ADN(ácido desoxirribonucleico) es el material genético de toda la vida conocida, desde la bacteria unicelular más simple hasta el elefante de cinco toneladas más magnífico de la llanura africana. "Material genético" se refiere a las moléculas que contienen dos conjuntos importantes de instrucciones: uno para haciendo proteínas para las necesidades actuales de la célula, y el otro para haciendo copias de ellos mismos, o replicar, de modo que el mismo código genético pueda ser utilizado por generaciones futuras de células.
Mantener la célula viva el tiempo suficiente para reproducirse requiere una gran cantidad de estos productos proteicos, que el ADN ordena a través del ARNm (ácido ribonucleico mensajero) que crea como enviado a los ribosomas, donde las proteínas se sintetizan realmente.
La codificación de información genética por el ADN en ARN mensajero se denomina transcripción, mientras que la producción de proteínas sobre la base de las direcciones del ARNm se llama traducción.
La traducción implica el montaje de
proteinas a través de enlaces peptídicos para formar largas cadenas de aminoácidos o los monómeros en este esquema. Existen 20 aminoácidos diferentes y el cuerpo humano necesita algunos de cada uno de ellos para sobrevivir.La síntesis de proteínas en la traducción implica una reunión coordinada de ARNm, complejos aminoacil-ARNt y un par de subunidades ribosómicas, entre otros actores.
Ácidos nucleicos: una descripción general
Los ácidos nucleicos consisten en subunidades repetidas, o monómeros, llamados nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres componentes distintos propios: un ribosa azúcar (cinco carbonos), uno a tres grupos fosfato y un base nitrogenada.
Cada ácido nucleico tiene uno de cuatro posibles bases en cada nucleótido, dos de los cuales son purinas y dos de los cuales son pirimidinas. Las diferencias en las bases entre los nucleótidos es lo que da a los diferentes nucleótidos su carácter esencial.
Los nucleótidos pueden existir fuera de los ácidos nucleicos y, de hecho, algunos de estos nucleótidos son fundamentales para todo el metabolismo. Los nucleótidos difosfato de adenosina (ADP) y trifosfato de adenosina (ATP) están en el corazón de las ecuaciones en las que la energía para uso celular se extrae de los enlaces químicos de los nutrientes.
Los nucleótidos en ácidos nucleicos, sin embargo, tienen solo un fosfato, que se comparte con el siguiente nucleótido en la cadena de ácido nucleico.
Diferencias básicas entre ADN y ARN
A nivel molecular, el ADN se diferencia del ARN de dos formas. Uno es que el azúcar en el ADN es desoxirribosa, mientras que en el ARN es ribosa (de ahí sus respectivos nombres). La desoxirribosa se diferencia de la ribosa en que, en lugar de tener un grupo hidroxilo (-OH) en la posición del carbono número 2, tiene un átomo de hidrógeno (-H). Por tanto, la desoxirribosa es un átomo de oxígeno menos que la ribosa, de ahí "desoxi".
La segunda diferencia estructural entre los ácidos nucleicos radica en la composición de sus bases nitrogenadas. Tanto el ADN como el ARN contienen las dos bases purínicas, adenina (A) y guanina (G), así como la base pirimidina citosina (C). Pero mientras que la segunda base de pirimidina en el ADN es la timina (T) en el ARN, esta base es el uracilo (U).
Da la casualidad de que en los ácidos nucleicos, A se une solo a T (o U, si la molécula es ARN), y C se une solo a G. Este específico y único maridaje de bases complementarias Se requiere una disposición para la transmisión adecuada de información de ADN a información de ARNm en la transcripción y de información de ARNm a información de ARNt durante la traducción.
Otras diferencias entre ADN y ARN
A un nivel más macro, el ADN es bicatenario mientras que el ARN es monocatenario. Específicamente, el ADN toma la forma de una doble hélice, que es como una escalera retorcida en diferentes direcciones en ambos extremos.
Las hebras están unidas en cada nucleótido por sus respectivas bases nitrogenadas. Esto significa que un nucleótido que lleva "A" sólo puede tener un nucleótido que lleva "T" en su nucleótido "asociado". Esto significa que, en resumen, las dos cadenas de ADN son complementario el uno al otro.
