GENÉTICA MOLECULAR

1. TRANSFERENCIA DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

El ADN tiene la información para hacer las proteínas de la célula. Ya que muchas de estas proteínas funcionan como enzimas en las reacciones químicas que tienen lugar en la célula, todos los procesos celulares dependen, en última instancia, de la información codificada en el ADN.

Esta información está organizada en fragmentos denominados genes, los cuales están dispuestos linealmente unos a continuación de otros. Cada gen está constituido por una serie de nucleótidos, de los cuatro tipos posibles por las bases nitrogenadas que contienen: Adenina, Citosina, Guanina y Timina. La disposición ordenada de estas cuatro bases constituyen la información para la síntesis de una proteína.

Este modelo de organización presenta una serie de características:

a) La cantidad de ADN es diferente para cada especie, incluso especies parecidas tienen cantidades muy diferentes.

b) En las células eucariotas existe un exceso de ADN que no codifica proteínas, el llamado ADN basura, del que no se conoce su función. En la especie humana sólo el 5 % del ADN sirve para formar proteínas, son genes codificantes. En las células procariotas se usa casi todo el ADN.

c) Casi la mitad el ADN de las células eucariotas consiste en secuencias de nucleótidos que se repiten centenares o miles de veces.

d) En los organismos eucariotas, las secuencias de genes que codifican proteínas, llamadas exones, normalmente no son continuas, sino que están interrumpidas por secuencias no codificadoras llamadas intrones. Cuanto más evolucionada es una especie más cantidad de intrones tiene.

En el proceso de síntesis de proteínas, existe una molécula, el ARN, que actúa de intermediaria. Por lo tanto, en el proceso de expresión de la información contenida en los genes hay dos etapas: la primera se denomina transcripción y la segunda traducción.

Esto se ha dado en llamar el "dogma central de la Biología Molecular".

El "dogma central" admite excepciones. Temin descubrió un enzima, la transcriptasa inversa que es capaz de sintetizar ADN copiando la información contenida en un ARN. El papel biológico de esta enzima es fundamental en los retrovirus, cuyo material genético es ARN en vez de ADN. El virus del sida es un retrovirus. Por tanto, este "dogma" se ha completado con dos nuevos procesos como son la transcripción inversa y la autorreplicación del ARN.

Transcripción: síntesis de ARNm

El proceso de síntesis de ARN o transcripción, consiste en hacer una copia complementaria en ARN de un fragmento de ADN. El ARN se diferencia estructuralmente del ADN en el azúcar, que es la ribosa y en una base, el uracilo, que reemplaza a la timina. Además el ARN es una cadena sencilla.

En una primera etapa, un enzima, la ARN-polimerasa se asocia a una región del ADN denominada promotor, el enzima pasa de una configuración cerrada a abierta, y desenrolla una vuelta de hélice, permitiendo la polimerización del ARN a partir de una de las hebras de ADN que se utiliza como patrón.

La ARN-polimerasa, se desplaza por la hebra patrón leyendo en sentido 3’→ 5’ e insertando nucleótidos de ARN en sentido 5’→ 3’, siguiendo la complementariedad de bases, así por ejemplo:

                                               Secuencia de ADN:       3'... T A C G C T...5'

                                               Secuencia de ARNm:     5'... A U G C G A...3'

En los eucariotas, una vez se han unido los 30 primeros nucleótidos, se añade al extremo 5’ una “capucha” formada por metil-guanosin-fosfato, que durante la traducción será una señal de reconocimiento del inicio de lectura.

La ARN-polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción, entonces la cadena de ARN queda libre y el ADN se cierra de nuevo, por apareamiento de sus cadenas complementarias. En los eucariotas se añade una “cola” de adeninas (cola poli-A) que parece intervenir en los procesos de maduración y transporte del ARN formado.

En los eucariotas se produce una maduración del ARNm, que consiste en la eliminación de intrones y el unión de los exones; esto es realizado por un complejo molecular de proteínas y ARN.

De esta forma, las instrucciones genéticas copiadas o transcritas al ARN están listas para salir al citoplasma.

2. EL CÓDIGO GENÉTICO

Uno de los grandes misterios, una vez descubierto el ARNm, era comprender cómo la información del ADN se transformaba en una secuencia de aminoácidos en un polipéptido. Surge la necesidad de un código genético a modo de diccionario que establezca la relación entre la información del ARNm (sobre la base de 4 nucleótidos con bases diferentes) y el lenguaje de las proteínas (escrito con 20 aminoácidos distintos).

