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Base molecular de la herencia

El ADN es el material genético de casi todos los seres vivos (algunos virus usan ARN). Es una doble hélice: dos cadenas antiparalelas de nucleótidos; la A se une a la T con 2 puentes de hidrógeno y la G a la C con 3. El ADN largo se enrolla en histonas formando nucleosomas y luego cromatina. El ADN se copia de forma semiconservativa (Meselson y Stahl). El dogma central dice que ADN → ARN → proteína. En la transcripción se fabrica ARN a partir de una sola cadena; en eucariotas el ARNhn recibe caperuza y cola y se le quitan los intrones (splicing). El código genético es de tripletes, tiene 64 codones (61 para aminoácidos y 3 de parada), empieza con AUG, es casi universal y degenerado. Los ribosomas traducen el ARNm a proteína con ayuda de los ARNt. Los genes se encienden y se apagan; el operón lac es el ejemplo clásico. Los Proyectos Genoma Humano y del Arroz leyeron genomas completos, y la huella genética usa ADN repetido (VNTR) para identificar personas.

🎬 Historia paso a paso

  1. El ADN es una escalera retorcida. Los lados son de azúcar y fosfato; los peldaños son pares de bases. La A siempre se une a la T y la G siempre a la C. Las cadenas van en sentidos opuestos: 5′→3′ y 3′→5′.
  2. El ADN humano de una célula mide unos 2,2 m. Se enrolla en bolitas de histonas y forma nucleosomas ("perlas en un collar"); luego se enrolla más y forma la cromatina y los cromosomas.
  3. Replicación: la escalera se abre como una cremallera. Cada cadena vieja sirve de molde para una nueva pareja. Cada ADN hijo tiene 1 cadena vieja + 1 nueva: es semiconservativa.
  4. Transcripción: solo una cadena (la molde) se copia en ARNm. El ARN usa U en lugar de T, así que una A del ADN da una U en el ARN.
  5. Traducción: el ribosoma lee el ARNm de tres en tres letras. Cada codón trae un aminoácido. AUG empieza; UAA, UAG y UGA paran.
  6. Juego libre: elige una secuencia de ADN y una vista. Predice la cadena pareja, el ARNm y los aminoácidos, y luego comprueba el resultado.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Por qué la A solo se une a la T y no a la C?

La A (una purina) y la T (una pirimidina) encajan con el mismo ancho y forman 2 puentes de hidrógeno. A–C no encajaría en el patrón de puentes de H. Fíjate en los colores que coinciden en el paso 0.

¿Cómo caben 2 m de ADN en un núcleo diminuto?

Se enrolla en bolitas de histonas (nucleosomas) y luego se vuelve a enrollar una y otra vez. El paso 1 muestra la escalera encogiéndose sobre las bolitas.

¿Por qué se llama semiconservativa a la replicación?

Cada ADN nuevo conserva una cadena vieja (oscura) y recibe una cadena nueva (clara). Nada es totalmente viejo ni totalmente nuevo.

Si las dos cadenas tienen información, ¿por qué se copia solo una en la transcripción?

Si se copiaran las dos, los dos ARN se emparejarían entre sí y formarían ARN de doble cadena, y de un gen saldrían dos proteínas distintas. Por eso una cadena es el molde.

¿Por qué el código se lee de tres en tres?

Con 4 bases, las parejas dan solo 16 combinaciones, muy pocas para 20 aminoácidos. Los tripletes dan 64. El paso 4 agrupa el ARNm de tres en tres.

¿Cómo puedo hallar rápido el ARNm a partir de la cadena codificante?

Solo copia la cadena codificante y cambia cada T por U. Pruébalo en el juego libre y compáralo con el resultado que aparece.

El ADN como material genético

Griffith (1928), transformación: bacterias Streptococcus pneumoniae inofensivas de tipo R vivas + bacterias mortales de tipo S muertas por calor → los ratones murieron y se encontraron bacterias S vivas. Algo de las células S muertas "transformó" las R en S.

Avery, MacLeod y McCarty (1944): destruyeron una a una las partes del extracto S. Las enzimas que digieren proteínas (proteasas) y la ARNasa no frenaron la transformación; la ADNasa sí. Así que lo que transformaba era el ADN.

