Estructura y función de los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN), transportan información genética que se lee en las células para producir el ARN y las proteínas mediante las cuales funcionan los seres vivos.

La conocida estructura de la doble hélice del ADN permite que esta información se copie y se transmita a la siguiente generación. En este artículo resumimos la estructura y función de los ácidos nucleicos.

El artículo incluye una perspectiva histórica y resume algunos de los primeros trabajos que nos llevaron a comprender esta importante molécula y cómo funciona; muchos de estos científicos pioneros recibieron premios Nobel por su trabajo.

Explicamos la estructura de la molécula de ADN, cómo se empaqueta en los cromosomas y cómo se replica antes de la división celular.

La estructura del ácido desoxirribonucleico

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una de las moléculas más importantes en las células vivas. Codifica el manual de instrucciones de por vida. El genoma es el conjunto completo de moléculas de ADN dentro del organismo, por lo que en los humanos sería el ADN presente en los 23 pares de cromosomas en el núcleo más el genoma mitocondrial relativamente pequeño.

Los humanos tienen un genoma diploide, heredando un juego de cromosomas de cada padre. Se requiere un genoma diploide completo y funcional para el desarrollo normal y para mantener la vida.

Descubrimiento y caracterización química del ADN

El ADN fue descubierto en 1869 por un bioquímico suizo, Friedrich Miescher. Quería determinar la composición química de los leucocitos (glóbulos blancos), su fuente de leucocitos era pus de vendajes quirúrgicos frescos. Aunque inicialmente interesado en todos los componentes de la célula, Miescher se centró rápidamente en el núcleo porque observó que cuando se trataba con ácido, se formaba un precipitado al que llamó ‘nucleína’.

Casi todos los graduados en biociencia molecular habrían repetido una forma de este experimento en clases de laboratorio donde se aísla el ADN de las células. Miescher, Richard Altmann y Albrecht Kossel caracterizaron aún más la ‘nucleína’ y Altmann cambió el nombre a ácido nucleico.

Kossel continuó demostrando que el ácido nucleico contenía bases de purina y pirimidina, un azúcar y fosfato. El trabajo realizado en la década de 1930 por muchos científicos caracterizó aún más los ácidos nucleicos, incluida la identificación de las cuatro bases y la presencia de desoxirribosa, de ahí el nombre de ácido desoxirribonucleico (ADN).

Erwin Chargaff había descubierto que las moléculas de ADN de una especie particular siempre contenían la misma cantidad de bases citosina (C) y guanina (G) y la misma cantidad de adenosina (A) y timina (T). Entonces, por ejemplo, el genoma humano contiene 20% C, 20% G, 30% A y 30% T.

El ADN es un polímero hecho de unidades monoméricas llamadas nucleótidos (Figura 1A), un nucleótido comprende un azúcar de 5 carbonos, desoxirribosa, una base nitrogenada y uno o más grupos fosfato. Los bloques de construcción para la síntesis de ADN contienen tres grupos fosfato, dos se pierden durante este proceso, por lo que la hebra de ADN contiene un grupo fosfato por nucleótido.

Hay cuatro bases diferentes en el ADN, las bases de purina de doble anillo: adenina y guanina; y las bases de pirimidina de un solo anillo: citosina y timina. Los carbonos dentro del anillo de desoxirribosa están numerados del 1′ al 5′.

Dentro de cada monómero, el fosfato está unido al carbono 5′ de la desoxirribosa y la base nitrogenada está unida al carbono 1′, esto se denomina enlace N-gliosídico. El grupo fosfato es ácido, de ahí el nombre de ácido nucleico.

El ADN es el material genético

Aunque muchos científicos, incluido Miescher, habían observado que antes de la división celular la cantidad de ácido nucleico aumentaba, no se creía que fuera el material genético hasta el trabajo de Fredrick Griffith, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty.

En 1928, Griffith demostró que las células vivas podían transformarse mediante extractos de células muertas por calor y que esta transformación tenía el potencial de cambiar permanentemente la composición genética de la célula receptora.

Griffith estaba trabajando con dos cepas de la bacteria Streptococcus pneumoniae. La denominada cepa S encapsulada es virulenta, mientras que la cepa R no encapsulada no es virulenta. Si la cepa S se inyecta por vía subcutánea en ratones, los ratones mueren, mientras que, si se inyecta la cepa R viva o la cepa S muerta por calor, el ratón vive.

Sin embargo, si se inyecta una mezcla de cepa R viva y cepa S muerta por calor en un ratón, el ratón morirá y la cepa S viva se puede aislar de la sangre. Entonces, en el experimento de Griffith, un componente de la cepa S muerta por calor está transformando la cepa R.

En 1944, Avery, MacLeod y McCarty demostraron que era el ADN el que podía transformar la bacteria avirulenta. Aislaron un extracto crudo de ADN de la cepa S y destruyeron cualquier componente de proteína, lípido, carbohidrato y ácido ribonucleico (ARN) y demostraron que este ADN purificado aún podía transformar la cepa R. Sin embargo,

Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron que el ADN era el material genético. Usaron un virus que infecta bacterias llamado bacteriófago. El bacteriófago contiene una cápside de proteína que rodea una molécula de ADN. Demostraron que cuando el bacteriófago T2 infecta a Escherichia coli , es el ADN del fago, no la proteína, el que ingresa a la célula bacteriana.

Determinación de la estructura del ADN

Una vez que se demostró que el ADN era el material genético, hubo una carrera para determinar la estructura tridimensional de la molécula de ADN. En el King’s College de Londres, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, tras obtener datos mediante difracción de rayos X, propusieron que el ADN tenía una estructura helicoidal y Franklin obtuvo un patrón de difracción de rayos X particularmente bueno.

En Cambridge, James Watson y Francis Crick utilizaron la construcción de modelos junto con datos de una variedad de fuentes, incluido el patrón de difracción de rayos X de Franklin y los datos de composición de base de Chargaff para resolver la ahora conocida estructura de doble hélice del ADN. Su trabajo se publicó en Nature en 1953.

ARN

Otra clase importante de ácidos nucleicos es el ARN, las funciones de las moléculas de ARN en la célula se discutirán a continuación. Químicamente el ARN es similar al ADN, es una cadena de monómeros similares.

Los bloques de construcción son nucleótidos que contienen ribosa de azúcar de 5 carbonos, un fosfato y una base nitrogenada. El fosfato está unido al carbono 5′ de la ribosa y la base nitrogenada al carbono 1′ (figura 3). El ARN contiene cuatro bases adenina, guanina, citosina y uracilo.

El ARN es más lábil (se descompone fácilmente) que el ADN y la mayoría de las moléculas de ARN no forman estructuras secundarias estables, algunas excepciones notables se discutirán a continuación.

Las propiedades del ARN lo hacen ideal como mensajero genético durante la síntesis de proteínas, la idea de este mensajero genético, el ARNm, fue propuesta por François Jacob y Jacques Monod.

Empaquetado de ADN en células eucariotas

El ADN tiene que estar muy condensado para encajar en la célula bacteriana o en el núcleo eucariótico. En los eucariotas, las histonas se utilizan para condensar el ADN en cromatina. La estructura básica de la cromatina es el nucleosoma, un nucleosoma que contiene ADN envuelto casi dos veces alrededor del octámero de histonas (que comprende dos copias de cada una de las proteínas histonas H2A, H2B, H3 y H4).

Se requieren más niveles de compactación para encajar el ADN en el núcleo, los nucleosomas se pliegan sobre sí mismos para formar la fibra de 30 nm, que luego se pliega de nuevo para formar la fibra de 300 nm y, durante la mitosis, puede producirse una mayor compactación formando la cromátida, que tiene un diámetro de 700 nm.

Los procesos como la replicación y la transcripción del ADN deben ocurrir en el entorno de la cromatina y, debido al nivel de compactación, actúa como una barrera para las proteínas que necesitan interactuar con el ADN.

Por lo tanto, la estructura de la cromatina juega un papel importante en procesos como la regulación de la expresión génica en eucariotas. El ADN y las proteínas histonas pueden modificarse químicamente, se denominan modificaciones epigenéticas ya que no cambian la secuencia del ADN, sin embargo, pueden transmitirse durante la división celular y a las generaciones posteriores, un proceso conocido como herencia epigenética.

Como estas modificaciones epigenéticas pueden alterar la estructura de la cromatina, regulan la transcripción de genes y pueden afectar el fenotipo. La epigenética juega un papel clave en muchos procesos, incluidos el desarrollo, el cáncer y el comportamiento y la adicción.

La organización nuclear juega un papel importante en muchos procesos biológicos, incluida la regulación de la transcripción de genes. En los últimos años, el desarrollo de varias técnicas, incluida la microscopía, nos ha permitido comprender cómo se organiza el genoma en 3D.

Los cromosomas individuales no están espaciados aleatoriamente dentro del núcleo; cada cromosoma tiene un territorio distinto. Las regiones transcritas activamente de diferentes cromosomas a menudo están cerca unas de otras y cerca del interior del núcleo, mientras que los genes inactivos están en la periferia o cerca de un área especial llamada nucléolo donde se transcribe el ARN ribosómico.

Replicación del ADN

Cada vez que una célula se divide, existe la necesidad de sintetizar dos copias de cada cromosoma presente dentro de la célula. Por ejemplo, en un ser humano, antes de la división celular, los 23 pares de cromosomas deben replicarse para formar 46 pares, de modo que después de la división celular, cada célula hija tenga un complemento completo (23 pares) de cromosomas.

La estructura del ADN nos da una pista de cómo se replica, esto fue postulado elocuentemente por Watson y Crick en su artículo de 1953: “No ha pasado desapercibido que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para la genética. material”.

Cada hebra puede actuar como una plantilla para la síntesis de la hebra complementaria, por lo que la maquinaria de replicación ‘descomprimirá’ la doble hélice y leerá las dos hebras ‘progenitoras’ existentes,

La evidencia de que la replicación del ADN era semiconservadora provino de un elegante experimento realizado por Matthew Meselson y Franklin Stahl. Marcaron el ADN parental con un isótopo pesado de nitrógeno (15 N) cultivando bacterias en un medio de cultivo que contenía 15 NH 4 Cl.

Luego cultivaron las bacterias, en un medio que contenía 14 NH 4 Cl, en condiciones tales que cualquier ADN recién sintetizado contendría 14 N. Dado que la replicación del ADN es semiconservadora, después de una ronda de replicación del ADN, cada célula tendría un ADN molécula que contiene una hebra parental ‘antigua’ marcada con 15 N y una hebra hija ‘nueva’ marcada con 14N.

Esto se demostró analizando la densidad del ADN mediante centrifugación en gradiente de densidad. Como se predijo, observaron que la nueva molécula de ADN hija tenía una densidad consistente con el hecho de que contenía tanto 15 N como 14 N y que este ADN hija contenía una hebra con 15 N y otra hebra con 14 N.

ADN polimerasa y síntesis de ADN

La enzima, la ADN polimerasa, es responsable de la síntesis de ADN. La ADN polimerasa es una enzima impulsada por una plantilla, por lo que utilizará la hebra de ADN parental como plantilla. No puede sintetizar ADN en ausencia de una plantilla.

Además, solo agregará nucleótidos en el extremo 3 ‘de una cadena de ácido nucleico existente. Los componentes básicos para la síntesis de ADN son los trifosfatos de desoxinucleósidos (dATP, dTTP, dCTP y dGTP).

Durante la síntesis de ADN, la base dentro del desoxinucleósido trifosfato entrante se empareja con la base complementaria en la hebra molde, se forma un enlace fosfodiéster entre el fosfato 5′ del nucleótido entrante y el hidroxilo 3’ libre en la cadena de ácido nucleico existente; se libera pirofosfato

El pirofosfato son los dos residuos de fosfato dentro del bloque de construcción de desoxinucleósido trifosfato que no se incorporan a la cadena de ADN. La ADN polimerasa sintetiza ADN en la dirección 5 ‘a 3’, porque solo puede agregar nucleótidos en el extremo 3 ‘de la cadena.

La ADN polimerasa tiene actividad de corrección, por lo que después de que se haya formado el enlace fosfodiéster, se verifica el emparejamiento de bases y si se ha agregado un nucleótido con una base incorrecta, la ADN polimerasa eliminará el nucleótido utilizando una actividad de exonucleasa de 3 ‘a 5’.

Las exonucleasas son enzimas que pueden eliminar nucleótidos de los extremos de una molécula de ADN, las exonucleasas 3′ a 5′ eliminan nucleótidos del extremo 3′ de una molécula de ADN y, por lo tanto, pueden eliminar el último nucleótido que se agregó durante la replicación del ADN.

La ADN polimerasa requiere una región corta de doble cadena con un hidroxilo 3′ libre para comenzar a hacer una copia de la plantilla; esto asegura que el ADN se sintetice de forma controlada. El inicio de la síntesis de ADN utiliza un cebador de ARN pequeño (8 a 12 bases) producido por la enzima primasa.

La ADN polimerasa luego se extenderá desde el cebador copiando la plantilla y sintetizando la hebra de ADN hija. Esto significa que cuando la síntesis de ADN comienza por primera vez, cada molécula de ADN en realidad contiene una pequeña porción de ARN en su extremo 5 ‘. Este ARN finalmente se reemplazará con ADN, cómo se hace esto se analiza a continuación.

El origen de la replicación y el replisoma

Un gran complejo multiproteico, llamado replisoma, es responsable de la replicación del ADN. En los procariotas, se forman dos replisomas en un punto específico del cromosoma llamado Origen de la replicación ( ori ).

El ADN en esta región se abrirá, se ‘descomprimirá’ para que la maquinaria de replicación pueda acceder al ADN parental monocatenario, que actuará como plantilla para la síntesis de las nuevas cadenas hijas. Luego, los dos replisomas viajan en direcciones opuestas alrededor del cromosoma procariótico circular, cada replisoma forma una horquilla de replicación.

La horquilla de replicación

Dentro de la horquilla de replicación, en la llamada hebra principal, la ADN polimerasa se mueve de 3′ a 5′ con respecto a la plantilla y sintetiza ADN en la dirección de 5′ a 3′ mientras se mueve en la misma dirección que la horquilla de replicación.

