Mecanismos Esenciales de la Biología Molecular: Transcripción, Traducción y Replicación Celular

La biología molecular se centra en los mecanismos fundamentales que rigen la vida a nivel celular. Este documento detalla los procesos esenciales de la transcripción, traducción y replicación del ADN, comparando sus particularidades en organismos procariotas y eucariotas, así como la maduración del ARN y la regulación de la expresión génica.

Transcripción: Síntesis de ARN a partir de ADN

La transcripción es el proceso mediante el cual la información genética del ADN se copia en una molécula de ARN. Comprende tres fases principales: iniciación, elongación y terminación.

Fases de la Transcripción

1. Iniciación

Antes de comenzar, la ARN polimerasa debe reconocer una región específica del ADN, conocida como promotor. Esta región está formada por secuencias cortas de ADN y su función es indicar dónde se inicia la transcripción, en cuál de las dos hebras y en qué lugar exacto.

• Procariotas: Presentan dos centros promotores clave: la región -10 (aproximadamente 10 nucleótidos antes del punto de inicio) y la región -35 (aproximadamente 35 nucleótidos antes).
• Eucariotas: La secuencia promotora más común es la caja TATA (aproximadamente 25 nucleótidos antes). A diferencia de los procariotas, la ARN polimerasa no se une directamente al promotor; primero se asocia con proteínas auxiliares, denominadas factores generales de la transcripción, para formar un complejo de iniciación.

2. Elongación

Durante la elongación, la enzima ARN polimerasa desenrolla una vuelta de la hélice del ADN, creando una burbuja de transcripción. Esto permite que la secuencia de bases del ADN molde quede expuesta para la incorporación de los ribonucleótidos complementarios. La enzima lee el ADN de la cadena molde en dirección 3′ a 5′. Sin embargo, el crecimiento del ARN y, por tanto, la adición de ribonucleótidos, se realiza en sentido 5′ a 3′ (recordando que Adenina se aparea con Uracilo en el ARN).

• Eucariotas: Tras iniciar la transcripción, ocurre la fosforilación de la ARN polimerasa, lo que le permite separarse del complejo de iniciación y continuar la síntesis de ARN. El ARN transcrito primario (inmaduro) en eucariotas contiene tanto exones como intrones.

3. Terminación

La terminación ocurre cuando la enzima ARN polimerasa encuentra señales o secuencias de terminación en el ADN molde. Estas señales desencadenan la separación de la enzima, del ADN (que recupera su estructura de doble hélice) y del ARN transcrito.

• Procariotas: La terminación puede ser de dos tipos:
  • Terminación Rho-dependiente: El factor Rho, una proteína, se une a una secuencia específica del ARN que se está elongando y se desplaza por el transcrito hacia la ARN polimerasa. Al alcanzarla en la burbuja de transcripción, provoca la separación de las moléculas.
  • Terminación Rho-independiente: Depende de secuencias específicas en el ADN ricas en nucleótidos C y G. Estas secuencias provocan que el ARN transcrito se pliegue formando una estructura en horquilla, lo que detiene la ARN polimerasa.

  Los transcritos de ARN en procariotas se denominan transcritos primarios; no requieren maduración (no contienen intrones) y están listos para su traducción. El ARNm transcrito puede incluso comenzar a traducirse antes de que la transcripción haya terminado (proceso simultáneo).

• Eucariotas: No existen señales de terminación exactas o un consenso claro sobre las mismas, el proceso es más complejo y a menudo implica el corte del transcrito.

Maduración del ARN en Eucariotas

La maduración del ARN es un conjunto de cambios que sufre el ARN transcrito primario hasta convertirse en un ARN maduro y funcional. Tras este procesamiento, los ARN mensajeros eucariotas se dirigen al citoplasma para realizar su función.

