Replicación del ADN: El Proceso de Duplicación Genética

• Replicación: Proceso mediante el cual el ADN fabrica copias idénticas de sí mismo, que tiene lugar durante la fase S de la interfase.
• Replicación semiconservativa: Modelo propuesto por Watson y Crick según el cual la doble hélice del ADN se abre y las dos cadenas de nucleótidos se separan. A partir de cada una de las dos cadenas se forma una nueva que es complementaria de la que ha servido como molde. Por tanto, cada doble hélice hija está formada por una hebra de las dos originales y una de nueva síntesis.

La Replicación en Procariotas

a. Fase de Iniciación

• Es el desenrrollamiento y apertura de la doble hélice.
• En el cromosoma bacteriano hay un único punto de iniciación llamado oriC.
• En el proceso intervienen las siguientes proteínas:
  • Proteínas específicas llamadas ADN A: Se unen al oriC y forman un gran complejo ADN-proteína, cuya función es provocar la apertura de la burbuja para que entren el resto de proteínas.
  • Helicasas: Enzimas que rompen los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y que provocan que la doble hélice se abra como una cremallera.
  • Girasas y topoisomerasas: Cortan y sueldan la hélice de ADN en los extremos de la burbuja de replicación para evitar el sobreenrollamiento que tendría lugar en esa zona.
  • Las proteínas SSB se unen a las hebras molde e impiden que se vuelvan a enrollar.
• Alrededor del oriC se ha formado una burbuja de replicación, en la que hay dos zonas con forma de Y llamadas horquillas de replicación. La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en ambos sentidos; de ahí que se diga que la replicación es bidireccional.

b. Fase de Elongación

• En ella se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre cada hebra de la doble hélice original.
• Las enzimas que intervienen son las ADN polimerasas (hay tres tipos: I, II y III) y tienen una doble función:
  • Actividad polimerasa: Unen entre sí los nucleótidos que formarán el ADN. Para ello, recorren la hebra molde, seleccionan el desoxirribonucleótido cuya base es complementaria con el de la hebra molde y lo unen. Sobre todo, la ADN polimerasa III.
  • Actividad exonucleasa: Eliminan nucleótidos cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como fragmentos de ARN cebador. Sobre todo, la ADN polimerasa I.
• El mecanismo de elongación es, básicamente, el mismo en las dos hebras de ADN. Las ADN polimerasas recorren la hebra molde en sentido 3´→5´, y van uniendo nucleótidos en el extremo 3´ hasta que se forman las hebras replicadas; por lo que la nueva hebra que se va formando crece en sentido 5´→3´. Sin embargo, como las dos cadenas de ADN son antiparalelas, el proceso no es igual en las dos hebras.

Proceso de elongación en la horquilla de replicación

• Sea cual sea la hebra, la ADN polimerasa no puede iniciar de cero la síntesis de la nueva cadena, necesita un fragmento de unos 10 nucleótidos de ARN, denominado cebador o primer, con un extremo hidroxilo 3´ libre al que añadir los nuevos nucleótidos. Este cebador es sintetizado por una ARN polimerasa llamada primasa, y está formado por una secuencia de nucleótidos complementaria a la de la cadena molde en el lugar donde se inicia la replicación.
• La síntesis de las nuevas hebras es bidireccional y se realiza recorriendo las dos hebras molde en sentido 3´→5´. A estas partes de las dos cadenas se las llama hebra conductora o líder, y la síntesis se hace de forma continua y usando un único cebador.
• La otra zona de ambas cadenas, que quedan orientadas en sentido 5´→3´, se denomina hebra retardada y la síntesis de la nueva cadena es discontinua y con múltiples cebadores. La síntesis de ambas hebras se produce de forma simultánea hasta que se termina totalmente la duplicación.
• El mecanismo de síntesis de la hebra retardada fue descubierto en 1973 por Reiji Okazaki y consiste en la síntesis discontinua de pequeños fragmentos de ADN de unos 1000 a 2000 nucleótidos (fragmentos de Okazaki). Cada uno de los fragmentos requiere de un cebador. La ADN polimerasa I va eliminando el cebador y rellenando los huecos, y finalmente la ADN ligasa une todos los fragmentos obtenidos.

c. Fase de Terminación

• La replicación en los procariotas tiene un único origen y es bidireccional. Las dos horquillas van avanzando en sentidos opuestos hasta llegar a un punto del cromosoma, denominado Ter, situado en posición diametralmente opuesta al de iniciación.
• A este punto se une una proteína específica (proteína Tus) que bloquea el avance de las helicasas y la replicación termina.

La Replicación en Eucariotas

Las principales diferencias con la replicación en procariotas son:

• Los cromosomas eucariotas son muy largos, por lo que presentan múltiples orígenes de replicación que actúan todos a la vez.
• El tamaño de los fragmentos de Okazaki son más pequeños en los eucariotas, pasando de 1000-2000 nucleótidos a tan solo 100-200.
• Existen al menos 15 ADN polimerasas (como la Polα, Polβ, Polγ, Polδ, Polε…).
• Los eucariotas, simultáneamente a la replicación, van sintetizando las histonas, que no existen en los procariotas.

