1.1 Los nucleótidos

Los nucleótidos son moléculas formadas por tres subunidades:

• Una base nitrogenada. Hay cinco bases diferentes: la adenina (A), la guanina (G), la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).
• Un azúcar de cinco átomos de carbono (o pentosa) que puede ser ribosa o un derivado de ella llamado desoxirribosa.
• Un grupo fosfato, que es un derivado del ácido fosfórico, H₃PO₄.

1.2 Tipos de ácidos nucleicos

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN).

El ARN y su estructura

El ARN se localiza en el núcleo y en el citoplasma de las células.

Los nucleótidos del ARN contienen ribosa (por eso, se llaman ribonucleótidos), y las bases nitrogenadas que los forman son: A, G, C y U.

El ARN consta, generalmente, de una única cadena de nucleótidos.

Existen varios tipos de ARN, como el ARN mensajero (ARNm) y el ARN de transferencia (ARNt), que intervienen en la fabricación de proteínas.

1. Define ácido nucleico.

2. ¿Cuáles son los componentes de un nucleótido? Descríbelos.

1. Haz un dibujo que esquematice un nucleótido de adenina y otro de uracilo.

1. Busca información sobre los diferentes tipos de ARN y explica qué funciones desempeñan.

El ADN y la estructura de doble hélice

El ADN se localiza en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma de las procariotas.

Los nucleótidos de ADN contienen desoxirribosa (por eso, se llaman desoxirribonucleótidos) y están formados por A, G, C y T.

La estructura del ADN la establecieron J. Watson y F. Crick en 1953. Estos científicos propusieron para esta molécula el modelo de doble hélice, que tiene las siguientes características:

• El ADN está formado por dos cadenas de desoxirribonucleótidos que se pliegan formando una estructura semejante a una escalera de caracol.
• Las pentosas y los grupos fosfato forman el «esqueleto externo» de la hélice y las bases nitrogenadas se disponen hacia el interior. De esta forma quedan protegidas de posibles alteraciones que podrían modificar la información genética y, con ello, las características del organismo.
• Las cadenas se mantienen unidas mediante enlaces que se establecen entre las bases nitrogenadas de una y otra.
• Cada nucleótido de una cadena está unido a un nucleótido de la otra, que es su complementario. Son complementarias la A y la T, y la G y la C. De esta manera, la secuencia de nucleótidos de una cadena determina la secuencia de la otra.

1. Expón las semejanzas y las diferencias que hay entre el ARN y el ADN.

1. Deduce Construye un desoxirribonucleótido. ¿Qué base nitrogenada no puede llevar nunca?

1. Observa los siguientes esquemas de nucleótidos e indica si son ribonucleótidos o desoxirribonucleótidos. En el caso de desoxirribonucleótidos, ¿cuál será la base complementaria?

1. Busca información sobre el descubrimiento del ADN y elabora un texto en el que expliques la importancia de la científica Rosalind Franklin en dicho descubrimiento.

1.3 La organización del ADN en las células

Como ya se mencionó en la unidad anterior, cuando la célula no está en división (interfase), el ADN (material genético) se encuentra disperso por el núcleo y asociado a algunas proteínas. Esta asociación de ADN junto con proteínas se denomina cromatina.

Antes de que la célula entre en división, la cromatina se duplica, es decir, hace una copia de sí misma, tal como veremos en detalle más adelante en la unidad. Para que el reparto de la cromatina entre las células sea más sencillo, la célula la empaqueta formando unas estructuras llamadas cromosomas.

Cada cromosoma está compuesto por dos fibras de cromatina (las dos copias originadas de la duplicación de la cromatina), llamadas cromátidas hermanas, que están unidas por un punto, el centrómero.Según donde se sitúe el centrómero se diferencian diferentes tipos de cromosomas.

Tipos de cromosomas

• Metacéntricos. El centrómero se encuentra situado en la parte media del cromosoma. Los brazos tienen prácticamente la misma longitud.
• Submetacéntricos. El centrómero está desplazado hacia uno de los lados. Los brazos son ligeramente desiguales.
• Acrocéntricos. El centrómero está muy desplazado hacia uno de los extremos del cromosoma, lo que hace que los brazos sean muy desiguales.
• Telocéntricos. El centrómero se localiza en uno de los extremos del cromosoma, por lo que solo es visible un brazo.

El número de cromosomas

Las células de los organismos de cada especie tienen un número determinado de cromosomas. Este conjunto de cromosomas característico se denomina cariotipo.

Por lo general, estos cromosomas son homólogos, es decir, iguales dos a dos. Según esto, puede haber:

• Organismos diploides; o sea, que tienen dos juegos de n tipos de cromosomas o 2n cromosomas.
• Organismos haploides; o sea, que una célula tiene un único juego de cromosomas o n cromosomas.

