GUÍA DE ESTUDIO N°3
“Transmisión de la Información Genética”
BC43G

 INTRODUCCIÓN 

El ADN es el material genético de las células, es decir, es la molécula que lleva la información en forma codificada de una molécula a otra y de los progenitores a sus hijos. El proceso mediante el cual la célula consigue una copia fiel de toda su información genética se denomina Replicación o Autoduplicación. La expresión de un gen se logra mediante su copia en ARN que a su vez dirige la síntesis de proteínas específicas. Sin embargo, a pesar de que el ADN contiene la información genética NO puede servir de molde directo para la formación de las proteínas, por lo cual debe ocurrir la Transcripción. La transcripción es un proceso de copia del ADN para formar ARN. Por último, el mensaje llevado por el ARNm debe ser traducido a una cadena polipeptídica específica, proceso denominado Traducción o Biosíntesis proteica. Estos tres procesos se esquematizan en el denominado Dogma Central de la Biología Molecular:
 

REPLICACIÓN 

            La Replicación es el proceso que permite la formación de nuevas copias de la información genética a partir de una molécula patrón. En otro sentido, es la duplicación de la totalidad de los genes que posee una célula para que pasen en cantidades equitativas a las células hijas. Para ello intervienen el propio ADN cuyas hebras actúan como molde, desoxirribonucleótidos trifosfatados de A, C, G y T, las ADNpolimerasas y una serie de otras enzimas y proteínas imprescindibles para que el proceso se lleve a cabo exitosamente. Cada copia de ADN es idéntica a la otra en cantidad y calidad de información genética. 

En procariontes el proceso de Replicación considera de los siguientes eventos (Fig.1): 

1.            Existe una secuencia de nucleótidos en el ADN denominada “Origen de la Replicación”, que actúa como señal de inicio del proceso. 

2.            El proceso se inicia con una enzima denominada Helicasa, que rompe los puentes de H entre las dos hebras complementarias y las separa para que sirvan de patrones. Como el desenrollamiento de la doble hélice da lugar a superenrollamientos en el resto de la molécula, capaces de detener el proceso, se hace precisa la acción de enzimas Topoisomerasas que eliminan las tensiones en la fibra. Estas proteínas actúan cortando una o las dos fibras, Topoisomerasa I y Topoisomerasa II, respectivamente y, una vez eliminadas las tensiones, empalmándolas nuevamente. La Topoisomerasa II de la bacteria Escherichia coli se denomina Girasa. 

3.            A continuación intervienen unas proteínas que se enlazan sobre el ADN de hebra única. Son las proteínas SSB (single-stranded-binding), que tienen como función estabilizar la separación de cada una de las dos hebras complementarias. 

4.            El proceso es bidireccional, es decir, hay una Helicasa trabajando en un sentido y otra trabajando en el sentido opuesto. Se forman, pues, las llamadas “burbujas” u “ojos de Replicación”. 

5.            Como ninguna ADNpolimerasa puede actuar sin un iniciador, interviene primero una ARNpolimerasa que sí lo puede hacer; se la denomina Primasa y sintetiza un corto fragmento de ARN de unos 10 nucleótidos denominados Primer que actúa como iniciador.

 

6.            Interviene después la ADNpolimerasa III, que a partir de este iniciador, comienza a sintetizar como todas las polimerasas, con dirección 5’à3’, una hebra de ADN a partir de desoxirribonucleótidos trifosfatados. La energía necesaria para el proceso es aportada por los propios nucleótidos que pierden dos de sus grupos fosfatos. Esta nueva hebra es de crecimiento continuo, ya que la Helicasa no se detiene y se denomina “hebra conductora”. 