Aunque en general la hebra rezagada se sintetiza en la dirección 3′ a 5′, en realidad se sintetiza de manera discontinua en pequeños segmentos llamados fragmentos de Okazaki, que se sintetizan de 5′ a 3′. Cada fragmento de Okazaki se iniciará con un cebador de ARN y se sintetizará en dirección opuesta al movimiento de la horquilla de replicación.

En procariotas, los fragmentos de Okazaki tienen una longitud de 1000 a 2000 bases. La ADN polimerasa que sintetiza el fragmento de Okazaki finalmente alcanzará el cebador del fragmento de Okazaki anterior. Cuando esto sucede, la ADN polimerasa elimina el cebador del fragmento anterior utilizando la actividad de exonucleasa de 5 ‘a 3’.

Luego, la ADN polimerasa reemplaza los nucleótidos faltantes agregándolos al extremo 3 ‘del último fragmento de Okazaki. Cuando se haya eliminado todo el cebador, habrá dos cadenas de ADN adyacentes entre sí pero no unidas por un enlace fosfodiéster, estas dos cadenas están unidas por la enzima ADN ligasa.

El replisoma contiene otras proteínas importantes necesarias para la replicación del ADN. El ADN de doble cadena necesita ser separado, ‘descomprimido’, por una helicasa para generar las plantillas de ADN de cadena sencilla para la ADN polimerasa.

A medida que la horquilla de replicación se mueve a lo largo del ADN helicoidal, las bobinas del ADN frente a la horquilla se comprimen, por lo que se describe que el ADN está sobre enrollado; se requiere una topoisomerasa para ‘relajarlo’ eliminando el exceso de bobinado.

Las proteínas de unión monocatenarias (SSB) se unen a la plantilla de cadena rezagada para estabilizar y proteger el ADN monocatenario.

Las dos horquillas de replicación que se forman en el ori se moverán en direcciones opuestas alrededor del genoma procariótico circular hasta que alcancen la secuencia terminadora, ter, que está en el lado opuesto del genoma en comparación con el ori, es decir, está a las 6 en punto. en comparación con las 12 en punto.

Esto da como resultado la replicación completa del genoma. Una vez que se ha completado la replicación del ADN, un proceso de reparación del ADN posterior a la replicación corregirá los errores que no fueron corregidos por la actividad de corrección de pruebas de la ADN polimerasa.

La fidelidad de la replicación del ADN es extremadamente alta, lo que da como resultado una tasa de error de 1 error por cada 10 9 -10 10 nucleótidos agregados.

Replicación del ADN en eucariotas

La replicación del ADN es esencialmente la misma en eucariotas y procariotas. En ambos casos, se forman dos replisomas en un ori y generan dos horquillas de replicación que se mueven en direcciones opuestas alejándose del origen.

En cada horquilla de replicación hay hebras principales y rezagadas. Hay dos diferencias principales. La primera es que, debido al mayor tamaño del genoma, cada cromosoma tiene múltiples orígenes de replicación, por lo que habrá una gran cantidad de horquillas de replicación en cada cromosoma.

La segunda diferencia es que, con la excepción del ADN mitocondrial, los cromosomas eucarióticos son lineales y esto genera un problema debido a la síntesis de cadenas retrasadas. La replicación de un cromosoma lineal da como resultado el acortamiento de un extremo 5 ‘de cada molécula de ADN hija.

Esto se debe a que cuando se elimina el cebador requerido para el último fragmento de Okazaki, la ADN polimerasa no puede llenar el vacío. Las rondas repetidas de replicación del ADN dan como resultado moléculas de ADN cada vez más cortas.

Si esto no se corrige, los eucariotas se habrían extinguido ya que sus cromosomas se acortan con cada generación. Los eucariotas tienen un mecanismo para preservar los extremos de los cromosomas cuando es necesario; que está en los gametos.

Los extremos terminales de los cromosomas, los telómeros, contienen una secuencia muy repetida, por ejemplo, en los seres humanos, la secuencia TTAGGG se repite en tándem de 100 a más de 1000 veces. Las rondas repetidas de replicación del ADN darán como resultado el acortamiento de estas secuencias teloméricas, es decir, se reducirá el número de repeticiones.

La telomerasa, una enzima que contiene ARN, puede agregar copias adicionales de la secuencia repetida al extremo 3′, reemplazando las perdidas durante la replicación del ADN.

En realidad, esto extiende el extremo 3 ‘del telómero en lugar de extender el 5′ que se pierde inicialmente durante la replicación del ADN. La secuencia de ARN dentro de la telomerasa es complementaria a la secuencia telomérica 3’ y, por lo tanto, puede unirse y actuar como molde para la síntesis de una secuencia corta de ADN.

Luego, la telomerasa se mueve a lo largo de la hebra recién sintetizada y el proceso se repite. Múltiples rondas de elongación y translocación finalmente dan como resultado que el extremo 3 ‘se extienda de modo que sea lo suficientemente largo como para que actúe como plantilla para la síntesis de otro fragmento de Okazaki, por lo tanto, extiende ambas hebras del telómero.

Solo las células germinales y algunas otras células que se dividen activamente (p. ej., células hematopoyéticas) tienen niveles suficientes de actividad de telomerasa para contrarrestar la pérdida de secuencias repetidas durante la replicación del ADN.

Al nacer, los telómeros tienen más de 10000 pares de bases de longitud y hay suficientes repeticiones para permitir la replicación del ADN y la división de células somáticas durante la vida del organismo. Si los telómeros se vuelven demasiado cortos, esto desencadenará la muerte celular programada (un proceso llamado apoptosis).

La falta de actividad de la telomerasa en las células somáticas limita el número de divisiones celulares que pueden ocurrir, y este es un “problema” que las células cancerosas deben superar. La actividad de la telomerasa se reactiva en la mayoría de los cánceres, lo que permite que estas células se dividan indefinidamente y, por lo tanto, esta actividad es un objetivo potencial para las terapias contra el cáncer.

La falta de actividad de la telomerasa en las células somáticas limita el número de divisiones celulares que pueden ocurrir, y este es un “problema” que las células cancerosas deben superar. La actividad de la telomerasa se reactiva en la mayoría de los cánceres, lo que permite que estas células se dividan indefinidamente y, por lo tanto, esta actividad es un objetivo potencial para las terapias contra el cáncer.

La falta de actividad de la telomerasa en las células somáticas limita el número de divisiones celulares que pueden ocurrir, y este es un “problema” que las células cancerosas deben superar. La actividad de la telomerasa se reactiva en la mayoría de los cánceres, lo que permite que estas células se dividan indefinidamente y, por lo tanto, esta actividad es un objetivo potencial para las terapias contra el cáncer.

La comprensión de la síntesis de ADN es fundamental para muchos enfoques experimentales en biociencias moleculares, nos permite determinar secuencias de ADN, incluida la del genoma humano, analizar muestras ambientales para comprender mejor el mundo vivo que nos rodea y analizar muestras biológicas diminutas de escenas del crimen. para identificar a los delincuentes.

Se explota en medicina, por ejemplo, varios medicamentos utilizados para tratar la infección por VIH o la exposición son análogos de nucleósidos que inhiben la síntesis de ADN. Muchos agentes de quimioterapia se usan para tratar la replicación del ADN objetivo del cáncer.

