Mutaciones

El material genético de los organismos contiene información vital para su funcionamiento, razón por la cual es necesario garantizar su estabilidad y su inmutabilidad. Sin embargo, y a pesar de que los seres vivos poseen mecanismos para asegurarse la fidelidad de los procesos de copia de la información, de vez en cuando se producen cambios en la secuencia de nucleótidos que constituyen el genoma de los organismos. Cualquier cambio de este tipo recibe el nombre de mutación.

Las mutaciones se deben siempre a la acción de agentes, físicos o químicos, que interaccionan con el ADN celular, alterándolo. Los agentes físicos son algún tipo de energía que puede ser "absorbida" por el material genético, provocando modificaciones en él. Entre este tipo de fenómenos se encuentran las fuentes de radiación como rayos gamma, X o ultravioleta, que pueden interferir con esta molécula; las radiaciones más energéticas pueden llegar a romper físicamente los cromosomas, mientras que las de menor contenido energético, como los rayos ultravioleta, pueden ser absorbidos por algunas bases del ADN que, como resultado de ese proceso, ven cambiar su estructura química, o reaccionan con las bases vecinas.

Los agentes mutágenos también pueden ser sustancias químicas. En este caso, puede tratarse de compuestos capaces de reaccionar con alguno de los componentes del ADN (por ejemplo los agentes intercalantes, que se introducen dentro de la doble hélice y pueden formar enlaces covalentes con las bases nitrogenadas) o, incluso, pueden ser introducidos dentro de la molécula de ADN en lugar de alguna de las bases correctas (análogos de bases).

Clasificación de las mutaciones

Las mutaciones pueden clasificarse en función de diferentes criterios, todos ellos de cierta importancia a la hora de entender los efectos que producen:

• Según las células que resultan afectadas
• Mutaciones somáticas: no se transmiten a la descendencia, pero pueden alterar de un modo considerable su funcionamiento y el del organismo en general. El cáncer puede ser el resultado de mutaciones somáticas.
• Mutaciones germinales: se producen en células de la línea germinal, que darán origen a gametos, por lo que pueden transmitirse a la descendencia del organismo.
• Según la causa que las produce:
• Naturales o espontáneas: son producidas por agentes presentes en el entorno de modo natural.
• Inducidas: producidas por agentes mutágenos.
• Según los efectos que producen sobre el organismo:
• Neutras, si no afectan a la capacidad de supervivencia. Ocurren, por ejemplo, cuando cambia un codón por otro sinónimo.
• Beneficiosas, si incrementan las posibilidades de supervivencia del organismo.
• Perjudiciales, que a su vez pueden ser:
• Letales, si producen la muerte de al menos el 90% de sus portadores.
• Subletales, si provocan la muerte de menos del 10% de los portadores
• Patológicas, si dan lugar a alguna enfermedad.
• Según el tipo de determinación genética que suponen:
• Dominantes
• Recesivas
• Condicionales: solo se manifiestan cuando se dan determinadas circunstancias ambientales.
• Según la alteración genética producida:
• Génicas: afectan a la secuencia de un solo gen.
• Cromosomicas: alteran la estructura de los cromosomas.
• Genómicas: cambian el número de cromosomas.

Las posibles consecuencias de las mutaciones para una célula o un organismo son muy variables, y pueden suponer la muerte del individuo que las porta (mutaciones deletéreas) o, en casos menos graves, cambios morfológicos o pérdida de función de uno o varios genes. Un caso particular de pérdida de función de un gen lo constituyen las mutaciones bioquímicas o nutritivas, que suponen la imposibilidad de que la célula pueda utilizar o metabolizar algún compuesto químico. A escala de individuo completo, algunas mutaciones de este tipo son la intolerancia a la lactosa, la enfermedad celiaca o la fenilcetonuria (PKU). Muchas de estas mutaciones bioquímicas son, típicamente, mutaciones en las que solo está afectado un gen.

Mucho menos frecuentes, pero de gran interés desde el punto de vista evolutivo, son las mutaciones en las que se produce la ganancia de función por parte de algún gen. En estos casos, si existen varias copias del mismo gen (lo que es bastante frecuente en los eucariotas) el organismo mantiene la función original, al tiempo que se puede beneficiar de la nueva función adquirida. Este hecho explica la importancia del "ADN basura", que en realidad representa para los organismos una importante reserva de material genético a partir de la cual desarrollar, mediante mutaciones, nuevas capacidades que pueden llegar a resultarles de utilidad.

Mutaciones génicas

Las mutaciones génicas o puntuales son aquellas que afectan solo a un gen. En general, se deben a la ocurrencia de errores durante la replicación del ADN que escapan a la reparación por parte de alguno de los sistemas de reparación con los que cuenta la célula. Se pueden distinguir varios tipos de mutaciones génicas:

• Sustituciones de una base por otra. Casi siempre afectan a un único triplete, y por lo tanto suponen, como mucho, el cambio de un aminoácido por otro en la proteína resultante. Excepciones a esto se produce si el triplete que resulta de la mutación da lugar a un codón stop, en cuyo caso el resultado final es una proteína "truncada", más corta que la original y, por lo tanto, muy probablemente inútil, o si se ven afectados los puntos de splicing, es decir, las zonas que determinan el inicio y el final de los exones. Además, si la mutación se produce en la última base de un codógeno, es muy probable que sea una mutación "silenciosa", porque frecuentemente dará lugar a un codón sinónimo del original. Existen dos posibles tipos de sustitución:
• Transiciones, que suponen el cambio de una base por otra del mismo grupo (purina por purina o pirimidina por pirimidina)
• Transversiones, que suponen el cambio de una purina por una pirimidina o viceversa.

• Mutaciones que afectan al marco de lectura: se trata de cambios en el número de nucleótidos de la cadena. Como la lectura en el ribosoma se produce de forma "modular", es decir, el ribosoma lee los codones tomando la cadena de ARN de tres en tres nucleótidos, este tipo de mutaciones supone el cambio de la secuencia de la proteína a partir del punto en el que se ha producido la mutación. El resultado es una proteína totalmente diferente a la original, que puede ser más larga o más corta en función de dónde aparezca el nuevo codón de stop.
• Adición o inserción: consisten en la introducción de una base de más en la cadena de ADN.
• Supresión o deleción de una base.

Mutaciones cromosómicas

El término mutaciones cromosómicas hace referencia a aquellos cambios en el material genético que modifican la estructura de uno o varios cromosomas. Como estas estructuras son observables mediante microscopía óptica, y como pueden "mapearse" mediante técnicas de tinción diferencial que dan lugar a la aparición de bandas de diferente color, las mutaciones cromosómicas resultan fácilmente visibles, lo que ha hecho de ellas un objeto de estudio desde hace mucho tiempo. Básicamente se distinguen dos grandes grupos de modificaciones de este tipo: las que suponen un cambio en el número de genes (por adición o eliminación) y las que "solo" producen un cambio en la posición de los genes.

• Deleciones: consisten en la pérdida de un fragmento cromosómico, lo que puede ocurrir tanto en uno de los extremos del cromosoma como en su parte intermedia. Cuando ocurren en ambos cromosomas homólogos suelen provocar la muerte del individuo que las porta, por la falta de genes que supone. En heterocigosis su efecto depende del tamaño del fragmento. En humanos, la deleción apreciable más significativa es la pérdida de un fragmento del brazo corto del cromosoma 5, que da lugar a una enfermedad llamada "Grito del gato", que produce la muerte de los niños al poco de su nacimiento.

• Duplicaciones: consisten en la aparición repetida de un fragmento de cromosoma como consecuencia de un error durante la replicación. En general, las mutaciones no producen consecuencias perjudiciales. Más bien al contrario, proporcionan material genético nuevo que puede facilitar la evolución, ya que los genes originales siguen existiendo. Muchas familias de genes que dan lugar a proteínas relacionadas tienen este origen.

• Inversiones: son reorganizaciones de fragmentos de un cromosoma que cambian su orientación respecto al resto del cromosoma, para lo cual ha tenido que producirse la rotura completa de ambas cadenas de ADN, un giro de 180º del fragmento, y su unión en la dirección incorrecta. Pueden afectar al centrómero (inversión pericéntrica) o dejarlo fuera (inversión paracéntrica). Aunque en principio podría parecer que las inversiones no afectan al contenido de la información genética del organismo, en realidad sí que tienen influencia, porque afectan a la meiosis: los fragmentos invertidos no se aparean con su cromosoma homólogo, y los genes incluidos en ellos no se recombinan.