El Telómero y las Telomerasas

• El proceso de replicación se va completando hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero.
• Cuando se elimina el último cebador, la hebra retarda queda incompleta, ya que la ADN polimerasa no puede rellenar el hueco al no poder sintetizar en sentido 3´→5´.
• Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco con cada división, y esto puede suponer la pérdida de información genética importante que está asociada a los procesos de senescencia (envejecimiento) y muerte celular.
• Para paliar el acortamiento de los cromosomas existe una enzima, la telomerasa, que es capaz de completar el fragmento de telómero que se pierde y así mantener la longitud del mismo.
• Las telomerasas son muy activas en células de la línea germinal, las embrionarias y cancerosas, pero no lo son tanto en las células somáticas, que tras varias divisiones sucesivas el telómero se acorta y la célula se deteriora y muere.

El Flujo de Información Genética: Del Genoma a la Proteína

Tras describir la estructura del ADN, Francis Crick elaboró lo que se conoce como el “dogma central de la biología molecular” que esquematiza el flujo de información entre el ADN, localizado en el núcleo, y los ribosomas que se hallan en el citoplasma.

Este postulado se resume de la siguiente forma: la información genética contenida en el ADN pasa al ARNm durante la transcripción; este ARNm sale del núcleo y lleva la información hasta los ribosomas, donde se produce la traducción o síntesis de proteínas. En la traducción además del ARNm interviene el ARNt transportando los aminoácidos, y el ARNr, que forma los ribosomas.

En la actualidad, esta forma de expresar el flujo de información genética ha tenido que modificarse debido a los mecanismos de replicación de ciertos virus:

• Algunos virus que almacenan su información genética en forma de ARN poseen una enzima, la ARN replicasa, capaz de fabricar copias de ese ARN.
• Los retrovirus, como el VIH, almacenan su información en una molécula de ARN. Emplean la enzima transcriptasa inversa para sintetizar ADN a partir de este ARN mediante un proceso llamado transcripción inversa.

Por tanto, el actual dogma central de la biología molecular queda modificado para incluir estas vías.

Transcripción: Síntesis de ARN

a. Concepto

Es la síntesis de ARN y necesita los siguientes elementos:

• Una cadena de ADN que actúe como molde. De las dos cadenas del ADN una se transcribe (cadena molde) y la otra no (cadena informativa o codificante).
• Enzimas: las ARN polimerasas. En procariotas solo hay una que sintetiza todos los tipos de ARN y tres en los eucariotas (ARN polimerasas I, II y III).
• Ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.

b. Etapas

• Iniciación: La ARN polimerasa reconoce en la cadena molde unas secuencias de bases nitrogenadas, denominadas promotores, a las que se une.
  • En los procariotas la ARN polimerasa reconoce por sí misma el promotor y se une a él.
  • En los eucariotas se necesitan unas proteínas llamadas factores de transcripción que se fijan al promotor y la ARN polimerasa II se une a él y se inicia la transcripción.
• La ARN polimerasa hace que la doble hélice de ADN se abra y se forma la burbuja de transcripción.
• Elongación: Se produce por la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN polimerasa avanza en sentido 3´→5´ y el ARN se sintetiza en sentido 5´→3´.
• Terminación: La ARN polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción. Se cierra la burbuja y se separan la ARN polimerasa y el ARN transcrito.

c. Diferencias entre Procariotas y Eucariotas

• En eucariotas se realiza en el núcleo y una vez formado el ARN se exporta al citoplasma para su traducción. En procariotas, al carecer de núcleo, la transcripción y traducción se realizan de forma simultánea.
• En procariotas hay una sola ARN polimerasa. En eucariotas hay tres: la I interviene en la síntesis del ARNr, la II en la del ARNm y la III del ARNt.
• En eucariotas, durante la elongación, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos, se añade en el extremo 5´ una caperuza que, además de protegerlo de su degradación por ese extremo, será para el ribosoma una señal para el inicio de la traducción.
• En los procariotas la señal de terminación es una secuencia de bases palindrómica rica en G y C, que origina al final un bucle que favorece la separación del ADN.
• En los eucariotas, la ARN polimerasa transcribe regiones de ADN que exceden la longitud de la secuencia que codifica la proteína. En ciertos puntos, una enzima corta el fragmento de ARN que lleva la información. La señal de corte es una secuencia (AAUAAA), llamada señal de poliadenilación, que aparece sobre el ARN unos pocos nucleótidos antes del punto de corte.
• Después de la separación del ARN, una enzima (poli-A-polimerasa) añade en el extremo 3´ una secuencia formada por entre 150 y 200 ribonucleótidos de adenina, llamada cola poli-A que, parece ser, interviene en los procesos de maduración y transporte del ARN fuera del núcleo.

d. Maduración del ARN

A veces, los ARNm no se pueden traducir directamente, sino que necesitan un procesamiento previo o maduración postranscripcional.