El código genético y el concepto de gen

Como hemos visto en las dos secciones anteriores, el material genético de una célula está hecho de ADN y puede copiarse y transmitirse a la progenie a través de la replicación del ADN, lo que permite la herencia de la información que transporta.

Una gran proporción de la información del ADN se transcribe primero en ARNm y luego se traduce en proteínas. Sin embargo, hay algunos ARN que nunca se traducen en proteínas y estos también tienen funciones importantes. Frases como ‘está en mis genes’ o ‘en mi ADN’ se usan en el habla común para significar ser una parte importante de quién es alguien.

El término gen se acuñó a principios del siglo XX para describir la unidad básica de la herencia. Se pensaba que los genes eran loci distintos dispuestos linealmente en los cromosomas. Experimentos de reproducción con la mosca de la fruta Drosophila apoyó este punto de vista y mostró que si dos genes están juntos en un cromosoma, es más probable que se hereden juntos.

La observación de que las mutaciones en los genes podrían dar lugar a fenotipos alterados dio lugar a la hipótesis de ‘un gen, un polipéptido’. Una vez que quedó claro que los genes estaban hechos de ADN, se acuñó lo que se conoce como el dogma central de la biología molecular.

Esto describe un proceso de dos pasos en el que los genes del ADN se transcriben en ARN y luego se traducen en una secuencia de aminoácidos que constituye una proteína. El flujo de información es del ADN al ARN y luego a la proteína.

Sin embargo, hay excepciones a esto, en primer lugar, algunos virus tienen genomas de ARN y, en algunos casos, estos se transcriben inversamente en ADN antes de que los genes puedan expresarse. El retrovirus VIH es un ejemplo de esto.

La otra excepción es que no todos los ARN funcionales se traducen en proteínas (consulte los ARN no codificantes a continuación).

El código genético

El código genético es el conjunto de reglas que utilizan las células vivas para traducir la información codificada dentro del material genético en proteínas. Cuando se descubrieron por primera vez el ADN y el ARN, la relativa simplicidad de los ácidos nucleicos llevó a muchos científicos a dudar de que llevara la información genética.

El ADN solo tiene cuatro tipos diferentes de bases; la pregunta era cómo podría codificar 20 aminoácidos. Si hubiera una correlación 1:1 entre bases y aminoácidos, el ADN solo podría codificar cuatro aminoácidos. Los pares de bases darían 16 combinaciones posibles, lo que aún no es suficiente.

Sin embargo, si considera un código de triplete, tiene 64 posibilidades, lo cual es más que suficiente. Este es el código con el que estamos familiarizados donde cada codón, una secuencia de tres nucleótidos, especifica un aminoácido particular.

Este código de triplete todavía no parecía lógico porque ahora tiene muchos más codones de los que necesita. También hay algunas otras preguntas importantes sobre el código genético; ¿Se utilizan los codones de repuesto? ¿Se superpone el código? ¿Y es continuo o hay espaciadores que indican el final de cada codón?.

Evidencia del código triplete

Los experimentos que permitieron a los científicos descifrar el código genético se llevaron a cabo mucho antes de que pudiéramos determinar la secuencia del ADN. Si bien en ese momento era posible determinar las proporciones de cada aminoácido diferente en una proteína, aún no era posible determinar el orden en que ocurrían.

Francis Crick y Sídney Brenner respondieron algunas preguntas clave con un experimento que utiliza mutantes de un virus que infecta bacterias llamadas bacteriófagos. El fago normal o de tipo salvaje infectará a E. coli y crecerá. Crick y Brenner investigaron mutantes que no crecían en algunas cepas de E. coli.

Los mutantes que son inserciones o eliminaciones provocan lo que se denomina cambios de marco. Insertar una sola base de adenina en la secuencia de ADN no solo cambia el aminoácido en la posición de la inserción, sino que todos los aminoácidos subsiguientes se traducen de esa secuencia; el marco de lectura se ha desplazado una base y da como resultado una proteína que no es funcional.

Sin embargo, si inserta tres nucleótidos, a menudo obtiene un fenotipo de tipo salvaje o casi salvaje. Esto se debe a que ha insertado un codón de triplete completo, obtendrá uno o dos aminoácidos que no estaban en la secuencia original pero el marco de lectura no está cambiado y el resto de la secuencia es normal.

Crick y Brenner estaban buscando lo que llamaron mutaciones supresoras que rescatarían al mutante y le permitirían crecer normalmente. Demostraron que sus mutantes supresores no revertían simplemente la mutación original; a menudo sumaban o restaban una o más bases.

Descubrieron que si insertas o eliminas uno, dos o cuatro nucleótidos, ves un fenotipo mutante. Sin embargo, si inserta o elimina tres nucleótidos, esto tiene poco o ningún efecto. Esta fue una fuerte evidencia de apoyo para un código triplete.

Esto también es evidencia de un código redundante donde el mismo aminoácido se puede codificar en más de una forma. Si el código no fuera redundante, habría 20 codones que codifican aminoácidos y 44 que son codones ‘sin sentido’. En este caso, lo más probable es que la inserción de tres nucleótidos introduzca un codón sin sentido y no restablezca el tipo salvaje.

Descifrando el código

Aproximadamente al mismo tiempo, dos científicos estadounidenses, Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei, habían desarrollado un sistema libre de células que podía sintetizar proteínas en un tubo de ensayo cuando se le proporcionaba una molécula de ARN.

Demostraron que cuando se les proporcionó una cadena de ARN artificial compuesta solo de uracilo (poliuracilo), el sistema produjo un polipéptido compuesto completamente de residuos de fenilalanina. Ahora tenían una herramienta que podían usar para descifrar el código genético.

El ARN compuesto de residuos de citosina (C) dirigió la síntesis de poliprolina y el ARN compuesto de adenosina (A) hizo polilisina. Los experimentos con combinaciones de nucleótidos demostraron que, por ejemplo, si haces ARN a partir de A y C, produce proteínas que contienen solo seis aminoácidos: asparagina, glutamina, histidina, lisina, prolina y treonina.

Hay ocho posibles codones de triplete que se pueden hacer a partir de A y C, dos de estos sabemos que codifican prolina y cisteína. Los cuatro aminoácidos restantes deben estar codificados por otras combinaciones de A y C. Esto, por supuesto, proporciona evidencia adicional de la redundancia del código genético.

Estos experimentos con moléculas de ARN compuestas por combinaciones aleatorias de dos o tres bases no fueron suficientes para descifrar por completo el código genético. El uso de moléculas de ARN sintetizadas químicamente de secuencia repetitiva conocida agregó información más importante.

Por ejemplo, un ARN sintético de residuos A y G alternados (AGAGAGAGAG…) puede leerse como dos codones alternados CAC y ACA. Codifica una proteína de residuos alternados de histidina y treonina.

En la última sección, discutiremos cómo los tRNA y los ribosomas decodifican el código genético y sintetizan proteínas. El detalle final del código genético se determinó mediante una técnica que utiliza ARNt unidos a ribosomas. Piezas de ARN tan cortas como un solo codón se unirán a los ribosomas y, si se agregan aminoácidos unidos al ARNt, se asociarán con el ARN complementario.

Si luego filtra la solución, atrapa solo los ARNt que están unidos al ribosoma, estos son los especificados por el codón en su ARN.

Codones de inicio y parada

De los 64 codones posibles, 61 codifican aminoácidos. Los tres codones restantes: UAA, UAG y UGA no codifican para un aminoácido, a veces se denominan codones sin sentido. Son codones de terminación; cuando el ribosoma se encuentra con estas paradas de síntesis de proteínas.

El codón AUG codifica el aminoácido metionina pero también es el codón de inicio más común. Como verá en la última sección, el primer residuo en las proteínas eucariotas es siempre una metionina y en las procariotas es un aminoácido modificado N-formilmetionina.

Expandiendo el código genético

La naturaleza usa un pequeño conjunto de aminoácidos para hacer proteínas, sin embargo, si pudiéramos diseñar células que pudieran usar una gama más amplia de componentes básicos con diferentes propiedades físicas y químicas, sería posible hacer nuevos materiales, algunos de los cuales podrían tener utilidad terapéutica. propiedades; este es uno de los objetivos de la biología sintética.

Para hacer esto con éxito, necesitamos reprogramar el código genético y diseñar la maquinaria de traducción (ver la sección posterior) para usar estas nuevas combinaciones.

Se han logrado algunos avances, por ejemplo, en el uso del codón de parada UAG y el codón AAG para la arginina para codificar aminoácidos que normalmente no se encuentran en las proteínas.

Concepto actual del gen

Una vez que se descifró el código genético, quedó claro que un gen es una secuencia de bases en una molécula de ADN que codifica una secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica o una molécula de ARN con una función específica.

La disponibilidad de secuencias de ADN de genes individuales hizo posible buscar patrones característicos de genes. Un gen que codifica una proteína tiene un codón de inicio seguido de una serie de codones que codifican la secuencia de aminoácidos y luego un codón de terminación; esto se llama marco de lectura abierto.

La secuenciación del genoma completo ha proporcionado datos biológicos a una escala sin precedentes. La necesidad de analizar datos de secuencias ha llevado al desarrollo del campo de la bioinformática; el análisis de estos datos para responder preguntas biológicas.

Un concepto clave utilizado en bioinformática es el de homología. Se dice que dos organismos que tienen un ancestro común son homólogos y lo mismo puede decirse de una estructura o de un gen. Por ejemplo, las extremidades con cinco dígitos (la extremidad pentadáctilo) se encuentran no solo en humanos y otros mamíferos, sino también en aves, reptiles y anfibios.

Las extremidades son homólogas, y esto es evidencia de un ancestro evolutivo común de todos estos grupos de animales. Lo mismo ocurre con los genes. Todos los vertebrados tienen glóbulos rojos que contienen hemoglobina, la hemoglobina humana adulta está formada por dos moléculas de globina α y dos β. La secuencia de ADN de los genes que codifican las moléculas de globina en los vertebrados es similar entre sí y se puede estimar cuánto tiempo hace que dos animales compartieron un ancestro común observando qué tan similares son sus genes de globina.

Este principio también se puede usar para encontrar genes en una nueva secuencia de ADN; si hay una sección de la secuencia que es similar a un gen conocido, es probable que codifique un gen homólogo.

Un gen es algo más que la secuencia que codifica la proteína; también incluye secuencias involucradas en la regulación de la expresión génica, como secuencias promotoras que definen dónde comienza la transcripción y son los sitios donde las proteínas involucradas en la transcripción se unen al ADN.

En las bacterias, casi todos los genes son una sola secuencia ininterrumpida de ADN. En eucariotas la situación es más complicada porque la región de codificación suele estar interrumpida por intrones. La transcripción primaria se denomina precursor o pre-ARNm y contiene tanto exones como intrones.

Los intrones se eliminan cuando el pre-ARNm se procesa antes de que abandone el núcleo dejando los exones que se empalman para formar el ARNm maduro. Los ARNm eucarióticos tienen una tapa 5′ que es un nucleótido de guanosina metilado agregado al extremo 5′ del ARNm mediante un enlace inusual de 5′ a 5′; esto es importante al iniciar la traducción.

En el extremo 3′ se encuentra la cola poli A, esta es una cadena de entre 100 y 250 residuos de adenina añadida al ARNm para aumentar su estabilidad. El análisis de la secuencia del genoma humano sugiere que hay aproximadamente 20000-25000 genes que codifican proteínas, sin embargo, hay muchas más proteínas diferentes.

Esto se debe a que muchos genes son capaces de codificar varias variantes de una proteína. El empalme alternativo permite que se incluyan diferentes combinaciones de exones en el ARNm maduro y los genes también pueden tener varios promotores alternativos y sitios poli A alternativos.

ARN no codificantes

Sólo aproximadamente el 1,2% del genoma humano codifica proteínas. Sin embargo, si compara los genomas del humano, el ratón y el perro, puede ver que mucho más del genoma está bajo lo que se llama selección negativa ya que las especies divergieron.

La selección negativa significa que se seleccionan contra las mutaciones que son desventajosas. Esto sugiere que más que solo las regiones codificantes de proteínas afectan la aptitud del organismo que lleva el ADN. Algunas de estas son secuencias de ADN que son importantes para controlar la expresión génica.

Sin embargo, las pantallas sistemáticas están revelando un gran número de transcritos de ARN que se procesan pero no codifican proteínas. Los más conocidos son los ARN de transferencia y los ARN ribosómicos, los cuales, como veremos en una sección posterior, son fundamentales para la síntesis de proteínas.

Dos tipos de ARN no codificante, los ARN inhibidores pequeños (siARN) y los microARN (miARN) tienen un papel en la reducción de la expresión génica después de que el ARNm se ha transcrito del ADN. Funcionan dirigiendo un complejo proteico llamado RISC a ARNm específicos que luego degrada.

La expresión del gen se anula o reduce específicamente y luego se puede observar el efecto fenotípico de esto. Otro grupo de ARN no codificantes juega un papel importante en el aumento de la estabilidad y el correcto plegamiento de los ARN ribosómicos.

Este proceso tiene lugar en un compartimento dentro del núcleo llamado nucléolo; los ARN se denominan ARN nucleolar pequeño (snoRNA). Estos se generan principalmente a partir del ARN del intrón después de que se haya separado del ARNm precursor y funcionan en asociación con las proteínas.

Concepto moderno de un gen

El concepto moderno del gen debe tener en cuenta toda la complejidad del procesamiento del ARNm, incluido el corte y empalme alternativo, las secuencias reguladoras y los sitios de poliadenilación, así como la plétora de ARN no codificantes. Una definición de un gen que tenga en cuenta estos factores sería que un gen codifica uno o más transcritos que pueden funcionar como un ARN o pueden traducirse en una o más proteínas.

Transcripción

Hemos visto que un gen puede codificar un producto de ARN o una secuencia de proteína. La producción de ambos requiere que el gen se transcriba en ARN, ya sea porque el ARN es el producto final o porque el ARN deberá actuar como molde para la síntesis de proteínas.

La síntesis de ARN es muy similar en procariotas y eucariotas, siendo catalizada por la enzima ARN polimerasa. Sin embargo, de los procesos discutidos en este artículo, podría decirse que es el que más difiere entre procariotas y eucariotas.