• Translocaciones: consisten en el desplazamiento de un fragmento de cromosoma a otro lugar del genoma. Puede tratarse de translocaciones no recíprocas, si solo se produce el movimiento de un fragmento, o de translocaciones recíprocas, si se produce el intercambio entre fragmentos de dos cromosomas no homólogos. En la especie humana, uno de los casos más frecuentes es la translocación de casi todo el cromosoma 21 al brazo corto del cromosoma 14 (imagen de la derecha), que da lugar a un individuo con 45 cromosomas pero que puede ser fértil. En este caso se produce el "Síndrome de Down familiar", única circunstancia en la que esta enfermedad puede heredarse. Las translocaciones pueden tener gran importancia evolutiva, ya que pueden dar lugar a poblaciones de la misma especie con un número diferente de cromosomas, lo que se traduce en que ambos grupos quedan aislados genéticamente entre sí lo que, finalmente, provocará que formen especies distintas.

 Mutaciones genómicas

Se utiliza este concepto para definir los cambios en el material genético de un organismo que suponen un cambio en su número de cromosomas. Siempre producen consecuencias graves en el individuo, especialmente cuando provocan una pérdida de material genético. Las mutaciones de este tipo que tienen mayor posibilidad de dar lugar a individuos viables si los cromosomas afectados son muy pequeños o los que determinan el sexo del individuo.

Se distinguen dos tipos de mutaciones genómicas: las que afectan a juegos de cromosomas completos, que reciben el nombre de euploidías (porque cambian la ploidía, el número de cromosomas característico de la especie) y las que provocan la variación en el número de unos pocos cromosomas, que reciben el nombre de aneuploidías:

• Euploidías: son muy poco frecuentes en animales, pero relativamente habituales en vegetales, en los que suelen dar lugar a nuevas variedades.
• Monoploidía o haploidia: consiste en la pérdida de un juego completo de cromosomas por parte del individuo, con lo cual todas sus células son haploides, como los gametos.  Existen algunos organismos que son haploides al menos en algunas fases de su vida, pero aparte de esos casos la haploidía es rara. Si los individuos de este tipo sobreviven, pequeño tamaño y poco vigorosos. En todo caso sus gametos son inviables. Es posible beneficiarse de la haploidia inducida, si se puede lograr duplicar los cromosomas de un individuo de este tipo, porque se obtiene un organismo totalmente homocigoto, lo que es prácticamente imposible por otros mecanismos.
• Poliploidía: se trata del proceso por el cual un organismo aumenta su número de juegos cromosómicos completos. Cuando el organismo sobrevive, lo que ocurre mucho más frecuentemente en plantas que en animales, tiende a ser más grande y más vigoroso que el diploide normal. En vegetales, la poliploidía puede producirse por duplicación del genoma de un único individuo o por hibridación con otra especie (aloploidía). La poliploidía ha sido utilizada habitualmente como mecanismo de mejora genética en vegetales.
• Aneuploidías: falta o sobra algún cromosoma respecto de la dotación correcta, pero no el juego completo.
• Nulisomía: faltan los dos cromosomas del mismo par. En general tiene efectos letales, porque el individuo carece por completo de esos genes.
• Monosomía: Falta una de las copias del cromosoma. En humanos, el único ejemplo de monosomía total (falta de todo el cromosoma) es el síndrome de Turner, consistente en que los individuos que lo presentan poseen un único cromosoma sexual (X0).
• Trisomía: un cromosoma posee tres copias en lugar de dos. En general, los individuos que la portan son inviables o presentan graves trastornos de todo tipo. En humanos la más conocida es la trisomía del cromosoma 21, que da lugar al síndrome de Down, aunque también pueden producirse trisomías de los cromosomas sexuales (síndrome de Klinefelter, XXY, síndrome de triple X, síndrome XYY, muy relacionado con comportamientos muy violentos) o de otros autosomas, si bien mayoritariamente son inviables.
• Tetrasomías y pentasomías: aunque son extremadamente raras, se conocen casos de individuos con cuatro o cinco cromosomas sexuales, en diversas combinaciones.

Importancia biológica  

Todos los seres vivos son el resultado de un proceso de evolución biológica que se ha producido como consecuencia de un ciclo de variación genética - presión selectiva - selección. Aunque existen diferentes mecanismos para que una variación de las características genéticas se extienda por una población, solo hay un mecanismo molecular posible para originar esa variación: la mutación, en cualquiera de sus formas.

No todos los tipos de mutaciones son igualmente productivos en términos de posibilidades evolutivas. Los más interesantes desde ese punto de vista son los que permiten la aparición de nuevas características sin pérdida de las originales, porque proporcionan al organismo más posibilidades biológicas de las que tenía. En este sentido, cobran una importancia particular los mecanismos de duplicación (mutación cromosómica) y poliploidía, que proporcionan material genético nuevo, que se añade al que ya existía. Tras esos primeros procesos, las mutaciones puntuales, capaces de modificar la funcionalidad de las proteínas, explican la aparición de alelos nuevos, que pueden tener (o no) características ventajosas.

Concepto de gen y regulación de la expresión genética

El material genético de una célula incluye su ADN (que en el caso de los eucariotas supone tanto el ADN nuclear como el de los orgánulos que lo poseen) y el ARN presente en la célula en un momento determinado. El conjunto de todo el ADN de la célula recibe el nombre de genoma, mientras que el conjunto del ARN presente en ella, que es una selección de este material genético, se denomina transcriptoma.

No todo el ADN de una célula sirve de molde para producir ARN, o lo que es lo mismo: existen diferencias considerables entre el genoma y el transcriptoma de la célula. La porción de ADN que no da lugar a ARN se denomina no codificante y, aunque hace algún tiempo se denominaba "ADN basura" hoy se sabe que juega importantes papeles en el funcionamiento celular. Según el número de veces que una secuencia de ADN no codificante aparece en el genoma se distinguen los siguientes tipos:

• ADN altamente repetitivo: está formado por secuencias cortas de nucleótidos que se repiten un elevado número de veces a lo largo de un fragmento de la molécula de ADN. Aparece especialmente en los centrómeros y los telómeros, por lo que se supone que juega un papel estructural.
• Los telómeros se encuentran en el extremo de los cromosomas. Son particularmente ricos en C+G, lo que hace que en ellos ambas hebras de la doble hélice se mantengan estrechamente unidas, ya que estas bases forman entre sí tres enlaces por puente de hidrógeno frente a los dos que forman A y T. Parece ser que los telómeros sirven para mantener la integridad estructural de los cromosomas, como parece desprenderse del hecho de que las células que sufren más divisiones tienen telómeros más cortos.
• Los centrómeros permiten la unión de las cromátides entre sí y con los microtúbulos del huso acromático durante la división celular.
• ADN moderadamente repetitivo, disperso a lo largo de los cromosomas.
• ADN de copia única. Una buena parte de este ADN tiene funciones relacionadas con la regulación de la expresión génica, es decir, con los procesos que determinan qué genes se expresan en un momento dado.

El ADN codificante también puede encontrarse como material genético de "copia única", en cuyo caso lleva información para proteínas, o como ADN moderadamente repetitivo, que incluye los genes que codifican para las histonas o para los ARN ribosómicos y transferentes.

En resumen, las zonas del genoma que llevan información para la síntesis de proteínas representan solo una pequeña parte del mismo, aproximadamente el 3%, lo que no significa que el resto no cumpla con importantes funciones dentro de la célula.

Existen diferencias significativas entre la organización del genoma de procariotas y de eucariotas:

PROCARIOTAS	EUCARIOTAS
Un único cromosoma (genóforo). Pueden existir, además, elementos accesorios (plásmidos).	Existen siempre varios cromosomas en el núcleo, además del genoma de los orgánulos que lo poseen
Genes dispuestos uno a continuación del otro; existe poco ADN espaciador. En ocasiones, los genes pueden estar incluso solapados.	Genes separados entre sí por largas regiones de ADN espaciador.
Casi todas las secuencias del genoma codifican o son secuencias reguladoras.	Existen muchas secuencias no codificantes, gran parte de ellas repetitivas
Los genes son continuos	Las secuencias codificantes de los genes (exones) está interrumpida por secuencias que no llegan a formar parte de las moléculas codificadas (intrones).

La información genética de los organismos está organizada en unidades llamadas genes. Actualmente se sabe que algunos genes (entendidos como fragmentos de ADN que son transcritos en el mismo proceso) codifican más de una macromolécula. Lo que sucede en esos casos es que la molécula inicialmente sintetizada es modificada para dar lugar a otras más pequeñas, como sucede en el caso de los genes que codifican para los ARN ribosómicos, o en muchos genes estructurales bacterianos. También se sabe que algunas proteínas constan de varias cadenas polipeptídicas (proteínas con estructura cuaternaria), por lo que son codificadas por más de un gen.