Hershey y Chase (1952): cultivaron bacteriófagos con ³²P radiactivo (va al ADN) o con ³⁵S (va a la proteína). Tras la infección y el batido en una licuadora, las bacterias tenían ³²P pero no ³⁵S. Por tanto, el ADN, y no la proteína, entra en la célula y lleva las instrucciones.

¿Qué hace bueno a un material genético?

El ARN es menos estable (su 2′-OH lo vuelve reactivo), así que el ADN sirve mejor para guardar información y el ARN para trabajos rápidos. Probablemente el ARN fue el primer material genético (mundo de ARN).

Estructura del ADN y del ARN

Un nucleótido = base nitrogenada + azúcar pentosa + fosfato. Base + azúcar = nucleósido. Purinas: adenina (A) y guanina (G). Pirimidinas: citosina (C), timina (T, solo en el ADN) y uracilo (U, solo en el ARN). El azúcar del ADN es la desoxirribosa; el del ARN es la ribosa.

Los nucleótidos se unen con enlaces fosfodiéster 3′–5′. Watson y Crick (1953), usando las imágenes de rayos X de Rosalind Franklin y Wilkins, propusieron la doble hélice:

El ARN suele ser de una sola cadena. Tipos: ARNm (mensajero), ARNt (adaptador) y ARNr (parte del ribosoma).

Empaquetamiento del ADN

Longitud del ADN = número de pares de bases × 0.34 nm. Célula humana diploide: 6.6 × 10⁹ pb × 0.34 × 10⁻⁹ m ≈ 2.2 m, metidos en un núcleo de unos 10⁻⁶ m de ancho.

Eucromatina: poco empaquetada, se tiñe claro, es activa. Heterocromatina: muy empaquetada, se tiñe oscuro, es inactiva.

Replicación del ADN (semiconservativa)

Watson y Crick predijeron que cada cadena sirve de molde. Meselson y Stahl (1958) lo demostraron: cultivaron E. coli en ¹⁵N pesado y luego las pasaron a ¹⁴N normal. Tras 1 generación todo el ADN era híbrido (¹⁵N–¹⁴N); tras 2 generaciones, la mitad era híbrido y la otra mitad ligero. Taylor mostró lo mismo en puntas de raíz de haba usando timidina radiactiva.

Cómo ocurre

  1. La helicasa abre la hélice en el origen de replicación y forma una horquilla de replicación en forma de Y.
  2. La ADN polimerasa dependiente de ADN añade nucleótidos solo en sentido 5′→3′, usando desoxinucleósidos trifosfato (que aportan la pieza y también la energía).
  3. En una cadena el ADN nuevo crece de forma continua (cadena líder); en la otra se fabrica en trocitos cortos (cadena retrasada, fragmentos de Okazaki).
  4. La ADN ligasa une los trozos.

Es muy rápida (E. coli copia 4.6 × 10⁶ pb en unos 18 minutos, unos 2000 pb por segundo) y muy precisa. En eucariotas ocurre en la fase S.

Dogma central

Francis Crick propuso que la información genética fluye ADN → ARN → proteína. ADN → ADN es la replicación, ADN → ARN es la transcripción y ARN → proteína es la traducción.

La transcripción inversa (ARN → ADN) ocurre en algunos virus, como el VIH, gracias a la transcriptasa inversa. Así que a veces el flujo puede ir hacia atrás (dogma central invertido).

Transcripción

Solo se copia una cadena. Se lee la cadena molde (3′→5′); la otra es la cadena codificante (5′→3′), que tiene la misma secuencia que el ARN, pero con T en lugar de U.

Una unidad de transcripción tiene un promotor (antes del gen, donde se une la ARN polimerasa), el gen estructural y un terminador.

En bacterias

Una sola ARN polimerasa fabrica todos los ARN. Con el factor σ (sigma) empieza (iniciación), alarga el ARN (elongación) y con el factor ρ (rho) se detiene (terminación). La transcripción y la traducción pueden ocurrir a la vez porque no hay núcleo.

En eucariotas

Código genético

George Gamow razonó: 4 bases deben codificar 20 aminoácidos. 4¹ = 4 y 4² = 16 son muy pocos; 4³ = 64 alcanza. Por eso el código es un triplete. Nirenberg, Khorana y Ochoa descifraron los codones.