1.4 Las funciones de los ácidos nucleicos

Las funciones de los ácidos nucleicos son regular la actividad de la célula y transmitir la información genética a los descendientes.

Regular la actividad de la célula

Gran parte de la actividad celular se lleva a cabo mediante la intervención de las proteínas.

El ADN regula esta actividad en la medida en que almacena el «código» que determina cómo son las proteínas de un organismo; y los distintos tipos de ARN intervienen en esta regulación al participar en el proceso de síntesis de proteínas (es decir, en la fabricación de estas).

Transmitir la información genética

Para que la información genética de una especie se conserve generación tras generación, es preciso replicar el ADN (o sea, hacer copias de él) y transmitir una de estas copias a cada una de las células hija durante la división celular.

1. Haz un esquema para explicar cómo se organiza el ADN de una célula cuando está en división y cuando no se encuentra en división (interfase).

1. Indica cuáles de las siguientes afirmaciones son falsas y razona por qué.

a) Los cromosomas de las células solo existen durante la división celular.

b) Los cromosomas de las células se hacen visibles durante la interfase.

c) Los cromosomas son diferentes según el tipo de tejido al que pertenece la célula.

d) Los cromosomas están siempre formados por una cromátida.

1. Dibuja un esquema de un cromosoma e indica los nombres de sus diferentes partes.

1. Explica ¿Cuál es la diferencia entre cromosoma y cromátida?

1. Indica la diferencia entre una célula haploide y una célula diploide.

1. Las células de nuestro organismo, ¿tienen todas el mismo número de cromosomas?

1. Indica la diferencia entre un cromosoma metacéntrico y un cromosoma acrocéntrico.

1. Las imágenes siguientes corresponden a dos momentos diferentes en la vida de una célula. Haz una descripción de a qué se deben las diferencias que observas.

Como acabamos de ver, los ácidos nucleicos regulan la actividad celular al intervenir en la síntesis o fabricación de las proteínas.

2.1 Qué es una proteína

Las proteínas son grandes moléculas que resultan de la unión en cadena de unas moléculas más pequeñas llamadas aminoácidos. En la composición de las proteínas intervienen veinte tipos de aminoácidos distintos. La diferencia entre unas proteínas y otras consiste, fundamentalmente, en el orden en el que estos se disponen en la cadena.

Las proteínas desempeñan múltiples e importantes funciones celulares (forman parte de estructuras celulares, intervienen en el metabolismo celular, etc.).

2.2 Cómo se realiza la síntesis de las proteínas

La síntesis o fabricación de proteínas se realiza en dos fases: la transcripción y la traducción.

La transcripción

Este proceso sucede en el núcleo, donde la información almacenada en el ADN (según la secuencia de sus bases) se transfiere a una molécula de ARN mensajero (ARNm).

En primer lugar, la molécula de ADN que se va a transcribir se desenrrolla y se abre . Una de sus hebras sirve de molde para sintetizar el ARNm, que se forma incorporando nucleótidos con bases nitrogenadas complementarias a las que están en la cadena de ADN. Es decir, cuando en el ADN hay una adenina, su base complementaria en el ARNm será uracilo; cuando en el ADN hay una timina, la complementaria en el ARN será adenina; y cuando hay citosina o guanina, las complementarias serán de guanina y citosina, respectivamente .

La hebra de ARNm se separa del ADN  y saldrá al citoplasma y así trasladará una «transcripción» o secuencia de bases complementarias de la secuencia del ADN.

La traducción

Ya en el citoplasma, el ARNm se une a los ribosomas  y, paralelamente, los aminoácidos libres se unen a otro tipo especial de ARN, denominado ARN de transferencia (ARNt), que transferirá cada aminoácido hacia el ARNm .

Cada aminoácido (aa), unido a su ARNt, reconoce una secuencia concreta de tres bases del ARNm (triplete o codón), y se une a ella, originando así la cadena de proteína. Una vez leída toda la cadena de ARNm, la proteína se separa del ribosoma y queda libre en el citoplasma .

1. Explica cuál es el objetivo de la transcripción y cuál el de la traducción.

2. Explica qué es un triplete y qué papel desempeña en la síntesis de proteínas.

1. Explica qué función realizan el ARNm y el ARNt durante el proceso de síntesis de proteínas.

1. Comprende Si todas las proteínas conocidas están formadas por combinación de solo 20 aminoácidos, ¿qué hace que sean diferentes unas de otras?

1. Completa la secuencia de ARNm que se obtendrá durante la transcripción de la hebra de ADN.

2.3 El código genético

Durante la traducción, el ribosoma «interpreta» el mensaje contenido en el ARNm, de manera que su secuencia de codones determina el orden en el que se colocan los aminoácidos de la proteína.

