Diferencia entre el ADN mitocondrial y el ADN nuclear.

Que es el ADN?

El ácido desoxirribonucleico (ADN) contiene información genética que se utiliza como un conjunto de instrucciones para el crecimiento y el desarrollo, así como el funcionamiento y la reproducción definitivos de los organismos vivos. Es un ácido nucleico y es uno de los cuatro tipos principales de macromoléculas que se sabe que son esenciales para todas las formas de vida.¹.

Cada molécula de ADN consta de dos hebras de biopolímero que se enrollan entre sí para formar una doble hélice. Estas dos cadenas de ADN se llaman polinucleótidos, ya que están formadas por unidades monoméricas más simples llamadas nucleótidos².

Cada nucleótido individual está compuesto por una de las cuatro nucleobases que contienen nitrógeno: citosina (C), guanina (G), adenina (A) o timina (T), junto con un azúcar llamada desoxirribosa y un grupo fosfato..

Los nucleótidos están unidos entre sí por enlaces covalentes, entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar del siguiente. Esto crea una cadena, dando como resultado un esqueleto alterno de azúcar-fosfato. Las bases nitrogenadas de las dos cadenas de polinucleótidos están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, para hacer ADN de doble cadena de acuerdo con pares de bases estrictos (A a T y C a G)³.

Dentro de las células eucariotas, el ADN se organiza en estructuras llamadas cromosomas, y cada célula tiene 23 pares de cromosomas. Durante la división celular, los cromosomas se duplican a través del proceso de replicación del ADN, siempre y cuando cada célula tenga su propio conjunto completo de cromosomas. Los organismos eucariotas, como los animales, las plantas y los hongos, almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular y parte de su ADN en orgánulos como las mitocondrias.⁴.

Al estar ubicados en diferentes regiones de la célula eucariota, existen varias diferencias fundamentales entre el ADN mitocondrial (ADNmt) y el ADN nuclear (ADNn). Basado en propiedades estructurales y funcionales clave, estas diferencias afectan la forma en que operan dentro de los organismos eucarióticos..

Organización y diferencias estructurales del ADN mitocondrial y el ADN nuclear.

Ubicación → Ubicado exclusivamente en la mitocondria, el ADNmt contiene 100-1,000 copias por célula somática. El ADN nuclear se encuentra dentro del núcleo de cada célula eucariota (con algunas excepciones, como los nervios y los glóbulos rojos) y generalmente solo tiene dos copias por célula somática⁵.

Estructura → Ambos tipos de ADN son de doble cadena. Sin embargo, el ADNn tiene una estructura lineal abierta que está encerrada por una membrana nuclear. Esto difiere del ADNmt, que generalmente tiene una estructura circular cerrada y no está envuelto por ninguna membrana

Tamaños de genoma → Tanto el ADNmt como el ADNn tienen sus propios genomas pero son de tamaños muy diferentes. En los seres humanos, el tamaño del genoma mitocondrial consiste en solo 1 cromosoma que contiene 16,569 pares de bases de ADN. El genoma nuclear es significativamente más grande que el mitocondrial, que consta de 46 cromosomas que contienen 3.3 mil millones de nucleótidos..

Codificación de genes → El singular cromosoma mtDNA es mucho más corto que los cromosomas nucleares. Contiene 36 genes que codifican para 37 proteínas, todas las cuales son proteínas específicas utilizadas en los procesos metabólicos que realizan las mitocondrias (como el ciclo del ácido citrato, la síntesis de ATP y el metabolismo de los ácidos grasos). El genoma nuclear es mucho más grande, con 20,000-25,000 genes que codifican todas las proteínas requeridas para su función, que también incluye genes mitocondriales. Al ser orgánulos semiautónomos, la mitocondria no puede codificar todas sus propias proteínas. Sin embargo, pueden codificar para 22 ARNt y 2 ARNr, cuyo ADNn carece de la capacidad para hacerlo.

Diferencias funcionales

Proceso de traducción → El proceso de traducción entre nDNA y mtDNA puede variar. nDNA sigue el patrón de codón universal, sin embargo, este no es siempre el caso para mtDNA. Algunas secuencias codificadoras mitocondriales (codones tripletes) no siguen el patrón de codón universal cuando se traducen en proteínas. Por ejemplo, los códigos AUA para la metionina en la mitocondria (no isoleucina). UGA también codifica triptófano (no es un codón de parada como en el genoma de los mamíferos)⁶.

Proceso de transcripción → La transcripción de genes dentro de mtDNA es policistrónica, lo que significa que un mRNA se forma con secuencias que codifican muchas proteínas. Para la transcripción de genes nucleares, el proceso es monocistrónico, donde el ARNm formado tiene secuencias que codifican solo una proteína.⁸.

