Biología molecular 1 (replicación y transcripción)

La molécula de ADN humano es enorme: si estiráramos el ADN de una sola célula, mediría aproximadamente dos metros. Sin embargo, debe caber en un núcleo de apenas unas micras de diámetro. ¿Cómo se logra esta proeza? Mediante un empaquetamiento jerárquico en el que participan proteínas llamadas histonas.

1.1. El nucleosoma: la unidad de empaquetamiento

El primer nivel de compactación es el nucleosoma. Un nucleosoma está formado por:

• Un octámero de histonas: ocho proteínas (dos copias de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4) que forman un "carrete" o núcleo proteico.
• Un segmento de ADN de aproximadamente 146 pares de bases que da casi dos vueltas alrededor de ese octámero (muchas referencias hablan de 1,65 a 2 vueltas; en los materiales preuniversitarios suele redondearse a "2,5 vueltas" dependiendo de la fuente; lo importante es entender que el ADN se enrolla alrededor del octámero).
• Una histona adicional, la histona H1, que actúa como traba o "seguro" y ayuda a estabilizar la estructura.

Las histonas son proteínas básicas, es decir, ricas en aminoácidos con carga positiva como la lisina y la arginina. Esta carga positiva les permite interactuar con los grupos fosfato del ADN, que son negativos. Esa afinidad electrostática explica por qué el ADN se asocia fuertemente a las histonas.

1.2. La cromatina: eucromatina y heterocromatina

El conjunto de ADN más proteínas histónicas y no histónicas se denomina cromatina. Según su grado de compactación, la cromatina se clasifica en dos tipos:

Esta distinción tiene sentido funcional: los genes que la célula necesita leer con frecuencia están en zonas de eucromatina, "abiertas" para que las enzimas de la transcripción puedan acceder. En cambio, la heterocromatina permanece compacta y silenciosa.

1.3. Niveles superiores de compactación

Durante la división celular, la cromatina se compacta aún más y forma los cromosomas, que son visibles al microscopio óptico en la metafase. El orden jerárquico es: ADN de doble hélice → nucleosomas → fibra de cromatina → fibras más gruesas → cromosoma. Cada nivel reduce el volumen y protege el ADN.

2.1. Definición y razón de ser

La replicación es el proceso por el cual una molécula de ADN origina dos moléculas hijas idénticas, cada una con una cadena original y una cadena recién sintetizada. Es un proceso clave del ciclo celular: ocurre durante la fase S (de synthesis, síntesis) de la interfase, antes de que la célula entre en mitosis o meiosis.

¿Por qué debe replicarse el ADN antes de dividirse? Porque cada célula hija debe recibir una copia completa del material genético. Si la célula se dividiera sin duplicar su ADN, cada hija tendría la mitad de la información genética. Si se replicara en exceso, se alteraría la dotación cromosómica. La replicación garantiza que la información genética se conserve y se transmita con fidelidad.

2.2. Características generales de la replicación

Antes de entrar al detalle molecular, conviene fijar cinco características del proceso:

1. Semiconservativa. Cada molécula hija conserva una cadena original (molde) y una cadena nueva. No es conservativa (una molécula totalmente original y otra totalmente nueva) ni dispersiva (cadenas mixtas con fragmentos viejos y nuevos intercalados).

2. Bidireccional. En eucariotas, la replicación comienza en múltiples puntos llamados orígenes de replicación y avanza en ambos sentidos desde cada origen. En cada origen se forman dos horquillas de replicación que se alejan en direcciones opuestas.

3. Semidiscontinua. Una de las cadenas nuevas se sintetiza de manera continua (cadena líder o conductora) y la otra de manera discontinua, en pequeños fragmentos llamados fragmentos de Okazaki (cadena rezagada o discontinua). Esto se debe a que ambas cadenas se sintetizan en dirección $5' \rightarrow 3'$, pero las cadenas molde son antiparalelas.

4. La síntesis siempre ocurre en dirección $5' \rightarrow 3'$. Las enzimas ADN polimerasas solo pueden añadir nucleótidos al extremo 3'—OH libre de la cadena en crecimiento.

