CIENCIA para NOVATOS | Blog de Ciencia y Biotecnología

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Si nunca has profundizado en el funcionamiento de una célula o en la comprensión de su genoma, puede que te resulte más complicado entender todo el contenido que se trata en esta web. Si es así, quizás necesites ponerte al día en algunos conceptos biológicos básicos para disfrutar al 100%.

¡Tranquil@! Después de leer este contenido estarás list@ para pasar a los post más complejos y técnicos.

¿ESTÁS PREPARAD@ PARA ADENTRARTE EN EL MUNDO DE LA BIOLOGÍA? ¡COMENCEMOS!

1. Las CÉLULAS

En primer lugar, debemos comprender a nuestras propias células. Las células son las unidades básicas que forman los organismos. Son las unidades más pequeñas con capacidad de nutrirse, reproducirse y relacionarse (las 3 funciones vitales que debe ser capaz de realizar un organismo para ser considerado como tal).

Es decir, una única célula es capaz de nutrirse (de comer y obtener energía para desempeñar sus funciones vitales); de reproducirse, generando dos células “hijas”; y de relacionarse con otras células mediante diferentes tipos de señales. Vamos, que acabamos de llegar a la conclusión de que una célula es, en esencia, un organismo independiente.

Y esto nos lleva a la diferenciación de dos clases de organismos vivos: los organismos unicelulares (formados por una única célula) y los organismos pluricelulares (formados por más de una célula). Nosotros, los humanos, somos organismos pluricelulares. ¿Por cuántas células apostarías que está formado el organismo humano? El equipo de investigación liderado por Ron Sender ha estimado que un adulto “estándar” (varón, 20-30 años y 70 kilos de peso) está compuesto por 30 billones de células. Es decir: 30.000.000.000.000 células ¹.

Impresionante ¿verdad? ¿Qué supone que estemos formados por esta ingente cantidad de células? Que nuestras células han perdido la capacidad de vivir por si solas, y en contraposición han ganado funciones más especializadas que les permiten formar agrupaciones más complejas. Las células en un organismo humano se organizan, primero, en tejidos; estos tejidos luego forman los órganos; los órganos conforman los sistemas; y al final, la agrupación de estos sistemas somos nosotros, los seres humanos.

Oranizacion_Celulas_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La célula es la unidad básica que constituye a los organismos. En los humanos, las células se agrupan formando los tejidos. Los tejidos forman los órganos y estos últimos los sistemas, como, por ejemplo, el sistema digestivo. La combinación de los sistemas somos nosotros, los seres humanos.

Somos organismos complejos formados por multitud de células, cada una con su misión en nuestro cuerpo. Las células de la piel protegen nuestros órganos internos de las amenazas exteriores. Las células de nuestros pulmones nos permiten respirar, y las de nuestro hígado detoxificar sustancias que llegan al organismo.

Los organismos pluricelulares hemos evolucionado para generar un conjunto mucho más complejo de células, capaz de realizar funciones que una célula sola no podría. En contraposición, nuestras células ya no son independientes, se necesitan unas a otras.

¡Hagamos un PARENTESIS, de esos que tanto me gustan!

Como no es útil representar las células con todos los orgánulos que las forman se suele optar por utilizar un diseño mucho más sencillo. En nuestro caso será el siguiente:

¿Esto indica que todas las células son redondas? No, ni mucho menos. Es solo una forma de esquematizarlas.

Esquema_Celula_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Para esquematizar las células se suele optar por dibujar un círculo, la célula, que encierra otra circunferencia más pequeña, el núcleo.

¿De qué estan compuestas nuestras células?

De una membrana celular, de un citoplasma y de un núcleo.

La membrana celular, como podrás imaginar, delimita a la célula.

El citoplasma es todo el contenido que encierra esa célula, y el núcleo es uno de los componentes, llamados orgánulos, que se encuentran “flotando” en el citoplasma.

El núcleo de una célula, que también está delimitado por una membrana, la membrana nuclear, guarda nuestro bien más preciado: nuestro genoma.

Organulos_Celula_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Las células de nuestro cuerpo están formadas por una membrana plasmática que delimita la célula. Dentro de la membrana encontramos el citoplasma, una especie de líquido denso en el que “flotan” los orgánulos. En el citoplasma se encuentra además el núcleo. El núcleo, también delimitado por la membrana nuclear, encierra nuestro genoma, nuestro conjunto de genes.

2. CROMOSOMAS, GENES, ADN, ARN y PROTEINAS

2.1. ÁCIDOS NUCLEICOS

Sigamos donde lo habíamos dejado. El genoma se define como el conjunto de genes de una célula, de un organismo. No paramos de oír hablar de genes, pero ¿qué es en realidad un gen? Un gen es una secuencia de ADN (nuestro material genético). El ADN, químicamente hablando, es un ácido nucleico, un tipo de molécula compuesta por la unión de nucleótidos.

¿Demasiados conceptos nuevos?

