Del ADN a la Proteína: Procesos Fundamentales de Transcripción y Traducción

Transcripción: Del ADN al ARN

La transcripción es el proceso mediante el cual la información genética contenida en el ADN es transferida a una molécula de ARN. Este proceso ocurre tanto en procariotas como en eucariotas. En eucariotas, también se lleva a cabo en mitocondrias y cloroplastos, orgánulos que poseen ADN circular similar al de los procariotas.

Tipos de ARN Involucrados

• ARN Heterogéneo Nuclear (ARNhn): Es el transcrito primario en eucariotas, precursor del ARNm. Contiene secuencias codificantes (exones) y no codificantes (intrones). Solo existe en eucariotas y no se traduce directamente a proteína.
• ARN Mensajero (ARNm): Molécula que porta la información genética desde el ADN hasta los ribosomas para la síntesis de proteínas. Posee secuencias complementarias a una de las hebras del ADN. La información está organizada en tripletes de nucleótidos llamados codones. Es diferente en procariotas y eucariotas. Este ARN sí es traducido.
• ARN de Transferencia (ARNt): Presente en procariotas y eucariotas. Transporta aminoácidos específicos hacia los ribosomas durante la traducción. Posee una secuencia de tres nucleótidos llamada anticodón, que es complementaria a un codón específico del ARNm.
• ARN Ribosómico (ARNr): Componente estructural fundamental de los ribosomas, lugar donde ocurre la síntesis de proteínas. Es diferente en eucariotas y procariotas.
• ARN Nuclear Pequeño (ARNsn): Pequeñas moléculas de ARN encontradas únicamente en el núcleo de las células eucariotas. Son cruciales para el proceso de eliminación de intrones (splicing) del ARNhn. Generalmente están asociados con proteínas, formando complejos llamados ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (snRNPs o 'snurps'). Algunas de estas moléculas de ARN tienen actividad catalítica y se denominan ribozimas.

Fases de la Transcripción

Iniciación

Requiere una secuencia específica en el ADN llamada promotor, a la cual se une la enzima ARN Polimerasa (ARN Pol). Existe un promotor específico para cada gen o grupo de genes, pero la secuencia promotora en sí no se transcribe al ARN.

Promotor

Actúa como una señal de inicio, indicando a la ARN Polimerasa dónde comenzar la transcripción y cuál de las dos hebras de ADN debe leerse (hebra molde).

Caja de Pribnow (Procariotas)

Secuencia consenso rica en Adenina (A) y Timina (T), típicamente TATAAT, ubicada unos 10 pares de bases antes del sitio de inicio de la transcripción. Es un componente esencial de muchos promotores bacterianos, reconocido por la subunidad sigma de la ARN Polimerasa.

ARN Polimerasa (ARN Pol)

Enzima clave de la transcripción con múltiples funciones:

• Reconoce el sitio promotor de inicio en el ADN.
• Desenrolla localmente las hebras de ADN.
• Sintetiza (polimeriza) un segmento de ARN complementario a la hebra molde de ADN.
• Avanza a lo largo del ADN, desenrollándolo a medida que progresa.
• Reconoce las señales de terminación.

La ARN Polimerasa bacteriana tiene varias subunidades. La subunidad sigma (σ) es la responsable de reconocer específicamente el promotor para iniciar la transcripción. Solo una de las dos hebras de ADN (la hebra molde o antisentido) se transcribe en ARN.

Elongación

Una vez iniciada la transcripción, la ARN Polimerasa se mueve a lo largo de la hebra molde de ADN (leyéndola en dirección 3' → 5'). Desenrolla el ADN (aproximadamente 20 pares de bases a la vez) y añade ribonucleótidos complementarios uno por uno al extremo 3' de la cadena de ARN en crecimiento. Por lo tanto, la molécula de ARN crece en dirección 5' → 3' y es antiparalela a la hebra molde de ADN.

