REPLICACIÓN DEL ADN. Procesos de replicación, transcripción y traducción.

Transcripción

1 REPLICACIÓN DEL ADN Procesos de replicación, transcripción y traducción. La transmisión de información implica que el ADN es capaz de duplicarse de manera de obtener dos moléculas iguales a partir de la molécula inicial. Este proceso se llama replicación. Luego del descubrimiento de la estructura del ADN, en 1957, dos biólogos moleculares americanos, Matthew Stanley Meselson y Frank Stahl demostraron que este se replica de una manera semiconservativa, es decir que la nueva cadena se sintetiza utilizando una de las hebras preexistentes como molde. Las moléculas de ADN hijas están formadas por una cadena nueva y una original que sirve como molde. Con nitrógeno 15 (un isótopo radiactivo), ya que el nitrógeno es necesario para la síntesis de las bases que componen el ADN, y usando sucesivas generaciones de bacterias Escherichia coli, estos científicos mostraron que cuando el ADN se duplica, cada una de sus cadenas pasa a las células hijas sin cambiar y actúan de molde o patrón para formar una segunda hebra y completar así las dos doble cadenas. Para que esto ocurra, la célula debe abrir la doble cadena de ADN en una secuencia específica denominada origen de replicación(en bacterias) osecuencia de replicación autónoma (en eucariotas) y copiar cada cadena. En la replicación participan varias enzimas. Las ADN polimerasas sintetizan una nueva cadena de ADN. Para esto utilizan como molde una de las hebras y un segmento corto de ADN, al que se le agregan los nuevos nucleótidos. Este segmento funciona como cebador (primer, en inglés). La ADN polimerasa agrega nucleótidos al extremo 3 de la cadena en crecimiento. Figura 1. Replicación del ADN. La enzima ADN polimerasa sintetiza una nueva hebra de ADN agregando un nucleótido al extremo 3 (en el cual hay un OH).

2 La ADN polimerasa copia la cadena molde con alta fidelidad. Sin embargo, introduce en promedio un error cada 10 7 nucleótidos incorporados. Tiene, además, la capacidad de corregir sus propios errores, ya que puede degradar ADN que acaba de sintetizar. Otras enzimas que participan en este proceso son: la ADN primasa (que sintetiza el primer de ARN), la ADN ligasa (que une extremos 5 con 3 que hayan quedado luego de la síntesis), la ADN helicasa y las ADN topoisomerasas ADN (que evitan que el ADN se enrede en el proceso), las roteínas de unión al ADN(facilitan la apertura de la doble hebra). TRANSCRIPCIÓN Una vez que se conforman las dos cadenas nuevas de ADN, lo que sigue es pasar la información contenida en estas cadenas a una cadena de ARN, proceso que se conoce como transcripción. Aquí la enzima responsable es la ARN polimerasa, la cual se une a una secuencia específica en el ADN denominada promotor y sintetiza ARN a partir de ADN. En la transcripción, la información codificada en un polímero formado por la combinación de 4 nucleótidos (ADN) se convierte en otro polímero cuyas unidades también son 4 nucleótidos (ARN). El ácido ribonucleico es similar al ADN (por eso el proceso se denomina transcripción), pero poseen algunas diferencias, como mostramos en la figura 2.

3 Figura 2. Diferencias entre el ADN y el ARN. Ambos polímeros de nucléotidos están formados por un código de 4 bases nitrogenadas. Sin embargo, en la célula el ADN se encuentra como una doble cadena y el ARN generalmente como simple cadena. La similitud en el alfabeto permite la síntesis de un polímero utilizando el otro como molde, en presencia de las enzimas adecuadas. La transcripción de genes puede dar lugar a ARN mensajero (ARNm, molécula que sirve como molde de la traducción), ARN ribosomal (ARNr, que forma parte de losribosomas, un complejo compuesto por proteínas y ARNr donde se realiza el proceso de traducción) o ARN de transferencia (ARNt, moléculas que funcionan como adaptadores en el proceso de traducción). Fenómenos postranscripción Si bien estos pasos básicos son los mismos para la mayoría de los organismos, hay diferencias entre los distintos dominios de seres vivos (Bacteria, Arquea y Eucaria) tanto en la replicación como en la transcripción y en la traducción. En organismos procariontes, el ARNm se une a los ribosomas y puede ser traducido tal y como es liberado de la ARN polimerasa, ya que se encuentra en el citoplasma celular y no sufre ninguna modificación. Incluso, puede ser traducido a medida que es transcripto. En los eucariontes, sin embargo, la traducción y transcripción ocurren en forma separada. La transcripción ocurre en el núcleo y la traducción, en el citoplasma, puede ocurrir minutos, horas o incluso días más tarde. Antes de salir del núcleo para ser traducido, el ARNm sufre dos modificaciones, por lo que es llamado pre-arnm.