7.            Sobre la otra hebra que es antiparalela, la ARNpolimerasa sintetiza unos 40 ribonucleótidos de ARN en un punto que dista unos 1.000 a 2.000 nucleótidos de la señal de iniciación. A partir de ellos, la ADNpolimerasa III sintetiza unos 1.000 desoxirribonucleótidos formándose entonces un Fragmento de Okazaki. Este proceso se va repitiendo a medida que se van separando las dos hebras patrón. Posteriormente interviene la ADNpolimerasa I, que, primero gracias a su función exonucleasa, retira los segmentos de ARN, y que luego, gracias a su función polimerasa, llena los huecos con nucleótidos de ADN. Finalmente interviene la ADNligasa que empalma entre sí los diferentes fragmentos. Esta hebra es, pues, de crecimiento discontinuo, y se denomina “hebra retardada”. 

8.            El proceso continúa hasta la duplicación total del ADN. Como se observa en la Fig.1, esquema de la izquierda, y dado que el crecimiento es bidireccional, cada una de las nuevas hebras está sintetizada en parte de forma continua y en parte de forma discontinua. Sólo en algunos casos excepcionales, las dos hebras del ADN pueden crecer en forma discontinua. 

En eucariontes el proceso es similar al descrito para procariontes. Cabe destacar dos diferencias básicas y varios detalles (Fig.2). 

La primera gran diferencia es que el ADN de los eucariontes está fuertemente asociado a Histonas. Se ha observado que durante la Replicación, la hebra que sirve de patrón a la hebra conductora “se queda” con las histonas y ambas se enrollan sobre los octámeros antiguos. La hebra que sirve de patrón a la hebra retardada y esta misma hebra se enrollan sobre nuevos octámeros de histonas que llegan a los lugares de replicación para formar nuevos nucleosomas. 

La segunda gran diferencia es que teniendo en cuanta que la longitud del ADN de un cromosoma eucariótico es mucho mayor que el ADN procarionte (unos 50 mm frente a poco más de 1 mm) y que, seguramente debido a la presencia de histonas, el proceso es mucho más lento (unas 10 veces), en cada ADN de un cromosoma no hay un solo origen de replicación, sino aproximadamente un centenar. Se forman unas 100 burbujas de replicación. Su distribución es irregular, pudiendo haber regiones con muchas burbujas y regiones con pocas. Se activan de forma coordinada y constituyen las llamadas unidades de replicaciones o Replicones. (Fig.3) 

Entre los detalles diferenciables cabe señalar que los Fragmentos de Okazaki son más pequeños, de unos 100 a 400 nucleótidos, y que el proceso de replicación ocurre durante el período S de la Interfase celular, que dura unas seis u ocho horas. 

TRANSCRIPCIÓN 

            La Transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARN, ya sea ARNm, ARNt o ARNr. Para ello intervienen el ADN, ribonucleótidos trifosfatados de A, C, G y U, las ARNpolimerasas y los cofactores sigma (s) y rho(r). Se pueden distinguir dos mecanismos diferentes según se trate de procariontes o eucariontes.

            En procariontes se distinguen las siguientes etapas (Fig.4): 

1. Inicio. Este proceso es realizado por la enzima ARNpolimerasa. Es un proceso asimétrico porque sólo se copia una de las hebras del ADN. Por otro lado, la longitud de las cadenas de ARN es variable y refleja la longitud de la cadena polipeptídica para la cual codifica. La ARNpolimerasa opera de la misma forma que la ADNpolimerasa, moviéndose en dirección 3’à5’ a lo largo de la cadena molde de ADN, sintetizando una nueva cadena complementaria de ribonucleótidos, en la dirección 5’à3’. De esta manera, la hebra de ARN es antiparalela a la cadena molde de ADN de la cual es transcrita. En primer lugar la ARNpolimerasa se asocia con el factor sigma (s), que permite a esta enzima reconocer y asociarse a una región concreta del ADN denominada Promotor, que a veces es común a varios genes. En esta región se han distinguido dos secuencias de consenso: la secuencia –10, situada en el extremo 5’, a 10 nucleótidos antes del punto de inicio de la transcripción y que es igual o parecida a TATAAT, y la secuencia –35, situada 35 nucleótidos antes del punto de inicio, y que es igual o parecida a TTGACA. Se han descubierto también, secuencias intensificadoras, que favorecen la transcripción. 

