Interfase

La interfase es la etapa previa a la división celular, donde la célula crece y duplica su ADN. Se subdivide en varias fases:

Fase G1

Es la fase que comienza después de la división. La célula hija formada aumenta su tamaño y desarrolla su actividad metabólica. La célula obtiene energía del ATP, sintetiza proteínas, duplica orgánulos y forma nuevas estructuras membranosas. Las células pueden especializarse en esta fase al detenerse en el punto de restricción (R). Esta etapa de reposo o senescencia se conoce como fase G0. Por ejemplo, las neuronas se encuentran típicamente en fase G0.

Fase S

Es la etapa de replicación del ADN. En el núcleo, las enzimas replican el ADN de la cromatina, duplicando el genoma celular. Al finalizar, la célula tendrá dos copias exactas de cada cromosoma. Durante esta fase, la transcripción de genes para sintetizar proteínas continúa. En las células animales, también se duplican los centriolos.

Fase G2

Es la etapa de preparación para la división celular. Hay un aumento en la síntesis de ATP. En las células animales, la duplicación de los centriolos finaliza, los centrosomas migran a los polos y la cromatina comienza a condensarse para formar los cromosomas.

Replicación del ADN

Proceso General

La replicación del ADN ocurre durante la fase S de la interfase y es un proceso semiconservativo. Su objetivo es generar dos copias idénticas del ADN original para ser distribuidas a las células hijas durante la división celular (mitosis o meiosis). Este proceso ocurre tanto en procariotas como en eucariotas y se basa en la complementariedad de bases nitrogenadas.

Fases de la Replicación

Fase de Iniciación

Consiste en separar las dos hebras originales del ADN (hebras molde) para que sirvan de plantilla en la síntesis de las nuevas hebras complementarias. El proceso comienza en secuencias específicas llamadas orígenes de replicación (oriC en procariotas). El área donde las hebras se separan se denomina horquilla de replicación. La replicación es bidireccional, avanzando en ambas direcciones desde el origen. En este proceso participan diversas enzimas y proteínas, como las helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno para separar las hebras; las girasas y topoisomerasas, que alivian la tensión generada por el desenrollamiento; y las proteínas SSBP (Proteínas de Unión a Cadena Sencilla), que se unen a las hebras molde para evitar que se reasocien.

Fase de Elongación

Se sintetizan las nuevas hebras de ADN mediante la adición de nucleótidos complementarios. Las dos hebras molde son antiparalelas (una en sentido 5’→3’ y la otra en 3’→5’), y las nuevas hebras se sintetizan siempre en sentido 5’→3’. En la hebra molde 3’→5’, la síntesis es continua (hebra líder). Una primasa (un tipo de ARN polimerasa) sintetiza un cebador de ARN. El cebador es una secuencia corta de ARN que proporciona un punto de inicio para la ADN polimerasa. La ADN polimerasa III (en procariotas) o ADN polimerasa δ (en eucariotas) extiende la hebra líder en sentido 5’→3’, leyendo la hebra molde 3’→5’ de forma continua. Posteriormente, el cebador de ARN es eliminado y reemplazado por ADN. En la hebra molde 5’→3’, la síntesis es discontinua (hebra rezagada o retardada). Se sintetiza en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki. Una primasa sintetiza múltiples cebadores de ARN, y la ADN polimerasa III (o δ) sintetiza cada fragmento de Okazaki. Una ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki para formar una hebra continua.

Fase de Terminación

La replicación finaliza cuando las horquillas de replicación se encuentran (en procariotas, a menudo en una región opuesta al origen; en eucariotas, cuando se replican los extremos de los cromosomas lineales). Los cebadores de ARN son eliminados y reemplazados por ADN (por ADN polimerasa I en procariotas o ADN polimerasa δ/ε en eucariotas). La ADN ligasa sella las muescas restantes. Las ADN polimerasas también tienen actividad exonucleasa para corregir nucleótidos mal apareados.

