Replicación, Transcripción y Traducción del ADN: Procesos y Mutaciones

Replicación del ADN

La replicación es el proceso de duplicación del ADN mediante el cual se obtienen dos copias idénticas. Su finalidad es duplicar el material genético (fase S) antes de la división celular (fase M), lo que permite su reparto equitativo entre las dos células resultantes. Es un proceso fundamental para la vida al garantizar la conservación y transmisión del material genético. Es un proceso semiconservativo y bidireccional:

• Semiconservativo. Cada molécula de ADN resultante de la replicación tiene una cadena vieja y otra de nueva síntesis.
• Bidireccional. La replicación ocurre en las dos direcciones: las dos cadenas que forman la molécula de ADN son antiparalelas y ambas se tienen que replicar.

¿En qué estructuras u orgánulos tiene lugar el proceso de replicación? En el núcleo, pero también hay ADN en las mitocondrias y en los cloroplastos de las células eucariotas en las que también se producirá este proceso.

Etapas de la Replicación del ADN

La replicación del ADN ocurre tanto en células procariotas como eucariotas.

Iniciación

Se produce el desenrollamiento y la apertura de la doble hélice: una enzima llamada helicasa rompe los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de la doble hebra de ADN y las separa. Por otro lado, interviene la enzima topoisomerasa (girasa), la cual evita las tensiones que se producen en el desenrollamiento de la cadena de ADN.

En el lugar de origen de la replicación, se forman unas burbujas de replicación en las que hay dos zonas con forma de Y, llamadas horquillas de replicación, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN y que se extienden en los dos sentidos (bidireccional). En procariotas los cromosomas tienen un único origen de replicación, mientras que en eucariotas los cromosomas, debido a su longitud, presentan múltiples orígenes de replicación.

Elongación

Las grandes protagonistas de esta fase son las enzimas ADN polimerasas que actúan recorriendo la hebra molde, seleccionando el desoxirribonucleótido cuya base es complementaria con dicha hebra y uniendo entre sí los nuevos nucleótidos. También realizan la función de eliminar nucleótidos cuyas bases están mal apareadas, es decir, tienen actividad exonucleasa. Es por ello que tienen una importante función de corrección de errores.

En cada horquilla de replicación se fabrica una hebra adelantada y una retrasada. Sea cual sea la hebra, la ADN polimerasa no puede iniciar la síntesis de una nueva cadena de ADN desde cero. Necesita un fragmento de unos diez nucleótidos de ARN, llamado cebador, que es sintetizado por una ARN polimerasa, llamada primasa. Una vez comenzada la síntesis, la propia cadena de ADN sintetizada actúa como cebador.

La ADN polimerasa recorre las hebras molde en el sentido 3'→ 5' por lo que las nuevas hebras formadas crecen (por adición de nucleótidos) en el sentido 5'→ 3'. Como las dos cadenas del ADN son antiparalelas (orientadas en direcciones opuestas), habrá variaciones en la elongación en función de la hebra de la que se trate:

• Hebra conductora: se sintetiza de manera continua y requiere un único ARN cebador.
• Hebra retrasada: la síntesis se hace de manera discontinua conforme se va abriendo la horquilla y requiere muchos ARN cebadores. Se produce la síntesis discontinua de pequeños fragmentos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki, que requieren cada cierto intervalo de ADN, de un cebador de ARN sintetizado por la primasa. Finalmente la ADN ligasa se encarga de soldar todos los fragmentos obtenidos para completar la síntesis de esta hebra.

En procariotas existen tres tipos de ADN polimerasas mientras que en eucariotas hay hasta cinco tipos de ADN polimerasas que se reparten las tareas de elongación y corrección de errores: la ADN polimerasa II lleva a cabo la síntesis de la nueva cadena de ADN durante la replicación y, posteriormente, interviene la ADN polimerasa I, que va a retirar los fragmentos de ARN del cebador y los va a sustituir por ADN. En procariotas podemos destacar que el tamaño de los fragmentos de Okazaki es de 1000 a 2000 nucleótidos mientras que en eucariotas es de 100 a 200 así como la velocidad de elongación es más lenta en eucariotas.

Terminación

En procariotas, la replicación termina cuando las horquillas de replicación llegan a un punto del cromosoma bacteriano denominado Ter. El resultado final son dos cromosomas circulares. En eucariotas hay un problema añadido al llegar al final del cromosoma (telómero) ya que al ser su ADN lineal, no circular, cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada queda incompleta. Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, lo que puede suponer la pérdida de información genética e incluso la muerte celular. Este problema lo solventa la enzima telomerasa que lleva asociado un ARN cebador que permite completar el proceso y evitar la pérdida de información.

