Procesos de replicación, transcripción y traducción: flujo de la información genética

El ADN contiene la información para que los aminoácidos se unan y formen las proteínas. Sin embargo, la síntesis de proteínas tiene lugar en los ribosomas, y el ADN está en el núcleo; por tanto, es necesaria la existencia de una molécula que actúe como intermediaria: el ARN mensajero. Francis Crick elaboró el dogma central de la biología molecular, donde se expresa el flujo de información genética entre el ADN en el núcleo y los ribosomas en el citoplasma.

Replicación del ADN

Copia del ADN parental para formar moléculas de ADN hijas idénticas a su progenitor e idénticas entre sí. Ocurre en la fase S de la interfase del ciclo celular. El proceso consiste en la formación de una molécula de ADN usando como molde otra molécula de ADN; es semiconservativa y bidireccional. La iniciación de la síntesis de cada fragmento requiere un extremo libre proporcionado por un ARN cebador. En la síntesis se van incorporando nucleótidos con consumo de energía (ATP) y se necesitan diversas enzimas específicas.

Replicación semiconservativa

A partir de cada cadena de ADN se forma una nueva, complementaria a la que ha servido como patrón. Cada doble hélice conserva una cadena del ADN original y sintetiza una nueva.

Fases de la replicación

La replicación se inicia en un punto llamado oriC o punto de iniciación.

Iniciación

Enzimas específicas desenrollan la doble hélice. Otras enzimas rompen los puentes de hidrógeno entre bases nitrogenadas y las 2 hebras se separan. Hay proteínas que estabilizan el ADN desenrollado, impidiendo que se renaturalice o forme de nuevo la doble hélice. La separación de las 2 hebras produce una burbuja de replicación en la que hay 2 horquillas de replicación (forma de Y).

Elongación

Las enzimas polimerasas añaden nucleótidos en dirección 5'→3'. La ARN polimerasa (primasa) añade unos 10 nucleótidos de ARN para iniciar la cadena (cebador o primer). La ADN polimerasa continua añade nucleótidos de ADN complementarios a los de la cadena molde. Finalmente, otra ADN polimerasa sustituye los fragmentos de ARN. Las ligasas cierran los espacios que hay entre los 2 fragmentos (unen los nucleótidos).

Terminación

El final de la replicación se produce cuando la ADN polimerasa se encuentra con una secuencia de terminación. Se produce entonces el desacoplamiento de todas las enzimas que intervienen: las cadenas se enrollan generando las dobles hélices y finaliza la replicación.

Transcripción del ADN

Síntesis de una cadena de cualquier tipo de ARN que tiene la secuencia complementaria a una cadena de ADN que actúa como molde. En eucariotas tiene lugar en el núcleo. La hebra de ADN que se utiliza se denomina molde; la hebra complementaria se inactiva.

En el ADN se diferencian 2 regiones con distinta función:

• Región estructural: conjunto de genes que llevan la información de las proteínas que codifican.
• Región reguladora o promotor: secuencia donde se une la polimerasa para iniciar la transcripción.

Intervienen:

• Enzima: ARN polimerasa: añade nucleótidos de ARN en dirección 5'→3', aportando energía y formando la cadena de ARN.
• Nucleótidos de ARN que la polimerasa va incorporando con consumo de energía.
• Unas proteínas específicas se unen a la ARN polimerasa para que ésta pueda identificar el promotor correspondiente.

Transcripción: iniciación

Comienza en un punto de la hebra molde del ADN denominado "secuencia consenso", que son un conjunto de nucleótidos que actúan como señal y que forman parte del promotor (lugar donde se une la ARN polimerasa). La ARN polimerasa reconoce al promotor y se une a él separando las 2 hebras del ADN para que puedan entrar los nucleótidos: se forma la burbuja de transcripción. En eucariotas se necesita la presencia de ciertas proteínas llamadas factores de transcripción, que se fijan al promotor; es entonces cuando la ARN polimerasa se une a ellos y comienza la transcripción.

