Procesos Celulares Fundamentales: Replicación, Transcripción, Traducción y Más

Traducción del ARN y Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso por el cual la información codificada en el ARNm (ARN mensajero) dirige la síntesis de una proteína específica. Este proceso ocurre en los ribosomas.

• Carga de los ARNt: Cada aminoácido se une a su ARNt (ARN de transferencia) específico, que lo transportará al ribosoma.
• Iniciación:
  • Los componentes necesarios (ARNm, ribosomas, ARNt iniciador, factores de iniciación) se ensamblan.
  • El factor de iniciación 3 (IF3) se une a la subunidad menor del ribosoma, permitiendo la unión del ARNm.
  • El ARNt iniciador se une al codón de iniciación (AUG) del ARNm.
  • La subunidad mayor del ribosoma se une, completando el ensamblaje.
• Elongación:
  • Los aminoácidos se añaden uno por uno a la cadena polipeptídica en crecimiento.
  • Un ARNt cargado se une al sitio A del ribosoma; su anticodón se aparea con el codón del ARNm.
  • Se forma un enlace peptídico entre los aminoácidos unidos a los ARNt en los sitios P y A.
  • Translocación: El ribosoma se mueve en dirección 5′-3′ a lo largo del ARNm, dejando el sitio A libre para el siguiente ARNt.
• Terminación:
  • La síntesis de proteínas se detiene cuando el ribosoma encuentra un codón de terminación (UAA, UAG, UGA) en el ARNm.
  • Factores de liberación (RF) se unen al ribosoma, promoviendo la liberación de la cadena polipeptídica y la disociación del ribosoma.

Estructuras clave en la traducción:

• Ribosomas (subunidades mayor y menor)
• Aminoácidos
• ARNt
• ARNm
• Codón y anticodón
• Factores de iniciación, elongación y liberación
• Energía (GTP)

Mutaciones: Génicas, Cromosómicas y Genómicas

• Genómicas: Errores en la segregación cromosómica durante la meiosis o mitosis. Incluyen:
  • Poliploidías (conjuntos adicionales de cromosomas)
  • Aneuploidías (número anormal de cromosomas, ej., trisomía del par 21, síndrome de Down)
  • Mixoploidías (presencia de diferentes líneas celulares con distinto número de cromosomas)
• Cromosómicas: Afectan la estructura del cromosoma. Pueden ser:
  • Deleción (pérdida de un segmento cromosómico)
  • Inversión (un segmento cromosómico cambia de orientación)
  • Translocación (un segmento cromosómico se mueve a otra posición, ej., translocación robertsoniana)
  • Inserción (adición de un segmento cromosómico)
• Génicas: Cambios en la secuencia de ADN de un gen. Pueden ser:
  • Sustituciones (cambio de una base por otra)
  • Deleciones (pérdida de una o más bases)
  • Inserciones (adición de una o más bases)
  Ejemplo: Gen crema en caballos.

Apoptosis: Muerte Celular Programada

La apoptosis es un proceso ordenado de muerte celular programada, desencadenado por estímulos intracelulares (daño al ADN, aumento de radicales libres, etc.) o extracelulares (citoquinas, radiación, falta de señales hormonales). Es crucial durante el desarrollo normal de un organismo.

Proteínas clave: Caspasas, que inician una cascada proteolítica que culmina en la hidrólisis de proteínas y la activación de enzimas como las endonucleasas.

• Estímulos extracelulares: Activan la caspasa 8.
• Estímulos intracelulares: Activan proteínas pro-apoptóticas e inhiben las anti-apoptóticas.

Código Genético: Características

• Degenerado: Varios tripletes (codones) pueden codificar el mismo aminoácido.
• Universal: El mismo triplete codifica el mismo aminoácido en diferentes especies.
• Sin comas: La lectura del ARNm se realiza de forma continua, sin pausas.
• En tripletes: Cada tres nucleótidos determinan un aminoácido.
• No solapado: Un nucleótido pertenece a un único triplete.