Transcripción del ADN

La transcripción es la síntesis de una cadena de cualquier tipo de ARN (ribosómico, mensajero, transferente) que tiene la secuencia complementaria de una cadena de ADN que actúa como molde. De esta forma, es un proceso fundamental para la vida al permitir la expresión de la información genética. Su finalidad es la síntesis de los diferentes ARNs necesarios para la síntesis de proteínas. Tiene lugar en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas.

Descripción y Etapas de la Transcripción

Iniciación

De las dos cadenas de ADN, sólo una de ellas se transcribirá (cadena molde) mientras que la otra no lo hará (cadena informativa o codificante). La gran protagonista de este proceso es la enzima ARN polimerasa, la cual reconoce en la cadena molde unas señales de iniciación, denominadas promotores, que son secuencias cortas de bases nitrogenadas a las que se une la ya citada ARN polimerasa.

En los procariotas el proceso está catalizado por una sola ARN polimerasa mientras que en eucariotas lo llevan a cabo tres tipos de ARN polimerasas (I, II y III).

Elongación

La ARN polimerasa recorre la cadena molde de ADN, leyéndola en el sentido 3'→ 5' mientras sintetiza ARN en el sentido 5'→ 3'. De esta forma, la ARN polimerasa selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base (A, G, C, U) es complementaria con la de la cadena molde de ADN y lo une al siguiente nucleótido:

Complementariedad de bases

Adenina (A) → Uracilo (U)

Timina (T) → Adenina (A)

Citosina (C) → Guanina (G)

Guanina (G) → Citosina (C)

Durante la elongación en los eucariotas y tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos, se modifica el extremo 5' añadiéndole una "caperuza" encargada de proteger ese extremo de la degradación así como de unir y alinear el ARNm sobre el ribosoma en la traducción.

Terminación

La ARN polimerasa reconoce en el ADN señales de terminación que indican el final de la transcripción. Se cierra la burbuja de transcripción formada en el ADN y se separa la ARN polimerasa del ARN mensajero transcrito.

Los procariotas, al no tener núcleo definido, realizan transcripción y traducción de manera simultánea (los ribosomas se unen al ARN mensajero cuando aún se está transcribiendo).

En eucariotas, la transcripción se realiza en el núcleo y una vez separado el ARN, se modifica el extremo 3' mediante poliadenilación (incorporación de una cadena de nucleótidos de adenina, llamada cola poli-A) que estabiliza el ARN y regulará la traducción fuera del núcleo. Este ARN sintetizado, llamado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn) se exportará al citoplasma (a través de los poros nucleares) para iniciar la traducción pero antes de ello requiere una modificación conocida como maduración:

La maduración del ARNm transcrito consiste en la eliminación de intrones (partes de un gen que no determinan una secuencia de aminoácidos) y unión de exones (partes que sí lo hacen) mediante un mecanismo conocido con el nombre de splicing, es decir, de "corte y empalme".

Traducción del ARN

La traducción es la síntesis de una secuencia de aminoácidos (polipéptido) con la información proporcionada y dirigida por la secuencia de bases de la molécula del ARNm.

Su finalidad es, por tanto, la síntesis de proteínas. Tiene lugar en el citoplasma tanto de células eucariotas como células procariotas.

En la traducción intervienen todos los tipos de ARN y los ribosomas:

• ARN ribosómico. Se encuentra asociado a proteínas formando la estructura de los ribosomas, constituyendo así la base física para la síntesis de proteínas.
• ARN mensajero. Contiene y transporta el mensaje genético proporcionando la secuencia de bases que debe ser traducida a secuencia de aminoácidos en la síntesis de proteínas.
  • Codón. Grupo de tres bases consecutivas (triplete) del ARN mensajero que codifica un aminoácido.
• ARN transferente. Interviene en el proceso de traducción transportando los aminoácidos al ribosoma de forma específica para la síntesis de proteínas en función de su anticodón.

Estructura del ARNt

En la función de traducción intervienen las siguientes partes del ARNt:

• Anticodón. Región del ARN transferente que contiene un triplete de bases que reconoce y se une específicamente a un codón complementario del ARNm.
• Extremo aceptor (3'). Región del ARN transferente que se une a un aminoácido correspondiente al anticodón. El ARNt con su aminoácido unido se denomina aminoacil-ARNt.

Los ribosomas también juegan un papel crucial al ser los responsables de la síntesis de proteínas. Constan de las siguientes partes:

• Una subunidad grande y una subunidad pequeña
• Tres sitios de unión para los ARN: sitio P (peptidil), sitio A (aminoacil) y sitio E (expulsión).

Descripción y Etapas de la Traducción

Iniciación

Conducido por los factores de iniciación, un primer aminoacil-ARNt se une al sitio P de la subunidad pequeña del ribosoma para formar el complejo de iniciación.