Veámoslo desde otra perspectiva. Los ácidos nucleicos son moléculas formadas por la unión de nucleótidos, en cadena, uno detrás de otro. Como si de un collar se tratase, y los nucleótidos fuesen las perlas.

Existen dos ácidos nucleicos que debemos conocer y que son esenciales para el funcionamiento de nuestras células. Por un lado, el ADN o DNA (ácido desoxirribonucleico) y por otro, el ARN o RNA (ácido ribonucleico).

Los dos son ácidos nucleicos y por tanto, están formados por nucleótidos, pero por nucleótidos algo diferentes. A los nucleótidos nos lo tenemos que imaginar cómo bolitas, las que forman el collar. Estas bolitas están formadas por 3 partes: una base nitrogenada, un azúcar y un fosfato.

Nucleotido_Para_novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Los nucleótidos son las unidades básicas que forman los ácidos nucleicos como el ADN o el ARN. Un nucleótido está compuesto por 3 partes: un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada unidos entre sí.

Nucleotidos_ADN_ARN_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La diferencia entre los nucleótidos que forman el ADN y el ARN recae en el azúcar. En el caso del ADN, los nucleótidos tienen desoxirribosa, y en el caso de ARN, ribosa. La diferencia entre ambos azucares es tan solo un átomo de hidrógeno.

El ADN está formado por desoxirribonucleótidos y el ARN por ribonucleótidos.

¿Qué diferencia a unos nucleótidos de otros?
El azúcar. En el caso de los dexorribonucleotidos del ADN, el azúcar es una desoxirribosa. En el caso de los ribonucleotidos del ARN, el azúcar es una ribosa.

Y aquí haremos otro PARENTESIS para los más curiosos

El azúcar de los nucleótidos, es el mismo tipo de compuesto que el azúcar que tú consumes con el café. Se denominan glúcidos, carbohidratos o hidratos de carbono. El azúcar que utilizas en la cocina se denomina azúcar de mesa y es la sacarosa.

Azucar_De_Mesa_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La ribosa y la desoxirribosa del ADN y ARN son monosacáridos, es decir, están formados por una sola molécula de azúcar. Por el contrario, la sacarosa o azúcar de mesa es un disacárido. Dicho de otro modo, está formado por la unión de dos monosacáridos, la glucosa y la fructosa.

Ahora que conocemos la diferencia entre ambas clases de nucleótidos, pasemos a los subtipos. Existen 4 tipos diferentes de desoxirribonucleotidos, y la diferencia recae ahora en la base nitrogenada: adenina, guanina, citosina y timina.

De esta forma, el ADN está formado por secuencias de 4 desoxiribonucleótidos: Desoxiadenilato, Desoxiguanilato, Desoxitimidilato y Desoxicitidilato.

Los nucleótidos que forman el ADN son 4, y lo que varían entre ellos es la base nitrogenada (Timina, Citosina, Guanina y Adenina).

En el caso del ARN, ocurre lo mismo. Tenemos 4 tipos de ribonucleotidos, que de nuevo se diferencian en la base nitrogenada: adenina, guanina, citosina y URACILO.

En el caso del ARN los nucleótidos son ribonucleotidos: Adenilato, Guanilato, Citidilato y Uridilato.

Nucleotidos_ARN_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Los nucleótidos del ARN son 4, y lo que varían entre ellos es la base nitrogenada (Uracilo, Citosina, Guanina y Adenina).

Tranquila, tranquilo, es normal que seas incapaz de pronunciar el nombre de los nucleótidos correctamente a la primera, ni siquiera yo lo sé hacer. Pero tengo una buena noticia, como no es práctico hablar con el nombre completo de los nucleótidos nos solemos referir a ellos por la letra inicial de la base nitrogenada: A, G, T y C en el caso del ADN, o A, G, T y U, si nos referimos al ARN. Al final es lo que varía entre ellos, ¿no?

2.2. EL ADN

Centrémonos ahora solo en el ADN. Nuestro ADN además, tiene otra característica: está formado por dos cadenas complementarias de nucleótidos que adquieren la forma de una hélice, la famosa doble hélice del ADN. Imaginemos un fragmento de ADN inventado para visualizarlo mejor:

Gen_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Emparejamiento de los nucleótidos del ADN. Este emparejamiento se realiza en función de las bases nitrogenadas de los nucleótidos, por lo que se suele denominar emparejamiento de bases.

Si nos fijamos con más detalle, el nucleótido A siempre se empareja con el nucleótido T. Y el G con el C. Esta parte sí es fácil recordarla. La regla nemotécnica que nos han enseñado a todos (o casi todos) en las clases de biología para no olvidar estos emparejamientos es: Accidente de Tráfico / Guardia Civil.

Union_Nucleotidos_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia_II — Cuando observamos los emparejamientos de bases nos debemos imaginar dos cadenas de nucleótidos. Mientras que cada cadena enlaza sus nucleótidos a través del fosfato y el azúcar, las dos cadenas se unen entre sí a través de las bases nitrogenadas.

2.3. LOS GENES

Los genes son secuencias específicas de este ADN.