Componentes de los Ácidos Nucleicos

• Base nitrogenada: Compuestos cíclicos que contienen nitrógeno. Pueden ser púricas (adenina, guanina) o pirimidínicas (citosina, timina, uracilo).
• Nucleósido: Base nitrogenada unida a una pentosa (ribosa o desoxirribosa).
• Nucleótido: Nucleósido unido a un grupo fosfato.
• Polinucleótido: Cadena de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster (entre el carbono 3′ de un nucleótido y el carbono 5′ del siguiente).
• ADN: Doble cadena de nucleótidos unida por puentes de hidrógeno entre bases complementarias (A-T, C-G).

Tipos de ARN y Procesamiento del ARN en Eucariotas

Tipos de ARN:

• ARN funcionales (no se traducen a proteína):
  • ARN ribosómico (ARNr): Forma parte de los ribosomas.
  • ARN transferente (ARNt): Transporta aminoácidos durante la traducción.
  • ARN nuclear pequeño (ARNsn): Participa en el procesamiento de los transcritos en el núcleo.
  • ARN citoplasmático pequeño (ARNsc): Interviene en el transporte de polipéptidos.
• ARN informativos (se traducen a proteína):
  • ARN mensajero (ARNm): Contiene la información para la síntesis de proteínas.
  • ARN heterogéneo nuclear (ARNhn): Precursor del ARNm en eucariotas.

Procesamiento del ARN (maduración del ARNm en eucariotas):

1. Iniciación: La ARN polimerasa se une al ADN molde y comienza la síntesis del ARN, siguiendo las reglas de complementariedad de bases. No requiere un cebador. La subunidad sigma de la ARN polimerasa localiza el promotor del gen.
2. Elongación: Se añaden ribonucleótidos sucesivamente, formando enlaces fosfodiéster. La ARN polimerasa desnaturaliza y renaturaliza el ADN molde, creando la «burbuja de transcripción».
3. Terminación:
   • Dependiente del factor Rho: Una proteína hexamérica (factor Rho) se une al ARNm y promueve su disociación del ADN.
   • No dependiente del factor Rho: Secuencias palindrómicas y uracilos en el ARNm forman una horquilla que induce la disociación.

Regulación de la Expresión Génica en Procariotas

Moléculas metabólicas (efectores, como inductores o correpresores) interactúan con proteínas reguladoras específicas (elementos en trans). Estas proteínas reguladoras se unen a regiones del ADN cercanas al promotor (elementos en cis) para controlar la expresión génica.

Empaquetamiento del ADN y Estructura de los Cromosomas

Un cromosoma funcional consta de:

• Centrómero: Punto de anclaje de los microtúbulos del huso mitótico durante la división celular. Contiene un cinetocoro (complejo proteico) a cada lado.
• Telómeros: Extremos de los cromosomas que los estabilizan.

Niveles de empaquetamiento:

1. Nucleosoma: Unidad básica de la cromatina. ADN enrollado alrededor de histonas (proteínas).
2. Cromatosoma: Nucleosoma unido a la histona H1 (linker).
3. Fibra de 30 nm: Nucleosomas adyacentes se pliegan y empaquetan.
4. Bucles: Fibras de 30 nm forman bucles anclados a proteínas de andamiaje (no histonas).

Replicación del ADN en Bacterias y Diferencias con Eucariotas

En procariotas:

• Un único origen de replicación en el cromosoma circular.
• Dos puntos de crecimiento (horquillas de replicación) que avanzan bidireccionalmente.
• Una proteína iniciadora se une al origen, causando el desenrollamiento del ADN.

Diferencias con eucariotas:

• Genoma mucho mayor, con múltiples orígenes de replicación.
• Los orígenes de replicación son ricos en secuencias A-T.
• Un complejo multiproteico de reconocimiento del origen (ORC) se une a estas secuencias.
• Coordinación precisa de la replicación para evitar múltiples rondas en un mismo ciclo celular.

