Este documento explora los intrincados mecanismos de la replicación y transcripción del ADN, destacando las enzimas clave involucradas y los procesos detallados en células procariotas y eucariotas.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso esencial que ocurre antes de la división celular, asegurando que cada célula hija reciba una copia idéntica del genoma. Este proceso se basa en la acción coordinada de varias enzimas:

• Helicasas: Desenrollan la doble hélice del ADN rompiendo los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
• Topoisomerasas: Alivian la tensión torsional generada por el desenrollamiento de la doble hélice, cortando y volviendo a unir las hebras de ADN. También ayudan a enredar y desenredar el ADN para su almacenamiento y transcripción.
• ADN polimerasas: Sintetizan nuevas cadenas de ADN utilizando una hebra molde y un cebador (segmento corto de ADN o ARN). Tienen funciones de polimerasa (unión de nucleótidos) y exonucleasa (corrección de errores y eliminación de cebadores). La ADN polimerasa solo puede unir nucleótidos al extremo 3′, lo que lleva a la formación de una hebra conductora (síntesis continua) y una hebra retardada (síntesis discontinua en fragmentos de Okazaki).
  • Fragmentos de Okazaki: Cadenas cortas de ADN sintetizadas en la hebra retardada, que luego se unen mediante la ADN ligasa.
• Primasas: Sintetizan los cebadores de ARN necesarios para iniciar la replicación.
• Ligasas: Sellan las uniones entre los fragmentos de Okazaki y los huecos dejados por la eliminación de los cebadores de ARN.
• Proteínas de unión a cadena sencilla (SSB): Estabilizan la horquilla de replicación, impidiendo que las hebras de ADN se vuelvan a unir.

Mecanismo General de Replicación

1. Separación de las dos cadenas de ADN. Cada cadena actúa como plantilla.
2. Los nucleótidos complementarios se unen a la cadena molde, guiados por la ADN polimerasa.
3. Los nuevos nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster y a la cadena molde por puentes de hidrógeno.

Replicación en Procariotas

En procariotas, la replicación se inicia en un único origen de replicación y progresa bidireccionalmente. Se han descrito tres ADN polimerasas:

• ADN polimerasa I: Elimina el cebador de ARN y lo reemplaza con ADN.
• ADN polimerasa II: Repara el ADN dañado.
• ADN polimerasa III: Principal enzima de síntesis de ADN.

La replicación en la hebra continua requiere un cebador de ARN sintetizado por la primasa. La ADN polimerasa III extiende la cadena, y luego la ADN polimerasa I reemplaza el cebador con ADN. La ligasa une los fragmentos.

La hebra retardada se replica mediante fragmentos de Okazaki. La primasa sintetiza cebadores de ARN, la ADN polimerasa III extiende los fragmentos, la ADN polimerasa I reemplaza los cebadores y la ligasa une los fragmentos.

Replicación en Eucariotas

Similar a la replicación en procariotas, pero con algunas diferencias clave:

• El ADN está más empaquetado y espiralizado, lo que requiere procesos previos más complejos.
• Existen cuatro tipos de ADN polimerasas (α, β, γ y δ).
• Las histonas se duplican durante la replicación.
• Los fragmentos de Okazaki son más cortos.
• Existen múltiples orígenes de replicación (replicones).

Telómeros y Telomerasas

Los telómeros son secuencias repetitivas de ADN no codificante en los extremos de los cromosomas que protegen el genoma y previenen el envejecimiento celular. Se acortan con cada replicación. Las telomerasas son enzimas que alargan los telómeros, activas en células germinales, tejidos fetales y algunas células madre, y anormalmente presentes en células cancerosas.

Transcripción

La transcripción es el proceso de síntesis de ARN a partir de una plantilla de ADN, catalizado por la enzima ARN polimerasa. La ARN polimerasa se une a regiones promotoras específicas del ADN para iniciar la transcripción.