Por ejemplo, nuestro genoma es una secuencia inmensa de genes, de secuencias concretas de ADN, repartidas a lo largo de toda esta secuencia de letras.

Secuencia_Gen_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Representación esquemática de un fragmento inventado de nuestro genoma. Se observan dos genes separados por secuencias de nucleótidos que no contienen genes. Esta últimas se denominan secuencias intergénicas.

Y aquí un detalle curioso. Aunque ya sepas que nuestro ADN es una secuencia doble de nucleótidos, si lo piensas es suficiente representar solo una cadena, ya que automáticamente sabemos cuál es el contenido de la otra. ¿No? Recuerda la regla nemotécnica: Accidente de Tráfico/Guardia Civil y haz la prueba:

C G A T T G G C A T G A A

¿Cuál sería la cadena complementaria de esta secuencia?

El genoma humano (recordemos, nuestro conjunto de genes) está formado por unas 3.200 millones de parejas de estos nucleótidos. Es decir, 3.200 millones de parejas A-T o G-C. Estos 3.200 millones de parejas de nucleótidos forman los 28.000 genes (aproximadamente) de los que consta el organismo humano.

¿Es alucinante verdad? Imagínate cuantos folios necesitaríamos para escribir toda la secuencia de nuestro genoma, todas las letras que lo forman. Según el manual Biotecnología para principiantes, se necesitarían 2000 guías telefónicas de la ciudad de Nueva York (cada una consta de 1000 páginas) ².

Y en número de genes, ¿Cuántos genes tenemos los humanos?

Esta pregunta es sinónimo de debate. Los científicos que estudian esta cuestión todavía no han conseguido ponerse de acuerdo. Pero aproximadamente, y de momento, el número ronda los 20.000 genes. A su vez, cada gen, de media, contiene 30.000 pares de bases ³.

Ahora que comprendemos qué encierra el núcleo de nuestras células, debemos hacer hincapié en varios conceptos, que pueden resultar demasiado obvios, pero que en realidad no lo son tanto.

¿CÓMO ES POSIBLES QUE UNA CÉLULA ALBERGUE TAL CANTIDAD DE ADN?

Nuestras células tienen un tamaño medio de entre 10 y 100 micrómetros ³ . Escojamos una de tamaño medio: 50 micrometros, por ejemplo.

¿A cuánto equivale esto?

A 0,05 milímetros. Es decir al 5% del tamaño de un milímetro. Es imposible que los 3.200 millones de letras ³ quepan ahí. Imposible que una secuencia de nucleótidos tan larga se almacene en el núcleo de una célula de este tamaño. La clave está en el empaquetamiento. La hebra de ADN (la hélice) forma, una especie de ovillos.

Imagina 2 metros de lana estirados. Ahora, imagina los 2 metros de lana en forma de ovillo. ¿Ya no ocupan 2 metros verdad? Esa es la idea. En nuestras células la lana es el ADN y los ovillos los cromosomas. Y precisamente son 2 metros lo que ocupa la secuencia de nucleótidos a tamaño real estirada ⁴. 2 metros que se empaquetan para poder caber en el núcleo de una célula que mide 100.000 veces menos.

Empaquetamiento_DNA_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La secuencia de nucleótidos se va empaquetando en diferentes niveles hasta llegar al máximo empaquetamiento, los cromosomas.

Los humanos tenemos 23 parejas de cromosomas. Por lo que tenemos que imaginar que el genoma, la secuencia de letras, se ha divido en 23 trozos y se han hecho 23 ovillos, 23 cromosomas. Bien. Hemos encontrado la manera de almacenar tanto ADN en un espacio tan reducido como es una célula.

¿Todos los cromosomas contienen la misma cantidad de ADN empaquetado?

No. El cromosoma más pequeño es el Y que contiene 50 millones de pares de bases.

¿El más grande? El cromosoma 1, con 250 millones de pares de bases ².

Pero esto no es todo. Nuestras células tienen el genoma por duplicado. Cada uno de los 23 fragmentos, cada uno de los cromosomas, está por duplicado. De forma que, al final, tenemos 46 cromosomas, 23 parejas, una de ellas es la pareja de cromosomas sexuales (XX para mujeres, y XY para hombres).

¿De dónde vienen estas dos copias? Pasemos al siguiente punto para entenderlo.

Imagen real de un cariotipo. El cariotipo es el conjunto de cromosomas de un organismo.

TODAS LAS CÉLULAS DE NUESTRO CUERPO TIENEN EL MISMO GENOMA.

El genoma de un organismo proviene de la fusión de los genes del óvulo de nuestra madre y del espermatozoide de nuestro padre.

Nuestras células tienen dos copias de cada uno de los genes que poseemos, digamos que tenemos los genes por duplicado. Una copia de los genes proviene de nuestra madre y otra de nuestro padre. Y esto es posible ya que óvulos y espermatozoides (nuestras células sexuales) son algo especiales porque solo tienen una copia de cada gen, su genoma es la mitad.

