Del ADN a la proteína: replicación, transcripción y traducción

Del ADN a la proteína: replicación, transcripción y traducción

La secuencia de bases de una molécula de ADN contiene las instrucciones que una célula necesita para mantenerse viva. De esa secuencia salen las proteínas que sostienen el metabolismo, la forma de la célula y su capacidad de dividirse.

Pasar de la secuencia a la proteína exige tres operaciones distintas, cada una con su molde y su enzima principal. Se llaman replicación, transcripción y traducción.

Este artículo las explica en el orden en que ocurren y señala qué se pregunta de cada una. Al final hay dos ejercicios resueltos con la cuenta a la vista.

Conviene estudiar el conjunto y no las piezas sueltas. Muchas preguntas de examen describen un hecho breve y piden decidir a cuál de los tres procesos pertenece.

El dogma central: un solo sentido y tres procesos

La biología molecular resume el flujo de la información genética en una cadena de tres pasos. El ADN se copia a sí mismo, el ADN sirve de molde para fabricar ARN y el ARN dirige el orden de los aminoácidos.

Ese resumen recibe el nombre de dogma central. No describe una sustancia que viaje de un lugar a otro, sino una serie de transferencias de información.

La replicación ocurre antes de cada división celular y duplica el genoma completo. Su producto son dos moléculas de ADN equivalentes a la original.

La transcripción trabaja gen por gen y produce una copia de ARN. La copia que lleva el mensaje de la proteína se llama ARN mensajero.

La traducción convierte ese mensaje en una cadena de aminoácidos. Ocurre en los ribosomas y no necesita leer el ADN: le basta con el ARN mensajero.

El orden importa porque cada paso depende del anterior. Sin replicación no hay genoma que heredar, sin transcripción no hay mensajero y sin traducción no hay enzima que ejecute el trabajo.

Hay una diferencia de lugar entre las células con núcleo y las que no lo tienen. En las eucariotas la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma; en las procariotas ambos procesos comparten el mismo espacio.

Los tres nombres se parecen y por eso se confunden. Una forma de separarlos es pensar en el tipo de molécula que aparece al final de cada uno: ADN, ARN o proteína.

La tabla siguiente fija lo que se lee y lo que queda en cada proceso.

La replicación copia el genoma completo

Antes de repartir su material genético entre dos células hijas, la célula debe duplicarlo. Ese trabajo lo hace la replicación, que toma una doble hélice y termina con dos.

Durante medio siglo se discutió cómo se repartía el material original entre las copias. Se propusieron tres modelos y cada uno predecía un resultado distinto.

El modelo conservador sostenía que la molécula vieja quedaba intacta y que las dos hebras nuevas formaban una molécula aparte. El dispersivo imaginaba un mosaico, con trozos viejos y nuevos mezclados en cada hebra.

El modelo semiconservador proponía algo intermedio: separar las dos hebras y construir una nueva frente a cada una. Cada molécula hija conservaría entonces una hebra de la original y una recién fabricada.

El experimento de Meselson y Stahl decidió la cuestión. Cultivaron Escherichia coli con nitrógeno pesado, cambiaron las bacterias a nitrógeno ligero y siguieron el peso del ADN con centrifugación en gradiente de densidad.

Si el reparto fuera conservador, aparecerían dos bandas separadas desde la primera generación. Lo que se observó fue una banda intermedia, que solo encaja con una hebra vieja y una nueva en cada molécula.

De ahí el nombre del proceso: replicación semiconservativa. La mitad de cada producto es material heredado y la otra mitad es material recién sintetizado.

Las dos moléculas resultantes son idénticas entre sí y también lo son respecto de la molécula madre. La fidelidad depende del emparejamiento entre bases: la adenina con la timina y la guanina con la citosina.

Un error que se queda en el ADN se transmite a todas las células que salgan de esa línea. Por eso la replicación es el punto donde nacen las mutaciones hereditarias.

