Replicación y Duplicación del ADN

Introducción

• En este tema, se exploran los procesos de duplicación y replicación del ADN en moléculas de ARN.
• El ARN resultante transporta el mensaje genético a los ribosomas para la síntesis proteica.
• Esta unidad destaca la gran utilidad de manipular, analizar y modificar los ácidos nucleicos con fines diagnósticos, terapéuticos y de producción industrial.

El Proceso de Replicación del ADN

• La replicación del ADN es el proceso por el cual una molécula de ADN se duplica, produciendo dos moléculas de ADN "hijas" idénticas a la original.
• Características comunes en procariotas y eucariotas:
  • Es semiconservativa: cada nueva molécula de ADN contiene una hebra del ADN original y una hebra de nueva síntesis.
  • La replicación ocurre en puntos de inicio específicos donde el ADN se desenrolla, formando horquillas de replicación.
  • Es bidireccional: ocurre simultáneamente en ambas hebras y se dirige hacia los extremos.
  • Es semidiscontinua: la hebra conductora se replica normalmente en dirección 5'-3', mientras que la hebra rezagada se replica de manera discontinua en dirección 3'-5', formando fragmentos de Okazaki.
• En el proceso, las dos hebras del ADN se separan y se sintetizan nuevas cadenas hacia los extremos, en dirección de las horquillas de replicación.
• Las polimerasas llevan a cabo la replicación.
• En el punto de inicio, se añade un cebador (una secuencia corta de ARN) para señalar el comienzo de la replicación. Los fragmentos de Okazaki se forman mediante cadenas híbridas de ARN (cebador) y ADN (nueva hebra sintetizada).
• La separación de las hebras del ADN se conoce como fusión o desnaturalización, y el proceso inverso se llama hibridación o renaturalización.

La Síntesis de Proteínas

• Es el proceso por el cual un gen codifica un polipéptido o proteína, y ocurre en dos etapas:
  • Transcripción: la información del ADN se transcribe en ARN.
  • Traducción: la información del ARN se traduce en una proteína.
• Esta relación direccional se conoce como el dogma central de la biología molecular.
• El ARN mensajero (ARNm) transporta información genética del ADN a los ribosomas.
• Los ribosomas se unen al ARNm y, con la ayuda del ARN de transferencia (ARNt), comienza la síntesis de proteínas.
• El ARNt transporta aminoácidos específicos para cada triplete de nucleótidos en el ARNm.
• Los ribosomas forman enlaces peptídicos entre los aminoácidos, traduciendo así la información genética en proteínas.

Caso Práctico 1: Edición o Corrección del ARN

• El ARN, al igual que el ADN, puede experimentar procesos de edición o corrección, como la edición del ARN, donde se modifica después de la transcripción.
• La edición del ARNm puede alterar la secuencia de nucleótidos que se traducirá en la secuencia de aminoácidos de una proteína, lo que puede resultar en proteínas anómalas o enfermedades graves.
• Es importante no confundir la edición del ARN con la maduración del ARN, que es un proceso natural y necesario para la transcripción.

La Transcripción

• Es el proceso en el núcleo donde la secuencia de nucleótidos del ADN se copia en una molécula de ARN mensajero (ARNm).
• Solo una de las hélices del ADN se utiliza como molde, y el ARN recién transcrito se llama precursor y debe madurar.
• En el ARN, el uracilo reemplaza a la timina.
• La unidad de transcripción consta del promotor (que indica dónde comenzar), la secuencia codificadora del ARN (que se copia) y el terminador (que indica el final).
• Los promotores eucarióticos son secuencias específicas reconocidas por las ARN polimerasas y factores transcripcionales.
• El promotor eucariótico en eucariotas utiliza tres RNA polimerasas para transcribir diferentes genes.
• La ARN polimerasa II, encargada de los genes que codifican las proteínas, contiene:
  • Caja TATA: secuencia de siete pares de bases ubicada a 30 pares de bases antes del punto de inicio.
  • Caja CAAT: con secuencia normal GGCAATCT, ubicada a 100 pares de bases antes del punto de inicio.
  • Intensificadores: modulan la transcripción a distancia. Factores transcripcionales: proteínas que facilitan la unión de la ARN polimerasa al ADN, pueden ser generales o específicos.

Generalidades sobre la Traducción

• La traducción consiste en sintetizar proteínas según las instrucciones del ARNm.
• El código genético es el orden entre las bases nitrogenadas del ARNm y la secuencia de aminoácidos resultante.
• Tres nucleótidos codifican un aminoácido (tripletes o codones).
• Cada codón equivale a un aminoácido concreto, aunque un aminoácido puede ser codificado por diferentes codones.
• El código genético está "degenerado".
• Hay cuatro codones especiales:
  • AUG: inicia la traducción y codifica la metionina.
  • UAA, UAG y UGA: indican el final de la traducción.

