Explorando la Biología Molecular: Replicación del ADN, Transcripción Genética y Síntesis Proteica

Replicación del ADN: Mecanismos y Desafíos

Cuando se separan ambas cadenas de ADN, la ADN polimerasa puede comenzar a leer en una de ellas en sentido 3′-5′ —fabricando en sentido 5′-3’—. Sin embargo, la síntesis parece ocurrir en ambos sentidos, y la enzima también parece leer la cadena molde en sentido 5′-3′ —fabricando en sentido 3′-5’—. Pero ya sabemos que las ADN polimerasas nunca pueden incorporar nuevos nucleótidos en ese sentido.

¿Cómo lo hace entonces?

Hay un segundo problema: la ADN polimerasa no puede por sí sola iniciar la síntesis de una nueva cadena de ADN.

Necesita algo, ¿pero qué es?

Mecanismo de Replicación del ADN

Aunque existen pequeñas variaciones entre procariotas y eucariotas, el mecanismo básico es bastante similar:

• El ADN se desenrolla y se separan las dos cadenas de la doble hélice, deshaciéndose los puentes de hidrógeno entre bases complementarias, por la acción de helicasas y topoisomerasas.
• En el ADN eucariota se producen muchos desenrollamientos a lo largo de la molécula, formándose zonas de ADN abierto. Estas zonas reciben el nombre de HORQUILLAS O BURBUJAS DE REPLICACIÓN, que es donde comenzará la síntesis.
• La ARN primasa (o ARN polimerasa en el contexto de cebadores) fabrica pequeños fragmentos de ARN complementarios del ADN original. Son los llamados «primers» o cebadores de unos 10 nucleótidos, a los cuales se añadirán desoxirribonucleótidos, ya que la ADN polimerasa solo puede añadir nucleótidos a un extremo 3’ libre, no puede empezar una síntesis por sí misma.
• La ADN polimerasa III añade los desoxirribonucleótidos al extremo 3′ (sentido 5′-3′), tomando como molde la cadena de ADN preexistente, alargándose la hebra.
• En las horquillas de replicación siempre hay una hebra que se sintetiza de forma continua en el mismo sentido en que se abre la horquilla de replicación, la llamada HEBRA CONDUCTORA, y la otra que se sintetiza en varios fragmentos, los denominados FRAGMENTOS DE OKAZAKI y que se conoce como HEBRA SEGUIDORA o RETARDADA, ya que se sintetiza en sentido contrario al de apertura de la horquilla.
• La ADN ligasa va uniendo todos los fragmentos de ADN a la vez que elimina los ribonucleótidos de los cebadores.
• A medida que se van sintetizando las hebras y uniendo los fragmentos, se origina la doble hélice, de forma que al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de ADN, con una hebra antigua y otra nueva.

Replicación del ADN en Eucariotas

La replicación del genoma bacteriano no es tan complicada, pero en el caso de una célula eucariota, ¿será igual?

Recordemos que el genoma de cualquier célula eucariota se empaqueta más que el bacteriano, se asocia a proteínas (histonas) y se trata de un genoma mucho mayor.

El proceso de la replicación en eucariotas posee las mismas fases —iniciación, elongación y corrección— y se desarrolla prácticamente de la misma forma que en procariotas, aunque existen algunas diferencias:

• En las células eucariotas existen cinco tipos de ADN polimerasas. Se denominan con letras griegas: ADN polimerasa alfa, beta, gamma, delta y épsilon.
• La velocidad media de replicación en procariotas es de 500 nucleótidos por segundo, mientras que en la especie humana es de unos 50 nucleótidos por segundo. Según eso, para replicar un ADN de una célula eucariota, que es mucho más grande que un procariota, se invertiría diez veces más tiempo; sin embargo, esto no ocurre, el proceso tiene lugar, prácticamente, en el mismo tiempo. ¿A qué puede ser debido?

  A que no existe una sola burbuja de replicación como en procariotas, sino que hay muchas burbujas de replicación sintetizando y avanzando por la molécula de ADN para que el proceso se desarrolle en un tiempo adecuado.

• Si el ADN de células eucariotas se asocia a histonas, ¿cómo crees que tiene lugar la síntesis y dicha asociación?

  La síntesis de histonas ocurre paralelamente a la replicación y, conforme la doble hélice se va originando, las histonas se van asociando.

• El ADN de las células eucariotas no es circular. Esto acarrea el problema de que sus extremos, denominados telómeros, no se pueden replicar ya que, al eliminar el ARN cebador del extremo 5′ de cada hebra nueva, ese hueco no puede ser rellenado por la ADN polimerasa dado que no encuentra extremos 3′ libres.

  ¿Cómo se replicará, entonces, esa zona?

  No se replica. Sencillamente, en cada replicación el telómero se va acortando durante las sucesivas divisiones celulares con la consiguiente pérdida de material genético. Llegará un momento en que el material genético se habrá perdido en tal cantidad que se desencadena la muerte celular.

