Genética molecular
1. Replicación del ADN
La replicación del ADN es el proceso por el que la molécula de ADN se duplica. La replicación del ADN es semiconservativa (cada molécula de ADN resultante tendrá una hebra original y otra copiada).
La ADN polimerasa III es la enzima que replica el ADN: construye la nueva hebra uniendo nucleótidos y tomando una hebra original como molde. Añade los nucleótidos en sentido 5’→3’. Necesita un cebador o primer (ARN) al que ir añadiendo nucleótidos (no puede sintetizar la nueva hebra desde cero). Los nucleótidos que se incorporan son trifosfatos (ATP, GTP, TTP, CTP) y la enzima necesita Mg2+ como cofactor.
Proceso de replicación en bacterias
Proceso de replicación en bacterias (vídeo):
- Inicio: La replicación comienza en una secuencia concreta de bases llamada origen de replicación.
- Desenrollamiento: La enzima helicasa separa las dos hebras del ADN rompiendo los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias. Al abrirse las hebras se crea un superenrollamiento a ambos lados que es eliminado por la enzima girasa (o topoisomerasa). La burbuja de replicación se mantiene abierta gracias a las proteínas estabilizadoras SSB.
- Primasa: La ARN polimerasa o primasa se une a la hebra 3’→5’ y crea una secuencia de unas 10 bases complementarias de ARN en sentido 5’→3’. Estas secuencias actúan como cebador o primer para la ADN polimerasa III.
- Elongación: La ADN polimerasa III continúa añadiendo nucleótidos de ADN a la hebra que crece en sentido 5’→3’. La hebra copiada (la hebra molde 3’→5’) se sintetiza de forma continua (hebra conductora).
- Síntesis de la hebra retardada: La otra hebra (hebra retardada) se sintetiza de forma discontinua en fragmentos opuestos a la dirección de apertura. La primasa sintetiza cebadores de ARN y la ADN polimerasa III comienza a copiar la hebra retardada en segmentos (sintetizando cada fragmento en sentido 5’→3’).
- Fragmentos de Okazaki: A medida que el ADN se sigue abriendo, la hebra conductora se copia de forma continua y la retardada en fragmentos llamados fragmentos de Okazaki.
- Finalización: La ADN polimerasa I sustituye los nucleótidos de ARN de los cebadores por nucleótidos de ADN y finalmente la enzima ligasa une los fragmentos de ADN de la hebra retardada.
Proceso de replicación en células eucariotas
El proceso es básicamente igual, aunque es más lento por la presencia de las histonas y por ser mayor la molécula. Durante la replicación se producen errores en la complementariedad de bases que se corrigen con:
- La propia ADN polimerasa III comprueba que los nucleótidos añadidos son correctos antes de continuar con el siguiente (actividad 3’→5’ exonucleasa de corrección).
- En eucariotas existen varios sistemas de reparación que corrigen los posibles errores (conjunto de enzimas del sistema de reparación).
2. Concepto y estructura de un gen
Un gen es la unidad básica de la herencia: una sección de ADN que contiene las instrucciones para producir proteínas específicas, ARN funcionales y, en algunos casos, para controlar otros genes. En un gen podemos distinguir tres zonas:
- Regiones promotor y terminador: están al comienzo y al final del gen respectivamente. Indican a la ARN polimerasa dónde comienza y termina la síntesis del ARNm en la transcripción.
- Regiones líder y tráiler: indican el lugar donde comienza y termina la traducción (síntesis de proteína).
- Región codificadora: la que codifica la secuencia de aminoácidos de la proteína.
3. Transcripción
La transcripción es el proceso por el que, de una secuencia de ADN, se obtiene una secuencia complementaria de ARN (ARNm, ARNt o ARNr).
1. Transcripción en bacterias
Tiene cuatro etapas:
- a) Iniciación: La ARN polimerasa reconoce la región promotor (zona con secuencia de bases específica), se adhiere al ADN y separa las hebras. Comienza a añadir nucleótidos en sentido 5’→3’. Solo se copia una de las hebras que actúa de molde.