Fases de la Transcripción (Detalles Adicionales)

1. Iniciación:
   • La subunidad sigma de la ARN polimerasa reconoce el promotor y se une a él.
   • Se añade el primer ribonucleótido (generalmente, CAT 5′-3′).
   • Se forma el primer enlace fosfodiéster.
   • El factor sigma se disocia.
2. Elongación:
   • Se añaden ribonucleótidos, formando enlaces fosfodiéster.
   • La ARN polimerasa desnaturaliza y renaturaliza el ADN, formando la burbuja de transcripción.
   • El centro activo de la ARN polimerasa reconoce los ribonucleótidos trifosfato entrantes para asegurar la correcta complementariedad de bases.
3. Terminación:
   • No dependiente de Rho: Secuencias palindrómicas seguidas de residuos de adenina (uracilo en el ARNm) forman una horquilla que desestabiliza la unión ADN-ARN.
   • Dependiente de Rho: La proteína Rho se une al ARNm y, al llegar a la burbuja de transcripción, debilita la interacción ADN-ARNm.

Traducción (Proceso Detallado)

1. Iniciación:
   • El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma.
   • El ARNt iniciador (con metionina en eucariotas o formilmetionina en procariotas) se une al codón de iniciación AUG del ARNm.
   • La subunidad mayor del ribosoma se une al complejo.
2. Elongación:
   • Un ARNt cargado con su aminoácido se une al sitio A del ribosoma.
   • Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio A y la cadena polipeptídica del sitio P.
   • El ribosoma se transloca, moviendo el ARNt del sitio A al sitio P, y el ARNt vacío del sitio P al sitio E (de salida).
3. Terminación:
   • El ribosoma encuentra un codón de terminación (UAA, UAG, UGA).
   • Factores de liberación se unen al sitio A, promoviendo la liberación de la cadena polipeptídica.
   • El ARNm y las subunidades ribosómicas se disocian.

Replicación del ADN: Requisitos y Horquilla de Replicación

Requisitos:

• ADN molde de cadena sencilla.
• Sustratos (desoxinucleótidos trifosfato: dATP, dGTP, dCTP, dTTP).
• Enzimas (ADN polimerasas, helicasas, primasas, ligasas) y otras proteínas.

Horquilla de replicación: Punto donde se separan las dos hebras de ADN. La síntesis de ADN ocurre bidireccionalmente a partir del origen de replicación.

Cadena líder y cadena retrasada:

• Cadena líder: Se sintetiza de forma continua en dirección 5′-3′.
• Cadena retrasada: Se sintetiza de forma discontinua en fragmentos de Okazaki (cebador de ARN + ADN) en dirección 5′-3′. Los fragmentos de Okazaki se unen posteriormente por la ADN ligasa.

El modelo actual de la replicación propone que las dos unidades de ADN polimerasa III (una para cada cadena) están conectadas, y que el molde de la cadena retrasada forma un bucle para permitir la síntesis 5′-3′.

Operón Triptófano (trp): Regulación de la Síntesis de Triptófano

El operón trp es un sistema represible. El triptófano (correpresor) impide la expresión de los genes necesarios para su síntesis cuando sus niveles son altos.

• Niveles altos de triptófano: El triptófano se une al represor trp, activándolo. El represor activo se une al operador, bloqueando la transcripción de los genes del operón.
• Niveles bajos de triptófano: El represor trp está inactivo (no se une al operador). La ARN polimerasa puede transcribir los genes del operón, permitiendo la síntesis de enzimas para la producción de triptófano.

Atenuación: Mecanismo adicional de regulación que detecta bajos niveles de triptófano. Depende del acoplamiento transcripción-traducción en bacterias.

• La región líder del operón trp contiene codones para un pequeño péptido líder, incluyendo dos codones consecutivos para triptófano.
• Si hay suficiente triptófano: Los ribosomas traducen rápidamente el péptido líder, cubriendo la región 2 del ARNm. Esto permite la formación de una estructura secundaria (horquilla 3:4) que actúa como señal de terminación de la transcripción.
• Si el triptófano es limitante: Los ribosomas se detienen en los codones de triptófano de la región 1. Esto permite que las regiones 2 y 3 del ARNm se apareen, evitando la formación de la horquilla 3:4. La transcripción continúa, permitiendo la síntesis completa de las enzimas para la producción de triptófano.