Herencia genoma → El ADN nuclear es diploide, lo que significa que hereda el ADN tanto materna como paternalmente (23 cromosomas de cada uno de la madre y el padre). Sin embargo, el ADN mitocondrial es haploide, el cromosoma único se hereda en el lado materno y no se somete a recombinación genética.⁹.

Tasa de mutación → A medida que el ADNn experimenta recombinación genética, se trata de una mezcla del ADN del padre y, por lo tanto, se altera durante la herencia de los padres a su descendencia. Sin embargo, como el ADNmt solo se hereda de la madre, no hay alteración durante la transmisión, lo que significa que cualquier cambio en el ADN proviene de mutaciones. La tasa de mutación en el ADNmt es mucho mayor que en el ADNn, que normalmente es inferior al 0,3%.¹⁰.

Diferencias en la aplicación de mtDNA y nDNA dentro de la ciencia

Las diferentes propiedades estructurales y funcionales de mtDNA y nDNA, han llevado a diferencias en sus aplicaciones dentro de la ciencia. Con su tasa de mutación significativamente mayor, el ADNmt se ha utilizado como una herramienta poderosa para rastrear la ascendencia y el linaje a través de las hembras (matrilinaje). Se han desarrollado métodos que se utilizan para rastrear la ascendencia de muchas especies a través de cientos de generaciones y se ha convertido en el pilar de la filogenética y la biología evolutiva..

Debido a la mayor tasa de mutación, el ADNmt evoluciona mucho más rápido que los marcadores genéticos nucleares¹¹. Existen muchas variaciones entre los códigos utilizados por el ADNmt que surgen de mutaciones, muchas de las cuales no son dañinas para sus organismos. Utilizando esta mayor tasa de mutación y estas mutaciones no dañinas, los científicos determinan las secuencias de ADNmt y las comparan de diferentes individuos o especies.

Luego se construye una red de relaciones entre estas secuencias que proporciona una estimación de las relaciones entre los individuos o las especies de las que se tomó el ADNmt. Esto da una idea de qué tan cerca y más a distancia se encuentra cada una de ellas: cuanto más mutaciones del ADNmt son iguales en cada uno de sus genomas mitocondriales, más relacionados están..

Debido a la menor tasa de mutación del ADNn, tiene una aplicación más restringida en el campo de la filogenética. Sin embargo, dadas las instrucciones genéticas que posee para el desarrollo de todos los organismos vivos, los científicos han reconocido su uso en medicina forense..

Cada persona tiene un modelo genético único, incluso gemelos idénticos¹². Los departamentos forenses son capaces de usar técnicas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), utilizando el ADNn, para comparar muestras en un caso. Esto implica el uso de pequeñas cantidades de ADNn para hacer copias de regiones específicas llamadas repeticiones cortas en tándem (STR) en la molécula¹³. A partir de estos RTS, se obtiene un 'perfil' a partir de elementos de evidencia, que luego pueden compararse con muestras conocidas tomadas de los individuos involucrados en el caso..

El ADNmt humano también se puede usar para ayudar a identificar individuos que usan medicina forense, sin embargo, a diferencia del ADNn, no es específico de un individuo, pero se puede usar en combinación con otra evidencia (como la evidencia antropológica y circunstancial) para establecer la identificación. Debido a que el ADNmt tiene un mayor número de copias por célula que el ADNn, tiene la capacidad de identificar muestras biológicas mucho más pequeñas, dañadas o degradadas¹⁴. El mayor número de copias de ADNmt por célula que el ADNn también hace que sea posible obtener una coincidencia de ADN con un pariente vivo, incluso si numerosas generaciones maternas las separan de los restos esqueléticos de un pariente.

Comparación tabular de las diferencias clave entre el ADN mitocondrial y el ADN nuclear

	ADN mitocondrial	ADN nuclear
Ubicación	Mitocondrias	Nucleo celular
Copias por célula somática.	100-1,000	2
Estructura	Circular y cerrado	Lineal y abierto.
Recinto de membrana	No envuelto por una membrana	Encerrado por una membrana nuclear.
Tamaño del genoma	1 cromosoma con 16,569 pares de bases.	46 cromosomas con 3.3 mil millones de pares de bases.
Numero de genes	37 genes	20,000-25,000 genes
Método de herencia	Materno	Maternal y paterna
Método de traducción	Algunos codones no siguen el patrón universal de codones	Sigue el patrón de codón universal.
Método de transcripción	Policistrónico	Monocistrónica