Diferencias en Eucariotas

La replicación en eucariotas presenta algunas diferencias respecto a procariotas:

• Es más compleja y lenta debido a la mayor cantidad de ADN, su organización en cromatina (con histonas) y la linealidad de los cromosomas.
• Posee múltiples orígenes de replicación (replicones) a lo largo de cada cromosoma.
• Involucra al menos 5 tipos principales de ADN polimerasas (α, β, γ, δ, ε), cada una con funciones específicas.
• Los fragmentos de Okazaki son generalmente más pequeños (100-200 nucleótidos) que en procariotas.

Meiosis

La meiosis es un tipo de división celular en el que una célula diploide (2n) experimenta dos divisiones sucesivas, produciendo cuatro células hijas haploides (n). Este proceso consta de dos divisiones principales: Meiosis I y Meiosis II. Una diferencia clave con la mitosis es la ocurrencia del entrecruzamiento (intercambio de material genético) durante la profase I.

Primera División Meiótica (Meiosis I)

La primera división meiótica (Meiosis I) se subdivide en:

• Profase I

  Los cromosomas se condensan, los centriolos se duplican (si están presentes), el nucleolo y la envoltura nuclear desaparecen. Los cromosomas homólogos se aparean y ocurre el entrecruzamiento (intercambio de segmentos de ADN).

  Subetapas de la Profase I

  Esta fase se subdivide en cinco subetapas:

  • Leptoteno: Los cromosomas comienzan a condensarse.
  • Zigoteno: Los cromosomas homólogos se aparean (sinapsis), formando bivalentes.
  • Paquiteno: Ocurre el entrecruzamiento cromosómico, intercambiando material genético.
  • Diploteno: Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, permaneciendo unidos por los quiasmas (puntos de entrecruzamiento).
  • Diacinesis: La condensación cromosómica finaliza, el nucleolo desaparece y la envoltura nuclear se desintegra.

• Metafase I

  Los pares de cromosomas homólogos (bivalentes), unidos por los quiasmas, se alinean en el plano ecuatorial de la célula, formando la placa metafásica.

• Anafase I

  Los cromosomas homólogos se separan y migran hacia polos opuestos de la célula. Cada polo recibe un juego haploide de cromosomas (aunque cada cromosoma aún tiene dos cromátidas).

• Telofase I

  Los cromosomas llegan a los polos. Puede reformarse una envoltura nuclear y ocurrir la citocinesis, resultando en dos células hijas haploides (aunque cada cromosoma aún tiene dos cromátidas).

Segunda División Meiótica (Meiosis II)

La segunda división meiótica (Meiosis II) es similar a la mitosis y tiene como objetivo separar las cromátidas hermanas de cada cromosoma.

• Profase II

  Si se formó envoltura nuclear en Telofase I, esta desaparece. Los cromosomas (cada uno con dos cromátidas) se condensan y se forma el huso meiótico II.

• Metafase II

  Los n cromosomas se alinean individualmente en el plano ecuatorial de cada una de las dos células.

• Anafase II

  Las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan en el centrómero y migran como cromosomas individuales hacia polos opuestos.

• Telofase II

  Los cromosomas llegan a los polos. Se forma una envoltura nuclear alrededor de cada juego de cromosomas en los polos y ocurre la citocinesis.

Objetivos de la Meiosis

• Reducir el número de cromosomas de diploide (2n) a haploide (n), esencial para la formación de gametos (animales) o esporas (otros organismos).
• Generar variabilidad genética a través del entrecruzamiento (en Profase I) y la segregación independiente de los cromosomas homólogos (en Anafase I) y cromátidas hermanas (en Anafase II).
• Mantener constante el número de cromosomas de la especie a lo largo de las generaciones, ya que la fusión de dos gametos haploides (n) en la fecundación restaura el estado diploide (2n).

Transcripción: Del ADN al ARN

Proceso y Requisitos

La transcripción es el proceso por el cual la información genética de un segmento de ADN (un gen) se copia a una molécula de ARN. Este ARN (frecuentemente ARNm) actúa como intermediario, ya que el ADN no abandona el núcleo. Se requieren:

• ARN polimerasa (enzima que sintetiza el ARN).
• Nucleótidos libres (ATP, UTP, CTP, GTP).
• Una hebra molde de ADN (en dirección 3’→5’).

