Replicación, transcripción y traducción del ADN

El ADN

Biología molecular de la celula

Traducción

Funciones y estructural

Organización del ADN en la célula

Transcripción

Replicación

Ciclo celular

INTERFASE

La interfase es la etapa del ciclo celular en la que la célula se prepara para dividirse y duplica sus cromosomas. La interfase es la fase más larga del ciclo celular y está compuesta por tres subfases:

• Fase G1: La célula crece y se prepara para replicar su ADN. En esta fase, la célula sintetiza ARNm y proteínas.
• Fase S: La célula replica su ADN.
• Fase G2: La célula crece más, fabrica proteína y organelos, y se prepara para la división celular.

Una vez que la célula termina la interfase, entra en la mitosis, donde se separa su ADN en dos grupos y divide su citoplasma para formar dos nuevas células.

FASE G1

1. Crecimiento celular:

• La célula aumenta de tamaño, duplicando su volumen citoplasmático.
• Se sintetizan orgánulos adicionales, como mitocondrias y ribosomas, necesarios para las futuras células hijas.
• Se incorporan nutrientes y agua, esenciales para el metabolismo y la expansión celular.

2. Síntesis de proteínas:

• Se producen proteínas específicas necesarias para la replicación del ADN en la fase S.
• Estas incluyen enzimas como la ADN polimerasa , que será clave en la síntesis del ADN.

3. Metabolismo celular:

• La célula lleva a cabo sus funciones energéticas normales, como el metabolismo y la síntesis de lípidos y carbohidratos.
• En células especializadas, realizan actividades específicas, como la producción de hormonas o neurotransmisores.

4. Duplicación de organulos:

• Algunos orgánulos, como las mitocondrias y los cloroplastos (en células vegetales), comienzan a dividirse para que haya suficientes en las células hijas tras la división.

FASE S

1. Replicación del ADN:

• Cada molécula de ADN, que originalmente es una hebra doble, se duplica para formar dos copias idénticas llamadas cromátidas hermanas .
• Estas cromátidas permanecen unidas por el centrómero , una región específica del cromosoma que facilita su separación durante la mitosis.
• La replicación del ADN ocurre siguiendo un modelo semiconservador , donde cada nueva molécula de ADN contiene una hebra parental (original) y una hebra recién sintetizada.

2. Activación de las proteínas y enzimas necesarias: Enzimas clave participante en este proceso:

• Helicasa : Desenrolla y separa las dos cadenas del ADN parental.
• Primasa : Sintetiza pequeños fragmentos de ARN (primers) que inician la síntesis de ADN.
• ADN polimerasa : Agregue nucleótidos complementarios a la hebra molde (adenina con timina, y guanina con citosina).
• Ligasa : Une fragmentos de ADN, especialmente en la hebra rezagada (fragmentos de Okazaki).
• Topoisomerasa : Alivia el superenrollamiento del ADN durante la replicación.

3. Duplicación de los centrosomas:

• Los centrosomas, estructuras esenciales para organizar el huso mitótico en la mitosis, también se duplican.
• Cada célula hija ejecutará un centrosoma para guiar la separación de cromosomas durante la mitosis.

4. Síntesis de histonas:

• Las histonas, proteínas necesarias para empaquetar el ADN en la forma de cromatina , se sintetizan durante esta fase.
• Este empaquetamiento asegura que el ADN replicado quede bien organizado y protegido.

FASE G2

1. Crecimiento celular adicional:

• La célula continúa aumentando de tamaño.
• Se acumulan recursos y energía (como ATP) necesarios para la mitosis y la citocinesis.

2. Síntesis de proteínas y orgánulos :

• Se producen proteínas específicas para la división celular, como las tubulinas , que forman los microtúbulos del huso mitótico.
• Se sintetizan enzimas y otros componentes necesarios para la mitosis.

3. Duplicación de estructuras celulares:

• Los centrosomas, que se duplicaron en la fase S, se organizan completamente para formar los polos del huso mitótico.
• Se revisan y reorganizan otros orgánulos, como el aparato de Golgi y las mitocondrias.