Así, las células sexuales son haploides, es decir solo tienen 1 juego de cromosomas. El resto de células, las somáticas, son diploides, tienen dos juegos de cromosomas. De esta forma, el zigoto, la célula resultante de su fusión en el proceso de fecundación, adquiere las dos copias, el genoma completo. ¿Entendido?

Ahora podemos comprender mejor lo de las parejas de cromosomas. La pareja de cromosomas 1 está formada por dos cromosomas 1. Uno de los cromosomas de cada pareja es aportado por el padre, y otro por la madre. En esos cromosomas 1 se recogen unos genes específicos en una posición concreta. Es decir, la secuencia de los genes es la misma en ambos: primero el gen 1, luego el 2, luego el 3…

Por ello, en la misma posición (llamada locus) de ambos cromosomas 1 encontramos las dos versiones de un mismo gen (alelos) que tiene un organismo, la de su padre y la de su madre. Esto no quiere decir que aunque los genes sean los mismos y estén colocados igual en ambos cromosomas, la secuencia sea idéntica, de ahí el termino alelo para referirse a las versiones de un mismo gen que hacen que cada persona sea diferente a la de al lado. Todas tenemos ojos, pero todos los ojos son diferentes. ¿Sí?

Una vez fusionados ambos genomas, el del óvulo y el del espermatozoide, se obtiene la primera célula del futuro organismo: el zigoto. Esta única célula comenzará a duplicar todo su genoma (los 46 cromosomas pasan a ser 92) para dividirse literalmente en 2 y poder repartir una copia del genoma a las 2 células “hijas”. Estas células hijas tendrán de nuevo los 46 cromosomas. Esto se repite sucesivamente hasta que tenemos el organismo completo.

Es decir, todas las células de nuestro cuerpo provienen de una sola, el zigoto. Por este motivo, todas nuestras células tienen el mismo genoma. Todas.

Zigoto_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La fusión de óvulo y espermatozoide genera el zigoto. El zigoto se multiplicará en dos células, estas dos células en 4, así hasta obtener el organismo completo. En cada multiplicación el genoma se duplica para que las dos células resultantes adquieran todo el contenido genético.

*Y aquí me siento en la obligación de aclarar un asunto con otro PARENTESIS.

En los esquemas de los cromosomas que solemos encontrar estos se suelen representar como una X. En realidad, en las células nuestros cromosomas no tienen forma de X, son en realidad “palotes”. Tenemos parejas de palotes, tal y como hemos visto en la imagen del cariotipo.

¿Qué ocurre?

Que en el momento de copiar todos los cromosomas, cada palote se duplica y queda “enganchado” por el centro, generando, ahora sí, la forma de cruz que identificamos como cromosoma.

Cuando la división de esa célula avanza el cromosoma en forma de X se separa en sus dos palotes para que cada uno recaiga en una de células hijas. Esta tendrá, de nuevo, 23 parejas de palotes. Sigamos.

Forma_Cromosomas_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — En la división celular, los cromosomas, que tiene forma alargada y no de cruz, deben copiarse. En ese momento, es cuando se generan los cromosomas que todos conocíamos: los que tiene forma de X. Conforme avanza el proceso de división cada una de las cromátidas (palotes de la X) se separa para recaer en cada una de las células hijas. Estas de nuevo tendrán 23 parejas de cromosomas alargados.

¿POR QUÉ TENEMOS CÉLULAS TAN DIFERENTES SI TODAS TIENEN EL MISMO GENOMA?

Una neurona y una célula de la piel se parecen muy poco, ¿verdad? La respuesta a esta cuestión es simple: todas las células tienen los mismos genes (proceden de una misma célula, el zigoto) pero no todas las células los expresan todos. Veremos lo que significa expresar genes un poco más adelante.

Y aquí llega la parte verdaderamente importante de todo este repaso acelerado de biología: los genes albergan las instrucciones para construirnos como organismo y para después, poder funcionar como tal. Los genes dictan minucias como el color de nuestros ojos, de nuestro pelo, o nuestra estatura. Pero también se encargan de que nuestro hígado detoxifique perfectamente, de que nuestro sistema inmune sea capaz de luchar contra las amenazas o de que tus glóbulos rojos sean capaces de transportar oxígeno. De todo. Sin el ADN, una célula ni sabe, ni puede funcionar.

Y te preguntarás, ¿cómo es posible que una secuencia de nucleótidos, de letras, consiga que nuestros glóbulos rojos transporten oxígeno de forma correcta? El ADN contiene las instrucciones sí, pero no es él quien realiza las tareas. Son las proteínas. Proteínas que se producen a partir de lo que dictan las instrucciones de nuestro ADN. Veamos cómo ocurre todo este proceso.

2.4. TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN

Ya sabemos que el ADN es una secuencia doble de moléculas, de 4 moléculas parecidas, pero diferentes, los nucleótidos.

