Procesos Centrales de la Biología Molecular

I. Replicación del ADN

La **replicación** comienza a partir de una secuencia determinada del genoma que se denomina **origen de replicación**. Esta secuencia es diferente dependiendo de la especie, pero en todas tienen en común que son zonas ricas en **Adenina (A)** y **Timina (T)**, ya que estos pares de bases están unidos por dos puentes de hidrógeno (en lugar de tres como ocurre con la Citosina (C) y la Guanina (G)), y por tanto, la unión entre ellas es más débil y son más fáciles de separar.

Inicio de la Replicación

El proceso se inicia con una enzima denominada **helicasa** que separa las dos hebras de ADN al romper los puentes de hidrógeno (H) entre las bases nitrogenadas complementarias.

• Las separaciones de las cadenas provocan **superenrollamientos** en las zonas vecinas.
• Existen otras enzimas, las **topoisomerasas**, que eliminan la tensión cortando las hebras y, una vez eliminadas las tensiones, las empalman nuevamente.
• Una vez separadas, las dos hebras se mantienen así por la unión de las **proteínas SSB** que las estabilizan.

En el lugar de origen de la replicación se ha formado una **burbuja de replicación** en la que hay dos zonas, con forma de Y, denominadas **horquillas de replicación**, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos, de ahí que se diga que la replicación es **bidireccional**.

Alargamiento (Síntesis de las Nuevas Hebras)

A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una de las originales. El proceso se lleva a cabo mediante la enzima **ADN polimerasa III**, que tiene las siguientes características:

1. Recorre la hebra molde en sentido 3′ → 5′.
2. Va uniendo los nuevos nucleótidos en sentido 5′ → 3′. Para ello utiliza nucleótidos trifosfato (una molécula de ATP por enlace). La energía necesaria para el proceso la proporcionan los propios nucleótidos al perder dos de sus grupos fosfato (PPi).
3. Ninguna ADN polimerasa puede iniciar la síntesis por sí misma, pues solo puede añadir nucleótidos sobre el extremo 3′ libre de una cadena de polinucleótidos. Por este motivo es necesario que exista una cadena corta de ARN (de unos 40 o 50 nucleótidos) denominada **cebador** o **primer**. El cebador es sintetizado por la enzima **primasa** (una ARN-polimerasa).

Síntesis Continua vs. Discontinua

Dado que la ADN polimerasa III recorre el ADN molde en sentido 3′ → 5′, la síntesis de una de las hebras es continua y se denomina **hebra conductora**.

Sin embargo, la otra hebra es antiparalela, por lo que la ADN polimerasa debería recorrerla en sentido 5′ → 3′, añadiendo nucleótidos a la hebra en formación en sentido 3′ → 5′, lo cual no es posible. La síntesis, en este caso, es **discontinua** y se produce en segmentos separados. Esta cadena se llama **hebra retardada**, pues su síntesis es más lenta que la hebra conductora. Los segmentos de ADN sintetizados de este modo se conocen como **fragmentos de Okazaki** (cada fragmento está formado por el cebador de ARN y unos 1000 o 2000 nucleótidos de ADN).

Terminación de la Replicación

Posteriormente, interviene la **ADN polimerasa I**, que:

1. Primero elimina los segmentos de ARN cebador, gracias a su acción **exonucleasa** (rotura de enlaces fosfodiéster a partir de un extremo libre).
2. Luego, gracias a su actividad polimerasa, rellena los huecos con ADN.

Finalmente, hay otra enzima, la **ADN ligasa**, que une todos los fragmentos. Por último, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de molde se enrollan originando una **doble hélice**.

A pesar de todas estas etapas, el proceso de replicación es muy rápido. En *E. coli*, por ejemplo, se unen 45.000 nucleótidos/minuto.

II. Transcripción (Síntesis de ARN)

Este proceso describe la síntesis de ARN a partir de una plantilla de ADN.

INICIACIÓN

La **ARN polimerasa** reconoce las secuencias de consenso del **promotor** y se une específicamente a ellas para formar el complejo ARN polimerasa-promotor. Después avanza sobre el gen, desenrollando y separando transitoriamente las dos cadenas complementarias de ADN que lo constituyen. Así se origina la **burbuja de transcripción**.

En la burbuja de transcripción queda disponible la cadena 3′ → 5′ del ADN que sirve como molde, a medida que la ARN polimerasa la recorre copiándola complementariamente. La cadena de ADN que se transcribe es la **cadena molde 3′ → 5’** y su complementaria la **secuencia codificante 5′ → 3’**.

ELONGACIÓN

A medida que la ARN polimerasa avanza, ubica, sobre cada nucleótido del molde, un ribonucleótido con la base complementaria (A=U; G=C).

• Conforme los nucleótidos se aparean con el molde de ADN, la propia ARN polimerasa cataliza la formación de los **enlaces fosfodiéster** que los unen entre sí.
• De esta forma, va creciendo una cadena de ARN complementaria antiparalela al molde. El ARN crece en dirección 5′ → 3′ sobre un molde en la dirección 3′ → 5′.
• Al mismo tiempo que el ARN transcrito crece, la burbuja de transcripción se desplaza junto con la ARN polimerasa, de forma que el ADN ya transcrito se cierra detrás de la burbuja. El ARN en crecimiento se separa del ADN molde por su extremo 5’.

TERMINACIÓN

El proceso concluye cuando la ARN polimerasa encuentra la **secuencia terminadora**. Entonces, el extremo 3′ OH del ARN sintetizado se libera, y la burbuja de transcripción se cierra. El resultado es un ARN complementario con la cadena de ADN molde.

III. Traducción (Síntesis de Proteínas)

La traducción ocurre en los **ribosomas** y convierte la información del ARNm en una secuencia de aminoácidos.

INICIACIÓN

1. La subunidad pequeña del ribosoma se une al extremo 5′ del **ARNm** y lo recorre hasta el **codón de inicio**.
2. Sobre el codón de inicio se coloca el primer **aminoacil-ARNt**, que irá unido a la **metionina**.
3. A continuación, se produce la unión de la subunidad grande.

ELONGACIÓN

El proceso se desarrolla en ciclos sucesivos:

1. En el **sitio A** del ribosoma entra el segundo aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al segundo codón.
2. El complejo **peptidil transferasa** separa la metionina del ARNt, al mismo tiempo que cataliza su unión, por **enlace peptídico**, al aminoácido que porta el segundo ARNt del sitio A.
3. Como resultado, el dipéptido recién formado queda unido al segundo ARNt. En este dipéptido se observa la polaridad que presentan las proteínas: la síntesis siempre del extremo **N-terminal** al extremo **C-terminal**.
4. El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en sentido 5′ → 3′, la longitud de un codón (**translocación**).
5. Como resultado, el ARNt con el péptido pasa del sitio A al **sitio P**, dejando vacante el sitio A. Un nuevo ARNt cargado con su aminoácido ingresa el sitio A y se inicia así un segundo ciclo de elongación.

Ciclos de elongación sucesivos:

La elongación prosigue mediante ciclos sucesivos en los que se van añadiendo aminoácidos a la cadena polipeptídica, hasta que aparece un **codón de terminación**. El número de ciclos de elongación depende en cada caso de la secuencia de bases nitrogenadas del ARNm.

TERMINACIÓN

Se produce cuando en el sitio A ribosómico entra un codón de terminación. Estos codones no tienen ARNt complementarios, por lo que se unen a ellos unas proteínas, denominadas **factores de liberación**. Esta unión provoca la separación de todos los elementos que participaron en la traducción.