- b) Alargamiento: La ARN polimerasa sigue añadiendo nucleótidos complementarios a la hebra molde en sentido 5’→3’.
- c) Terminación: Cuando la ARN polimerasa llega a la región terminadora se termina la síntesis del ARN que se libera y el ADN recupera su estructura.
- d) Maduración: Son cambios que sufre la molécula de ARN. En bacterias el ARN mensajero no sufre maduración (no tiene intrones).
2. Transcripción en eucariotas
Tiene las mismas etapas que en bacterias; las tres primeras son similares pero cambia la etapa de maduración.
Maduración del ARNm en eucariotas
El ARNm sufre dos tipos de modificaciones:
- Eliminación de intrones: En los genes de eucariotas hay regiones sin información genética (intrones) y otras que sí la tienen (exones). Tanto intrones como exones se transcriben a ARNm. En la maduración se eliminan los intrones y se unen entre sí los exones.
- Modificaciones terminales: En el extremo 3’ del ARNm se añaden unos 200 nucleótidos de adenina (cola poli-A) y en el extremo 5’ se añade la gorro 5’, un nucleótido modificado (7-metilguanosina trifosfato).
4. Código genético
El código genético es la forma en la que la secuencia de bases del ADN codifica para los diferentes aminoácidos de las proteínas. El código genético es universal, es decir, es el mismo para todos los seres vivos.
Características del código genético:
- Tres bases nitrogenadas (codógeno en el ADN, codón en ARNm y anticodón en el ARNt) determinan un aminoácido. Hay 64 combinaciones posibles.
- El código es degenerado: varios codones codifican para el mismo aminoácido.
- Hay un codón de iniciación AUG y tres de finalización o stop (UAA, UAG y UGA).
5. Traducción
La traducción es el proceso por el que el ribosoma «lee» la secuencia de bases del ARNm y la traduce en la secuencia de aminoácidos de la proteína. En eucariotas el ARNm maduro sale del núcleo y la traducción se produce en el citoplasma; en procariotas no hay maduración y la traducción puede iniciarse antes de que el ARNm haya terminado de transcribirse.
El ARNm se traduce en sentido 5’→3’.
A) Activación
Activación: es la unión de los ARNt con sus respectivos aminoácidos para formar el aminoacil-ARNt.
B) Iniciación
Iniciación: consiste en la unión del ARNm a la subunidad pequeña del ribosoma. La unión se produce por complementariedad de bases entre la región líder del ARNm y secuencias del ARN ribosómico de la subunidad pequeña. La subunidad pequeña se desplaza por el ARNm hasta que encuentra el codón iniciador (AUG), que se coloca en el locus P (peptídico). El aminoacil-ARNt complementario (con metionina) se une al locus P. Posteriormente se une la subunidad grande del ribosoma.
C) Elongación
Elongación: El segundo aminoacil-ARNt, complementario al codón situado en el locus A (aminoacílico), ocupa el locus A. La enzima peptidil-transferasa establece el enlace peptídico entre el grupo carboxilo del aminoácido del locus P y el grupo amino del aminoácido del locus A. Al mismo tiempo se rompe el enlace que unía el ARNt del locus P con su aminoácido. El ribosoma avanza un codón (el codón del locus A pasa al P y en el locus A se coloca un nuevo codón). El ARNt que estaba en el locus P se desprende. El aminoacil-ARNt complementario del nuevo codón se coloca en el locus A y se repite el proceso.
D) Finalización
Finalización: Cuando al avanzar el ribosoma se coloca en el locus A uno de los tripletes terminadores (UAA, UAG o UGA), se termina el proceso y se disocian las subunidades del ribosoma, el péptido formado y el ARNm. Un mismo ARNm puede ser leído por varios ribosomas a la vez (polisoma).
Enlace relacionado: Proceso de replicación (vídeo).