  Existen, sin embargo, unas enzimas especiales, denominadas telomerasas, formadas por una parte proteica y una hebra de ARN, que actúa de molde para sintetizar, precisamente, la secuencia de ADN de ese telómero. Pero estas enzimas existen en los organismos unicelulares y en las células embrionarias.

  Ese acortamiento sucesivo de los telómeros está relacionado con el envejecimiento celular.

• Recuerda, por último, que en la célula procariota el proceso tiene lugar en el citosol, mientras que en la célula eucariota tiene lugar en el núcleo celular.

Del ADN al ARN: Transcripción Genética

Vamos a ver cómo se transfiere la información del ADN al ARN, proceso que se denomina transcripción.

Transcripción en Procariotas

La transcripción del ADN es un mecanismo fundamental para el control celular y para la expresión de la información genética. Este mecanismo permite que la información del ADN llegue al resto de orgánulos celulares y salga del núcleo en el caso de los eucariotas. Para ello, esa información debe copiarse en forma de ARN.

• La TRANSCRIPCIÓN es el proceso de copia de un gen o fragmento de ADN utilizando ribonucleótidos y originándose diferentes tipos de ARN.

El proceso es similar al de la replicación, con la diferencia de las enzimas y los precursores necesarios.

Elementos que Intervienen en la Transcripción

Para que se lleve a cabo la transcripción del ADN en las células se requieren los siguientes elementos:

• ADN original que servirá de molde para ser copiado.
• ARN polimerasa: sintetiza el ARN a partir del molde del ADN.
• Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia.
• Poli-A polimerasa, ribonucleoproteína pequeña nuclear, ARN ligasa (estos últimos intervienen principalmente en la maduración en eucariotas).

Mecanismo de Transcripción

Al igual que en la replicación, existen diferencias entre procariotas y eucariotas, siendo las principales la existencia de varias ARN polimerasas en eucariotas y, sobre todo, la necesidad de que se produzca una «maduración» o procesamiento de algunos ARN debido a la existencia de los intrones. El proceso se divide en tres etapas:

1. Iniciación: La ARN polimerasa se une a una zona del ADN previa al ADN que se quiere transcribir. A continuación, se corta la hebra de ADN y se separan las dos cadenas, iniciándose el proceso de copia del ADN a transcribir; esta copia no requiere ningún cebador. Los ribonucleótidos se añaden en sentido 5′-3′. En el caso de la transcripción de un gen que codifica para una proteína, la ARN polimerasa se une a una zona de control denominada PROMOTOR, que regula la actividad de la ARN polimerasa y, por tanto, regula la expresión del gen.
2. Elongación: La ARN polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al ADN hasta que se llega a una determinada secuencia que indica a la polimerasa el final de la zona a transcribir. Cuando ya se han añadido unos 30 ribonucleótidos, en el extremo 3’ se une un nucleótido modificado de 7-metil guanosina, que forma lo que se denomina la “caperuza”, el “casquete” o el extremo “Cap”.
3. Terminación: La transcripción finaliza, y al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el ARN no sea destruido por las nucleasas celulares.
4. Maduración de los productos de la transcripción: Se da en el núcleo de eucariotas y la realiza la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn), eliminando los intrones del ARN y quedando los exones libres para ser unidos por una ARN ligasa.

Tras estos procesos se habrá formado un ARN mensajero, transferente, ribosómico o nucleolar, que se desplazará hasta el lugar donde llevan a cabo su función, que generalmente es en el citoplasma.

Transcripción en Eucariotas: Diferencias con Procariotas

• La transcripción en eucariotas tiene lugar en el interior del núcleo. El producto, en el caso del ARNm, es un transcrito primario constituido por exones e intrones; estos últimos son eliminados.
• En procariotas existía una sola ARN polimerasa que se encarga de sintetizar todos los tipos de ARN, pero en eucariotas existe más de una ARN polimerasa. Las presentes en el núcleo de una célula eucariota son:
  • ARN polimerasa I
  • ARN polimerasa II
  • ARN polimerasa III
  • ARN polimerasa IV (presente en plantas)
  • ARN polimerasa V (presente en plantas)
• El proceso de iniciación de la transcripción en células eucariotas precisa de una serie de secuencias que indican a la ARN polimerasa el momento y la velocidad en que debe comenzar a transcribir genes concretos. Esas secuencias son:
  • Promotor: formada por una secuencia TATA, otra CAAT y otra rica en G y C. A esta zona se une una serie de factores basales que favorecen que la ARN polimerasa II se una en el sitio correcto para comenzar la transcripción.
  • Secuencias potenciadoras: donde se unen una serie de factores activadores de la transcripción que desempaquetan el ADN y lo separan de las histonas, pero además incrementan la velocidad del proceso.
  • Secuencias silenciadoras: donde se unen una serie de factores represores que dificultan que los factores activadores actúen correctamente, disminuyendo, por tanto, la velocidad de transcripción.
• La siguiente fase, la elongación del ARN transcrito, ocurre de forma similar a como ocurre en procariotas, pero hay una pequeña diferencia.
• Existe otra diferencia en la transcripción en eucariotas con respecto a procariotas y es el hecho de que, una vez transcrito el ARNm, este debe ser procesado y eliminar las secuencias sin sentido, o intrones, de la molécula y pegar los exones hasta convertir el ARNm transcrito primario en una molécula funcional. Es lo que se conoce como maduración.

