Funciones del Núcleo y Estructura del ADN

Funciones Clave del Núcleo Celular

• Duplicación del ADN: Replicar el material genético para transmitir la información a las siguientes generaciones por medio de los cromosomas (asociaciones de ADN y proteínas).
• Transcripción del ADN: Sintetizar diferentes tipos de ARN (ARN_m, ARN_r, ARN_t y ARN_n) a partir de un molde de ADN.
• Traducción: Proceso que ocurre en los ribosomas, donde el mensaje contenido en el ARN_m se traduce para sintetizar proteínas.
• Mutación: Capacidad de experimentar cambios químicos en el ADN, lo que genera nueva variabilidad genética y, por tanto, es una fuente de evolución en las especies.

Estructura del ADN: La Doble Hélice

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una doble cadena de polinucleótidos que adopta una forma de doble hélice. Sus características principales son:

• Arrollamiento dextrógiro: Gira hacia la derecha.
• Cadenas antiparalelas: Una cadena va en dirección 5′ a 3′ y la otra en dirección 3′ a 5′.
• Bases complementarias: Las bases nitrogenadas de una cadena se unen a las de la otra mediante puentes de hidrógeno (Adenina con Timina, y Guanina con Citosina).
• Diámetro constante: La doble hélice tiene un diámetro de 20 angstroms (Å).

La información genética está contenida en el orden exacto de los nucleótidos a lo largo de la cadena.

Los Genes

Los genes son fragmentos o secuencias, más o menos largas, de ADN que contienen la información para sintetizar una molécula funcional, generalmente una proteína.

Replicación del ADN

El mecanismo de duplicación del ADN tiene lugar en el periodo S del ciclo celular y es de naturaleza semiconservativa, lo que significa que cada nueva molécula de ADN conserva una de las hebras originales.

Diferencias entre la Replicación en Procariotas y Eucariotas

• Intrones y exones: En eucariotas, existen zonas sin información genética llamadas “intrones”. Incluso pueden existir zonas en una misma hebra donde los genes o “exones” se repiten.
• Histonas: En eucariotas, el ADN está fuertemente unido a proteínas llamadas histonas, que intervienen en el proceso, lo que explica que la replicación sea más lenta.
• Orígenes de replicación: En procariotas, la replicación se inicia en un único punto, mientras que en eucariotas pueden existir hasta 100 orígenes de replicación por molécula de ADN, con una distribución irregular.
• Fragmentos de Okazaki: En eucariotas, los fragmentos de Okazaki son más pequeños, de unos 100 nucleótidos.

El Concepto de Gen

• Inicialmente se formuló que “cada gen codifica una enzima”. Más tarde, esta idea se matizó, estableciendo que cada gen codifica una sola proteína y, de forma más concreta, un polipéptido, pues muchas proteínas están formadas por varias subunidades polipeptídicas.
• El término “información hereditaria para un carácter” pasó a llamarse “gen”, que contiene la información para determinar una proteína cuya interacción con otras, su abundancia o su ausencia, determina la aparición o no de un determinado carácter biológico hereditario.
• Los genes se encuentran en posiciones fijas del ADN llamadas “locus” (plural: loci), y cada forma alternativa de un gen en un mismo locus se denomina “alelo”.

Etapas de la Replicación

1. Iniciación: En una de las hebras hay una secuencia de nucleótidos llamada “origen de la replicación”. Allí, unas enzimas llamadas “helicasas” rompen los puentes de hidrógeno que unen las bases complementarias, abriendo la doble hélice. A la vez, las enzimas “topoisomerasas” alivian las tensiones generadas en el resto de la doble hebra, cortando y uniendo las fibras. Otras “proteínas SSB estabilizadoras” intervienen uniéndose a cada hebra y manteniendo la doble hélice abierta en esa zona, que recibe el nombre de “horquilla de replicación”.
2. Elongación: Las dos hebras “viejas” se copian desde puntos distintos. Se necesita un “cebador” de ARN, sintetizado por una ARN polimerasa llamada “primasa”. A partir del cebador, las enzimas “ADN polimerasas III” empiezan a unir nucleótidos trifosfatos, formando enlaces fosfodiéster. El crecimiento de cada nueva cadena es siempre en dirección 5’ a 3’. Debido al antiparalelismo de las hebras molde, la síntesis en una hebra y en la otra ocurre en direcciones opuestas.
3. Síntesis continua y discontinua: A medida que la horquilla de replicación avanza, una de las nuevas hebras (la hebra líder) se sintetiza de forma continua. La otra hebra (la hebra retardada) se sintetiza de forma discontinua en pequeños fragmentos de unos 1000 nucleótidos, llamados “fragmentos de Okazaki”. Estos fragmentos se unen entre sí posteriormente por medio de enzimas “ADN ligasas”.
4. Finalización: Otras enzimas, como las “ADN polimerasas I”, se encargan de eliminar los cebadores de ARN y rellenar los huecos entre los fragmentos de Okazaki. En los extremos de los cromosomas eucariotas, las telomerasas actúan para evitar el acortamiento de la hebra en cada ciclo de replicación.

