Transcripción y Traducción Genética: Una Guía Completa

Genética Molecular

Transmisión y Expresión de la Información Genética

La información genética se transmite y se expresa de dos maneras principales:

• Dentro de la célula durante la interfase: ADN --> ARNm --> Proteínas.
• De la célula madre a las hijas en la fase S del ciclo celular. En la mitosis, las células hijas reciben una copia completa del ADN replicado.

Duplicación del ADN: Replicación

Durante la replicación, cada hebra de la doble hélice del ADN se separa y sirve como molde para la síntesis de una hebra complementaria. La complementariedad de bases (A-T, G-C) es fundamental en este proceso.

Replicación en Procariotas

En procariotas, la replicación del ADN es semiconservativa, lo que significa que cada una de las dos moléculas hijas de ADN conserva una de las cadenas parentales originales y una cadena recién sintetizada.

1. Apertura y Desenrollamiento de la Doble Hélice: La replicación comienza en el origen de replicación, una región específica del ADN con secuencias que actúan como señales de iniciación. La enzima helicasa, con gasto de ATP, rompe los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias, abriendo la doble hélice. Las proteínas SSB (proteínas de unión a cadena sencilla) mantienen las hebras separadas, formando la burbuja de replicación, limitada por dos horquillas de replicación. La replicación es bidireccional.
2. Síntesis de las Nuevas Hebras: Las ADN polimerasas sintetizan nuevas cadenas de ADN en dirección 5' a 3', mientras que las ARN primasas sintetizan un pequeño fragmento de ARN llamado cebador (o primer).

• La primasa sintetiza el cebador en dirección 5' a 3'.
• La ADN polimerasa III extiende el cebador, sintetizando ADN en cada horquilla de replicación. Una hebra se sintetiza de forma continua (hebra conductora) y la otra de forma discontinua en pequeños fragmentos de 1000 nucleótidos llamados fragmentos de Okazaki (hebra retardada). La replicación es semidiscontinua.
• Se reemplazan los cebadores de ARN por ADN mediante una ADN polimerasa.
• La enzima ligasa une los fragmentos de Okazaki.

Este proceso ocurre antes de cada división celular en el citoplasma.

Replicación en Eucariotas

La replicación en eucariotas es similar a la de procariotas, pero con algunas diferencias clave:

• Participan más enzimas.
• Los cromosomas son más largos y el ADN está asociado a histonas, formando nucleosomas.
• Los cromosomas presentan varios orígenes de replicación.

Este proceso ocurre durante la fase S de la interfase en el núcleo.

Sistemas de Reparación del ADN

Los cambios en la secuencia del ADN se denominan mutaciones y pueden ser causados por errores durante la replicación o por agentes externos. Para mantener la integridad del ADN, las células poseen mecanismos de reparación:

• Corrección durante la replicación: Las ADN polimerasas tienen actividad exonucleasa, lo que les permite corregir errores cometidos durante la replicación.
• Corrección post-replicación: Existen mecanismos de reparación que actúan después de la replicación para corregir errores que hayan pasado desapercibidos.

Expresión del Mensaje Genético

La expresión génica es el proceso mediante el cual la información codificada en el ADN se utiliza para sintetizar proteínas.

Gen

Un gen es un fragmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína específica.

Etapas de la Expresión Génica

1. Transcripción: La información genética del ADN se copia a una molécula de ARN mensajero (ARNm). Este proceso ocurre en el nucleoide de procariotas y en el núcleo de eucariotas, durante la interfase.
2. Traducción: La información contenida en el ARNm se utiliza para sintetizar una proteína. Este proceso ocurre en los ribosomas.

Transcripción

Durante la transcripción, la enzima ARN polimerasa se une al ADN en una región específica llamada promotor y sintetiza una molécula de ARN complementaria a una de las hebras del ADN (hebra molde).

Transcripción en Procariotas

1. Iniciación: La ARN polimerasa reconoce y se une al promotor, determinando la hebra de ADN que se transcribirá. La doble hélice se desenrolla en esa región.
2. Elongación: La ARN polimerasa se desplaza a lo largo de la hebra molde, sintetizando la molécula de ARN en dirección 5' a 3'.
3. Terminación: La ARN polimerasa reconoce una secuencia de terminación en el ADN, se separa del ADN y se libera la molécula de ARN sintetizada. La doble hélice del ADN se restaura.
4. Maduración del ARN: En procariotas, el ARNm no suele sufrir modificaciones post-transcripcionales, ya que los genes son continuos. Sin embargo, los ARN ribosómicos (ARNr) y los ARN de transferencia (ARNt) sufren procesos de corte y empalme para alcanzar su estructura final.

Transcripción en Eucariotas

La transcripción en eucariotas es similar a la de procariotas, pero con algunas diferencias importantes:

• Participan tres tipos de ARN polimerasas: ARN polimerasa I (sintetiza ARNr), ARN polimerasa II (sintetiza ARNm) y ARN polimerasa III (sintetiza ARNr y ARNt).
• Cada gen tiene su propio promotor y se transcribe individualmente.
• Los genes son discontinuos, es decir, contienen secuencias codificantes (exones) interrumpidas por secuencias no codificantes (intrones).
• El ARN transcrito primario sufre un proceso de maduración para eliminar los intrones y formar el ARNm maduro.