Ahora te pido que imagines que estos nucleótidos son perlas. Perlas de cuatro colores diferentes. Pues los genes son como collares de perlas, en los que se alternan perlas (nucleótidos) de diferentes colores (A, G, C y T), con diferentes secuencias. En función de la secuencia tendremos un gen u otro. Recordemos la regla nemotécnica: Accidente de Tráfico, Guardia Civil) y pongamos un ejemplo. G à C, C à G y T à A, A à T

Esto es nuestro genoma. El conjunto de muchos genes. Genes que no dejan de ser collares de perlas (dobles, son dos cadenas complementarias). Secuencias diferentes de perlas de colores. Pero ahora te plantearás.

¿Cómo es posible que una secuencia de nucleótidos (de perlas) dicte las funciones de una célula, y en último término de un individuo entero?

El ADN se transforma en ARN. El ARN, como ya hemos mencionado anteriormente es otro tipo de ácido nucleído. Es, al igual que el ADN, una secuencia de nucleótidos, pero en este caso con 4 nucleótidos diferentes, los ribonucleotidos: A, G, C y U.

Volvamos a la metáfora del collar. En este caso, en el ARN, los nucleótidos son diferentes a los del ADN, digamos que ahora son cuentas, esas bolitas pequeñitas que utilizábamos para hacer pulseras y collares. Estamos hablando entonces de un collar de cuentas (y simple, no doble como el ADN).

Y aquí viene un detalle importante: La T del ADN equivale a la U en el ARN, por lo que la A se combinará con la U. En la regla nemotécnica tendríamos Accidente Urgente, en lugar de Accidente de Trafico.

G – C, C – G, T – A y A – U

Transcripcion_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La transcripción es el proceso por el que el ADN se transforma en ARN. Un nucleótido del ADN se copia en su nucleótido de ARN correspondiente. Así, se obtiene la misma secuencia pero en otro dialecto.

El proceso que transforma el ADN, en ARN (un collar de perlas en uno de cuentas) se denomina transcripción y es realizado por la proteína ARN polimerasa. Esta transforma cada perla en una cuenta, siguiendo la regla nemotécnica. Este ARN actúa como el mensajero del ADN. El ADN está en el núcleo de la célula y allí se transcribe a ARN. Este ARN sale del núcleo (es un mensajero, como los de Amazon) y pasa al citoplasma de la célula llevando el mensaje que dictan los genes.

Pero esto no se queda aquí, el ARN es igual de poco útil para dictar las órdenes en una célula, al final sigue siendo otra secuencia de nucleótidos. Se requiere un tercer componente, las proteínas. Las proteínas vuelven a ser una secuencia de cosas. En este caso ya no son nucleótidos, sino aminoácidos, pongamos que macarrones.

El proceso que transforma las cuentas en macarrones se denomina traducción y consiste en sustituir 3 cuentas del RNA, por un macarrón. En este caso ya no solo tenemos 4 tipos de macarrones, no, ahora hablamos de 20. Son 20 los aminoácidos que forman nuestras proteínas. Cada combinación de 3 cuentas (nucleótidos), denominada codón o triplete, dará lugar a un macarrón concreto (aminoácido), e incluso distintas combinaciones de cuentas (nucleótidos) puede generar el mismo macarrón (aminoácido).

Adicionalmente

Tenemos codones en la secuencia génica que marcan el inicio y el final de dicho gen.

En el momento de la traducción el codón de STOP en vez de traducirse a un aminoácido significará el fin de la secuencia de aminoácidos y por tanto del gen y de la proteína.

El codón de inicio, a su vez, indicará el comienzo de un gen en la gigantesca secuencia de nucleótidos de nuestro ADN.

Traduccion_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La traducción es el proceso por el que el ARN se transforma en proteína. Tres nucleótidos del ARN se traducen en su aminoácido correspondiente. Así, se obtiene la misma secuencia pero, ahora, en otro idioma, el de las proteínas.

Cadena_Codificante_Cadena_Molde_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La cadena codificante es el molde que se transcribe a ARN.

Otro aspecto a tener en cuenta

Hay un aspecto que quiero aclarar para que no surjan dudas futuras. Solo una de las dos cadenas de ADN se transcribe a ARN. Esta hebra se llama cadena molde. La otra cadena se denomina cadena codificante.

Si lo piensas un poco, al crear un ARN a partir de la cadena molde de ADN, estamos obteniendo una secuencia idéntica a la cadena codificante excepto por la letra U ¿Verdad?

Coge un papel y compruébalo tú mism@.

Cadena molde: C G A T T G G C A T G A A

Cadena complementaria: G C T A A C C G T A C T T

¿Cuál sería la cadena de RNA transcrita a partir de la cadena molde de ADN?

Por ello, podemos predecir qué aminoácido tendremos con un determinado codón sea a partir del RNA mensajero o a partir de la cadena codificante del DNA.

Pero claro, ¿Cómo sabemos a qué aminoácido corresponde cada codón?

Muy sencillo, utilizando unos esquemas ya establecidos. Si miramos esquemas de DNA a proteína: ATG en la cadena codificante es el aminoácido X, y si miramos de RNA a proteína: AUG es el mismo aminoácido X. Por eso podrás encontrarte ambos tipos de esquemas.

