Replicación, Transcripción y Traducción del ADN: Procesos Celulares

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso fundamental en el que se utiliza una molécula de ADN como molde para sintetizar una nueva cadena complementaria. Este proceso requiere varios componentes clave, incluyendo sustratos, un partidor (cebador), y la maquinaria de replicación.

Componentes y Procesos Clave en la Replicación

• Partidor (Cebador): Se necesita un extremo 3'OH libre para que la ADN polimerasa inicie la replicación. La ADN polimerasa no puede iniciar la replicación sin un cebador.
• Fragmentos de Okazaki: Son fragmentos de ADN sintetizados de manera discontinua en la hebra rezagada durante la replicación.
• Helicasa: Esta enzima desenrolla la doble hélice del ADN, rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases (adenina-timina, citosina-guanina), creando la horquilla de replicación.
• Topoisomerasa: Alivia la tensión torsional del ADN, evitando el superenrollamiento mediante el corte y la reconexión de las cadenas de ADN.
• SSB (Proteínas de Unión a Cadena Simple): Evitan que las hebras separadas se vuelvan a unir.
• Primasa: Sintetiza un cebador de ARN (de aproximadamente 10 nucleótidos) necesario para iniciar la síntesis de la nueva cadena de ADN. La ADN polimerasa no puede comenzar de cero; necesita un extremo 3' libre.

Elongación

La elongación es la fase en la que se sintetizan las nuevas cadenas de ADN. La cadena líder se sintetiza de forma continua en dirección 5' a 3', moviéndose hacia la horquilla de replicación.

• ADN Polimerasa III: Es la enzima responsable de añadir nucleótidos a la cadena líder usando la hebra molde. También corrige errores durante la síntesis gracias a su actividad exonucleasa 3' a 5'.
• Cadena Retardada: Se sintetiza de forma discontinua, en fragmentos de Okazaki, en dirección opuesta al movimiento de la horquilla de replicación. Cada fragmento es iniciado por un cebador de ARN y sintetizado por la ADN polimerasa III. Posteriormente, el cebador es eliminado por la ADN polimerasa I.
• Ligasa: Se encarga de unir los fragmentos de Okazaki. Sin embargo, no rellena el espacio del extremo del cromosoma, por lo que estos se van acortando con cada replicación.

Reparación del ADN

Después de la replicación, la reparación por escisión de bases o nucleótidos puede corregir errores adicionales.

• Histonas: Forman el nucleosoma, condensan y empaquetan el ADN, y ayudan a organizar el ADN en la cromatina. También pueden ser metiladas.

Daño al ADN y Mecanismos de Reparación

Causas del Daño al ADN

Las causas del daño al ADN incluyen:

• Mutaciones Espontáneas: Errores de replicación, cambios tautoméricos, depurinación, desaminación, daño oxidativo, transposones.
• Mutaciones Inducidas: Análogos de bases, agentes alquilantes e intercalantes, radiación UV, radiación ionizante.

Tipos de Daño al ADN

• Oxidación de las Bases: El oxígeno reactivo puede oxidar las bases del ADN, provocando modificaciones que afectan el emparejamiento de bases.
• Alquilación de Bases: Adición de un grupo alquilo a las bases nitrogenadas, lo que altera su capacidad para ser leídas correctamente durante la replicación o transcripción, produciendo mutaciones.
• Hidrólisis de Bases (Desaminación, Depurinación y Depirimidación): Ruptura de enlaces covalentes.
• Desaminación: Eliminación de un grupo amino de una base nitrogenada. La citosina se transforma en uracilo. Puede ocurrir por calor, hidroxilamina, bisulfito o ácido nitroso.
• Depurinación: Pérdida de purinas (adenina o guanina) por hidrólisis.
• Depirimidación: Pérdida de pirimidinas (citosina, timina o uracilo).
• Tautomerización: Cambio en el grupo funcional, también considerado un tipo de daño al ADN.
• Dímeros de Bases: Dos bases se unen anormalmente debido a la radiación UV. Los dímeros de timina son los más comunes.

Mecanismos de Reparación del ADN

• Reparación Sobre la Marcha: Permite corregir errores durante la replicación, evitando la acumulación de mutaciones y manteniendo la estabilidad genética con alta eficiencia.
• Reparación Directa: No implica la eliminación de nucleótidos o bases. Corrige el daño sin alterar la secuencia de ADN.
  • Fotoliasa: Rompe los enlaces covalentes entre timinas. Requiere luz visible para activarse.
  • Metiltransferasa: Revierte la metilación anómala, generalmente causada por agentes alquilantes.
• Reparación por Escisión de Bases: Repara productos de desaminación de citosina y adenina.
• Reparación por Escisión de Nucleótidos: Repara lesiones de ADN que producen grandes distorsiones en la estructura helicoidal, como los dímeros de timina causados por la radiación UV. Asociada a síndromes como el de Cockayne y la xerodermia pigmentosa (XP), que conllevan un alto riesgo de desarrollar cáncer de piel.
• Reparación de Malapareamiento: Asociada al síndrome de Lynch, que predispone al cáncer de colon debido a mutaciones y pérdida de función de los genes MLH1 o MSH2, y en menor proporción, MSH6 o PMS2.
• Reparación SOS: Se activa cuando algunas lesiones producen quiebres en el ADN de doble hebra, perdiéndose la información en la hebra complementaria. Requiere recombinación homóloga. BRCA1 y BRCA2 son proteínas supresoras de tumores que se acomplejan con RAD51 (asociadas al cáncer de mama).