Fases de la Traducción

• El proceso de traducción consta de tres fases:
  • Fase de iniciación: la subunidad menor de un ribosoma se une a un ARNt con metionina, luego se une al ARNm y se desplaza hasta alcanzar un codón AUG. Entonces, la subunidad mayor del ribosoma se ensambla, y el ARNt inicial se ubica en la localización "P".
  • Fase de elongación: un nuevo ARNt se une al sitio "A", la subunidad mayor se desplaza, formando un enlace peptídico entre los aminoácidos. La subunidad menor se desplaza, desechando el primer ARNt, quedando un ARNt en el sitio "P" y los sitios "E" y "A" libres.
  • Fase de terminación: el ribosoma llega a una secuencia de terminación y se une a factores de terminación, liberando la cadena polipeptídica y separando el ARNm de las subunidades del ribosoma.
• Varios ribosomas realizan este proceso simultáneamente.

Endonucleasas de Restricción

• Las endonucleasas de restricción son enzimas bacterianas que cortan la molécula de ADN bicatenario en secuencias específicas y cortas (4-8 pares de bases), que generalmente son palindrómicas.
• Cada endonucleasa reconoce sitios de restricción concretos, llamados dianas de restricción. Estas enzimas son un mecanismo de defensa frente al ADN vírico en bacterias.
• Se clasifican en endonucleasas que generan bordes cohesivos y las que producen bordes romos:
  • Las endonucleasas que generan bordes romos cortan el ADN de manera simétrica.
  • Las endonucleasas que generan bordes cohesivos cortan el ADN de manera asimétrica. Los extremos cohesivos facilitan la clonación.

Otras Enzimas Asociadas a los Ácidos Nucleicos

• Además de las enzimas de restricción, existen otras de gran interés necesarias para llevar a cabo procedimientos de edición del material génico:
  • Ligasas: unen los enlaces entre un grupo fosfato y un nucleótido, es decir, unen fragmentos de ADN o ARN. La ligasa tipo 1 está implicada en la replicación, y las ligasas tipo 2, 3 y 4 en la reparación del ADN.
  • Polimerasas: sintetizan cadenas de polinucleótidos a partir de una hebra molde, añadiendo nucleótidos complementarios. Siguen el sentido 5'-3', como en la replicación del ADN.
• Transcriptasas inversas o retrotranscriptasas: realizan el proceso inverso a la transcripción, sintetizando una cadena de ADN a partir de ARN (ADNc). Son propias de retrovirus, que transcriben su material genético (ARN) a ADN. Son fundamentales para amplificar ARN mediante RT-PCR.
• Topoisomerasas: reducen la tensión en las hebras de ADN bicatenario cerca de las horquillas de replicación.

Importancia en las Técnicas de Manipulación y Análisis de Moléculas de ADN

• Las técnicas de manipulación y análisis de ADN tienen como finalidad diagnosticar enfermedades y aprovechar los procesos de la biología molecular.
• El análisis cromosómico diagnostica alteraciones morfológicas y numéricas de los cromosomas, como el síndrome de Down.
• Las enzimas de restricción permiten manipular fragmentos de ADN para incorporarlos a nuevos organismos y producir sustancias de interés (como la insulina en E. coli).
• La PCR (reacción en cadena de la polimerasa) amplifica ADN insuficiente.
• Las técnicas de secuenciación y análisis de ADN permiten conocer secuencias características de microorganismos.
• Estas técnicas se emplean en análisis de paternidad y medicina forense.
• Utilidades de la Biología Molecular:
  • Diagnóstico de enfermedades.
  • Producción industrial en Biotecnología.
  • Análisis de perfiles de expresión génica.
  • Identificación de microorganismos patógenos.
  • Detección de genes asociados a enfermedades genéticas y cáncer.
  • Pruebas de paternidad.
  • Identificación de individuos en Medicina Forense.

Un Ejemplo Destacado de la Utilidad de las Técnicas de Biología Molecular

• La biotecnología permite aprovechar los procesos de la biología molecular.
• La producción industrial de insulina es una de las mayores utilidades de la manipulación de los ácidos nucleicos:
  • La insulina es una proteína sintetizada por células de los islotes Beta del páncreas debido a la presencia de los codones correspondientes en su ADN.
  • El gen de la insulina es aislado de una célula pancreática mediante endonucleasas de restricción.
  • El gen de insulina se ensambla en un plásmido (ADN bacteriano) mediante ADN ligasas, permitiendo que una bacteria produzca insulina humana.

Caso Práctico 2: "Antibióticos Inhibidores de la Síntesis de Proteínas"

• Los antibióticos, que se usan para eliminar infecciones bacterianas, son heterogéneos en su composición y mecanismo de acción.
• Algunos grupos de antibióticos detienen el metabolismo normal de las bacterias, y algunos antibióticos impiden que sinteticen proteínas.
• Los antibióticos bacteriostáticos impiden el desarrollo, crecimiento y reproducción del germen sin matarlo directamente, actuando sobre los ribosomas, ya sea en la subunidad mayor o menor, limitando la síntesis de proteínas.