Replicación del ADN y Síntesis de Proteínas: Descifrando el Código Genético

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son polímeros formados por un conjunto de monómeros llamados nucleótidos. Estos ácidos, según su función y composición, pueden ser ADN o ARN.

Nucleótidos

Los nucleótidos son unidades peptídicas compuestas por un grupo fosfato, una pentosa (azúcar de 5 carbonos) y una base nitrogenada, la cual puede ser adenina (A), guanina (G), timina (T), citosina (C) o uracilo (U) (en caso de que se esté hablando de ARN).

Enlace Fosfodiéster 5'-3'

El enlace fosfodiéster 5'-3' indica que la pentosa se une en el carbono número 5 a un grupo fosfato y en el carbono número 3 a otro.

Watson y Crick: Descubrimiento de la Estructura del ADN

Watson y Crick postularon los siguientes principios sobre la estructura del ADN:

• El ADN es una molécula grande, larga y delgada que porta el material genético.
• Las bases nitrogenadas del ADN son complementarias, siendo la A complementaria a la T y la G complementaria a la C.
• Las proteínas en su cadena polipeptídica presentan una forma de hélice y están unidas covalentemente por puentes de hidrógeno. Se cree que en el ADN puede suceder lo mismo.
• Los rayos X demostraron que el ADN tiene la estructura de una hélice gigante.
• Hay 22 cromosomas somáticos en la célula con la misma cantidad de ADN, mientras que los gametos presentan la mitad de ADN que ellas.

Estructura Actual de la Molécula de ADN

La molécula de ADN está formada por una doble cadena de bases nitrogenadas apiladas una bajo la otra, unidas a un azúcar y un grupo fosfato. Cada cadena presenta una cantidad infinita de nucleótidos sin un orden establecido o particular. Sin embargo, ambas cadenas son opuestas, llamadas antiparalelas, y sus bases son complementarias. Por ende, la organización de los nucleótidos en una determinará la organización en la otra. Las bases complementarias están dispuestas perpendicularmente a las cadenas antiparalelas en un ángulo de 180° y unidas mediante puentes de hidrógeno, que son enlaces que se dan entre un átomo electronegativo con un átomo de hidrógeno y otro átomo negativo. Dichos puentes varían según qué bases complementarias se consideren: entre la adenina y la timina hay 2 puentes de hidrógeno que las unen, ya que hay solo 2 moléculas libres, mientras que entre guanina y citosina hay 3 moléculas libres y, por lo tanto, 3 puentes de hidrógeno entre sí. Las cadenas, al ser antiparalelas, van en sentido contrario: una va en sentido 5'-3' y la otra 3'-5'.

Modelos de Replicación del ADN

Se propusieron 3 modelos de replicación del ADN: conservativa, dispersiva y semiconservativa. La replicación resultó ser semiconservativa, ya que la doble hebra se abre y se separa, dando cada hebra lugar a una nueva molécula de ADN. Es decir, cada hebra sirve como molde para la formación de una nueva molécula de ADN, ya que por complementariedad a cada hebra se le constituirá la hebra faltante para desarrollar la doble cadena. Es semiconservativa porque una parte de la célula madre se conserva en cada célula hija.

Cebadores

Los cebadores de ARN son fundamentales en la replicación del ADN, ya que cuando la doble hebra se separa, la ADN polimerasa (enzima) debe sintetizar la hebra complementaria a cada una de ellas. Sin embargo, la ADN polimerasa no es capaz de sintetizar una nueva cadena desde cero, por lo que necesita de cebadores que le provean de una secuencia de inicio que les sirva como guía para continuar la síntesis de dicha cadena, por complementariedad de las bases.

Hebra Rezagada

La hebra rezagada se sintetiza de manera discontinua, ya que al ser bidireccional la replicación del ADN, una cadena debe ser sintetizada en sentido 5'-3'. Por lo tanto, para poder sintetizar la cadena en sentido 3'-5', debe hacerlo de a fragmentos en sentido 5'-3' con la ayuda de un cebador previo de ARN que tenga un carbono 3' libre. Los cebadores dan una secuencia de inicio sobre la cual la ADN polimerasa codifica nucleótidos hasta encontrarse con el extremo 5' del cebador y el fragmento se corta. Luego, la enzima ARNasa H reemplaza los cebadores de ARN por nucleótidos de ADN, y la enzima ligasa une los fragmentos de esta cadena rezagada, que va a un ritmo más lento que la adelantada.

Transcripción del ADN

Gen

Un gen es un fragmento del ADN que aporta el material genético y la información necesaria para sintetizar ARN.

