Replicación, Transcripción y Transducción en Eucariontes
Replicación, Transcripción y Transducción en Eucariontes
Elaboró: Marín Pérez Frida Isadora
Para entender cómo funciona nuestro organismo es necesario
ir a la base de todo, a cómo funciona nuestro ADN. Existen tres procesos
fundamentales del ADN sin los cuales no existiríamos: la replicación, la
transcripción y la traducción.
Dichos procesos pertenecen al dogma central de la biología molecular, concepto fundamental que establece la secuencia de eventos que ocurren en las células para producir proteínas (nuestros elementos funcionales).
Replicación
Debido a que los genomas eucariotas son bastante complejos,
la replicación del ADN es un proceso muy complicado que involucra varias
enzimas y otras proteínas. Ocurre en tres etapas principales: iniciación,
elongación y terminación.
Iniciación:
El ADN eucariota se une a proteínas conocidas como histonas
para formar estructuras llamadas nucleosomas. Durante la iniciación, el ADN se
hace accesible a las proteínas y enzimas involucradas en el proceso de
replicación. Existen localizaciones cromosómicas específicas llamadas orígenes
de replicación donde comienza la replicación. En algunos eucariotas, como las
levaduras, estas localizaciones se definen por tener una secuencia específica
de pares de bases a los que se unen las proteínas de iniciación de la
replicación. En otros eucariotas, como los humanos, no parece haber una
secuencia consensuada para sus orígenes de replicación. En cambio, las
proteínas de iniciación de la replicación podrían identificar y unirse a
modificaciones específicas a los nucleosomas en la región de origen.
Ciertas proteínas reconocen y se unen al origen de
replicación y luego permiten que las otras proteínas necesarias para la
replicación del ADN se unan a la misma región. Se dice que las primeras
proteínas que se unen al ADN “reclutan” a las otras proteínas. Dos copias de
una enzima llamada helicasa se encuentran entre las proteínas reclutadas para
el origen. Cada helicasa se desenrolla y separa la hélice de ADN en ADN
monocatenario. A medida que el ADN se abre, se forman estructuras en forma de Y
llamadas horquillas de replicación. Debido a que dos helicasas se unen, se
forman dos horquillas de replicación en el origen de la replicación; estas se
extienden en ambas direcciones a medida que la replicación avanza creando una
burbuja de replicación. Existen múltiples orígenes de replicación en el
cromosoma eucariota que permiten que la replicación se produzca simultáneamente
en cientos a miles de ubicaciones a lo largo de cada cromosoma.
Formación de Horquilla de Replicación: Se forma una
horquilla de replicación por la apertura del origen de replicación; la helicasa
separa las cadenas de ADN. Un cebador de ARN es sintetizado por primasa y es
alargado por la ADN polimerasa. En la cadena principal, solo se necesita un
único cebador de ARN, y el ADN se sintetiza continuamente, mientras que en la
hebra rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos, cada uno de los cuales
debe comenzar con su propio cebador de ARN. Los fragmentos de ADN están unidos
por ADN ligasa (no mostrada).
Elongación:
Durante la elongación, una enzima llamada ADN polimerasa
agrega nucleótidos de ADN al extremo 3' de la cadena de polinucleótidos recién
sintetizada. La cadena molde especifica cuál de los cuatro nucleótidos de ADN
(A, T, C o G) se agrega en cada posición a lo largo de la nueva cadena. Solo el
nucleótido complementario al nucleótido molde en esa posición se agrega a la
nueva cadena.
La ADN polimerasa contiene un surco que le permite unirse a
un ADN molde monocatenario y viajar un nucleótido a la vez. Por ejemplo, cuando
la ADN polimerasa se encuentra con un nucleótido de adenosina en la cadena
molde, agrega una timidina al extremo 3' de la cadena recién sintetizada, y
luego se mueve al siguiente nucleótido en la cadena molde. Este proceso
continuará hasta que la ADN polimerasa llegue al final de la cadena molde.
La ADN polimerasa no puede iniciar la síntesis de nuevas
cadenas; solo agrega nuevos nucleótidos en el extremo 3' de una cadena
existente. Todas las cadenas de polinucleótidos recién sintetizadas deben ser
iniciadas por una ARN polimerasa especializada llamada primasa. La primasa
inicia la síntesis de polinucleótidos y mediante la creación de una cadena de
polinucleótido de ARN corta complementaria a la cadena de ADN molde. Este tramo
corto de nucleótidos de ARN se denomina cebador. Una vez que el cebador de ARN
se ha sintetizado en el ADN molde, la primasa sale y la ADN polimerasa extiende
la nueva cadena con nucleótidos complementarios al ADN molde.
