Genética Molecular

•• NATURALEZA DEL MATERIAL GENÉTICO •• 

Los cromosomas son estructuras celulares que llevan la información hereditaria; en estos cromosomas están contenidos los genes. En las bacterias el cromosoma está constituido por
una sóla molécula de ADN circular con unas proteínas asociadas. Los genes son segmentos de ADN (excepto en algunos virus en que son ARN) que codifican por productos funcionales.
Recordemos entonces que el ADN es una macromolécula constituida por unidades repetitivas de nucleótidos. Cada nucleótido consta de una base nitrogenada (adenina (A), timina
(T), citosina (C) o guanina (G)), una pentosa (desoxirribosa) y un grupo fosfato. El ADN es una molécula de doble cadena de nucleótidos, las dos cadenas se mantienen unidas mediante puentes de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas. El apareamiento de las bases ocurre siempre en una forma específica: la adenina siempre se aparea con la timina y la citosina siempre se aparea con la guanina, debido a esto la secuencia de bases de una cadena determina la secuencia de la otra, a esto se le denomina complementariedad. Esta propiedad es importante porque permite la replicación de la molécula de ADN conservando fielmente la información. Para que este apareamiento sea posible ambas cadenas están orientadas en dirección opuesta, una con respecto a la otra, a eso se le dice que son antiparalelas.

De la misma manera la información contenida en el ADN puede ser copiada por partes, en moléculas específicas de ARN denominadas ARN mensajeros (ARNm), este proceso se denomina transcripción. La información codificada en el ARNm es luego traducida en una secuencia específica de aminoácidos que forman una proteína. Este último proceso se denomina traducción.

•• REPLICACIÓN DEL ADN ••
En la replicación del ADN, una molécula original de ADN de doble cadena es convertida en dos moléculas hijas de ADN idénticas. La clave para entender esta replicación del ADN es la
estructura complementaria de las secuencias de los pares de bases en las dos cadenas del ADN, una cadena sirve de molde para la producción de la otra.
La replicación del ADN requiere la presencia de proteínas celulares complejas que dirigen una secuencia particular de eventos. Cuando comienza la replicación, las dos cadenas se
desenrollan y se separan una de otra en un pequeño segmento de la molécula. Los nucleótidos libres presentes en el citoplasma de la célula se unen a las bases expuestas del fragmento de ADN de cadena simple expuesto de la molécula original. Donde hay T en la cadena original se incorporará una A, y donde hay G se incorporará una C. La replicación del ADN comienza siempre en el mismo punto llamado de iniciación u origen.
En este punto de iniciación y zonas cercanas a él, se unen a las cadenas de ADN moléculas de proteínas desenrolladoras, las cuales hacen que el ADN en esa zona se abra formando una especie de burbuja, en este momento una ARN polimerasa ADN dependiente se une al punto de iniciación mediante la ayuda de una o más proteínas iniciadoras específicas, las cuales son las que reconocen el punto de iniciación. Aparentemente este punto de iniciación está anclado a la membrana celular y dicho anclaje parece ser necesario para ayudar a compensar las fuerzas de torsión que se originan cuando el cromosoma se desenrolla para ser copiado.

El desenrollamiento de la doble hélice y el que las dos cadenas se mantengan separadas es posible por varias proteínas especializadas. Enzimas conocidas como helicasas desenrollan
fragmentos cortos de ADN por delante de la horquilla de replicación. El desenrollamiento del ADN requiere energía que es aportada por la hidrólisis de dos moléculas de ATP. Tan pronto
como una secuencia corta se ha desenrollado, varias moléculas de unas proteínas que se unen al ADN de cadena simple (se conocen en inglés como DBA por DNA binding proteins)
se unen fuertemente a cada una de las cadenas simples manteniéndolas separadas para que puedan actuar las enzimas de la replicación.
En 1 de la figura siguiente puede observarse una célula joven recién formada y en fase de crecimiento activo, por lo que su cromosoma ya ha iniciado la replicación. En 2 ya el cromosoma se ha duplicado y en 3 comienza la división para dar origen a dos nuevas células. Igualmente comienza la replicación del cromosoma, de manera que en el momento
de separarse las dos células en 4, ya la duplicación está bastante avanzada. De igual manera se continuará repitiendo el mismo ciclo para dar origen a nuevas células.