Las características del código genético

El código genético presenta las características siguientes:

• Es universal, es decir que, salvo pequeñas excepciones, es idéntico en todos los seres vivos, desde la bacteria más simple hasta el ser humano.
• Es degenerado, lo que significa que a la mayoría de los aminoácidos les corresponde más de un codón. Por ejemplo, el aminoácido Phe (fenilalanina) está codificado por los tripletes UUU y UUC; por tanto, siempre que el ribosoma encuentre cualquiera de estos codones colocará el aminoácido Phe.
• Tiene tripletes que no codifican ningún aminoácido, llamados tripletes de terminación o de fin. Cuando el ribosoma encuentra uno de ellos (UAA, UAG y UGA), se separa del ARN y da por finalizada la síntesis.
• En la mayoría de los casos, el triplete AUG actúa como señal de inicio para la traducción y, una vez que esta ha comenzado, codifica el aminoácido metionina.

1. Define código genético.

1. Elabora una ficha en la que recojas las principales características del código genético.

1. ¿Cuántas «palabras» diferentes de tres «letras» se pueden escribir con un abecedario de cuatro letras si se pueden repetir las letras y variar su orden?

Como acabamos de ver, el ADN contiene toda la información necesaria para realizar las funciones celulares. Por este motivo, cuando una célula se divide, es imprescindible que esa información se transmita correctamente a las células que se originan a partir de ella.

Para que cada una de estas células reciba una copia completa del ADN, antes de que ocurra la división celular, el ADN se replica, es decir, hace una copia de sí mismo.

3.1 La replicación del ADN

En las células eucariotas, la replicación es un proceso que se localiza en el núcleo celular y se puede resumir en las siguientes etapas:

• La molécula de ADN que se va a duplicar se desenrolla, de modo que las dos cadenas se separan .
• Cada cadena de ADN sirve de molde para fabricar una nueva hebra de ADN complementaria. Así, cada nucleótido de la cadena original queda emparejado con su nucleótido complementario. Por ejemplo, si en la cadena molde hay adenina (A), en la nueva hebra se incorpora timina (T); si hay citosina (C), se incorpora guanina (G), y así sucesivamente .
• Al final del proceso se obtienen dos moléculas idénticas, cada una de las cuales está constituida por una cadena nueva y una cadena antigua. Por esta razón se dice que este proceso es una replicación semiconservativa .

1. Explica con un ejemplo por qué se dice que la duplicación del ADN es semiconservativa.

2. ¿Dónde y cuándo sucede la replicación del ADN de una célula?

1. Copia la secuencia de ADN siguiente e indica cuál será la secuencia de nucleótidos que tendrán las cadenas nuevas de ADN.

4.1 Qué es la división celular

Una vez que el ADN se ha duplicado, la célula está en disposición de poder transmitir la información a otras células mediante la división celular.

En las células procariotas

Las células procariotas aumentan su tamaño, replican su única molécula de ADN circular y dividen su citoplasma por un proceso de bipartición en el que se forma un tabique que separa la célula en dos células hija, cada una con una molécula de ADN bacteriano.

En las células eucariotas

A lo largo de la vida de las células eucariotas se suceden una serie de procesos repetidos de crecimiento celular y división que reciben el nombre de ciclo celular. En el ciclo celular se distinguen dos etapas:

• Etapa de crecimiento o interfase. Es la etapa más larga del ciclo celular, y en ella, las células hija alcanzan el tamaño de las adultas. Al finalizar esta etapa, el ADN se replica, es decir, la cromatina presente en el núcleo se duplica. En esta etapa también se duplican los centriolos.
• Etapa de división celular. En ella tiene lugar la división del núcleo (mitosis), en la que el ADN se reparte entre las dos células que se están formando y, a continuación, la división del citoplasma (citocinesis), en la que, como su nombre indica, se divide el citoplasma y se forman las dos células hija.

4.2 La mitosis

1. Dibuja una telofase y una anafase mitótica de una célula vegetal que tiene 2n = 6 cromosomas.

2. Si una célula con 10 cromosomas sufre 4 divisiones mitóticas sucesivas, ¿cuántas células hija se obtendrán? ¿Cuántos cromosomas tendrá cada célula?

4.3 La citocinesis o división del citoplasma

Una vez concluida la división del núcleo tiene lugar la división del citoplasma. Este proceso se realiza de forma diferente en las células animales y en las vegetales.

En las células animales

En las células animales, la división del citoplasma se produce por estrangulación: en el ecuador de la célula, debajo de la membrana, se forma un anillo contráctil que, al contraerse, termina dividiendo al citoplasma en dos.

El reparto del citoplasma entre las células hija puede no ser equitativo; sin embargo, al recibir la dotación completa de cromosomas, ambas células tendrán la información necesaria para crecer y transformarse en una célula adulta capaz de volver a dividirse.