Por último, el conocimiento a escala molecular de los procesos relacionados con la expresión genética ha permitido saber que no toda la secuencia de nucleótidos necesaria para la formación de la macromolécula funcional resultado del gen llega a "manifestarse" en esa molécula. Dicho de otra forma, cada gen incluye secuencias de nucleótidos que son necesarias para desarrollar su función, pero que no son "visibles" en el resultado final de su expresión. Esas secuencias incluyen las zonas que dirigen la transcripción (regiones promotoras) y los intrones, fragmentos de ADN que, en los genes eucariotas, se encuentran intercalados entre las regiones que sí que van a dar lugar a la macromolécula final, a modo de "intermedios" intercalados en un programa de televisión.

La definición actual del término gen incluye una doble perspectiva:

• Desde el punto de vista funcional, un gen es la unidad mínima de información genética que puede heredarse.
• Desde el punto de vista estructural se trata de una secuencia lineal y organizada de nucleótidos que contiene la información necesaria para dar lugar a una macromolécula con función celular específica. En este concepto se incluyen tanto las proteínas como los ARN. 

Regulación de la expresión génica

Todas las células somáticas de un mismo organismo presentan, en principio, el mismo genoma. No ocurre así con las células germinales (óvulos o espermatozoides), ya que éstas son el resultado de una meiosis, de modo que solo poseen una copia de cada uno de sus genes. Sin embargo, el transcriptoma de dos células distintas puede ser diferente, en función del tejido del que forman parte y de su estado fisiológico (fase del ciclo celular en la que se encuentran, disponibilidad de nutrientes, estado del organismo que influye sobre cada una de las células...). En cada célula existe un conjunto de genes que se expresan de modo casi permanente, en las condiciones de vida habituales para ella (genes constitutivos), mientras que otros solo se expresan en ciertas condiciones, o no se expresan nunca (genes no constitutivos o facultativos). La regulación de la expresión génica incluye los mecanismos que permiten activar o detener los genes facultativos y, en ciertas condiciones, detener la expresión de los constitutivos.

El conjunto de procesos que determinan qué genes de la célula se transcriben en un momento determinado constituye la regulación genética. Los mecanismos de regulación son de extraordinaria importancia para la célula, porque le permiten tener en cada momento todas las macromoléculas que necesitan para realizar sus funciones, y solo aquellas que utilizan en cada momento, ajustando de este modo su fisiología de un modo óptimo.

En procariotas los principales mecanismos de regulación afectan a la transcripción de los genes, es decir, al proceso mediante el cual éstos son leídos para producir una molécula de ARN. En general, la unión de la ARN polimerasa al promotor (la secuencia que contiene la TATA box, justo junto al inicio de la transcripción) requiere, además, la participación de otras proteínas que también tienen capacidad para unirse al ADN en otras zonas de su secuencia, las regiones reguladoras del gen que se va a transcribir. Normalmente, en estos tipos de organismos los mecanismos de regulación actúan simultáneamente sobre un conjunto de genes cuyos productos están relacionados, porque intervienen en la misma ruta metabólica. El conjunto de elementos que intervienen en un proceso unitario de regulación de la expresión génica se denomina operón.

Cada operón incluye varias secuencias genéticas, algunas de las cuales se encuentran juntas, mientras que otras pueden estar alejadas dentro del cromosoma bacteriano:

• Los genes estructurales: se trata de la región codificante, que da lugar a las proteínas cuya síntesis se regula. Normalmente en los procariotas una única región del ADN que se transcribe de una sola vez sirve de molde para la síntesis de varias proteínas relacionadas.
• El promotor, zona del ADN donde se une la ARN polimerasa. Incluye la TATA box, y es adyacente a la región codificante.
• La región reguladora. Esta zona es el punto de unión de las proteínas reguladoras, las cuales permiten o impiden, según los casos, la unión de la ARN polimerasa al promotor y. por tanto, la transcripción del gen.
• El gen que codifica la proteína reguladora está, en realidad, fuera del operón, pero guarda relación con su funcionamiento.

La regulación de la expresión génica ocurre como respuesta a una situación fisiológica de la célula. Se desencadena como consecuencia de un estímulo, que es una molécula capaz de unirse a la proteína reguladora. Este hecho hace que dicha proteína cambie su capacidad de asociarse con el ADN, modificando en cadena la posibilidad de que la ARN polimerasa realice su trabajo.

Existen dos tipos fundamentales de operones, en función de cómo reaccionen al estímulo. Los operones inducibles, como el operón lactosa de Escherichia coli, responden a la llegada del estímulo haciendo que se inicie la transcripción de los genes regulados. Por el contrario, los operones represibles, como el operón triptófano de la misma bacteria, responden haciendo que se detenga la transcripción de esos genes.

Los eucariotas tienen un genoma y un proceso de expresión génica más complejo que los procariotas  (incluye, por ejemplo, la necesidad de que el ARN sea procesado después de su síntesis). Esto permite que existan más sistemas de control de la expresión:

• Mecanismos pre-traduccionales: afectan a la integridad del propio genoma o a la estructura del ADN. Por ejemplo, los glóbulos rojos pierden todos sus genes (es un caso extremo), mientras que en ciertas células de algunos organismos el ADN de determinados genes se multiplica más de lo normal, produciéndose en múltiples copias (amplificación génica). Otro mecanismo de control es la modificación química de ciertas bases, en concreto las citosinas de la región promotora de determinados genes, que dificultan su transcripción.
• Mecanismos transcripcionales: los eucariotas poseen también mecanismos similares a los operones de procariotas, es decir, regiones reguladoras que modifican la unión de las ARN polimerasas. En este caso, esas regiones reguladoras pueden estar lejos o cerca del promotor del gen. Además de estos mecanismos, pueden existir promotores con distintas características, o utilizarse factores de iniciación de la transcripción diferentes para distintos tipos de genes.
• Mecanismos postranscripcionales: en los organismos eucariotas puede modificarse la maduración del ARN de algunos genes de unos tejidos a otros. También puede alterarse el punto de finalización del gen, modificando el lugar donde se añade la cola poliA, o la estabilidad del ARN sintetizado.
• Mecanismos traduccionales y postraduccionales: finalmente, puede estar regulado el proceso de traducción o el ciclo de vida de la proteína sintetizada.

La traducción del ARN

El último paso en la expresión de la información genética es la elaboración de proteínas, las moléculas que realizan la práctica totalidad de las funciones celulares. La célula tiene miles de proteínas distintas, cada una de las cuales es capaz de llevar a cabo un proceso biológico (catálisis de una reacción química, reconocimiento de señales, transporte de sustancias...) gracias a que su estructura tridimensional se adapta a dicho proceso y, a su vez, esa adaptación entre estructura y función es posible porque la estructura de cada proteína está perfectamente establecida, de modo que cuando se elabora una nueva molécula de esa sustancia existe la seguridad de que va a ser idéntica a todas las demás moléculas de ese tipo que existen en la célula.

Para que eso sea posible es necesario contar con dos elementos que garanticen el proceso: un sistema que almacene la información y la transmita de forma segura y fiable y otro que permita utilizar esa información, "leerla", para elaborar la proteína concreta. El primer sistema es la replicación del ADN. El segundo incluye, a su vez, dos pasos: la transcripción, que transfiere la información al ARN, y la traducción, que es el proceso concreto mediante el cual la célula utiliza la información contenida en el ARN mensajero para producir una proteína determinada.

El proceso de traducción, que "concluye" la expresión genética, resulta de importancia vital para el funcionamiento de los organismos. Cada célula necesita tener, en cada momento, un subconjunto concreto de las proteínas que es teóricamente capaz de producir, en una cantidad concreta, ni más ni menos, y cada una de esas proteínas debe poseer la secuencia precisa de aminoácidos para ser funcional. Cualquier error en ese proceso supone consecuencias negativas para la célula; en el rango más bajo, que la proteína errónea no sirva para nada, con lo que la célula habrá desperdiciado recursos y energía en la elaboración de una molécula inútil. En el peor de los casos, el mal funcionamiento de una o unas pocas proteínas puede hacer que la célula en su conjunto trabaje de forma errónea, lo que puede llevarle al suicidio celular (la apoptosis es un proceso programado mediante el cual una célula que funciona de modo incorrecto se autodestruye) o a su transformación en una célula maligna, que puede ser el inicio de un tumor.

