Flujo de la información genética: transcripción del ADN y síntesis de proteínas

El Dogma Central de la Biología Molecular

El Dogma Central de la Biología Molecular describe el flujo de la información genética. Establece que el ADN (ácido desoxirribonucleico) contiene las instrucciones genéticas, que son copiadas a una molécula de ARN mensajero (ARNm) mediante un proceso llamado transcripción. Posteriormente, la información contenida en el ARNm es utilizada por los ribosomas para sintetizar una proteína específica, en un proceso conocido como traducción.

Transcripción: Del ADN al ARNm

La transcripción consiste en copiar una parte del mensaje genético desde su forma original (ADN) a una molécula de ARN. Esta molécula de ARN servirá como intermediario para la síntesis de proteínas específicas. Este proceso es catalizado por la enzima ARN polimerasa ADN dependiente, la cual presenta las siguientes características fundamentales:

• Une nucleótidos en sentido 5’ → 3’, es decir, añade nuevos nucleótidos al extremo 3' hidroxilo de la cadena de ARN en crecimiento.
• Utiliza nucleótidos trifosfato (ATP, UTP, CTP, GTP) como sustratos, liberando pirofosfato durante la reacción de polimerización.
• Necesita una molécula de ADN como molde o patrón para poder establecer la secuencia específica de bases nitrogenadas del ARN que se va a sintetizar, siguiendo las reglas de apareamiento complementario (A con U, T con A, C con G, G con C).
• Se fija a regiones específicas del ADN denominadas regiones promotoras o genes promotores, que señalan el inicio de un gen.

Mecanismos de Transcripción

En Procariotas

En las células procariotas, generalmente existe una única ARN polimerasa, compuesta por varias subunidades. Para que esta enzima pueda reconocer y unirse específicamente a la región promotora del ADN, es crucial la asociación con una subunidad proteica llamada factor sigma (σ). Este factor ayuda a la polimerasa a localizar el sitio correcto de inicio de la transcripción.

La elongación de la cadena de ARN continúa hasta que la ARN polimerasa encuentra una secuencia específica en el ADN denominada señal de terminación. La terminación de la transcripción puede ser dependiente de una proteína llamada factor rho (ρ), que ayuda a liberar la cadena de ARN y la enzima del molde de ADN, o puede ser independiente de este factor (terminación intrínseca). El ARNm sintetizado en procariotas a menudo no requiere modificaciones post-transcripcionales significativas y puede ser utilizado directamente para la síntesis proteica, incluso de forma acoplada a la transcripción.

En Eucariotas

La transcripción en células eucariotas es considerablemente más compleja que en procariotas. Involucra la participación de múltiples factores de transcripción proteicos, que ayudan a reclutar y regular la actividad de las ARN polimerasas. Además, existen al menos tres tipos diferentes de ARN polimerasas (ARN polimerasa I, II y III), cada una especializada en transcribir distintos tipos de genes (ARNr, ARNm y ARNt/otros ARN pequeños, respectivamente). Un aspecto distintivo de la transcripción eucariota es el extenso procesamiento o maduración que sufre el transcrito primario de ARNm (llamado pre-ARNm o ARNmhn). Este proceso incluye la adición de una estructura protectora llamada caperuza (cap) en el extremo 5', la adición de una cola de poliadeninas (cola de poli-A) en el extremo 3', y la eliminación de secuencias no codificantes llamadas intrones mediante un proceso de corte y empalme (splicing), que une las secuencias codificantes o exones. Solo el ARNm maduro es exportado del núcleo al citoplasma para su traducción.

El Código Genético: El Lenguaje de los Genes

El código genético es el conjunto de reglas que establece la correspondencia entre la secuencia de nucleótidos (específicamente, las bases nitrogenadas) en el ARNm y la secuencia de aminoácidos que conforma una proteína. Este código es esencial para la traducción de la información genética y posee las siguientes características fundamentales:

• Está organizado en codones: cada codón es un triplete de bases nitrogenadas consecutivas en el ARNm que especifica un aminoácido particular o una señal de terminación.
• Es no solapado y sin puntuación: los codones se leen de forma continua, uno tras otro, sin superponerse y sin bases que actúen como separadores entre ellos.
• Es (casi) universal: el mismo codón especifica el mismo aminoácido en la gran mayoría de los organismos, desde bacterias hasta humanos, con algunas excepciones menores en mitocondrias y ciertos protozoos.
• Es degenerado o redundante: varios codones diferentes pueden codificar para el mismo aminoácido (por ejemplo, leucina es codificada por seis codones diferentes). Esto implica que hay más codones (64 posibles tripletes) que aminoácidos comúnmente incorporados en las proteínas (20). También existen codones de inicio (generalmente AUG) y codones de terminación (UAA, UAG, UGA).

Traducción: Síntesis de Proteínas a partir del ARNm

La traducción es el proceso celular mediante el cual se sintetiza una proteína a partir de la información codificada en una molécula de ARN mensajero (ARNm). Consiste en la unión secuencial de aminoácidos, mediante enlaces peptídicos, siguiendo el orden especificado por los codones del ARNm. Este crucial proceso se lleva a cabo en los ribosomas, que son complejos macromoleculares de ARN ribosómico (ARNr) y proteínas, con la participación indispensable de moléculas de ARN de transferencia (ARNt).

Activación de los Aminoácidos: Preparación para la Síntesis

Antes de que pueda comenzar la síntesis de proteínas, los aminoácidos que serán incorporados deben ser "activados". Este paso preparatorio implica que cada aminoácido se una covalentemente a su molécula de ARNt específica. Esta reacción es catalizada por enzimas denominadas aminoacil-ARNt sintetasas, cada una específica para un aminoácido y su(s) correspondiente(s) ARNt(s). Este proceso requiere un aporte energético, generalmente obtenido de la hidrólisis de ATP (trifosfato de adenosina) a AMP (monofosfato de adenosina) y pirofosfato.

Fases del Proceso de Traducción

El proceso de traducción se desarrolla en varias etapas secuenciales. El texto original describe la primera fase:

• Iniciación: Esta es la primera fase y comprende los siguientes eventos clave:
  • La subunidad menor del ribosoma se une al extremo 5’ de la molécula de ARNm y busca el codón de inicio (generalmente AUG).
  • A continuación, el primer aminoacil-ARNt, que es el ARNt cargado con el aminoácido de inicio (metionina en eucariotas, que puede ser modificada a formilmetionina en procariotas), se aparea con el codón de inicio del ARNm. Este aminoacil-ARNt se posiciona en el sitio P (peptidil) de la subunidad menor del ribosoma.
  • Finalmente, la subunidad mayor del ribosoma se acopla al complejo formado por la subunidad menor, el ARNm y el aminoacil-ARNt iniciador. Esto completa la formación del ribosoma funcional y el complejo de iniciación, listo para comenzar la fase de elongación de la cadena polipeptídica.