El Código Genético

El código genético comprende toda la información almacenada en el DNA. Cada uno de los 64 codones identifican a los 20 aminoácidos proteicos y a varias señales de iniciación y terminación de la síntesis proteica.

Este código genético presenta unas características que ayudan al cumplimiento de su función:

• Es universal. El código es compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo los virus; así, por ejemplo, el codón UUG codifica para el aminoácido leucina tanto en los procariontes como en los eucariontes, lo mismo que ocurre con todos los codones. Este hecho indica que el código ha tenido un solo origen evolutivo.
  Gracias a la genética molecular, recientemente se ha descubierto que esta universalidad tiene excepciones: concretamente, las mitocondrias y algunos protozoos, como Tetrahymena, utilizan un código genético ligeramente diferente.
• Es degenerado. Este término indica que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón.
  Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos; esto supone una ventaja, ya que en el caso de que se produzcan cambios en algún nucleótido, es decir, que haya mutaciones, no se tiene por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman una proteína.
• No presenta imperfección. Ningún codón codifica más de un aminoácido; lo contrario con llevaría problemas considerables, pues a partir de un gen se sintetizarían proteínas diferentes.

Transcripción

La transcripción es el proceso mediante el que se copia la información contenida en una molécula de DNA a moléculas de RNA.

En este proceso se copian segmentos de la molécula de DNA, por lo que las moléculas de RNA son siempre mucho más cortas que las de DNA. Este proceso permite, además, que unos genes se expresen con distinta eficacia que otros.

Así, se podrán obtener cantidades diferentes de distintas proteínas, aunque estén codificadas solamente una vez en el DNA. Por esta razón, en el proceso de transcripción se producirá el control de la expresión del mensaje genético celular.

Mecanismo de la transcripción

Consta de tres etapas: la iniciación, la elongación y la terminación. Tras ellas se produce la maduración del RNA.

Iniciación

Comienza cuando la RNA polimerasa reconoce en el DNA que se va a transcribir una señal que indica el inicio del proceso.

Estas señales se denominan centros promotores,

y son unas determinadas secuencias cortas de bases nitrogenadas a las que se une la RNA polimerasa.

La RNA polimerasa hace que la doble hélice de DNA se abra para permitir que quede expuesta la secuencia de bases del DNA y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir.

Elongación

Es la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el RNA.

La RNA polimerasa avanza a lo largo de la cadena de DNA en sentido 3´→ 5´, mientras que el sentido se síntesis del RNA es de 5´→ 3´. La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria con la de la cadena de DNA que actúa como molde y lo une, mediante un enlace éster, al siguiente nucleótido, desprendiéndose un grupo pirofosfato (PPi).

En los eucariotas, tras la unión de los 30 primeros ribonucleótidos se añade en el extremo 5´ una caperuza formada por metil-guanosin-fosfato, que durante la traducción será una señal de reconocimiento del inicio de lectura.

Terminación

La RNA polimerasa reconoce en el DNA unas señales de terminación que indican el final de la transcripción.

Esto implica el cierre de la burbuja formada en el DNA y

la separación de la RNA polimerasa del RNA transcrito.

Con posterioridad a la separación del RNA, una enzima (poli-A-polimerasa) añade en el extremo final 3´ una secuencia formada por unos 200 nucleótidos de adenina, llamada cola poli-A, que al parecer interviene en los procesos de maduración y transporte del RNA fuera del núcleo.

Maduración

En los procariontes, el RNAm puede ser directamente traducido y a partir de él se forma una proteína funcional, por lo tanto no hay maduración en estos organismos.

Sin embargo, cuando se trascribe el DNA que codifica los RNAr y RNAt se forma una larga molécula de RNA que contiene numerosas copias de las secuencias del RNAr y RNAt, es el transcrito primario, posteriormente es cortada en fragmentos más pequeños por enzimas específicas, para dar lugar a los distintos RNAr y RNAt.

En los eucariotas, la maduración es más compleja, ya que la mayor parte de los genes que codifican las proteínas están fragmentados.

Cada gen consta de varios fragmentos denominados intrones y exones intercalados unos con otros.

Los intrones son secuencias de bases más o menos largas que se transcriben, pero que no se traducen, es decir no codifican una secuencia de aminoácidos.

Los exones son las secuencias que se trascriben y se traducen, es decir, tienen información para formar una cadena polipeptídica.

La maduración del RNA transcrito primario, consiste en eliminar los intrones y unir los exones mediante un mecanismo que se conoce con el nombre de splicing (del inglés, empalme).