Modificaciones Post-transcripcionales:

• Adición de la «caperuza» o CAP: Se añade una 7-metilguanosina trifosfato en el extremo 5′ del ARNm.
• Poliadenilación: Una enzima añade una secuencia de aproximadamente 200 nucleótidos de adenina (cola poli-A) en el extremo 3′ del ARNm.
• Splicing (Empalme): Proceso mediante el cual se escinden los intrones (regiones no codificantes) y se unen ordenadamente los exones (regiones codificantes).

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso por el cual la información genética contenida en el ARNm se utiliza para sintetizar proteínas. Al igual que la transcripción, consta de tres fases principales: iniciación, elongación y terminación.

Diferencias en la Iniciación de la Traducción entre Procariotas y Eucariotas

• ARNm:
  • Eucariotas: El ARNm se forma en el núcleo y lleva una caperuza (7-metilguanosina trifosfato) en el extremo 5′, que permite a los ribosomas identificar el lugar de inicio de la traducción.
  • Procariotas: El ARNm no experimenta maduración y puede comenzar a traducirse incluso antes de que su síntesis haya terminado.
• Primer aminoacil-ARNt:
  • Procariotas: El primer aminoacil-ARNt transporta el aminoácido N-formilmetionina (fMet).
  • Eucariotas: El primer aminoacil-ARNt transporta metionina (Met).

En ambos casos, la subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el primer aminoacil-ARNt (metionina o fMet) forman el complejo de iniciación. Este proceso requiere de factores de iniciación (proteínas) y de la hidrólisis de GTP como fuente de energía.

Fases Detalladas de la Traducción

1. Iniciación

1. La subunidad pequeña del ribosoma se une al extremo 5′ del ARNm, formando el complejo de iniciación.
2. La subunidad pequeña localiza el codón de iniciación AUG. El ARNt cargado con metionina, que presenta el anticodón complementario al AUG, se posiciona en el sitio P del ribosoma.
3. La subunidad mayor se acopla para formar el ribosoma completo, con el sitio P ocupado por el ARNt-Met y el sitio A (aminoacil) vacío.

2. Elongación

La elongación es la unión sucesiva de aminoácidos para formar la cadena polipeptídica. Se considera una repetición de ciclos de elongación. El crecimiento de la cadena requiere de proteínas llamadas factores de elongación y la energía necesaria se obtiene de la hidrólisis de GTP. Cada ciclo de elongación consta de tres etapas:

1. Unión del siguiente aminoacil-ARNt al sitio A: Un nuevo ARNt, cargado con el aminoácido correspondiente al siguiente codón del ARNm, se une al sitio A del ribosoma.
2. Formación del enlace peptídico: La enzima peptidil transferasa cataliza la formación de un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el aminoácido del sitio A. El aminoácido (o péptido) del sitio P se transfiere al aminoácido del sitio A. El ARNt del sitio P queda ahora sin aminoácido.
3. Translocación: El ribosoma se desplaza tres nucleótidos en sentido 5′ a 3′ a lo largo del ARNm. El ARNt que lleva la cadena polipeptídica naciente se mueve del sitio A al sitio P, y el ARNt vacío del sitio P es liberado.

A medida que un ARNm es «leído» por un ribosoma, nuevos ribosomas pueden ensamblarse en su codón de inicio, permitiendo que el mismo ARNm sea traducido por varios ribosomas a la vez, formando estructuras conocidas como polisomas.

3. Terminación

La terminación implica la liberación de la proteína sintetizada y la separación de las subunidades ribosomales. Ocurre cuando el ribosoma llega a uno de los tres codones de terminación (UAA, UAG, UGA) en el sitio A del ARNm. Estos codones son reconocidos por factores de terminación, que provocan la hidrólisis del enlace entre el último ARNt y la cadena polipeptídica, liberando la proteína completa, el último ARNt y disociando las subunidades ribosomales.