4. Revisión del ADN replicado:

• La célula verifica que la replicación del ADN realizada en la fase S sea precisa y que no haya daños ni errores.
• Los mecanismos de reparación corrigen posibles errores en la duplicación del ADN para evitar mutaciones.

5. Condensación inicial del ADN:

• En la última parte de la fase G2, el ADN comienza a empaquetarse en cromosomas más compactos para facilitar su separación en la mitosis.

FASE M

Info

La fase M (mitosis) es la etapa del ciclo celular en la que la célula madre divide su núcleo y su citoplasma para formar dos células hijas genéticamente idénticas.

Info

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INICIACIÓN

Estabilización de las hebras separadas

Formación de la burbuja de replicación

Identificación del origen de replicación

Alivio del superenrollamiento

ELONGACIÓN

Extensión de los fragmentos de Okazaki

Actividad de la ADN polimerasa

Inicio de la síntesis

TERMINACIÓN

Revisión y corrección de errores

Unión de los fragmentos de Okazaki

Eliminación de los cebadores de ARN

INICIACIÓN

Desenrollado del ADN

Unión de la ARN polimerasa

Identificación del promotor

Formación del complejo de iniciación

ELONGACIÓN

Velocidad de síntesis

Avance de la burbuja de transcripción

Síntesis del ARN

Evitar errores

TERMINACIÓN

Separación del ARN

Señales de enumeración

PROCESAMIENTO

Empalme (corte y empalme)

Adición de cola poli-A

Adición de la caperuza 5'

Transporte al citoplasma

ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

Antes de que comience la traducción, los aminoácidos deben ser activados y unidos al ARNt correspondiente:

Unión de aminoácidos al ARNt:

• Cada ARNt tiene un anticodón específico que reconoce un codón complementario en el ARNm.
• Una enzima llamada aminoacil-ARNt sintetasa cataliza la unión de un aminoácido específico a su ARNt correspondiente, formando un aminoacil-ARNt .
• Este paso asegura que el ARNt lleve el aminoácido correcto al ribosoma.

INICIACIÓN

Este paso prepara el ribosoma y el ARNm para comenzar la síntesis de proteínas:

Unión del primer aminoacil-ARNt

Unión del ARNm al ribosoma

Inicio del marco de lectura

Montaje del ribosoma completo

ELONGACIÓN

La cadena polipeptídica comienza a formarse mediante ciclos repetitivos de adición de aminoácidos:

Formación del enlace peptídico

Translocación del ribosoma

Entrada del aminoacil-ARNt

TERMINACIÓN

El proceso de traducción se detiene cuando el ribosoma llega a un codón de terminación en el ARNm:

Unión de factores de liberación

Disociación del ribosoma

Codones de numeración

PLEGAMIENTO Y MODIFICACIÓN POSTRADUCCIONAL

Después de la traducción, la proteína recién formada debe adquirir su estructura y funcionalidad:

Modificaciones postraduccionales

Transporte a su destino final

Aprobación

Adición de cola poli-A

Se añade una secuencia de adeninas (cola poli-A) al extremo 3' para estabilizar el ARN y regular su vida útil.

Translocación del ribosoma

El ribosoma avanza un codón en dirección 5'→3' del ARNm:

• El ARNt vacío se mueve al sitio E (exit) y es liberado.
• El ARNt que lleva la cadena polipeptídica se mueve del sitio A al sitio P.
• El sitio A queda libre para el siguiente aminoacil-ARNt.

Síntesis del ARN

La ARN polimerasa comienza a agregar ribonucleótidos complementarios a la hebra molde de ADN en dirección 5'→3' . Las bases del ARN son complementarias al ADN:

• Guanina (G) → Citosina (C)
• Citosina (C) → Guanina (G)
• Timina (T) → Adenina (A)
• Adenina (A) → Uracilo (U) (en lugar de timina en el ARN).

Unión del primer aminoacil-ARNt

El ARNt iniciador , que lleva metionina, se une al codón de inicio en el sitio P (peptidil) del ribosoma.