Transcripción: elongación

La ARN polimerasa añade nucleótidos leyendo la hebra molde e incorpora nucleótidos de ARN en dirección 5'→3'. Cuando se han unido los primeros 30 nucleótidos se une al extremo 5' una caperuza de metil-guanosina-fosfato, que:

• Protege al ARN de su degradación.
• Sirve de señal de reconocimiento para que en la traducción se una al ribosoma.

El transcrito de ARN tiene la misma información que la cadena de ADN codificante, pero contiene la base uracilo (U) en lugar de timina (T), y el azúcar de 5 carbonos es la ribosa.

Transcripción: terminación

La elongación continúa hasta que la ARN polimerasa reconoce en la hebra molde de ADN una secuencia de nucleótidos que actúa como señal de terminación. La transcripción finaliza y al ARN recién formado se le añade una cola de unos 200 nucleótidos de adenina, la cola poli-A. Su función es:

• Proteger el extremo 3' de la degradación.
• Ayudar al ARNm a salir del núcleo.

Maduración del ARN en eucariotas

En procariotas, los transcritos de ARN pueden actuar como ARN mensajeros (ARNm) inmediatamente. En eucariotas, el transcrito de un gen codificante se llama pre-ARNm y debe experimentar un proceso de maduración antes de que se produzca la traducción. Estos fragmentos de ARN recién sintetizados están formados por secuencias que llevan información para proteínas (exones) y otras secuencias que no llevan información (intrones). El proceso de maduración consiste en eliminar los intrones y unir los exones mediante un proceso de corte y empalme (splicing).

• El ARNm de eucariotas es monocistrónico: cada ARN formado lleva información para una sola proteína.
• El ARNm de procariotas puede originar varias proteínas (policistrónico) y se traduce inmediatamente; no hay proceso de maduración.

Código genético

El código genético es el sistema que nos permite relacionar la secuencia de las bases nitrogenadas de los genes codificantes y que formarán las proteínas. Para averiguar cuál era este sistema se utilizó una hipótesis: 3 bases nitrogenadas codifican 1 aminoácido, ya que el número de secuencias formadas por 3 nucleótidos de A, G, C, U son 4³ = 64, suficiente para codificar los 20 aminoácidos que forman las proteínas. A cada una de estas combinaciones de 3 nucleótidos se la llama codón.

Características

• Establece la relación entre un codón de nucleótidos del ARNm y un aminoácido durante la síntesis de las proteínas. El codón está formado por 3 nucleótidos.
• Existen 64 combinaciones de codones (4³) y 20 aminoácidos proteicos.
• Degenerado: un aminoácido puede estar codificado por más de 1 codón.
• Universal: es válido para todos los seres vivos.
• Existen 3 codones de stop: UAA, UAG, UGA. Ningún codón codifica más de 1 aminoácido.
• Los codones no se solapan: no comparten aminoácidos.
• Varias fases de lectura: en algunos organismos pueden abrirse varios puntos de iniciación en el mismo ARNm, y varios polipéptidos se sintetizan a partir de 1 ARNm.

Traducción

¿Qué es lo que se traduce? En realidad, se traduce el lenguaje del ADN, que está escrito de acuerdo con la secuencia de bases (tanto en el ADN como en el ARN), y se traduce a un nuevo lenguaje, el de los aminoácidos que formarán un polipéptido. Por eso se dice que un gen codifica un polipéptido (proteína).

Es el proceso de síntesis de proteínas llevado a cabo en los ribosomas a partir de la información aportada por el ARN mensajero, que a su vez es una copia de un gen. Se lleva a cabo en el citoplasma. Para realizar la traducción se necesitan:

• Ribosomas: lugar donde se produce la traducción.
• ARNm: transporta la información del ADN.
• Aminoácidos: componen las proteínas.
• ARNt: transporta los aminoácidos hasta los ribosomas.
• Enzimas: hacen posible la rotura y formación de enlaces.
• Energía: GTP.

