Genoma, Transcripción y Traducción: Síntesis de Proteínas

El Genoma debe ser entendido como la totalidad de la información almacenada en el ADN de las células. El genoma en los seres eucarióticos comprende el ADN contenido en el núcleo, organizado en cromosomas, y el genoma de orgánulos celulares como las mitocondrias y los cloroplastos; en los seres procarióticos comprende el ADN de su nucleoide. Esa información, que se encuentra almacenada en todas y cada una de sus células y que le define e identifica como ser único e independiente, es lo que conocemos como su patrimonio genético o genoma. El genoma por lo tanto es una colección completa de ácido desoxirribonucleico (ADN) de un organismo, o sea un compuesto químico que contiene las instrucciones genéticas necesarias para desarrollar y dirigir las actividades de todo organismo.

El genoma humano es la secuencia de ADN contenida en los 23 pares de cromosomas en el núcleo de cada célula humana diploide y en sus mitocondrias. El genoma humano contiene la información genética básica necesaria para el desarrollo físico de un ser humano completo.

De los 23 pares, 22 son cromosomas autosómicos y un par determinante del sexo (dos cromosomas X en mujeres y uno X y uno Y en varones). El genoma haploide (es decir, con una sola representación de cada par) tiene una longitud total aproximada de 3800 millones de pares de bases de ADN (3800 Mb) (megabases, es decir 1.000.000 de bases) que contienen unos 20.000-25.000 genes (las estimaciones más recientes apunta  a unos 20.500). Cuando se empezó a investigar, se creía que estaba compuesto de cerca de 100.000. El proteoma fundamenta la particular morfología y funcionalidad de cada célula.

EXPRESIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA: LA SÍNTESIS PROTEICA. TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN.
El ADN contiene información para que los aminoácidos se unan y formen las proteínas. Sin embargo, dado que la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas (situados en el citoplasma) y que el ADN se halla en el núcleo, del que no sale, se hace necesaria la existencia de alguna molécula que actúe como intermediario entre el ADN y los ribosomas. Este papel de intermediario lo realiza un tipo de ARN, el ARN mensajero (ARNm). El proceso de formación de los ARN se denomina transcripción.                                                                    Con la información contenida en la molécula de ARNm, se puede sintetizar una cadena polipeptídica en un proceso denominado traducción que ocurre en los ribosomas. En este proceso intervienen otros tipos de ARN, el ARN ribosómico (ARNr), componente fundamental de los ribosomas, y el ARN de transferencia (ARNt), que transporta los aminoácidos hasta los ribosomas.                                                                                                      Por supuesto, todo este trasvase de información se produce gracias a la naturaleza química de los ácidos nucleicos. Debido a la complementariedad de las bases nitrogenadas, el ADN se puede replicar y transcribir a ARNm, que se va a traducir por medio de los ARNt y ARNr, también gracias a la complementariedad de las bases. 

TRANSCRIPCIÓN
La transcripción es el proceso por el que se transmite la información contenida en el ADN al ARN, ocurre en el interior del núcleo en las células eucariotas. Como requisitos previos necesita:
a) Una cadena de ADN que actúe como molde. De las dos cadenas de nucleótidos que forman el gen, solo una, la denominada molde, se transcribe realmente, mientras que la otra, llamada informativa, no lo hace.
b) Enzimas. El proceso está catalizado por las ARN-polimerasas. En los procariontes solo existe una, mientras que en los eucariontes existen tres, llamadas ARN- polimerasas I, II y III: la I interviene en la formación del ARNr, la II lo hace en la síntesis de todos los ARNm y la III en la del ARNt y de un ARNr de pequeño tamaño.
c) Ribonucleótidos trifosfato de A, G, C y U.

La transcripción de un gen ocurre en tres etapas: iniciación, elongación y terminación.
Iniciación. La transcripción comienza cuando la ARN-polimerasa reconoce en el ADN que se va a transcribir una señal que indica el inicio del proceso. Tales señales, denominadas centros promotores, son unas determinadas secuencias cortas de bases nitrogenadas a las que se une la ARN-polimerasa.
Elongación. Una cadena de ADN, la cadena molde, actúa como plantilla para la ARN polimerasa. Al "leer" este molde, una base a la vez, la polimerasa produce una molécula de ARN a partir de nucleótidos complementarios y forma una cadena que crece de 5' a 3'. El ARN transcrito tiene la misma información que la cadena de ADN codificante (la contraria a la molde) en el gen, pero contiene la base uracilo (U) en lugar de timina (T).

