Dogma central de la biología molecular: ADN – Transcripción – Traducción – Proteína

Estamos muy contentos de presentar al nuevo colaborador de Cuentos Cuánticos, Adrián Castillo (@Yakandu), que nos llevará por los terrenos de la biología molecular. Este blog está dejando de ser un campo exclusivo de la física, dejó de serlo hace mucho tiempo, y está empezando a crecer como un sitio de encuentro para divulgadores de la ciencia en general y campos relacionados. Muchas gracias por participar en Cuentos y bienvenido.

Como nueva incorporación al equipo, primero muchas gracias a @Cuent_Cuanticos por esta oportunidad, y segundo, me presentaré brevemente; graduado en ‘Bioquimica y Biología Molecular’ y cursando un master en ‘Biología molecular y Biomedicina’, soy alumno interno pre doctoral (si las becas lo permiten) en el laboratorio de Fisiología de la Facultad de Medicina de la UPV/EHU estudiando el efecto de los ROS (Especies Reactivas del Oxígeno) sobre el metabolismo celular canceroso. Soy un aficionado de, entre otras cosas, contagiar mi pasión y ‘conocimiento’ de todo tipo de contenido científico a todo el que esté dispuesto a escucharme y espero poder hacer comprender a todo el mundo temas como ADN, ARN, rutas metabólicas, proteínas, etc.

Ni de lejos soy tan experto en mi campo como lo seréis seguramente vosotros en el vuestro ya que solo tengo la experiencia del aprendizaje universitario, así que espero que disfrutéis del primero de, espero, unos cuantos post de temática biocientifica. Son bienvenidas sugerencias, preguntas y, por supuesto, correcciones, ya que todo este contenido sale de mi cabeza. Y perdonad las más que probables faltas de ortografía.

Este y un par de futuros post pretendo que sean una introducción a las biociencias, para que se entiendan mejor ciertos conceptos que no están tan claros como nos puede parecer, como por ejemplo que es una proteína y como funciona, que es un gen, cómo se expresa, cuáles y qué funciones tienen los compartimentos celulares y más tarde nos dedicaremos a temas más complicados.

Para empezar daremos la definición genérica de ADN, la que podemos encontrar en cualquier texto de biología:

El ADN, como tal, es un polímero de 4 monómeros básicos que tras ser leído y transcrito a un polímero mensajero intermedio “ARN” sale del núcleo y es traducido a un polímero de aminoácidos, también conocido como proteína que se pliega y ejerce su labor.

El ADN

El ácido desoxirribonucleico o ADN es un polímero de unas moléculas llamadas nucleótidos, estos nucleótidos son: Adenina, Timina, Citosina y Guanina.  Estos están unidos a un esqueleto de desoxirribosa (un tipo de «azucar») y unidos entre sí por un grupo fosfato en una larga cadena, a la cual, para darle mas estabilidad, se le une otra complementaria, siguiendo las uniones (A-T, G-C), mediante puentes de hidrogeno (enlaces no muy fuertes).

El total de pares de bases de una célula humana es de unos 6.400 millones (varía «mucho» entre organismos, incluso de células del mismo organismo), repartidos en 46 cromosomas, teniendo en cuenta que una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstroms (2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo, la longitud del cromosoma 1 con unos 220 millones de pares de bases mediría unos 16 cm y el total del ADN unos 2,18 m, obviamente esto no cabe en un núcleo de 6 µm, y por eso el ADN se empaqueta en diferentes niveles. Imaginemos un .zip dentro de un .rar dentro de un .cab dentro de un…

Como vemos en la imagen, el doble polímero se enrolla formando la famosa doble hebra, esta se enrolla sobre grupos las histonas, un octámero (ocho constituyentes) cilíndrico de proteínas al que el ADN se une dando dos vueltas, este ‘yoyo’ se une a otros tres ‘yoyos’ formando nucleosomas en cadena, que se enrollan entre sí cual cables de auriculares en un bolsillo para dar los cromosomas, mucho mas compactos y manejables durante la división celular donde la membrana nuclear ha desaparecido y no interesa tener cadenas de ADN dando latigazos por todas partes.

Puede parecer que 3.000 millones de nucleótidos pueden dar lugar a muchos genes, pero en realidad no tenemos más de 30.000 (1,5% del ADN), esto se debe a que gracias a la evolución el 98,5% del ADN no son genes. Claro, un gen solo es una parte del ADN que codifica para una proteína, y en el ADN hay muy diversos tipos de regiones que regulan muchas funciones, alrededor del 8,5%.

La Transcripción

Una vez explicado que es el ADN pasemos al proceso de ‘fabricación’ o expresión de una proteína, comencemos por la transcripción, pero antes he de aclarar que el ADN tiene un sentido de lectura, que técnicamente se denomina «de 5’ a 3’ » (se lee de ‘cinco prima a tres prima’), 5’ siendo el inicio del gen y 3’ el final (Porque el primer aminoácido tiene libre su carbono 5 y el último su carbono 3, según la notación habitual de los carbonos del anillo de desoxirribosa).

El sentido 5′-3′ indica la posición de los átomos de carbono en el anillo de la desoxirribosa tal y como se indica en la figura.

Otra molécula fundamental en el control y expresión genética es el ARN. Este se compone, no de A-C G-T (ADN), sino de A-C G-U, la U viene de Uracilo. Como veremos cuando toquemos el tema con más profundidad, hay más de un tipo de ARN. En esta entrada nos centraremos en los mensajeros (ARNm) que son aquellos que codifican proteínas, el proceso que aquí vamos a ver sirve para la síntesis de cualquier tipo de ARN, la diferencia es el destino o la función final del del mismo tras su síntesis.