En procariotas, recuerda que los genes son continuos, no están fragmentados como en eucariotas, en exones e intrones, por lo que el ARNm recién sintetizado es una copia exacta del gen y no precisa de un proceso de maduración.

Excepción al Dogma Central de la Biología Molecular

¿Sabes que existe una excepción al dogma central de la Biología Molecular, según el cual, el mensaje genético fluye desde el ADN hasta el ARN y de ahí al lenguaje de proteínas?

En 1970 se descubrió —Howard M. Temin fue el investigador que lo hizo— que existía un grupo de virus, los retrovirus, que poseen como material genético una molécula de ARN. Estos virus poseen una enzima, la retrotranscriptasa —o transcriptasa inversa— que es capaz de sintetizar ADN a partir de esa molécula de ARN.

El Código Genético: El Diccionario de la Vida

La información genética se encuentra en la secuencia de bases del ADN y se expresa en forma de proteínas que desarrollan los caracteres de los seres vivos. Desde que se desarrolló la hipótesis «un gen = una enzima», se pensó que debía existir algún tipo de relación entre las bases del ADN y los aminoácidos, idea que se vio reforzada al descubrirse el ARN mensajero, que hacía de intermediario entre el ADN y las proteínas.

Gracias a los trabajos primero del equipo de Ochoa y Kornberg, desarrollando la maquinaria metabólica necesaria para fabricar ácidos nucleicos en laboratorio, y luego del equipo de Holley, Khorana y Nirenberg, se fue estableciendo la correspondencia entre las bases del ARN mensajero (que es copia del ADN) y los aminoácidos de las proteínas, correspondencia a la que se le dio el nombre de CÓDIGO GENÉTICO. Estos investigadores demostraron que la relación se establecía entre grupos de tres bases nitrogenadas del ARN mensajero (tripletes) y un aminoácido.

El CÓDIGO GENÉTICO es la relación que existe entre los tripletes de bases del ARN mensajero y los aminoácidos proteinogénicos.

Existen 64 combinaciones de las cuatro bases nitrogenadas tomadas de tres en tres (por tripletes), que codifican para 21 aminoácidos más tres tripletes «sin sentido» o de terminación. En principio, un ARN formado por 30 nucleótidos (secuencia de 30 bases nitrogenadas) tendrá información para construir una proteína de 9 aminoácidos:

9 aminoácidos x 3 bases = 27 bases + 3 de terminación = 30 bases

Al haber más combinaciones que aminoácidos, a algunos aminoácidos les corresponden varias combinaciones, hasta seis tripletes para la Leucina y la Arginina, cuatro tripletes para la Valina, Alanina, Prolina, Glicina, etc. En realidad, solo existen dos aminoácidos codificados por un único triplete, que son el Triptófano, un aminoácido de estructura peculiar, y la Metionina, que es el aminoácido de iniciación de todas las proteínas en el ribosoma. Esta característica del código genético hace que algunos aminoácidos estén codificados por un par de bases y no por un triplete en lo que se ha dado en llamar la DEGENERACIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO.

Una de las principales características del código genético es su carácter universal para todos los seres vivos. Podemos decir que es exactamente igual para cualquier organismo, desde las bacterias quimiosintéticas hasta la especie humana, incluyendo a los virus, lo cual se considera como una prueba más de que el origen de la vida sobre la Tierra es único.

Solo se han encontrado excepciones al código genético universal en alguna mitocondria, en las que algún triplete tiene un significado distinto.

Tabla del Código Genético

Fabricación de Proteínas: El Proceso de Traducción

La TRADUCCIÓN es el proceso de síntesis de proteínas llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la información aportada por el ARN mensajero que es, a su vez, una copia de un gen.

Las proteínas de los seres vivos se fabrican en los RIBOSOMAS, orgánulos celulares que se encuentran en el citoplasma de los eucariotas, asociados al retículo endoplasmático. Los ribosomas son nucleoproteínas, algo similar a la propia cromatina nuclear, con la particularidad de que están formados por una asociación de proteínas y un ARN especial que es el llamado ARN ribosómico. Este ARN, como todos los ARN, se fabrica en el núcleo celular mediante la transcripción de una región determinada de ese ADN.

En el proceso de traducción intervienen de forma fundamental los tres tipos más frecuentes de ARN, cada uno con una función complementaria para llevar a cabo de forma conjunta el proceso:

• ARN mensajero (ARNm): es el encargado de transportar la información genética desde el núcleo hasta los ribosomas con el fin de que pueda ser expresada en forma de proteínas.
• ARN ribosómico (ARNr): forma parte esencial de las dos subunidades que constituyen los ribosomas.
• ARN transferente (ARNt): juega un papel fundamental transportando a los aminoácidos hasta los ribosomas en el orden correcto en que deben unirse para formar una proteína determinada, según la información genética.