Una diferencia es que en los eucariotas todo el proceso debe ocurrir en un contexto de cromatina, por lo que el acceso a la plantilla de ADN es limitado. La regulación de la expresión génica es un importante facilitador de la diferenciación celular, la homeostasis y la especiación. Diferentes tipos de células activan la transcripción de diferentes genes dando lugar a sus fenotipos diferenciados.

Si miramos a los mamíferos como un ejemplo de especiación, todos tienen aproximadamente el mismo contenido de genes; es cómo se regula la transcripción lo que ha cambiado a medida que los mamíferos han evolucionado. Por ejemplo, si compara humanos y ratones, los cambios importantes en la secuencia del genoma humano y del ratón que se han producido desde que se separaron de un ancestro común están predominantemente en las secuencias que controlan la transcripción en lugar de las secuencias codificantes de proteínas.

ARN polimerasa

Las polimerasas de ARN dependientes de ADN son responsables de la transcripción de ADN en ARN. Al igual que la ADN polimerasa, la ARN polimerasa requiere una plantilla de ADN y precursores de nucleósido trifosfato. La ARN polimerasa no requiere un cebador.

Durante la síntesis de ARN, la base dentro del nucleósido trifosfato entrante se empareja con la base en la plantilla de ADN, se forma un enlace fosfodiéster y se libera pirofosfato. La ARN polimerasa sintetiza el ARN en la dirección 5 ‘a 3’, porque solo puede agregar nucleótidos en el extremo 3 ‘de la cadena. Durante la transcripción, solo una cadena de ADN se transcribe en ARN.

Transcripción de genes

Cuando se transcribe un gen, la ARN polimerasa se unirá corriente arriba desde el comienzo del gen, desenrollará casi dos vueltas de la hélice del ADN para formar una burbuja de transcripción, agregará nucleótidos a la cadena de ARN en crecimiento, los últimos 12 nucleótidos para se agregará a la cadena de ARN se emparejará con la plantilla de ADN, formando un heterodúplex ADN-ARN.

A medida que se agrega cada nucleótido a la cadena en crecimiento, la burbuja de transcripción y el heterodúplex se mueven con respecto a la plantilla de ADN. Entonces, a medida que la ARN polimerasa sintetiza el ARN, se desenrolla la plantilla de ADN frente al sitio de síntesis y se rebobina el ADN una vez que la ARN polimerasa ha pasado.

Una vez que la ARN polimerasa ha transcrito el gen, la transcripción terminará. Para algunos genes, la terminación de la transcripción está señalada por una secuencia particular dentro del ADN, una secuencia terminadora, que la ARN polimerasa reconoce.

En algunos casos, la ARN polimerasa requiere la ayuda de otros factores proteicos para reconocer la secuencia terminadora. Finalmente, muchos genes eucarióticos no contienen una secuencia terminadora específica; en cambio, la terminación de la transcripción está vinculada a otros eventos, por ejemplo, la escisión del ARN antes de la adición de la cola poliA.

La terminación de la transcripción conduce a la disociación de la ARN polimerasa de la plantilla de ADN y la liberación del producto de ARN. En procariotas, el mRNA no necesita procesamiento antes de que pueda traducirse; de ​​hecho, como se discutirá más adelante, el mRNA se traduce a medida que se produce.

Sin embargo, la transcripción inicial en eucariotas necesita procesarse para producir un ARNm funcional que pueda exportarse al citoplasma para su traducción.

Control de la transcripción en procariotas

En muchos genes de procariotas, la ARN polimerasa puede unirse al gen e iniciar la transcripción sin otros factores proteicos. Sin embargo, para la mayoría de los genes procarióticos, la unión de la ARN polimerasa al gen está controlada por factores de transcripción para garantizar que los genes correctos se transcriban al nivel correcto dentro de la célula.

Aguas arriba del inicio de la transcripción habrá un “promotor” que contiene secuencias de ADN específicas que son reconocidas por la ARN polimerasa y los factores de transcripción. Cada gen tendrá una secuencia promotora diferente y puede ser controlado por diferentes factores de transcripción.

Un buen ejemplo de este tipo de promotor es el promotor que controla el operón lac en E. coli. Los factores de transcripción que regulan al alza la transcripción se denominan activadores y los que regulan a la baja la transcripción se denominan represores.

En este ejemplo, la ARN polimerasa por sí sola puede unirse al promotor e impulsar niveles bajos de transcripción. Si el represor se une, detendrá toda la transcripción y anulará la ARN polimerasa y el activador. En ausencia del represor, si el activador está presente, puede generar altos niveles de transcripción.

El operón lac codifica los genes necesarios para usar lactosa y debe controlarse en respuesta a las concentraciones de glucosa y lactosa. Una proteína represora se encarga de responder a la concentración de lactosa y una activadora se encarga de responder a la glucosa.

En ausencia de lactosa, el operón lac se mantiene en un estado apagado debido a que la proteína represora se une al promotor y detiene la transcripción. Si la lactosa está presente en la célula, se unirá al represor y esto detendrá la unión del represor al promotor, la ARN polimerasa puede unirse y conducir a niveles bajos de transcripción.

Si la célula carece de glucosa, el activador se enciende y esto se une al promotor y ayuda a la ARN polimerasa a iniciar la transcripción, lo que da como resultado altas tasas de transcripción.

En los ejemplos anteriores, la ARN polimerasa por sí sola impulsa niveles bajos de transcripción. Es posible que este no sea el caso para todos los promotores; en algunos promotores, es posible que la ARN polimerasa no pueda unirse e impulsar la transcripción sin una proteína activadora.

En otros promotores, la ARN polimerasa por sí sola podrá impulsar altos niveles de transcripción y se necesitaría una proteína represora para desactivar la transcripción.

Control de la transcripción en eucariotas

El control de la transcripción en eucariotas tiene que ocurrir en un cromosoma que se condensa en cromatina. Además, la transcripción requiere el ensamblaje de un gran complejo multiproteico en el gen. Este complejo contendrá ARN polimerasa y varios otros factores de transcripción generales (GTF).

El promotor central es una región que se superpone al inicio de la transcripción y es el sitio de unión para la ARN polimerasa y los GTF. Además, habrá más secuencias de control, potenciadores, que pueden estar aguas arriba o a varios 1000 pares de bases del promotor central.

En ausencia de proteínas activadoras, la estructura de la cromatina detendrá la unión de la ARN polimerasa y los GTF al promotor central. Aquí las proteínas histonas actúan como represores genéricos de la transcripción. Para que una transcripción se active, los activadores se unirán a los potenciadores y reclutarán coactivadores que abren la estructura de la cromatina y aseguran que las proteínas histonas no bloqueen el promotor central.

Los activadores y coactivadores luego ensamblarán la ARN polimerasa y el GTF en el promotor central e impulsarán el inicio de la transcripción. Los factores de transcripción también garantizarán que la estructura de la cromatina en todo el gen tenga una conformación adecuada para la transcripción.

Normalmente no se requieren represores para bloquear el ensamblaje del complejo de transcripción en el promotor central, sin embargo, son importantes en los patrones regulatorios necesarios en organismos multicelulares complejos.