5. Requiere cebadores. Las ADN polimerasas no pueden iniciar la síntesis desde cero; necesitan un extremo 3'—OH libre. Por eso interviene la ARN primasa, que sintetiza un corto cebador (primer) de ARN (unos 10 nucleótidos) desde el cual la ADN polimerasa puede continuar.

2.3. Las enzimas y proteínas de la replicación

Cada enzima tiene una función específica. Conviene memorizarlas con precisión porque las preguntas de admisión suelen emparejar enzimas con funciones:

En las células eucariotas, las enzimas tienen nombres equivalentes (ADN polimerasas α, δ, ε, entre otras), pero para el nivel preuniversitario lo importante es el esquema general y los nombres procariotas más didácticos que suelen usarse en las fuentes.

Vamos a describir la replicación por etapas, entendiendo qué sucede y por qué, para no caer en confusiones al momento del examen.

3.1. Etapa de apertura: formación de la horquilla de replicación

El proceso comienza en un origen de replicación. Allí actúan dos enzimas en conjunto:

• La helicasa se desliza sobre una de las cadenas y rompe los puentes de hidrógeno entre bases complementarias, abriendo la doble hélice como si fuera un cierre o cremallera.
• La topoisomerasa corta y vuelve a unir las cadenas por delante de la horquilla, eliminando la tensión torsional que se produce al abrir la hélice.

Una vez abiertas las cadenas, intervienen las proteínas estabilizadoras que se pegan a cada cadena sencilla y evitan que las bases vuelvan a aparearse espontáneamente.

3.2. Síntesis del cebador

La ARN primasa sintetiza un pequeño fragmento de ARN complementario al molde, llamado cebador o primer, de aproximadamente 10 nucleótidos. Su función es brindar un extremo 3'—OH libre, porque la ADN polimerasa no puede iniciar por sí sola la síntesis.

3.3. Elongación: la síntesis de las nuevas cadenas

Una vez colocado el cebador, la ADN polimerasa III comienza a añadir desoxirribonucleótidos complementarios a la cadena molde. Aquí aparece el punto crucial: la ADN polimerasa solo sintetiza en dirección $5' \rightarrow 3'$, es decir, solo puede añadir nucleótidos al extremo 3'—OH de la cadena en crecimiento.

Como las dos cadenas molde son antiparalelas, la síntesis en cada una plantea situaciones distintas:

a) Cadena líder (continua)

En una de las cadenas molde, la horquilla avanza en dirección $3' \rightarrow 5'$ respecto a la cadena molde. Eso permite que la ADN polimerasa trabaje en la misma dirección en que avanza la horquilla y sintetice la cadena nueva de forma continua. Aquí basta un solo cebador al inicio. *Nota: en las preguntas de admisión se suele representar esta polimerasa como la que avanza con la helicasa, en la misma dirección de la horquilla de replicación.

b) Cadena rezagada (discontinua)

En la otra cadena molde, la horquilla avanza en dirección $5' \rightarrow 3'$. La ADN polimerasa, que debe sintetizar en $5' \rightarrow 3'$, se encuentra con que su dirección natural es contraria al avance de la horquilla. La célula resuelve esto sintetizando por tramos cortos, alejándose momentáneamente de la horquilla, y repitiendo el proceso a medida que se abre más ADN. Cada tramo requiere su propio cebador. Estos segmentos cortos son los fragmentos de Okazaki.

Así, la cadena rezagada se va formando de manera discontinua, con múltiples fragmentos que luego deben unirse.

3.4. Eliminación de cebadores y unión de fragmentos

Una vez finalizada la síntesis, la ADN polimerasa I degrada los cebadores de ARN y rellena los huecos con ADN complementario. Finalmente, la ADN ligasa une los extremos de los fragmentos de Okazaki y del ADN que reemplazó a los cebadores, formando una cadena continua.

3.5. Resultado final

Al final del proceso, se obtienen dos moléculas de ADN idénticas, cada una formada por una cadena original y una cadena recién sintetizada. Por eso la replicación es semiconservativa.

4.1. ¿Qué es la transcripción y para qué sirve?

