: Estimulan la división celular.
• Genes supresores de tumores: La mutación de estos genes, que codifican proteínas inhibidoras de la división celular, provoca un aumento de la reproducción celular.