Terminación

La transcripción finaliza cuando la ARN Polimerasa encuentra una secuencia de terminación específica en el ADN. En procariotas, el cese de la transcripción puede ocurrir mediante dos mecanismos principales:

• Terminación dependiente de Rho (ρ): Involucra a una proteína helicasa llamada factor Rho que ayuda a liberar la cadena de ARN.
• Terminación independiente de Rho (ρ): Se basa en la formación de una estructura secundaria en forma de horquilla (hairpin) en el ARN recién transcrito, seguida de una secuencia rica en Uracilos (U), que desestabiliza la unión ARN-ADN-Polimerasa. Estas secuencias suelen ser ricas en pares Guanina-Citosina (G-C) antes de la región de Uracilos.

Tipos de ARN Polimerasa en Eucariotas

La transcripción de los genes nucleares en eucariotas es más compleja que en procariotas y requiere la participación de múltiples factores de transcripción, proteínas que ayudan a la ARN Polimerasa a unirse al promotor y regular el proceso. Existen tres tipos principales de ARN Polimerasas nucleares en eucariotas:

• ARN Polimerasa I: Localizada en el nucléolo, cataliza la síntesis de la mayoría de los ARNr (el precursor 45S, que luego se procesa para dar los ARNr 28S, 18S y 5.8S).
• ARN Polimerasa II: Responsable de la síntesis del ARNhn (precursor de los ARNm) y de algunos ARNsn.
• ARN Polimerasa III: Sintetiza los ARNt, el ARNr 5S y otros ARN pequeños.

Terminología de Secuencias

• Secuencias río arriba (upstream): Secuencias de ADN localizadas antes del sitio de inicio de la transcripción (hacia el extremo 5' del gen en la hebra codificante). Incluyen el promotor.
• Secuencias río abajo (downstream): Secuencias de ADN localizadas después del sitio de inicio de la transcripción (hacia el extremo 3' del gen en la hebra codificante). Incluyen la región codificante y las señales de terminación.

Secuencia General de Eventos en la Iniciación Eucariota

1. Reconocimiento del promotor y otras secuencias reguladoras.
2. Unión de los factores generales de transcripción.
3. Reclutamiento y unión de la ARN Polimerasa al complejo de iniciación en el promotor.
4. Inicio de la síntesis de ARN (Transcripción).

Transcripción en Eucariotas: Modelo de 'Hojas de Pino'

En micrografías electrónicas de ADN eucariota en transcripción activa, los genes individuales a menudo aparecen como estructuras ramificadas que se asemejan a 'hojas de pino'. Esto se debe a que múltiples moléculas de ARN Polimerasa transcriben simultáneamente el mismo gen, y las cadenas de ARN nacientes se extienden perpendicularmente al eje del ADN. Además, los genes activos pueden estar separados por largas secuencias de ADN no transcrito ('espaciadores' o 'spacers').

Procesamiento del ARNhn a ARNm en Eucariotas

En los eucariotas, el transcrito primario (ARNhn) sufre un procesamiento considerable en el núcleo antes de ser exportado al citosol como ARNm maduro, listo para la traducción. Este procesamiento incluye varias modificaciones:

1. Modificaciones en los extremos:
   • Adición de la caperuza (cap) en 5': Se añade una molécula de 7-metilguanosina (un nucleótido de Guanina modificado) al extremo 5' del ARNhn mediante un enlace trifosfato inusual (5'-5'). La caperuza protege al ARNm de la degradación, facilita su exportación del núcleo y es reconocida por los ribosomas para iniciar la traducción.
   • Adición de la cola de Poli-A en 3': Se añade una secuencia de 50-250 nucleótidos de Adenina (la 'cola de poli-A') al extremo 3' del ARNhn después de un corte en una secuencia señal específica. Esta cola también contribuye a la estabilidad del ARNm, facilita su salida del núcleo y participa en la regulación de la traducción.
2. Splicing (Corte y Empalme):

   Se eliminan las secuencias no codificantes (intrones) del ARNhn y se unen las secuencias codificantes (exones) de forma precisa para generar un ARNm maduro continuo.