La respuesta vino de un físico, G. Gamow, que calculó que con tres bases (triplete) combinadas de todas formas posibles y pudiéndose repetir, se obtenían 64 combinaciones posibles o tripletes, más que suficientes para que cada triplete codificara un aminoácido y además hubiera tripletes de inicio y terminación.

Lo que se representa en el código genético son los tripletes del ARNm llamados codones, los cuales son complementarios de los anticodones de los diferentes ARN de transferencia (ARNt), los cuales son los auténticos traductores al emplear este código, pues en una parte llevan un anticodón y dependiendo de éste se unen a un aminoácido específico.

El código genético tiene una serie de características:

ü      Es universal. Es decir, la interpretación de los codones por aminoácidos es igual en todas las células; desde las bacterias hasta el hombre, todos "leen" de la misma manera los genes. Sólo existen algunas excepciones en unos pocos tripletes en mitocondrias y algunos protozoos.

ü       No es ambiguo, pues cada triplete tiene su propio significado.

ü      Todos los tripletes tienen sentido, bien codifican un aminoácido o bien indican terminación de lectura.

ü      Está degenerado, pues hay varios tripletes para un mismo aminoácido, es decir hay codones sinónimos. Esto representa una ventaja, ya que aunque se produjera un error en la copia de un nucleótido, podría seguir la colinearidad entre el triplete y el aminoácido. Por otro lado, si sólo hubiera veinte tripletes con sentido, un simple error de un triplete probablemente lo convertiría en un triplete sin sentido, y así se interrumpiría la biosíntesis.

ü      Carece de solapamiento, es decir, los tripletes no comparten bases nitrogenadas.

ü      Es unidireccional, pues los tripletes se leen en el sentido 5´-3´.

Traducción: síntesis de proteínas

El ARN mensajero es el que lleva la información para la síntesis de proteínas, es decir, determina el orden en que se unirán los aminoácidos.

La síntesis de proteínas o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma. Los aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia, específico para cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero, dónde se aparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, por complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúan en la posición que les corresponde.

El proceso de formación de proteínas o traducción se subdivide en 4 etapas:

a) Fase de activación del ARNt

Cada molécula de ARNt se une a un aminoácido, en el extremo 3', por la acción de la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, la cual consume energía que toma del ATP, formándose un aminoacil-ARNt.

b) Fase de iniciación

La subunidad más pequeña del ribosoma se une a un ARNm en un punto cercano al codón AUG, que funciona como señal de inicio. El primer ARNt llega a unirse y lleva en su extremo 3' el aminoácido metionina (en procariotas formilmetionina -fMet-). El conjunto subunidad menor de ribosoma, ARNm y ARNt constituyen el complejo de iniciación, al que se une la subunidad mayor del ribosoma, con lo que puede continuar la lectura del mensaje del ARNm.

c) Fase de elongación

Una vez formado el ribosoma entero, éste posee dos sitios, el peptidil o sitio P (en el que se va formando el péptido) y el aminoacil o sitio A (en el que se van insertando los distintos aminoacil-ARNt).

La elongación comienza cuando se une el segundo aminoacil-ARNt en el sitio A, para después un enzima, la peptidil-transferasa, realice un enlace entre los dos aminoácidos, formándose así un dipéptido. A continuación se libera el ARNt del sitio P y el ribosoma realiza la translocación o cambio de lugar (en sentido 5'-3') desplazándose por la molécula del ARNm exactamente tres nucleótidos. Así, el dipéptido que estaba en el sitio A, pasa al sitio P, dejando libre el sitio A para que se una un tercer amicoacil-ARNt. El proceso se repite una y otra vez hasta formar todo el polipéptido.

d) Fase de terminación

La finalización ocurre cuando aparece en el ARNm un codón sin sentido o de parada. Sólo hay tres codones con esta función (UAG, UAA, UGA) sobre los que no se acopla ningún aminoacil-ARNt, pero sí es reconocido por factores de liberación que se colocan en el sitio A; por lo que la síntesis del polipéptido se acaba, éste se suelta y las dos subunidades del ribosoma se separan. El ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya esté comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultanéamente.