Replicación del ADN y Expresión Genética: Procesos Fundamentales

La replicación del ADN y la expresión del mensaje genético son pilares de la biología molecular, esenciales para la herencia y el funcionamiento celular. A continuación, se detallan estos complejos mecanismos.

Replicación del ADN

Replicación en Procariotas

La replicación del ADN en procariotas es un proceso vital para la división celular, caracterizado por su eficiencia y precisión.

Fase de Iniciación

• Una secuencia específica de nucleótidos en el ADN, conocida como origen de replicación, actúa como señal de inicio.
• La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno y separa las hebras de ADN.
• Las enzimas topoisomerasas eliminan las tensiones y superenrollamientos generados al romperse la doble hélice.
• Las proteínas estabilizadoras (SSB) mantienen separadas las hebras, iniciando la formación de la horquilla de replicación.
• Es un proceso bidireccional. Estas horquillas enfrentadas forman las burbujas u ojos de replicación.

Fase de Elongación

En esta fase, intervienen diversas enzimas clave:

• Una ARN polimerasa (primasa) sintetiza un fragmento corto de ARN de unos 10 nucleótidos (primer), que actúa como cebador.
• Partiendo del primer, la ADN polimerasa III sintetiza una hebra de ADN en sentido 5'-3'. Esta nueva hebra tiene un crecimiento continuo y se denomina hebra conductora.
• Sobre la otra hebra, la hebra retardada, que es antiparalela, la ARN polimerasa sintetiza unos 40 nucleótidos de ARN. A partir de estos, la ADN polimerasa III sintetiza unos 1000 nucleótidos de ADN, formando así un fragmento de Okazaki. Este proceso se va repitiendo a medida que se van separando los filamentos patrón.
• Posteriormente, interviene la ADN polimerasa I, que retira los segmentos de ARN y añade nucleótidos de ADN en su lugar.
• Finalmente, interviene la ADN ligasa, que une los diferentes fragmentos de ADN sintetizados.

Replicación en Eucariotas

La replicación en eucariotas presenta particularidades debido a la complejidad de su genoma:

• El ADN de las células eucariotas está asociado a histonas, formando nucleosomas. Se ha observado que, durante la replicación, la hebra que sirve de patrón a la hebra conductora permanece asociada a las histonas, y ambas se enrollan juntas sobre los octámeros antiguos. La hebra retardada y la que le sirve de patrón se enrollan juntas sobre nuevos octámeros de histonas que llegan a los lugares de replicación para formar nuevos nucleosomas.
• En el ADN de un cromosoma no hay un solo origen de replicación, sino aproximadamente un centenar. Se forman unas 100 burbujas de replicación, que se distribuyen irregularmente, por lo que hay regiones con muchas burbujas y regiones con muy pocas. Constituyen las denominadas unidades de replicación o replicones.
• Los fragmentos de Okazaki son más grandes, y el proceso de replicación se lleva a término durante el período S de la interfase.

Expresión del Mensaje Genético

La expresión del mensaje genético es el mecanismo por el cual se pasa de una secuencia de nucleótidos de ADN a una secuencia de aminoácidos en una proteína. Se diferencian dos procesos: transcripción y traducción. Este flujo de información fue propuesto como el dogma central de la biología molecular.

Posteriormente, se descubrió que los virus que tienen ARN como material genético (retrovirus) representan una excepción a este dogma. En este caso, la molécula de ARN funciona como molde para la síntesis de ADN por medio de la enzima transcriptasa inversa. Otra excepción la constituyen los virus con ADN capaces de generar ARN complementarios mediante la enzima replicasa de ARN.

Transcripción

La transcripción se lleva a cabo donde está el ADN celular o genoma. En las células eucariotas, ocurre en el núcleo, mientras que en las procariotas, se localiza en la zona del citoplasma donde se encuentra el material genético. En este proceso, a partir de la secuencia de nucleótidos de un gen (ADN), se sintetiza una secuencia de nucleótidos complementarios correspondientes a un ARNm.

La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARNm. En el mecanismo intervienen:

• El ADN que sirve de molde.
• Ribonucleótidos trifosfato de adenina, citosina, guanina y uracilo.
• La enzima ARN polimerasa.
• Unos cofactores.

Solo se transcribe a ARNm una de las dos cadenas de ADN. Cada molécula de ARNm que se sintetiza tiene un extremo 5' (cinco prima) y otro 3' (tres prima). La ARN polimerasa cataliza la adición de ribonucleótidos, uno a uno, al extremo 3' (tres prima) de la cadena de ARNm en crecimiento. Esta enzima se mueve en dirección 3' (tres prima) a 5' (cinco prima) sobre el molde, sintetizando la nueva cadena en dirección 5' (cinco prima) a 3' (tres prima). Se pueden distinguir dos mecanismos: