Fundamentos de Biología Molecular: Genoma, Replicación, Transcripción y Traducción del ADN

El Genoma y los Procesos Fundamentales de la Biología Molecular

El genoma representa la totalidad del material genético de un organismo, distribuido en diferentes compartimentos celulares. Su expresión es un proceso complejo y finamente regulado por diversos mecanismos bioquímicos.

Componentes del Genoma

• Genoma Nuclear: Comprende los nucleótidos que conforman los genes y cromosomas presentes en el núcleo celular. En humanos, se estima que contiene aproximadamente 35,000 genes.
• Genoma Mitocondrial: Consiste en una molécula de ADN circular, presente en múltiples copias dentro de las mitocondrias. Este genoma codifica proteínas mitocondriales esenciales y un total de 37 genes.

Flujo de la Información Genética: El Dogma Central de la Biología Molecular

La información genética fluye de manera secuencial, un concepto fundamental conocido como el Dogma Central de la Biología Molecular:

ADN → (Transcripción) → ARN → (Traducción) → Proteínas

Este flujo se desglosa en dos procesos principales:

1. Transcripción: Síntesis de ARN a partir de una plantilla de ADN.
2. Traducción: Formación de proteínas a partir de la información contenida en el ARN.

La Cascada de los "Ómicas"

La expresión del genoma puede visualizarse como una cascada de información molecular, que va desde el potencial genético hasta los productos funcionales y metabólicos:

• Genoma: El conjunto completo de ADN de un organismo (lo que puede expresarse).
• Transcriptoma: El conjunto total de moléculas de ARN en una célula o población de células en un momento dado (lo que se está expresando).
• Proteoma: El conjunto completo de proteínas expresadas por un organismo, célula o tejido en un momento específico (lo que es posible que se exprese y funcione).
• Metaboloma: El conjunto completo de metabolitos de bajo peso molecular presentes en una célula, tejido u organismo (lo que ha sido el resultado final de la expresión génica y la actividad proteica).

Estructura de los Genomas: Los Nucleótidos

Los genomas están formados por unidades básicas llamadas nucleótidos, que se componen de tres elementos principales:

• Grupo Fosfato: Un grupo fosfato se une al carbono 5' del azúcar.
• Azúcar (Pentosa): Una molécula de azúcar de cinco carbonos. En el ADN, es la 2'-desoxirribosa.
• Bases Nitrogenadas: Estas bases se clasifican en dos tipos:
  • Purinas: Adenina (A) y Guanina (G).
  • Pirimidinas: Citosina (C), Timina (T) (en ADN) y Uracilo (U) (en ARN).

Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster, formando cadenas en dirección 5' a 3'.

En la doble hélice del ADN, las bases nitrogenadas se emparejan de forma específica mediante puentes de hidrógeno:

• Citosina (C) y Guanina (G) se unen mediante 3 puentes de hidrógeno.
• Adenina (A) y Timina (T) se unen mediante 2 puentes de hidrógeno.

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. Este proceso es fundamental para la herencia y la división celular.

Fases de la Replicación del ADN

• Iniciación: El ADN se desenrolla en puntos específicos, llamados orígenes de replicación, y se inicia el proceso de duplicación.
• Elongación: Enzimas especializadas, como las ADN polimerasas, añaden nucleótidos complementarios a las cadenas molde preexistentes. (Nota: La metilación del ADN es un proceso epigenético que puede influir en la replicación y expresión génica, pero no es una parte directa de la elongación de la cadena).
• Terminación: Las nuevas hebras de ADN se completan y se separan las dos moléculas de ADN hijas.

Tipos de Replicación

• Replicación Unidireccional: El proceso de síntesis de ADN avanza en una sola dirección desde el origen de replicación.
• Replicación Bidireccional: La duplicación del ADN ocurre con la síntesis de dos cadenas de ADN que avanzan en ambas direcciones a partir de un único punto de origen.

Transcripción: De ADN a ARN

La transcripción es el proceso de síntesis de una molécula de ARN a partir de una plantilla de ADN. En eucariotas, este proceso se lleva a cabo principalmente en el núcleo celular.

