Control genético de la síntesis proteica, las funciones de la célula y la reproducción celular

Los genes, que están situados en el núcleo de todas las células del organismo, controlan la herencia de padres a hijos, pero muchas personas no se dan cuenta de que estos mismos genes también controlan la función cotidiana de todas las células del organismo. Los genes controlan las funciones de la célula determinando qué sustancias se sintetizan dentro de esta, es decir, qué estructuras, qué enzimas y qué productos químicos participan.

Cada gen, que está compuesto por ácido desoxirribonucleico (ADN), controla automáticamente la formación de otro ácido nucleico, el ácido ribonucleico (ARN), que después se dispersa por toda la célula para controlar la formación de una proteína específica. El proceso completo, desde la transcripción del código genético en el núcleo hasta la traducción del código del ARN y la formación de proteínas en el citoplasma celular, se refiere a menudo como expresión génica.

El ADN es un conjunto de genes presentes en todas las células que codifican la herencia, pero aún más importante, representa un instructivo para que la célula sepa que sustancias debe codificar, ya sean proteínas, enzimas, etc.

Además existen en cada célula, 30.000 genes distintos por lo que es posible, sintetizar una enorme cantidad de proteínas diferentes, entre las cuales están las estructurales que dan lugar a la conformación de los orgánulos, también están las enzimas que propician la formación de ATP, indispensable para el funcionamiento celular.

La molécula de ADN es una estructura de doble hélice con un peso molecular de miles de millones, pero con una conformación básica: ácido fosfórico y azúcar desoxirribosa (forman las 2 hebras helicoidales que dan soporte a la molécula) y 4 bases nitrogenadas: 2 pirimidínicas (timina y citosina), 2 purínicas (adenina y guanina).

Pero el ADN sigue una secuencia determinada respecto a los nucleótidos, mismos que se componen por 1 ácido fosfórico, 1 azúcar desoxirribosa y 1 base nitrogenada, dependiendo de esta última será el nombre del nucleótido (ácidos desoxiadenílico, desoxitimidílico, desoxiguanílico y desoxicitidílico).

1. Cada base purínica de adenina de una hebra siempre se une con una base pirimidínica de timina de la otra.

2. Cada base purínica de guanina siempre se une con una base pirimidínica de citosina.

Cuando las dos hebras de la molécula de ADN se escinden quedan expuestas las bases purínicas y pirimidínicas proyectándose a un lado de cada hebra de ADN, estas bases que se proyectan son las que forman el código genético.

Este código se compone de TRIPLETES, es decir, una secuencia de 3 bases componen una palabra de código, en último término esta secuencia de 3 bases codificara a un aminoácido predeterminado.

Síntesis de ARN

Es necesario que las 2 hebras del ADN se separen de manera temporal para que una de ellas sirva como plantilla para la creación del ARN, además los tripletes que contiene el ADN se replicaran en el ARN (codones) estos a su vez saldrán del núcleo, y ya en el citoplasma con ayuda de ribosomas pasaran a ser aminoácidos.

Los bloques básicos para la construcción del ARN, son prácticamente los mismos que al ADN, con 2 diferencias: 1) En vez de usar un azúcar desoxirribosa por nucleótido se usa un azúcar ribosa. 2) Cambia una base nitrogenada (la timina por el uracilo).

El siguiente paso de la síntesis de ARN es la «activación» de los nucleótidos de ARN por una enzima, polimerasa de ARN, lo que se produce añadiendo a cada nucleótido dos radicales fosfato más para formar trifosfatos, estos radicales fosfato proceden del ATP. Esta activación tiene  como propósito proporcionar la energía suficiente para el proceso de la construcción del ARN.

 Montaje de la cadena de ARN

La enzima polimerasa de ARN reconoce el segmento que marca el inicio de la formación del ARN conocido como PROMOTOR, después separa las 2 hebras del ADN, a medida que separa las 2 hebras va añadiendo a su paso un nucleótido de ARN activado nuevo en el extremo de ARN que se va formando.

La ARN polimerasa empieza por formar enlaces de hidrogeno entre el extremo de la cadena de ADN y la base de un nucleótido, todo esto ocurre en el nucleoplasma.

 Posteriormente dicha enzima rompe 2 de los 3 radicales fosfato, liberado de este modo la energía suficiente para crear un enlace covalente entre el fosfato sobrante y la ribosa del ARN en formación.

