Replicación del ADN: Proceso y Mecanismos Esenciales
La replicación del ADN es el proceso fundamental por el cual una célula genera una copia idéntica de su material genético antes de dividirse. Este proceso es semiconservativo, lo que significa que cada molécula nueva conserva una cadena original y forma una nueva cadena complementaria.
Inicio de la Replicación
El proceso comienza en una zona específica llamada origen de replicación. En procariotas, solo existe un origen (OriC), mientras que en eucariotas hay varios. Esta multiplicidad de orígenes en eucariotas permite una replicación más rápida y la formación de múltiples burbujas de replicación.
Mecanismo de Síntesis
Primero, la enzima helicasa separa las cadenas del ADN rompiendo los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Luego, las proteínas SSB (proteínas de unión a cadena sencilla) estabilizan las hebras abiertas, y la girasa (una topoisomerasa) evita el superenrollamiento del ADN. Para iniciar la síntesis, la enzima primasa coloca un cebador de ARN. A partir de este cebador, la ADN polimerasa III (en procariotas) o las polimerasas α, δ y ε (en eucariotas) agregan nucleótidos en dirección 5′ a 3′.
Síntesis en Cadenas Antiparalelas
Debido a que las cadenas de ADN son antiparalelas, la síntesis se produce de manera distinta en cada una:
- En la cadena adelantada (o líder), que utiliza la cadena molde en dirección 3′ a 5′, la síntesis es continua.
- En la cadena retrasada (o rezagada), que utiliza la cadena molde en dirección 5′ a 3′, la síntesis es discontinua, en fragmentos conocidos como fragmentos de Okazaki. Cada uno de estos fragmentos comienza con un nuevo cebador.
Posteriormente, la ADN polimerasa I reemplaza el ARN del cebador por ADN, y la ligasa une los fragmentos mediante enlaces fosfodiéster.
Etapas Clave de la Replicación
En resumen, las etapas de la replicación son:
- Inicio: Apertura del ADN y colocación del cebador.
- Elongación: Síntesis de nuevas cadenas.
- Reemplazo del cebador por ADN.
- Ligación: Unión de los fragmentos.
Todo este proceso ocurre dentro de una estructura en forma de Y llamada horquilla de replicación, y avanza en ambas direcciones desde el origen (proceso bidireccional).
Diferencias entre Replicación Procariota y Eucariota
- Procariotas:
- ADN circular.
- Un solo origen de replicación.
- Velocidad: Aproximadamente 25,000 pares de bases por minuto.
- Enzimas principales: Polimerasas I, II y III, helicasa, primasa, ligasa, girasa y proteínas SSB.
- Eucariotas:
- ADN lineal.
- Múltiples orígenes de replicación.
- Velocidad: Menor (2,500 pb/min).
- Enzimas involucradas:
- Polimerasa α: Inicia la síntesis y actúa en la cadena retrasada.
- Polimerasa δ: Actúa en la cadena adelantada.
- Polimerasa ε: También participa en la replicación nuclear.
- Polimerasa γ: Encargada de la replicación mitocondrial.
- Entre otras.
Tipos de ARN Relevantes
Aunque no directamente parte de la replicación, estos ARN son cruciales para el flujo de información genética:
- ARNm (mensajero): Lleva la información genética desde el ADN en el núcleo hasta el citoplasma, donde se utiliza para sintetizar proteínas. Codifica la secuencia de aminoácidos de uno o más polipéptidos.
- ARNr (ribosomal): Forma parte de los ribosomas, las estructuras celulares encargadas de fabricar proteínas.
- ARNt (transferencia): Transporta aminoácidos y los coloca en el orden correcto según el código del ARNm, uniendo codón y anticodón durante la síntesis proteica.
Transcripción Genética: De ADN a ARN Mensajero
La transcripción es el proceso mediante el cual se copia la información genética del ADN en una molécula de ARN, que luego podrá ser traducida a proteínas. Este proceso ocurre en el citoplasma de procariotas y en el núcleo de eucariotas, siendo el primer paso fundamental del flujo de la información genética.
Enzimas y Factores Clave
La enzima principal encargada de este proceso es la ARN polimerasa, que reconoce una región específica del ADN llamada promotor.
- En las procariotas, la ARN polimerasa se asocia con una subunidad especial llamada factor sigma (σ), formando la holoenzima. Esta holoenzima puede reconocer el promotor e iniciar la transcripción. Una vez que se inicia la síntesis del ARN, la subunidad sigma se libera y la polimerasa continúa sola como enzima núcleo (core enzyme).
- En las eucariotas, existen tres tipos de ARN polimerasas:
- Polimerasa I: Transcribe ARN ribosómico (ARNr).
- Polimerasa II: Transcribe ARN mensajero (ARNm).