• Organismos procarióticos: Su ARNm puede ser directamente traducido, y a partir de él se forma una proteína funcional. Sin embargo, para el ARNr y el ARNt se construye una larga molécula de ARN con múltiples copias de los mismos, que posteriormente es cortada en cada uno de los ARN.
• Organismos eucarióticos: La maduración del ARNm consiste en la eliminación de intrones (partes de un gen que no determinan una secuencia de aminoácidos) y la unión de exones (partes de un gen que determinan la secuencia de aminoácidos), mediante un mecanismo llamado splicing.

El Código Genético

a. Concepto

Es un “diccionario” que permite traducir la secuencia de nucleótidos del ARN en una secuencia de aminoácidos. Para descifrarlo, se propuso que cada tres bases nitrogenadas codifican un aminoácido. Esto determina 64 posibles combinaciones para los 20 aminoácidos proteicos. A estos tripletes se les denomina codones.

b. Características

• La práctica totalidad de seres vivos comparten el mismo código genético. Los 64 codones codifican a los 20 aminoácidos proteicos y a las señales de iniciación (AUG) y de terminación (UAA, UAG y UGA).
• Es universal. El código es compartido por todos los seres vivos conocidos incluidos los virus. Esto indica que el código ha tenido un solo origen evolutivo.
• No es ambiguo. Cada codón codifica a un solo aminoácido.
• Es degenerado. La mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina (Met) y el triptófano (Trp), están codificados por más de un codón (codones sinónimos). Esto es una ventaja ya que en caso de producirse una mutación y cambie un nucleótido del triplete, no tiene por qué cambiar el orden de los aminoácidos.
• Carece de solapamiento. Los tripletes se hallan dispuestos de manera lineal y continua; sin que entre ellos existan comas, ni espacios, y sin que compartan ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace en un solo sentido (5´→ 3´), desde el codón de iniciación (AUG) hasta el de finalización.
• Posibilidad de varias fases de lectura. En virus puede haber varios puntos de iniciación.

Traducción: Síntesis de Proteínas

a. Concepto

• Síntesis de proteínas mediante la unión de aminoácidos siguiendo el orden establecido por la secuencia de nucleótidos del ARNm.
• Tiene lugar en los ribosomas. El ARNm se une a la unidad grande mientras que los aminoácidos lo hacen a la pequeña. Ambas unidades se unen cuando se van a sintetizar las proteínas.
• En el ribosoma se distinguen tres lugares diferentes de unión de los ARNt: el sitio P, donde se sitúa la cadena polipeptídica en formación; el sitio A, donde entran los aminoácidos que se van a unir a la cadena proteica; y el sitio E, donde se sitúa el ARNt antes de salir del ribosoma.

b. Activación de los Aminoácidos

• Consiste en la unión de cada aminoácido con el ARNt que le corresponde (el que tenga el anticodón correspondiente).
• Ocurre en el citoplasma y es catalizado por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa con el aporte de energía del ATP. Tras la unión se forma el complejo denominado aminoacil-ARNt.
• La unión del aminoácido y su ARNt se realiza entre el grupo carboxilo del aminoácido y el grupo –OH del extremo 3´ del ARNt.

c. Etapas de la Traducción

• Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto cercano al codón iniciador (AUG). A continuación, entra en el sitio P el ARNt cuyo anticodón es complementario al codón iniciador y que lleva la Metionina. Por último, se une la subunidad grande del ribosoma y queda formado el complejo de iniciación, con el sitio A libre para el siguiente ARNt.
• Elongación: Se inicia cuando el ARNt cuyo anticodón es complementario al siguiente triplete entra en el sitio A. Se forma un enlace peptídico entre los aminoácidos que ocupan el sitio P y el sitio A. El ribosoma se desplaza sobre el ARNm exactamente tres bases y en sentido 5´→3´ (traslocación). De forma que el primer aminoácido pasa a ocupar el sitio E, el segundo ocupa el sitio P, quedando libre el sitio A para la entrada del siguiente ARNt. Este proceso se repite tantas veces como aminoácidos tenga la proteína.
• Terminación: La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando se produce la última traslocación del ribosoma y un codón de terminación ocupa el sitio A del ribosoma. Este triplete no es reconocido por ningún ARNt y sí lo es por unos factores de liberación, proteínas que hidrolizan el enlace entre el ARNt en el sitio P y el último aminoácido de la cadena polipeptídica, separándose así esta cadena del ribosoma. Una vez completada la traducción, la cadena polipeptídica, el ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma, que se disocia en sus dos unidades.

d. Proceso Final

• A medida que se van sintetizando, las proteínas adquieren la estructura secundaria y terciaria.
• Tanto en procarióticos como en eucarióticos, si el ARNm es suficientemente largo puede ser leído por más de un ribosoma a la vez formando un polirribosoma o polisoma.