•• TRANSCRIPCIÓN ••

El paso de la información genética contenida en el ADN al ARN se denomina transcripción.
Se conocen tres tipos fundamentales de ARN, el ARN mensajero (ARNm), el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr), todos ellos productos de la transcripción del
ADN.
Es importante señalar que el ARN actúa a dos niveles: el genético y el funcional. A nivel genético el ARNm es portador de la información genética contenida en el ADN. A nivel funcional el ARNr forma parte de los ribosomas y el ARNt interviene en el reconocimiento de los aminoácidos para ser incorporados en la síntesis de las proteínas codificadas en el ARNm.
La transcripción de la información genética del ADN al ARN es llevada a cabo por una enzima llamada ARN-POLIMERASA o TRANSCRIPTASA. Una de las ARN polimerasas mejor
estudiadas es la de la Escherichia coli; esta enzima está constituida por cinco sub-unidades polipeptídicas denominadas: ß, ß’, dos péptidos α, y σ. La subunidad sigma (σ) no
está fuertemente unida y se disocia con facilidad, originándose lo que se denomina el núcleo de la enzima mínima.
El lugar del ADN en el cual se inicia la síntesis del ARNm, no es un lugar cualquiera seleccionado al azar por la enzima, para cada GEN (conjunto de tripletes del ADN que codifican
por la síntesis de una determinada proteína) o grupo de genes relacionados (OPERÓN), hay un lugar específico para la iniciación de la síntesis del ARNm, este lugar se denomina PROMOTOR.
La ARN polimerasa puede unirse reversiblemente al ADN en varios sitios, pero cuando esta unión se hace en el promotor, la subunidad σ reconoce a la secuencia nucleotídica,
estabilizando el complejo ADN-ARN POLIMERASA, lo cual permite que la enzima inicie la separación de las cadenas de la doble hélice del ADN, comenzando la transcripción.
La transcripción se inicia mediante la unión de dos nucleósidos trifosfato a la enzima, siendo las bases de estos nucleósidos complementarias a las del ADN. Luego de reaccionar estos nucleósidos se origina el correspondiente dinucleósido trifosfato y pirofosfato; la ARN polimerasa se va desplazando progresivamente a lo largo del ADN incorporando nuevas
bases, y a medida que ella abandona una región del ADN, la doble hélice de éste se cierra nuevamente. Una vez que se ha formado una pequeña porción de ARN, el factor σ se disocia; y la transcripción sigue siendo catalizada por el núcleo mínimo de la enzima.
Normalmente, en el proceso de transcripción, sólo la información contenida en una de las dos cadenas del ADN es transcrita. La terminación de la síntesis del ARNm también ocurre en lugares específicos del ADN, mediante uno de estos mecanismos de terminación:

1.  Terminación codificada por una secuencia del ADN que es reconocida por la ARN polimerasa como una señal de fin del mensaje.
2.  Terminación que además de una secuencia de ADN que indica el fin del mensaje requiere factores proteicos adicionales. Por ejemplo, en la E. coli, un tipo de terminador de la transcripción requiere de una proteína llamada rho (ρ), esta proteína no se une al ADN ni a la ARN polimerasa sino que se une al ARN que se está sintetizando y se mueve hacia el complejo ARN polimerasa-ADN. Cuando la ARN polimerasa se detiene en la señal de terminación dependiente de ρ, éste puede hacer que el ARN y la polimerasa se separen del ADN, terminando así la transcripción.

La transcripción del ADN se efectúa en dirección 5′ ™ 3’, y usualmente una molécula de este ácido ribonucleico mensajero contiene la información para la síntesis de una sola molécula proteica, pero en muchas oportunidades un ARNm puede codificar la síntesis de varias proteínas, esto generalmente ocurre cuando es el producto de la transcripción de un operón.