La transcripción es el proceso mediante el cual se sintetiza una molécula de ARN usando como molde una de las cadenas del ADN. Es el primer paso de la expresión génica: la información de un gen (un segmento de ADN) se copia en forma de ARN mensajero (ARNm), que luego podrá salir al citoplasma y ser leído por los ribosomas para fabricar proteínas.

La transcripción responde a una necesidad práctica: el ADN está en el núcleo (en eucariotas) y no puede salir; los ribosomas están en el citoplasma. Se necesita una copia "portátil" de la información, y esa copia es el ARN.

4.2. Diferencias entre ADN y ARN

Para entender bien la transcripción, conviene recordar las diferencias entre las dos moléculas:

En la transcripción, la adenina del ADN molde se aparea con uracilo (U) en el ARN, no con timina.

4.3. La enzima clave: ARN polimerasa

La enzima que cataliza la transcripción es la ARN polimerasa. Sus funciones son:

• Reconocer el punto de inicio del gen en el ADN.
• Separar localmente las dos cadenas de ADN.
• Sintetizar la cadena de ARN complementaria al molde, añadiendo ribonucleótidos en dirección $5' \rightarrow 3'$.

A diferencia de la ADN polimerasa, la ARN polimerasa no necesita cebador: puede comenzar la síntesis desde cero.

4.4. Etapas de la transcripción

El proceso de transcripción se divide en tres etapas:

a) Iniciación

La ARN polimerasa se une a una región del ADN llamada promotor, que está ubicada "antes" del gen (hacia el extremo 5' de la cadena molde, o "corriente arriba"). El promotor contiene secuencias específicas que le indican a la ARN polimerasa dónde debe comenzar. En eucariotas intervienen además factores de transcripción que ayudan a la ARN polimerasa a reconocer el promotor.

Al unirse, la ARN polimerasa separa localmente las dos cadenas del ADN, formando una "burbuja de transcripción".

b) Elongación

La ARN polimerasa recorre la cadena molde de ADN en dirección $3' \rightarrow 5'$ y va añadiendo ribonucleótidos complementarios al extremo 3' de la cadena de ARN en crecimiento. Por lo tanto, la cadena de ARN se sintetiza en dirección $5' \rightarrow 3'$.

La regla de complementariedad es:

• Si en el ADN molde hay adenina (A), se incorpora uracilo (U) en el ARN.
• Si hay timina (T), se incorpora adenina (A).
• Si hay guanina (G), se incorpora citosina (C).
• Si hay citosina (C), se incorpora guanina (G).

Solo una de las dos cadenas de ADN se transcribe: la cadena molde. La otra cadena, con la misma secuencia del ARN (excepto por T en lugar de U), se denomina cadena codificante o informativa.

c) Terminación

La ARN polimerasa continúa hasta encontrar una secuencia de terminación. En ese punto, la enzima se desprende del ADN y libera el ARN recién sintetizado. En eucariotas, el transcrito inicial se denomina ARN precursor (pre-ARNm) y debe sufrir modificaciones antes de salir al citoplasma.

4.5. Modificaciones postranscripcionales en eucariotas

En las células eucariotas, el ARN mensajero sufre tres modificaciones principales después de la transcripción, dentro del núcleo:

1. Adición de caperuza (cap) en el extremo 5'. Es un nucleótido de guanina modificado que protege al ARNm de la degradación y facilita su unión al ribosoma.
2. Adición de cola poli-A en el extremo 3'. Consiste en una secuencia de adeninas (unos 200 nucleótidos) que también protege y estabiliza al ARNm.
3. Maduración por corte y empalme (splicing). Los genes eucariotas contienen segmentos no codificantes llamados intrones y segmentos codificantes llamados exones. Durante la maduración, los intrones se eliminan y los exones se empalman entre sí, formando el ARNm maduro.

Este procesamiento ocurre antes de que el ARNm salga del núcleo a través de los poros nucleares. Recuerda que en el tema anterior vimos que el núcleo se comunica con el citoplasma mediante los poros nucleares; ahora vemos que por esos poros salen las moléculas de ARN producidas por la transcripción.

Es importante saber diferenciar ambos procesos, pues las preguntas de admisión suelen evaluar la distinción.