- Polimerasa III: Transcribe ARN de transferencia (ARNt) y otros ARN pequeños.
Etapas de la Transcripción
La transcripción consta de tres etapas principales:
- Inicio: La ARN polimerasa se une al promotor y desenrolla la doble hélice del ADN.
- Elongación: Se incorporan ribonucleótidos complementarios en dirección 5′ a 3′, formando la cadena de ARN.
- Terminación: La polimerasa reconoce una secuencia de finalización y libera el ARN transcrito.
Maduración del ARN en Eucariotas
En las procariotas, el ARN recién sintetizado ya puede ser traducido. Sin embargo, en las eucariotas, el ARN recién sintetizado (llamado transcrito primario o pre-ARNm) debe ser madurado antes de salir del núcleo. Este proceso de maduración incluye tres pasos fundamentales:
- Adición de una caperuza o CAP en el extremo 5′: Consiste en una guanina metilada que protege al ARNm y facilita su reconocimiento por los ribosomas.
- Adición de una cola poli-A en el extremo 3′: Consiste en una secuencia de adeninas que estabiliza la molécula y facilita su salida del núcleo.
- Splicing o corte y empalme: Elimina las secuencias no codificantes llamadas intrones y une las secuencias codificantes llamadas exones, generando un ARNm maduro listo para la traducción.
Además, el ARNm contiene regiones no traducidas llamadas UTRs: la región 5′ UTR (entre el CAP y el codón de inicio) y la región 3′ UTR (entre el codón de parada y la cola poli-A). Gracias a estos mecanismos, en eucariotas un mismo gen puede originar distintos productos proteicos por splicing alternativo, lo que aumenta la diversidad de proteínas posibles. Finalmente, el ARNm maduro sale del núcleo al citoplasma, donde será traducido por los ribosomas. La transcripción está altamente regulada por proteínas activadoras, represoras y secuencias específicas, y es esencial para la expresión génica.
Traducción de Proteínas: Del ARN a la Función Celular
La traducción es el proceso por el cual se convierte la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero (ARNm) en una secuencia de aminoácidos, formando una proteína. Este proceso ocurre en el citoplasma, dentro de los ribosomas, y participan tres tipos de ARN:
- El ARNm, que lleva la información genética desde el ADN hacia los ribosomas y contiene los codones (tripletes de bases que codifican un aminoácido).
- El ARN de transferencia (ARNt), que lee los codones del ARNm mediante su anticodón y transporta el aminoácido correspondiente.
- El ARN ribosomal (ARNr), que forma parte de los ribosomas, encargados de ensamblar los aminoácidos para formar proteínas.
El Código Genético
El código genético está formado por 64 codones. De ellos, 61 codifican para 20 aminoácidos diferentes, lo que lo hace redundante o degenerado, y 3 son codones de terminación o «stop» (UAA, UAG y UGA), que indican el fin de la síntesis proteica. El codón de inicio es AUG, que codifica para la metionina. El código genético es universal (compartido por casi todos los organismos) y no ambiguo (cada codón especifica un único aminoácido).
Los aminoácidos son las unidades básicas de las proteínas. Cada ARNt transporta un aminoácido específico al ribosoma, donde su anticodón se aparea con el codón del ARNm. Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos, formando una cadena polipeptídica que luego se pliega y se transforma en una proteína funcional.
Etapas de la Traducción
La traducción se divide en tres etapas principales:
Iniciación
La subunidad menor del ribosoma se une al extremo 5′ del ARNm y se desliza hasta encontrar el codón de inicio AUG. Luego, un ARNt iniciador, que lleva el aminoácido metionina (o fMet en procariotas), se une al codón AUG por complementariedad con su anticodón. Por último, se une la subunidad mayor del ribosoma, formando un complejo de iniciación funcional con tres sitios activos: A (aminoacil), P (peptidil) y E (salida).
Elongación
Durante la elongación, el ribosoma avanza a lo largo del ARNm y se van incorporando nuevos ARNt cargados con aminoácidos. El proceso sigue este orden:
- En el sitio A, entra el ARNt con su aminoácido correspondiente.
- En el sitio P, se encuentra el ARNt que sostiene la cadena creciente de aminoácidos, y es allí donde se forma un enlace peptídico entre el nuevo aminoácido y la cadena.
- En el sitio E, el ARNt ya vacío se libera del ribosoma.
Este ciclo se repite para cada codón, haciendo que la cadena polipeptídica se alargue paso a paso.
Terminación
En la terminación, el ribosoma alcanza un codón de terminación (UAA, UAG o UGA), que no codifica ningún aminoácido. En ese momento, se une un factor de liberación, que provoca la separación de la cadena polipeptídica, ahora ya formada, del ARNt. Finalmente, se disocian las dos subunidades del ribosoma y se libera el ARNm, finalizando la síntesis de la proteína.