Cada ciclo celular copia el genoma una sola vez. Si la célula volviera a copiarlo sin dividirse, el número de juegos de cromosomas dejaría de cuadrar con el de la célula madre.

La horquilla de replicación y su maquinaria

La doble hélice tiene que abrirse para que alguien lea su interior. Ese trabajo empieza en secuencias llamadas orígenes de replicación, donde se forma una burbuja que crece en los dos sentidos.

La helicasa rompe los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las bases de ambas hebras. Al avanzar deja dos estructuras en forma de Y, que son las horquillas de replicación.

Abrir una hélice enrollada genera tensión delante de la horquilla. La topoisomerasa corta y vuelve a sellar la cadena para que ese enrollamiento no la detenga.

Las hebras separadas tienden a volver a juntarse. Varias proteínas se adhieren a ellas y las mantienen extendidas mientras la maquinaria trabaja.

Ninguna ADN polimerasa puede iniciar una cadena desde cero. Por eso la primasa fabrica primero un cebador corto de ARN, que deja un extremo 3′ libre al que se puede añadir el primer nucleótido.

La ADN polimerasa III alarga la cadena en la dirección 5′ a 3′. En las bacterias avanza a unos 1.000 nucleótidos por segundo, una velocidad que obliga a corregir errores sobre la marcha.

Esa regla de dirección explica por qué las dos hebras no se copian igual. La hebra conductora sigue a la horquilla y se sintetiza de corrido.

La hebra rezagada queda mirando en sentido contrario. Se copia a trozos cortos, los fragmentos de Okazaki, y cada trozo necesita su propio cebador.

Entre un fragmento y el siguiente quedan huecos y cebadores de ARN. La ADN ligasa sella esos huecos con un enlace fosfodiéster y deja una cadena continua.

Cuando el examen menciona fragmentos discontinuos y la enzima que los une, la respuesta reúne dos nombres. Son los fragmentos de Okazaki y la ADN ligasa, y aparecen en la hebra rezagada.

En un cromosoma largo no hay una sola horquilla. Se abren varios orígenes a la vez y cada burbuja avanza hacia ambos lados, de modo que la copia completa tarda menos.

Transcripción: cómo se copia un gen en ARN

La célula no necesita copiar todo su genoma cada vez que quiere una proteína. Le basta con transcribir el gen correspondiente, y eso es exactamente lo que hace la transcripción.

El proceso tiene tres etapas: inicio, alargamiento y terminación. En el inicio, la ARN polimerasa se coloca sobre una región del ADN llamada promotor.

Durante el alargamiento, la polimerasa recorre el gen y va añadiendo ribonucleótidos frente a la cadena molde. La cadena nueva crece en sentido 5′ a 3′ y queda antiparalela respecto del molde.

De las dos hebras del gen, solo una sirve de molde en cada caso. La otra se llama cadena no molde y su secuencia coincide con la del ARN, salvo por un detalle.

El ARN no contiene timina. En su lugar aparece el uracilo, que se aparea con la adenina del molde igual que lo haría la timina.

Las reglas de apareamiento se leen así: la adenina del molde pide uracilo, la timina pide adenina, la citosina pide guanina y la guanina pide citosina. Con esas cuatro reglas se resuelve cualquier ejercicio de transcripción.

En la terminación, la polimerasa se separa del ADN y libera el ARN. En las células con núcleo, ese ARN debe madurar y salir al citoplasma antes de que se traduzca.

La transcripción ocurre en cualquier célula que fabrique proteínas, sea vegetal, animal o bacteriana. Cambian las señales que la regulan, pero no la lógica del apareamiento entre bases.

El promotor no solo marca el comienzo: también decide en qué células y en qué momento se lee ese gen. Dos células con el mismo genoma pueden transcribir genes distintos porque usan promotores distintos.

Traducción: del codón al aminoácido

La traducción es la etapa en que el mensaje del ARN se convierte en una cadena de aminoácidos. Su escenario es el ribosoma, un complejo formado por ARN ribosomal y proteínas.