Los eucariotas tienen proteínas represoras que pueden bloquear la acción de un activador específico y garantizar que el activador solo esté activo cuando sea necesario. Los represores pueden funcionar de varias maneras, incluida la unión al ADN y el bloqueo de la unión del activador al ADN, deteniendo la interacción del activador con otras proteínas necesarias para la transcripción o uniéndose al activador y manteniendo el activador en el citoplasma.

Epigenética

Como se discutió anteriormente, el inicio de la transcripción en eucariotas requiere la apertura de la estructura de la cromatina. Esto es facilitado por proteínas coactivadoras que pueden mover la posición relativa de los nucleosomas con respecto al ADN y, por lo tanto, hacer que ciertas regiones del ADN sean más accesibles.

También pueden agregar etiquetas químicas tanto a las proteínas histonas como al ADN. Estas modificaciones epigenéticas pueden afectar si un gen o una región genómica está disponible para la transcripción o si está silenciada transcripcionalmente.

Las histonas son aciladas por enzimas que transfieren un grupo funcional acetilo de acetil-coenzima A a residuos de lisina en la proteína histona. Esto está relacionado con la activación de la transcripción porque reduce la carga positiva de las histonas y, por lo tanto, reduce su afinidad por el ADN cargado negativamente.

La acetilación también puede actuar como una etiqueta que es reconocida por otras proteínas que impulsan la transcripción de genes. Esta modificación del ADN se describe como epigenética porque afecta la expresión génica más que el código genético en sí.

Por el contrario, algunas proteínas represoras reclutarán co-represores que desacetilan histonas, aumentando su afinidad por el ADN, lo que hace que la cromatina se condense mucho y provoque un silenciamiento transcripcional. La metilación de los residuos de lisina es otra etiqueta epigenética, un solo residuo de lisina puede tener 1, 2 o 3 grupos metilo agregados.

A diferencia de la acetilación, la metilación de los residuos de lisina no cambia la carga positiva. Las consecuencias de la metilación de histonas son más complejas porque, según el residuo de lisina que se metile y el nivel de metilación, la etiqueta puede marcar esa región del genoma para la activación o represión de la transcripción.

La metilación del ADN es otra modificación epigenética importante que conduce al silenciamiento transcripcional de la región genómica que ha sido metilada. Durante la diferenciación en el embrión en desarrollo, regiones enteras del genoma se metilarán y, por lo tanto, se silenciarán transcripcionalmente. Los patrones de metilación del ADN se mantienen durante la división celular y las generaciones futuras de esa célula.

Analizando la transcripción a escala global

Durante muchos años, los científicos individuales estudiaron la regulación transcripcional de su gen ‘favorito’ y así obtuvimos una comprensión de cómo se regulaban los genes individuales en respuesta a diferentes señales ambientales o de desarrollo, por ejemplo, el control de la lacoperón en respuesta a lactosa y glucosa.

En los últimos 15 años, se han desarrollado muchas técnicas que nos permiten estudiar el control transcripcional de genes dentro de una célula. Usando técnicas como ‘RNA-Seq’, podemos aislar el ARN total de una célula y usar la secuenciación de alto rendimiento para catalogar el nivel de transcripción de todos los genes.

En el caso de los eucariotas, esto también mostrará cómo se han empalmado. También es posible analizar la unión de los factores de transcripción y estudiar los cambios epigenéticos dentro de las proteínas histonas en todo el genoma utilizando técnicas como ChIP-Seq.

Así, combinando técnicas como RNA-Seq y ChIP-Seq podemos determinar cuándo y dónde un factor proteico se une al ADN y estudiar los cambios epigenéticos en un tipo de célula particular y las consecuencias en términos de transcripción génica.

En combinación, estas técnicas dan una imagen detallada de los factores que afectan la transcripción; esto se ha utilizado, por ejemplo, para observar las diferencias entre las células cancerosas y las células normales del mismo paciente.

Transcripción y enfermedad

Los factores de transcripción y los promotores desempeñan funciones importantes en la salud y la enfermedad. A continuación, se incluyen algunos ejemplos para dar una idea de su función en la salud y la enfermedad.

• El factor de transcripción p53 es una proteína supresora de tumores, protege contra el cáncer y algunos cánceres humanos tienen mutaciones que anulan la función de p53.
• El fármaco tamoxifeno utilizado en el tratamiento del cáncer de mama se une al receptor de estrógeno inhibiendo su función. El receptor de estrógeno es un factor de transcripción que activa la transcripción de genes en respuesta al estrógeno.
• El Síndrome de Rett es un trastorno del neurodesarrollo que afecta aproximadamente a 1 de cada 15000 nacimientos de mujeres. Se debe a mutaciones en un factor de transcripción que normalmente reprimiría la transcripción de genes específicos; las mutaciones conducen a una transcripción inapropiada de estos genes.
• El uso de cocaína produce cambios en la expresión de muchos genes, esto puede incluir cambios epigenéticos dentro de los genes involucrados en la cognición y la función cerebral. Estos cambios epigenéticos pueden ser heredados y existe evidencia de que el uso de cocaína por parte de un padre puede resultar en cambios epigenéticos que dan como resultado que los hijos varones, pero no las mujeres, sean resistentes a la cocaína.

Traducción de ARN en proteínas

El actor clave en la síntesis de proteínas es el ribosoma, una estructura compleja compuesta de ARN y proteínas. El ribosoma proporciona un marco que asegura que el ARNm y el ARNt estén correctamente posicionados, lo que permite descifrar el código genético.

Hay muchas otras proteínas que son importantes en la síntesis de proteínas; algunos de estos son parte del ribosoma y algunos están correctamente posicionados por el marco del ribosoma.

Como veremos, la subunidad pequeña del ARN ribosómico es una ribozima; una molécula de ARN con propiedades catalíticas similares a las de las enzimas. El ARN ribosomal puede formar un enlace peptídico entre dos aminoácidos.

ARN de transferencia

El otro ácido nucleico que necesita para la síntesis de proteínas es el ARNt. La molécula de ARNt es monocatenaria y se pliega en una estructura característica por apareamiento de bases.

Estos actúan como moléculas adaptadoras, cada uno tiene un anticodón para un codón de ARNm específico y cada uno lleva el aminoácido especificado por ese codón. El anticodón tiene una secuencia complementaria al codón en el ARNm.

Las enzimas que unen los aminoácidos a los ARNt se denominan aminoacil ARNt sintetasas; reconocen un aminoácido específico y el ARNt correspondiente. La reacción también requiere ATP, se lleva a cabo en dos pasos:

En el primer paso la enzima hidroliza ATP liberando pirofosfato (PP) y en el segundo une el aminoácido al hidroxilo 3′ del tRNA. Las enzimas aminoacil tRNA sintetasa son altamente específicas, reconocen aminoácidos específicos y solo los unirán al tRNA correcto.

Esto asegura el acoplamiento correcto de los aminoácidos y las moléculas de ARNt, que es tan importante para garantizar la fidelidad de la síntesis de proteínas como la coincidencia del anticodón con el codón por parte del ribosoma.

Además, se dice que este paso activa el aminoacil tRNA, ya que no solo produce el sustrato correcto para el ribosoma, sino que también proporciona gran parte de la energía necesaria para la formación de enlaces peptídicos durante la síntesis de proteínas.