A continuación, la ARNpolimerasa pasa de una configuración cerrada a una configuración abierta y desenrolla aproximadamente una vuelta de hélice, permitiendo la polimerización de ARN a partir de sólo una de las hebras que se utiliza como patrón. Luego la enzima va añadiendo ribonucleótidos, moviéndose a lo largo de la cadena molde, desenrollando a la hélice y exponiendo así nuevas regiones. Posteriormente se separa el factor sigma (s). 

2. Alargamiento. El proceso continúa a razón de unos 40 nucleótidos por segundo. A medida que la ARNpolimerasa recorre la hebra de ADN patrón hacia su extremo 5’, se sintetiza una hebra de ARN en dirección 5’à3’. 

3. Finalización. Esta etapa presenta dos variantes: una en la que se precisa el factor rho(r), y otra en al que no se precisa. La finalización se produce al llegar a una secuencia rica en G y C que posibilita la autocomplementariedad de la cola del ARN, lo que da lugar a un bucle final que provoca su separación del ADN. Entonces éste vuelve a formar la doble hélice y la ARNpolimerasa se separa. 

4. Maduración. Si lo que se sintetiza es un ARNm, no hay maduración; en cambio, si es un ARNt o un ARNr, hay una transcrito primario, que luego sufre un proceso de corte y empalme. 

En eucariontes hay que resaltar que existen tres tipos de ARNpolimerasas, que sintetizan los distintos tipos de ARN:     

 

En segundo lugar hay que destacar que los genes están fragmentados de manera que siempre es necesario un proceso de maduración en el que se eliminen las secuencias sin sentido o intrones y se empalmen las secuencias con sentido o exones. 

Excepcionalmente hay genes, como los de las histonas, que no presentan intrones. Finalmente hay que recordar que en los eucariontes el ADN está asociado a histonas formando nucleosomas. Se ha observado que en genes que se transcriben continuamente (como los de ARNr), el ADN está siempre extendido, en otros hay transición, y otros, aparentemente, siempre están en forma de nucleosoma durante su transcripción. 

En eucariontes ocurren las siguientes etapas (Fig.5) 

1. Inicio. Para la síntesis de ARNm existen dos señales de inicio denominadas secuencias de consenso en una región del ADN llamada Región Promotora: la TATA a 25 pares de bases del inicio de la transcripción hacia el extremo 5’, y la CAAT, algo más alejada. 

2. Alargamiento. El proceso de síntesis continua en sentido 5’à3’. Al cabo de 30 nucleótidos transcritos se añade una caperuza constituida por una metil-Guanosín-trifosfato (mGTP) al extremo 5’, en posición invertida. 

3. Finalización. El proceso de elongación de la nueva cadena de ARN continua hasta que la enzima encuentra otra secuencia específica denominada señal de terminación. En este momento la enzima se detiene y libera a la cadena de ADN molde y a la recién sintetizada cadena de ARN. La finalización de la síntesis del ARNm parece ser que está relacionada con la secuencia TTATTT. A continuación interviene la enzima POLI-A-POLIMERASA, que añade al extremo final 3’ un segmento de unos 200 ribonucleótidos de Adenina, el denominado segmento poli-A o cola del transcrito primario o pre-ARNm, también denominado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn). 