Partes de un Gen

• Promotor: parte inicial ubicado en la caja TATA que indica dónde comienza la transcripción.
• Secuencia codificante: comienza con el proceso de transcripción de nucleótidos en ribonucleótidos, dando lugar a la formación de ARNm.
• Terminación: pone fin a la transcripción.

Proceso de Transcripción

La transcripción es el proceso por el cual se codifican nucleótidos de ADN a ARN para poder realizar luego la síntesis de proteínas. Para ello, la ARN polimerasa se coloca en la posición de la helicasa para que esta abra la doble cadena, exponiendo un fragmento de nucleótidos. Al abrirse la doble cadena (temporalmente), se le indica a la ARN polimerasa qué hebra codificar, ya que al igual que la ADN polimerasa, necesita de una hebra molde para copiar por complementariedad. Sin embargo, no precisa de un cebador, ya que uniendo dos ribonucleótidos logra comenzar a formar la cadena de ARNm. La ARN polimerasa codifica los ribonucleótidos hasta que se llega a la secuencia de terminación y se libera la cadena de ARNm.

Código Genético y Síntesis de Proteínas

Universalidad del Código Genético

El código genético (CG) es universal, ya que es el mismo para todos los seres vivos, desde E. coli hasta Homo sapiens, lo que implica que hay un origen común.

ARN de Transferencia (ARNt)

El ARNt es un conjunto de aminoácidos con ARN que se utiliza para traducir el mensaje codificado en ribonucleótidos a un aminoácido específico, a fin de sintetizar una cadena polipeptídica (proteína). El ARN de transferencia tiene un anticodón específico complementario al codón del ARNm que se aparea para luego codificarlo a aminoácido.

Proceso de Síntesis de Proteínas: Ejemplo

AUG (Met), GGC (Gly), UAU (Tyr), UGC (Cys), GGC (Gly), AAU (Asn), AAU (Asn), GGC (Gly).

Diferencias entre ADN y ARN

• ADN: doble cadena; ARN: cadena simple.
• ADN: timina; ARN: uracilo.
• ADN: siempre permanece en el núcleo; ARN: lleva la información del núcleo al citoplasma.
• ADN: pentosa desoxirribosa; ARN: ribosa.

Ley de Chargaff

La Ley de Chargaff plantea que hay bases púricas y pirimidínicas, y que estas están en la misma proporción en seres vivos de una misma especie y en diferente proporción en aquellos que no lo son.

Fenómeno Observado por Chargaff

Se observa que la proporción de A es parecida a la de T, y lo mismo con la G y la C. Esto se debe a su complementariedad, es decir, a su capacidad de formar puentes de hidrógeno. Debido a que son parecidas, estos pares de bases se complementan.

Esquemas de la Traducción

Esquema 1: Iniciación

El proceso de iniciación se da cuando la subunidad menor del ribosoma se une en el extremo 5' de una molécula de ARNm. Luego, un ARNt, con su aminoácido modificado, aparea su anticodón con el codón iniciador de la molécula de ARNm. La subunidad menor más el ARNm y el ARNt forman el complejo de iniciación, que requiere para su formación proteínas, los factores de iniciación, que se encuentran dentro de la subunidad menor. La subunidad mayor se coloca en su lugar y el ARNt con su aminoácido ocupan el sitio P de la subunidad, dejando el sitio A vacante. Una vez completo el ribosoma, comienza el proceso de elongación.

Esquema 2: Terminación

Cuando en el sitio A del ribosoma se coloca un factor de liberación debido al codón de terminación que presentó el ARNm, ningún otro ARNt ingresará al ribosoma. En ese momento, algo se activa en la enzima peptidil transferasa que hace que la cadena polipeptídica se separe del ARNt del sitio P y se libere. El ARNt también se libera y la subunidad mayor del ribosoma se separa de la menor, dando fin al proceso de traducción.

Enzimas en la Replicación del ADN

• Helicasa: encargada de abrir la doble hélice y romper los puentes de hidrógeno para que se pueda acoplar la secuencia.
• Topoisomerasa: evita que, por la tensión que se produce al separar las cadenas, estas se superenrollen.
• Proteína de unión a la cadena simple: se une a las cadenas individuales manteniéndolas separadas y evitando que se enrollen.
• Primasa: encargada de sintetizar el cebador o primer. Sin ella, no hay replicación del ADN.
• ADN polimerasa: encargada de la síntesis de ADN.
• ADNasa: es la que quita el cebador y reemplaza los nucleótidos de ARN por ADN.
• Ligasa: une los fragmentos.
• Telomerasa: añade nucleótidos a los extremos de los cromosomas, utilizando como molde la molécula de ARN que porta.