   Intrón

   Secuencia presente en el gen (ADN) y en el transcrito primario (ARNhn) que no codifica para la proteína final. Se transcribe pero se elimina durante el splicing y, por lo tanto, no se traduce. Ausente en el ARNm maduro.

   Exón

   Secuencia presente en el gen (ADN) y en el transcrito primario (ARNhn) que sí codifica para la proteína final. Se transcribe y permanece en el ARNm maduro después del splicing, por lo que se traduce a secuencia de aminoácidos.

   El proceso de splicing es catalizado por un complejo grande y dinámico llamado espliceosoma, compuesto por proteínas y ARN nucleares pequeños (ARNsn o snRNPs).

Código Genético

El código genético es el conjunto de reglas que establece la correspondencia entre la secuencia de nucleótidos en el ARN (o ADN) y la secuencia de aminoácidos en las proteínas. Se basa en las cuatro bases nitrogenadas del ARN (Adenina - A, Uracilo - U, Guanina - G, Citosina - C) y los 20 aminoácidos estándar que forman las proteínas.

Experimentos históricos, como los realizados por Nirenberg, Khorana y otros utilizando ARNm sintéticos, demostraron que la información genética se lee en grupos de tres nucleótidos consecutivos, llamados codones. Por ejemplo, un ARNm con la secuencia repetitiva UGUGUG... puede ser leído por el ribosoma de dos maneras posibles en tripletes: UGU y GUG. Experimentalmente, se encontró que esto producía polipéptidos alternantes de Cisteína (codificada por UGU) y Valina (codificada por GUG).

Características del Código Genético

• Es Degenerado o Redundante: La mayoría de los aminoácidos están codificados por más de un codón. Por ejemplo, la Leucina está especificada por seis codones diferentes, mientras que la Metionina solo tiene uno (AUG). Esta redundancia significa que algunas mutaciones puntuales en la tercera base de un codón pueden no cambiar el aminoácido codificado (mutaciones silenciosas).
• Es (Casi) Universal: El mismo código genético es utilizado por la gran mayoría de los organismos, desde bacterias hasta humanos. Esto es una fuerte evidencia de un origen evolutivo común y permite la ingeniería genética (por ejemplo, expresar un gen humano como el de la insulina en bacterias). Existen algunas excepciones menores, principalmente en los códigos genéticos de las mitocondrias y algunos protozoos.
• No es Ambiguo: Cada codón específico codifica para un solo aminoácido (o una señal de inicio o parada). Por ejemplo, el codón AUG siempre codifica para Metionina (o es la señal de inicio), nunca para otro aminoácido.
• Se lee sin solapamiento y sin puntuación: La secuencia de ARNm se lee de forma continua, codón tras codón (tres nucleótidos a la vez), desde una señal de inicio hasta una señal de parada, sin que los nucleótidos de un codón formen parte de otro.

Traducción: Del ARN a la Proteína

La traducción es el proceso por el cual la información codificada en la secuencia de nucleótidos de una molécula de ARNm se utiliza para dirigir la síntesis de una cadena polipeptídica específica (una proteína) con una secuencia definida de aminoácidos.

Este proceso tiene lugar en los ribosomas (ya sean libres en el citosol o unidos al Retículo Endoplasmático Rugoso - RER) y requiere la colaboración de los tres tipos principales de ARN: ARNm, ARNr y ARNt.

Componentes Clave de la Traducción

• ARN Mensajero (ARNm): Actúa como el molde que lleva la información genética en forma de codones. Determina la secuencia de aminoácidos de la proteína.
• ARN Ribosómico (ARNr): Componente estructural y catalítico de los ribosomas. El ARNr de la subunidad mayor cataliza la formación del enlace peptídico entre aminoácidos.
• ARN de Transferencia (ARNt): Actúa como la molécula adaptadora esencial que conecta los codones del ARNm con los aminoácidos correspondientes. Dado que los nucleótidos y los aminoácidos no pueden interactuar directamente de forma específica, el ARNt es crucial.

