Transcripción del ADN: Proceso y Mecanismos Celulares

La transcripción es un proceso fundamental en la biología molecular, mediante el cual la información genética contenida en el ADN se copia a una molécula de ARN. Este ARN puede ser posteriormente traducido para formar proteínas o cumplir funciones estructurales y catalíticas esenciales en la célula.

Funciones del ARN

Existen tres tipos principales de ARN, cada uno con funciones esenciales en la célula:

• ARNm (mensajero): Lleva la información genética desde el ADN hasta los ribosomas, donde se utiliza como molde para la síntesis de proteínas.
• ARNt (transferente): Transporta aminoácidos específicos hasta el ribosoma y los coloca en el orden correcto, según la secuencia del ARNm, durante la síntesis proteica.
• ARNr (ribosómico): Forma parte estructural de los ribosomas, las «fábricas» celulares donde ocurre la traducción.

Etapas de la Transcripción

El proceso de transcripción se divide en tres fases principales:

1. Iniciación

• La ARN polimerasa reconoce secuencias promotoras específicas en el ADN (como la caja TATA en eucariotas).
• Se une al ADN y lo desenrolla localmente, creando una burbuja de transcripción.
• En eucariotas, diversos factores de transcripción (TFIIA, TFIIB, TFIID, etc.) son esenciales para el reconocimiento del promotor y el ensamblaje del complejo de iniciación.

2. Elongación

• La ARN polimerasa sintetiza una cadena de ARN complementaria a la hebra molde de ADN.
• La síntesis ocurre en dirección 5’ a 3’, añadiendo ribonucleótidos trifosfatados (ATP, CTP, GTP, UTP) uno por uno.
• En procariotas, se forma un híbrido temporal ARN-ADN de aproximadamente 8 pares de bases.

3. Terminación

Existen secuencias específicas en el ADN que señalan a la ARN polimerasa que debe detener la transcripción.

• Procariotas: La terminación puede ser intrínseca (secuencias ricas en GC seguidas de varias T, que forman un bucle o «hairpin» en el ARN) o dependiente de un factor Rho (una proteína helicasa que disocia el complejo de transcripción).
• Eucariotas: Una señal de poliadenilación (AAUAAA) cercana al sitio de corte del ARN indica el final de la transcripción.

Transcripción en Procariotas

En procariotas, el proceso es más simple y rápido:

• Una única ARN polimerasa, compuesta por subunidades (2α, β, β’, σ), realiza toda la transcripción. La forma activa (holoenzima) incluye el factor sigma (σ) para el reconocimiento del promotor.
• La iniciación ocurre en la caja TATA (TATAAT), ubicada en la región -10 del promotor.
• La burbuja de transcripción abarca aproximadamente 17 pares de bases.
• La síntesis de ARN progresa a una velocidad de 50-90 nucleótidos por segundo.
• La terminación es intrínseca (por secuencia del ADN) o dependiente del factor Rho.

Transcripción en Eucariotas

La transcripción en eucariotas es más compleja, ocurre en el núcleo y está altamente regulada:

• Existen tres ARN polimerasas diferentes, cada una especializada en la síntesis de tipos específicos de ARN:
  • ARN Polimerasa I (ARN Pol I): Sintetiza pre-ARNr (excepto el ARNr 5S).
  • ARN Polimerasa II (ARN Pol II): Sintetiza ARNm (ARN codificante de proteínas) y algunos ARN pequeños.
  • ARN Polimerasa III (ARN Pol III): Sintetiza ARNt, ARNr 5S y pequeños ARN nucleares.

1. Iniciación

• Presenta variabilidad en los promotores (no siempre una caja TATA clásica).
• Implica múltiples factores de transcripción generales y específicos.
• Se forma un complejo de iniciación pre-transcripcional sobre el promotor.

2. Elongación

• Implica la fosforilación del dominio C-terminal (CTD) de la ARN Pol II, lo que permite su progresión.
• La transcripción avanza, acompañada de la eliminación de factores de inicio.

3. Terminación

• Es menos precisa que en procariotas.
• Tras la señal de poliadenilación (AAUAAA), el ARN es cortado y comienza su procesamiento.

Procesamiento Post-Transcripcional (Solo en Eucariotas)

Antes de salir del núcleo para la traducción, el ARN mensajero primario (pre-ARNm) pasa por varias modificaciones esenciales:

• Adición del Caperuzón (Cap 5′): Una 7-metilguanosina se añade al extremo 5′ del ARNm. Esto protege el ARN de la degradación, facilita su exportación nuclear y es crucial para el reconocimiento por los ribosomas.
• Adición de la Cola Poli-A (3′): Una secuencia de adeninas (aproximadamente 50-250 nucleótidos) se añade al extremo 3′. Esta cola contribuye a la estabilidad del ARNm, su transporte fuera del núcleo y la eficiencia de la traducción.
• Splicing (Empalme): Eliminación de intrones (secuencias no codificantes) y unión de exones (secuencias codificantes). Este proceso es llevado a cabo por el espliceosoma.

Este procesamiento genera el ARNm maduro, listo para ser exportado al citoplasma y traducido.

Diferencias Clave: Transcripción en Procariotas vs. Eucariotas

Nota: A diferencia de la ADN polimerasa, la ARN polimerasa no posee una actividad correctora de pruebas (exonucleasa 3’→5’) significativa, lo que resulta en una mayor tasa de error en la síntesis de ARN en comparación con la replicación del ADN.

Replicación del ADN: Mecanismos de Duplicación Genética

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual una célula copia su material genético (ADN) antes de dividirse. Su finalidad principal es conservar la información hereditaria, asegurando que cada célula hija reciba una copia fiel y completa del genoma parental.