Transcripción: Del ADN al ARN_m

La transcripción es el mecanismo por el cual los genes activos del ADN trasladan su información a una molécula de ARN mensajero (ARN_m) en el núcleo. En eucariotas se transcribe un solo gen por ARN_m, pero en procariotas un solo ARN_m puede contener la información de varios genes. Este ARN_m se sintetiza de forma similar a la replicación del ADN, en sentido 5’-3’, catalizado por una ARN polimerasa II y siguiendo el principio de complementariedad de bases, pero sustituyendo la Timina (T) por el Uracilo (U).

Pasos de la Transcripción en Eucariotas

1. Iniciación: Todo gen activo contiene una región promotora donde se une la ARN polimerasa II. La síntesis del ARN_m comienza utilizando como molde la hebra 3’-5’ del ADN, en dirección 5’-3’.
2. Elongación: A partir del triplete de inicio (generalmente TAC en el ADN), se copian tanto las regiones con información (exones) como las que no la tienen (intrones), hasta llegar a un triplete de terminación (como ACT). El triplete TAC del ADN da lugar al codón AUG en el ARN_m, y el ACT da lugar al codón UGA.
3. Terminación y Maduración: Se obtiene un ARN_m inmaduro (pre-ARN_m) que contiene tanto intrones como exones. En el siguiente paso, el ARN_m debe madurar. Este proceso implica la eliminación de los intrones (splicing) y la adición de unas “señales”: una caperuza de 7-metilguanosina en el extremo 5’ y una cola de poli-A en el extremo 3’.

Características del ARN_m Maduro

• Son cadenas cortas y lineales con estructura primaria, que contienen las cuatro bases principales (A, G, C, U).
• Pasa al citoplasma a través de los poros nucleares y se asocia a los ribosomas para dirigir la síntesis de proteínas, formando polisomas en eucariotas.
• Cada ARN_m tiene información para sintetizar un polipéptido determinado.
• Su vida media es corta.
• En procariontes, el extremo 5’ posee un grupo trifosfato, mientras que en eucariontes posee la caperuza de metil-guanosina y en el extremo 3’ la cola de poli-A.

Traducción: Síntesis de Proteínas

Consiste en la traducción de la secuencia de nucleótidos del ARN_m (leída en dirección 5’-3’) por parte de los ribosomas, para generar una secuencia determinada de aminoácidos de un polipéptido, utilizando un sistema de lectura llamado “código genético”.

El Código Genético y sus Características

• Unidad de información: Es el “triplete” de bases del ARN_m, llamado “CODÓN”, que indica qué aminoácido se debe incorporar. El triplete complementario en el ADN se llama codógeno.
• Degenerado: Un mismo aminoácido puede ser codificado por varios codones. Esto protege contra mutaciones y garantiza la estructura de la proteína.
• Señales de inicio y fin: Siempre existe un “codón de inicio” (AUG), que codifica para Metionina, y tres “codones de terminación” (UAA, UAG, UGA) que no codifican para ningún aminoácido.
• Universal: Es prácticamente el mismo en todos los seres vivos, con pequeñas excepciones en algunos microorganismos y mitocondrias.

Etapas de la Traducción

1. Fase de Activación de los Aminoácidos (ARN_t)

Los ARN de transferencia (ARN_t) son los encargados de “coger” los aminoácidos del citoplasma y “transferirlos” a los ribosomas.

• Son moléculas pequeñas (75-90 nucleótidos) localizadas en el citoplasma.
• Poseen una estructura secundaria en forma de trébol con cuatro brazos: el brazo aceptor (extremo 3′ CCA) donde se une el aminoácido, el brazo anticodón que reconoce el codón del ARN_m, el brazo T de unión al ribosoma y el brazo D de unión a la enzima.
• La enzima aminoacil-ARN_t sintetasa une de forma específica cada aminoácido a su correspondiente ARN_t en el extremo CCA. Este proceso requiere ATP.

2. Fase de Iniciación de la Síntesis

La molécula de ARN_m maduro se une a la subunidad pequeña de un ribosoma. Luego, se acopla el ARN_t iniciador que porta el aminoácido Metionina, cuyo anticodón (UAC) se aparea con el codón de inicio (AUG) del ARN_m. Finalmente, se ensambla la subunidad grande del ribosoma, completando el complejo de iniciación.

3. Fase de Elongación o Alargamiento

El ribosoma tiene dos sitios importantes: el sitio P (peptidílico) y el sitio A (aminoacílico). La enzima peptidil transferasa cataliza la formación del enlace peptídico entre el aminoácido del sitio A y la cadena polipeptídica creciente en el sitio P. El ribosoma se desplaza a lo largo del ARN_m en dirección 5’-3’, codón a codón. La cadena polipeptídica crece en dirección NH₂ → COOH. Este proceso se repite hasta completar la proteína.

4. Fase de Terminación

Cuando el ribosoma llega a un codón de terminación (UAA, UAG o UGA) en el ARN_m, la síntesis cesa. El polipéptido se libera y adquiere su estructura secundaria y terciaria funcional. Las subunidades ribosómicas se separan y pueden iniciar un nuevo ciclo de traducción. A menudo, varios ribosomas leen un mismo ARN_m simultáneamente, formando polisomas, lo que permite la síntesis rápida de numerosas cadenas polipeptídicas.