4. Maduración.  La mayoría de los genes contienen regiones que NO codifican. Estas regiones son separadas durante la maduración del ARN, empalmándose las regiones restantes. Los segmentos removidos se denominan intrones o secuencias intercaladas y los segmentos que permanecen en el ARNm maduro se denominan exones. La maduración la realiza una enzima denominada RIBONUCLEOPROTEÍNA PEQUEÑA NUCLEAR (RNPpn) que actúa a nivel del núcleo y asociada a moléculas de ARN-U1, que es un ARN muy pequeño y constante en los eucariontes. Reconoce a los intrones, que suelen empezar por GU... y terminar con ...AG, los corta y retira. (Splicing) 

AUACUUACGUGGCUAGCUCCCUGCUGCUCUAC GUACCGAGGGGCUACGAUGCUC GUACAAAGUAAC

 

 

 

 

 

 

A continuación actúan ARNligasas que empalman los exones. Los ARNm que poseen intrones no pasan al citoplasma hasta perder el último intrón, lo cual asegura que NO se traduzcan en una proteína incorrecta. Por lo tanto, este procesamiento ocurre en el núcleo. El procesamiento del ARN permite hacer distintas combinaciones de exones, de manera que se pueden formar de 15 a 20 proteínas diferentes a partir de una única unidad transcripcional. El ARNt y ARNr presentan también procesos de maduración. En el ARNt cabe destacar la adición del triplete CCA en el extremo 3’. 

A continuación se muestra un cuadro comparativo de la Transcripción entre Procariontes y Eucariontes: 

 

 

 

CÓDIGO GENÉTICO 

            La Traducción corresponde a la síntesis de proteínas y representa un proceso irreversible. Debe recordarse que la información genética se organiza en el ADN en forma de 4 desoxirribonucleótidos: A, T, C y G. Por lo tanto, la información que contiene el ADN para la formación de una proteína específica pasa al ARN a través del proceso de Transcripción. Luego, el ARNm se lee y es traducido en otra clase de información que son los aminoácidos que forman parte de una proteína. Por otro lado, el ARN se organiza sobre la base de 4 ribonucleótidos: A, U, C y G. Sin embargo, su unidad funcional su unidad funcional está constituida por 3 nucleótidos consecutivos, denominada triplete o codón, como por ejemplo UUA, AGA, GCC, etc. El número máximo de codones que se pueden formar son 64 (4³). El conjunto de estos 64 codones del ARNm se denomina Código Genético el cual está encargado de codificar los 20 aminoácidos diferentes que existen en la naturaleza (Fig.6). Este código es universal, ya que todos los organismos vivos usan los mismos codones para determinar los aminoácidos. La única excepción está dada por las mitocondrias que presentan algunos codones diferentes al resto de los seres vivios. Por otra parte, 3 de los 64 codones se denominan sin sentido o codones stop, debido a que no determinan ningún aminoácido y su función es señalar el término de la traducción. Corresponden a los codones UAA, UAG y UGA. Los 61 codones restantes se encargan de determinar los 20 aminoácidos diferentes, por lo que necesariamente deben existir sinónimos; por ejemplo, el aminoácido Valina es determinado por los codones GUU, GUC, GUA y GUG. Esta propiedad ha sido denominada Ambigüedad o Degeneramiento del Código Genético. 

            Hasta la década del 40, los biólogos desconocían la forma en que el material genético realizaba las funciones celulares.  En 1940 los investigadores George Beadle y Edward Tatum trabajaron con el hongo rojo del pan Neurospora crassa. Ésta corresponde a una especie prototrófica, es decir, es capaz de crecer en un medio mínimo de cultivo, que consiste en unas pocas sales minerales, azúcar y Biotina (Vitamina H). Estos investigadores pensaban que las otras sustancias necesarias para el crecimiento del hongo debían ser sintetizadas por el propio organismo y que el control de esto era a través de los genes del hongo. Para verificar esta idea, irradiaron cepas del hongo con Rayos X, alterando sus genes. Al cultivar las esporas irradiadas encontraron que algunas de las nuevas esporas ya no podían sobrevivir en el medio mínimo, a menos que se les suministraran ciertas sustancias que anteriormente ellas mismas fabricaban. De los datos obtenidos, concluyeron que los genes controlan las reacciones químicas de una célula a través de sus enzimas, por lo cual acuñaron la frase: “un gen, una enzima”. El estudio del control genético de las enzimas lleva a la idea actual de que los genes no sólo regulan la producción de enzimas sino también la síntesis de todas las proteínas; por lo tanto la hipótesis ha sido reformulada quedando como “un gen, una proteína”, y más específicamente “un gen, una cadena polipeptídica”.

