Dogma central de la biología molecular: transcripción, traducción y código genético

Dogma central de la biología molecular

Dogma central de la biología molecular: los avances en bioquímica y el descubrimiento de los distintos tipos de ARN permitieron a Francis Crick enunciar el dogma central de la biología molecular. Actualmente está demostrado que el ADN copia una parte de su mensaje sintetizando una molécula de ARN mensajero (transcripción) y constituye la información utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína (traducción). El mensaje genético se transmite en dos etapas sucesivas en las que el ARN es un intermediario imprescindible.

Transcripción

Transcripción: consiste en copiar parte del mensaje genético desde su forma original (ADN) a otra (ARN) que se pueda utilizar directamente para la síntesis de proteínas específicas. Se copia en el núcleo y sale al citoplasma. Mediante este proceso se forma una cadena de ARN cuya secuencia de bases nitrogenadas es la misma que la de una de las hebras de la doble hélice de ADN.

La síntesis de ARN se produce por la enzima ARN polimerasa ADN-dependiente. Une nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5'-3', pero lee la cadena en sentido 3'-5'. Utiliza nucleótidos trifosfato y necesita una molécula de ADN como molde, así cada ribonucleótido se sitúa frente al nucleótido correspondiente del ADN y la enzima ARN polimerasa los une. La cadena de ARN sintetizada es complementaria a la hebra de ADN que se utiliza como molde, es decir, es igual a la otra hebra. La enzima se fija a regiones específicas del ADN para empezar su acción a partir de ese punto.

Transcripción en procariotas

Transcripción en células procariotas: existe una única ARN polimerasa formada por dos subunidades alfa, una subunidad beta y una subunidad beta prima. Para reconocer la región promotora del ADN donde se fija y empezar la transcripción, se necesita que la ARN polimerasa se una al factor sigma (σ), que cambia de conformación y es capaz de reconocer y fijarse a la región promotora, una zona del ADN rica en bases timina y adenina, porque son más fáciles de romper sus enlaces (doble enlace). Cuando está fijada la ARN polimerasa, el factor sigma se libera. Solo participa en el principio de la transcripción y puede pasar de unas enzimas a otras para que éstas reconozcan los lugares donde debe empezar la síntesis de la cadena de ARN.

La ARN polimerasa fijada al ADN produce el desenrollamiento de una vuelta de la doble hélice. Comienza la actividad sintetizadora del ARN (sentido 5'-3') que recorre la cadena de ADN en sentido 3'-5'. La formación de la cadena de ARN termina cuando la polimerasa llega a la zona del ADN llamada señal de terminación, que tiene una secuencia con muchas bases guanina y citosina porque, al estar unidas por triples enlaces, ralentizan su velocidad de replicación. En esta fase interviene el factor rho (ρ), una proteína capaz de romper el híbrido en zonas ricas en guanina y citosina y también reconoce la señal de terminación.

Formación del ARN:

• Iniciación (ARN polimerasa unida al factor sigma).
• Elongación (alargamiento de la cadena).
• Terminación (final).

Transcripción en eucariotas

Transcripción en células eucariotas: intervienen diversos factores proteicos. Hay tres ARN polimerasas diferentes:

• ARN polimerasa I: transcribe la información correspondiente a los ARN ribosómicos (excepto el 5S). La síntesis tiene lugar en el nucléolo.
• ARN polimerasa II: se encarga de la transcripción de los genes que originan los ARN mensajeros. Tiene lugar en el nucleoplasma.
• ARN polimerasa III: responsable de la producción de los ARN de transferencia, del ARN ribosómico 5S, y realiza la transcripción de los genes que portan información para las histonas. Tiene lugar en el nucleoplasma.

Cuando el proceso de transcripción está en marcha y se han unido los primeros 30 ribonucleótidos, se añade al extremo 5' una caperuza formada por 7-metilguanosina trifosfato, que permitirá la identificación de este extremo en el proceso de traducción posterior. Esta caperuza protege al ARN en su viaje hacia el citoplasma del ataque de exonucleasas. Sobre el extremo 3' del ARN recién sintetizado se añaden unos 200 ribonucleótidos de adenina (cola poli-A) por acción de la enzima poli-A polimerasa, que protege al ARN del ataque de exonucleasas. El ARN de transferencia se produce mediante una serie de modificaciones en su base y se añade el triplete CCA en el extremo 3'.

Maduración del ARN

Maduración del ADN: excepto las histonas, en todos los casos es necesario un proceso de maduración. En las células eucariotas, los genes constan de fragmentos con sentido, que llevan información útil (exones), y fragmentos sin sentido (intrones), que también se transcriben pero son cortados después y eliminados del ARN recién sintetizado.

Código genético

Código genético: es la relación que hay entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituye una proteína. Cada nucleótido lleva información para cada aminoácido. El código genético es la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas. Solo hay 4 bases nitrogenadas diferentes. Cada señal que codifica para un aminoácido concreto está formada por 3 bases nitrogenadas consecutivas (triplete). Los tripletes de bases del ARNm se llaman codones. Hay 61 codones codificadores de aminoácidos y 3 (UAA, UAG, UGA) sin sentido, que señalan el final del mensaje y no especifican ningún aminoácido. El aminoácido metionina (AUG) es la señal de inicio.

Características del código genético:

• Está formado por una secuencia lineal de bases nitrogenadas. Entre los sucesivos codones no hay espacios ni separaciones de ningún tipo.
• Tiene carácter universal.
• Es un código degenerado, ya que un aminoácido está codificado por más de un codón.
• Es específico, porque ningún codón codifica dos aminoácidos diferentes.
• No es solapado, puesto que dos aminoácidos sucesivos no comparten nucleótidos de sus tripletes; no pueden compartir codones.

Traducción o proceso de biosíntesis de proteínas

Traducción o proceso de biosíntesis de proteínas: cuando se ha transcrito el ADN, la molécula de ARNm formada contiene la información necesaria para la síntesis de la proteína correspondiente. La biosíntesis de proteínas se desarrolla de la misma manera en las células procariotas y eucariotas, aunque hay diferencias.

Procariotas

Procariotas: antes de que se inicie la síntesis de las proteínas es necesario que los aminoácidos que van a ser unidos se activen. En esta fase previa, que tiene lugar en el citoplasma, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt específica por la acción de las enzimas aminoacil-ARNt sintetasas. Es necesario el aporte energético obtenido por hidrólisis de ATP, que pasa a AMP y 2 grupos fosfato. El aminoácido queda unido por su extremo carboxilo al extremo 3' de la molécula de ARNt.

Las moléculas de ARNt tienen 4 brazos llamados D, T, aceptor de aminoácido y anticodón. En el aceptor de aminoácido se localizan los 2 extremos de la cadena. El extremo 3' presenta siempre la secuencia CCA y el aminoácido se une a este último nucleótido. El extremo 5' siempre termina en un nucleótido de guanina. El brazo anticodón lleva un triplete de bases nitrogenadas específico de cada tipo de ARNt. Este triplete se llama anticodón y su función es unirse con el codón complementario correspondiente del ARNm.

Las moléculas de ARNt se comportan como adaptadores intermediarios entre la secuencia de nucleótidos y la de aminoácidos, ya que además de llevar un aminoácido en su extremo 3', reconocen los nucleótidos del ARNm por su anticodón complementario al codón correspondiente. Cuando están activados los aminoácidos por la formación de los aminoacil-ARNt, tiene lugar la síntesis de proteínas, que empieza cuando aún no ha terminado la formación del ARNm por completo.

El proceso tiene 3 etapas:

Iniciación: sirve para montar la maquinaria donde va a realizarse la síntesis de proteínas. El ARNm se une a los ribosomas citoplasmáticos. El proceso necesita unas moléculas proteicas, los factores de iniciación: el ARNm se une por su extremo 5'-3' a la subunidad menor del ribosoma mediante el factor proteico de iniciación IF3. Después se produce la fijación del primer aminoacil-ARNt por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases complementarias del anticodón del ARNt y las del codón del ARNm. El codón de iniciación siempre es 5' AUG 3' y el anticodón del primer ARNt es UAC. En el proceso de fijación entre ambos ARN interviene otro factor de iniciación, el IF2. Se produce el acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma, para lo que se necesita otro factor de iniciación diferente, el IF1, y la presencia de iones Mg2+. Así queda formado el complejo de iniciación que forma la maquinaria sintetizadora activa. El AUG se encuentra con el aminoacil-ARNt correspondiente en el sitio P (de peptidilo), la zona donde está el segundo codón; el sitio A (de aminoacilo). El proceso de iniciación necesita energía que se obtiene de la hidrólisis de GTP (GTP → GDP + P).

