Mecanismo de replicación del ADN: iniciación y elongación

3.3 MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN.

Aunque la replicación fue estudiada inicialmente en células procariotas, luego se comprobó que el mecanismo es similar en las eucariotas. En ambos casos se dan dos etapas: iniciación y elongación.

Inicio de la replicación

La replicación comienza en ciertas zonas del ADN donde existen determinadas secuencias de nucleótidos (abundan las secuencias GATC). A estos puntos se les llama «origen de replicación». El proceso se inicia con una enzima denominada helicasa que separa las dos hebras de ADN al romper los puentes de H entre las bases nitrogenadas complementarias. Las separaciones de las cadenas, provoca superenrollamientos en las zonas vecinas, por lo que existen otras enzimas, las topoisomerasas, que eliminan la tensión. Para ello cortan una de las dos hebras (topoisomerasa I) o las dos (topoisomerasa II o girasa en procariotas) y una vez eliminadas las tensiones, las empalman nuevamente. Una vez separadas las dos hebras se mantienen así por la unión de unas proteínas SSB («single strand binding proteins», proteínas de unión a la hebra sencilla). En el lugar de origen de la replicación se ha formado una burbuja de replicación en la que hay dos zonas, con forma de Y, denominadas horquillas de replicación, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos, de ahí que se diga que la replicación es bidireccional.

Alargamiento

A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las originales. El proceso se lleva a cabo mediante la enzima ADN polimerasa III, que tiene las siguientes características:

Recorre la hebra molde en sentido 3′ → 5′.
Va uniendo los nuevos nucleótidos en sentido 5’→ 3′. Para ello utiliza nucleótidos trifosfato. La energía necesaria para el proceso, la proporcionan los propios nucleótidos, al perder dos de su grupos fosfato (PPi).
Ninguna ADN polimerasa puede iniciar la síntesis por sí misma, pues sólo puede añadir nucleótidos sobre el extremo 3′ libre de una cadena de polinucleótidos. Por este motivo es necesario que exista una cadena corta de ARN (de unos 40 o 50 nucleótidos) denominada cebador o primer. El cebador es sintetizado por la enzima primasa (una ARN-polimerasa). Dado que la ADN polimerasa III recorre el ADN molde en sentido 3′ → 5′, la síntesis de una de las hebras es continua y se denomina hebra conductora. Sin embargo, la otra hebra es antiparalela, por lo que la ADN polimerasa debería recorrerla en sentido 5’→ 3′, añadiendo nucleótidos a la hebra en formación en sentido 3’→ 5′, lo cual no es posible. La síntesis, en este caso, es discontinua y se produce en segmentos separados. Esta cadena se llama hebra retardada, pues su síntesis es más lenta que la hebra conductora. Los segmentos de ADN sintetizados de este modo se conocen como fragmentos de Okazaki (cada fragmento está formado por el cebador de ARN y unos 1000 o 2000 nucleótidos de ADN).

Posteriormente, interviene la ADN polimerasa I, que primero elimina los segmentos de ARN cebador, gracias a su acción exonucleasa (rotura de enlaces fosfodiéster a partir de un extremo libre), y luego, gracias a su actividad polimerasa, rellena los huecos con ADN. Finalmente, hay otra enzima, la ADN ligasa que une todos los fragmentos. Por último, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de molde se enrollan originando una doble hélice. A pesar de todas estas etapas, el proceso de replicación es muy rápido. En E. coli, por ejemplo, se unen 45.000 nucleótidos /minuto.

La transcripción: copia de ADN a ARN

La transcripción es el proceso mediante el cual se copia la información contenida en una región del ADN a moléculas de ARN. La transcripción tiene lugar en el interior del núcleo (en eucariotas) y necesita unos requisitos previos:

Una cadena de ADN que actúe como molde. De las dos cadenas de ADN que forman el gen, sólo una, la denominada molde, se transcribe.
Enzimas. El proceso está catalizado por las ARN polimerasas, que unen nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster, siempre en sentido 5′ → 3′.
Ribonucleótidos trifosfato (ATP, GTP, CTP, y UTP).