Las moléculas de ADN pueden ser miles de bases (o más propiamente, pares de bases) largo. De hecho, un humano cromosoma no es más que una sola hebra muy larga de ADN junto con una gran cantidad de proteína. Las moléculas de ARN de todos los tipos, por otro lado, tienden a ser comparativamente pequeñas.
Además, el ADN se encuentra principalmente en los núcleos de los eucariotas, pero también en las mitocondrias y los cloroplastos. La mayor parte del ARN, por otro lado, se encuentra en el núcleo y el citoplasma. Además, como verá pronto, el ARN se presenta en varios tipos.
Tipos de ARN
El ARN se presenta en tres tipos principales. El primero es ARNm, que se elabora a partir de una plantilla de ADN durante la transcripción en el núcleo. Una vez completa, la hebra de ARNm sale del núcleo a través de un poro en la envoltura nuclear y termina dirigiendo el espectáculo hacia el ribosoma, el sitio de traducción de proteínas.
El segundo tipo de ARN es transferir ARN (ARNt). Esta es una molécula de ácido nucleico más pequeña y viene en 20 subtipos, uno para cada aminoácido. Su propósito es transportar su aminoácido "asignado" al sitio de traducción en el ribosoma para que pueda agregarse a la cadena del polipéptido en crecimiento (proteína pequeña, a menudo en progreso).
El tercer tipo de ARN es ARN ribosómico (ARNr). Este tipo de ARN constituye una fracción significativa de la masa de los ribosomas con proteínas específicas de los ribosomas que constituyen el resto de la masa.
Antes de la traducción: creación de una plantilla de ARNm
El tan citado "dogma central" de la biología molecular es ADN a ARN a proteína. Expresado de manera aún más sucinta, podría decirse transcripción a traducción. Transcripción es el primer paso definitivo hacia la síntesis de proteínas y es una de las necesidades continuas de cualquier célula.
Este proceso comienza con el desenrollado de la molécula de ADN en hebras simples para que las enzimas y nucleótidos que participan en la transcripción tengan espacio para moverse a la escena.
Luego, a lo largo de una de las cadenas de ADN, se ensambla una cadena de ARNm con la ayuda de la enzima ARN polimerasa. Esta hebra de ARNm tiene una secuencia de bases complementaria a la de la hebra molde, salvo por el hecho de que U aparece dondequiera que aparezca T en el ADN.
- Por ejemplo, si la secuencia de ADN que se transcribe es ATTCGCGGTATGTC, entonces la hebra de ARNm resultante presentaría la secuencia UAAGCGCCAUACAG.
Cuando se sintetiza una hebra de ARNm, ciertas longitudes de ADN, llamadas intrones, eventualmente se cortan fuera de la secuencia de ARNm porque no codifican ningún producto proteico. Solo las porciones de la cadena de ADN que realmente codifican algo, llamadas exones, contribuyen a la molécula de ARNm final.
Qué implica la traducción
Se necesitan varias estructuras en el sitio de síntesis de proteínas para una traducción exitosa.
El ribosoma: Cada ribosoma está formado por una subunidad ribosómica pequeña y una subunidad ribosómica grande. Estos solo existen como un par una vez que comienza la traducción. Contienen una gran cantidad de ARNr y proteínas. Estos son uno de los pocos componentes celulares que existen tanto en procariotas como en eucariotas.
ARNm: Esta molécula lleva instrucciones directas del ADN de la célula para fabricar una proteína específica. Si se puede pensar en el ADN como el modelo de todo el organismo, una hebra de ARNm contiene la información suficiente para hacer un componente decisivo de ese organismo.
ARNt: Este ácido nucleico forma enlaces con aminoácidos uno a uno para formar lo que se denominan complejos aminoacil-tRNA. Esto solo significa que el taxi (el tRNA) actualmente transporta a su único y previsto tipo de pasajero (el aminoácido específico) de entre los 20 "tipos" de personas en las cercanías.
Aminoácidos: Estos son pequeños ácidos con un amino (-NH2), un grupo de ácido carboxílico (-COOH) y una cadena lateral unida a un átomo de carbono central junto con un átomo de hidrógeno. Es importante destacar que los códigos para cada uno de los 20 aminoácidos se transportan en grupos de tres bases de ARNm llamadas codones triplete.
¿Cómo funciona la traducción?