Requiere la presencia de una enzima la ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn).

El mecanismo de splicing comienza cuando las secuencias intrónicas forman unos bucles que provocan el acercamiento de los extremos y continúa con el corte de los intrones y la unión de los exones, para formar un RNAm que ya está en condiciones de salir del núcleo.

Traducción (= Síntesis de Proteínas)

Consiste básicamente en la unión de aminoácidos en un orden concreto, determinado por el orden de tripletes o codones del RNAm.

Tiene lugar en los ribosomas.

Para que tenga lugar el proceso se precisa:

• Ribosomas, donde se realiza la síntesis de proteínas.
• RNAm, que lleva la información para sintetizar cada proteína.
• Aminoácidos, que son los componentes de las proteínas.
• RNAt, que aporta los aminoácidos en el orden preciso.
• Enzimas y energía, necesarias en todas las reacciones de biosíntesis.

Comprende las siguientes etapas:

• Activación de los aminoácidos.
• Traducción: Iniciación de la síntesis. Elongación o alargamiento de la cadena polipeptídica. Finalización de la síntesis.
• Asociación de varias cadenas polipeptídicas y, a veces, de grupos prostéticos para constituir las proteínas.

Iniciación

Comienza por el triplete iniciador del RNAm (AUG), que está próximo a la caperuza 5′. Este triplete va precedido de la secuencia AGGAGG (secuencia de Shine-Dalgarno) que es la zona de unión con el ribosoma.

Se forma el complejo de iniciación con los factores de iniciación (FI) y la energía suministrada por el GTP, la subunidad menor del ribosoma reconoce la caperuza y se une al RNAm en la zona próxima al triplete o codón iniciador. Esta caperuza aporta el RNAt iniciador que a su vez aporta el aminoácido metionina. Este RNAt contiene un triplete complementario al AUG, es decir el UAC, llamado anticodón (la proteína sintetizada contiene en su extremo el aminoácido metionina)

Una vez encajado el ARNt-metionina, se liberan los FI y dejan paso a la subunidad mayor del ribosoma, formándose así el ribosoma completo y funcional.

En él hay dos sitios claves:

• Sitio P (sitio peptidil) ocupado por el ARNt-metionina
• Sitio A (sitio aminoacil) que está libre para recibir un segundo ARNt (sólo el que su anticodón coincida con el del codón del ARNm) cargado con un nuevo aminoácido.

En la actualidad se considera la existencia de un tercer lugar, sitio E (salida=exit).

Elongación de la cadena peptídica

• Entrada al sitio A, que está vacío del 2º RNAt con su 2º aminoácido, su anticodón deberá ser complementario del codón del RNAm
• Formación del enlace peptídico, entre el aa que ocupa el sitio P (Met o f-Met) y el nuevo aa; la reacción está catalizada por la enzima peptidil-transferasa, cuya actividad catalítica reside en el RNA que forma parte de la subunidad pequeña.
• Salida del lugar P del primer RNAt, pasará al sitio E. El sitio P quedará vacio. En el lugar A quedará el 2º RNAt con los dos a.a unidos.
• Cambio de posición (traslocación), de todo lo existente en A, que ahora pasará a P que quedó vacío. Al lugar A entra ahora el tercer codón. El desplazamiento es en sentido 5´→ 3´.
• Salida del sitio E del primer RNAt.

Es un proceso, el cual, mediante enlaces peptídicos va uniendo aminoácidos a la cadena peptídica. Cada vez que llega un aminoácido ocurre un proceso cíclico de elongacion

Terminación de la cadena polipeptídica

Se inicia cuando al sitio A entra un codón llamado de paro o terminación (UAA, UGA o UAG), este codón no es reconocido por ningún RNAt, es un señal para que el ribosoma entienda que se terminó la lectura del RNAm.

Este codón es reconocido por unos factores de naturaleza proteica que se sitúan en el sitio A y hacen que la peptidil-tranferasa separe, por hidrólisis, la cadena polipeptídica del último RNAt.

Sale el último RNAt del lugar P.

Una vez completada la traducción, la proteína formada, el RNAm y el RNAt abandonan el ribosoma, que se disocia en sus dos subunidades hasta el momento en que se inicie una nueva síntesis.