Transcripción en células procariotas

En las células procariotas hay una única ARN polimerasa y necesita dos factores: sigma (σ) y rho (ρ). Se pueden distinguir 4 etapas:

Iniciación. En primer lugar, la ARN polimerasa se asocia a una subunidad proteica, llamada factor sigma, que permite al enzima reconocer y fijarse a una región concreta del ADN, denominada promotor, rica en timina y adenina (hay dos secuencias típicas: TTGACA y TATAAT). A continuación, la ARN polimerasa desenrolla, aproximadamente, una vuelta de hélice, para permitir la polimerización de ARN a partir de una sola hebra que utiliza como patrón. Posteriormente se libera el factor sigma.
Elongación. Empieza ahora la adición de ribonucleótidos (a razón de 40 por segundo) para formar el ARN. La ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN «leyéndola» en sentido 3′ → 5′, mientras va sintetizando ARN en sentido 5′ → 3′. La enzima selecciona el ribonucleótido trifosfato cuya base es complementaria con la de la cadena de ADN que actúa como molde y lo une, mediante un enlace éster, desprendiéndose un grupo pirofosfato (PPi).
Terminación. Existen también señales de terminación en el ADN molde que son reconocidas por la ARN polimerasa y que desencadenan la separación de la enzima, del ADN y del ARN transcrito. Se han descrito dos mecanismos de terminación, en uno de ellos se precisa un factor rho y en otro no se precisa. o Terminación independiente de ρ. La señal de terminación en el ADN es una secuencia de bases palindrómica (se lee igual de derecha a izquierda que de izquierda a derecha) rica en G y C, seguidas de varias A, que origina al final del ARN una horquilla por complementariedad de bases. Esto favorece su separación del ADN y la interrupción de la transcripción. o Terminación dependiente de ρ. Se basa en la presencia en el ARN de otra secuencia específica, rica en C y pobre en G. Esta secuencia interacciona con una proteina llamada rho, que empieza a desplazarse sobre el ARN (en sentido 3′) provocando la desnaturalización del híbrido, liberando el ARN e interrumpiendo la transcripción.
Maduración. Si lo que se sintetiza es un ARNm no hay maduración, la cadena se puede utilizar directamente para la síntesis proteica. De hecho, ésta suele comenzar sin que la transcripción haya finalizado por completo. Sin embargo, los ARN transcritos que originarán los ARNr y ARNt requieren un proceso adicional de maduración para ser funcionales. Primero hay un transcrito primario, que luego sufre una serie de cortes y empalmes. A los transcritos que darán lugar a ARNt, una vez escindidos, se les añaden los nucleótidos del extremo terminal (-CCA).

Transcripción en células eucariotas

El proceso de transcripción, en este caso, es más complejo, ya que:

Existen 3 tipos de ARN polimerasas: ARN polimerasa I, ARN polimerasa II y ARN polimerasa III.
Por otra parte, hay que tener en cuenta que en eucariontes, un gen consta de fragmentos sin sentido (intrones) y fragmentos con sentido, que llevan información para la síntesis proteica (exones). De ahí que sea necesario un proceso de maduración del ARN recién sintetizado, en el que se eliminen los intrones y se empalmen los exones. Excepcionalmente, hay genes, como los de las histonas, que no presentan intrones.
Al igual que en procariontes, la síntesis de ARNm se lleva a cabo en varias fases: Iniciación, Elongación, Finalización y Maduración.

Traducción: síntesis de proteínas

Una vez transcrito el ADN, la molécula de ARNm formada contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. Este proceso recibe el nombre de traducción y se lleva a cabo en los ribosomas.

La traducción consiste en unir los aminoácidos en el orden definido por los codones del ARNm. Los aminoácidos son transportados hasta los ribosomas por un ARNt específico para cada uno de ellos; este ARNt se une por su anticodón al codón complementario del ARNm.