 •• SÍNTESIS DE PROTEÍNAS (TRADUCCIÓN)  ••
El ARNm va a los ribosomas de la célula, los cuales leen el mensaje que éste trae y proceden a la síntesis de la correspondiente proteína. Este proceso se denomina TRADUCCIÓN; con frecuencia y erróneamente, el término TRANSLATION con el cual se denomina este proceso en inglés, es traducido TRASLACIÓN, lo cual en castellano tiene un significado que no guarda relación con el proceso que se pretende describir.
Para proceder a esa traducción la lectura del mensaje contenido en el ARNm se lee por grupos de tres bases denominados CODONES, y cada codón codifica por un determinado aminoácido. El conjunto de codones se conoce como CÓDIGO GENÉTICO. Hay 64 posibles combinaciones de las cuatro bases en secuencias de tres, y como hay sólo 20 aminoácidos, más de un codón codifica por un mismo aminoácido, por lo que se dice que el código genético es DEGENERADO. Hay tres codones que no codifican por ningún aminoácido, ellos se denominan CODONES SIN SENTIDO, los cuales actúan como signos de puntuación señalando la terminación de la síntesis de la proteína codificada por un determinado gen.

Los aminoácidos no son capaces de reconocer la información contenida en los codones, por consiguiente ellos se unen a un ARN que tiene una secuencia de bases denominada ANTICODÓN, la cual es capaz de reconocer los codones del ARNm que codifican por los distintos aminoácidos. Este ARN es denominado ARN de TRANSFERENCIA o
ARNt y los aminoácidos se unen a él mediante la energía aportada por el ATP para formar un aminoacil-ARNt. Para cada aminoácido existe un ARNt y en algunos casos existe más de un ARNt para el mismo aminoácido. Cada aminoácido se une a su ARNt por mediación de enzimas altamente específicas, denominadas aminoacil ARNt sintetasas.

Aunque la molécula del ARNt está constituida por una sola cadena, debido al plegamiento de la misma, hay grandes zonas de doble cadena, originadas por la complementación de
las bases al quedar adyacentes por el citado plegamiento.

El ARNm no puede comenzar a ser traducido en cualquier punto de su cadena, ya que habría una alteración de la información en él contenida. Hay puntos específicos para la iniciación de la traducción, estos puntos son los codones que codifican por la incorporación de formil metionina en la proteína (GUG y AUG), y para los que existen los ARNt correspondientes. Por tal razón las proteínas tienen como primer aminoácido formil metionina o metionina, sin embargo, en ciertos organismos existen enzimas capaces de eliminar la formil metionina inicial
de la proteína, quedando entonces como primer aminoácido el que ocupaba el segundo lugar.
En el proceso de traducción podemos distinguir las siguientes fases:
1. INICIACIÓN
2. ELONGACIÓN
3. TERMINACIÓN Y LIBERACIÓN