Para determinar cuándo debe finalizar el ARN, la enzima se topa con una secuencia de nucleótidos en el ADN conocida como secuencia terminadora de la cadena, cuya función es separar a la polimerasa y al ARN recién formado de la molécula de ADN. Pero la polimerasa se puede seguir usando para formar más cadenas de ARN.

Por ultimo las 2 hebras de ADN tienden a unirse de nuevo, por lo que la cadena de ARN se libera del nucleoplasma.

TIPOS DE ARN

ARN mensajero (ARNm):

Estas moléculas son largas y sencillas, se encuentran suspendidas en el citoplasma,  compuestas por cientos a miles de nucleótidos entre los  que están  codones que son exactamente complementarios a los tripletes del código de los genes de ADN. Sus codones son CCG, UCU y GAA, que son los codones de los aminoácidos prolina, serina y ácido glutámico.

1 codón representa el inicio de la fabricación proteica (C1), y 3 codones que indican la finalización de la fabricación de la molécula proteica (CT).

ARN de transferencia (ARNt):

Se le conoce de esta manera porque transporta los aminoácidos a las moléculas proteicas para finalizar en una proteína y está formado por 80 nucleótidos por lo que es más pequeña que el ARNm. Existen distintos tipos de ARNt pues cada uno solo transporta 1 de los 20 aminoácidos que se van a incorporar a la molécula proteica por medio de los ribosomas.

El código específico del ARNt que le permite reconocer un codón específico es, de nuevo, un triplete de bases de nucleótidos que se denomina anticodón y se sitúa aproximadamente en la zona media de la molécula del  ARNt.

Estos anti codones se unen mediante enlaces de hidrogeno a su  respectivo codón (su contraparte) del ARNm para establecer la secuencia apropiada en la formación de la proteína.

ARN ribosómico (ARNr):

Este constituye el 60% del ribosoma, el resto lo forman 75 tipos de proteínas estructurales, se forma en los nucléolos para posteriormente salir al citoplasma y constituir las subunidades funcionales del ribosoma maduro y funcional.

Es por eso que las proteínas se forman en el citoplasma y no en el núcleo celular pues este último carece de ribosomas.

MicroARN (ARNmi):

Constituido de 21 a 23 nucleótidos, este ARN precede directamente del ADN y su función es regular la expresión génica, no se traduce a proteínas por lo que también recibe el nombre de ARN no codificante.

Traducción

Cuando una molécula de ARN mensajero entra en contacto con un ribosoma, se desplaza por el mismo a partir de un extremo predeterminado de la molécula de ARN que se  especifica mediante la secuencia apropiada de las bases de ARN, el codón “iniciador de la cadena”.

Después el ribosoma lee las instrucciones y codifica, para terminar su trabajo en la secuencia terminadora de cadena, para terminar la molécula proteica y liberarla en el citoplasma.

Las moléculas proteicas se encuentran en distintas fases de desarrollo en cada ribosoma. Como consecuencia de este proceso es frecuente encontrar agrupaciones de ribosomas, uniéndose entre 3 y 10 ribosomas a una única molécula de ARN mensajero al mismo tiempo. Estos grupos se conocen como polirribosomas.

La mayoría de los ribosomas se unen al retículo endoplásmico, debido a que sus extremos se fijan a locus del retículo penetrando incluso hasta la matriz, dándole un aspecto granular.

REPRODUCCION CELULAR

La genética controla no solamente la herencia de un individuo a otro, o las indicaciones para producir proteínas u otras sustancias,  también indica la reproducción de la célula, en que momento debe empezar, por cuanto tiempo y cuando debe inhibirse este ciclo.

La célula se divide por un proceso conocido como mitosis, que en si dura aproximadamente 30min, por lo que el 95% del ciclo vital de las células está representado por el intervalo entre las mitosis, o interfase, incluso en las células que se reproducen con mayor rapidez.

Existen distintos tipos de células en todo el cuerpo, están aquellas de la medula ósea que solo tienen un intervalo de vida de 10hrs, hasta las neuronas cuyo ciclo vital abarca casi toda la vida del organismo propio. La reproducción celular comienza con la duplicación del ADN mismo que iniciad de 5-10hrs antes de la mitosis, y se completa de entre 4-8hrs,

después pasan de 1-2hrs, tiempo que se usa para los cambios preliminares antes de la mitosis.

