El Mecanismo de la Vida: Replicación, Transcripción y Traducción del ADN

La Replicación del ADN

El mensaje genético está escrito en el ADN. Este mensaje debe cumplir al menos dos funciones: autoreplicarse para transmitirse a la descendencia y expresarse.

Replicación Semiconservativa

Las cadenas que forman la doble hélice de ADN son complementarias. Cada una actúa como molde de la otra. En cada una de las cadenas simples se incorporan nucleótidos, formando así dos nuevas cadenas. Estas nuevas cadenas podrían actuar como moldes para otras, para ello deberían separarse, rompiendo los puentes de hidrógeno que unen las bases. Cada nueva doble hélice está compuesta por una hebra original o parental y una de nueva síntesis. Ambas son idénticas a la hélice inicial.

Enzimas y Proteínas Implicadas en la Replicación

• ADN Polimerasas: Enzimas que utilizan las cadenas parentales sencillas como molde. Añaden nucleótidos complementarios al extremo 3' para formar las cadenas nuevas. Cada nucleótido se incorpora apareándose con la base correspondiente de la cadena molde: A con T, G con C, y viceversa. Los nucleótidos precursores llegan en forma de desoxirribonucleótidos trifosfatos. La reacción es exergónica, lo que da estabilidad a la formación de la nueva cadena.
• Complejo que Mantiene Abierta la Horquilla: La replicación comienza en el origen de la replicación, una secuencia de nucleótidos reconocida por proteínas que se unen a la cadena, rompen algunos puentes de hidrógeno y abren la burbuja de replicación. Cada burbuja está formada por dos horquillas a las que se acopla un complejo que mantiene las cadenas abiertas.
• Primasa: Las ADN polimerasas no pueden iniciar una cadena por sí mismas, necesitan la ayuda de la primasa, que sintetiza pequeños fragmentos de ARN y los hibrida con las cadenas sencillas de ADN. Estos fragmentos, llamados cebadores, ofrecen un extremo libre 3’ a partir del cual las ADN polimerasas pueden añadir nucleótidos y continuar la síntesis.
• ADN Ligasa: Las ADN polimerasas solo sintetizan cadenas en dirección 5' a 3'. Dado que las cadenas de ADN son antiparalelas, las polimerasas se mueven sobre las cadenas parentales en dirección 3' a 5'. Por eso, una de las cadenas se sintetiza de forma continua (cadena líder) y la otra en pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki), la cadena retardada. La ADN ligasa une estos fragmentos para formar una hebra continua.

La Replicación en Procariotas

• Inicio: Comienza con el reconocimiento del origen de la replicación. Se abre la burbuja y se acoplan las enzimas correspondientes a cada horquilla.
• Desarrollo de la Cadena Líder: Comienza con la síntesis de un cebador de ARN por la primasa en el origen de la replicación. Este se hibrida con la cadena parental de ADN. El cebador ofrece un extremo libre 3’ a partir del cual la ADN polimerasa III añade nucleótidos sin cesar hasta el final de la síntesis. La ADN polimerasa I reemplaza el ARN del cebador por nucleótidos de ADN.
• Desarrollo de la Cadena Retardada: Comienza con un cebador de ARN algo alejado del origen de la replicación. La ADN polimerasa III añade nucleótidos hasta llegar al cebador anterior, formando un fragmento de Okazaki. La primasa forma otro cebador para que la ADN polimerasa III continúe la síntesis de otro fragmento, y así sucesivamente. La ADN polimerasa I sustituye los cebadores de ARN por ADN, y la ligasa une los fragmentos, formando una hebra continua.
• Final: Se obtienen dos dobles cadenas de ADN en forma de anillos entrelazados. Las topoisomerasas cortan uno de ellos, hacen pasar al otro por el corte y finalmente lo sueldan, terminando la replicación con dos anillos independientes.

La Replicación en Eucariotas

Ocurre en el núcleo, a diferencia de los procariotas, donde ocurre en el citoplasma. El ADN eucariota forma una cadena lineal más larga que el anillo de los procariotas y está asociado a histonas, lo que hace el proceso más lento. Las histonas de la hebra parental se asocian con la hebra continua, y en la hebra retardada se asocian histonas nuevas. Las ADN polimerasas eucariotas son más complejas, los fragmentos de Okazaki más cortos y los orígenes de replicación más numerosos, lo que exige una coordinación en el desarrollo de los bucles de replicación. La replicación ocurre durante la fase S del ciclo celular. No todos los orígenes se inician en la fase S; en la fase G1 se marcan los posibles orígenes, y según el tipo celular y las condiciones ambientales, se iniciarán unos u otros en la fase S.

