Replicación del ADN: El Proceso Fundamental de Duplicación Genética

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual se generan copias exactas del material genético. Es una de las características fundamentales del ADN y se considera semiconservativa, ya que cada molécula hija conserva una cadena de la molécula original.

Inicio y Dirección de la Replicación

El proceso comienza en una secuencia específica de nucleótidos llamada origen de replicación. En procariotas, hay un solo origen, mientras que en eucariotas existen múltiples orígenes. Además, el proceso es bidireccional, ya que se generan dos horquillas de replicación que avanzan en sentidos opuestos.

Enzimas Clave en la Replicación

Diversas enzimas intervienen en la replicación del ADN:

  • Girasa: Saca un grupo fosfato de la cadena para permitir la acción de la helicasa.
  • Helicasa: Desenrrolla la doble hélice del ADN.
  • Proteínas SSB: Se depositan a ambos lados de las hebras simples para mantenerlas estables y rectas mientras actúan otras enzimas.
  • Topoisomerasa: Puede cortar una o ambas hebras del ADN para evitar el superenrollamiento.
  • Primasa (ARN polimerasa con el gen dnaG): Sintetiza los cebadores que permiten la acción de la ADN polimerasa III.
  • ADN polimerasa III: Es la enzima principal, ya que adiciona nucleótidos en sentido 5’→3’, aprovechando la energía del enlace fosfodiéster sin gastar energía adicional.
  • ADN polimerasa I: Elimina los cebadores actuando como exonucleasa (en sentido 3’→5’) y como endonucleasa (añadiendo nucleótidos).
  • ADN polimerasa II: Reemplaza a la polimerasa III si esta se daña.
  • Ligasa: Une los fragmentos de Okazaki mediante una reacción que consume energía.

Etapas de la Replicación

Las etapas principales son:

  • Síntesis: Se forman nuevas cadenas de ADN a partir de cebadores colocados por la primasa.
  • Elongación: La polimerasa III extiende estas cadenas agregando nucleótidos complementarios.
  • Eliminación: La polimerasa I remueve los cebadores de ARN y los reemplaza con ADN.
  • Ligación: La ligasa une los fragmentos generados, especialmente en la cadena discontinua.

Cadenas Adelantada y Retrasada

  • La cadena adelantada se sintetiza de forma continua en dirección 5’ a 3’.
  • La cadena retrasada se sintetiza en forma discontinua como una serie de fragmentos de Okazaki, también en dirección 5’ a 3’. Como esta dirección es opuesta al avance de la horquilla, requiere múltiples cebadores y posterior unión de los fragmentos.

Comparación entre Procariotas y Eucariotas en la Replicación

En eucariotas, la replicación ocurre dentro del núcleo. Cada burbuja de replicación se expande y se fusiona con otras hasta replicar todo el cromosoma. En procariotas, la replicación se da en el citoplasma, con un único origen de replicación sobre una molécula circular de ADN.

  • Organización del ADN: En procariotas, el ADN es circular y se encuentra en forma de plásmidos. En eucariotas, es lineal y se organiza en cromosomas mediante su combinación con proteínas histonas.
  • Orígenes de Replicación: Los procariotas tienen un único origen de replicación (OriC), una secuencia de 245 pares de bases. Los eucariotas tienen múltiples orígenes que generan burbujas de replicación.
  • Velocidad de Replicación: La velocidad varía: es de 25.000 p.b./min en procariotas y 2.500 p.b./min en eucariotas.
  • Fragmentos de Okazaki: Miden aproximadamente 1500 p.b. en procariotas y 150 p.b. en eucariotas.
  • Enzimas en Eucariotas: Además de las enzimas comunes (ligasa, topoisomerasa, helicasa, proteínas SSB, girasa), intervienen ADN polimerasas α (replica la cadena retrasada de cromosomas nucleares), β (repara cromosomas nucleares), γ (replica ADN mitocondrial, cadena adelantada), δ (replica la cadena adelantada de cromosomas nucleares), y ε (probablemente también actúa en replicación nuclear).

Resumen de la Replicación

En resumen, la replicación es un proceso semiconservativo, altamente regulado, que involucra múltiples enzimas específicas para llevar a cabo las distintas etapas de síntesis, elongación, eliminación y ligación. Garantiza la duplicación fiel del material genético tanto en células eucariotas como procariotas.

Transcripción: De ADN a ARN

La transcripción es el proceso mediante el cual se sintetiza ARN a partir de una cadena molde de ADN. Ocurre en el núcleo (en eucariotas) y está mediada por la enzima ARN polimerasa, que actúa como una holoenzima y no necesita cebador para comenzar.