La ARN-polimerasa hace que la doble hélice de ADN se abra para permitir que quede expuesta la secuencia de bases del ADN y se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir. En la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN-polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN "leyéndola" en sentido 3'--5', mientras que el sentido de síntesis del ARN es 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, al siguiente nucleótido.

Terminación. La ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción. Esto implica el cierre de la burbuja formada en el ADN y la separación de la ARN-polimerasa del ARN transcrito.

Procesamiento del ARN mensajero en células eucariotas
Inicialmente el ARN mensajero se conoce como transcrito primario o ARN precursor (pre-ARN), que en la mayoría de los casos no se libera del complejo de transcripción en forma totalmente activa, sino que ha de sufrir modificaciones antes de ejercer su función (procesamiento o maduración del ARN). Entre esas modificaciones se encuentran la modificación covalente de ciertas bases nitrogenadas, la adición de otros no codificados en el DNA y la eliminación de fragmentos (splicing).
Concretamente, el procesamiento del ARN en eucariotas comprende diferentes fases:

1. Capping: Adición al extremo 5' de la estructura denominada caperuza (o CAP, su nombre en inglés) que es un nucleótido modificado de guanina, la 7-metilguanosina, que se añade al extremo 5' de la cadena del ARNm transcrito primario (ubicado aún en el núcleo celular). Esta caperuza es necesaria para el reconocimiento y el acceso apropiado al ribosoma y para mantener su estabilidad.
2. Poliadenilación: es la adición al extremo 3' de una cola poli-A, una secuencia larga de poliadenilato, es decir, un tramo de RNA cuyas bases son todas adenina. Esta cola protege al ARNm frente a la degradación, aumentando su vida media en el citosol, de modo que se puede sintetizar mayor cantidad de proteína.
3. Splicing -Empalme o Ayuste: En la mayoría de los casos, el ARN mensajero sufre la eliminación de secuencias internas, no codificantes, llamadas intrones. Esto no ocurre en células procariontes, ya que estas no poseen intrones en su DNA. El proceso de retirada de los intrones y conexión o empalme de los exones se llama ayuste, o corte y empalme (en inglés, splicing). El RNA pequeño nuclear (RNAsn), presente en el núcleo, está implicado en los procesos de maduración del RNAm. En este proceso, el RNAsn se asocia a proteínas formando las ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (RNPsn) que se encargan de eliminar los intrones. A veces un mismo transcrito primario o pre-ARNm se puede ayustar de diversas maneras, permitiendo que con un solo gen se obtengan varias proteínas diferentes; a este fenómeno se le llama ayuste alternativo.

El ARN mensajero maduro es trasladado al citoplasma de la célula, en el caso de los seres eucariontes, a través de poros de la membrana nuclear. Al ARN mensajero en el citoplasma se acoplan los ribosomas, que son la maquinaria encargada de la síntesis proteica. En procariontes, la uníón de los ribosomas ocurre mientras la cadena de ARNm está siendo sintetizada. Después de cierta cantidad de tiempo el ARNm se degrada en sus nucleótidos componentes, generalmente con la ayuda de ribonucleasas.
ARN mensajero en células procariotas
El proceso de transcripción y el de traducción se realizan de manera similar que en las células eucariotas. La diferencia fundamental está en que, en las procariotas, el ARN mensajero no pasa por un proceso de maduración y, por lo tanto, no se le añade caperuza ni cola, ni se le quitan intrones. Además, no tiene que salir del núcleo como en las eucariotas, porque en las células procariotas no hay un núcleo definido.

TRADUCCIÓN: Una vez obtenida una copia del mensaje genético en forma de cadena de ARNm, ésta dirige la síntesis de proteínas en los ribosomas. Para ello, estos orgánulos interpretan la secuencia concreta de nucleótidos existente en la molécula de ARNm como la información necesaria para la uníón de los aminoácidos precisos para constituir la proteína específica. El código genético es, en definitiva, la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas. Como sólo hay cuatro bases nitrogenadas distintas, las señales codificadoras para los 20 aminoácidos proteicos deben estar constituidas por más de una base. Cada señal que codifica para un aminoácido está constituida por tres bases nitrogenadas consecutivas (un triplete), existen 64 tripletes de bases distintas. Los tripletes de bases del ARNm reciben el nombre de codones. Existen 61 codones codificadores de aminoácidos y 3 (UAA, UAG y UGA, llamados sin sentido) que señalán el final del mensaje y no especifican ningún aminoácido. Hay también un codón (AUG) que, además de codificar para el aminoácido metionina, es la señal de comienzo.
Este código genético presenta unas carácterísticas que ayudan al cumplimiento de su función:
- Es universal. El código es compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo los virus; así, por ejemplo, el codón UUG codifica para el aminoácido leucina tanto en los procariontes como en los eucariontes, lo mismo que ocurre con todos los codones. Este hecho indica que el código ha tenido un solo origen evolutivo.                                                   - Es degenerado. Este término indica que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón. Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos; esto supone una ventaja, ya que en el caso de que se produzcan cambios en algún nucleótido, es decir, que haya mutaciones, no se tiene por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman una proteína.
- No presenta imperfección. Ningún codón codifica más de un aminoácido; lo contrario conllevaría problemas considerables, pues a partir de un gen se sintetizarían proteínas diferentes.
- Carece de solapamiento. Los tripletes de bases se hallan dispuestos de manera lineal y continua, sin que entre ellos existan comas ni espacios y sin que compartan ninguna base nitrogenada.
La traducción es la transformación del mensaje de ARN en la síntesis de las proteínas correspondientes. Para que se produzca la traducción, se necesitan: - ARNm.
- Los 20 aminoácidos.
- ARNt correspondientes a los 20 aminoácidos.
- Enzimas, factores proteicos y energía.
- Ribosomas. Cada ribosoma tiene un sitio de uníón al ARNm y dos sitios de uníón al ARNt, el sitio A (aminoacil), el sitio P (peptidil). Están formados por dos subunidades compuestas de moléculas de ARNr y muchas proteínas. La subunidad pequeña se une al ARNm y a los ARNt, y la subunidad grande es la encargada de formar el enlace peptídico entre los aminoácidos contiguos gracias a la enzima peptidil-sintetasa que contiene.
Activación de los aminoácidos. Los tripletes del ARN no reconocen directamente a
los aminoácidos que especifican. La traducción del mensaje depende de la presencia
de moléculas de ARNt que sean capaces de realizar ambos reconocimientos: en un
extremo llevan unido el aminoácido, y el anticodón del brazo central es complementario al codón del aminoácido.

La traducción o síntesis de proteínas tiene tres fases:
a) Iniciación: En esta fase la subunidad pequeña del ribosoma, que porta al transferente con metionina, reconoce la caperuza (cap) y se une al extremo 5' del ARNm. Recorre la molécula, colocándose sobre el codón de iniciación (AUG), que es precisamente complementario al ARNt (UAC), que porta el aminoácido Met (metionina). El conjunto de la subunidad ribosómica, el ARNm y el ARNt forma el complejo iniciador. A continuación, la subunidad mayor del ribosoma se une al complejo.
b) Elongación: que podemos dividir a su vez en tres subfases:
1. El siguiente codón del ARNm está expuesto a la altura del sitio A, lo que hace que allí también se coloque el ARNt correspondiente.
2. Una enzima, cataliza el mecanismo por el que el aminoácido situado en P se separa de su ARNt y se une después con un enlace peptídico al aminoácido incorporado en A.
3. Al tiempo que el ARNt en sitio A (ahora con dos aminoácidos) es desplazado hacia el sitio P, de donde es expulsado el ARNt (ya sin aminoácido) que allí estaba, el ribosoma avanza exactamente tres nucleótidos a lo largo del ARNm, dejando un nuevo codón expuesto en el sitio A, permitiendo así que el ciclo comience de nuevo.
c) Terminación: Tiene lugar cuando en el sitio A se expone un codón de terminación para el que no existe ningún ARNt complementario. Lo que sí se sitúa en el sitio A va a ser un factor de separación (RF) que cataliza la separación del polipéptido. A continuación se separa el ARNm, así como las dos subunidades del ribosoma.

La síntesis completa de una proteína tarda entre veinte y sesenta segundos, pero lo más importante es que la traducción de un determinado ARNm implica la participación de numerosos ribosomas actuando simultáneamente, aunque en diferentes puntos del ARNm. Esto es, una vez que el primer ribosoma se aleja unos ochenta nucleótidos del codón de iniciación, un nuevo ribosoma inicia la traducción, y así sucesivamente, dando lugar a una estructura conocida como polirribosoma o, simplemente, polisoma, consistente en una hebra de ARNm unida a numerosos ribosomas como si de un collar se tratase.