ADN, ARN y flujo de la información genética

Introducción

Todas las células guardan sus instrucciones en una molécula, el ADN. Un fragmento de ADN que lleva la información para fabricar una proteína (o un ARN) es un gen. Para que la información sirva, la célula tiene que copiarla (replicación), leerla (transcripción) y convertirla en proteínas (traducción): es el flujo de la información genética.

Aprenderás cómo son el ADN y el ARN, cómo se copian y se traducen, qué es una mutación y cómo resolver los problemas típicos de examen, con cinco ejercicios resueltos. Las proteínas que resultan se describen en ¿Qué sabemos de las biomoléculas?.

1. Estructura de los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. Cada nucleótido tiene un azúcar (desoxirribosa en el ADN, ribosa en el ARN), un grupo fosfato y una base nitrogenada.

En la doble hélice las dos cadenas son antiparalelas y complementarias: la adenina se une a la timina con dos puentes de hidrógeno ($\text{A}=\text{T}$) y la guanina a la citosina con tres ($\text{G}\equiv\text{C}$). Esto implica la regla de Chargaff: en el ADN, $\%A = \%T$ y $\%G = \%C$.

2. Replicación: copiar el ADN

Antes de dividirse, la célula duplica su ADN. La replicación es semiconservativa: cada molécula hija conserva una cadena de la molécula original y tiene otra nueva. La ADN polimerasa añade nucleótidos siguiendo la complementariedad de bases, y lo hace en la dirección 5'→3'.

3. Transcripción y traducción

Dogma central de la biología molecular.

• Transcripción: la ARN polimerasa copia un gen del ADN a una molécula de ARN mensajero (ARNm), usando una de las dos cadenas como molde. En el ARN, la timina se sustituye por uracilo.
• Traducción: el ribosoma lee el ARNm de tres en tres bases (codones) y une los aminoácidos que indica cada codón, que los lleva el ARN de transferencia (ARNt).

El código genético es el diccionario que relaciona codones y aminoácidos. Tiene 64 codones: 61 codifican aminoácidos y 3 (UAA, UAG, UGA) son señales de parada. Se dice que es:

• Universal: casi igual en todos los seres vivos.
• Degenerado: varios codones codifican el mismo aminoácido (hay 61 codones para 20 aminoácidos).
• No solapado y sin «comas»: se lee de tres en tres, sin saltarse bases.

El codón de inicio es el AUG, que codifica metionina.

4. Mutaciones

Una mutación es un cambio en la secuencia del ADN. Según su efecto puede ser:

• Silenciosa: cambia un codón por otro que codifica el mismo aminoácido (no afecta a la proteína).
• De sentido erróneo: cambia un aminoácido por otro.
• Sin sentido: aparece un codón de parada antes de tiempo y la proteína queda truncada.
• Con desplazamiento del marco de lectura: la inserción o deleción de bases (que no sean múltiplo de 3) cambia todos los codones siguientes.

5. Problemas resueltos

Problema 1: regla de Chargaff

En una molécula de ADN, el 30 % de las bases son adenina. ¿Qué porcentaje hay de las otras tres bases? Si la molécula tiene 1000 pares de bases y el 20 % de sus bases son timina, ¿cuántas de cada base hay?

$\%A = \%T = 30\,\% \quad\Rightarrow\quad \%G + \%C = 100 - 60 = 40\,\% \quad\Rightarrow\quad \%G = \%C = 20\,\%$

Con 1000 pares hay 2000 bases. Si el 20 % son timina: $T = 0{,}20 \cdot 2000 = 400$, y por tanto $A = 400$. Entre G y C quedan $2000 - 800 = 1200$, así que $G = C = 600$.

Problema 2: de ADN a proteína

La cadena codificante de un gen es 5'-ATGGCCAAAGTTCGATAA-3'. Escribe la cadena molde, el ARNm y la secuencia de aminoácidos.

La cadena molde es la complementaria (antiparalela): 3'-TACCGGTTTCAAGCTATT-5'. El ARNm tiene la secuencia de la cadena codificante con U en lugar de T:

$\text{ARNm: } 5'\text{-AUG GCC AAA GUU CGA UAA-}3'$

Dividimos en codones y consultamos el código genético: AUG = Met, GCC = Ala, AAA = Lys, GUU = Val, CGA = Arg, UAA = parada.

$\text{Met} - \text{Ala} - \text{Lys} - \text{Val} - \text{Arg}$

Problema 3: efecto de las mutaciones

En el gen anterior, el codón 3 es AAA (Lys). ¿Qué ocurre si cambia a AAG, a GAA o a UAA?

• AAG: también codifica Lys: mutación silenciosa, la proteína no cambia.
• GAA: codifica Glu: mutación de sentido erróneo; la proteína queda Met-Ala-Glu-Val-Arg.
• UAA: parada: mutación sin sentido; la proteína queda truncada en Met-Ala.

Si se insertara una base G tras la segunda tripleta, se desplazaría todo el marco de lectura y los aminoácidos siguientes serían distintos: es una mutación con desplazamiento del marco de lectura, normalmente muy grave.

Problema 4: tamaño de un gen

Una proteína tiene 300 aminoácidos. ¿Cuántos nucleótidos tiene como mínimo la región codificante de su ARNm?

$300 \cdot 3 = 900\ \text{nucleótidos} \quad (+3\ \text{más del codón de parada} = 903)$

En la práctica el ARNm es más largo, porque tiene regiones antes y después de la zona codificante.

Problema 5: replicación semiconservativa

Una molécula de ADN con las dos cadenas marcadas con $^{15}$N (pesado) se deja replicar tres veces en un medio con $^{14}$N (ligero). ¿Cuántas moléculas hay al final y cuántas tienen $^{15}$N?

Cada replicación duplica el número de moléculas: $2^3 = 8$. Como la replicación es semiconservativa, las dos cadenas $^{15}$N originales nunca se rompen ni se destruyen: van a parar a dos moléculas distintas, cada una con una cadena pesada y otra ligera (híbridas). Las otras 6 moléculas son completamente ligeras ($^{14}$N/$^{14}$N).

6. Errores frecuentes

• ⚠️ Escribir T en el ARN. En el ARN la timina se sustituye por uracilo (U)
• ⚠️ Confundir cadena molde y cadena codificante. El ARNm es igual a la codificante (con U) y complementario del molde
• ⚠️ Pensar que cada aminoácido tiene un único codón. El código es degenerado: la mayoría tiene varios
• ⚠️ Contar mal las tripletas de un gen. Hay que empezar en el codón de inicio AUG y leer de tres en tres, sin saltarse bases
• ⚠️ Creer que toda mutación es perjudicial. Muchas son silenciosas o neutras; otras pueden ser beneficiosas y son la base de la evolución

7. 📌 En 30 segundos

1. El ADN (doble hélice, A–T y G–C) guarda la información; el ARN (una cadena, con U) la expresa.
2. Replicación semiconservativa: cada molécula hija tiene una cadena antigua y otra nueva.
3. Transcripción: ADN → ARNm (núcleo). Traducción: ARNm → proteína (ribosoma), de tres en tres bases.
4. Código genético: 64 codones; AUG = inicio; UAA, UAG y UGA = parada; es universal y degenerado.
5. Mutaciones: silenciosas, de sentido erróneo, sin sentido y de cambio de marco de lectura.

Para seguir estudiando

• El ciclo celular: mitosis y meiosis
• Genética mendeliana: leyes de Mendel y problemas resueltos
• ¿Qué sabemos de las biomoléculas?