Traducción e información

La síntesis de una proteína determinada necesita, como ya se ha comentado muchas veces, información. A diferencia de lo que ocurre con los homopolímeros, cada monómero que se incorpora a la cadena puede ser diferente. El proceso también es diferente a lo que ocurre en la formación de heteropolímeros "regulares", como los heteropolisacáridos, en los que existe una pauta que se repite regularmente. En su lugar, en la síntesis de proteínas es necesario que se incorpore en cada posición un aminoácido concreto, sin que exista ningún patrón regular que determine cuál debe ser para conseguir que la proteína alcance su estructura primaria correcta, de la que dependerán el resto de los niveles estructurales y, finalmente, su función. Por ello, hace falta un "modelo" cuya información seguir. Este modelo es, precisamente, el ácido ribonucleico mensajero.

La información que contiene el ARN mensajero está codificada en un lenguaje de cuatro símbolos, las cuatro bases que varían en él, mientras que cada proteína puede necesitar hasta veinte tipos distintos de aminoácidos para formarse. Los símbolos del ARN se agrupan de tres en tres formando "palabras", con lo que existen 64 combinaciones distintas, cada una de las cuales puede dar lugar a un único aminoácido. La relación que existe entre las diferentes "palabras" de ARN, más propiamente llamadas tripletes de bases o codones, y los aminoácidos a cuya incorporación en la proteína corresponden constituye el código genético.

Resumiendo: la célula utiliza dos lenguajes diferentes para gestionar su información: uno, el de los ácidos nucleicos, posee cuatro símbolos distintos combinados para formar "palabras" de tres unidades cada una, por lo que cuenta con un total de 64 elementos diferentes. El nombre que recibe cada uno de esos elementos es distinto en función de en qué molécula se encuentren: se denominan codógenos cuando hablamos del ADN, codones si nos referimos al ARN mensajero y sus moléculas complementarias en el ARN transferente reciben el nombre de anticodones. El otro lenguaje es el de las proteínas, que utiliza veinte "palabras" unitarias, los aminoácidos. Existe, por último, una relación, una "tabla de equivalencias" entre las palabras de los dos idiomas, que recibe el nombre de código genético.

La diferencia en el número de elementos entre los dos lenguajes no es demasiado grave; por una parte, tres de los codones no tienen "traducción" en el lenguaje de las proteínas, y reciben el nombre de codones "sin sentido", aunque en realidad juegan un papel fundamental: el de indicar que se ha alcanzado el final del mensaje, por lo que reciben también el nombre, mucho más apropiado, de "codones stop". Por otra parte, puede darse el caso de que varios codones "signifiquen" lo mismo en el lenguaje de las proteínas, por lo que se habla de "codones sinónimos". Hay que destacar que esto no "degrada" el mensaje, porque la información necesaria para llevar a cabo los procesos celulares es la que está codificada en las proteínas, y la existencia de codones sinónimos no supone ninguna ambigüedad. La existencia de codones sinónimos, es decir, de combinaciones diferentes de bases que dan lugar al mismo aminoácido, es una de las características del código genético. Para referirse a ella se suele decir que el código genético está degenerado.

El código tiene otras características fundamentales para comprender el funcionamiento de la expresión genética. Tales características son las siguientes:

• Es un código lineal, lo que significa que las "palabras" en lenguaje de ácidos nucleicos son leidas secuencialmente, y traducidas también secuencialmente al lenguaje de las proteínas. Esto establece una equivalencia "uno a uno": un codón es responsable de la inclusión de un aminoácido en la proteína en formación.
• Es continuo, lo que significa que no hay "espacios" entre palabra y palabra: todas las bases nitrogenadas de un fragmento de ARN mensajero se utilizan en la síntesis de proteínas, de modo que no queda ninguna entre la última de un codón y la primera del siguiente.
• Es universal (o casi): todos los seres vivos utilizan el mismo código genético. Esto es una muestra de la antigüedad y de la importancia del código. De su antigüedad, porque todos los seres vivos lo comparten, lo que significa que todos ellos proceden del mismo antepasado común que ya lo utilizaba. De su importancia, porque demuestra que las mutaciones que, a lo largo del proceso evolutivo, necesariamente ha tenido que sufrir, no han podido mantenerse en los organismos, debido a que sus efectos negativos lo impedían.

En realidad, el análisis de la degeneración del código, y de pequeñas modificaciones del mismo que se dan en bacterias, mitocondrias y cloroplastos, ha llevado a formular una hipótesis acerca de su posible evolución. Se supone que, en un pasado muy remoto, debieron existir organismos que necesitaban un menor número de aminoácidos para producir sus proteínas, por lo que el código genético podría haber sido más sencillo, concretamente de dos bases por aminoácido. Sin embargo, el incremento de la complejidad de los organismos debió forzarles a incorporar un mayor número de aminoácidos por proteína, razón por la cual el código debió pasar de tener dos bases por aminoácido a tener tres bases por aminoácidos. Esto explicaría el hecho de que prácticamente todos los codones sinónimos compartan las dos primeras bases (las que habrían servido para uno de los aminoácidos en la primera fase de la evolución) y difieran en la tercera.

El proceso de traducción

Como todos los procesos bioquímicos, la traducción necesita un aparataje molecular, es decir, cada uno de los pasos que ocurren durante el proceso global de síntesis de una proteína suceden gracias a la intervención física de un grupo de moléculas. En este caso, como cabe esperar de un proceso tan complejo, el aparato molecular que interviene también lo es, e incluye los precursores de la proteína que se va a sintetizar (aminoácidos, nucleótidos trifosfato para proporcionar energía), un grupo amplio de proteínas y diferentes tipos de ácidos ribonucleicos, algunos de ellos integrados en un complejo macromolecular de gran tamaño que es el que desarrolla la síntesis: el ribosoma.

En la síntesis de proteínas intervienen los tres tipos de ARN que se encuentran en la célula: el ARN mensajero es el que lleva la información genética a partir de la cual se copiará la proteína, el ARN ribosómico, unido a varias proteínas, constituye la "maquina" que lleva a cabo físicamente la síntesis, y el ARN transferente establece la relación entre la información del mensajero y el aminoácido que corresponde a cada codón.

En la célula existen 61 tipos de ARNt, todos ellos con una estructura similar (aproximadamente en forma de "L") pero con secuencias de nucleótidos distintas. En particular, todos ellos se diferencian en uno de sus "lazos", zonas en las que no se da complementariedad de bases intramolecular. Ese lazo, llamado lazo anticodón, incluye tres nucleótidos que van a ser complementarios de los codones del ARN mensajero. En el extremo 3' del ARNt puede unirse un aminoácido, que será distinto según sea la secuencia del brazo anticodón.

Para que los aminoácidos puedan incorporarse a la proteína deben estar unidos al ARN transferente que le corresponde. La unión se lleva a cabo por la acción de enzimas llamadas aminoacil-ARNt transferasas, que son específicas para el aminoácido y para el ARNt, y requiere energía que es proporcionada por el ATP.

El proceso de traducción ocurre en el ribosoma, un complejo nucleoproteico formado por ARN ribosómico y proteínas. Estructuralmente, consta de dos subunidades que están separadas cuando el ribosoma está inactivo. Para que se inicie la síntesis de la proteína el ARN mensajero debe unirse a la subunidad pequeña, y una vez formado este complejo ambos elementos se unen a la subunidad grande.

Cuando el ribosoma está ensamblado se forman en él tres "sitios", en los que se van a producir los diferentes procesos que permiten la formación de la proteína:

• El Sitio P es el lugar por donde la proteína en formación permanece unida al ribosoma.
• El Sitio A es la parte del ribosoma por donde se incorpora el nuevo aminoácido que se va a unir a la proteína.
• El Sitio E es el lugar por donde el ARNt abandona el ribosoma una vez que ha liberado el aminoácido y que éste se ha unido a la cadena creciente.

A medida que la proteína va creciendo, el ribosoma avanza a lo largo de la molécula de ARN mensajero. Es muy frecuente que cada molécula de ARN mensajero sea leida sucesivamente por varios ribosomas, de modo que se sintetizan casi simultáneamente varias copias de la misma proteína.

El conjunto formado por un ARN mensajero y varios ribosomas que lo leen simultáneamente se denomina polirribosoma, y puede observarse con frecuencia en micrografías electrónicas. Esta es una estrategia que permite la obtención de una gran cantidad de una proteína antes de que el ARN mensajero sea degradado, lo que ocurre con mucha rapidez.

Las fases de la traducción

1. Iniciación: Incluye la unión entre el ARN mensajero y el ribosoma, la unión de las dos subunidades y la incorporación del primer aminoácido.
2. Elongación: Consiste en la incorporación sucesiva de los aminoácidos.
3. Terminación: Se produce cuando el ribosoma lee un codón de stop. En ese momento, la proteína formada abandona el ribosoma y sus subunidades se separan.