Promotores y Secuencias Clave

Esta enzima se une a regiones específicas del ADN llamadas promotores, también conocidas como secuencias consenso, que contienen siempre las mismas bases nitrogenadas. Entre ellas se encuentra la caja Pribnow (secuencia TATAAT) ubicada alrededor de -10 nucleótidos antes de la base inicial, donde comienza la apertura del ADN, y otra en -35 (secuencia TTGACA), que es el punto de reconocimiento del promotor por la holoenzima.

Proceso de Transcripción

La ARN polimerasa cubre aproximadamente 70 pares de bases e inicia la síntesis de ARN una vez que el ADN se desnaturaliza. Este proceso ocurre siempre en sentido 5’→3’. A medida que la enzima avanza, incorpora ribonucleótidos complementarios utilizando como molde solo una hebra del ADN. El ARN resultante es complementario, no idéntico, a la hebra molde, y contiene uracilo (U) en lugar de timina (T).

Maduración del ARN en Eucariotas

En eucariotas, la transcripción continúa hasta que se encuentra una señal de corte, tras lo cual se libera el transcripto primario. Luego, el ARN debe pasar por el proceso de maduración para convertirse en ARNm funcional. Este proceso tiene tres etapas:

  1. Adición del CAP: Se agrega un CAP en el extremo 5’, que protege la molécula y ayuda en su salida del núcleo.
  2. Poliadenilación: Se añade la cola de poli-A en el extremo 3’, que aumenta la estabilidad del ARN.
  3. Splicing: Se eliminan los intrones (secuencias no codificantes) y se unen los exones (regiones codificantes).

Estas modificaciones permiten obtener el ARNm maduro, que saldrá del núcleo para ser traducido en el citoplasma.

Resumen de la Transcripción

En resumen, la transcripción en eucariotas está controlada por enzimas específicas, comienza en promotores definidos por secuencias consenso reconocidas por la holoenzima, y culmina con una maduración en tres pasos clave: adición del CAP, poliadenilación y splicing. Esto asegura la generación de un mensaje genético listo para la síntesis proteica.

Traducción: De ARN a Proteínas

La traducción es el proceso mediante el cual se convierte la secuencia de nucleótidos del ARN en una secuencia de aminoácidos que formarán una proteína. Este proceso ocurre en el citoplasma y participan tres tipos de ARN:

  • ARN mensajero (ARNm): Lleva la información desde el núcleo al citoplasma y contiene los codones que especifican los aminoácidos.
  • ARN ribosomal (ARNr): Forma parte de los ribosomas, estructuras donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas.
  • ARN de transferencia (ARNt): Transporta aminoácidos y los coloca en el orden correcto según la secuencia del ARNm, emparejando su anticodón con el codón correspondiente.

El Código Genético

El proceso de traducción sigue el código genético, que consiste en la correspondencia entre tripletes de nucleótidos del ARNm (codones) y aminoácidos específicos. Existen 64 codones posibles, de los cuales 61 codifican aminoácidos y 3 son señales de terminación. El código genético es:

  • Universal: Es el mismo en casi todos los seres vivos.
  • Degenerado: Varios codones pueden codificar para un mismo aminoácido.
  • Específico y no solapado: Cada codón codifica únicamente a un aminoácido, y los codones se leen de a tres, sin superponerse entre sí.

Etapas de la Traducción

La traducción tiene tres etapas:

  • Iniciación: El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. Luego, un ARNt con el aminoácido formilmetionina (fMet) se une al codón AUG del ARNm en el sitio P del ribosoma, y se acopla la subunidad mayor.
  • Elongación: Nuevos ARNt se colocan en el sitio A con ayuda de factores de elongación unidos a GTP. Se forman enlaces peptídicos entre los aminoácidos y la cadena se alarga.
  • Terminación: Cuando un codón de stop es alcanzado, actúan factores de liberación que separan la cadena polipeptídica del ARNt y disocian el ribosoma.

Diferencias entre Procariotas y Eucariotas en la Traducción

En procariotas, la traducción puede comenzar antes de que termine la transcripción. En eucariotas, ambos procesos están separados: la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma.

Resumen de la Traducción

En resumen, la traducción convierte la información del ARNm en una secuencia ordenada de aminoácidos utilizando el código genético, con la participación de los ARNt, ARNr y ARNm, formando así las proteínas necesarias para la célula.

El Dogma Central de la Biología

El dogma central de la biología molecular establece el flujo de la información genética: ADN → ARN → proteínas.