Equivalencia_Codones_ADN_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Equivalencia de codones de la cadena codificante de ADN a aminoácidos.

Equivalencia_Codones_ARN_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Equivalencia de codones de ARN a aminoácidos.

Recapitulemos

El ADN se transcribe a ARN en el núcleo. Este ARN sale al citoplasma y viaja hasta unos orgánulos de la célula llamados ribosomas. Allí es traducido a proteínas.

Ya en el citoplasma, la proteína actúa como el efector de la función que marcaba su gen.

Si el gen tenía función de proliferación, la proteína que se obtendrá a partir de esa secuencia realizará funciones de proliferación.

Si por el contrario, el gen dictaba la función de muerte celular, la proteína correspondiente inducirá la muerte de la célula.

Plegamiento_Proteinas_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — El ADN se transcribe a ARN en el núcleo. Este ARN mensajero sale hacia el citoplasma y viaja hasta los ribosomas, orgánulos que transforman cada 3 nucleótidos del ARN (codones) en un aminoácido. Este proceso se denomina traducción y lo que se obtiene es una proteína formada por una secuencia de aminoácidos. Esta secuencia se pliega (se compacta) para obtener la proteína funcional que desempeñará la función que dictaba su gen.

Estos dos procesos que permiten transformar el ADN en proteínas ocurren en todas nuestras células, y con todos nuestros genes. Las proteínas, ahora sí, son capaces de realizar la función que dictaba ese gen, esa secuencia de ADN.

Neurona_Globulo_Rojo_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Esquema de una neurona y un glóbulo rojo. Ambas células en un mismo organismo poseen los mismos genes, sin embargo, no todos son expresados. Los genes que se expresen proporcionarán las características y funciones específicas a cada tipo celular.

Y aquí debemos volver a un asunto que habíamos dejado pendiente: todas las células de nuestro cuerpo tienen el mismo genoma de partida, es decir los mismos genes. Hemos dicho que proceden de una sola célula, del zigoto.

Entonces, ¿por qué un glóbulo rojo y una neurona son tan diferentes teniendo los mismos genes, las mismas instrucciones?

Porque no todos los genes se transcriben y traducen en todas nuestras células. En función de los genes activos, las proteínas producidas serán diferentes, y por tanto, el aspecto y las funciones de cada célula variarán.

*Hagamos un PARENTESIS más.

Utilizamos el término expresar para referirnos a la transformación de ADN en proteína: El gen X se expresa en esta célula.

Y el término codificar para nombrar la proteína que produce cada gen: el gen X codifica para la proteína X.

2.5. LAS PROTEÍNAS

¡Sigamos! (Ya queda poco)

¿Cómo nos debemos imaginar una proteína?

Pues pasa un poco lo mismo que con el ADN, es una secuencia de muchos aminoácidos que se pliega sobre ella misma para generar moléculas más compactas. Estas moléculas, las proteínas, tendrán diversas formas y realizarán diferentes funciones. En función de la secuencia de macarrones (aminoácidos), tendremos una proteína específica con una función diferente.

Y recordemos, la secuencia de aminoácidos está marcada por la secuencia de nuestro ADN. El gen de la hemoglobina, una secuencia concreta de nucleótidos, acabará convertido o codificará, para la proteína hemoglobina (una secuencia especifica de aminoácidos). Esta proteína se encargará de transportar el oxígeno utilizando nuestros glóbulos rojos. Así de simple.

*Sí, otro PARENTESIS.

Todos los humanos tenemos los mismos genes distribuidos de la misma forma en nuestros cromosomas.

¿Qué nos hace diferentes entonces?

La secuencia especifica. Aunque mayoritariamente la secuencia de un gen concreto, por ejemplo la hemoglobina, es la misma en todos los humanos, pueden existir pequeñas variaciones de letras (lo que denominábamos alelos, o versiones de un mismo gen). De esta forma, aunque la secuencia es ligeramente diferente, la proteína que se produce es la misma, la hemoglobina, pero puede presentar pequeñas modificaciones: en su aspecto, en su manera de funcionar.

Por ejemplo, la beta-talasemia, es una enfermedad genética, es decir, está la causa de la enfermedad está en los propios genes, en concreto, es una variación en el gen de la hemoglobina lo que la produce. Las personas que tienen esta variación en su gen hemoglobina producen una proteína hemoglobina menos efectiva para transportar oxígeno, y por tanto presentan este tipo de anemia. (Es una simplificación de la enfermedad y la propia proteína).

Físicamente o a nivel visible, ocurre igual: dado que los humanos somos un conjunto de más de 25.000 genes, la combinación de variantes de cada gen en cada persona es lo que nos hace iguales pero distintos. Recordemos lo dicho: todos tenemos ojos pero no existen ningunos totalmente idénticos.