El ribosoma se desplaza por el ARN mensajero y lee sus bases en grupos de tres. Cada grupo de tres nucleótidos es un codón, y cada codón indica un aminoácido o una señal de parada.

El código genético completo tiene 64 codones. De ellos, 61 especifican alguno de los 20 aminoácidos habituales y los 3 restantes funcionan como señales de detención.

La mayoría de los aminoácidos está codificada por más de un codón. Esa redundancia protege a la proteína de muchos cambios puntuales, porque un triplete distinto puede pedir el mismo aminoácido.

El codón AUG cumple una doble función. Codifica metionina y además marca el inicio de la lectura, de modo que fija el marco en el que se leerán los tripletes siguientes.

Las tres señales de parada son UAG, UGA y UAA. Ninguna codifica un aminoácido: solo indican el final y permiten que el polipéptido se suelte.

El encargado de llevar el aminoácido correcto es el ARN de transferencia. En un extremo lleva el anticodón, un triplete complementario del codón que está leyendo el ribosoma.

El emparejamiento entre codón y anticodón es lo que garantiza el orden de la cadena. Si el apareamiento falla, se inserta un aminoácido equivocado y la proteína puede perder su función.

La tabla reúne algunos tripletes con su significado y con el anticodón que les corresponde.

Cada aminoácido añadido cuesta energía, y la célula no fabrica proteínas que no necesita. Por eso la traducción se regula con cuidado y depende de señales que llegan desde el resto del metabolismo.

Un mismo ARN mensajero puede ser leído por varios ribosomas a la vez. Así se obtienen muchas copias de la proteína sin necesidad de transcribir el gen otras tantas veces.

Dos ejercicios resueltos paso a paso

Los dos ejercicios siguientes aparecen con frecuencia en la prueba. El primero cuenta hebras después de varias divisiones y el segundo pasa de un molde de ADN a la secuencia del ARN mensajero.

Cómo se pregunta esto en el examen

Las preguntas de este tema suelen traer un caso corto y pedir una consecuencia. A veces piden identificar el proceso, a veces la enzima y a veces el producto.

Antes de elegir la opción, identificá qué se está copiando y con qué molde. Ese dato basta para descartar casi siempre dos alternativas.

Cuando el enunciado nombra una enzima, preguntate en qué proceso actúa y sobre qué cadena. La helicasa abre, la polimerasa alarga, la ligasa sella y el ribosoma lee.

Si el caso menciona una secuencia, escribila primero y trabajá con los tripletes separados. La mayoría de los errores de cálculo desaparece cuando las bases están agrupadas de tres en tres.

Estos pasos ordenan la respuesta en cualquiera de los tres procesos:

• Subrayá el verbo del enunciado y el proceso que menciona.
• Decidí si se habla de ADN, de ARN o de proteína.
• Ubicá la enzima o la estructura que aparece en el caso.
• Separa las secuencias en tripletes antes de emparejar bases.
• Comprobá que el producto final coincida con el proceso descrito.
• Revisá la dirección 5′ a 3′ antes de escribir la respuesta.

Conclusión

La replicación, la transcripción y la traducción son tres pasos encadenados que conectan el genoma con el trabajo de la célula. Cada uno tiene su molde, su enzima principal y su producto.

La replicación es semiconservativa y deja una hebra original en cada molécula hija. En la hebra rezagada aparecen los fragmentos de Okazaki, que la ADN ligasa termina de unir.

La transcripción usa una sola hebra del gen como molde y produce ARN mensajero, con uracilo en lugar de timina. La traducción lee esos codones en el ribosoma y el ARN de transferencia aporta cada aminoácido.

El código genético tiene 64 tripletes: 61 codifican aminoácidos y 3 señalan el final. Con esas reglas y dos cuentas sencillas se resuelve la mayor parte de las preguntas del tema.

Repasá el orden de los procesos y el producto de cada uno antes de entrar al examen. Ese esquema general sirve de mapa cuando el enunciado describe un caso que no reconocés de inmediato.