El mecanismo de replicación
El mecanismo de replicación es un proceso que ocurre una sola vez en cada generación celular, durante la fase S del ciclo celular (en las células eucariotas). Para su estudio se pueden diferenciar las siguientes etapas:
Iniciación
Comienza con una secuencia específica de nucleótidos (origen de la replicación); requiere de enzimas helicasas, que rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias, abriendo la doble hélice. Las topoisomerasas o girasas rebajan la tensión provocada por los superenrollamientos que se producen en las zonas próximas a la iniciación. Una vez separadas las cadenas, unas proteínas de unión a cadena simple (dbp o ssb) se unen a las hebras sencillas manteniéndolas separadas y evitando que se retuerzan. Para que se forme la nueva cadena no es suficiente que esté presente la cadena que sirve de molde, sino que debe estar presente el inicio de la nueva cadena; este inicio lo proporciona un fragmento de ARN llamado cebador (sintetizado por una ARN primasa) reconocido por las ADN polimerasas que sintetizan la nueva cadena de ADN. La síntesis de las nuevas cadenas es catalizada por un grupo de enzimas conocidas como ADN polimeras que van añadiendo los nucleótidos uno a uno. La zona donde ocurre la replicación se denomina burbuja de replicación; estos segmentos de ADN en replicación se denominan replicones. El proceso de replicación es bidireccional y siempre en el sentido de la cadena de nucleótidos 5’®3’, pues las polimerasas solo colocan y unen nucleótidos en ese sentido (lectura 3’®5’). Como la replicación solo ocurre en un sentido y las dos cadenas de ADN son antiparalelas, una cadena (la 5’®3’) se sintetiza continuamente como una sola unidad, es la cadena adelantada o conductora, mientras que la otra cadena (la 3’®5’) se forma de manera discontinua como una serie de fragmentos de Okazaki, sintetizados cada uno en el sentido 5’®3’, que después terminan uniéndose formando la cadena retrasada o retardada. Hay otra enzima, la ADN ligasa que conecta los fragmentos de ADN recién formados con la cadena de ADN en crecimiento.
Transcripción y retrotranscripción
Basado en los primeros indicios, F.H. C. Crick enunció lo que llamó el dogma central de la biología molecular, según el cual el ADN traslada parte de su información a una molécula de ARN, que a su vez dirige la formación de una proteína.
Transcripción
El ARNm es una copia de una secuencia de ADN con una sola cadena de nucleótidos que se sintetiza según el principio de complementariedad de bases entre ADN y ARN: C-G; G-C; A-U; T-A. La síntesis de ARNm llamada transcripción es similar a la replicación del ADN; la síntesis tiene lugar en el sentido 5’®3’; por lo tanto los ribonucleótidos se van añadiendo uno a uno en el extremo 3’ de la cadena en crecimiento; este proceso es catalizado por la enzima ARN polimerasa II. En las células eucariotas la transcripción comienza con la unión de la ARN polimerasa II a una secuencia de nucleótidos del ADN llamada promotor. Los promotores en eucariotas son: TATABOX y CAATBOX. Después de que la transcripción ha terminado y la molécula de ARN se ha desprendido del molde de ADN, enzimas especiales adicionan unos 200 nucleótidos de adenina llamada cola poli-A. Por último, antes de que abandone el núcleo tiene lugar el proceso de maduración mediante el cual se eliminan los intrones y se unen los exones, lo cual es promovido por un complejo de proteínas y ARN (son cinco ribonucleoproteínas nucleares pequeñas o snRNP) denominado espliceosoma.
Retrotranscripción o transcripción inversa
Se descubrió que todos los virus con ARN que producen tumores, como el virus del SIDA, pueden producir ADN polimerasa dependiente de ARN; esta enzima se conoce con el nombre de transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, y es capaz de sintetizar una cadena de ADN complementaria del ARN vírico. Otra modificación al dogma central lo constituyó el descubrimiento de la autorreplicación o autoduplicación del ARN, según la cual un ARN puede actuar de molde y sintetizar otra molécula idéntica a él. Este proceso fue observado en pequeño número de virus bacteriófagos. La enzima responsable de la autoduplicación del ARN es la ARN replicasa.
Traducción
Cuando se descubrió el ARNm, faltaba comprender cómo la información transcrita en dicha molécula pasaba a configurar proteínas, es decir, cómo la información de una secuencia de bases nitrogenadas se traduce en una secuencia de aminoácidos. Como se conocen 20 aminoácidos diferentes formadores de proteínas se dedujo que tenían que ser tres nucleótidos los que codificaran un aminoácido, puesto que así existirían 64 tripletes (tríos de nucleótidos), más que suficientes para traducir la información del ARN a las proteínas. El código genético viene a ser como un diccionario que trata de establecer una equivalencia entre el lenguaje del ARN, escrito con cuatro bases nitrogenadas, y el lenguaje de las proteínas, escrito con veinte aminoácidos distintos. La equivalencia se establece entre tres nucleótidos o triplete del ARNm, al que se denomina codon, y un aminoácido. El triplete complementario en el ADN, y del cual deriva el codon, se llama codógeno. Existe además otro triplete, complementario del codon pero en una zona específica del ARNt, que recibe el nombre de anticodon, el cual se une al codon mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. El código genético es universal, es decir, que el mismo código es empleado por todas las células de todos los organismos vivos e incluso virus. Se lee de forma continua, sin pausas, hasta alcanzar uno de los codones de terminación y sin solapamiento de los codones.
Proceso de traducción en procariotas
Fase de activación del ARNt/activación de los aminoácidos: Cada molécula de ARNt tiene dos sitios de unión, uno denominado anticodon, consistente en un triplete de nucleótidos ubicado en una de las asas, el cual es complementario de un codon del ARNm con el que se acopla; el otro es el extremo 3’ de la molécula, al cual se une el aminoácido que corresponda, según el anticodon y siguiendo las normas del código genético. La reacción enzimática que une un aminoácido a su ARNt específico es catalizada por la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, existiendo diferentes enzimas para cada tipo de unión del par aminoácido-ARNt. Para poderse llevar a efecto requiere de un gasto energético que suministra una molécula de ATP que se rompe en dos grupos fosfato y AMP.
Fase de iniciación de la síntesis: La síntesis de proteínas comienza cuando la subunidad más pequeña del ribosoma se une a una molécula de ARNm cerca de su extremo 5’, exponiendo su primer codon, que es el AUG (señal de iniciación). A continuación, el primer ARNt-aminoacil se acopla con el codon iniciador según la complementariedad codon-anticodon, por lo que el anticodon del ARNt será el UAC, y dicho ARNt llevará en su extremo 3’ el aminoácido metionina (Met) según el código genético y será el primer aminoácido de la cadena polipeptídica que se forme. El conjunto formado por la subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm y el ARNt se llama complejo de iniciación. Una vez formado, se le une la subunidad mayor del ribosoma, quedando el ARNt inicial en el llamado sitio P o peptidil.