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:
- Empaquetamiento de la cromatina: Proceso más lento por desmontaje y síntesis de histonas.
- Replicación de varios cromosomas largos: Numerosos puntos de origen y fragmentos de Okazaki más pequeños.
- Maquinaria enzimática: Varios tipos de ADN polimerasas con funciones específicas.
- Coordinación con el ciclo celular: Ciclos de vida de diferente duración.
- 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
- Iniciación: Ensamblaje del complejo de iniciación en el promotor.
- 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.