Modelos de Replicación del ADN

• Semiconservativo (Modelo Correcto): Cada hebra de la molécula de ADN original sirve como molde para la síntesis de una hebra nueva y complementaria. El resultado son dos moléculas de ADN idénticas, cada una compuesta por una hebra antigua (original) y una hebra recién sintetizada.
• Conservativo (Modelo Incorrecto): Proponía que una molécula de ADN conservaba las dos hebras originales, y la otra molécula era completamente nueva.
• Dispersivo (Modelo Incorrecto): Sugería que fragmentos nuevos y viejos de ADN se mezclaban al azar en ambas hebras de las moléculas hijas.

Características Generales de la Replicación

• Comienza en uno o varios orígenes de replicación (ORI) específicos.
• Avanza bidireccionalmente desde cada origen, formando burbujas de replicación.
• La síntesis de las nuevas hebras de ADN siempre ocurre en dirección 5’ → 3’.
• Es un proceso semidiscontinuo:
  • Hebra líder (o conductora): Se sintetiza de forma continua en dirección 5’→3’ hacia la horquilla de replicación.
  • Hebra retrasada (o rezagada): Se sintetiza de forma discontinua, en pequeños segmentos llamados fragmentos de Okazaki, en dirección 5’→3’ pero alejándose de la horquilla de replicación.

Etapas de la Replicación del ADN

1. Iniciación

• Se localiza el origen de replicación (ORI).
• Se forma una burbuja de replicación con dos horquillas de replicación que avanzan en direcciones opuestas.
• Intervienen varias proteínas clave:
  • Helicasas: Enzimas que rompen los puentes de hidrógeno entre las hebras de ADN, desenrollando la doble hélice.
  • Topoisomerasas (o girasas): Alivian la tensión torsional generada por el desenrollamiento del ADN superenrollado.
  • Proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins): Estabilizan las hebras de ADN separadas, impidiendo que se vuelvan a unir o que sean degradadas.

2. Elongación

Durante esta fase, las nuevas hebras de ADN son sintetizadas por un complejo de enzimas:

• Enzimas clave:
  • Primasa: Una ARN polimerasa que sintetiza pequeños fragmentos de ARN llamados cebadores (primers), necesarios para que la ADN polimerasa pueda iniciar la síntesis.
  • ADN Polimerasa III (ADN Pol III): La principal enzima replicativa; sintetiza la nueva hebra de ADN a partir del cebador, añadiendo nucleótidos en dirección 5’→3’.
  • ADN Polimerasa I (ADN Pol I): Elimina los cebadores de ARN y rellena los huecos resultantes con nucleótidos de ADN.
  • ADN Ligasa: Une los fragmentos de Okazaki en la hebra retrasada, formando un enlace fosfodiéster.
• Síntesis de la Cadena Líder: Requiere una sola iniciación con un cebador y se sintetiza de forma continua.
• Síntesis de la Cadena Retrasada:
  • Se sintetiza en fragmentos (fragmentos de Okazaki).
  • Cada fragmento necesita un cebador nuevo.
  • Posteriormente, los cebadores son eliminados por la ADN Pol I y los huecos son rellenados, y los fragmentos son unidos por la ADN ligasa.

Fragmentos de Okazaki

Son segmentos cortos de ADN (aproximadamente 100-200 nucleótidos en eucariotas y 1000-2000 en procariotas) sintetizados de forma discontinua en la hebra retrasada. Su formación implica:

1. La Primasa coloca un cebador de ARN.
2. La ADN Polimerasa III extiende el cebador con ADN.
3. La ADN Polimerasa I reemplaza el ARN del cebador por ADN.
4. La ADN Ligasa une el fragmento de Okazaki al fragmento anterior.

Actividad Correctora de Pruebas (Proofreading) de la ADN Polimerasa

Las ADN polimerasas poseen una alta fidelidad gracias a su actividad exonucleasa, que corrige errores durante la síntesis:

• Exonucleasa 3’→5’: Elimina nucleótidos mal apareados que han sido añadidos incorrectamente, permitiendo que la polimerasa inserte el nucleótido correcto.
• Exonucleasa 5’→3’: (Presente en ADN Pol I) Elimina los cebadores de ARN.

La ADN polimerasa tiene dos sitios principales de actividad:

• Sitio de inserción: Donde entra el nuevo nucleótido para ser añadido.
• Sitio post-inserción: Controla la unión recién formada, permitiendo la corrección si hay un error.

Replicación en Procariotas (Ejemplo: E. coli)

La replicación en procariotas es generalmente más rápida y menos compleja que en eucariotas:

• Posee un solo origen de replicación (OriC), una secuencia específica de aproximadamente 245 pares de bases.
• La secuencia OriC es reconocida por la proteína iniciadora ADN-A.
• Las dos horquillas de replicación se mueven en direcciones opuestas desde OriC hasta encontrarse en el lado opuesto del cromosoma circular.

Fases en Procariotas:

• Inicio:
  • La proteína ADN-A reconoce OriC y ayuda a desenrollar el ADN.
  • La Helicasa abre la doble hélice.
  • Las proteínas SSB estabilizan las hebras separadas.
  • La Topoisomerasa relaja las tensiones.
• Elongación:
  • La Primasa coloca los cebadores.
  • La ADN Polimerasa III alarga las nuevas cadenas.
  • La ADN Polimerasa I reemplaza los cebadores de ARN por ADN.
  • La ADN Ligasa une los fragmentos.
• Terminación: Se produce cuando las dos horquillas de replicación convergen en una región específica del cromosoma.

Etiquetas: ADN, ARN, replicación, transcripción