Mecanismos de Replicación del ADN

Replicación en Procariotas

Una secuencia de nucleótidos marca el **origen de la replicación**. Las **topoisomerasas** van desenrollando el dúplex de ADN y eliminando tensiones, las **helicasas** separan las hebras y las **proteínas SSB** las estabilizan. Se forma una **burbuja de replicación**. A partir del origen de replicación, una **primasa** sintetiza un **cebador de ARN**. La **ADN polimerasa III** (ADNp III) actúa a partir del cebador sintetizando una cadena de crecimiento continuo (hebra conductora).

La energía necesaria para la unión de los nucleótidos la proporcionan los dos enlaces éster-fosfato del NTP incorporado.

Debido a que las hebras son antiparalelas, no todas pueden ser sintetizadas de forma continua. En la hebra retardada (o rezagada), el proceso ocurre de la siguiente manera:

• La ARN polimerasa (ARNp) sintetiza cebadores.
• La ADN polimerasa III sintetiza fragmentos a partir de estos cebadores, dando lugar a los **fragmentos de Okazaki**.
• La **ADN polimerasa I** (ADNp I) retira los fragmentos de ARN cebadores y rellena los huecos resultantes.
• Una **ADN-ligasa** empalma los fragmentos.

Las hebras resultantes se van apareando con las hebras que les sirvieron de molde.

Replicación en Eucariotas

El proceso es similar al de procariotas, con las siguientes diferencias básicas:

• El ADN de un cromosoma eucariota es mucho mayor que el bacteriano y el proceso de replicación es más lento debido a la presencia de **histonas**.
• Existen varios **orígenes de replicación**.
• La hebra conductora y su hebra patrón se enrollan sobre los octámeros de histonas existentes; la hebra retardada y su patrón se enrollan sobre nuevos octámeros, formando nuevos **nucleosomas**.
• El tamaño de los **fragmentos de Okazaki** es menor.
• Las **ADN polimerasas** son más complejas.

Mecanismos de Transcripción Genética

Transcripción en Procariotas

1. Iniciación

La **ARN polimerasa** (ARNp) se asocia al **cofactor σ** formando el **complejo de iniciación**. Esta región contiene **secuencias consenso**, que sirven de señal de inicio, y secuencias potenciadoras que regulan la transcripción. A continuación, se desenrolla el dúplex de ADN y, utilizando como molde una de las hebras, la ARNp comienza a leer en sentido 3’→5’ sintetizando una molécula de ARN en sentido 5’→3’ a partir de ribonucleótidos del medio. La hebra de ADN que no sirve de molde se denomina **hebra codificadora**, ya que su secuencia equivale a la del ARN en formación, y tiene una función de apoyo y corrección durante el proceso de transcripción. Una vez iniciado el proceso, se libera el factor σ.

2. Elongación

El proceso de incorporación de ribonucleótidos continúa; el ARN se sintetiza siempre en sentido **5’→3’**.

3. Terminación

Al llegar a la **región terminadora**, rica en G y C, la ARNp se separa del ADN y libera la molécula de ARN formada. Para el reconocimiento de la región terminadora puede necesitar un **factor ρ**. El ADN se va enrollando de nuevo a medida que es transcrito. La ARNp puede iniciar una nueva ronda de transcripción. En genes muy activos (p. ej., los del ARNr), la transcripción puede ser llevada a cabo por varias ARNp que actúan de forma simultánea.

Transcripción en Eucariotas

El proceso es similar, con las siguientes diferencias básicas:

• Las **secuencias consenso** de la región promotora son CAAT y TATA.
• Se añade una “**caperuza**” constituida por una GTP metilada e invertida al extremo 5’ de la molécula de ARNm.
• La región terminadora contiene una secuencia TTATTT llamada **señal de poliadenilación**.
• Aquí, la **poliA-polimerasa** añade una “**cola de adenina**” al extremo 3’ del ARNm transcrito.
• Existen **tres tipos de ARN polimerasa**, uno para cada tipo de ARN sintetizado (ARNm, ARNt y ARNr).

Fundamentos del Código Genético

Cada secuencia de 3 nucleótidos, **codón** o **triplete**, codifica para un aminoácido específico; es decir, existe **colinealidad** entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos. Si solo fueran 1 o 2 nucleótidos, el número de combinaciones sería inferior al número de aminoácidos proteicos; el código sería ambiguo. Existen 64 combinaciones posibles para codificar 20 aminoácidos distintos. Esto quiere decir que habrá aminoácidos codificados por varios tripletes, por lo tanto, el código genético es un código **redundante** o **degenerado**. Existen tripletes que marcan el inicio de la síntesis proteica (**codón de inicio**: AUG) y codones que marcan el término de la misma, llamados **codones sin sentido** (UAA, UAG, UGA).