 Iniciación

 En procariotas en esta fase intervienen tres proteínas llamadas factores de iniciación (IF 1, 2 y 3) que deben unirse a los otros elementos para que el proceso tenga lugar. Antes de empezar la traducción las subunidades del ribosoma se encuentran separadas entre sí. El primer paso de la traducción es la unión de la subunidad pequeña (30S) del ribosoma con dos de los factores de iniciación, IF1 e IF3. Este grupo de moléculas se une al ARN mensajero en una secuencia específica, que se localiza antes (más cerca del extremo 5' de la molécula) del codón de iniciación.

En los organismos procariotas el primer aminoácido que se introduce en la cadena es siempre la metionina, que corresponde al codón AUG (codón de iniciación), aunque cuando la proteína está terminada este aminoácido se elimina. La metionina, unida a su ARNt correspondiente, debe unirse al otro factor de iniciación (IF2) y las tres moléculas se asocian al complejo formado por los otros factores de iniciación, el ARNm y la subunidad pequeña del ribosoma.

Finalmente, la subunidad grande se une a todas estas moléculas, dejando al ARNt+metionina en el sitio P del ribosoma recién formado, y forzando la salida de los factores de iniciación. La estructura formada, compuesta por el ribosoma, el ARN mensajero y el ARNt con la metionina en el sitio P recibe el nombre de complejo de iniciación.

El desarrollo de este proceso requiere energía, que es aportada por la hidrólisis de GTP.

Elongación

La elongación es un proceso que se repite tantas veces como aminoácidos tenga la proteína (menos el de iniciación). Globalmente consiste en añadir un aminoácido a la cadena que se está formando, y dejar el ARNt junto con la cadena creciente en el sitio P del ribosoma, para permitir la entrada del siguiente aminoácido.

El proceso se inicia con un ARNt unido químicamente a un aminoácido o a una cadena, y situado en el sitio P. El siguiente ARNt en incorporarse se acerca al sitio A, que está libre; si su brazo anticodón es complementario del codón situado frente al sitio A, y si lleva el aminoácido correspondiente en su extremo 3', el ARNt se queda fijado en el ribosoma. La cadena de aminoácidos del sitio P se libera de su ARNt y forma un enlace con el nuevo aminoácido, con lo que el ARNt "descargado" puede abandonar el ribosoma. Por último, el ribosoma en su conjunto avanza la distancia de un codón sobre el ARN mensajero, dejando en el sitio P al ARNt "cargado" con la cadena de proteína creciente.

La energía consumida en este proceso es aportada, de nuevo, por el GTP.

La elongación de la proteína ocurre desde el extremo N-terminal (primer aminoácido que se incorpora) hacia el C-terminal.

Terminación

El proceso de elongación se produce repetidamente hasta que el sitio A del ribosoma queda situado frente a un codón stop (UGA, UAG o UAA). La célula no posee ningún ARNt con un brazo anticodón complementario de estos codones, por lo que el sitio A queda vacío hasta que se une a él una proteína, el factor de liberación. El grupo carboxilo del último aminoácido reacciona con el agua, con lo que la proteína, ya completa, se separa del ARNt y abandona el ribosoma.

Cuando la proteína abandona el ribosoma, éste se descompone en sus partes constituyentes, separándose sus subunidades, que pueden volver a ser utilizadas. El ARN mensajero, por su parte, es degradado y sus nucleótidos son reciclados en la elaboración de otras moléculas.

Esta fase también obtiene la energía que necesita de la hidrólisis del GTP.

Diferencias en la traducción entre procariotas y eucariotas

El proceso de traducción es relativamente diferente en los eucariotas,  empezando por las características de las propias moléculas de ARN: en eucariotas, cada molécula de ARN mensajero codifica para una sola proteínas (son monocistrónicos), mientras que en procariotas es frecuente que una única molécula de ARNm lleve información correspondiente a varias proteínas (genes policistrónicos). También es diferente la estabilidad de la molécula, mayor en los eucariotas que en los procariotas.

El primer aminoácido que se incorpora a la proteína también cambia entre procariotas y eucariotas: en los procariotas se incorpora inicialmente una molécula de metionina, pero está modificada químicamente (es, en realidad, formil-metionina), mientras que en eucariotas se incorpora como primer aminoácido una metionina no modificada.

Por último, también son distintos los elementos que constituyen el complejo de iniciación, y hasta el orden en el que se forma dicho complejo.

La fase oscura de la fotosíntesis

La fase luminosade la fotosíntesis proporciona a las células autótrofas energía química en forma de ATP y poder reductor en forma de NADPH que pueden ser utilizados en otras rutas metabólicas celulares. En el siguiente paso, los organismos autótrofos utilizan esos recursos para asegurarse una provisión de carbono orgánico a partir de una fuente inorgánica de este elemento, el dióxido de carbono presente en la atmósfera o disuelto en el agua.

La asimilación del carbono inorgánico (ese es el nombre preciso del proceso por el cual el carbono inorgánico se incorpora a los compuestos orgánicos) requiere dos procesos químicos diferentes:

1. La unión de la molécula de dióxido de carbono a un compuesto orgánico, que supone la rotura de uno de los enlaces dobles entre el carbono y el oxígeno y la formación en su lugar de un enlace con un compuesto orgánico.
2. La reducción del carbono incorporado a la materia orgánica. En el CO₂ el carbono se encuentra en su máximo estado de oxidación, mientras que toda la materia orgánica se caracteriza porque el carbono está prácticamente siempre más reducido. Hay que tener siempre presente que el entorno que nos rodea es oxidante, por lo que las reducciones suelen ser "químicamente costosas" para los seres vivos. 

Estos dos procesos son independientes de la luz, lo que significa que pueden producirse tanto en su presencia como en su ausencia, siempre que la célula disponga de todos los recursos necesarios: dióxido de carbono, los compuestos orgánicos y las enzimas necesarias para la ruta metabólica, ATP y poder reductor.

La fase oscura de la fotosíntesis tiene lugar íntegramente en el estroma de los cloroplastos.

Fijación del CO₂

El primer paso en la incorporación del carbono inorgánico a la materia orgánica es la fijación del dióxido de carbono. En las plantas verdes este paso puede ocurrir de tres formas distintas, lo que permite distinguir entre tres tipos de fotosíntesis:

• Las plantas C3 producen como primer compuesto orgánico una molécula de tres carbonos, el 3-fosfoglicerato.
• Las plantas C4 dan lugar en primer lugar a una molécula de oxalacetato que se transforma en malato.
• Las crasuláceas tienen un metabolismo característico (metabolismo ácido de crasuláceas, en inglés CAM) en el que se forma también malato como compuesto orgánico a partir del dióxido de carbono.

 La fotosíntesis más típica es la de las plantas C3, en las que el dióxido de carbono reacciona con la Ribulosa 1,5 difosfato, lo que da lugar a un compuesto de seis carbonos muy inestable que inmediatamente se descompone en dos moléculas de 3-fosfoglicerato. La enzima responsable de este proceso recibe el nombre de Ribulosa Bisfosfato Carboxilasa Oxigenasa (RuBisCO), que es la proteína más abundante en la naturaleza.

La fijación del CO₂ supone un problema fisiológico para la planta. Las hojas son impermeables tanto al paso de líquidos como al de gases, gracias a que están recubiertas por una cutícula de cera. Sin embargo, hay dos procesos fisiológicos que necesitan que se produzca intercambio gaseoso entre la hoja y la atmósfera: la evapotranspiración, imprescindible para el transporte de sustancias disueltas desde las raíces hasta las zonas altas de la planta, y la captación de dióxido de carbono. Para permitir este intercambio las hojas poseen estructuras llamadas estomas, que consisten básicamente en una cámara que se abre al exterior de la hoja a través de una abertura regulable controlada por un par de células. El problema consiste en que cuando se abren los estomas ocurren simultáneamente los dos procesos, el intercambio gaseoso (captación de dióxido de carbono y eliminación de oxígeno) y evapotranspiración, lo que significa que la planta pierde agua para poder realizar la fotosíntesis. Pero en muchos casos conseguir agua resulta difícil para la planta, por lo que la fotosíntesis resulta un proceso costoso.

Por otra parte, la RuBisCO tiene una actividad enzimática doble: además de fijar el dióxido de carbono puede desarrollar una reacción competitiva, la fotorrespiración, en la que interviene la ribulosa difosfato y el oxígeno. Cuando hay luz y la concentración de oxígeno es alta, la fotorrespiración puede reducir en gran medida la eficacia de la fijación.

Hay dos grupos de plantas que han solucionado esos problemas de la fase oscura: las plantas C4 y las crasuláceas. En ambos casos, se ha modificado el paso de fijación del dióxido de carbono, reduciendo la importancia de la fotorrespiración.