ARN Polimerasa

• Enzima compleja (holoenzima) formada por varias subunidades.
• No requiere cebador.
• No corrige errores.
• Sintetiza en dirección 5′ a 3′.
• Procariotas: Un solo tipo con múltiples subunidades.
• Eucariotas: Tres tipos (I, II y III) para diferentes tipos de ARN (rRNA, mRNA, tRNA, snRNA).

Transcripción en Procariotas

Subunidades de la ARN polimerasa:

• 2 α (alfa): Ensamblan la enzima y promueven interacciones.
• β (beta): Actividad catalítica.
• β’: Se une al ADN.
• ω (omega): Ensamblaje y regulación de la expresión.
• σ (sigma): Se une al promotor y posiciona la holoenzima.

Inicio:

1. La ARN polimerasa, asociada a la subunidad σ, se une al promotor (secuencia TATA, caja TATA).
2. La ARN polimerasa abre la doble hélice del ADN.
3. La subunidad σ se desprende.
4. La ARN polimerasa comienza a unir ribonucleótidos trifosfato (sin necesidad de cebador).

Elongación:

• Adición sucesiva de ribonucleótidos.
• Sentido de lectura del ADN: 3′ → 5′.
• Sentido de síntesis del ARN: 5′ → 3′.
• La ARN polimerasa cataliza la formación de enlaces fosfodiéster.

Terminación:

Señalizada por secuencias ricas en guanina y citosina en el ADN, formando una estructura en horquilla que separa el complejo ARN-ADN.

Transcripción en Eucariotas

ARN polimerasas:

• ARN polimerasa I: Sintetiza la subunidad grande de los ribosomas (rRNA).
• ARN polimerasa II: Sintetiza los precursores de los mRNA.
• ARN polimerasa III: Sintetiza la subunidad pequeña de los ribosomas (rRNA) y tRNA.

Inicio:

1. Factores de transcripción se unen a secuencias promotoras (TATA box, posición -25).
2. Una helicasa separa las hebras de ADN.
3. Los factores permiten el acceso de la ARN polimerasa II al ADN.
4. Se forma el complejo abierto (burbuja de transcripción).
5. La ARN polimerasa II comienza a unir ribonucleótidos.

Elongación:

Similar a la de procariotas.

Terminación:

Señal de corte (AAUAA). El ARN se corta y se separa del ADN y de la ARN polimerasa.

Procesos Postranscripcionales

• Adición del casquete CAP: Nucleótido modificado de guanina añadido al extremo 5′ del ARNm.
• Adición de la cola poli-A: Secuencia de nucleótidos de adenina añadida al extremo 3′.
• Splicing: Proceso de corte y empalme de ARN, eliminando intrones y uniendo exones.
  • Autosplicing: El propio intrón actúa como catalizador.
  • Splicing alternativo: Permite obtener diferentes moléculas de ARNm maduro a partir de un transcrito primario.

Traducción

La traducción es la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ARNm. Ocurre en el citoplasma y requiere ribosomas, ARNt y enzimas clave:

• Aminoacil-ARNt-sintetasas: Unen los aminoácidos a sus correspondientes ARNt.
• Peptidil transferasa: Ribozima que cataliza la formación de enlaces peptídicos.

Código Genético

El código genético es el conjunto de reglas que define cómo se traduce una secuencia de nucleótidos del ARNm a una secuencia de aminoácidos en una proteína. Se basa en tripletes de bases (codones) que especifican cada aminoácido. Existe un codón de inicio (AUG, metionina) y varios codones de terminación (UAA, UAG, UGA).

Etapas de la Traducción

Iniciación:

1. La subunidad menor del ribosoma se une al ARNm.
2. El primer ARNt (con metionina) se empareja con el codón de inicio (AUG).
3. La subunidad mayor del ribosoma se une, formando el complejo de iniciación.

Elongación:

1. Un segundo ARNt se une al sitio A del ribosoma.
2. Se forma un enlace peptídico entre los aminoácidos.
3. El primer ARNt se libera.
4. El ribosoma se desplaza un codón.
5. El proceso se repite.

Terminación:

El ribosoma encuentra un codón de terminación. La cadena polipeptídica se libera y las subunidades ribosomales se separan.