En las células vegetales

En las células vegetales, la pared impide que se produzca la estrangulación. Así, en el ecuador de la célula vegetal, se fusionan pequeñas vesículas que se desprenden del aparato de Golgi y se forma un tabique, llamado fragmoplasto, que crece del centro a la periferia y que dará lugar a la pared celular entre dos células hija.

5.1 La reproducción sexual

La reproducción sexual se desarrolla en tres fases: la formación de gametos o células sexuales; la fusión de gametos, que ocurre gracias a la fecundación, en la cual el gameto masculino y el femenino unen sus núcleos formando una nueva célula llamada cigoto; el desarrollo del cigoto, que se divide sucesivamente y origina un individuo completo.

Cómo se originan los gametos

En los organismos que tienen reproducción sexual, como los animales, hay dos tipos generales de células:

• Las células somáticas. Son las células que están formando parte del cuerpo de estos organismos. Son células diploides (2n), en las que de cada par de cromosomas homólogos, uno es de origen paterno, y otro, de origen materno. La división por mitosis de estas células produce el crecimiento del organismo y el reemplazo de las células muertas.
• Las células germinales. Son células diploides, a partir de las cuales se originan las células sexuales o gametos, que son haploides (n), a través de un proceso de división especial denominado meiosis.

5.2 La meiosis

Tras la división celular por meiosis, las células hija resultantes (gametos) tienen la mitad de cromosomas (n) que la célula de la que proceden (células 2n). Sin esta reducción, la unión de una célula 2n procedente de un progenitor con otra 2n procedente de otro progenitor originaría un cigoto 4n. Por ello, se dice que la meiosis es una división reduccionista.

En la meiosis se producen dos divisiones celulares consecutivas, que estudiaremos en detalle en las páginas siguientes: la primera división meiótica, o meiosis I, y la segunda división meiótica, o meiosis II. Entre ambas divisiones no hay duplicación del ADN, ya que este solo se duplica en la interfase.

1. Las células somáticas y las células germinales de un organismo pluricelular son células diploides.

a) ¿En qué se diferencian?

b) ¿Qué mecanismo utiliza cada una para reproducirse?

2. Explica qué quiere decir que la meiosis es una división reduccionista.

Primera división meiótica o meiosis I

Segunda división meiótica o meiosis II

Ahora que conoces bien cómo suceden la mitosis y la meiosis, podrás comprender mejor el significado biológico de cada uno de estos procesos.

6.1 El significado biológico de la mitosis

• En los organismos pluricelulares, la división celular por mitosis tiene como función permitir el crecimiento del individuo mediante sucesivas divisiones, y la renovación de las células deterioradas.
• En los organismos unicelulares eucariotas, la mitosis es un mecanismo de reproducción (reproducción asexual) que permite aumentar el número de individuos.

6.2 El significado biológico de la meiosis

• La meiosis es un proceso indispensable para reducir a la mitad el número de cromosomas durante la formación de las células sexuales. Así, a partir de células diploides (2n), con dos juegos completos de cromosomas, se obtienen células haploides (n), con un único juego de cromosomas.
• Durante la meiosis se produce el sobrecruzamiento, o intercambio de fragmentos de cromátidas hermanas, entre cromosomas homólogos. Este intercambio de información hace que se obtengan células genéticamente distintas a la célula madre, lo que genera la denominada variabilidad genética, es decir, modificaciones en la información genética que producen organismos diversos (biodiversidad).

Comprende, piensa, investiga...

1. Explica con tus palabras el significado biológico de la mitosis y de la meiosis.

2. Elabora un póster en tamaño A3 en el que realices una tabla para recoger las diferencias entre la mitosis y la meiosis.

1. Haz un dibujo en tu cuaderno para explicar cómo sucede un sobrecruzamiento entre dos cromosomas.

1. Di cuáles de las siguientes frases sobre la mitosis y la meiosis son verdaderas, y cuáles, falsas:

a) En la anafase mitótica se separan los cromosomas homólogos hacia los polos de la célula.

b) En la meiosis se originan cuatro células hija con el mismo número de cromosomas que la célula madre.

c) El sobrecruzamiento sucede en la profase I de la meiosis.

1. Indica en qué fase de la meiosis sucede cada acontecimiento:

a) Separación de cromosomas homólogos.

b) Separación de cromátidas hermanas.

1. Las muestras de tejidos que emplean los científicos y las científicas para estudiar los procesos de división presentan células que se encuentran en puntos distintos de la división celular. Observa las microfotografías de dos tejidos en división y contesta a las siguientes preguntas:

a) ¿Cuál de las fotografías corresponde a una muestra de células en mitosis y cuál a una en meiosis? Explícalo.

b) Indica en qué fase del proceso se encuentran las células señaladas con números.

c) Indica, en cada caso, cuál es el orden de las fases que se indican con números.