Dicho complejo recorre la molécula de ARNm hasta que se encuentra con el codón iniciador AUG que producirá la liberación de los factores de iniciación y la unión con la subunidad grande del ribosoma.

Elongación

Consiste en el alargamiento de la cadena proteica. La secuencia de nucleótidos del ARNm se lee en sentido 5'→ 3' mientras que los aminoácidos que forman la proteína se van uniendo desde el extremo amino terminal hasta el extremo carboxilo terminal.

La elongación se inicia cuando un segundo aminoacil-ARNt (cuyo anticodón es complementario al codón situado a continuación del iniciador) entra en el sitio libre del ribosoma. A continuación, se forma un enlace peptídico entre el aminoácido que se encuentra en el sitio P y el nuevo aminoácido en el sitio A. Al formarse el enlace peptídico, el segundo ARNt queda unido por un extremo al dipéptido formado, y por el otro, al codón complementario. Finalmente, se produce la translocación del ribosoma (desplazamiento del ribosoma a lo largo del ARNm en sentido 5'→ 3'). Al ser este desplazamiento de tres bases, el primer ARNt abandona el ribosoma por el sitio E y el peptidil-ARNt pasa a ocupar el sitio P (dejando libre el sitio A al que puede incorporarse un nuevo aminoacil-ARNt para seguir alargando la proteína).

Terminación

La síntesis de la proteína se detiene cuando se produce la última translocación del ribosoma al encontrarse uno de los tres codones sin sentido o de terminación del ARNm (UAA, UGA o UAG) los cuales no corresponden a ningún aminoácido y finalizan la síntesis de proteínas. Finalmente la cadena polipeptídica formada, el ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma, que se disocia de nuevo en sus dos subunidades hasta el momento en el que se inicia una nueva síntesis.

Código Genético

El código genético es el sistema que establece una relación de correspondencia entre los tripletes del ARN mensajero y la secuencia de aminoácidos que codifica para formar proteínas. Está organizado en tripletes o codones de manera que cada grupo de tres nucleótidos o bases nitrogenadas en el ARN (triplete) determina un aminoácido. Con grupos de tres bases diferentes se pueden formar 64 tripletes para codificar los 20 aminoácidos proteicos diferentes. Realmente, solo 61 tripletes codifican aminoácidos, ya que los otros tres son de terminación.

Características del Código Genético

• Universal. Todos los organismos comparten el mismo código, es decir, un codón determinado codifica el mismo aminoácido específico en la mayoría de organismos, tanto eucariotas como procariotas. La principal excepción es el código genético mitocondrial.
• Degenerado. Hay más codones que aminoácidos, por lo que varios codones codifican el mismo aminoácido.
• Tiene una señal de inicio (suele ser el codón AUG) y una señal de terminación al llegar a los codones sin sentido o de terminación (suele ser UAA, UGA o UAG) que determinan el principio y final de la traducción. De esta manera, el proceso se lleva a cabo de tres en tres bases sin espacios vacíos entre medias, con lo que el código genético es continuo y sin solapamientos (una base nunca pertenece a dos codones a la vez).

Mutaciones

Una mutación es una alteración o cambio en la información genética (genotipo) de un ser vivo y que, por tanto, podría heredarse a la descendencia.

Tipos de Mutaciones

Según el Tipo Celular Afectado

• Mutaciones de células germinales: se heredan y, por lo tanto, afectan a la descendencia.
• Mutaciones de células somáticas: no se heredan, así que no afectan a la descendencia.

Según la Extensión de Material Genético Afectado

• Mutaciones génicas: se produce la alteración puntual en la secuencia de nucleótidos de un gen concreto. No se observan al microscopio. Pueden ocurrir de las siguientes formas:
  • Mutaciones por sustitución de bases. Éstas a su vez se pueden clasificar en transiciones (cambio de una base púrica por otra púrica, o una pirimidínica por otra pirimidínica) y transversiones (cambio de una base púrica por una pirimidínica o a la inversa).
  • Mutaciones por pérdida (deleción) o inserción de nucleótidos.
• Mutaciones cromosómicas: la alteración se extiende a varios genes de un cromosoma (un fragmento de un cromosoma). Son visibles al microscopio. Podemos diferenciar las siguientes:
  • Deleción. Un fragmento de ADN o conjunto de genes se elimina de un cromosoma.
  • Duplicación. Un fragmento de ADN o conjunto de genes aparece más de una vez en un cromosoma.
  • Inversión. Un fragmento de ADN o conjunto de genes cambia de sentido en el cromosoma.
  • Translocación: cambio de posición de un segmento de cromosoma. Si el intercambio ocurre entre dos cromosomas se denomina translocación recíproca. Si sólo hay translocación de un segmento a otro lugar del mismo cromosoma o de otros cromosomas (inserción), sin reciprocidad, se denomina transposición.
• Mutaciones genómicas: la alteración se extiende afectando al número de cromosomas. Se producen por errores en las divisiones meióticas (tanto en la primera como en la segunda), que pueden dar lugar a la formación de gametos con una dotación cromosómica errónea:
  • Aneuploidías. Alteración del número de cromosomas por ganancia o pérdida de uno o varios cromosomas. Podemos destacar la nulisomía (falta la pareja completa), monosomía (falta un cromosoma de la pareja), trisomía (hay un cromosoma de más en la pareja). El síndrome de Down, por ejemplo, es una trisomía del cromosoma 21.
  • Euploidías. Alteración en el número normal de dotaciones cromosómicas de una especie. Por un lado, podemos destacar la monoploidía o haploidía, mutación en la que el organismo sólo tiene un juego de cromosomas (n), o el caso contrario, poliploidía, en la que el organismo presenta más de un juego de cromosomas: triploidía (3n), tetraploidia (4n).