Conceptos Clave en la Replicación del ADN

Origen de Replicación

El origen de replicación es una parte del cromosoma donde se inicia el proceso de replicación. En procariontes hay uno solo y en eucariontes hay más de uno por cromosoma.

Horquilla de Replicación

La horquilla de replicación es una parte de la burbuja de replicación. Nace en el origen de replicación y se va separando, moviéndose en direcciones opuestas. Se encuentra en los dos extremos de la burbuja.

Burbuja de Replicación

La burbuja de replicación se produce a medida que se va produciendo la replicación y se extiende en forma bidireccional. Está formada por horquillas de replicación y el ADN que se está sintetizando.

Sentido de la Replicación del ADN

El sentido de la replicación del ADN es bidireccional, es decir, 5'-3' y 3'-5'. Esto se debe a que sus cadenas son antiparalelas por razones de complementariedad. Las cadenas se mueven en direcciones opuestas.

Ribosomas

Los ribosomas son ribonucleosomas, es decir, ARN ribosómico más proteínas. Están formados por dos subunidades: una mayor (cataliza la formación de los enlaces peptídicos que van uniendo aminoácidos en una cadena polipeptídica) y una menor (soporte sobre el que los ARNt pueden aparearse con los codones del ARNm). La subunidad menor se une a una molécula de ARNm en su extremo 5' y tiene dos sitios de unión para el ARNt: un sitio A (aminoacil) y uno P (peptidil). Se encargan de la síntesis de proteínas.

Tipos de ARN

• ARN ribosómico: junto con proteínas específicas, tiene la función de formar el ribosoma.
• ARN de transferencia: transporta la información en anticodones junto con el aminoácido específico que luego va a formar la cadena polipeptídica.
• ARN mensajero: se acopla con el ribosoma y provee del codón específico para que se pueda aparear con el codón del ARN de transferencia. Lleva la información del ADN al citoplasma.

Síntesis de Proteínas en Eucariontes y Procariontes

Las procariontes no tienen el ADN dividido en exones e intrones como lo tienen las eucariontes. Al tenerlo dividido de esta manera, las mutaciones que se producen en los intrones no se van a ver reflejadas, ya que mediante el proceso de splicing los intrones son eliminados. Por lo tanto, las mutaciones en procariontes siempre se ven reflejadas, mientras que en eucariontes no.

Mutaciones

Las mutaciones se producen por cambios en la secuencia de bases del ADN. Al cambiar una base por otra, puede que esa base, junto con las otras, forme un codón que, al ser codificado, corresponda al mismo aminoácido. Pero en el caso de agregar o quitar una base, eso tiene como consecuencia que no solo se altere un codón, sino todos los que le siguen luego y, por lo tanto, el producto va a ser otro.

Traducción

Iniciación

La subunidad ribosómica menor se acopla a una cadena de ARNm cerca de su extremo 5', exponiendo el codón iniciador. El primer ARNt se coloca en el sitio P y se aparea con el codón iniciador del ARNm. El codón iniciador se aparea en forma antiparalela con el anticodón del ARNt. El ARNt lleva el aminoácido correspondiente. Los factores de liberación se liberan y la subunidad ribosómica mayor se une a la menor.

Elongación

El sitio A será ocupado transitoriamente por sucesivos ARNt conectados a sus respectivos aminoácidos. La entrada al sitio A requiere la unión previa al factor de elongación. Cuando ambos sitios están ocupados, la subunidad mayor cataliza la formación de un enlace peptídico entre los aminoácidos, uniéndolos. Entonces el primer ARNt se libera y el segundo pasa a la posición P, dejando un lugar para el próximo hasta llegar al codón de terminación.

Terminación

Hay 3 codones de terminación (UAG, UAA y UGA). Como no existe ningún ARNt cuyo anticodón se aparee a estos codones, ningún ARNt podrá entrar al sitio A. Los factores de liberación separan al polipéptido del ARNt.

Aminoacil-ARNt Sintetasa

La aminoacil-ARNt sintetasa es la enzima que cataliza la unión de cada aminoácido a su molécula de ARNt específica. Es la molécula clave del código genético, ya que a partir del aminoácido que esta une al anticodón del ARNt es lo que luego va a construir un componente de la cadena polipeptídica. El código genético, al ser degenerado, permite que la aminoacil-ARNt sintetasa pueda asociar un anticodón con más de una proteína, y esto es lo que determina un factor importante.