Finalmente, los nucleótidos de ARN en el cebador se eliminan
y se reemplazan con nucleótidos de ADN. Una vez terminada la replicación del
ADN, las moléculas hijas están hechas completamente de nucleótidos continuos de
ADN, sin porciones de ARN.
Los hilos principales y rezagados
La ADN polimerasa solo puede sintetizar nuevas cadenas en la
dirección 5' a 3'. Por lo tanto, las dos hebras recién sintetizadas crecen en
direcciones opuestas porque las hebras plantilla en cada horquilla de
replicación son antiparalelas. La “cadena principal” se sintetiza continuamente
hacia la horquilla de replicación a medida que la helicasa desenrolla el ADN
bicatenario molde.
La “hebra rezagada” se sintetiza en la dirección que se
aleja de la horquilla de replicación y lejos de la helicasa de ADN se
desenrolla. Esta hebra rezagada se sintetiza en trozos porque la ADN polimerasa
solo puede sintetizar en la dirección 5' a 3', y así se encuentra
constantemente con la nueva cadena previamente sintetizada. Las piezas se
denominan fragmentos de Okazaki, y cada fragmento comienza con su propio
cebador de ARN.
Terminación:
La ADN polimerasa se detiene cuando alcanza una sección del
molde de ADN que ya se ha replicado. Sin embargo, la ADN polimerasa no puede
catalizar la formación de un enlace fosfodiéster entre los dos segmentos de la
nueva cadena de ADN y cae. Estas secciones no unidas de la cadena principal de
azúcar-fosfato en una cadena de ADN completamente replicada se denominan
mellas.
Una vez que se han replicado todos los nucleótidos molde, el
proceso de replicación aún no ha terminado. Los cebadores de ARN necesitan ser
reemplazados por ADN, y las mellas en la cadena principal de azúcar-fosfato
deben conectarse.
El grupo de enzimas celulares que eliminan los cebadores de
ARN incluyen las proteínas FEN1 (flap endonulcase 1) y RNasa H. Las enzimas
FEN1 y RNasa H eliminan los cebadores de ARN al inicio de cada cadena líder y
al inicio de cada fragmento de Okazaki, dejando huecos de ADN molde no
replicado. Una vez retirados los cebadores, una ADN polimerasa de flotación
libre aterriza en el extremo 3' del fragmento de ADN anterior y extiende el ADN
sobre el hueco. Sin embargo, esto crea nuevas mellas (cadena principal de
azúcar-fosfato no conectada).
En la etapa final de replicación del ADN, la enyzme ligasa
se une a las cadenas principales de azúcar-fosfato en cada sitio de mella.
Después de que la ligasa haya conectado todas las mellas, la nueva cadena es
una cadena de ADN larga y continua, y la molécula de ADN hija está completa.
Transcripción
Algunas de las características de la transcripción en
eucariotas son:
- Se necesitan factores de transcripción.
- Existen tres tipos de ARN polimerasa distintos, uno para cada tipo de ARN que se sintetiza.
- ARN polimerasa I. Interviene en la transcripción del ARN ribosómico (menos el 5 S).
- ARN polimerasa II. Interviene en la transcripción del ARN mensajero.
- ARN polimerasa III. Interviene en la transcripción del ARN de transferencia, del ARN ribosómico 5 S y realiza la transcripción de los genes que contienen información para las histonas.
Todos los ARN formados (ARN transcrito primario) necesitan
un proceso de maduración antes de ser funcionales. En la maduración se eliminan
los intrones (secuencias sin sentido) y se empalman los exones (secuencias con
sentido). Como excepción, los genes que contienen información sobre las
histonas no presentan intrones.
En el caso de la síntesis de ARNm se distinguen las siguientes etapas:
- Iniciación.
- Elongación.
- Terminación.
- Maduración del ARN.
Iniciación
Igual que en los procariotas, el ADN tiene una región promotora en la que se fija la ARN-polimerasa II, pero en este caso las secuencias de consenso son CAAT y TATA, a distintas distancias antes del punto de inicio.
En eucariotas, el ADN se tiene que unir a unas proteínas llamadas factores de inicio de la transcripción para que se una la ARN-polimerasa II e inicie la transcripción.
Elongación
La síntesis del ARN se produce siempre en sentido 5'→3'. Después de haber unido los primeros 30 nucleótidos transcritos, en el extremo 5' se añade una caperuza constituida por una metilguanosina trifosfato, que servirá como señal de inicio en el proceso de transcripción.
Terminación
El ARNm se sigue sintetizando hasta que la ARN-polimerasa II encuentra la secuencia TTATTT, que es la señal de corte que indica que termina la síntesis de ARN. Se separa el ARN, y una enzima añade al extremo final 3' una secuencia de unos 200 ribonucleótidos de adenina, la llamada cola de poli-A.
