Replicación del ADN

Introducción

Cada vez que una célula se divide, debe duplicar su material genético completo. Este proceso es llevado a cabo por una compleja maquinaria enzimática, que además debe corregir los posibles fallos del proceso y reparar los daños que se puedan ocasionar por agentes externos.

Características de la Replicación

• Se basa en la complementariedad de las bases del ADN.
• Una de las cadenas actúa como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
• La replicación de las dos hebras de ADN es bidireccional y antiparalela.
• Una hebra se sintetiza de forma continua y la otra de forma discontinua.
• Es semiconservativa (una molécula hija está formada por una cadena de la molécula madre, que actúa como molde, y una cadena recién formada).
• La dirección de la replicación es siempre en sentido 5′ → 3′.

Maquinaria de la Replicación

• ADN polimerasas: Catalizan la unión de un nucleótido al extremo libre 3′ de otro, complementario al de la cadena molde (requiere un cebador).
• Girasas: Desenrollan la doble cadena de ADN.
• Helicasas: Separan las dos hebras del ADN.
• Proteínas SSB: Estabilizan las cadenas simples de ADN durante la replicación.
• Primasa: Sintetiza el cebador (fragmento de ARN).
• Ligasa: Une los fragmentos de la cadena discontinua.

Acción de las ADN Polimerasas

• Requieren desoxirribonucleótidos trifosfatos (dNTPs) como sustrato, que proporcionan energía para la polimerización: (ADN)_n + dNTP → (ADN)_n+1 + PPi
• Tienen actividad correctora de errores por mal apareamiento de bases mediante su acción exonucleasa 3′ a 5′.
• No sintetizan ADN «de novo», requieren un extremo 3′ libre de un fragmento previamente sintetizado.

Tipos de ADN Polimerasas

En Procariotas:

• ADN polimerasa I (exonucleasa): Reparación del ADN.
• ADN polimerasa II: Reparación del ADN.
• ADN polimerasa III: Principalmente replicación y corrección de errores.

Mecanismo de Replicación

En Procariotas

• Comienza en el «oriC«, donde se unen girasa y helicasa para desenrollar y separar las hebras. Las proteínas SSB mantienen las cadenas separadas.
• Avanza bidireccionalmente desde «oriC», necesitando dos complejos de replicación (ADN polimerasa III).
• Forma la «horquilla de replicación«.
• Requiere un cebador de ARN (sintetizado por la primasa).
• Síntesis continua en la cadena adelantada y discontinua (fragmentos de Okazaki) en la cadena retrasada.
• Se forma un bucle en el complejo replicador para la síntesis simultánea.
• La ADN polimerasa I elimina el cebador y rellena con ADN.
• La ligasa une los fragmentos de la cadena retrasada.

En Eucariotas

Presenta diferencias en:

1. Empaquetamiento de la cromatina: Proceso más lento por desmontaje y síntesis de histonas.
2. Replicación de varios cromosomas largos: Numerosos puntos de origen y fragmentos de Okazaki más pequeños.
3. Maquinaria enzimática: Varios tipos de ADN polimerasas con funciones específicas.
4. Coordinación con el ciclo celular: Ciclos de vida de diferente duración.
5. Replicación de los telómeros: La telomerasa (transcriptasa inversa) evita el acortamiento de los cromosomas.

Reparación del ADN

Existen sistemas de reparación que corrigen errores y apareamientos incorrectos mediante endonucleasas, ADN polimerasa I y ADN ligasa.

Expresión del Mensaje Genético

Intervienen ARN y proteínas (enzimas, transportadoras, reguladoras…).

Un Gen

Fragmento de ADN que determina la síntesis de una molécula de ARN o una proteína.

Tipos de Genes

• Genes estructurales: Codifican proteínas responsables de un carácter.
• Genes reguladores:
  • Sintetizan rRNA, tRNA o ARN regulador.
  • Producen proteínas que regulan la actividad del ADN.

La síntesis de ARN a partir de ADN se llama transcripción, y la síntesis de una proteína a partir de ARN se llama traducción.

Transcripción

Llevada a cabo por la ARN polimerasa.

Comparación entre ARN Polimerasa y ADN Polimerasa

Semejanzas:

• Sintetizan en dirección 5′ → 3′.
• Requieren nucleótidos trifosfatados.

Diferencias:

• La ARN polimerasa no requiere cebador.
• La ARN polimerasa no puede eliminar nucleótidos mal emparejados.

Etapas de la Transcripción

1. Iniciación: Ensamblaje del complejo de iniciación en el promotor.
2. Síntesis y procesamiento del ARN: Síntesis del ARN hasta la señal de terminación y maduración del ARN.

Mecanismo de Transcripción

En Procariotas

ARN Polimerasa

Complejo proteico con subunidad σ esencial para la unión al promotor.

Promotor

Lugar de inicio de la transcripción con secuencias conservadas.

Desarrollo del Proceso

• Iniciación: Se abre la cadena de ADN y se forma el complejo promotor abierto.
• Elongación: La ARN polimerasa avanza sintetizando ARN.
• Terminación: Señal específica que detiene la transcripción.

En Eucariotas

Diferencias con procariotas:

• ARN polimerasas: ARN polimerasa I (rRNA), II (mRNA) y III (tRNA y rRNA 5s).
• Promotores: Diferentes secuencias y distancias.
• Iniciación: Requiere factores de iniciación específicos.
• ARN mensajeros: Monocistrónicos en eucariotas y policistrónicos en procariotas.
• Procesamiento postranscripcional: Maduración del mRNA en eucariotas (cap 5′, cola poli A, splicing).

Splicing

Eliminación de intrones y unión de exones mediante el espliceosoma. Genera variabilidad en las proteínas.

Desmontaje de los Nucleosomas

Presencia de histonas en eucariotas.

Diferencias entre Replicación y Transcripción

• La transcripción es selectiva y afecta a una sola hebra, mientras que la replicación afecta a todo el ADN y a ambas hebras.
• La transcripción es reiterativa, mientras que la replicación ocurre una sola vez por ciclo celular.

Regulación de la Expresión Génica

Necesidades de la Regulación

• Organismos eucariotas pluricelulares: Regulación secuencial para la diferenciación celular.
• Regulación a nivel de transcripción: Mediante secuencias en el ADN (promotores) y factores de transcripción.
• Procesos postranscripcionales: Cap 5′, cola poli A y splicing.

Regulación a Nivel de Transcripción en Procariotas

Teoría del Operón

Estructura de un Operón

• Gen operador: Se une al represor impidiendo la transcripción.
• Gen regulador: Produce el represor.
• Genes estructurales: Codifican las proteínas necesarias para el proceso.

Operón Constitutivo (ej. triptófano)

El represor se sintetiza inactivo y se activa con el triptófano, deteniendo la síntesis.

Operón Inducible (ej. lactosa)

El represor se sintetiza activo y se inactiva con la lactosa, permitiendo la transcripción de genes para su utilización.

¿Por qué hay más proteínas que genes?

Splicing alternativo, cambios postraduccionales y genes polimórficos.