De Genes a Proteínas: El Proceso de Traducción

La traducción es el proceso donde la información genética codificada en el mRNA se convierte en una secuencia de aminoácidos, formando una proteína. Ocurre en el citoplasma, a excepción de algunas proteínas mitocondriales y cloroplásticas, que se sintetizan en sus respectivos orgánulos. La traducción se realiza en los ribosomas.

Componentes Esenciales para la Traducción

• mRNA (RNA mensajero): Molécula de RNA de hebra simple que codifica el polipéptido. Es transcrito y procesado en el núcleo y luego exportado al citoplasma. El extremo 5′ posee sitios de unión para la iniciación de la síntesis, y el extremo 3′ regula la estabilidad del mRNA.
• Código Genético: Define la relación entre la secuencia de nucleótidos del mRNA y la secuencia de aminoácidos de la proteína. Un codón (triplete de nucleótidos) especifica un aminoácido particular. El codón de inicio es AUG (metionina), y todas las proteínas comienzan con este aminoácido. Los codones de terminación son UAA, UGA y UAG.
• tRNAs (RNAs de transferencia): Moléculas adaptadoras que unen aminoácidos específicos y reconocen los codones del mRNA.
• Ribosomas: Complejos macromoleculares donde ocurre la síntesis de proteínas.
• Proteínas accesorias: Factores de iniciación, elongación y terminación.
• Energía: Proviene de la hidrólisis de GTP.

La secuencia de ribonucleótidos del mRNA refleja la información genética del DNA, y se corresponde con la secuencia aminoacídica de la proteína. La traducción implica la interacción del mRNA, tRNA, ribosomas y factores de traducción, esenciales para la iniciación, elongación y terminación de la cadena polipeptídica.

Las proteínas, producto final de muchos genes, adquieren una conformación tridimensional determinada por su secuencia de aminoácidos. La función de las proteínas está estrechamente relacionada con su estructura tridimensional, que puede alterarse por mutaciones.

El tRNA y su Función Adaptadora

Wooble: «Flexibilidad» en el apareamiento de la base 5′ del anticodón del tRNA con la base 3′ del codón del mRNA.

Características del tRNA:

• Francis Crick predijo la existencia de una molécula «adaptadora» entre el ácido nucleico y la proteína: el tRNA.
• Son pequeños fragmentos de RNA (~75-120 nucleótidos).
• Tienen secuencias de anticodones distintas.
• Se unen a un aminoácido específico.
• Son llevados al ribosoma.
• Poseen una estructura secundaria en forma de hoja de trébol.
• Entregan aminoácidos al complejo traduccional.
• Sirven como adaptadores entre los codones del mRNA y los aminoácidos.
• Presentan 4 tallos y 3 horquillas.
• El anticodón decodifica el triplete del mRNA y se localiza en el tallo/brazo anticodón.

Carga del tRNA

Los tRNA deben unirse a un aminoácido (reacción que requiere ATP). Se forma un complejo aminoacil-adenílico, que luego se transfiere al tRNA, quedando «cargado». Este proceso es catalizado por las aminoacil-tRNA sintetasas. Hay 20 sintetasas diferentes, una para cada uno de los 20 aminoácidos. El proceso ocurre en dos pasos:

1. Activación del aminoácido.
2. Transferencia del aminoácido al tRNA.

Estos pasos son simultáneos: AA + ATP → AA-AMP + PPi; AA-AMP + tRNA → AA-tRNA + AMP

Existen dos clases de aminoacil-tRNA sintetasas:

• Clase I: Monoméricas, acilan el extremo 2’OH de la ribosa del tRNA.
• Clase II: Diméricas, acilan el extremo 3’OH de la ribosa del tRNA.

Difieren en su estructura tridimensional y en cómo reconocen el tRNA y unen el ATP.

Hay dos niveles de control para asegurar la incorporación correcta del aminoácido en la proteína:

1. La carga del aminoácido correcto en el tRNA apropiado.
2. El acoplamiento correcto del tRNA al mRNA.

El Ribosoma: La Maquinaria de Síntesis Proteica

El ribosoma está compuesto por dos subunidades:

• Subunidad Menor: El mRNA pasa por un túnel dentro de esta subunidad. Los sitios de unión al tRNA están en una hendidura. El extremo 3′ del rRNA 16S (en bacterias) participa en la unión del mRNA. Es relativamente flexible, adoptando diferentes conformaciones.
• Subunidad Mayor: El interior es principalmente RNA. Las proteínas se distribuyen en la superficie, algunas con colas que interactúan con la carga negativa del RNA.

Sitios del Ribosoma:

• Sitio A (aminoacil-tRNA): Donde se une el tRNA entrante cargado con su aminoácido.
• Sitio P (peptidil-tRNA): Donde se encuentra el tRNA unido a la cadena polipeptídica en crecimiento.
• Sitio E (salida): Donde el tRNA, ya sin su aminoácido, sale del ribosoma.