• Antes del inicio de la transcripción se necesita toda una serie de los llamados, factores de transcripción. Estos son unas proteínas que se anclan a secuencias específicas del ADN llamados promotores, las secuencias más conocidas (por repetitivas) son las TATA y las TTGACA, cercanas al inicio 5’ del gen.
• Al inicio de la transcripción una proteína llamada ‘helicasa’ se encarga de separar las dos hebras de ADN empezando por estas cajas TATA (La unión A/T es mas débil que la G/C). A esta hebra abierta se unen aún más factores de transcripción, dando lugar a un complejo extremadamente grande y pesado con el único objetivo de localizar, señalar y abrir la doble hebra para que el complejo proteico ‘ARN polimerasa’ comience su trabajo.
• La ARN polimerasa lee el primer nucleótido del gen (en la hebra de ADN) y le une el ribonucleótido complementario (para formar el ARN), lo mismo hace con el segundo, etc. Tras el inicio de la transcripción la ARN polimerasa se suelta del complejo del promotor, este se disgrega para dejar paso a futuras transcripciones y la ARN polimerasa comienza entonces a elongar la hebra de ARN.
• La elongación termina de dos formas, o encontrándose con una región rica en G/C, o encontrándose con un complejo ‘rho’ indicador del fin de la transcripción. Este último es un sitio donde se suelen unir unas proteínas específicas que determinan el fin del proceso de transcripción.

Tras todo este proceso aún no tenemos un ARN maduro. Como mencionamos antes, incluso dentro de una secuencia de un gen hay secuencias no codificantes (no continene información acerca de la estructura de una proteína), estas secuencias se llaman exones, y a las regiones codificantes intrones. Para que un ARN esté finalmente maduro han de eliminarse estos exones. De forma paralela a este proceso puede darse un reordenamiento de los intrones, incluso eliminar algunos. Este mecanismo es extremadamente útil, por ejemplo, los genes que codifican para los anticuerpos tienen miles combinaciones, así en un solo gen (eso si, enorme) tienen guardada la información potencial para generar todos los anticuerpos que podamos necesitar a lo largo de nuestra vida específicos para los distintos antígenos a los que podamos estar expuestos.

Complementando todo este proceso, el ARNm sufre una adición de una cadena de adeninas (PoliA) y una caperuza que actúan como protectores y señalizadores para los posteriores procesos que sufre nuestra molécula.

Una vez generado el ARN se le coloca una cola de secuencia AAAAAAA, de nominada «cola poli-A».

La Traducción

Una vez que tenemos el ARNm estamos en disposición de construir una proteína. Antes de empezar, hemos de explicar varios conceptos.

Ribosoma

Un Ribosoma es, en definitiva, un macro-complejo de ARNribosomal (ARNr) y proteínas dividido en dos subunidades, la subunidad grande tiene 3 tipos de ARNr y 49 proteínas formando una estructura compacta y la subunidad pequeña una sola molécula de ARNr y 33 proteínas. Estos ribosomas pueden encontrarse dispersos en el citoplasma o asociado al retículo (un orgánulo del que ya hablaré).

ARNt = ARN de transferencia

El ARN de transferencia (ARNt) es una cadena de ARN con una conformación especial que en un extremo reconoce tripletes de ribonucleotidos (codones) y en el otro lleva adherido un aminoácido.

El ARNt lleva en un extremo un aminoácido. Además tiene tres ribonucleótidos que reconocen la secuencia complementaria de tres ribonucleótidos (que se denomina codón) en el ARNm. Esto quiere decir que a cada codón (generalmente) le corresponde un aminoácido.

1. Al inicio de la traducción, las subunidades pequeña y luego la grande del ribosoma reconocen y se unen al ARNm en busca de un triplete (AUG) en el extremo 3’, este triplete indica el comienzo de la lectura de la hebra. Posteriormente, el ARNt correspondiente reconoce esta secuencia, se une, y la cadena de ARNm se desplaza 3 nucleótidos hacia 5’ sobre el ribosoma.
2. Un segundo ARNt reconocerá el siguiente codón y unirá su aminoácido correspondiente al aminoácido anterior, en este caso metionina (en otra ocasión hablaremos del código genético y de cómo tres bases del ADN/ARN codifican la información para un aminoácido).
3. El ARNt del primer codón ahora suelta la metionina que se ha unido al segundo aminoácido, se expulsa, la cadena se desplaza otros 3 nucleótidos hacia 5’ y se une un tercer ARNt.
4. Siguiendo este proceso a lo largo de todo el ARNm el ribosoma acaba por encontrarse con un codón que no es reconocido por ningún ARNt, esto causa el desmantelamiento del complejo y el final de la traducción.

Aunque ya tenemos el polímero de aminoácidos, el proceso de creación de una proteína funcional no acaba aquí. La secuencia lineal de aminoácidos es solo importante en parte, ya que este polímero tiende a plegarse en base al carácter hidrófobo o hidrófilo (pedestremente, la tendencia que tiene a atraer o repeler moléculas de agua) de los aminoácidos que lo componen dependiendo del medio en el que se encuentren. La estructura tridimensional de una proteína es determinante para su estabilidad y funcionalidad dentro de los procesos metabólicos o estructurales de los que forma parte.  Este punto será un tema a tratar en futuros post ya que es de extrema importancia para la célula.  Podemos adelantar que del mal plegamiento de las proteínas surgen enfermedades como el mal de las vacas locas, Alzheimer, Creutzfeldt-Jakob, etc.