1. Iniciación: La ARN polimerasa II se une al promotor, que suele contener una secuencia rica en TATA (caja TATA), ubicada unos 30 nucleótidos antes del inicio del gen.
2. Elongación: La ARN polimerasa II se desplaza a lo largo de la hebra molde, sintetizando la molécula de ARN en dirección 5' a 3'. Al extremo 5' del ARNm se le añade una estructura llamada CAP.
3. Terminación: La ARN polimerasa II reconoce una secuencia de terminación en el ADN, que suele ser AATAAA. Al extremo 3' del ARNm se le añade una cola de poli-A.
4. Maduración del ARN: El ARN transcrito primario sufre un proceso de corte y empalme (splicing) para eliminar los intrones y unir los exones. El ARNm maduro es transportado al citoplasma para la traducción.

Traducción o Síntesis de Proteínas / Código Genético

La traducción es el proceso mediante el cual la información genética del ARNm se utiliza para sintetizar una proteína. Este proceso ocurre en los ribosomas y requiere la participación del ARNm, los ribosomas y los ARN de transferencia (ARNt).

Código Genético

El código genético es la relación entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos de una proteína. Cada tres nucleótidos del ARNm (codón) codifica para un aminoácido específico. El código genético tiene las siguientes características:

• Universal: Es prácticamente el mismo en todos los seres vivos.
• Degenerado: Un aminoácido puede estar codificado por más de un codón.
• No solapante: Los codones se leen de forma secuencial, sin superposiciones.

Funcionamiento del Código Genético

La correspondencia entre codones y aminoácidos se establece a través de los ARNt. Cada ARNt tiene un anticodon, que es una secuencia de tres nucleótidos complementaria a un codón del ARNm. El ARNt también lleva unido el aminoácido correspondiente a su anticodon.

Proceso de Traducción

La traducción ocurre en los ribosomas, que están formados por dos subunidades (subunidad pequeña y subunidad grande). El ribosoma tiene tres sitios de unión para el ARNt: sitio A (aminoacil), sitio P (peptidil) y sitio E (salida).

Etapas de la Traducción

1. Iniciación: La subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm cerca del codón de iniciación (AUG). El ARNt iniciador, que lleva el aminoácido metionina (Met), se une al codón de iniciación en el sitio P del ribosoma. La subunidad grande del ribosoma se une al complejo de iniciación.
2. Elongación: Un nuevo ARNt, que lleva el aminoácido correspondiente al siguiente codón del ARNm, se une al sitio A del ribosoma. Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el aminoácido del sitio A. El ribosoma se desplaza un codón hacia el extremo 3' del ARNm, moviendo el ARNt del sitio P al sitio E (donde se libera) y el ARNt del sitio A al sitio P. Este proceso se repite hasta que se llega a un codón de terminación.
3. Terminación: Cuando el ribosoma llega a un codón de terminación (UAA, UAG o UGA), se une un factor de liberación al sitio A del ribosoma. Esto provoca la liberación de la cadena polipeptídica sintetizada, la disociación del ribosoma del ARNm y la separación de las dos subunidades del ribosoma.

Modificaciones Post-Traduccionales

Después de la traducción, las proteínas pueden sufrir modificaciones post-traduccionales, como:

• Eliminación de la metionina inicial.
• Formación de puentes disulfuro.
• Glicosilación (adición de azúcares).
• Fosforilación (adición de grupos fosfato).
• Formación de estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias.

Localización de la Transcripción y la Traducción

• En procariotas, la transcripción y la traducción ocurren en el citoplasma.
• En eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción ocurre en el citoplasma.

Mutaciones

Una mutación es un cambio en la secuencia del ADN. Las mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas por agentes mutagénicos (como la radiación o ciertos productos químicos).

Consecuencias de las Mutaciones

• Mutaciones en células germinales: Se transmiten a la descendencia y pueden causar enfermedades genéticas.
• Mutaciones en células somáticas: No se transmiten a la descendencia, pero pueden causar cáncer u otras enfermedades.

Tipos de Mutaciones

Mutaciones Génicas o Puntuales

Afectan a un solo gen y pueden ser:

• Sustituciones: Se cambia un nucleótido por otro.
• Deleciones: Se pierde un nucleótido.
• Inserciones: Se añade un nucleótido.

Mutaciones Cromosómicas Estructurales

Afectan a la estructura de un cromosoma y pueden ser:

• Translocaciones: Un fragmento de un cromosoma se rompe y se une a otro cromosoma.
• Deleciones: Se pierde un fragmento de un cromosoma.
• Inversiones: Un fragmento de un cromosoma se rompe, se invierte y se vuelve a unir al mismo cromosoma.
• Duplicaciones: Un fragmento de un cromosoma se duplica.

Mutaciones Cromosómicas Numéricas o Genómicas

Afectan al número de cromosomas y pueden ser:

• Euploidía: Alteraciones en el número de juegos completos de cromosomas.
  • Monoploidía: Un solo juego de cromosomas (n).
  • Poliploidía: Más de dos juegos completos de cromosomas (3n, 4n, etc.).
• Aneuploidía: Alteraciones en el número de cromosomas individuales.
  • Trisomía: Un cromosoma extra (2n + 1).
  • Monosomía: Un cromosoma menos (2n - 1).

Ejemplos de aneuploidías:

• Síndrome de Down: Trisomía del cromosoma 21.
• Síndrome de Edwards: Trisomía del cromosoma 18.
• Síndrome de Patau: Trisomía del cromosoma 13.
• Síndrome de Turner: Monosomía del cromosoma X (mujeres).
• Síndrome del Triple X: Trisomía del cromosoma X (mujeres).
• Síndrome de Klinefelter: Un cromosoma X extra en varones (XXY).
• Síndrome del duplo Y: Un cromosoma Y extra en varones (XYY).