TRADUCCIÓN

            La síntesis de proteínas se conoce también como Traducción, debido a que corresponde a la transferencia de información del lenguaje de los nucleótidos al de los aminoácidos. Consta de las siguientes etapas: 

1. Activación. Los aminoácidos, en presencia de la enzima AMINOACIL-ARNt-SINTETASA y de ATP, son capaces de asociarse a un ARNt específico y dar lugar a un aminoacil-ARNt específico, liberándose AMP, PPi y quedando libre la enzima, que vuelve a actuar (Fig.7). 

2. Inicio. En procariontes, el ARNm no experimenta maduración. Inmediatamente después de ser sintetizado se inicia su traducción. El ARNm se une la subunidad menor del ribosoma. A éstos se asocia el aminoacil-ARNt, gracias a que el ARNt tiene en una de sus asas un triplete de nucleótidos denominado anticodón, que se asocia al primer triplete codón del ARNm según la complementariedad de las bases. A este grupo de moléculas se une la subunidad ribosómica mayor, formándose el complejo ribosomal o complejo activo. Todos estos procesos están catalizados por los denominados factores de iniciación (FI) y precisa gasto de GTP. El primer triplete que se traduce es el AUG, que corresponde a la formilmetionina. Posteriormente este aminoácido suele ser retirado (Fig.7). 

En eucariontes, el ARNm es sintetizado en el núcleo y antes de salir, experimenta un proceso de maduración. En el extremo 5’ lleva una “caperuza” constituida por una mGTP y a continuación la llamada región líder, que es una secuencia que no se traducirá y en la que hay unos 10 nucleótidos cuyas bases son complementarias con el ARNr. Poco después viene el triplete AUG con el que se inicia la secuencia que informa sobre la proteína. Se traduce por el aminoácido Metionina, que frecuentemente es retirado después. Los ARNm de eucariontes, al contrario de los de procariontes que son policistrónicos, generalmente son monocistrónicos, es decir, sólo informan para una proteína. En esta etapa se requiere de la participación de varios Factores de Inicio (IF). 

3. Elongación. El complejo ribosomal posee dos sitios de unión o centros: el centro Peptidil o centro P, donde se sitúa el primer aminoacil-ARNt, y el centro Aceptor de nuevos aminoacil-ARNt o centro A. El segundo aminoacil-ARNt llega al sitio A según la complementariedad de bases del codón correspondiente ubicado en el ARNm. El radical carboxilo del primer aminoácido se une con el radical amino del segundo aminoácido mediante un enlace peptídico, formándose un dipéptido y soltándose del ARNt que lo había traído. Esta unión es catalizada por la enzima PEPTIDIL-TRANSFERASA. El centro P queda pues ocupado por un ARNt sin aminoácido. Se produce el movimiento del ribosoma sobre el ARNm, avanzando tres nucleótidos (1 triplete), proceso denominado Translocación ribosomal. Por lo tanto, el ARNt sin aminoácido “sale” del Ribosoma. El dipeptidil-ARNt queda ahora en el centro P, por lo tanto el sitio A queda libre para que un tercer aminoacil-ARNt pueda ocupar su lugar, según el código que indica el siguiente triplete que lee el ribosoma.  Este tercer aminoacil-ARNt  queda ahora enfrentándose al segundo, de manera que los aminoácidos 2 y 3 forman un nuevo enlace peptídico, soltándose el segundo aminoácido del ARNt y quedando la cadena tripeptídica unida al tercer ARNt ubicado en el sitio A. Se produce una nueva translocación del ribosoma y se vuelve a repetir el ciclo. Todo este proceso es catalizado por Factores de Elongación (EF) y precisa de GTP (Fig.8). 