Las plantas C4 están particularmente adaptadas a climas cálidos y secos. Estas plantas fijan el dióxido de carbono en las células del mesófilo (las mismas que realizan la fase luminosa) haciéndolo reaccionar con el fosfoenolpiruvato, lo que da lugar a oxalacetato. Este compuesto se transforma luego en malato, que es transportado hasta las células que rodean el haz conductor, más alejadas de la superficie. Allí se descarboxila, y el dióxido de carbono resultante reacciona con la ribulosa 1,5 difosfato, en una reacción catalizada por la RuBisCO. Las células del haz conductor están más protegidas de la luz, y en ellas la concentración de oxígeno es más baja que en el mesófilo, por lo que la fotorrespiración es menos importante.

Las crasuláceas han desarrollado un proceso bastante similar, pero en ellas la separación entre la entrada del CO₂ y su fijación no es espacial, sino temporal: estas plantas, adaptadas a climas muy secos, abren sus estomas durante la noche, para reducir al mínimo posible la evapotranspiración. Sin embargo, en ese momento la célula no cuenta con la energía y el poder reductor necesario para llevar a cabo el ciclo de Calvin, por lo que el dióxido de carbono se fija sobre el fosfoenolpiruvato, dando lugar finalmente a malato, que es almacenado en la vacuola. A partir del amanecer, cuando la planta empieza a desarrollar la fase luminosa con los estomas cerrados, el malato se transforma en oxalacetato, que se descarboxila, y el CO₂resultante es utilizado por la RuBisCO para producir 3 fosfoglicerato. En este caso se consigue también reducir la fotorrespiración, porque se mantiene baja la concentración de oxígeno gracias a que los estomas están cerrados.

Tanto la fotosíntesis C4 como el metabolismo ácido de crasuláceas son costosos para la planta en términos energéticos, pero este inconveniente se compensa sobradamente porque permiten un considerable ahorro de agua, que es el factor limitante del crecimiento de estas plantas en un clima cálido y seco como el que soportan.

El 3-fosfoglicerato formado es un compuesto oxidado, mucho más que las sustancias que habitualmente suele utilizar la célula. La conversión de este compuesto en un monosacárido necesita un aporte de poder reductor y de energía química (ATP) mediante dos reacciones sucesivas: una primera de activación, que da lugar a la formación de 1,3 difosfoglicerato con el gasto de una molécula de ATP, y otra de reducción, que consume NADPH y da lugar a la formación de gliceraldehído 3 fosfato.

El ciclo de Calvin

El gliceraldehído 3 fosfato es un monosacárido (una triosa), y puede ser utilizado como tal por la célula. La formación de esta molécula supone un gasto de ribulosa 1,5 difosfato. Para cerrar por completo el proceso es necesario que la célula recupere, además, este metabolito, lo que supone realizar un conjunto de reacciones químicas denominado ciclo de Calvin, común a todos los organismos autótrofos.

Para que el proceso esté equilibrado en cuanto a cantidad de materia, conseguir una molécula de gliceraldehido 3 fosfato requiere la incorporación de tres moléculas de dióxido de carbono. Esto supone el gasto de otras tres moléculas de ribulosa 1,5 difosfato y da lugar a la formación de seis moléculas de 3-fosfoglicerato y otras tantas de gliceraldehído 3 fosfato.

De esas seis moléculas de gliceraldehído, una es utilizada por la célula como producto neto de la fotosíntesis, mientras que las otras cinco se incorporan al ciclo de Calvin, para dar lugar a tres moléculas de Ribulosa 1,5 difosfato (tantas como se habían consumido) con el gasto de tres moléculas de ATP.

Como resultado final de la fase oscura, la célula incorpora tres moléculas de dióxido de carbono para producir cada molécula de gliceraldehído 3 fosfato, gastando para ello nueve moléculas de ATP y seis de NADPH procedentes de la fase luminosa.

La replicación del ADN

Una de las funciones que el ADN garantiza en los seres vivos es la transmisión de la información genética desde una célula a sus descendientes. Para conseguirlo, la célula tiene que sintetizar una molécula de ADN exactamente igual a la que poseía inicialmente. Ese proceso recibe el nombre de replicación o duplicación del ADN.

El proceso de replicación requiere que las dos hebras de la molécula de ADN se separen entre sí, con lo que pueden servir de molde para la elaboración de sendas copias. La fidelidad del proceso de copiado está garantizada por el principio de complementariedad de bases, que en realidad es la expresión de una relación química entre los componentes del ADN: la adenina es capaz de establecer dos enlaces de hidrógeno con la timina, por lo que si ambas bases se encuentran suficientemente cerca se atraerán hasta situarse una frente a la otra. Del mismo modo, la citosina y la guanina pueden formar tres enlaces por puente de hidrógeno, de modo que se atraen entre sí hasta situarse una frente a la otra. Como estas relaciones de complementariedad son únicas (la adenina no establece puentes de hidrógeno con ninguna otra base del ADN, y lo mismo pasa con las demás), la incorporación de nucleótidos a una cadena de ADN es una cuestión de afinidad química.

La replicación da lugar a la formación de dos moléculas de ADN, cada una de las cuales lleva una hebra "antigua" y otra recién formada, razón por la cual se dice que es un proceso "semiconservativo" (porque cada molécula conserva la mitad del material genético de la generación anterior). La hipótesis semiconservativa fue comprobada por Meselson y Stalh, quienes utilizaron para ello ADN marcado con nitrógeno pesado (N¹⁵). En teoría, la replicación podría producirse de tres modos distintos: de forma conservativa (una de las moléculas hijas conserva las dos hebras antiguas, mientras la otra incluye las dos hebras recién formadas), de forma dispersiva (las dos hebras antiguas acaban eliminándose, y las moléculas formadas incluyen solo ADN recién formado) o de forma semiconservativa. El planteamiento de Meselson y Stalh consistió en conseguir bacterias cuyo ADN incluyera exclusivamente nitrógeno pesado, e incubarlas en un medio con nitrógeno normal, que sería el que se incorporara al nuevo ADN. De este modo, el ADN antiguo sería pesado, y el recién formado ligero, y esta diferencia podía detectarse al centrifugar el material genético de las bacterias. Los posibles resultados de ese experimento serían los siguientes:

• Si la replicación fuera conservativa, algunas moléculas de ADN serían pesadas (las antiguas) y otras ligeras (las nuevas), por lo que se apreciarían dos bandas de ADN en la centrifugación.
• Si la replicación fuera dispersiva, todas las moléculas serían ligeras por lo que solo se apreciaría en la centrifugación una banda de ADN poco pesado.
• Si la replicación fuera semiconservativa, todas las moléculas tendrían una densidad intermedia (porque contendrían nitrógeno 14 y nitrógeno 15) y en la centrifugación se apreciaría una sola banda de ADN, en una posición intermedia entre el ADN ligero y el pesado.

La siguiente animación reproduce el experimento y muestra sus resultados.


El proceso molecular de la replicación

El primer paso para que ocurra la replicación del ADN es la separación de sus hebras, lo que da lugar a una "burbuja" en la que las dos hebras están alejadas entre sí. En procariotas esto ocurre a partir de un único punto, el origen de replicación, pero en eucariotas cada cromosoma tiene múltiples orígenes de replicación, por lo que durante la replicación del material genético aparecen varias burbujas de replicación en cada cromosmoma.

 

La formación de las burbujas de replicación requiere la participación de varias proteínas:

• La helicasa se encarga de abrir la doble hélice y separar las hebras entre sí.
• Las topoisomerasas reducen la tensión que sufre la molécula como consecuencia de la torsión necesaria para abrir la doble hélice.
• Las proteínas SSB (Single Strand Binding) se unen a las dos hebras, para mantener estable la separación.

 Cada burbuja de replicación supone la participación de dos moléculas de helicasa, de modo que la burbuja va creciendo en ambas direcciones a medida que avanza el proceso de replicación.

Una vez separadas las dos hebras puede iniciarse la replicación propiamente dicha, lo que supone la unión al ADN de otro conjunto de proteínas que van a formar el llamado "complejo de replicación". Las más importantes de estas proteínas son las siguientes:

• La primasa se encarga de introducir los primeros nucleótidos de cada cadena de ácido nucleico que se va a producir. Curiosamente, se trata de una polimerasa de ARN, por lo que los primeros nucleótidos que se copian van a formar una pequeña cadena de ARN llamada "primer" o cebador que posteriormente deberá ser eliminada.
• La ADN polimerasa III es capaz de leer una hebra de ADN que actúa como molde, añadiendo desoxirribonucleótidos a la cadena en formación. Esta enzima es la responsable del crecimiento de la cadena pero, como se ha dicho previamente, necesita que exista una cadena de nucleótidos a la que añadir más monómeros. Esta es la razón de que sea necesaria la primasa.
• La ARNasa H elimina los cebadores de ARN.
• La ADN polimerasa I rellena los huecos dejados en las cadenas por la eliminación de los cebadores.
• La ADN ligasa une los fragmentos de ADN que han sido sintetizados.

Cada burbuja de replicación consta de dos horquillas de replicación, en cada una de las cuales se une una helicasa. Además, en cada una de las horquillas de replicación se copian simultáneamente las dos cadenas de ADN, por lo que en cada burbuja se llevan a cabo simultáneamente cuatro procesos de replicación.

La ADN polimerasa III solo lee la cadena molde en dirección 3' →5', lo que hace que avance en direcciones opuestas en las dos hebras que está copiando. En una de las hebras, el complejo de replicación avanza siguiendo a la helicasa, en su misma dirección, por lo que va encontrando espacio sin dificultad. Esta hebra se denomina "conductora", y en ella la replicación ocurre de modo continuo. Sin embargo en la otra hebra las enzimas que llevan a cabo el proceso de replicación deben hacerlo alejándose de la helicasa, en dirección contraria a la de su avance. Para ello, la ADN polimerasa III se sitúa cerca de la helicasa y avanza alejándose de ella, pero simultáneamente la helicasa va abriendo la hélice por detrás de la polimerasa, con lo que queda un fragmento de ADN de una sola hebra sin replicar. Para copiar este fragmento, la polimerasa vuelve a unirse al ADN cerca de la nueva posición de la helicasa. De este modo, la replicación en esta hebra va avanzando "a saltos", en un proceso denominado replicación discontinua.

Los fragmentos sintetizados en cada paso de replicación en la hebra retardada constan de un cebador de ARN y una cadena de ADN, y reciben el nombre de fragmentos de Okazaki en honor a su descubridor. Dichos fragmentos son adyacentes, pero no están unidos entre sí.

Cuando finaliza la replicación propiamente dicha, la molécula recién sintetizada es un "híbrido" formado por un fragmento de ARN (el cebador) y una cadena de ADN. En el caso de la hebra retardada, además, no es una única molécula, sino varios fragmentos. El producto final del proceso, sin embargo, es una molécula de ADN. El proceso para obtener dicha molécula es el siguiente:

• La ARNasa H elimina los ribonucleótidos que constituyen los cebadores, dejando huecos en el extremo de los fragmentos de ADN.
• La ADN polimerasa I, distinta a la que ha intervenido anteriormente, rellena los huecos dejados por la ARNasa H
• En la hebra retardada, la ADN ligasa une entre sí los fragmentos de Okazaki.

Transcripción

La transcripción es el proceso mediante el cual una molécula de ADN sirve de molde para la síntesis de una molécula complementaria a ella de ARN. Desde el punto de vista del funcionamiento de la célula, la transcripción es fundamental para la expresión de la información genética ya que da lugar a moléculas que van a realizar funciones específicas (ARN ribosómico o transferente) o que, a su vez, van a servir de modelo para la síntesis de otras moléculas funcionales (las proteínas).

A diferencia de lo que ocurre con la replicación, la transcripción no supone la copia de todo el material genético de la célula, sino solo de los fragmentos que son necesarios en un momento determinado. Esto supone que se trata de un proceso regulado, es decir, que existen una serie de estímulos y sistemas de control que determinan qué partes del genoma celular se transcriben en un momento determinado.

El proceso de transcripción es desarrollado por una enzima llamada ARN polimerasa, que une ribonucleótidos trifosfato, haciendo crecer la cadena que forma en dirección 5'→3' (la misma en la que actúa la polimerasa durante la replicación). Para llevar a cabo su función esta enzima necesita, además, un "molde", que siemopre es una molécula de ADN monocatenario. La introducción de los nucleótidos en la cadena de ARN creciente se produce de acuerdo con el principio de complementariedad de bases.

La ARN polimerasa solo se une al ADN en ciertas regiones específicas, caracterizadas por su secuencia de bases, que reciben el nombre de promotores. El inicio del proceso requiere, además de la ARN polimerasa, la participación de otras proteínas que reciben el nombre genérico de factores de transcripción.

Transcripción en procariotas

En procariotas el proceso de tanscripción es relativamente sencillo: solo existe un factor de transcripción, llamado factor σ, y una única ARN polimerasa. El factor σ se une a una región del ADN situada cerca de la primera base que se transcribe. Esta zona tiene una secuencia de nucleótidos con una elevada proporción de Adenina y Timina, que se ha conservado a lo largo de la historia evolutiva. Esta región incluye siempre la secuencia TATA, por lo que se denomina TATA box.

Una vez que el factor σ se ha unido a la TATA box se une a ambos la ARN polimerasa, que cumple dos funciones simultáneamente: separa las dos hebras de la molécula de ADN y utiliza una de ellas como molde para crear la molécula de ARN. La dirección de síntesis es la misma que en la replicación: la cadena de ARN crece en sentido 5' a 3'. La unión de los nucleótidos es rápida, entre 30 y 40 nucleótidos por segundo, lo que hace que este proceso tenga una tasa de error superior a la replicación, a lo que hay que unir el hecho de que no existan mecanismos de reparación de errores.

La transcripción termina cuando la ARN polimerasa alcanza una zona del ADN rica en C+G (en la que la unión entre las dos cadenas es más fuerte, porque este par de bases establece tres puentes de hidrógeno). Para que la ARN polimerasa se separe del ADN es necesaria la unión de otra proteína, el factor de terminación o factor ρ (rho).

Si el resultado de la transcripción es un ARN mensajero, es utilizado inmediatamente por la célula, incluso antes de que la transcripción termine. En cambio, si se trata de un ARN ribosómico o de un ARN transferente, debe sufrir un proceso de maduración antes de que sean funcionales.

Transcripción en eucariotas

En eucariotas existen dos procesos diferentes de transcripción: las mitocondrias y los cloroplastos transcriben sus genes del mismo modo que los procariotas, mientras que la transcripción de los genes del núcleo utilizan un conjunto de proteínas más complejo, además de incluir ciertas diferencias en el proceso.

Los genes eucariotas tienen también una TATA box a la que se unen los factores de iniciación, que en este caso son varias proteínas diferentes. No existe una única ARN polimerasa, sino tres, que transcriben diferentes tipos de genes: la ARN polimerasa I sirve para transcribir casi todos los ARN ribosómicos, la ARN polimerasa II da lugar a los ARN mensajeros, que luego servirán para la síntesis de proteínas, y la ARN polimerasa III permite la transcripción de todos los ARN transferentes y algunos ARN ribosómicos.

La terminación del proceso también se lleva a cabo mediante la unión de varios factores de terminación, que ayudan a la separación de la ARN polimerasa.

Mientras que los ARN mensajeros de las células procariotas pueden ser utilizados directamente por la célula, los que se producen en el núcleo de las células eucariotas necesitan pasar por dos procesos de modificación química antes de ser utilizados: el procesamiento y la maduración.

El procesamiento consiste en la adición de diferentes elementos en ambos extremos de la molécula de ARN: en el extremo 5' se añade una "caperuza" (cap) constituida por un derivado de un nucleótido, la 7-metil guanosina trifosfato, mientras que en el extremo 3' se añaden aproximadamente unos 200 nucleótidos de Adenina. La función de ambas modificaciones es la misma: proteger la molécula, impidiendo su degradación prematura, antes de que pueda cumplir su función celular.

La maduración del ARN (splicing) responde al hecho de que los genes de los eucariotas no son continuos, sino que incluyen en su interior regiones que no forman parte de la proteína.

Las regiones de ADN situadas en el interior de un gen que no forman parte de la proteína se denominan intrones, y son eliminados después de la síntesis de la molécula de ARN. En este proceso interviene un conjunto de moléculas denominadas ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (RNPpn) o espliceosoma, constituidas por proteínas y ácidos nucleicos. Las RNPpn cortan los intrones por sus extremos, identificándolos gracias a que los nucleótidos de estas zonas son complementarias de los que forman parte del espliceosoma. Los extremos resultantes del corte son unidos entre sí por ligasas específicas.

El ARN ribosómico y el ARN transferente también sufren modificaciones químicas después de la transcripción: los ARN transferentes sufren alteraciones en algunas de sus bases, que son transformadas en "bases raras" características de este tipo de compuestos, imprescindibles para que adquieran su estructura final. Además se les añaden tres bases en su extremo 3' (CCA) que son las que permiten la unión del aminoácido durante el proceso de traducción.

En cuanto al ARN ribosómico, la ARN polimerasa I sintetiza una única molécula de ARN de gran tamaño, que es cortada en fragmentos, cada uno de los cuales es uno de los ARNr funcionales. Este proceso ocurre en el nucleolo.

El ADN, molécula portadora de la información hereditaria

Los organismos vivos somos sistemas extremadamente complejos, formados por un elevado número de elementos interrelacionados que deben mantener sus características a lo largo del tiempo, de una generación a otra. Esto supone que debe existir algún mecanismo para que cada elemento de los organismos se elabore de acuerdo a un "plan", a un modelo de organización establecido, y que ese modelo pueda ser transmitido de una célula a sus descendientes. Esta necesidad de los seres vivos nos acerca a la noción de información genética.

La información, cualquier tipo de información, es un conjunto organizado de datos que pueden ser utilizados en algún proceso. En el caso de los seres vivos, los datos se refieren, fundamentalmente, a cómo son las moléculas (en particular las proteínas y el ARN) que la célula necesita producir y a cuándo deben ser elaboradas. La información necesita siempre una memoria, es decir, un sistema físico en el que pueda registrarse, almacenarse y que permita su lectura. En los seres vivos, que somos máquinas químicas, el soporte de la información es un tipo de molécula, concretamente un ácido nucleico. La información que almacenan los organismos recibe el nombre de información genética.

Los sistemas de almacenamiento de información deben cumplir ciertos requisitos, cualquiera que sea su naturaleza:

• Tienen que permitir que la información sea "leída", es decir, que algún tipo de dispositivo permita aprovechar los datos contenidos en la memoria para realizar el proceso correspondiente. En el caso de los seres vivos, el proceso que permite que la información sea utilizada por el organismo se denomina expresión de la información genética. Dicho de otra forma, cuando una célula utiliza una parte de su información para elaborar, por ejemplo, una proteína, decimos que la célula está expresando su información genética.
• Es necesario, también, que la información pueda ser transferida, es decir, que pueda pasar de un soporte físico a otro soporte físico similar, con lo que puede pasar de una célula a otra. En los organismos vivos, el proceso que permite la copia de la información genética se denomina replicación.

Para que la información pueda ser leída y reproducida debe estar "codificada", es decir, debe poder recogerse en un "lenguaje" formado por signos diferentes, de forma que los diferentes datos que constituyen la información estén almacenados como distintos elementos ("signos") o combinaciones de signos. En los organismos, el código que permite almacenar la información es el código genético. Si un "dato" es la secuencia de aminoácidos de una proteína concreta, la información necesaria para reconstruir ese dato sería la secuencia de nucleótidos del ácido nucleico correspondiente.

La base biológica de la información genética

Aunque en la actualidad sabemos que los ácidos nucleicos son los portadores de la información genética, este es un conocimiento relativamente reciente. Mucho antes de identificar la molécula que almacena la información se conocían, sin embargo, los requisitos que debía cumplir una molécula para poder desempeñar esa función:

• Estar formada por elementos distintos, porque la diferencia entre unos datos y otros se debe a cambios en la secuencia de sus unidades. Esta característica es común a todos los "lenguajes", que se usan para almacenar y transmitir información.
• Incluir, en su propia estructura, los elementos necesarios para reproducir la información que contiene.
• Ser capaz de almacenar la gran cantidad de información que necesitan utilizar los seres vivos, aun los más sencillos.

Estas tres características orientaron enseguida la búsqueda de la molécula portadora de la información genética hacia una dirección muy concreta: era necesario identificar una molécula de gran tamaño, relativamente abundante en la célula (porque necesitaba contener gran cantidad de información) y formada por elementos diferentes. Además, debía estar presente en todos los seres vivos. Los tipos de sustancias que cumplían estos criterios son muy reducidos: proteínas y ácidos nucleicos.

Se diseñaron varios experimentos diferentes para determinar cuál de las moléculas era la responsable de la acumulación y transmisión de la información genética, siendo el de Hershey y Chase uno de los más definitivos y claros.

Estos investigadores utilizaron bacteriófagos, es decir, virus que infectan bacterias. A pesar de que los virus no son seres vivos, cumplen con el criterio básico para poder utilizarlos en este tipo de investigación, ya que poseen información genética que puede ser leída (aunque no por ellos, sino por el organismo al que infectan) y que se replica, pasando de una generación a otra. A esto hay que añadir, además, la ventaja de su sencillez: un virus bacteriano está formado exclusivamente por ácidos nucleicos y proteínas, por lo que una de las dos sustancias debe ser, necesariamente, la responsable de la información genética.

Hershey y Chase utilizaron para su experimento una diferencia de composición entre proteínas y ácidos nucleicos: mientras que prácticamente todas las proteínas contienen azufre (en la metionina y sobre todo en la cisteína, que resulta esencial en el establecimiento de su estructura), este elemento está ausente en los ácidos nucleicos. Por el contrario, los ácidos nucleicos contienen fósforo, que nunca está presente en las proteínas. Aprovechando esta circunstancia, incubaron una cepa de bacterias en presencia de fósforo radiactivo y otra en un medio con azufre radiactivo. Luego infectaron ambas cepas con fagos, de modo que éstos incluyeron en su composición los respectivos marcadores radiactivos.

El siguiente paso en el experimiento fue infectar nuevas bacterias con los fagos marcados radiactivamente y comprobar dónde se localizaba la radiactividad tras la infección.



Los fagos marcados en sus proteínas (con azufre radiactivo) no marcaban radiactivamente las bacterias, sino que se perdían al agitar, mientras que los marcados con fósforo, en su ADN, hacían que las bacterias presentaran actividad radiactiva, demostrando que era el ADN el responsable de la infección y, por tanto, de la transmisión de la información genética.

El descubrimiento de la estructura del ADN por parte de Watson y Crick aportó, finalmente, un posible mecanismo para la reproducción de la información genética. Según el modelo de Watson y Crick, la molécula de ADN está formada por dos hebras complementarias entre sí, de acuerdo con el principio de Chargaff, lo que significa que, sabiendo qué nucleótido se encuentra en una posición dada en una de las hebras, se sabe inmediatamente cual está en la otra hebra (Adenina frente a Timina, Citosina frente a Guanina). Sabiendo esto, resulta fácil imaginar un mecanismo para replicar la información, ya que cada hebra sirve de molde para su complementaria: si se separan ambas cadenas, bastaría con situar el nucleótido complementario frente a cada uno de los de la cadena molde.

El flujo de la información genética

El modelo de Watson y Crick proporcionó también una hipótesis acerca del "camino" que sigue la información genética desde el ADN hasta que se plasma en la estructura de otras macromoléculas, las proteínas. El conjunto de procesos que permiten "expresar" la información genética recibió, en su momento, el nombre de dogma central de la biología molecular e incluye los siguientes elementos:

• La información genética está almacenada, en todos los seres vivos, en el ADN. Esta molécula actúa como una "copia de seguridad" o de respaldo a partir de la cual se van a poder producir las proteínas y como sistema para transferir la información a las células hijas, lo que supone que esta sustancia pueda sufrir dos tipos de procesos:
• Replicación: es el proceso mediante el cual una molécula de ADN da lugar a otra igual a sí misma, lo cual supone la copia de las dos cadenas que la forman.
• Transcripción: mediante este proceso una de las hebras de la cadena de ADN da lugar a una molécula de ARN complementaria de sí misma.
• El ARN desempeña varios papeles en la célula; el ARN ribosómico y el transferente realizan directamente las funciones que les corresponde, por lo que la expresión de la información genética en este caso termina con la transcripción. El ARN mensajero, por su parte, es la "copia de trabajo" a partir de la cual se van a producir directamente las proteínas. El proceso mediante el cual ocurre la producción de proteínas celulares se denomina traducción, y supone la participación de todos los tipos de ARN presentes en la célula.

Estos son los procesos fundamentales de expresión de la información genética, y ocurren en todos los organismos. Sin embargo, algunos virus que solo presentan ARN como material genético incluyen en su "ciclo vital" otros procesos de transmisión de información genética que, aunque son muy poco importantes desde el punto de vista cuantitativo, tienen gran interés tanto teórico como aplicado.

• Algunos de estos virus son capaces de hacer una copia de su material genético, dando lugar a otras moléculas de ARN. Este proceso recibe el nombre de replicación del ARN.
• Otros virus ARN, por su parte, tienen la capacidad de copiar la información genética que portan dando lugar a una molécula de ADN que se integra (se introduce) en el genoma de su hospedador. Este proceso, único en la naturaleza, recibe el nombre de transcripción inversa o retrotranscripción, y tiene mucho interés desde el punto de vista de la Biotecnología. Un ejemplo de este tipo de virus es el responsable del SIDA.