Desenrollado del ADN

La ARN polimerasa separa las dos hebras del ADN para exponer la hebra molde. Solo una de las hebras de ADN (hebra molde) será utilizada para sintetizar el ARN.

Velocidad de síntesis

La ARN polimerasa añade aproximadamente 40-50 nucleótidos por segundo.

El ciclo celular es un conjunto de procesos ordenados que las células realizan para crecer, duplicar su material genético y dividirse, generando dos células hijas. Este proceso es esencial para la vida, ya que permite el crecimiento de los organismos, la regeneración de tejidos y la reproducción en organismos unicelulares. Su regulación precisa asegura que cada célula hija reciba la información genética correcta y suficiente citoplasma para sobrevivir y funcionar.

Regulación del Ciclo Celular

El ciclo celular está controlado por mecanismos de regulación que aseguran su precisión. Esto evita errores como la replicación incompleta o la distribución desigual de cromosomas.

1. Factores clave de regulación:

• Ciclinas: Proteínas cuya concentración varía en diferentes etapas del ciclo celular.
• CDKs (quinasas dependientes de ciclinas): Enzimas activadas por ciclinas, que regulan la progresión del ciclo celular.

2. Puntos de control:

• Punto G1/S: Determina si la célula puede iniciar la replicación del ADN.
• Punto G2/M: Verifica que el ADN se haya replicado correctamente antes de la mitosis.
• Punto de control de la mitosis: Garantiza que los cromosomas estén alineados correctamente antes de separarse.

Señales de enumeración

La ARN polimerasa transcribe una señal de terminación específica (secuencia de poliadenilación, como AAUAAA ), que indica que la transcripción está completa.

REPLICACIÓN DEL ADN

La replicación del ADN es un proceso fundamental para la vida, ya que permite duplicar el material genético antes de la división celular, asegurando que cada célula hija reciba una copia ex acta. Este proceso ocurre durante la fase S del ciclo celular y sigue un modelo semiconservador , lo que significa que cada molécula hija de ADN contiene una hebra original (madre) y una nueva (sintetizada).

ESTE PROCESO SE DIVIDE EN TRES FASES

INICIACIÓN

TERMINACIÓN

ELONGACIÓN

Eliminación de los cebadores de ARN

La endonucleasa FEN1 elimina los cebadores, y la ADN polimerasa los reemplaza.

Extensión de los fragmentos de Okazaki

Cada fragmento de Okazaki requiere un nuevo cebador. Los fragmentos son luego unidos en un proceso posterior.

Formación de la burbuja de replicación

La enzima helicasa desenrolla la doble hélice de ADN, separando las hebras complementarias al romper los enlaces de hidrógeno.Se forman burbujas de replicación , con dos horquillas de replicación que se extienden en direcciones opuestas.

Transporte a su destino final

La proteína puede permanecer en el citoplasma, insertarse en una membrana o ser transportada a otros orgánulos como el núcleo, el retículo endoplásmico o el aparato de Golgi.

Montaje del ribosoma completo

La subunidad mayor del ribosoma se une para formar un ribosoma funcional, completando el complejo de iniciación.

TRANSCRIPCIÓN DEL ADN

La transcripción del ADN es el proceso mediante el cual se copia la información genética contenida en el ADN para formar una molécula de ARN mensajero (ARNm) . Este proceso es esencial para la síntesis de proteínas y ocurre en el núcleo (en células eucariotas) o en el citoplasma (en procariotas).

ESTE PROCESO SE DIVIDE EN TRES FASES

INICIACIÓN

TERMINACIÓN

ELONGACIÓN

EN LAS CÉLULAS EUCARIOTAS EXISTE UN CUARTO PASO

PROCESAMIENTO

Entrada del aminoacil-ARNt

Un nuevo aminoacil-ARNt entra en el sitio A (aminoacil) del ribosoma, reconociendo el siguiente codón en el ARNm.

Modificaciones postraduccionales

Algunas proteínas requieren modificaciones químicas como: Adición de grupos fosfato, metilo o acetilo. Corte de ciertos fragmentos (proteólisis). Unión de carbohidratos (glicosilación) o lípidos (lipidación).