Ribosomas

Subunidad mayor: es la que acoge al ARNt que transporta aminoácidos para formar la cadena polipeptídica. Existen 3 lugares de unión al ARNt:

• Sitio P: ocupado por la proteína en crecimiento.
• Sitio A: recibe los aminoácidos que se van a unir a la cadena polipeptídica.
• Sitio E: aloja al ARNt antes de abandonar el ribosoma.

Subunidad menor: es la que se une al ARNm.

ARN de transferencia (ARNt)

Existe al menos 1 ARNt para cada aminoácido proteico. Es monocatenario y en los ribosomas, según la secuencia especificada en un ARNm, se sintetizan las proteínas. Cada codón del ARNm tiene 1 anticodón complementario en el ARNt. El aminoácido que transporta el ARNt en su extremo 3' depende del anticodón (que a su vez depende del codón).

Partes:

• Brazo aceptor: formado por los extremos 5' y 3'. En el extremo 3' es donde se unirá el aminoácido que debe ser transportado hasta el ribosoma.
• Brazo T: donde se sitúa la enzima que lleva a cabo la unión del aminoácido con el ARNt (con consumo de energía).
• Brazo anticodón (brazo A): es el más importante, porque gracias a él el ARNt se une a un aminoácido específico, según la secuencia de cada codón del ARNm.

Etapas de la traducción

Activación de aminoácidos

Consiste en la unión de un aminoácido con su correspondiente ARNt. Los aminoácidos se encuentran en el citoplasma y los encargados de transportarlos hasta los ribosomas son las moléculas de ARNt. Para ello, se produce la unión de ambos mediante una enzima y con consumo de energía.

Iniciación

Se une el primer ARNt con su aminoácido correspondiente. Se une la subunidad mayor con consumo de una molécula de GTP, formando el complejo de iniciación.

Elongación

El 2.º ARNt con su aminoácido se coloca a continuación del 1.º. Se forma un enlace peptídico entre el primer aminoácido y el que se acaba de incorporar, y se rompe el enlace entre el primer aminoácido y su ARNt. Se produce la translocación del ribosoma, que se desliza por el filamento de ARNm desplazándose una posición y dejando libre un hueco para que se incorpore el siguiente aminoácido unido a su ARNt. El ARNt sin aminoácido abandona el ribosoma. Este proceso se repite hasta que la secuencia del ARN mensajero lleva un codón de stop.

Terminación

Cuando el codón del ARN mensajero que espera la llegada de un nuevo ARNt y su aminoácido es un codón de stop (señal de terminación), hemos llegado al final, ya que este codón no es reconocido por ningún ARNt; es decir, no existe ningún ARNt que lleve un anticodón complementario a las secuencias de terminación: UAA, UAG y UGA. En el sitio A se sitúan unas proteínas llamadas factores de liberación que sueltan la cadena polipeptídica del ribosoma. Una vez liberada la cadena polipeptídica: se suelta el ARNt de la subunidad mayor, se suelta el ARNm de la subunidad menor y se separan las 2 subunidades del ribosoma.

Conclusión

La síntesis completa de una proteína tarda entre 20 y 60 segundos; sin embargo, lo más importante es que la traducción de un determinado ARNm implica la participación de numerosos ribosomas actuando simultáneamente, aunque en diferentes puntos del ARNm. Esto es, una vez que el primer ribosoma se aleja unos 80 nucleótidos del codón de iniciación, un nuevo ribosoma inicia la traducción, formando lo que se conoce como polirribosoma o, simplemente, polisoma, consistente en una hebra de ARNm unida a numerosos ribosomas como si de un collar se tratase. Las 3 etapas de la síntesis de proteínas requieren energía que se obtiene de la hidrólisis del GTP.