La Transcripción

Es la copia de ADN a ARN. Todos los ARN se forman mediante este proceso, pero el ARN mensajero (ARNm) es el único que lleva la información genética en forma de código químico, que se traduce a proteínas. La transcripción de un gen puede producirse muchas veces a lo largo de un ciclo celular.

La Transcripción en Procariotas

Tiene lugar en el citoplasma.

• Inicio: Todos los genes del ADN poseen una secuencia corta de nucleótidos que constituye el promotor. La ARN polimerasa, con la ayuda del factor sigma, se fija al promotor, abre la doble cadena de ADN y expone las dos cadenas sencillas. El promotor marca el inicio del código que se va a transcribir. Una de las dos cadenas sencillas de ADN actúa de molde.
• Elongación: La ARN polimerasa añade ribonucleótidos complementarios sobre la cadena molde de ADN. Se forma una doble cadena híbrida temporal. Al alcanzar cierta longitud, el ARN en formación sale de la ARN polimerasa. En caso de ser ARNm, es atrapado por los ribosomas para comenzar la traducción, ya que ambos procesos son simultáneos. El factor sigma se separa de la ARN polimerasa a mitad de la síntesis para unirse a nuevas ARN polimerasas.
• Final: El final de la síntesis se produce por una secuencia específica en el ADN, el terminador, que al ser transcrito forma una estructura en forma de bucle que separa la ARN polimerasa del ADN y del ARN transcrito.

La Transcripción en Eucariotas

El mecanismo básico es semejante al de procariotas, pero con diferencias importantes. Existen varias ARN polimerasas:

• ARN polimerasa I: Transcribe la mayoría de los genes del ARNr.
• ARN polimerasa II: Transcribe los genes codificadores de proteínas, produciendo ARNm.
• ARN polimerasa III: Transcribe genes de ARN pequeños.

• Inicio: Los genes eucarióticos poseen un promotor con varias secuencias, muchos con la caja TATA. También poseen secuencias de control, los potenciadores, que pueden estar cerca o lejos del promotor. Los potenciadores distales se aproximan al promotor por proteínas que doblan el ADN. Para que la ARN polimerasa II se una al promotor, se forma el complejo de inicio de la transcripción, formado por factores de transcripción generales y específicos. Los generales ayudan a que la ARN polimerasa se fije al promotor, y los específicos se unen a los potenciadores, estimulando o inhibiendo la transcripción de determinados genes. Las proteínas mediadoras unen ambos tipos de factores.
• Desarrollo y Maduración: El complejo de inicio, junto con la ARN polimerasa II, abre la doble hélice y comienza la copia. Se añade una caperuza al extremo 5' y un complejo poliadenílico al extremo 3' del ARNm, formando el transcrito primario o pre-ARNm. El ADN eucariota presenta exones (codificadores) e intrones (no codificadores). Los espliceosomas cortan y eliminan los intrones y empalman los exones, formando el ARNm maduro, que se traslada al citoplasma.

La Traducción

Consiste en la lectura del mensaje genético y su expresión en proteínas. Intervienen: aminoácidos, enzimas, factores, GTP (energía), ARNm (mensaje), ARNt (anticodón y aminoácido) y ribosomas (ARNr, centros E, P y A).

La Traducción en Procariotas

Transcripción y traducción ocurren en el citoplasma simultáneamente, formando polirribosomas o polisomas.

• Formación del aminoacil-ARNt: Unión de un aminoácido a su ARNt correspondiente, gracias a la enzima aminoacil-ARNt sintetasa y ATP.
• Inicio: La subunidad pequeña del ribosoma reconoce el codón de inicio AUG en el ARNm. El ARNt de la metionina (anticodón UAC) se une al AUG en el centro P. Se acopla la subunidad grande, formando el complejo de iniciación.
• Elongación: El centro A recibe un nuevo aminoacil-ARNt. Se forma un enlace peptídico entre la metionina y el nuevo aminoácido gracias a la peptidil transferasa.
• Final: La elongación prosigue hasta que el centro A encuentra un codón de terminación (UAA, UAG o UGA). Se unen los factores de terminación (FR). Se desmonta el complejo ARNm-ribosoma, y la cadena polipeptídica queda libre.

La Traducción en Eucariotas

Hay algunas diferencias con la traducción en procariotas:

• El ARNm procesado pasa al citoplasma para la traducción, independiente de la transcripción.
• En el inicio, el aminoacil-ARNt de la metionina se une a la subunidad pequeña del ribosoma. Este complejo reconoce la caperuza 5' del ARNm. Recorre el ARNm hasta el AUG, se fija en el centro P, y se une la subunidad grande.
• El ADN procariota tiene genes policistrónicos (un ARNm genera varias proteínas), mientras que el eucariota es monocistrónico (un ARNm, una proteína).