ARN de Transferencia (ARNt)

Cada molécula de ARNt tiene dos regiones clave:

• Un sitio de unión para un aminoácido específico en su extremo 3' (secuencia CCA). La unión del aminoácido correcto a su ARNt correspondiente (proceso llamado 'carga' o aminoacilación) es catalizada por enzimas específicas llamadas Aminoacil-ARNt sintetasas. Existen al menos 20 tipos diferentes de estas enzimas, una para cada aminoácido. Este proceso requiere energía (ATP).
• Un anticodón: una secuencia de tres nucleótidos localizada en un bucle de la molécula de ARNt. El anticodón es complementario (se aparea por bases) a un codón específico en el ARNm.

Los ARNt también contienen a menudo bases nitrogenadas modificadas ('bases raras'), que se generan post-transcripcionalmente y contribuyen a su estructura y función.

Ribosomas

Son las 'fábricas' celulares donde se sintetizan las proteínas. Están presentes en todas las células (animales, vegetales, procariotas). Se componen de dos subunidades, una mayor y una menor, cada una formada por ARNr y proteínas ribosomales.

En células eucariotas, los ribosomas se localizan en:

• Libres en el citoplasma: Sintetizan proteínas destinadas al citosol, núcleo, mitocondrias, cloroplastos o peroxisomas.
• Unidos a la membrana del RER: Sintetizan proteínas que serán secretadas, insertadas en membranas (plasmática, RE, Golgi, lisosomas) o dirigidas a los lisosomas.
• Dentro de mitocondrias y cloroplastos: Estos orgánulos tienen sus propios ribosomas (similares a los procariotas) para sintetizar algunas de sus proteínas internas.

(Nota: Aunque el RER es contiguo a la envoltura nuclear -carioteca-, la síntesis de proteínas ocurre en los ribosomas asociados al RER, no directamente en la carioteca).

Sitios Funcionales del Ribosoma

Durante la traducción, el ribosoma ensamblado presenta tres sitios importantes para la interacción con los ARNt:

• Sitio A (Aminoacil): Es el sitio de entrada para los ARNt cargados con su aminoácido (aminoacil-ARNt). Aquí, el anticodón del ARNt entrante se aparea con el codón del ARNm.
• Sitio P (Peptidil): Contiene el ARNt que lleva la cadena polipeptídica en crecimiento (peptidil-ARNt). En este sitio se forma el enlace peptídico entre el último aminoácido de la cadena peptídica y el nuevo aminoácido que llega al sitio A.
• Sitio E (Exit/Salida): Es el sitio por donde el ARNt descargado (que ya ha entregado su aminoácido) abandona el ribosoma.

Fases de la Traducción

Iniciación

La iniciación ensambla la maquinaria de traducción en el codón de inicio correcto del ARNm. Los pasos principales son:

1. Carga del ARNt iniciador: Una Aminoacil-ARNt sintetasa específica une el aminoácido iniciador al ARNt correspondiente, utilizando ATP. En eucariotas, el aminoácido iniciador es la Metionina (Met). En procariotas, es una forma modificada, la formil-Metionina (fMet).
2. Formación del complejo de preiniciación: La subunidad ribosómica menor se une a factores de iniciación (proteínas auxiliares) y al ARNm. En eucariotas, la subunidad menor reconoce la caperuza 5' y escanea el ARNm hasta encontrar el primer codón AUG (codón de inicio).
3. Unión del ARNt iniciador: El ARNt iniciador cargado (Met-ARNt^Met en eucariotas, fMet-ARNt^fMet en procariotas), cuyo anticodón es UAC, se une al codón de inicio AUG en el sitio P de la subunidad menor.
4. Ensamblaje del ribosoma completo: La subunidad ribosómica mayor se une al complejo, posicionando el ARNt iniciador en el sitio P y completando la formación del ribosoma funcional. Los sitios A y E quedan definidos y listos para la elongación.

(El texto original continúa describiendo la elongación y terminación de la traducción, pero esa parte no fue proporcionada para la corrección).