Replicación del ADN y Regulación Génica: El Operón en Procariotas y Eucariotas

Mecanismo de Replicación del ADN en Procariotas

Fase de Iniciación

La fase de iniciación es el primer paso en la replicación del ADN.

Fase de Elongación

La fase de elongación es aquella en la que se sintetiza la nueva hebra de ADN. Además de las enzimas de la fase de iniciación, intervienen las ADN polimerasas (I, II y III), que presentan una doble función:

• Actividad polimerasa en dirección 5'-3': Unen nucleótidos que forman el ADN, reconociendo la hebra molde y seleccionando posteriormente los desoxirribonucleótidos con las bases complementarias. La energía necesaria para formar el nuevo enlace se obtiene de la hidrólisis de dos grupos fosfato.
• Actividad exonucleasa en dirección 3'-5': Eliminan nucleótidos cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como fragmentos de ARN cebador sintetizados por la primasa.

La ADN polimerasa III recorre la hebra molde en dirección 3'-5' y la nueva hebra se va sintetizando en dirección 5'-3', de forma antiparalela.

La ADN polimerasa III necesita un cebador para iniciar la síntesis, el cual es sintetizado por la primasa. La hebra sintetizada de forma continua se denomina hebra conductora o líder.

La otra hebra se llama hebra retardada y fue descubierta por Okazaki. Consiste en una síntesis discontinua de pequeños fragmentos de ADN (de unos 1000 a 2000 nucleótidos) a medida que se abre la doble hélice, recibiendo el nombre de fragmentos de Okazaki.

Por último, la ADN polimerasa I se encarga de eliminar los cebadores y corregir los errores producidos durante la replicación gracias a su actividad exonucleasa, rellenando los huecos con nucleótidos de ADN. La corrección de errores es posible gracias a la metilación de las adeninas. Finalmente, la ADN ligasa suelda todos los fragmentos.

Diferencias en la Replicación del ADN en Eucariotas

La replicación en eucariotas se produce en el núcleo y sus diferencias con la de los procariotas se deben a su mayor complejidad:

1. Los cromosomas de las eucariotas contienen moléculas de ADN muy largas. Para acortar el proceso, la replicación se inicia en varios puntos a la vez, denominados replicones. Además, la velocidad de replicación es menor.
2. Existen cinco tipos de ADN polimerasas (α, β, γ, δ y ε) en vez de tres. El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor.
3. En los cromosomas de eucariotas, el ADN se encuentra asociado a histonas. Estas son proteínas que no poseen los procariotas y que se duplican durante la replicación.

La replicación del ADN se va completando hasta llegar al telómero, que en cada proceso se acorta. Sin embargo, la telomerasa se encarga de alargarlos. El acortamiento de los telómeros y la actividad de la telomerasa están relacionados con el envejecimiento y la muerte celular.

El Operón: Regulación de la Expresión Génica

Un operón es un conjunto de genes que interactúan entre sí para regular su capacidad de transcripción y que se compone de:

• Genes estructurales: Codifican para la síntesis de proteínas implicadas en un mismo proceso metabólico. El ARNm resultante se denomina ARN policistrónico.
• Promotor: Secuencia de nucleótidos a la que se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción.
• Operador: Secuencia de nucleótidos situada entre el promotor y los genes estructurales.
• Inductor: Sustrato cuya presencia induce la expresión de genes.
• Gen regulador: Codifica para la proteína represora. Cuando esta se une al operador, impide que la ARN polimerasa se pueda unir al ADN, haciendo imposible la transcripción.

Este mecanismo es propio de procariotas. Un ejemplo destacado es el operón lactosa (operón lac), que regula la síntesis de las enzimas implicadas en el metabolismo de la lactosa. Está formado por tres genes estructurales (lacZ, lacY y lacA) y el inductor es la molécula de lactosa.

Cuando no hay lactosa en el medio, la ARN polimerasa no se une al ADN y no se produce transcripción. Cuando sí hay lactosa, esta actúa como inductor al unirse al represor, formando un complejo represor-inductor inactivo e iniciando la transcripción para sintetizar las enzimas implicadas en el proceso.