Hablemos de ENZIMAS

En este punto tampoco podemos obviar un tipo de proteínas fundamental, y que aparecerá en repetidas ocasiones a lo largo de la web: las enzimas. Las enzimas son proteínas cuya función es garantizar que un reacción química ocurra, ya sea acelerando el proceso, poniendo en contacto a los componentes que participan en esa reacción…

¿Un ejemplo? La proteína enzimática o enzima que nos permite degradar la lactosa es la lactasa. La lactasa rompe la lactosa y permite que nuestro intestino la absorba y la dirigida a las células como un nutriente más. ¿Las personas que carecen de esta enzima? Son los intolerantes a la lactosa, simplemente porque no son capaces de degradar esta lactosa.

¿Otro ejemplo? La RNA polimerasa, la enzima, que como ya hemos comentado transforma el ADN en ARN.

3. DIVISIÓN CELULAR, MUTACIONES Y CÁNCER

3.1. LA DIVISIÓN CELULAR

Ahora que ya comprendemos porqué el ADN es el material más preciado de un organismo, pasemos a otro aspecto clave para comprender todo este mundillo. Gracias a los genes, las células de nuestro cuerpo, entre otros muchos aspectos, saben cuándo se deben dividir.

¿Por ejemplo? Cuando las células de una determinada zona están dañadas y necesitan ser remplazadas. En ese caso, las células más jóvenes copiarán su ADN, un proceso que realiza la enzima ADN polimerasa. Así las dos copias de ADN que se obtienen tras la acción de la ADN polimerasa se repartirán en las dos células hijas que a partir de la original se formarán. Este proceso se denomina mitosis.

Mitosis_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La mitosis es el proceso por el que una célula copia su ADN y lo reparte de forma equitativa entre las dos células “hijas” que genera.

¿El caso contrario?

La muerte. La célula también sabe cuándo debe morir. Hay proteínas que detectan que la célula es demasiado vieja y ya no es útil para el conjunto del organismo. En este caso, otras proteínas (codificadas en nuestro genoma) se encargan de auto-matar a la célula (el proceso se denomina apoptosis).

¿Otro ejemplo? Cuando se detectan mutaciones irreparables en el ADN que pueden suponer un peligro si las células hijas las heredan.

¿Qué sentido tiene heredar un genoma defectuoso teniendo otras tantas células en buen estado que se pueden multiplicar? Ninguno. Pues bien, también existen proteínas que detectan los errores, y pueden activar a otras proteínas, las pro-apoptóticas.

3.2. LAS MUTACIONES

Alto ahí, ¿mutación? Una mutación es un cambio permanente en la secuencia de los genes de una célula.

¿Por ejemplo? Un cambio de nucleótido por otro. Así de simple. Como ya hemos visto, la secuencia de cuentas (ARN) depende de la secuencia de perlas (ADN), y si esta se altera, la cuenta original cambiará.

¿Consecuentemente? La secuencia de macarrones (aminoácidos) de la proteína también puede ser diferente, y podrá realizar la función que le toca de manera distinta o presentar un aspecto diferente.

Mutaciones_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Representación esquemática de lo que sucede cuando un nucleótido de ADN diferente remplaza al original. Este tipo de mutación tan simple puede hacer variar la estructura y función de la proteína final.

Pero... ¿qué puede causar una mutación?

Pues es bastante más fácil de lo que parece. La propia célula, cuando copia su genoma para dividirse y repartir una copia a cada célula hija puede cometer errores colocando nucleótidos. Entonces puedes desarrollar una enfermedad genética. Así de sencillo es que se produzca una mutación.

La mutación también puede ser congénita, es decir, se posea desde el nacimiento. Dicho de otro modo, uno de tus padres (o ambos) te ha transferido la mutación y todas tus células la poseen, entonces tienes una enfermad hereditaria (todas las enfermedades hereditarias son genéticas, pero no todas las genéticas son heredadas).

¿Un ejemplo mejor? El gen de la hemoglobina que codifica para la proteína hemoglobina. La hemoglobina de manera normal tiene la función de transportar oxígeno en los glóbulos rojos. La proteína de la hemoglobina mutada puede ser incapaz de realizar el transporte de oxígeno, realizar el transporte con menos eficiencia, o realizarlo de forma incorrecta… O lo que es peor, puede que ese cambio de perla silencie el gen, es decir, altere la secuencia tanto que no pueda ser transformada ni a ARN, ni a proteína.

Recuerda que hay unos tripletes de nucleótidos que indican que la proteína se acaba allí, los llamamos codones de STOP. Si un cambio de nucleótido hace que aparezca un codón de stop, la proteína puede parar de producirse en ese punto sin ser realmente ese su final. En el caso de mutaciones en el gen de la hemoglobina, la consecuencia puede ser la aparición de algún tipo de anemia.

Hemoglobina_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — La hemoglobina de manera normal transporta 4 moléculas de oxigeno (8 átomos), en el caso de estar mutada, podría, por ejemplo y de forma inventada, pasar a transportar dos en vez de 4 y ser menos eficiente.

¿Más fuentes de mutación?

Las externas, los denominados mutágenos externos, que pueden ser químicos, físicos o biológicos. La propia radiación UV (mutágeno físico) del sol tiene la capacidad de dañar tu DNA causando distintos tipos de mutaciones. O el famoso gas mostaza utilizado en la segunda guerra mundial (mutágenos químico).

Entendemos ahora lo simple que es padecer una enfermedad genética verdad?

Ojo, enfermedad genética, una enfermedad cuyo origen está en la secuencia de nucleótidos Un solo cambio en la secuencia de 3.200 millones de parejas de nucleótidos puede ser suficiente para padecer una enfermedad.

¿Sabes cuántas enfermedades conocemos que están causadas por mutaciones en un solo gen?

Entre 5000 y 8000 enfermedades ⁶. Y esto no es todo, este tipo de mutación, el cambio de un nucleótido por otro, es muy simple. En otros casos, puede incluso desaparecer un fragmento más grande, adicionarse una o más letras o incluso intercambiarse partes de cromosomas completas (en un cromosoma se condensan mucho genes, recordemos). Imagínate el desastre.

Pero tranquila, tranquilo, sufrir una enfermad genética no es fácil porque nuestras células son extremadamente inteligentes y cuentan con sistemas de reparación del ADN. Son conjuntos de proteínas (codificadas por genes en nuestro genoma, sí), que se encargan de detectar los propios errores que aparecen el ADN y tratar de corregirlos.

¿Y por qué os estoy hablando de todo esto?

Porque si el sistema de reparación falla, si las proteínas reparadoras son incapaces de volver a transformar el nucleótido cambiado por el original, la célula entra en crisis. La presencia de una mutación en el genoma puede alterar la función de una proteína. Y si esa célula se multiplica, es decir, genera 2 células “hijas”, las dos células resultantes adquirirán esa mutación y producirán esa proteína alterada. Y eso no nos interesa, no es útil que los fallos se transfieran entre generaciones celulares.

Por ello, como hemos adelantado, la célula también tiene otros genes que producen proteínas capaces de ejecutar su propia muerte si comprueban que el error no se ha corregido.

¿Qué pasaría si la mutación en vez de caer en el gen de la hemoglobina recae en un gen de reparación de errores de ADN? Que la célula no podría reparar esos cambios en su ADN, pero le seguiría quedando el sistema de auto-muerte.

¿Qué ocurriría si el error recae en el gen que dicta que la célula se multiplique porque hay una lesión y se requieren células nuevas? ¿Y si este error hace que se produzcan más proteínas de este tipo? Nada, porque tendríamos a los sistemas de reparación funcionando y en ultimo termino a los sistemas de auto-muerte.

¿Qué ocurre si tenemos mutados los sistemas de reparación del ADN y los sistemas auto-muerte? ¿Y si muta además una proteína encargada de activar la multiplicación celular? Que dicha célula se multiplicará más de lo necesario, porque el gen que lo induce esté mutado y no hay ni sistemas de reparación, ni proteínas auto-muerte para solucionarlo.

Proteinas_Mutadas_Para_Novatos_Maria_Iranzo_Biotec_Biotecnologia — Imagina el gen Q. Este gen codifica para la proteína Q, cuya misión es detener la división de una célula cuando no es estrictamente necesario. ¿Qué ocurre si la mutación cambia un nucleótido y aparece un codón de STOP antes de tiempo? Que la proteína Q ya no tiene su estructura normal y por tanto ya no va a poder frenar la división. ¿El resultado? Más división celular de la requerida.

3.3. EL CÁNCER

Y aquí amiga, amigo, empieza el cáncer, una de las enfermedades que más desarrollamos en la web. ¿Cuándo llega el cáncer? Cuando se acumulan mutaciones en los genes de reparación, en los genes de proliferación, en los genes de auto-muerte. El cáncer aparece cuando la célula sigue proliferando, independientemente de que sea vieja, de que tenga errores en su ADN… La célula tiene numerosos genes de control alterados, tiene las instrucciones equivocadas y en consecuencia se multiplica descontroladamente. El resultado es que se genera una acumulación de células, una masa, un tumor. Esto es el cáncer.

En el caso de los mutágenos, si inducen específicamente cáncer, pasamos a llamarlos carcinógenos. Si la acumulación de mutaciones se produce en una célula epitelial de nuestra cara el tumor será un melanoma. Por el contrario, si los errores se acumulan en una célula del hígado, tendremos un tumor hepático.

¡Y esto amig@s es todo! Ahora que comprendes qué son y cómo funcionan nuestras células, qué son los genes y el genoma, cómo se produce la transcripción y la traducción, qué son las proteínas y lo que son las mutaciones y las enfermedades genéticas y hereditarias, ¡estás listo para descubrir el resto del contenido de la web!

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BIBLIOGRAFIA

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Renneberg R, Centelles Serra JJ, Ferrer Peralta M. Biotecnología Para Principiantes. Reverté; 2008.
Geoffrey M. Cooper, Hausman RE. La Célula.; 2014. https://books.google.es/books/about/La_célula.html?hl=es&id=1vJUMwEACAAJ&redir_esc=y. Accessed May 14, 2020.
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