Tipos de ARN y sus Funciones en la Traducción

Existen tres tipos principales de ARN involucrados en el proceso de traducción:

• ARNm (ARN Mensajero)

  Estructura: Principalmente lineal (estructura primaria), aunque puede formar algunas horquillas con puentes de hidrógeno (estructura secundaria). Es el tipo de ARN menos abundante en la célula.

  Función: Lleva la información genética copiada de un gen del ADN y se dirige a los ribosomas para que se realice la traducción de su mensaje en una secuencia de aminoácidos.

  Localización: Se localiza inicialmente en el núcleo (en eucariotas) para pasar después al citoplasma.

• ARNt (ARN de Transferencia)

  Estructura: Presenta una característica forma de trébol, con horquillas y bucles (estructura secundaria). Puede contener algunos nucleótidos con bases modificadas o menos frecuentes. Representa aproximadamente el 15% del ARN total.

  Función: Transporta los aminoácidos específicos hasta los ribosomas. Actúa como un adaptador, uniendo el codón del ARNm con el aminoácido correspondiente.

  Localización: Se encuentra disperso en el citoplasma.

• ARNr (ARN Ribosomal)

  Estructura: Se asocia con proteínas ribosomales para formar los ribosomas (estructura terciaria). Es el tipo de ARN más abundante en la célula.

  Función: Junto con ciertas proteínas, forma los ribosomas, los orgánulos celulares donde ocurre el proceso de traducción.

  Localización: Forma parte de los ribosomas, tanto libres en el citoplasma como unidos al retículo endoplasmático.

Expresión Génica: Regulación de la Actividad Genética

La regulación génica es el proceso que controla qué genes en el ADN de una célula se expresan, es decir, se utilizan para producir un producto funcional como una proteína o un ARN funcional. Diferentes células en un organismo multicelular pueden expresar grupos muy diversos de genes, aun cuando contienen el mismo ADN. El grupo de genes expresados en una célula determina el conjunto de proteínas y ARN funcionales que contiene, lo que le confiere sus características únicas.

En eucariotas, la expresión de los genes involucra muchos pasos y su regulación puede ocurrir en cualquiera de ellos. Sin embargo, los genes se regulan principalmente a nivel de la transcripción.

Etapas de Regulación de la Expresión Génica (Eucariotas):

1. Grado de condensación de la cromatina: La estructura de la cromatina (heterocromatina, más condensada e inactiva, y eucromatina, menos condensada y activa) regula la accesibilidad de los factores necesarios para una correcta transcripción y, por ende, la expresión génica.
2. Regulación de la transcripción: Controla si un gen se transcribe o no, y con qué eficiencia.
3. Maduración del ARN: Procesos como el splicing (corte y empalme), la adición de la caperuza y la adición de una cola poli-A a una molécula de ARN pueden regularse, así como la salida del ARN maduro del núcleo al citoplasma.

Replicación del ADN: Duplicación del Material Genético

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual una molécula de ADN se duplica para producir dos moléculas de ADN idénticas. Es un proceso fundamental para la herencia y la división celular.

Diferencias en la Replicación entre Eucariotas y Procariotas

1. Múltiples puntos de inicio: En eucariotas, existen cientos de puntos de inicio de replicación en cada cromosoma. Cada unidad de replicación se denomina replicón (o burbuja de replicación), donde se sintetizan de 100 a 150 nucleótidos. En procariotas, generalmente hay un único origen de replicación.
2. Tipos de ADN polimerasas: Los eucariotas poseen cinco tipos principales de ADN polimerasas (α, β, γ, δ y ε), mientras que los procariotas tienen tres (ADN polimerasa I, II y III).
3. Velocidad del proceso: El proceso de replicación es más lento en eucariotas, debido a que su genoma es mucho mayor y el ADN está asociado a histonas, las cuales también deben duplicarse.
4. Tamaño de los fragmentos de Okazaki: En eucariotas, los fragmentos de Okazaki son de menor tamaño (100-200 nucleótidos) en comparación con los procariotas (1000-2000 nucleótidos).
5. Acortamiento de los telómeros: En eucariotas, se produce un acortamiento de los telómeros (extremos de los cromosomas) debido a la eliminación de los cebadores en los extremos 5′ de la hebra rezagada.