Unión de factores de liberación

Los factores de liberación se unen al ribosoma, provocando la liberación de la cadena polipeptídica recién sintetizada.

METAFASE

• Los cromosomas están completamente condensados ​​y alineados en el plano ecuatorial de la célula, formando la placa metafásica .
• Los microtúbulos del huso mitótico están unidos a los cinetocoros de cada cromátida hermana.
• La célula pasa por el punto de control de la metafase , asegurando que todos los cromosomas estén correctamente alineados y conectados al huso.

GENES

Ubicación del ADN

El ADN se encuentra dentro del núcleo, organizado en cromosomas . Además, también hay ADN en las mitocondrias (y en cloroplastos de células vegetales).

Son segmentos de ADN que contienen las instrucciones para sintetizar proteínas o ARN funcionales.

CROMOSOMA

Estructura

Es lineal y está asociado con proteínas llamadas histonas , que forman la cromatina . La cromatina puede estar en dos formas:

• Eucromatina: Forma activa, accesible para la transcripción.
• Heterocromatina: Forma condensada, generalmente inactiva.

BRAZO CORTO

BRAZO LARGO

Empalme (corte y empalme)

Las regiones no codificantes ( intrones ) se eliminan, y las regiones codificantes ( exones ) se unen para formar un ARNm maduro. Este proceso lo realiza el complejo espliceosoma .

ANAFASE

• Los microtúbulos del huso comienzan a acortarse, separando las cromátidas hermanas .
• Las cromátidas hermanas, ahora consideradas cromosomas individuales, son arrastradas hacia los polos opuestos de la célula.
• Los polos de la célula se alejan, alargando la célula.

Revisión y corrección de errores

La ADN polimerasa tiene una función de corrección (proofreading) que revisa los nucleótidos recién añadidos. Si detecta errores, elimine los nucleótidos incorrectos mediante su actividad exonucleasa 3'→5' y los reemplaza.

Inicio del marco de lectura

La enzima peptidil transferasa , presente en el ribosoma, cataliza la formación de un enlace peptídico entre el aminoácido recién llegado y la cadena polipeptídica en crecimiento. La cadena se transfiere del ARNt en el sitio P al ARNt en el sitio A.

Adición de la caperuza 5'

Un nucleótido modificado (7-metilguanosina) se agrega al extremo 5' para proteger al ARN de la degradación y facilitar su unión al ribosoma.

Aprobación

La cadena polipeptídica se pliega en su estructura tridimensional con la ayuda de proteínas llamadas chaperonas .

CITOCINESIS

El citoplasma de la célula se divide en dos mediante un proceso conocido como estrangulamiento (en células animales) o mediante la formación de una placa celular (en células vegetales).

PROMETAFASE

• La envoltura nuclear se descompone completamente, permitiendo que los microtúbulos del huso mitótico accedan a los cromosomas.
• Los microtúbulos del huso se unen a los cinetocoros , estructuras proteicas situadas en los centrómeros de los cromosomas.
• Los cromosomas comienzan a moverse hacia el plano ecuatorial de la célula.

Inicio del marco de lectura

El ribosoma encuentra el codón de inicio (AUG), que codifica para la metionina

PROFASE

• Los cromosomas comienzan a condensarse, haciéndose visibles al microscopio óptico.
• Cada cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero .
• Los centrosomas , que se duplicaron en la interfase, migran a los polos opuestos de la célula y empiezan a organizar el huso mitótico .
• La envoltura nuclear comienza a desintegrarse.
• Los nucléolos desaparecen.

Evitar errores

Aunque el ARN polimerasa no tiene una función de corrección tan precisa como el ADN polimerasa, es capaz de pausar y corregir errores menores.

Actividad de la ADN polimerasa

La ADN polimerasa III (en procariotas) o ADN polimerasa delta/épsilon (en eucariotas) comienza a añadir nucleótidos complementarios (AT, GC) al extremo 3' del cebador. La síntesis ocurre en la dirección 5'→3' , pero las hebras del ADN son antiparalelas: Hebra líder (leading strand): Se sintetiza de manera continua hacia la horquilla de replicación.Hebra rezagada (lagging strand): Se sintetiza en fragmentos discontinuos llamados fragmentos de Okazaki , en dirección opuesta a la horquilla.