Elongación: se sintetiza la cadena peptídica por la unión de los sucesivos aminoácidos que se van situando en el ribosoma, transportados por los correspondientes ARNt. Es necesario el desplazamiento del ribosoma a lo largo de la cadena de ARNm. Consta de 3 subetapas:

• Unión de un aminoacil-ARNt al sitio A: solo es posible si el anticodón del ARNt es complementario al codón del ARNm que se encuentra allí. Se necesita la hidrólisis del GTP para proporcionar la energía necesaria y 2 factores proteicos de elongación (EF-Ts y EF-Tu).
• Formación del enlace peptídico: anclados los 2 aminoacil-ARNt, uno en el sitio P y otro en el sitio A, se produce la unión entre los 2 aminoácidos por la enzima peptidiltransferasa. Cuando se une el 1º aminoácido (formilmetionina) al segundo, se desprende de su ARNt, el cual se libera del ribosoma. Se forma un dipéptido que permanece unido al 2º ARNt, el cual se localiza en el sitio A.
• Translocación del dipéptido al sitio P: se produce el desplazamiento del ribosoma sobre el ARNm en sentido 5'-3'. El 2º codón con el ARNt fijado sobre él pasa al sitio P, y queda libre el sitio A, que es ocupado por el 3º codón del ARNm. Sobre este se fija un nuevo aminoacil-ARNt con la participación de otro factor de elongación (EF-G). Se forma un nuevo enlace peptídico entre ese aminoácido y el dipéptido situado en el sitio P, con lo que vuelve a empezar el proceso de translocación descrito.

Mientras el ribosoma recorre el ARNm, los sucesivos aminoacil-ARNt que se van fijando al sitio A van incorporando su aminoácido correspondiente a la cadena peptídica en formación mediante la acción de la enzima peptidil-transferasa. En la fijación de cada ARNt se utiliza la energía suministrada por la hidrólisis del GTP. Por la complementariedad que hay entre los anticodones del ARNt y los codones del ARNm, la secuencia de bases nitrogenadas de este último se refleja en la secuencia de aminoácidos de la proteína que se sintetiza.

Terminación: hay 3 codones de terminación (UAA, UAG, UGA) en el ARNm para los que no hay ARNt con sus correspondientes anticodones. Por eso, cuando el ribosoma llega a uno de ellos no se sitúa ningún aminoacil-ARNt en el sitio A y la cadena peptídica termina. En esta fase intervienen: RF1 para los codones de terminación UAA y UAG, y RF2 para los codones UAA y UGA. Al situarse en el sitio A, estos factores hacen que la enzima peptidil-transferasa libere el péptido del ARNt al que está unido, al reaccionar el grupo carboxilo del último aminoácido con agua. Se utiliza la energía que proporciona el GTP. Se liberan: la cadena proteica que se conforma, que ha ido adquiriendo sus estructuras secundaria y terciaria características; las 2 subunidades ribosómicas separadas; y el ARNm, que puede volver a ser utilizado, aunque por lo general es destruido inmediatamente o se degrada según es leído por los ribosomas.

Eucariotas

Eucariotas: las moléculas, estructuras y desarrollo del proceso son iguales a las de las procariotas. La diferencia entre el lugar de transcripción (núcleo celular) y el de traducción (ribosomas citoplasmáticos) es que hay una separación (membrana nuclear). Los ARNm son monocistrónicos porque cada uno de ellos solo contiene información para una proteína; los procariotas suelen ser policistrónicos. El extremo 5' del ARNm tiene metilguanosina trifosfato para poder ser identificado por los ribosomas. Los ribosomas tienen ARNr diferentes y su coeficiente de sedimentación es distinto (80S en células eucariotas y 70S en procariotas). El primer ARNt no lleva unido formilmetionina, sino metionina. Este 1º ARNt se une antes a la subunidad ribosómica menor que al ARNm, a diferencia de lo que sucede en los procariotas. Los factores de iniciación, elongación y terminación son distintos.