El ADN: Portador de la Información Genética
El ADN es el portador de la información biológica. Anteriormente, no se tenía claro si la información genética residía en los ácidos nucleicos o en las proteínas. Gracias a los experimentos de Griffith y Avery y compañía, se dedujo que el ADN es el transmisor genético. Griffith mezcló bacterias rugosas vivas con bacterias lisas muertas, inyectó esta mezcla en ratones y obtuvo células lisas vivas. Luego, quiso averiguar la naturaleza de ese algo que llamó principio transformante. Avery y colaboradores demostraron que la molécula responsable era el ADN.
Teoría «Un Gen – Una Enzima»
Beadle y Tatum establecieron la existencia de una relación directa entre el ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima, proponiendo su tesis: Un gen contiene la información para que los aminoácidos se unan en un determinado orden y formen una enzima. Generalizando, decimos que el ADN tiene varios genes y cada gen tiene la información necesaria para sintetizar un tipo de proteína.
Dogma Central de la Biología Molecular (Crick, 1910)
El ADN está en el núcleo y la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas, con el ARNm de intermediario. Según el dogma central de la biología molecular, el ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división celular (replicación del ADN), transmitiendo su información al ARNm por la transcripción y este a una secuencia de aminoácidos de una proteína (traducción). Crick lo resumió así: ADN (replicación) – Transcripción – ARN – Traducción – Proteína. «La información genética contenida en el ADN se transcribe en forma de ARN y se traduce a proteínas». Existen modificaciones a este dogma, como la transcripción inversa y la replicación del ARN.
Los retrovirus (ARN monocatenario) contienen la enzima transcriptasa inversa que sintetiza la hebra de ADN complementaria del ARN vírico.
Replicación del ADN
Tiene lugar en la fase S del ciclo celular, en el núcleo de las células eucariotas y en el nucleoide de las procariotas. Su objetivo es formar dos réplicas exactas del ADN materno. La replicación del ADN es semiconservativa.
Experimento de Meselson y Stahl: El ADN es Semiconservativo
Había tres hipótesis:
- Conservativa: las dos hebras de ADN se mantienen juntas, siendo la otra totalmente nueva.
- Semiconservativa: las hebras resultantes estarían formadas por una hebra antigua y una nueva.
- Dispersiva: fragmentos de ADN nuevo y antiguo se mezclarían.
El experimento de Meselson y Stahl demostró que la hipótesis correcta es la semiconservativa.
Fases de la Replicación
Fase de Iniciación
Se inicia en un punto llamado punto de replicación, que contiene una señal específica de nucleótidos. En ese punto actúa una enzima llamada helicasa que rompe los puentes de hidrógeno de las hebras. La región donde las hebras están separadas recibe el nombre de horquilla de replicación. El proceso es bidireccional: las dos horquillas forman la burbuja de replicación. Posteriormente, actúan proteínas estabilizadoras que se unen a las hebras para evitar que se vuelvan a unir. La separación de las dos cadenas produce superenrollamientos, por lo que se unen enzimas topoisomerasas y girasas que rebajan la tensión.
Fase de Elongación
La ADN polimerasa es la enzima encargada de incorporar los nuevos nucleótidos de manera complementaria (A-T, C-G) utilizando una de las hebras como molde. La hidrólisis de los grupos fosfato produce energía suficiente para que se unan. La ADN polimerasa sintetiza en dirección 5′-3′. Para ello, la ARN polimerasa llamada primasa sintetiza pequeños fragmentos de ARN llamados cebadores o primers que son soportes para que la polimerasa pueda continuar la síntesis. Finalmente, estos cebadores serán eliminados por la propia polimerasa. El proceso se produce simultáneamente en direcciones opuestas. Una hebra se sintetiza de forma continua, mientras que la otra se hace mediante fragmentos de Okazaki que posteriormente se unirán mediante la enzima ADN ligasa.
Síntesis en sentido 5′-3′
- La ARN polimerasa sintetiza el cebador.
- La ADN polimerasa recorre las hebras y une nuevos nucleótidos de forma directa y continua.
- El cebador se elimina.
Síntesis en sentido 3′-5′
- Se realiza de forma discontinua a partir de los fragmentos de Okazaki, constituidos por cebadores.
- Primero actúa la ARN polimerasa sintetizando los cebadores.
- Después, la ADN polimerasa une los nucleótidos.
- Luego, la ADN polimerasa hidroliza los cebadores y los sustituye por ADN.
- La ADN ligasa une los fragmentos.
Diferencias entre la Replicación de Eucariotas y Procariotas
- Las células procariotas tienen un único origen de replicación.
- El ADN de las procariotas no se une a histonas.
- Los fragmentos de Okazaki son más pequeños en procariotas.
Transcripción del ADN a ARN
Es el paso de la información del ADN al ARN y tiene lugar en el núcleo. Intervienen:
- Una cadena de ADN.
- Ribonucleótidos trifosfato de ATP, CTP, GTP y UTP.
- ARN polimerasa.
Etapas de la Transcripción
Iniciación
La ARN polimerasa reconoce y se une a una zona del ADN denominada promotor, a cierta distancia del inicio de la transcripción. A continuación, se separan las dos cadenas de ADN, iniciándose el proceso de copia.
Elongación
La ARN polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al ADN, leyendo en sentido 3′-5′.
Terminación
La ARN polimerasa llega a la región terminadora que indica el final de la transcripción. Esto implica la separación de la ARN polimerasa del ARN transcrito y el cierre de la doble hélice. Una vez finalizada la transcripción, interviene la poli-A-polimerasa que añade una cola de adeninas (cola poliA) al extremo 3′ del ARN sintetizado.
Maduración
Los genes que codifican las proteínas están fragmentados. Cada gen consta de intrones (secuencias no codificantes) y exones (secuencias codificantes). La enzima RNPPN elimina las secuencias sin sentido (intrones) y une las que tienen sentido (exones).
En procariotas, el ARNm no presenta caperuza, cola poliA ni intrones.
Código Genético
El código genético es la correspondencia entre los tripletes de nucleótidos del ARNm (codones) y los aminoácidos que forman las proteínas. En los seres vivos existen 20 aminoácidos. Crick demostró que el código genético es un código de tres letras (tripletes o codones) del ARNm que codifican para un aminoácido.
El descubrimiento del código se inició por Severo Ochoa.
Características del Código Genético
- Universal: compartido por todos los organismos vivos, exceptuando alguna mitocondria o ciliado.
- Degenerado: varios tripletes codifican para el mismo aminoácido. Los codones de un mismo aminoácido difieren en la tercera base.
- Existe un codón de inicio: AUG (metionina).
- Existen tres codones de finalización o STOP: UAA, UAG, UGA.
Traducción de las Proteínas
Es la síntesis de la secuencia de aminoácidos de una proteína siguiendo el mensaje contenido en el ARNm.