Estructura del ribosoma

Todos los seres vivos contienen ribosomas. Los ribosomas de las bacterias son ligeramente más pequeños que los que se encuentran en las células eucariotas, pero la estructura general y la forma en que funcionan son esencialmente las mismas.

El Premio Nobel de Química de 2009 fue otorgado a tres científicos, Ada Yonath, Thomas Steitz y Venkatraman Ramakrishnan, quienes utilizaron cristalografía de rayos X para resolver la estructura tridimensional del ribosoma bacteriano.

El ribosoma está compuesto por dos subunidades, la subunidad pequeña que lee el ARN mensajero y la subunidad grande que forma los enlaces entre los aminoácidos, añadiéndolos a la cadena polipeptídica en crecimiento. Hay tres sitios de unión importantes para los ARNt en el ribosoma que se encuentran en la interfaz entre las dos subunidades y solo se forman cuando las dos subunidades se juntan.

Además del ribosoma, el ARNm y el ARNt, hay una serie de pequeñas proteínas que no forman parte de la estructura del ribosoma, pero que son necesarias para la síntesis de proteínas: factores de iniciación, factores de elongación y factores de terminación.

La importancia de estos factores se ilustra con la condición hereditaria Enfermedad de la sustancia blanca que desaparece (VWM). Esta grave enfermedad neurodegenerativa que produce lesiones en la sustancia blanca del cerebro se debe a mutaciones en uno de los factores de iniciación.

Síntesis de proteínas

Durante la síntesis de proteínas, el ribosoma reúne el ARNt cargado con aminoácidos y el ARNm, el codón y el anticodón se emparejan y los aminoácidos se unen en la secuencia correcta.

Hay tres fases en este proceso: iniciación donde el ribosoma se ensambla en el ARNm, elongación donde se lee el código del triplete y se agregan aminoácidos a la cadena peptídica en crecimiento y terminación donde se detiene la síntesis de proteínas.

Iniciación

Un complejo de proteínas llamado cap-binding complex se une a la tapa 5′ del ARNm en el núcleo. Luego, el ARNm se exporta al citoplasma donde recluta factores de iniciación, ARNt cargado con una metionina y la subunidad ribosómica pequeña (40S). Los factores de iniciación también se unen y la subunidad pequeña explora la región 5′ no traducida del ARNm hasta que encuentra el primer codón de inicio AUG.

Esto es reconocido por el codón anticodón del ARNt iniciador, la subunidad grande luego se acopla para dar el complejo de traducción. El ribosoma 80S con el tRNA cargado con metionina en el sitio P ahora está listo para aceptar el siguiente tRNA.

Alargamiento

Con la iniciación completa, el ARNm está en el marco de lectura correcto con el sitio A vacío y el siguiente codón expuesto. En la fase de elongación, un aminoacil tRNA, uno cargado con un aminoácido, se lleva al ribosoma en un complejo con un factor de elongación y entra en el sitio A.

Si el anticodón que lleva es complementario al codón expuesto, se posiciona correctamente en el sitio aceptor y el GTP se hidroliza en el factor de elongación. Un enlace peptídico  se forma luego entre el extremo C del aminoácido en el sitio P y el extremo N del aminoácido en el sitio A, esta reacción se cataliza en el centro de transferencia de péptidos de la subunidad grande del ribosoma.

El efecto es que la cadena peptídica en crecimiento se transfiere al aminoacil tRNA entrante en el sitio A dejando un tRNA vacío o gastado en el sitio P. Finalmente, el ARNt de peptidilo con la cadena peptídica en crecimiento unida se mueve al sitio P.

Este paso se llama translocación y la energía es proporcionada por la hidrólisis de GTP por el factor de elongación EF-G. El tRNA gastado se mueve al sitio de salida desde donde puede salir del ribosoma. El ARNm se mueve para que el siguiente codón quede expuesto en el sitio A listo para aceptar un nuevo aminoacil-tRNA cargado con otro aminoácido.

Durante la fase de elongación, el ribosoma realiza un ciclo a través de este proceso, agregando aminoácidos a la cadena peptídica en crecimiento hasta que se expone un codón de parada en el sitio A. La nueva proteína emerge del ribosoma a través de un túnel de salida en la subunidad grande.

Terminación

El codón de parada no se decodifica al ser reconocido por un anticodón en un ARNt. En cambio, es detectado por proteínas llamadas factores de terminación o liberación. En eucariotas hay un único factor de liberación (RF1) que reconoce los tres codones de parada que entran en el sitio A.

El enlace éster que une la cadena peptídica con el ARNt en el sitio P se rompe y el péptido se libera del ribosoma. Las dos subunidades del ribosoma se disocian y se reciclan.

La estructura y la función de los ribosomas están altamente conservadas con un gran núcleo de proteínas estructuralmente conservadas y ARNr que se encuentran tanto en los ribosomas eucariotas como en los procariotas. Sin embargo, existen algunas diferencias tanto en los ARNr como en algunas de las proteínas adicionales involucradas en la traducción.

La fase de elongación está muy conservada pero existen diferencias importantes en cómo se inicia la síntesis de proteínas. Los ARNm bacterianos tienen una secuencia específica llamada sitio de unión al ribosoma o secuencia Shine-Dalgarno.

Para asegurar que el ARNm esté correctamente posicionado en el ribosoma, la secuencia Shine-Dalgarno se une a una secuencia complementaria del ARNr 16S en la subunidad pequeña. En las bacterias, el ARNt iniciador está cargado con un aminoácido N-formilmetionina modificado.

Las diferencias entre la estructura de los ribosomas bacterianos y eucarióticos pueden aprovecharse mediante antibióticos que son selectivos porque afectan a la síntesis de proteínas en las bacterias pero no en las células de los mamíferos.

Los antibióticos macrólidos, como la eritromicina, bloquean el túnel de salida en la subunidad grande de los ribosomas bacterianos y detienen la síntesis de proteínas. El túnel de salida en los ribosomas eucariotas es ligeramente más estrecho, lo que significa que los ribosomas eucariotas no se ven afectados.

La estreptomicina, un antibiótico importante en el tratamiento de la tuberculosis, se une al 16S de los ribosomas bacterianos. Esto distorsiona la estructura del sitio de decodificación y da como resultado una mala lectura del ARNm.

Conclusión

El estudio de los ácidos nucleicos, desde su primera identificación como material genético, está plagado de hitos en las biociencias moleculares, muchos de ellos marcados con premios Nobel. Desde que Watson y Crick propusieron su estructura del ADN, nuestro conocimiento sobre el ADN y cómo funciona se ha expandido casi exponencialmente.

Los temas presentados en este artículo son temas importantes cubiertos en todos los programas de biociencias; comprenderlos es clave para todas las áreas de las biociencias, desde la evolución y la diversidad animal hasta la salud y la enfermedad.

Los desarrollos recientes en las técnicas que podemos usar para estudiar el ADN, a menudo en células vivas, significan que constantemente se están produciendo avances nuevos y emocionantes en nuestra comprensión de la forma en que funcionan los ácidos nucleicos. Sin embargo, dado el alcance de este artículo, apenas hemos tocado la superficie del tema.