1. La Replicación Semiconservativa del ADN

La transmisión del mensaje genético de una generación a otra se denomina replicación del ADN. La replicación del ADN es semiconservativa, es decir, cada molécula hija está formada por una cadena de la molécula madre, que actúa como molde, y una cadena recién formada. Se confirmó dicha hipótesis gracias a un experimento llevado a cabo por Meselson y Stahl. Estos investigadores cultivaron la bacteria Escherichia coli en un medio con N(15) que tenía una densidad superior a la normal. A continuación, pasaron el cultivo a un medio normal con N(14) y descubrieron que el ADN de las células hijas poseía una densidad intermedia entre el ADN normal y el ADN con N(15). Después de dos generaciones la bacteria se separaba en dos bandas: una de densidad intermedia y otra correspondiente a la de las moléculas con N(14). La única interpretación es que la replicación es un proceso semiconservativo.

2. El Mecanismo de la Replicación

Modo de acción de las ADN polimerasas

Las ADN polimerasas son enzimas que forman los enlaces éster entre nucleótidos. Añaden al extremo 3’ los nucleótidos complementarios a los de la otra cadena, que actúa como molde. En E. coli se han descrito tres ADN polimerasas denominadas Pol I, Pol II y Pol III. Éstas requieren un cebador (fragmento de cadena preexistente, al que añaden nuevos nucleótidos). La Pol III es la enzima que realmente se encarga de la replicación. Puede llegar a adicionar del orden de 1000 nucleótidos por segundo. No actúa solo en la replicación, sino asociada a otras enzimas y proteínas para asegurar que la replicación se produzca y se dé sin errores. Son:

• Girasas: Desenrollan el ADN
• Helicasas: Separan las dos hebras del ADN
• Proteínas SSB: Estabilizan el ADN
• Primasa: Sintetiza el cebador
• Ligasa: Suelda los fragmentos de enlace tipo éster

Mecanismo de la Replicación en Procariotas

La replicación es bidireccional. Comienza en un punto que se denomina origen de replicación (oriC). Se separan las dos cadenas del ADN, la replicación va avanzando en los dos sentidos y se copian las dos hebras a la vez. Pero un primer problema es el desmontaje de la doble hélice del ADN y la separación de las dos hebras, para ello, un grupo de enzimas se encargan de desenroscar la hélice (corta los puentes fosfodiéster y los vuelve a unir) y al separar las bases nitrogenadas y un grupo de enzimas estabilizan el ADN. Un segundo problema es que las ADN polimerasas requieren una cadena a la que añaden nucleótidos por el extremo 3’. Se necesita una enzima (primasa) capaz de sintetizar una corta cadena de ARN que sirva de cebador y a partir de ella se irán añadiendo desoxinucleótidos. El tercer problema es que las polimerasas van construyendo el ADN en el sentido 5’ a 3’; está claro que la replicación avanza de oriC en ese sentido. En las células en replicación abundan unos fragmentos formados por una cadena de ARN de unos 50 nucleótidos y, a continuación, otra cadena más larga de ADN (las dos cadenas se denominan fragmentos de Okazaki). La doble hélice inicial se va replicando en los dos sentidos, formándose las horquillas de replicación. En cada horquilla, una hebra (hebra conductora: 3’-5’) se replica continuamente; la primasa (enzima que sintetiza el ARN cebador) actúa solo una vez. La otra hebra (hebra retardada) tiene que hacerlo en sentido contrario. La primasa actúa varias veces. A continuación, la Pol I elimina el ARN cebador y sustituye el ARN por ADN. Finalmente, la ligasa une los fragmentos de hebra retardada.

La Replicación en Eucariotas

1. En la replicación en eucariotas el ADN eucariótico forma parte de la cromatina. El proceso ha de ser más lento, porque se han de desmontar los octámeros de las histonas.
2. Hace falta duplicar el número de moléculas de histona para ensamblar nucleosomas sobre el ADN recién sintetizado.
3. El ADN eucariótico es de longitud mucho mayor y tienen numerosos puntos iniciales de replicación que en las procariotas.

Reparación del ADN

Las polimerasas actúan con muy pocos errores pero para corregirlos actúan las endonucleasas, que reconocen el error en la cadena nueva y rompe el enlace fosfodiéster. La ADN polimerasa I elimina el nucleótido incorrecto y se añade el correcto. Los errores no se producen solo en la replicación sino que son provocados espontáneamente

3. Expresión del Mensaje Genético

El mensaje genético tiene que estar relacionado con el funcionamiento del organismo. Un gen es un fragmento de ADN que determina la síntesis de una molécula de ARN o de una proteína (genes estructurales que sintetizan ARN). La expresión del mensaje genético en forma de moléculas de ARN recibe el nombre de transcripción. La transcripción se encarga de sintetizar ARN. La traducción consiste en la síntesis de las proteínas siguiendo el mensaje del ARN.

4. El Mecanismo de la Transcripción

La Transcripción en Procariotas

La enzima responsable de la transcripción es la ARN polimerasa. Los pasos de la transcripción son:

1. La ARN polimerasa se une al ADN en una región llamada promotor (antes del inicio del origen)
2. La ARN polimerasa va recorriendo la hebra molde del gen en sentido 3’ a 5’ añadiendo los ribonucleótidos complementarios de la hebra molde del ADN y forma así la cadena de ARN en el sentido 5’ a 3’
3. Al final, la ARN polimerasa se encuentra con una secuencia de terminación y liberan el ADN y el ARN formado.

La Transcripción en Eucariotas

Existen tres tipos de ARN polimerasa, I II y III. La ARN polimerasa I se encarga de transcribir los genes de los ARNr. La polimerasa II sintetiza ARNm y la polimerasa III transcribe los genes del ARNt y de un ARNr denominado 5S.

En las procariotas una sola molécula de ARNm lleva información para sintetizar varias proteínas (ARNm policistrónico), en eucariotas cada ARNm lleva información para una sola proteína.

El ARN, transcrito en las células eucariotas debe procesarse hasta llegar al ARNm maduro. La maduración del ARN eucariótico consiste en que el ARNm tiene intrones que son secuencias que no contienen información genética y también tienen exones que sí contienen información genética para sintetizar proteínas. En esta maduración del ARNm se eliminan los intrones y se unen solamente los exones. Los principales cambios que ocurren en la maduración son:

• Los genes estructurales poseen intrones que no contienen información genética para sintetizar proteínas.
• Se añade la caperuza en el extremo 5’, que lo protege de la degradación
• Se añade también una cola de ácido poliadenílico en el extremo 3’

Durante la transcripción hay que desmontar los nucleosomas, pues la presencia de las histonas supone un obstáculo para la acción de las ARN polimerasas.

Diferencias entre la Transcripción y la Replicación

1. La transcripción es selectiva, solo se transcriben algunas regiones del ADN
2. Se copia una sola hebra del ADN
3. La transcripción es reiterativa, es decir, un gen puede transcribirse muchas veces.