TELOFASE

• Los cromosomas, ahora en los polos opuestos de la célula, comienzan a descondensarse, volviendo a su forma de cromatina.
• Se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de los conjuntos de cromosomas en cada polo.
• Los nucleolos reaparecen dentro de los nuevos núcleos.
• El huso mitótico se desensambla.

PARTES DEL ADN

FUNCIONES DEL ADN

• Almacenar información genética: Guarde las instrucciones para el desarrollo, funcionamiento y reproducción de los organismos.
• Transmitir información hereditaria: El ADN se copia y se pasa de generación en generación.
• Codificar proteínas: A través de la transcripción y traducción, el ADN da lugar a proteínas, las cuales son esenciales para las funciones celulares.

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Sus componente básico es son los nucleótidos

Está formada por dos cadenas enrolladas una alrededor de la otra.

Disociación del ribosoma

El ribosoma se disocia en sus subunidades menor y mayor, y el ARNm y el ARNt se liberan.

Transporte al citoplasma

El ARNm maduro se transporta fuera del núcleo hacia los ribosomas en el citoplasma para iniciar la traducción.

Codones de numeración

Los codones UAA , UAG , y UGA no codifican para ningún aminoácido, señalando el final de la traducción.

Unión de la ARN polimerasa

La enzima ARN polimerasa se une al promotor con la ayuda de factores de transcripción en eucariotas o la subunidad sigma en procariotas.

TRADUCCIÓN DEL ADN

La traducción del ADN se refiere al proceso por el cual la información codificada en el ARN mensajero (ARNm) se utiliza para sintetizar una proteína. Este proceso ocurre en los ribosomas y requiere la participación de ARN de transferencia (ARNt) y diversos factores proteicos.

ESTE PROCESO SE DIVIDE EN CINCO FASES

ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

INICIACIÓN

ELONGACIÓN

TERMINACIÓN

Plegamiento y modificación postraduccional

Identificación del origen de replicación

La replicación comienza en orígenes de replicación específicos, que son secuencias de ADN ricas en adenina y timina (AT), ya que estas bases están unidas por solo dos enlaces de hidrógeno, lo que facilita su separación.En células procariotas hay un solo origen de replicación; en células eucariotas, hay múltiples orígenes.

Unión de los fragmentos de Okazaki

La enzima ADN ligasa sella los huecos entre los fragmentos, uniendo los extremos 3' y 5' mediante enlaces fosfodiéster.

Identificación del origen de replicación

Las proteínas SSB (Single-Strand Binding Proteins) se unen a las hebras simples de ADN para evitar que se vuelvan a enrollar.

Formación del complejo de iniciación

Se forma un complejo ARN polimerasa-promotor-ADN que prepara a la enzima para comenzar la síntesis del ARN.

Separación del ARN

El ARN recién sintetizado se separa del molde de ADN, y la ARN polimerasa se desprende.

Avance de la burbuja de transcripción

La ARN polimerasa abre una pequeña región del ADN (burbuja de transcripción) mientras avanza, sintetizando ARN y dejando que el ADN detrás se vuelva a cerrar.

Inicio de la síntesis

La enzima primasa sintetiza un pequeño fragmento de ARN llamado cebador (primer) en cada hebra molde. Este cebador proporciona un extremo 3'-OH necesario para que la ADN polimerasa comience la síntesis.

Identificación del promotor

El proceso comienza en una región específica del ADN llamada promotor , que está cerca del gen que se va a transcribir. En eucariotas, el promotor contiene una secuencia característica llamada caja TATA .

Alivio del superenrollamiento

La topoisomerasa (o girasa en procariotas) elimina la tensión generada por el desenrollamiento, cortando y religando el ADN.

Unión del ARNm al ribosoma

El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma . En procariotas, el ARNm se alinea mediante la secuencia de Shine-Dalgarno; en eucariotas, mediante la caperuza 5'.