Fases de la Transcripción

El proceso consta de las siguientes fases:

• Iniciación: La ARN polimerasa se une a una región específica del ADN llamada promotor (con diferencias entre procariotas y eucariotas, a menudo con ayuda de factores de transcripción). El ADN se desenrolla localmente.
• Elongación: La ARN polimerasa se mueve a lo largo de la hebra molde de ADN (en dirección 3’→5’), sintetizando la nueva molécula de ARN en dirección 5’→3’ mediante la adición de nucleótidos complementarios (A con U, C con G).
• Terminación: La transcripción finaliza cuando la polimerasa encuentra una señal de terminación. Los mecanismos varían entre procariotas (dependientes o independientes del factor Rho) y eucariotas (asociados a secuencias en la región 3′ no traducida). La molécula de ARN (ARNm, ARNt o ARNr) se libera.

Maduración del ARNm en Eucariotas

En eucariotas, el ARNm recién sintetizado (pre-ARNm) sufre un proceso de maduración antes de salir del núcleo y ser traducido. Este proceso incluye:

• Corte y empalme (splicing): Eliminación de intrones (secuencias no codificantes) y unión de exones (secuencias codificantes).
• Adición de una caperuza (cap) en el extremo 5′: Modificación que protege el ARNm y ayuda en la traducción.
• Adición de una cola poli-A en el extremo 3′: Cadena de adeninas que protege el ARNm y facilita su transporte y traducción.

Una vez maduro, el ARNm puede ser exportado al citoplasma para la traducción.

Mutaciones: Cambios en el ADN

Definición y Efectos

Las mutaciones son alteraciones en la secuencia de nucleótidos del ADN. Sus efectos pueden ser:

• Neutras: Sin efecto aparente.
• Perjudiciales: Pueden causar enfermedades (como el cáncer).
• Beneficiosas: Pueden ser útiles en la evolución.

Tipos de Mutaciones

Se clasifican según diferentes criterios:

Por Célula Afectada

• Germinales: Ocurren en las células germinales (gametos o sus precursores) y son heredables.
• Somáticas: Ocurren en células somáticas y no se heredan a la descendencia.

Por Tipo de Alteración

• Génicas (o puntuales): Afectan a la secuencia de nucleótidos dentro de un gen.
  • Sustitución (cambio de un nucleótido por otro).
  • Inserción (adición de nucleótidos).
  • Deleción (pérdida de nucleótidos).
• Cromosómicas: Alteraciones estructurales en uno o varios cromosomas (ej: deleciones, duplicaciones, inversiones, translocaciones).
• Genómicas (o numéricas): Cambios en el número total de cromosomas (ej: aneuploidías como el síndrome de Down o Turner; poliploidías).

Agentes Mutágenos

Son factores que aumentan la frecuencia de mutación:

• Físicos: Radiaciones ionizantes (rayos X, gamma) y no ionizantes (radiación UV).
• Químicos: Sustancias químicas (ej: algunos pesticidas, componentes del humo del tabaco).
• Biológicos: Ciertos agentes biológicos (ej: algunos virus como el VPH).

Citocinesis

La citocinesis es el proceso de división del citoplasma que generalmente sigue a la mitosis o meiosis, resultando en dos células hijas separadas. Durante la citocinesis, los orgánulos se distribuyen entre las dos células hijas de manera más o menos equitativa. En las células animales, se forma un anillo contráctil compuesto por filamentos de actina y miosina que estrangula la célula madre, dividiéndola en dos. En las células vegetales, se forman vesículas derivadas del aparato de Golgi que contienen componentes de la pared celular (como hemicelulosa y pectinas). Estas vesículas se fusionan en el plano ecuatorial, formando una placa celular que crece hacia afuera hasta dividir la célula en dos. Esta estructura en formación se llama fragmoplasto.

Mitosis

La mitosis es un tipo de división celular que resulta en dos células hijas genéticamente idénticas a la célula madre. Generalmente precede a la citocinesis. El resultado son dos células hijas diploides (2n). Consta de cuatro fases principales:

• Profase

  Es la etapa más larga de la mitosis. La cromatina se condensa progresivamente, haciéndose visibles los cromosomas. La envoltura nuclear y el nucleolo se desintegran. Los cromosomas (cada uno compuesto por dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero) quedan libres en el citoplasma. Se forma el huso mitótico.