Mutaciones y código

Una mutación puntual (cambio de una base) puede cambiar un aminoácido (anemia falciforme). Insertar o borrar 1 o 2 bases desplaza el marco de lectura (cambio de marco); añadir o quitar 3 bases añade o quita un aminoácido y mantiene el marco. El ARNt es el adaptador: su bucle del anticodón lee el codón y su extremo 3′ (CCA) lleva el aminoácido. En 2D parece una hoja de trébol y en 3D una L invertida.

Traducción

  1. Carga del ARNt (aminoacilación): cada aminoácido se une a su ARNt, usando ATP.
  2. Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma encuentra el ARNm en el AUG; luego se une la subunidad grande. El ribosoma tiene dos sitios para ARNt.
  3. Elongación: los ARNt traen aminoácidos codón por codón; se forman enlaces peptídicos (el ARNr 23S actúa como enzima, una ribozima). El ribosoma avanza en sentido 5′→3′.
  4. Terminación: en un codón de parada, un factor de liberación suelta el polipéptido.

El ARNm también tiene regiones no traducidas (UTR) antes del AUG y después del codón de parada; ayudan a que la traducción sea eficaz.

Regulación de la expresión génica: el operón lac

Las células encienden los genes solo cuando hacen falta. En las bacterias, varios genes de una misma tarea están juntos con un solo promotor y un solo operador = un operón. Jacob y Monod describieron el operón lac de E. coli:

Sin lactosa: el represor se queda en el operador y bloquea la ARN polimerasa → genes apagados.

Con lactosa: la lactosa (el inductor) se une al represor, le cambia la forma y este se suelta del operador → la ARN polimerasa transcribe z, y, a → se fabrican las enzimas. Esto es una regulación negativa de un operón inducible. Cuando se acaba la lactosa, el represor vuelve a unirse.

Proyecto Genoma Humano y genoma del arroz

El Proyecto Genoma Humano (PGH) duró de 1990 a 2003 y leyó los ~3 × 10⁹ pb del ADN humano. Métodos: etiquetas de secuencias expresadas (EST, para encontrar genes que se expresan) y anotación de secuencias (leer todo y luego buscar los genes). El ADN se cortó en trozos, se clonó en vectores BAC/YAC, se secuenció con máquinas automáticas (método de Sanger) y los ordenadores lo unieron usando las zonas que se solapan.

Hallazgos principales

Entre otros organismos secuenciados están el arroz, bacterias, levaduras, Caenorhabditis elegans, la mosca de la fruta y Arabidopsis. El genoma del arroz ayuda a encontrar genes de rendimiento, resistencia a enfermedades y tolerancia al estrés.

Huella genética

El 99.9 % del ADN es igual en todos los humanos, así que se compara el 0.1 % que cambia, sobre todo el ADN repetitivo. Cuando el ADN se centrifuga en un gradiente de densidad, las repeticiones forman picos pequeños llamados ADN satélite. No codifican proteínas y varían mucho entre personas (polimorfismo). Alec Jeffreys desarrolló el método usando VNTR (repeticiones en tándem de número variable).

  1. Aislar el ADN (sangre, raíz del pelo, saliva, semen).
  2. Cortarlo con enzimas de restricción.
  3. Separar los fragmentos por electroforesis en gel.
  4. Pasarlos a una membrana de nailon o nitrocelulosa (Southern blot).
  5. Añadir una sonda VNTR marcada que se pega a los trozos que coinciden (hibridación).
  6. Detectar las bandas en una película de rayos X (autorradiografía).

Un hijo recibe la mitad de sus bandas de la madre y la otra mitad del padre. Usos: casos forenses, pruebas de paternidad y estudios de poblaciones y de evolución. La PCR puede multiplicar antes muestras muy pequeñas.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Una muestra de ADN tiene un 20% de adenina. Halla el % de T, G y C.

Paso 1: A = T, así que T = 20%. Paso 2: A + T = 40%, así que G + C = 60%. Paso 3: G = C = 30% cada una.

2. Una molécula de ADN tiene 1000 pares de bases, de los cuales 300 son pares A–T. ¿Cuántos puentes de hidrógeno unen las dos cadenas?

Paso 1: pares G–C = 1000 − 300 = 700. Paso 2: puentes de H = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100. Respuesta: 2700 puentes de H.