Mecanismos de Traducción (Síntesis de Proteínas)

1. Activación

Los aminoácidos son transportados hasta los ribosomas por moléculas de **ARNt** específicas (con un anticodón complementario al codón codificador). La unión entre ambos se produce mediante un enlace éster entre el grupo –COOH del aminoácido y el 3’–OH de la adenina terminal del ARNt. Este proceso es catalizado por la **aminoacil-ARNt-sintetasa** (Aminoacil-ARNt-sintetasa + ARNt + aminoácido + ATP → aminoacil-ARNt + AMP + PPi).

2. Iniciación

El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma gracias a la **región líder**, que contiene una secuencia de ~10 nucleótidos complementaria al ARNr. A continuación, se une el primer aminoacil-ARNt por complementariedad entre codón y anticodón, correspondiendo siempre a la **metionina** (codón iniciador: **AUG**). En bacterias corresponde a una formilmetionina. Finalmente, se une la subunidad mayor formando el **complejo ribosomal activo** o **complejo de iniciación**. Se precisan **factores de iniciación** y **GTP**.

3. Elongación

El segundo aminoacil-ARNt se une al siguiente codón a nivel del **centro aminoacilo** del ribosoma (**centro A**, aceptor). Una **peptidil-transferasa** cataliza el enlace peptídico entre los dos aminoácidos presentes en el ribosoma. Mediante una **traslocación**, el ribosoma avanza liberando el ARNt y quedando el dipéptido formado en el **centro peptidilo** (**centro P**). Se incorpora un nuevo aminoacil-ARNt al centro aminoacilo y se repite el proceso, elongando la cadena peptídica en presencia de **factores de elongación** y con gasto de GTP. A medida que se sintetiza, la cadena polipeptídica va adoptando su estructura secundaria y terciaria mediante los correspondientes puentes de hidrógeno y puentes disulfuro.

4. Terminación

Al llegar a un **triplete sin sentido** (UAA, UAG, UGA), unos **factores proteicos de liberación** lo reconocen y se unen al centro A provocando la liberación de la cadena polipeptídica. Se disocian las subunidades ribosomales y se separa el ARNm, quedando en disposición para iniciar una nueva ronda de traducción. Un mismo ARNm puede ser traducido simultáneamente por varios ribosomas, formando estructuras denominadas **polisomas**.

Regulación de la Expresión Génica: El Operón Lac

Regulación Negativa: Represor Lac

En ausencia de lactosa en el medio, el **gen regulador** produce una **proteína represora** que se asocia a la **zona operadora** e impide que la ARNp transcriba los genes estructurales, es decir, bloquea el proceso de transcripción. En presencia de lactosa, el propio sustrato actúa como **inductor** de la transcripción, asociándose al represor y provocando en él alteraciones estructurales que disminuyen su afinidad por la zona operadora. La ARNp, al no encontrar obstáculos, procede a la transcripción de los genes estructurales. Una vez la lactosa es degradada, vuelve a actuar el represor impidiendo que continúe la transcripción. Este es, por tanto, un mecanismo de **regulación negativa** sensible a los niveles de lactosa.

Regulación Positiva: Activador CRP

La expresión de los genes estructurales para el catabolismo de la lactosa es inhibida en presencia de glucosa. Este efecto de la glucosa depende del **AMPc**, que se une a una proteína receptora denominada **CRP** (**proteína receptora del catabolito**).

Cuando la glucosa está ausente o es escasa, la CRP es activada por el AMPc y se une a un sitio próximo al promotor Lac, facilitando la transcripción de los genes estructurales al aumentar la afinidad de la ARNp por el promotor. En presencia de glucosa, se inhibe la **adenilato ciclasa** (enzima encargada de la síntesis de AMPc a partir del ATP); al bajar los niveles de AMPc, la CRP inactiva deja de estimular la transcripción disminuyendo la afinidad de la ARNp por el promotor. Este es un mecanismo de **regulación positiva** sensible a los niveles de glucosa y está implicado en la regulación coordinada de muchos operones, especialmente en aquellos que codifican enzimas que intervienen en el metabolismo.

La expresión del Operón Lac requiere, por tanto, la presencia de lactosa (inactiva la proteína represora) y una baja concentración de glucosa (se aumenta la producción de AMPc y se activa la CRP).