• Metafase

  Los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación. Los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de la célula, formando la placa metafásica. Los centrómeros de cada cromosoma se orientan hacia el plano ecuatorial, con las cromátidas hermanas unidas a microtúbulos del huso que provienen de polos opuestos.

• Anafase

  Los microtúbulos del huso se acortan, separando las cromátidas hermanas en el centrómero. Cada cromátida, ahora considerada un cromosoma individual, migra hacia un polo opuesto de la célula.

• Telofase

  Los cromosomas llegan a los polos y comienzan a descondensarse. Se forman nuevas envolturas nucleares alrededor de cada juego de cromosomas en los polos. El nucleolo reaparece y las fibras del huso desaparecen.

La Traducción: Del ARN a la Proteína

Proceso y Requisitos

La traducción es el proceso mediante el cual la información genética contenida en una molécula de ARN mensajero (ARNm) se utiliza para sintetizar una secuencia específica de aminoácidos, formando así una proteína. Este proceso ocurre en los ribosomas, ubicados en el citoplasma. La traducción sigue las reglas del código genético, donde secuencias de tres nucleótidos en el ARNm (llamadas codones) especifican qué aminoácido debe ser añadido a la cadena polipepeptídica. Para que la traducción ocurra, se requieren:

• ARNm: Contiene la secuencia de codones que especifica el orden de los aminoácidos.
• ARNt (ARN de transferencia): Moléculas adaptadoras que transportan aminoácidos específicos y reconocen los codones correspondientes en el ARNm.
• Ribosomas: Complejos de ARNr y proteínas donde se lleva a cabo la síntesis proteica.
• Energía (en forma de ATP y GTP).
• Enzimas y factores proteicos específicos.

Fases de la Traducción

El proceso de traducción se divide en las siguientes fases:

• Activación de Aminoácidos

  Cada aminoácido se une a su ARNt específico mediante una enzima llamada aminoacil-ARNt sintetasa, con consumo de ATP.

• Iniciación

  La subunidad ribosómica menor se une al ARNm. El primer ARNt (que transporta metionina en eucariotas) se acopla al codón de inicio (AUG) en el ARNm. Posteriormente, la subunidad ribosómica mayor se une, formando el ribosoma funcional y el complejo de iniciación.

• Elongación

  Nuevos ARNt cargados con aminoácidos entran al sitio A del ribosoma, reconociendo el siguiente codón. Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio A y la cadena polipeptídica en crecimiento (ubicada en el sitio P). El ribosoma se transloca (se mueve) un codón a lo largo del ARNm, desplazando el ARNt vacío al sitio E (de salida) y el peptidil-ARNt al sitio P. Este ciclo se repite, añadiendo aminoácidos uno a uno a la cadena.

• Terminación

  El proceso finaliza cuando el ribosoma alcanza un codón de parada (UAA, UAG o UGA) en el ARNm. No hay ARNt que reconozca estos codones. Factores de liberación se unen al ribosoma, causando la hidrólisis del enlace entre la proteína y el último ARNt, liberando la cadena polipeptídica completa. El ribosoma se disocia en sus subunidades.

El Dogma Central de la Biología Molecular

Flujo de Información

El dogma central de la biología molecular describe el flujo de la información genética en la mayoría de los organismos. Postula que la información fluye generalmente en una dirección: del ADN al ARN y del ARN a la proteína.

Etapas Clave

Aunque no es parte directa de la expresión génica (que es ADN → ARN → Proteína), la replicación del ADN (ADN → ADN) es fundamental para la herencia de la información y ocurre antes de la división celular (en la fase S de la interfase).

• Transcripción (ADN → ARN): La información de un segmento de ADN se copia a una molécula de ARN.
• Traducción (ARN → Proteína): La información del ARN (ARNm) se utiliza para sintetizar una proteína.

Tipos de ARN Participantes

En estos procesos participan diferentes tipos de ARN:

• ARNm (ARN mensajero): Lleva la copia de la información genética del ADN al ribosoma.
• ARNt (ARN de transferencia): Transporta los aminoácidos al ribosoma durante la traducción.
• ARNr (ARN ribosómico): Componente estructural y catalítico de los ribosomas, donde ocurre la síntesis proteica.