Replicación del DNA

Fases de la replicación

Basándose en los experimentos realizados con las bacterias E.Coli, se han desentrañado, en gran parte, la secuencia de reacciones que conducen a la replicación (= autoduplicación) del DNA

El proceso se divide en dos etapas: la fase de iniciación y la fase elongación; además durante la elongación se lleva a cabo la corrección de errores que se hayan podido producir.

Iniciación

Consiste básicamente, en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice. Se inicia en una región del DNA llamada oriC o punto de iniciación.

El punto de iniciación es reconocido por unas proteínas específicas que se unen a él. Las enzimas helicasas rompen los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y la doble hélice se abre como una cremallera.

Al abrirse la doble hélice se produce un desenrollamiento en esa zona, lo que crea en las zonas próximas unas tensiones que podrían provocar un mayor enrollamiento. Las girasas y las topoisomerasas, evitan estas tensiones rompiendo y soldando de nuevo la hélice del DNA en estos puntos.

Las proteínas SSB (del inglés Single Strand Binding-DNA, proteínas de unión a la cadena sencilla), se unen a las hebras molde e impiden que se vuelva a enrollar. Dejan libre la parte de la hebra que lleva las bases, de modo que éstas sean accesibles para otras moléculas.

Elongación

Es la fase en la que se sintetiza una nueva hebra de DNA sobre cada hebra de la doble hélice original.

En la elongación además de las enzimas anteriores intervienen las DNA polimerasas. Hay varios tipos, que se nombran como I, II y III. Su función es doble:

• Actividad polimerasa → unen entre sí los nucleótidos que forman el DNA. Las nuevas cadenas se sintetizan por unión de dexoxiribonucleótidos trifosfatos. La energía para el nuevo enlace se obtiene de la hidrólisis de los dos grupos fosfato del nucleótido entrante.
• Actividad exonucleasa → eliminan nucleótidos, cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como fragmentos de RNA.

La DNA polimerasa no puede iniciar de cero la síntesis de una nueva cadena, necesita un fragmento de unos 10 nucleótidos de RNA, denominado cebador o primer, con un extremo hidroxilo 3´ libre que permita añadir nuevos nucleótidos.

El cebador es sintetizado por una RNA polimerasa llamada primasa, una vez iniciada la síntesis es la propia cadena formada la que actúa como cebador.

Detectado el modo de acción de la DNA polimerasa, apareció un problema que impedía explicar como se desarrollaba el proceso, ya que ésta recorre las hebras molde en sentido 3´→ 5´ y va uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3´ hasta que se forman las hebras réplicas.

Las dos cadenas son antiparalelas, al formarse la horquilla de replicación, la DNA polimerasa sólo puede sintetizar nucleótidos en uno de los dos sentidos. La síntesis de la nueva hebra orientada en sentido 3´→ 5´ se realiza sin interrupciones, a esta hebra se la denomina conductora o lider.

El mecanismo de síntesis de la otra hebra orientada en sentido 5´→ 3´, o hebra retardada, fue descrito en 1973 por R. Okazaki.

Consiste en la síntesis discontínua de pequeños fragmentos de DNA de unos mil nucleótidos, fragmentos de Okazaki.

Cada uno de los fragmentos requiere un cebador de RNA sintetizado por la primasa cada ciertos intervalos.

La DNA polimerasa va eliminando el cebador y sustituyéndolo por DNA.

Finalmente, la DNA ligasa suelda todos los fragmentos obtenidos.

Corrección de errores

Durante la replicación es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que no tengan correctamente apareadas sus bases. La DNA polimerasa actúa entonces como exonucleasa y elimina los nucleótidos mal apareados.

Aunque el mecanismo es bastante eficaz, puede quedar algún nucleótido sin corregir, estos errores pueden ser muy importantes en la evolución.

Aunque el mecanismo básico de la replicación es semejante en todas las células, existen diferencias entre procariotas y eucariotas.

• Las células procariotas tienen un solo cromosoma formado por una molécula de DNA circular, donde hay un solo origen de replicación.
• Las células eucariotas tienen varios cromosomas, cada uno de los cuales contiene una molécula muy larga y lineal de DNA. En cada cromosoma hay muchos orígenes de replicación, por lo que se forman numerosas burbujas de replicación, llamadas unidades de replicación o replicones.
  Existe cinco tipos de DNA polimerasa (α, β, γ, δ y ε), que se reparten todas las tareas de la elongación y corrección de errores.
  Como cada burbuja avanza bidireccionalmente, llega a juntarse con las burbujas adyacentes y, cuando las burbujas se fusionan, la molécula de DNA que forma el cromosoma queda replicada en toda su longitud.