Traducción se basa en un código triplete relativamente simple. Considere que cualquier grupo de tres bases consecutivas puede incluir una de las 64 combinaciones posibles (por ejemplo, AAG, CGU, etc.), porque cuatro elevado a la tercera potencia es 64.
Esto significa que hay combinaciones más que suficientes para generar 20 aminoácidos. De hecho, sería posible que más de un codón codificara el mismo aminoácido.
Este es, de hecho, el caso. Algunos aminoácidos se sintetizan a partir de más de un codón. Por ejemplo, la leucina está asociada con seis secuencias de codones distintas. El código del triplete es este "degenerado".
Sin embargo, es importante destacar que no redundante. Eso es el mismo codón de ARNm no puedo código para más de uno aminoácidos.
Mecánica de la traducción
El sitio físico de traducción en todos los organismos es el ribosoma. Algunas porciones del ribosoma también tienen propiedades enzimáticas.
La traducción en procariotas comienza con iniciación a través de una señal de factor de iniciación de un codón llamado apropiadamente codón START. Esto está ausente en eucariotas y, en cambio, el primer aminoácido seleccionado es la metionina, codificada por AUG, que funciona como una especie de codón START.
A medida que cada tira adicional de tres segmentos de ARNm se expone en la superficie del ribosoma, un ARNt que lleva el aminoácido solicitado entra en escena y deja a su pasajero. Este sitio de unión se denomina sitio "A" del ribosoma.
Esta interacción ocurre a nivel molecular porque estas moléculas de ARNt tienen secuencias de bases complementarias al ARNm entrante y, por lo tanto, se unen fácilmente al ARNm.
Construyendo la cadena de polipéptidos
En el alargamiento fase de traducción, el ribosoma se mueve por tres bases, un proceso llamado traducción. Esto expone el sitio "A" de nuevo y conduce a que el polipéptido, sea cual sea su longitud en este experimento mental, sea desplazado al sitio "P".
Cuando un nuevo complejo aminoacil-tRNA llega al sitio "A", la cadena polipeptídica completa se elimina de el sitio "P" y unido al aminoácido que acaba de ser depositado en el sitio "A", a través de un péptido vínculo. Por tanto, cuando vuelva a producirse la translocación del ribosoma por la "pista" de la molécula de ARNm, se habrá completado un ciclo y la cadena polipeptídica en crecimiento será ahora un aminoácido más larga.
En el terminación fase, el ribosoma encuentra uno de los tres codones de terminación, o codones STOP, que se incorporan en el ARNm (UAG, UGA y UAA). Esto no hace que el tRNA, sino sustancias llamadas factores de liberación, se acumulen en el sitio, y esto conduce a la liberación de la cadena polipeptídica. Los ribosomas se separan en sus subunidades constituyentes y se completa la traducción.
Qué sucede después de la traducción
El proceso de traducción crea una cadena polipeptídica que aún debe modificarse antes de que pueda funcionar correctamente como una nueva proteína. La estructura primaria de un proteína, su secuencia de aminoácidos, representa solo una pequeña parte de su función eventual.
La proteína se modifica después de la traducción doblándola en formas específicas, un proceso que ocurre a menudo espontáneamente debido a interacciones electrostáticas entre aminoácidos en puntos no vecinos a lo largo del cadena polipeptídica.
Cómo afectan las mutaciones genéticas a la traducción
Los ribosomas son excelentes trabajadores, pero no son ingenieros de control de calidad. Solo pueden crear proteínas a partir de la plantilla de ARNm que se les proporciona. No pueden detectar errores en esa plantilla. Por lo tanto, los errores de traducción serían inevitables incluso en un mundo de ribosomas que funcionan perfectamente.
Mutaciones que cambian un solo aminoácido pueden alterar la función de las proteínas, como la mutación que causa la anemia de células falciformes. Las mutaciones que agregan o eliminan un par de bases pueden desechar todo el código del triplete, de modo que la mayoría o todos los aminoácidos subsiguientes también serán incorrectos.
Las mutaciones podrían crear un codón STOP temprano, lo que significa que solo se sintetiza una parte de la proteína. Todas estas condiciones pueden ser debilitantes en varios grados, y tratar de vencer errores innatos como estos representa un desafío continuo y complejo para los investigadores médicos.