MITOSIS

Después de la duplicación del ADN también resultan duplicados los centriolos, unas estructuras compuestas por 9 túbulos dispuestos en forma de cilindro. Poco antes de la mitosis estos centriolos (1 par a cada lado del núcleo) comienzan a separarse por efecto de las proteínas que crecen entre ellos, dando un aspecto de estrella conocida como áster que dará soporte al proceso de mitosis. El complejo de microtubulos que separa los pares de centriolos se le conoce como huso mitótico.

PROFASE: En esta etapa, los cromosomas se comienzan a definir pues se encuentran solo como hebras enrolladas.

PROMETAFASE: Los microtubulos en crecimiento el áster se unen a las cromatidas por el centrómero de estas, después 1 cromatida de cada par es atraída por los microtubulos a su polo correspondiente.

METAFASE: Las 2 ásteres del aparato mitótico se separan por efecto de la actina, cuya función se ejemplifica en los músculos que se pueden contraer o dilatar. Al mismo tiempo los microtubulos que se unieron a las cromatides alinean las mismas en el centro de manera que forma el plano ecuatorial.

ANAFASE: Las 2 cromatides de cada cromosoma se separan por el centrómero, se obtienen 46 pares de cromatides y se forman 46 cromosomas hijos, las mitades se dirigen hacia su respectivo polo de la célula en división.

TELOFASE: Los cromosomas hijos se separan completamente y son envueltos por una membrana celular formada por retículo endoplásmico que ya se encontraba en el núcleo. Después la célula se divide ente los 2 núcleos recién formados por efecto de la actina y la miosina.

Diferenciación celular

Una característica especial del crecimiento y la división celular es la diferenciación celular, que se refiere a los cambios de las propiedades físicas y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar las distintas estructuras y órganos corporales.

Apoptosis: muerte celular programada

Cuando las células ya no se necesitan, o cuando se convierten en una amenaza para el organismo, sufren una muerte celular programada suicida, o apoptosis. Este proceso implica una cascada proteolítica específica que hace que la célula se encoja y condense para desmontar su citoesqueleto y alterar su superficie de tal forma que una célula fagocítica cercana, como un macrófago, se pueda unir a la membrana celular y digerir la célula

La apoptosis se inicia mediante la activación de una familia de proteasas que se conocen como caspasas y que se sintetizan y almacenan en la célula en forma de procaspasas inactivas. Los mecanismos de activación de las caspasas son complejos pero, una vez activadas, las enzimas se escinden y activan otras procaspasas, activando una cascada que rompe rápidamente las proteínas del interior de la célula. De esta forma, la célula se desmantela a sí misma y sus restos se digieren rápidamente en las células fagocíticas vecinas.

Cáncer

El cáncer se debe en la mayoría de los casos a la mutación o a alguna otra activación anormal de los genes celulares que controlan el crecimiento y la mitosis celular. Los protooncogenes son genes normales que codifican diversas proteínas responsables del control de la adhesión celular, el crecimiento y la visión. Si mutan o se activan de forma excesiva, los protooncogenes pueden convertirse en oncogenes con funcionamiento anómalo capaces de provocar cáncer. En los cánceres humanos se han descubierto hasta 100 tipos distintos de oncogenes.

En todas las células también hay antioncogenes, denominados también genes supresores de tumores, que suprimen la activación de los oncogenes específicos, es decir, la pérdida o inactivación de los antioncogenes permite la activación de los oncogenes que conduce al cáncer.

Características invasivas de la célula cancerosa

Las principales diferencias entre la célula cancerosa y la célula normal son las siguientes: 1. La célula cancerosa no respeta los límites habituales del crecimiento celular, ya que, presumiblemente, no requieren los mismos factores de crecimiento que son necesarios para el crecimiento de las células normales.

2. Las células cancerosas son bastante menos adhesivas entre sí que las células normales, por lo que tienden a dispersarse por los tejidos, entrar al torrente sanguíneo y transportarse por el organismo, donde forman nidos para crecimientos cancerosos nuevos.

3. Algunos cánceres también producen factores angiogénicos que provocan el crecimiento de muchos vasos sanguíneos nuevos dentro del cáncer, por lo que aportan los nutrientes necesarios para el crecimiento celular.

¿Por qué matan las células cancerosas?

El tejido canceroso compite con los tejidos normales para lograr los nutrientes. Como las células cancerosas continúan proliferando indefinidamente, su número se multiplica día a día y pronto demandan prácticamente toda la nutrición disponible para el organismo o para una parte esencial de este. En consecuencia, los tejidos normales sufren una muerte nutritiva gradual.