Transcripción del ADN

La transcripción es el proceso mediante el cual se sintetiza ARN a partir de una plantilla de ADN.

Tipos de ARN

• ARNm (ARN mensajero): Codifica proteínas y lleva la información para la síntesis de una proteína específica. Contiene entre 500 y 1000 nucleótidos, organizados en codones, cada uno específico para un aminoácido.
• ARNr (ARN ribosómico): Forma parte de los ribosomas y participa en la síntesis de proteínas.
• ARNt (ARN de transferencia): Actúa como adaptador entre el ARNm y los aminoácidos durante la síntesis de proteínas.

Etapas de la Transcripción

• Inicio: La ARN polimerasa se une a la región promotora del ADN del gen que se va a transcribir. En eucariontes, el promotor incluye una secuencia TATA reconocida por proteínas de transcripción que facilitan la unión de la ARN polimerasa II. También existe la caja CAAT. En bacterias, existen las cajas -35 y -10.
• ARN Polimerasa: Es una enzima compleja que no requiere cebador y no realiza corrección de errores. Cataliza la formación del enlace fosfodiéster.
• Elongación: Ocurre en dirección 5' a 3'. Se produce el enrollamiento río arriba (5') y el desenrollamiento río abajo (3') del ADN. La transcripción es llevada a cabo por la ARN polimerasa en E. coli.
• Terminación: En eucariontes, el ARN mensajero sufre un proceso de maduración que no ocurre en procariontes y tiene lugar en el núcleo.
  • Corte y Empalme (Splicing): Los intrones son eliminados y los exones se unen entre sí.
  • Adición de la Capucha (Capping): Se añade una caperuza de 7-metilguanosina en el extremo 5' del ARN, protegiéndolo de la degradación por exonucleasas.
  • Adición de la Cola Poli-A: Se añaden múltiples adeninas en el extremo 3', lo que es crucial para la estabilidad, exportación y traducción del ARN.
  • Se mantienen regiones no traducidas (UTR) en ambos extremos.

Producto Final de la Transcripción

El producto final es un ARN mensajero maduro que incluye la caperuza en el extremo 5', la secuencia codificante formada por los exones, la cola de poli-A en el extremo 3', y las regiones no traducidas UTR3' y UTR5'.

Traducción del ARN

La traducción es el proceso por el cual la información codificada en el ARNm se utiliza para sintetizar una proteína.

Componentes Clave en la Traducción

• ARNm: Copia la información del ADN nuclear y la transporta hasta los ribosomas.
• ARNr: Se asocia a proteínas y forma los ribosomas, donde se sintetizan las proteínas.
• ARNt: Se une a aminoácidos específicos y los transporta hasta el ribosoma para la síntesis de proteínas. Tiene entre 75 y 80 nucleótidos. Se une al aminoácido correcto en el citoplasma gracias a la enzima aminoacil-ARNt sintetasa. Transporta el aminoácido hacia el ARNm y posee un anticodón complementario al codón del ARNm, permitiendo su reconocimiento y unión mediante enlaces de hidrógeno. En procariontes, los ARNt son transcritos por la única ARN polimerasa, mientras que en eucariontes son transcritos por la ARN polimerasa III.
• Aminoacil-ARNt Sintetasa: Cataliza la unión de un aminoácido al AMP, formando un intermediario aminoacil-adenilato y liberando dos grupos fosfato (2PP). Luego, se rompe la unión aminoácido-AMP, el aminoácido se une al extremo 3' del ARNt y se libera AMP.
• AUG: Codón de inicio de la traducción.
• ARNr: Tiene entre 100 y 3000 nucleótidos. Se asocia con proteínas para formar los ribosomas.
  • Ribosoma Procarionte: 70S (subunidades 50S y 30S).
  • Ribosoma Eucarionte: 80S (subunidades 60S y 40S).
  • Los ARNr son transcritos por la ARN polimerasa I, excepto el ARNr 5S, que es transcrito por la ARN polimerasa III.

Etapas de la Traducción

• Inicio: Ensamblaje de los componentes para la síntesis de proteínas. Ocurre en el ribosoma, donde se forma el complejo de iniciación. La subunidad pequeña (40S) se une al extremo 5' del ARNm en la región no traducida (5'UTR) y busca el codón de inicio (AUG). Una vez localizado, el ARNt cargado con metionina se acopla al codón de inicio mediante su anticodón UAC. Luego, la subunidad grande se une a la pequeña, formando el ribosoma funcional.
• Elongación: La cadena polipeptídica se sintetiza de acuerdo con la secuencia del ARNm. Un ARNt entra en el sitio A, donde su anticodón se empareja con el codón del ARNm. El ribosoma cataliza la formación de un enlace peptídico (liberando una molécula de agua) entre el aminoácido del sitio A y la cadena polipeptídica unida al ARNt en el sitio P. Esta reacción es catalizada por la peptidil transferasa.
• Translocación: El ARNt del sitio A se mueve al sitio P, y el ARNt del sitio P se mueve al sitio E, donde es liberado.
• Terminación: Ocurre cuando el ribosoma alcanza un codón de parada (UAA, UAG o UGA) en el sitio A. Los factores de liberación reconocen estos codones y catalizan la hidrólisis del enlace entre el ARNt y la cadena polipeptídica en el sitio P, liberando la proteína sintetizada.