3. Halla la longitud de una molécula de ADN con 5386 pares de bases (el tamaño del fago φX174).

Paso 1: longitud = pb × 0.34 nm. Paso 2: 5386 × 0.34 = 1831.24 nm. Respuesta: unos 1.83 µm.

4. Escribe el ARNm que se forma a partir de la cadena molde 3′-TACGCAATG-5′.

Paso 1: empareja cada base: T→A, A→U, C→G, G→C. Paso 2: ARNm 5′-AUGCGUUAC-3′. Paso 3: es igual a la cadena codificante 5′-ATGCGTTAC-3′ con U en lugar de T.

5. Un ARNm dice 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′. ¿Cuántos aminoácidos tendrá la proteína y cuáles?

Paso 1: lee los codones: AUG (Met), UUU (Phe), GGC (Gly), AAA (Lys), UGA (parada). Paso 2: la parada no añade ningún aminoácido. Respuesta: 4 aminoácidos: Met–Phe–Gly–Lys.

6. Una proteína tiene 300 aminoácidos. ¿Cuál es el número mínimo de bases de su parte codificante en el ARNm (con codón de parada)?

Paso 1: 300 codones de aminoácidos + 1 de parada = 301 codones. Paso 2: 301 × 3 = 903 bases.

7. E. coli con ADN solo de ¹⁵N pasa a un medio con ¹⁴N. Tras 3 generaciones, ¿qué fracción de las moléculas de ADN es híbrida?

Paso 1: moléculas tras 3 generaciones = 2³ = 8 (a partir de una). Paso 2: solo 2 conservan una cadena vieja de ¹⁵N → híbridas. Paso 3: 2/8 = 1/4 híbridas, 6/8 = 3/4 ligeras.

8. En el ARNm AUG CCU AAA UGA se borra una base (la C de la posición 4). ¿Qué ocurre?

Paso 1: la nueva secuencia es AUG CUA AAU GA… Paso 2: los codones cambian después de la deleción: Met–Leu–Asn… Paso 3: es una mutación de cambio de marco: todos los aminoácidos siguientes cambian y puede perderse el codón de parada.

Errores comunes

Test de práctica

1. ¿Qué experimento demostró que el ADN es el material genético usando ³²P y ³⁵S?
2. La distancia entre dos pares de bases en el ADN-B es:
3. ¿Qué ARN polimerasa de eucariotas fabrica el ARNhn?
4. El inductor del operón lac es:
5. Los VNTR que se usan en la huella genética son un tipo de:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre replicación y transcripción?

La replicación copia todo el ADN (las dos cadenas) para hacer ADN antes de que la célula se divida. La transcripción copia solo un gen, desde una cadena, para hacer ARN.

¿Por qué el ADN es mejor material genético que el ARN?

El ADN es más estable (no tiene 2′-OH y tiene timina) y es de doble cadena, así que puede reparar errores. El ARN reacciona con facilidad y muta rápido.

¿Qué preguntas de este tema suelen caer en los exámenes?

Se preguntan muchísimo Hershey–Chase, Meselson–Stahl, el esquema del operón lac, la unidad de transcripción, las características del código genético, los hallazgos del PGH y los pasos de la huella genética.

Dónde se estudia

Canada (Ontario)Grade 12D. Molecular Genetics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Self-organisation of cells
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-regulation (part 3)
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-organisation (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIVI. Expression of genetic information in human cells
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVXIII. Expression of genetic information
RomaniaClasa a XII-aGenetics
Spain4º ESOGenetics and evolution
Spain2º BachilleratoMolecular genetics
Ukraine9 класHeredity and variation
CBSE (India)Class 12Genetics and Evolution
England (GCSE, A level)Year 123.1 Biological molecules
England (GCSE, A level)Year 123.4 Genetic information, variation and relationships
England (GCSE, A level)Year 133.8 The control of gene expression
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Gene Expression and Regulation
Japan高校1年Characteristics of living things
Japan高校2年Gene expression and development
South Korea고등학교 2학년Genes and genetic material
South Korea고등학교 2학년Gene expression
South Korea고등학교 3학년Gene expression and control
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Genetics and genetic engineering
FranceTerminaleHuman biology and pathophysiology
FranceTerminalePart S: scientific concepts
Russia10 классGenetic information in the cell
Russia10 классLife processes of the cell
China高一Comp.2 Ch.4 Gene expression

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