La poliploidía es inviable en humanos (abortos) pero frecuente en plantas. Las formas poliploides tienen hojas y frutos más grandes, por lo que resultan de interés económico en el sector agrícola.

Las aneuploidías y las euploidías se producen por errores en el proceso de meiosis. Si el error ocurre en la primera meiosis, el par de cromosomas homólogos no se separarán en la anafase I por lo que en la división, la misma célula se llevará a ambos. Si el error ocurre en la meiosis II, las cromátidas hermanas no se separarán en la anafase II, por lo que un gameto se llevará ambas cromátidas mientras que el otro no tendrá representación de ese cromosoma.

Según la Causa que las Produce

• Mutaciones espontáneas: se producen de forma natural como consecuencia de errores en la replicación, por lesiones al azar en el ADN o por elementos genéticos móviles.
• Mutaciones inducidas: se producen como consecuencia de la exposición a agentes mutagénicos químicos o físicos y a la acción que éstos generan en los seres vivos.

Agentes Mutagénicos

• Físicos: rayos UV y radiaciones ionizantes como rayos X, rayos gamma, etc.
• Químicos: análogos de bases (5-bromouracilo), agentes modificadores de bases (agentes alquilantes, ácido nitroso), agentes intercalantes (colorante de acridina), etc.
• Biológicos: elementos genéticos móviles, virus, etc.

Consecuencias de las Mutaciones

Las mutaciones no tienen normalmente efectos perjudiciales en los individuos ya que existen grandes extensiones en el genoma que no contienen genes, por lo que la mutación pasa desapercibida. Otras mutaciones pasan desapercibidas gracias a la degeneración del código genético por el cual, un cambio de base puede seguir dando lugar a la expresión del mismo aminoácido. Pero cuando se produce en un gen y el codón cambia su "significado" aparecen efectos perjudiciales en los individuos a corto plazo (cáncer, enfermedades genéticas...).

Una de las consecuencias perjudiciales más importantes es el cáncer. El cáncer se produce cuando estas mutaciones ocurren en genes que expresan proteínas que participan en la regulación del ciclo celular (genes supresores de tumores) o en protooncogenes (al sufrir mutación se transforman en oncogenes). Cuando esto ocurre, las células crecen de forma descontrolada y muy rápidamente, generando una masa denominada tumor. Algunos de estos tumores pueden degenerar en un tumor maligno, es decir, cáncer.

A largo plazo, las mutaciones también pueden tener efectos beneficiosos en la evolución ya que son una fuente de variabilidad genética al generar nuevos alelos. Para que se transmita a la descendencia, en un organismo pluricelular, la mutación tiene que ocurrir en la línea germinal, ya que son las células reproductoras las que transfieren la dotación genética de una generación al siguiente. Este fenómeno se considera imprescindible ya que origina variabilidad genética que permite la selección natural, adaptación, evolución y especiación (origen de nuevas especies).

Otros Mecanismos Productores de Variabilidad Genética

• Recombinación genética. Intercambio de fragmentos cromosómicos entre cromosomas homólogos. Produce gametos diferentes por formación de nuevas combinaciones de alelos durante la profase I de la meiosis (en las células germinales). Genera variabilidad genética al producir nuevas combinaciones alélicas (importante biológicamente).
• Segregación cromosómica. Separación o distribución al azar de los cromosomas paterno y materno. Produce gametos diferentes por reparto aleatorio de los cromosomas procedentes de los genomas paterno y materno al separarse los bivalentes durante la anafase I de la meiosis. Genera variabilidad genética al combinar al azar los citados cromosomas de origen paterno y materno (importante biológicamente).

Esta variabilidad presenta ventajas evolutivas ya que aumenta la posibilidad de adaptaciones a las condiciones del medio y permite la evolución de las especies.

Los organismos con reproducción asexual, sin embargo, presentarán variabilidad genética gracias a la aparición de nuevos alelos por mutaciones.