La traducción se desarrolla de la misma manera en las células procariotas y eucariotas, aunque existen algunas diferencias. Se describe a continuación el proceso en procariotas, donde ha sido mejor estudiado.

Etapas del proceso de traducción

Activación de los aminoácidos: Antes de que se inicie la síntesis de proteínas es preciso que los aminoácidos que van a ser unidos se activen. En esta fase previa, que tiene lugar en el citoplasma y no en los ribosomas, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt específica para dar lugar a un aminoacil-ARNt. Esta unión la realiza la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa y requiere energía (ATP).

Traducción propiamente dicha:

Iniciación: En primer lugar, el ARNm se une por su extremo 5′ a la subunidad menor del ribosoma. A continuación se fija el primer aminoacil ARNt, cuyo anticodón es UAC (complementario al codón iniciador, AUG). El aminoácido unido a este primer ARNt es la formil metionina (aunque en los eucariontes es la metionina). Todas las proteínas inician su síntesis con uno de estos aminoácidos, pero posteriormente suelen ser eliminados. Por último a este complejo de iniciación (subunidad pequeña del ribosoma + el ARNm + el primer aminoacil-ARNt) se le une la subunidad mayor del ribosoma. La porción de ARNm cubierta por el ribosoma corresponde a dos codones. Sobre el primero de ellos, AUG, ya está situado el aminoacil-ARNt correspondiente, en el lugar denominado sitio P (de peptidil, ya que es el lugar donde se localiza el ARNt que lleva unida la cadena peptídica en formación). La zona donde se encuentra el segundo codón es el sitio A (de aminoacil, ya que es el lugar en el que se acopla cada nuevo aminoacil-ARNt). El proceso de iniciación requiere la ayuda de unos factores proteicos de iniciación (FI) y precisa energía, que se obtiene por la hidrólisis del GTP (formándose GDP + P).
Elongación: La elongación consiste en el alargamiento de la cadena proteica y se inicia cuando un segundo aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al codón situado a continuación del iniciador, «entra» en el ribosoma y ocupa el sitio A que estaba libre. El siguiente paso es la formación de un enlace peptídico entre los dos aminoácidos (soltándose el primer aminoácido de su ARNt), gracias a la enzima peptidil transferasa, localizada en la subunidad mayor del ribosoma. A continuación se produce la translocación del ribosoma, es decir, se desplaza a lo largo del ARNm en sentido 5′ → 3′. Como este desplazamiento es exactamente de tres bases, el primer ARNt abandona el ribosoma, y el peptidil-ARNt, que todavía se mantiene unido a su codón, pasa a ocupar el sitio P, quedando el sitio A libre. Sobre él se fijará un nuevo aminoacil-ARNt, y se irá alargando la cadena proteica. El proceso de elongación requiere unos factores de elongación (FE) y energía, que la proporciona el GTP.
Terminación: La terminación de la cadena proteica tiene lugar cuando el ribosoma llega a un lugar del ARNm donde se encuentra un codón de terminación (UAA, UGA o UAG), que no es reconocido por ningún ARNt y sí por unos factores de liberación (FR), de naturaleza proteica, que se sitúan en el sitio A y hacen que la peptidil-transferasa separe, por hidrólisis, la cadena polipeptídica del ARNt. También en este proceso se utiliza la energía que proporciona el GTP. Al final del proceso de traducción se libera la cadena proteica, las dos subunidades ribosómicas separadas y el ARNm, que generalmente se destruye inmediatamente.

La velocidad de síntesis proteica es alta, lo que da idea de la eficacia del sistema. Por otra parte, tanto en procariotas como en eucariotas, las cadenas de ARNm suelen ser «leídas» por más de un ribosoma simultáneamente (polirribosomas o polisomas), lo cual permite un ahorro de tiempo considerable en la síntesis de muchas copias de la misma proteína.

Los lípidos y su clasificación

Los lípidos son un grupo de moléculas orgánicas que incluyen a los triglicéridos, fosfoglicéridos, glucolípidos, fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol.

