Replicación del ADN: El proceso fundamental

La replicación del ADN es un proceso esencial mediante el cual se sintetizan dos moléculas hijas de ADN a partir de una molécula madre. Este proceso ocurre durante la fase S del ciclo celular y precede a la mitosis en células somáticas o la meiosis en células reproductoras.

La característica más importante de la replicación es que es semiconservativa. Esto significa que cada nueva molécula de ADN contiene una cadena del ADN original y una cadena recién sintetizada. Este modelo garantiza la fidelidad en la transmisión de la información genética.

En las células eucariotas, la replicación es bidireccional y comienza en múltiples puntos llamados orígenes de replicación. Desde cada origen, se forman dos horquillas de replicación que avanzan en direcciones opuestas. Este sistema de múltiples orígenes permite que la replicación del enorme genoma eucariota se complete en pocas horas, en lugar de días.

💡 Si la replicación del ADN comenzara en un solo punto del cromosoma, el proceso tardaría aproximadamente 30 días en completarse. Gracias a los múltiples orígenes de replicación (entre 20 y 80 por cromosoma), el núcleo puede completar este proceso en apenas 7 horas.

El complejo de replicación

La síntesis del ADN no es un proceso sencillo; requiere la acción coordinada de varias enzimas que forman el complejo de replicación. La separación de las dos cadenas de ADN crea una estructura en forma de "Y" llamada horquilla de replicación.

La enzima ADN polimerasa es la protagonista principal, encargada de añadir los nuevos nucleótidos a la cadena en formación. Sin embargo, esta enzima solo puede añadir nucleótidos al extremo 3' de una cadena preexistente y en dirección 5'→3'. Esto crea un desafío, ya que las dos cadenas de ADN son antiparalelas.

La solución a este problema es fascinante: una de las cadenas (la hebra conductora) se sintetiza de manera continua, mientras que la otra (la hebra retardada) se sintetiza en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos luego se unen mediante la enzima ADN ligasa.

Otras enzimas esenciales del proceso incluyen:

• Helicasas: separan las dos cadenas del ADN
• Topoisomerasas: alivian la tensión creada por el desenrollamiento
• Primasas: sintetizan pequeños fragmentos de ARN (cebadores) que sirven como punto de inicio para la ADN polimerasa

En los extremos de los cromosomas (telómeros), existe un problema especial: al eliminarse el último cebador, se pierde un fragmento de ADN en cada división. Este problema se resuelve gracias a la telomerasa, que añade secuencias repetitivas a los extremos de los cromosomas.

Transcripción: Del ADN al ARN

La transcripción es el proceso por el cual la información almacenada en el ADN se copia en forma de ARN mensajero (ARNm). Este ARNm lleva la información necesaria para la síntesis de proteínas desde el núcleo hasta el citoplasma.

A diferencia de la replicación, en la transcripción solo se copia una de las cadenas del ADN, la llamada cadena molde. La enzima principal de este proceso es la ARN polimerasa, que no requiere un cebador para iniciar la síntesis y puede comenzar por sí misma.

En organismos eucariotas, existen tres tipos de ARN polimerasas:

• ARN polimerasa I: sintetiza ARN ribosómico (ARNr) 45S
• ARN polimerasa II: sintetiza ARN mensajero (ARNm)
• ARN polimerasa III: sintetiza ARNr 5S y ARN de transferencia (ARNt)

La transcripción comienza cuando la ARN polimerasa reconoce y se une a una secuencia específica del ADN llamada promotor. Luego, la enzima separa localmente las dos hebras del ADN y comienza a añadir ribonucleótidos complementarios a la cadena molde en dirección 5'→3'. El proceso termina cuando la enzima encuentra una secuencia de terminación.

💡 Un gen eucariota no es una secuencia continua de información, sino que está formado por secuencias codificantes (exones) interrumpidas por secuencias no codificantes (intrones). Durante el procesamiento del ARNm, los intrones son eliminados y los exones se unen para formar el ARNm maduro.

Procesamiento del ARN mensajero

El ARNm recién sintetizado, llamado transcripto primario, debe someterse a varias modificaciones antes de poder salir del núcleo y ser traducido en el citoplasma. Este conjunto de modificaciones se conoce como procesamiento del ARNm.

Una de las modificaciones más importantes es la eliminación de intrones. Los intrones son secuencias de nucleótidos que no contienen información para la síntesis de proteínas y deben ser eliminados. Este proceso, llamado splicing, es realizado por complejos enzimáticos que reconocen secuencias específicas que delimitan los intrones, los cortan y unen los exones entre sí.

Además de la eliminación de intrones, el ARNm eucariota recibe otras dos modificaciones importantes:

1. Adición del capuchón (CAP): Se añade una estructura especial llamada 7-metilguanosina al extremo 5' del ARNm. Esta estructura protege al ARNm de la degradación por enzimas celulares y ayuda al ribosoma a reconocer dónde comenzar la traducción.

2. Poliadenilación: Se añade una cola de múltiples adeninas $cola de poli-A$ al extremo 3' del ARNm. Esta cola también protege al ARNm de la degradación y facilita su transporte desde el núcleo al citoplasma.