4. Finalización. El final de la síntesis proteica viene informado por los tripletes denominados sin sentido. No existe ningún ARNt cuyo anticodón sea complementario de ellos. Son reconocidos, en cambio, por los Factores proteicos de Liberación (RF) que precisan gasto de GTP para actuar. Se instalan sobre el centro A y provocan que la PEPTIDIL-TRANSFERASA haga interactuar el último grupo carboxílico COOH con el agua, con lo que queda liberada la cadena polipeptídica. A continuación se separan el ARNm y las dos subunidades ribosomales. Un mismo ARNm, si es lo suficientemente largo, puede ser traducido por varios ribosomas a la vez, uno detrás de otro. Si se examinan al microscopio electrónico, se observa como un rosario de ribosomas que se denomina Polirribosoma (Fig.8). 

5. Maduración. A medida que la cadena polipeptídica se va sintetizando, ésta va adoptando una determinada estructura secundaria y terciaria mediante enlaces puente de H y enlaces disulfuro, respectivamente. Tras finalizar la traducción hay proteínas enzimáticas que ya son activas y otras que precisan eliminar algunos aminoácidos para serlo. Generalmente se produce la separación del aminoácido Metionina o aminoácido iniciador. Algunas enzimas precisan asociarse a iones o a coenzimas para ser funcionales. Finalmente cabe recordar que las proteínas pueden estar constituidas por una o más cadenas polipeptídicas (estructura cuaternaria). Las subunidades pueden ser iguales o desiguales, según que provengan del mismo gen o de genes diferentes. A continuación se muestra un cuadro comparativo de la Traducción entre Pro y Eucariontes: 

 

 

 

VOCABULARIO 

A.	REPLICACIÓN
1.	ADN Ligasa
2.	ADN Polimerasa
3.	ARN Polimerasa
4.	Endonucleasa
5.	Exonucleasa
6.	Fragmento de Okazaki
7.	Girasa
8.	Hebra Conductora
9.	Hebra Retardada
10.	Helicasa
11.	Horquilla de Replicación
12.	Primasa
13.	Primer
14.	Proteína ADN b
15.	Proteínas SSB
16.	Replicón
17.	Semiconservativa
18.	Sitio ORI
19.	Topoisomerasa I
20.	Topoisomerasa II
B.	TRANSCRIPCIÓN
1.	ARN heterogéneo nuclear
2.	ARN Ligasa
3.	ARN Polimerasa I
4.	ARN Polimerasa II
5.	ARN Polimerasa III
6.	CAAT Box
7.	Caperuza mGTP
8.	Cola Poli-A
9.	Ensamblaje
10.	Exones
11.	Hebra Templado o Molde
12.	Hebra Codificante o No Transcrita
13.	Intrones
14.	Maduración
15.	PoliA-polimerasa
16.	Promotor
17.	Retrovirus
18.	RNPpn
19.	Ribozima
20.	Secuencia de consenso
21.	Secuencia intensificadora
22.	Splicing
23.	Spliciosoma
24.	TATA Box
25.	Transcriptasa Inversa
C.	CÓDIGO GENÉTICO
1.	Ambigüedad del Código
2.	Codón de Inicio
3.	Codón STOP
4.	Degeneración del Código
5.	Señal de Terminación
6.	Universalidad del Código
D.	TRADUCCIÓN
1.	Aminoacil-ARNt-Sintetasa
2.	Anticodón
3.	Codón
4.	Monocistrónico
5.	Peptidil-Transferasa
6.	Polirribosoma
7.	Policistrónico
8.	Polisoma
9.	Sitio A
10.	Sitio P
11.	Subunidad Mayor
12.	Subunidad Menor
13.	Translocación
14.	Triplete