Los triglicéridos son ésteres derivados de glicerol y tres ácidos grasos. Son los principales constituyentes de la grasa corporal en los seres humanos y otros animales, así como la grasa vegetal.

Los fosfoglicéridos o glicerofosfolípidos son moléculas lipídicas del grupo de los fosfolípidos. Están compuestos por ácido fosfatídico, una molécula compleja compuesta por glicerol, en el que se han esterificado dos ácidos grasos y un grupo fosfato. A su vez, al grupo fosfato se une un alcohol o un aminoalcohol.

Los glucolípidos o esfingoglucolípidos están compuestos por una ceramida y un glúcido de cadena corta; carecen de grupo fosfato.

Los fosfolípidos son un tipo de lípidos saponificables que componen las membranas celulares, compuestos por una molécula de alcohol, a la que se unen dos ácidos grasos y un grupo fosfato.

Los esfingolípidos son lípidos complejos que derivan del aminoalcohol insaturado de 18 carbonos esfingosina. Los hay con o sin fosfato: fosfoesfingolípidos y glucoesfingolípidos; la esfingosina se halla unida a un ácido graso de cadena larga mediante un enlace amida formando la ceramida.

El colesterol es un lípido que se encuentra en la membrana plasmática eucariota, los tejidos corporales de todos los animales y en el plasma sanguíneo de los vertebrados.

Ciclo lítico y ciclo lisogénico en la multiplicación viral

Los virus tienen mecanismos que les permiten reproducirse dentro de las células hospedadoras. El ciclo de multiplicación tiene lugar cuando el virión penetra en la célula hospedadora y utiliza la maquinaria replicativa de ésta para generar nuevas partículas víricas. Este proceso recibe el nombre de ciclo lítico porque conduce a la destrucción (lisis) de la célula parasitada. Algunos virus, sin embargo, penetran en las células hospedadoras y permanecen en ellas sin producir nuevas partículas víricas completas; estos virus siguen un ciclo lisogénico.

Ciclo lítico: ciclo del bacteriófago T4

En todos los ciclos líticos de multiplicación viral se pueden distinguir unas etapas comunes: fijación o adsorción, penetración, replicación y síntesis de capsómeros, ensamblaje de los nuevos virus y lisis o liberación. Como ejemplo, estudiaremos el ciclo de un virus complejo, el del bacteriófago T4. Este virus se compone de una cabeza y una cola en la que hay una placa basal con fibras de fijación. El genoma está constituido por una molécula de ADN bacteriano que se encuentra empaquetada dentro de la cabeza.

Fase de fijación o adsorción: El virus entra en contacto con la superficie de la célula hospedadora y una proteína de la cápsida se une específicamente a una proteína receptora de la célula hospedadora.
Fase de penetración: El bacteriófago penetra en la célula hospedadora y su ADN vírico es inyectado en el citoplasma de la bacteria.
Fase de eclipse: Se sintetizan proteínas codificadas por los genes víricos y el ADN vírico se replica repetidas veces.
Fase de ensamblaje: Los capsómeros se reúnen formando la cápsida y el ADN vírico se pliega y penetra en la cabeza.
Fase de lisis o liberación: La bacteria se rompe y se liberan los nuevos fagos para repetir el ciclo.

Clasificación de los lípidos

Los lípidos se clasifican en triglicéridos, fosfoglicéridos, glucolípidos, fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol.

Los triglicéridos son ésteres derivados de glicerol y tres ácidos grasos.

Los fosfoglicéridos o glicerofosfolípidos están compuestos por ácido fosfatídico, glicerol, dos ácidos grasos y un grupo fosfato.

Los glucolípidos o esfingoglucolípidos están compuestos por una ceramida y un glúcido de cadena corta.

Los fosfolípidos son compuestos por una molécula de alcohol, dos ácidos grasos y un grupo fosfato.

Los esfingolípidos derivan de la esfingosina y pueden ser fosfoesfingolípidos o glucoesfingolípidos.

El colesterol es un lípido que se encuentra en las membranas celulares y en el plasma sanguíneo de los vertebrados.