Etapas de la Síntesis de Proteínas

1. Activación: La aminoacil-tRNA sintetasa une el aminoácido activado al tRNA correspondiente (requiere ATP y Mg++).
2. Iniciación: El mRNA se une a la subunidad menor del ribosoma. El tRNA iniciador (fMet-tRNA en procariontes) se une al codón de inicio (AUG). La subunidad mayor del ribosoma se une a la menor. El tRNA iniciador se ubica en el sitio P. Requiere factores de iniciación (IF1, IF2, IF3 en procariontes), GTP y Mg++.
3. Elongación: El anticodón del siguiente tRNA se une al codón del mRNA en el sitio A. Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio A y la cadena polipeptídica del sitio P. El ribosoma se mueve un codón a lo largo del mRNA. El tRNA descargado pasa al sitio E y sale del ribosoma.
4. Terminación: Un codón de terminación (UAA, UAG o UGA) en el sitio A señala el final de la traducción. Factores de liberación se unen al sitio A y promueven la liberación de la cadena polipeptídica del tRNA. El mRNA se libera del ribosoma.

Diferencias entre la Traducción en Procariontes y Eucariontes

• En eucariontes, el proceso es más complejo.
• Los ribosomas eucariotas son más grandes.
• La transcripción y la traducción están separadas espacial y temporalmente (núcleo y citoplasma, respectivamente).
• El mRNA eucariota tiene una vida media más larga.
• Se añade una caperuza en el extremo 5′ del mRNA eucariota, lo que aumenta la eficiencia de la traducción.

Transferencia Genética y Recombinación

La transferencia genética implica el paso de DNA de un organismo donador a un receptor. El DNA se integra al genoma del receptor por recombinación, que puede ser:

• Homóloga: Secuencias homólogas de DNA (con secuencias similares) se intercambian. Intervienen proteínas como RecA.
• No homóloga: No requiere secuencias homólogas.

Mecanismos de Transferencia Genética en Bacterias

• Transformación: Captación de DNA desnudo del medio ambiente.
• Transducción: Transferencia de DNA mediada por bacteriófagos (virus que infectan bacterias). Puede ser:
  • Generalizada: Un fago lítico transfiere cualquier fragmento de DNA bacteriano.
  • Especializada: Un fago lisogénico transfiere genes bacterianos específicos adyacentes al sitio de inserción del profago.
• Conjugación: Transferencia de DNA que requiere contacto directo entre dos bacterias, mediado por un pili sexual. Puede ser:
  • Conjugación F+: Transferencia de un plásmido F (factor de fertilidad) de una célula F+ (donadora) a una F- (receptora).
  • Conjugación Hfr: Transferencia de fragmentos de DNA cromosómico de una célula Hfr (alta frecuencia de recombinación) a una F-. El plásmido F se integra en el cromosoma bacteriano.
  • Conjugación mediada por plásmidos R: Transferencia de plásmidos R (resistencia a antibióticos) de una célula donadora a una receptora.

Transposones: Elementos Genéticos Móviles

Los transposones, o «genes saltarines», son secuencias de DNA que pueden moverse dentro del genoma. Contienen secuencias de inserción y el gen de la transposasa (enzima que cataliza la transposición). Poseen repeticiones invertidas en sus extremos.

Mutaciones: Alteraciones en la Secuencia del DNA

Las mutaciones son cambios heredables en la secuencia del DNA. Pueden ser:

• Mutaciones puntuales: Afectan a un solo par de bases. Incluyen:
  • Sustituciones: Cambio de un par de bases por otro.
    • Transiciones: Purina por purina (A↔G) o pirimidina por pirimidina (C↔T). Pueden generar sustituciones sinónimas (no cambian el aminoácido).
    • Transversiones: Purina por pirimidina o viceversa. Generan sustituciones no sinónimas (cambian el aminoácido).
  • Deleciones e inserciones: Pérdida o ganancia de uno o más pares de bases.
• Mutaciones cromosómicas: Afectan a la estructura de los cromosomas (deleciones, inserciones, inversiones, translocaciones).

Según el tipo de célula afectada, las mutaciones pueden ser:

• Somáticas: Ocurren en células somáticas (no germinales) y afectan solo al individuo.
• Germinales: Ocurren en células germinales (gametos) y son heredables.

Tasa de mutación: Probabilidad de que ocurra un tipo particular de mutación por unidad de tiempo (o generación).

Frecuencia de mutación: Número de veces que una mutación particular ocurre en una población de células o individuos.

Tipos de Mutaciones y sus Consecuencias

• Mutación Revertante: Cambia un genotipo mutante a uno salvaje. La reversión al aminoácido original restablece la función. La reversión a otro aminoácido puede restablecer parcial o totalmente la función.
• Mutación Supresora: Ocurre en un sitio diferente al de la mutación original y enmascara o compensa el efecto de la primera mutación, sin revertirla. Puede ser intragénica (en el mismo gen) o intergénica (en otro gen).

