Dogma central de la biología molecular: transcripción, traducción y tecnología del ADN recombinante

Dogma central de la biología molecular

El dogma central de la biología molecular, enunciado por Francis Crick, describe el flujo de la información genética: ADN → ARNm → proteína, mediante los procesos de transcripción y traducción.

1. Transcripción

La transcripción es la síntesis de ARN a partir de una cadena molde de ADN. La ARN polimerasa ADN dependiente une nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster en dirección 5' → 3', utilizando como sustratos nucleósidos trifosfato. Necesita ADN como molde y se fija a los genes promotores para comenzar la transcripción.

Transcripción en procariotas

• La ARN polimerasa está formada por las subunidades α, β y β'.
• Se une a la subunidad sigma (σ) para reconocer la región promotora (secuencia TATAAT, caja de Pribnow).
• Una vez iniciada la síntesis, la subunidad σ se libera y la doble hélice se desenrolla.
• La polimerasa recorre el ADN hasta encontrar la señal de terminación (ricas en G y C), que es reconocida por el factor rho (ρ).
• Después se produce la maduración del ARN.

Transcripción en eucariotas

• Intervienen varios factores de transcripción.
• ARN polimerasa I (ADNP I): transcribe los genes de los ARNr.
• ARN polimerasa II (ADNP II): transcribe los genes que originan los ARNm.
• ARN polimerasa III (ADNP III): produce los ARNt y el ARNr 5S, y transcribe los genes que codifican para las histonas.
• En el extremo 5' se añade una caperuza (cap) y en el extremo 3' una cola de poli-A, mediante la poli-A polimerasa.

Maduración del ARN

• RNPpn y espliceosomas (proteínas + ARN) eliminan los intrones y unen los exones.
• Ligasas unen los fragmentos de ARN.
• Los ARNt sufren modificaciones de bases.
• El organizador nucleolar es la región del ADN que codifica para los ARNr.

Severo Ochoa descubrió la polinucleótido fosforilasa, enzima que sintetiza ARN a partir de nucleósidos difosfato.

2. Características del código genético

• Está formado por una secuencia lineal de bases nitrogenadas.
• No hay separación entre codones.
• Es universal.
• Es degenerado, es decir, varios codones pueden codificar el mismo aminoácido (sinónimos).

3. Traducción

La traducción consiste en la síntesis de proteínas a partir del ARNm en los ribosomas. Los aminoácidos se activan y se unen al ARNt mediante la enzima aminoacil-ARNt sintetasa, con gasto de ATP.

Estructura del ARNt

Presenta cuatro brazos: D, TΨC, aceptor de aminoácido (extremo 3' –CCA) y anticodón.

Fases de la traducción

• Iniciación: necesita factores de iniciación. El ARNm se une por su extremo 5' a la subunidad menor del ribosoma. El ARNt iniciador, que transporta formilmetionina, se fija en el sitio P. Después se une la subunidad mayor (con Mg²⁺). Se gasta energía por hidrólisis de GTP.
• Elongación: el aminoacil-ARNt entra en el sitio A (con GTP). La peptidil transferasa forma el enlace peptídico. El ARNt libre se desprende y el dipéptido se transloca al sitio P.
• Terminación: al llegar a un codón de terminación, los factores de liberación hacen que la peptidil transferasa libere el ARNt y la proteína completa.

Diferencias en eucariotas

• Entre la transcripción y la traducción existe la membrana nuclear.
• Los ARNm son más estables y monocistrónicos (codifican una sola proteína).
• Los ribosomas tienen ARNr diferente.
• El ARNt se une antes a la subunidad menor del ribosoma que al ARNm.
• Intervienen factores diferentes.

Regulación de la expresión génica

La regulación en procariotas se explica mediante el operón, formado por:

• Genes estructurales: contienen la información para sintetizar enzimas.
• Promotor: región del ADN donde se une la ARN polimerasa.
• Operador: lugar del ADN donde se une la proteína reguladora.
• Regulador: gen que sintetiza la proteína reguladora.

Sistemas de regulación

• Sistema inducible (catabólico): el operón lac tiene el represor activo; cuando aparece el sustrato (inductor), el represor se inactiva y se transcriben los genes.
• Sistema represible (anabólico): el operón del triptófano tiene el represor inactivo; el correpresor lo activa y bloquea la transcripción.

Regulación en eucariotas

• La regulación puede ocurrir en cualquier proceso, siendo habitual al inicio de la transcripción.
• Los mecanismos dependen de la separación de histonas y de la existencia de factores activadores, como las hormonas.
• El fitocromo es una molécula de los vegetales que interviene en la regulación de la transcripción, activando de forma aún desconocida la región del ADN donde se fija la ARN polimerasa.

Tecnología del ADN recombinante e ingeniería genética

Técnicas de hibridación de ácidos nucleicos

Permiten la localización del gen mediante una sonda, molécula de ácido nucleico monocatenario que se hibrida con la secuencia complementaria. Existen dos tipos:

• ADN–ADN: transferencia de Southern.
• ADN–ARN: transferencia de Northern.

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

Desarrollada por Kary Mullis, permite obtener múltiples copias de un fragmento de ADN. Proceso:

1. Se separan las dos cadenas del ADN bicatenario (desnaturalización).
2. Se unen los cebadores a cada cadena.
3. La Taq polimerasa, procedente de bacterias termófilas, sintetiza la cadena complementaria usando dNTP.
4. El proceso se repite en ciclos de síntesis.

Métodos de secuenciación del ADN

1. Método de Sanger

El ADN se separa en dos hebras, una de ellas se usa como molde, se une un cebador y se añaden la ADN polimerasa y los cuatro dNTP en cuatro recipientes distintos, cada uno con un didesoxinucleótido. Se obtienen fragmentos de longitud variable que se separan por electroforesis: los más largos migran más lentamente. Hood automatizó el proceso.

2. Secuenciación masiva

Permite secuenciar genomas completos, como hizo Craig Venter. Se fragmenta el ADN al azar, se clona en una genoteca, se secuencian los fragmentos automáticamente y después se alinean las secuencias con ayuda de programas informáticos, corrigiendo los errores.

Pirosecuenciación

Técnica desarrollada por Mostafa Ronaghi que utiliza microesferas.