Mecanismo de la Transcripción

• ARN Polimerasa: Es la enzima clave que sintetiza la cadena de ARN utilizando una hebra de ADN como molde.
• Factores de Transcripción: A diferencia de la replicación, la transcripción no requiere cebadores. En su lugar, utiliza factores de transcripción que se unen a regiones específicas del ADN, conocidas como zonas promotoras.
• Inicio de la Transcripción: La ARN polimerasa y los factores de transcripción reconocen y se unen a la región promotora del gen (por ejemplo, la secuencia TATA box), marcando el punto de inicio de la síntesis de ARN.
• Elongación: La ARN polimerasa se mueve a lo largo de la cadena de ADN, añadiendo nucleótidos de ARN complementarios y sintetizando la cadena de ARN.
• Terminación: La transcripción finaliza cuando la ARN polimerasa alcanza una secuencia de terminación específica en el ADN, liberando la molécula de ARN recién sintetizada.

Resumen de Fases Clave de la Transcripción

ELONGACIÓN: Síntesis de la cadena de ARN. TERMINACIÓN: La transcripción finaliza cuando se alcanza una secuencia de terminación.

Tipos de ARN Polimerasas en Eucariotas

• ARN Polimerasa I (Pol I): Sintetiza la mayoría de los ARN ribosomales (ARNr).
• ARN Polimerasa II (Pol II): Sintetiza los precursores del ARN mensajero (pre-ARNm) y algunos ARN pequeños.
• ARN Polimerasa III (Pol III): Sintetiza el ARN de transferencia (ARNt) y otros ARN pequeños, como el ARNr 5S.

Modificaciones Post-Transcipcionales del ARN

Después de la transcripción, el ARN primario (especialmente el pre-ARNm) sufre varias modificaciones antes de convertirse en ARN funcional:

1. Splicing: Proceso de eliminación de secuencias no codificantes (intrones) y unión de las secuencias codificantes (exones) para formar un ARNm maduro.
   • Espliceosoma Mayor: Reconoce sitios de corte y empalme comunes en el ARN.
   • Espliceosoma Menor: Más específico, actúa sobre sitios de corte y empalme menos comunes.
2. Capping (Adición de Caperuza 5'): Adición de una caperuza de 7-metilguanosina en el extremo 5' del ARNm, importante para la estabilidad, transporte y reconocimiento por el ribosoma.
3. Poliadenilación (Adición de Cola Poli-A): Adición de una cola de poli-adeninas (poli-A) en el extremo 3' del ARNm, que contribuye a la estabilidad y la eficiencia de la traducción.

Traducción: De ARN a Proteínas

La traducción es el proceso mediante el cual la información genética contenida en el ARNm se utiliza para sintetizar proteínas. Este proceso se lleva a cabo en el citoplasma, específicamente en los ribosomas.

Fases de la Traducción

• Iniciación: El ribosoma se ensambla alrededor del ARNm y el primer ARN de transferencia (ARNt) que lleva el aminoácido inicial (metionina).
• Elongación: Los ARNt transportan aminoácidos específicos al ribosoma, donde se añaden secuencialmente a la cadena polipeptídica en crecimiento, siguiendo el orden dictado por los codones del ARNm.
• Terminación: El proceso finaliza cuando el ribosoma encuentra un codón de terminación en el ARNm. El polipéptido completo es liberado del ribosoma y se pliega para adquirir su estructura tridimensional funcional.

Tipos Principales de ARN

• ARN Mensajero (ARNm): Lleva la información genética desde el ADN en el núcleo hasta los ribosomas en el citoplasma, sirviendo como plantilla para la síntesis de proteínas.
• ARN de Transferencia (ARNt): Transporta aminoácidos específicos a los ribosomas durante la traducción, asegurando que se incorporen en el orden correcto en la cadena polipeptídica.
• ARN Ribosomal (ARNr): Es un componente estructural y catalítico fundamental de los ribosomas, las "fábricas" de proteínas de la célula.

Marco de Lectura Abierto (ORF)

Un Marco de Lectura Abierto (ORF) es una secuencia continua de codones en una molécula de ARN (o ADN) que comienza con un codón de inicio (generalmente AUG) y termina con un codón de terminación (UAA, UAG o UGA), y que potencialmente puede ser traducida en una proteína.