Causas de las Mutaciones

• Espontáneas: Ocurren de forma natural, debido a errores en la replicación del DNA, movimiento de transposones, o cambios químicos espontáneos en las bases (depurinación, desaminación).
• Inducidas: Causadas por agentes externos, como radiaciones (rayos X, UV) o agentes químicos (análogos de bases, agentes alquilantes).

Depurinación: Pérdida de una base púrica (A o G).

Desaminación: Pérdida de un grupo amino de una base (por ejemplo, C → U). En la siguiente replicación, U se aparea con A, generando una transición C:G → T:A.

Radiaciones:

• Rayos X: Rompen enlaces covalentes en el DNA, causando mutaciones cromosómicas.
• Luz UV: Provoca la formación de dímeros de pirimidina (enlaces covalentes entre pirimidinas adyacentes en la misma hebra de DNA).

Mecanismos de Reparación del DNA

• Corrección de pruebas de la DNA polimerasa: La actividad exonucleasa 3′-5′ de la DNA polimerasa corrige errores durante la replicación.
• Fotorreactivación: La enzima fotoliasa, activada por la luz UV (320-370 nm), rompe los dímeros de pirimidina.
• Reparación por escisión de bases (BER): Eliminación de bases dañadas o modificadas.
• Reparación por escisión de nucleótidos (NER): Eliminación de fragmentos de DNA que contienen lesiones voluminosas, como dímeros de pirimidina. Proteínas específicas desenrollan y cortan el DNA dañado. La DNA polimerasa sintetiza el nuevo DNA.
• Reparación de bases mal apareadas (MMR): Corrección de errores de apareamiento que no fueron corregidos por la DNA polimerasa.
• Reparación de roturas de doble cadena (DSBR): Reparación de roturas en ambas hebras del DNA. Puede ser por recombinación homóloga o por unión de extremos no homólogos (NHEJ).
• Enzimas de reparación por demetilación: Reparan el DNA dañado por alquilación.

Regulación de la Expresión Génica

La regulación génica controla la cantidad y el momento en que se expresan los genes. Permite a las células responder a cambios en su entorno y regular procesos de desarrollo.

Mecanismos de Control de la Expresión Génica

• Control transcripcional: Regulación de la transcripción del DNA a RNA. Es el nivel de control más común.
• Control postranscripcional: Regulación del procesamiento del RNA (splicing, adición de la caperuza, poliadenilación), transporte del mRNA al citoplasma y estabilidad del mRNA.
• Control traduccional: Regulación de la traducción del mRNA a proteína.
• Control postraduccional: Regulación de la actividad de la proteína (modificaciones químicas, plegamiento, degradación).

Operones: Unidades de Regulación en Procariontes

Un operón es un conjunto de genes que se transcriben juntos en un único mRNA policistrónico (que codifica varias proteínas). Los operones permiten la regulación coordinada de genes con funciones relacionadas.

Componentes de un operón:

• Genes estructurales: Codifican las proteínas que realizan la función metabólica o estructural.
• Gen regulador: Codifica una proteína represora o activadora que regula la expresión de los genes estructurales.
• Sitios reguladores:
  • Promotor: Sitio de unión de la RNA polimerasa.
  • Operador: Sitio de unión de la proteína represora.

Los genes pueden ser:

• Inducibles: Su expresión se activa en presencia de una sustancia inductora.
• Represibles: Su expresión se inhibe en presencia de una sustancia represora.

El Operón lac de E. coli

El operón lac es un ejemplo clásico de regulación génica en bacterias. Codifica las enzimas necesarias para el metabolismo de la lactosa. Contiene tres genes estructurales (lacZ, lacY y lacA), un promotor, un operador y un gen regulador (lacI) que codifica la proteína represora LacI.

Regulación del operón lac:

• En ausencia de lactosa: La proteína represora LacI se une al operador, impidiendo la transcripción de los genes estructurales.
• En presencia de lactosa: La lactosa (o su isómero, la alolactosa) se une a la proteína represora LacI, causando un cambio conformacional que impide su unión al operador. La RNA polimerasa puede entonces unirse al promotor y transcribir los genes estructurales.
• Efecto de la glucosa: La glucosa es la fuente de carbono preferida por E. coli. En presencia de glucosa, los niveles de cAMP (adenosín monofosfato cíclico) son bajos. El cAMP es necesario para la activación completa del operón lac.
• Función de la proteína CRP (proteína receptora de cAMP): El cAMP se une a CRP, formando un complejo cAMP-CRP. Este complejo se une a un sitio específico del DNA cerca del promotor del operón lac, aumentando la afinidad de la RNA polimerasa por el promotor y activando la transcripción.

Por lo tanto, la activación máxima del operón lac requiere baja concentración de glucosa (altos niveles de cAMP) y alta concentración de lactosa.