La transcripción en eucariotas se distingue de la de procariotas por la presencia de Gppp y de colas de poliA.
Maduración
La maduración del ARN se realiza en el núcleo. Como ya se ha comentado, los precursores del ARNm, ARNr, y ARNt, no son funcionales y tienen que tener un proceso de maduración. Cuando se ha terminado este proceso, el ARN ya puede salir del núcleo a través de los poros nucleares y llegar al citoplasma, donde realizará su función.
En la transcripción en eucariotas es necesario un proceso de maduración. Los genes de las eucariotas tienen fragmentos con sentido (exones), que contienen información útil, y fragmentos sin sentido (intrones), que también se transcriben pero que son eliminados posteriormente.
Los intrones se transcriben pero no se traducen, y los exones son los que quedan en el ARN maduro.
Los intrones se eliminan en un proceso de corte y empalme (splicing) en el que los exones se unen para formar la secuencia final del ARN.
NOTA: El splicing es un proceso molecular fundamental en
eucariotas que implica la eliminación de intrones (regiones no codificantes) y
la unión de exones (regiones codificantes) en el ARN precursor mensajero para
generar un ARN mensajero maduro (ARNm).
a) Durante la transcripción se copia todo el ADN formando un pre-ARNm. (b) En este se produce la separación de los intrones y unión de los exones (splicing), (c) formando el ARN mensajero (ARNm), que dará la proteína
Traducción
En esta etapa el ARNm se "decodifica" para construir una proteína (o un pedazo/subunidad de una proteína) que contiene una serie de aminoácidos en específico.
Nuestras células están fabricando proteínas cada segundo, y
cada una de ellas debe contener el conjunto correcto de aminoácidos unidos
justo en el orden debido.
Para ver cómo las células hacen las proteínas, vamos a
dividir la traducción en tres etapas: iniciación (el comienzo), elongación (el
agregar a la cadena proteica) y terminación (la finalización).
El comienzo: la iniciación
En la iniciación, el ribosoma se ensambla alrededor del ARNm
que se leerá y el primer ARNt (que lleva el aminoácido metionina y que
corresponde al codón de iniciación AUG). Este conjunto, conocido como complejo
de iniciación, se necesita para que comience la traducción.
La extensión de la cadena: elongación
La elongación es la etapa donde la cadena de aminoácidos se
extiende. En la elongacón, el ARNm se lee un codón a la vez, y el aminoácido
que corresponde a cada codón se agrega a la cadena creciente de proteína.
- Cada vez que un codón nuevo está expuesto:
- Un ARNt correspondiente se une al codón
- La cadena de aminoácidos existente (polipéptido) se une al aminoácido del ARNt mediante una reacción química.
- El ARNm se desplaza un codón sobre el ribosoma, lo que exponde un nuevo codón para que se lea.
Durante la elongación, los ARNt pasan por los sitios A, P, y E como se muestra arriba. Este proceso se repite muchas veces conforme se leen los nuevos codones y se agregan los nuevos aminoácidos a la cadena.
Finalizando el proceso: terminación
La terminación es la etapa donde la cadena polipeptídica
completa es liberada. Comienza cuando un codón de terminación (UAG, UAA o UGA)
entra al ribosoma, lo que dispara una serie de eventos que separa la cadena de
su ARNt y le permite flotar hacia afuera.
Después de la terminación, es posible que el polipéptido todavía necesite tomar la forma tridimensional correcta, se someta a procesamiento (tal como el retiro de aminoácidos), sea enviado a la parte correcta en la célula, o se combine con otros polipéptidos antes de que pueda hacer su trabajo como una proteína funcional.
En el siguiente video se explica brevemente los procesos de Replicación, Transcripción y Traducción:
Fuentes:
- Libretexts. (2022, 1 noviembre). 14.3C: Replicación de ADN en eucariotas. LibreTexts Español. https://espanol.libretexts.org/Biologia/Biolog%C3%ADa_introductoria_y_general/Libro%3A_Biolog%C3%ADa_general_(Boundless)/14%3A_Estructura_y_funci%C3%B3n_del_ADN/14.03%3A_Replicaci%C3%B3n_de_ADN/14.3C%3A_Replicaci%C3%B3n_de_ADN_en_eucariotas
- López, P. L. B. (s. f.). 10.5.1.2. Transcripcion en eucariotas | Biología 2o Bachillerato. https://biologia-geologia.com/biologia2/10512_transcripcion_en_eucariotas.html
- Ferreiro, S. (2024, 7 febrero). Replicación, transcripción y traducción del ADN. ADNTRO. https://adntro.com/es/blog/aprende-genetica/replicacion_transcripcion_traduccion/
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