4 La primera de ellas es el procesamiento por corte y empalme (splicing, en inglés), en el cual se eliminan algunos secuencias no codificantes (o intrones) y se unen las secuencias codificantes (exones). Una molécula de ARNm puede llegar a tener hasta 70 intrones, que pueden llegar a variar de tamaño entre 80 y nucleótidos. La segunda modificación ocurre en los extremos: al extremo 5 se le une una caperuza (compuesta por guanina metilada) y al extremo 3 se agrega una cola de poliadenina o polia(figura 3). Luego de todas estas modificaciones, tenemos un ARN maduro. Figura 3. Transcripción y procesamiento del ARN. En eucariontes, el ADN es transcripto cuando la ARN polimerasa se une al promotor, normalmente situado upstream (río arriba) del lugar de inicio. Una vez sintetizado, el prearnm sufre ciertas modificaciones: se eliminan los intrones o secuencias no codificantes (splicing), y se agrega una caperuza al extremo 5 y una cola poliadenina al extremo 3.

5 TRADUCCIÓN Introducción Una vez que el ARNm se encuentra en el citoplasma, es reconocido por el ribosoma mediante secuencias específicas (en bacterias) y por la caperuza (en eucariotas). En el ribosoma se lleva a cabo el proceso de traducción. En este momento cobra importancia el ARNt, que funciona como adaptador entre aminoácidos y ARNm. Cómo reconocen los ARNt qué aminoácidos deben colocar para traducir una secuencia determinada? Los ARNt tienen una región que se une a un aminoácido específico y otra que reconoce un triplete de nucleótidos en el ARNm (anticodón). La traducción comienza cuando el ribosoma reconoce ciertas secuencias en el extremo 5 del ARNm (en bacterias) o la caperuza (en eucariotas) y se mueve a lo largo del mensajero hasta que encuentra el primer codón AUG, que codifica para metionina (o formil-met en bacterias). Este codón funciona como sitio de inicio. A medida que avanza la traducción, distintos ARNt se van uniendo al codón que le corresponda, se forma el enlace peptídico entre los aminoácidos, y por último se libera el ARNt descargado, quedando unido al ribosoma el último ARNt incorporado cargando con la cadena peptídica en crecimiento. La transcripción ocurre en el núcleo, donde se eliminan los intrones del pre-arnm y se crea un ARN maduro, que migra al citoplasma. Una vez que este se une a los ribosomas (formados por subunidades de ARNr y proteínas) y al ARN de transferencia, comienza el proceso de traducción. Cuándo termina la traducción? Los tres codones que no son reconocidos por ningún ARNt (es decir, que no codifican ningún aminoácido) funcionan como señales de terminación. De esta manera, cuando aparece uno de estos tripletes (UAA, UAG, UGA) la proteína recién formada se libera del ribosoma. Es importante destacar que en principio el ribosoma podría leer tres oraciones diferentes, tener tres marcos de lectura (figura 4) en el mismo ARNm, ya que puede comenzar a leer los tripletes en una base, en la base siguiente o en la tercera base. Es decir, un marco de lectura es una secuencia ininterrumpida de tripletes que puede ser diferente de acuerdo con el nucléotido de inicio.

6 Figura 4. Marcos de lectura. A partir de una misma secuencia de ARN es posible leer tres oraciones diferentes, lo que se traduce en tres proteínas diferentes. La secuencia será completamente diferente e incluso puede variar su longitud si, por ejemplo, aparece un codón de terminación como en el marco de lectura 3 (codón UAA) Procesos postraducción Una vez traducidas, las proteínas deben adoptar una estructura tridimensional adecuada. Esto se logra con la ayuda de otras proteínas denominadas chaperonas moleculares. Luego pueden ser modificadas mediante la unión de distintas moléculas como azúcares, nucleósidos, o fosfatos y dirigidas a lugares específicos de la célula (la membrana celular, el núcleo, etcétera) de acuerdo con su función. Cuando una proteína cumplió su función o cuando no se plegó correctamente, es degradada. Las proteínas que van a ser degradadas son marcadas por la unión de una proteína llamada ubiquitina. Una vez seleccionadas, un complejo multiproteico (el proteosoma), degrada las proteínas en aminoácidos rompiendo los enlaces peptídicos.