Solo después de estas modificaciones, el ARNm maduro puede salir del núcleo a través de los poros nucleares y dirigirse hacia los ribosomas en el citoplasma, donde se llevará a cabo la traducción.

El código genético: El lenguaje de la vida

El código genético es el conjunto de reglas mediante las cuales la información codificada en el ADN y transcrita al ARNm se traduce en proteínas. La clave de este código está en cómo se relaciona la secuencia de nucleótidos con la secuencia de aminoácidos.

La unidad básica del código genético es el codón, que consiste en una secuencia de tres nucleótidos consecutivos en el ARNm. Cada codón especifica un aminoácido particular o una señal de terminación de la síntesis de proteínas. Con cuatro tipos diferentes de nucleótidos (A, U, G, C), existen 64 combinaciones posibles de tripletes (4³ = 64).

De los 64 codones posibles:

• 61 codifican para los 20 aminoácidos diferentes
• 3 son codones de terminación (UAA, UAG, UGA) que indican el final de la síntesis proteica

El código genético tiene varias características importantes:

1. Universal: Es prácticamente el mismo en todos los organismos, con algunas excepciones en mitocondrias y cloroplastos.

2. Degenerado o redundante: Varios codones diferentes pueden codificar el mismo aminoácido. Por ejemplo, la leucina puede ser codificada por seis codones diferentes (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG).

3. No ambiguo: Cada codón especifica un único aminoácido o señal de terminación.

4. Sin solapamiento: Los codones se leen secuencialmente, sin compartir nucleótidos.

💡 El codón AUG tiene una doble función: codifica para el aminoácido metionina y también funciona como señal de inicio de la traducción. Por esto, casi todas las proteínas comienzan con metionina, aunque este aminoácido puede ser eliminado posteriormente.

Traducción: Del ARNm a las proteínas

La traducción es el proceso mediante el cual la información contenida en el ARNm se utiliza para sintetizar proteínas. Este proceso ocurre en los ribosomas, complejos de ARN y proteínas que actúan como la "maquinaria" de síntesis proteica.

El proceso de traducción requiere, además del ARNm y los ribosomas, de moléculas de ARN de transferencia (ARNt). Cada ARNt transporta un aminoácido específico y contiene un anticodón que reconoce y se une al codón complementario en el ARNm.

La traducción consta de tres etapas principales:

1. Iniciación: Se forma un complejo que incluye el ARNm, la subunidad menor del ribosoma y un ARNt especial que lleva el aminoácido metionina (codificado por AUG). Este complejo es reconocido por la subunidad mayor del ribosoma, formando el ribosoma completo con dos sitios: el sitio P (peptidil) y el sitio A (aminoacil).

2. Elongación: El ribosoma se mueve a lo largo del ARNm, leyendo los codones uno a uno. Para cada codón, un ARNt con el anticodón complementario y el aminoácido correspondiente se une al sitio A. Luego, se forma un enlace peptídico entre los aminoácidos en los sitios P y A, y el ribosoma se desplaza al siguiente codón.

3. Terminación: Cuando el ribosoma encuentra un codón de terminación (UAA, UAG, UGA), no hay ARNt que lo reconozca. En su lugar, proteínas llamadas factores de liberación se unen al sitio A, provocando la liberación de la cadena polipeptídica completa y la disociación del ribosoma.

Después de la liberación, la cadena polipeptídica se pliega para adoptar su estructura tridimensional funcional, determinada por la secuencia de aminoácidos.

Destino de las proteínas recién sintetizadas

Una vez sintetizadas, las proteínas deben ser dirigidas a su destino final dentro o fuera de la célula. El destino de una proteína está determinado por señales específicas en su secuencia de aminoácidos y por el sitio donde ocurre la traducción.

Las proteínas sintetizadas por ribosomas libres (no asociados a membranas) generalmente permanecen en el citosol o son dirigidas al núcleo, mitocondrias o peroxisomas. Estas proteínas contienen secuencias señal específicas que son reconocidas por receptores en estos orgánulos.

Por otro lado, las proteínas sintetizadas por ribosomas unidos al retículo endoplasmático (RE) son introducidas directamente en el lumen del RE o integradas en su membrana. Desde allí, estas proteínas pueden ser transportadas a través del aparato de Golgi hacia su destino final, que puede ser:

• La membrana plasmática
• Lisosomas o endosomas
• Secreción al exterior de la célula

Un concepto fascinante es el de polirribosomas o polisomas, que son grupos de ribosomas traduciendo simultáneamente el mismo ARNm. Esta organización permite una síntesis proteica mucho más eficiente, ya que varias moléculas de la misma proteína pueden ser sintetizadas a partir de una sola molécula de ARNm.

💡 A diferencia de los eucariotas, donde cada ARNm codifica generalmente para una sola proteína, en las bacterias un único ARNm puede contener información para varias proteínas diferentes. Estos ARNm policistrónicos permiten a las bacterias coordinar la expresión de genes relacionados funcionalmente.