Replicación en Procariotas: Fases Detalladas

1. Fase de Inicio

Implica el desenrollamiento y la apertura de la doble hélice de ADN, formando una burbuja de replicación.

• Origen de replicación: Es una secuencia de nucleótidos específica que marca el punto donde se inicia la apertura de la cadena de ADN. En procariotas, solo hay un origen de replicación.
• Helicasas: Enzimas que rompen los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, separando las dos hebras de ADN.
• Topoisomerasas: Enzimas que evitan las tensiones de superenrollamiento que se generan por el desenrollamiento, cortando y volviendo a unir las cadenas de ADN.
• Proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins): Una vez separadas, estas proteínas se unen a cada una de las hebras individuales de ADN para mantenerlas abiertas y estabilizadas.

Alrededor del punto de inicio se forman dos horquillas de replicación que avanzan en direcciones opuestas.

2. Fase de Elongación

Es la síntesis de las nuevas hebras de ADN: la hebra conductora (o líder) y la hebra retardada (o rezagada).

1. Formación de cebadores: La ADN polimerasa III necesita un extremo 3′ libre para añadir nucleótidos. Por ello, una ARN polimerasa (primasa) sintetiza un cebador (un fragmento corto de ARN de unos 10 nucleótidos) y lo aporta. En la cadena retardada, se necesita un cebador para cada fragmento de Okazaki.
2. Síntesis de la hebra conductora (líder o adelantada): Esta hebra se sintetiza de forma continua, desde el punto de inicio hasta el final. Solo necesita un cebador inicial. La ADN polimerasa III añade desoxirribonucleótidos en el extremo 3′ libre, en sentido 5′ → 3′, siguiendo la complementariedad de bases de la hebra molde.
3. Síntesis de la hebra retardada (fragmentos de Okazaki): Esta hebra se sintetiza de forma discontinua, en pequeños segmentos llamados fragmentos de Okazaki (de 1000-2000 nucleótidos en procariotas), para que la ADN polimerasa III pueda trabajar en sentido 5′ → 3′. Cada fragmento de Okazaki requiere su propio cebador.

3. Fase de Terminación

Implica la eliminación de los cebadores y la unión de los fragmentos de ADN.

• Eliminación de cebadores y relleno de huecos: La ADN polimerasa I, con su función exonucleasa 5’→3′, elimina los cebadores de ARN y, con su función polimerasa, rellena los huecos con desoxirribonucleótidos.
• Unión de fragmentos: Finalmente, la ADN ligasa suelda todos los fragmentos de ADN obtenidos (incluyendo los fragmentos de Okazaki) para formar una cadena continua.

Corrección de Errores en la Replicación

Aunque la ADN polimerasa tiene una alta fidelidad, es frecuente que se produzcan errores durante la replicación. Sin embargo, la propia maquinaria de replicación corrige una parte significativa de estos errores. Aunque el mecanismo es bastante eficiente, a veces persisten algunos errores sin corregir, lo que da lugar a mutaciones. Estos errores pueden ser importantes para la evolución. El proceso de corrección de errores post-replicación es el siguiente:

1. Endonucleasas: Detectan errores en la cadena de ADN y realizan un corte en la cadena anómala.
2. Exonucleasas: Eliminan el fragmento o secuencia incorrecta (a menudo realizada por la ADN polimerasa II o la ADN polimerasa I).
3. Síntesis del fragmento eliminado: La ADN polimerasa I sintetiza el nuevo fragmento, rellenando el hueco.
4. ADN ligasas: Unen el nuevo fragmento al resto de la cadena, sellando las muescas.