•• INICIACIÓN  ••
Los ribosomas de las bacterias constan de dos subunidades con constantes de sedimentación de 30 S y 50 S respectivamente, el ribosoma es activo cuando sus dos subunidades
están asociadas, y en el proceso de asociación y disociación de las mismas tiene gran importancia la concentración de Mg++ (5 mM óptima). Cuando los ribosomas no están sintetizando proteínas, se encuentran disociados en sus dos subunidades. El proceso de iniciación de la síntesis de proteínas requiere de la participación de tres proteínas específicas denominadas FACTORES DE INICIACIÓN (IF-1, IF-2 e IF-3). Para iniciarse la síntesis de las proteínas, la subunidad 30 S del ribosoma forma un complejo con IF-3 y a este complejo se une el ARNm, luego de unido el ARNm se combina a este complejo IF-1. Por otra parte IF-2, la formil metionina-ARNt y un GTP, se unen para dar otro complejo, el cual se une con el antes formado para dar origen a un gran complejo denominado COMPLEJO DE INICIACIÓN, constituido por: la subunidad 30 S, el ARNm, el formil metionina-ARNt, los tres factores de iniciación y GTP. El complejo de iniciación se une a la subunidad 50 S del ribosoma para formar el ribosoma completo, 70 S, el cual es activo. En este proceso el GTP es hidrolizado a GDP y fosfato,
y los tres factores de iniciación se disocian del ribosoma.
•• ELONGACIÓN ••
En los ribosomas existen dos regiones denominadas A y P respectivamente, la región A es el sitio para el aminoácido, el cual recibe al ARNt con su correspondiente aminoácido, y el
sitio P lugar peptídico, el cual recibe el ARNt con la cadena peptídica en formación. En el proceso de elongación ya tenemos la formil metionina-ARNt correspondiente al primer
codón en el sitio P. Para que el aminoacil-ARNt correspondiente al segundo codón del ARNm se fije en el sitio A del ribosoma es necesario que reaccione con una proteína denominada FACTOR DE ELONGACIÓN T(EF-T) el cual está constituido por dos subunidades: EF-Ts y EF-Tu. En primer lugar EF-T reacciona con GTP para formar el complejo EF-Tu-GTP  con liberación de EF-T, este complejo se une al aminoacil-ARNt para formar el complejo EFTu-GTP-aminoacil-ARNt. Este complejo se une al ribosoma de forma tal que el aminoacilARNt queda colocado en el lugar A con su anticodón unido mediante puentes de hidrógeno al codón correspondiente en el ARNm. Simultáneamente el GTP del complejo es hidrolizado a GDP y fosfato, abandonando el ribosoma en la forma del complejo EF-Tu-GDP. La energía producida por la hidrólisis del GTP parece ser requerida para colocar el aminoacil-ARNt en la posición correcta. Al estar unidos a los sitios P y A del ribosoma la formil metionina y el aminoacil-ARNt respectivamente, la reacción entre el grupo amino del aminoacil-ARNt y el carboxilo de la formil metionina-ARNt para formar el primer enlace peptídico, es catalizada por la enzima PEPTIDIL TRANSFERASA, la cual se encuentra en la subunidad 50 S del ribosoma. El producto de la reacción es un dipeptidil-ARNt unido al sitio A, en el lugar P se encuentra ahora un ARNt vacío, sin ningún aminoácido unido a él. Para lograr que el ribosoma se desplace a lo largo el ARNm para que pueda leer el siguiente codón, y para que el dipeptidil-ARNt pase del lugar A al lugar P, se requiere de una proteína llamada FACTOR DE ELONGACIÓN G (EF-G). EF-G reacciona con GTP para originar un complejo que se une al ribosoma, una vez unido, el GTP se hidroliza a GDP y fosfato. Esta hidrólisis produce la energía necesaria para desplazar el ribosoma al próximo codón y el peptidil-ARNt al sitio P; este proceso se denomina TRANSLOCACIÓN.
Todo el proceso se repite hasta que haya sido incorporado a la cadena peptídica, el último aminoácido codificado por el ARNm para esa proteína en particular.
•• TERMINACIÓN Y LIBERACIÓN ••
Después de ser añadido el último aminoácido a la cadena peptídica, ésta se encuentra unida covalentemente por su grupo carboxilo terminal al ARNt, el cual se encuentra situado
en el lugar A del ribosoma. La liberación del polipeptidil-ARNt del ribosoma es promovida por tres proteínas llamadas FACTORES DE LIBERACIÓN (R1-R2-R3). Los factores de
liberación se unen al ribosoma ocasionando que el peptidil-ARNt se desplace del lugar A al P, y el enlace entre el ARNt y la cadena peptídica es hidrolizado aparentemente por la peptidil transferasa, cuya especificidad y acción catalítica parecen haber sido alteradas por la unión con los factores de liberación.
Una vez que la proteína es liberada, el último ARNt y el ARNm se separan del ribosoma, el cual entonces se disocia en sus dos sub-unidades, quedando en condiciones de iniciar el proceso de nuevo. Usualmente un mismo ARNm es traducido por varios ribosomas al mismo tiempo, y mientras más cercano al final del ARNm se encuentre un ribosoma, mayor será la longitud de la cadena peptídica ya que en ella se habrán incorporado la casi totalidad de los aminoácidos de su secuencia. Esta asociación de un ARNm con varios ribosomas es denominada POLISOMA o POLIRIBOSOMA.

todo tomado de : http://www.ucv.ve/fileadmin/user_upload/facultad_farmacia/catedraMicro/08_Tema_7_Gen%C3%A9tica.pdf