¿Qué es y cómo es la transcripción de Ácido desoxirribonucleico (ADN)?

¿Qué es y cómo ocurre la síntesis de proteínas y la traducción de ácido ribonucleico (ARN)?

Este es el video más popular en mi canal de Youtube. Se trata de una explicación básica del proceso de transcripción del ADN en ARNm; así como de la traducción del ARNm para sintetizar proteínas.

Hay poco que añadir a la explicación del video. Sin embargo, en esta entrada agregaré algunas observaciones así como las preguntas más frecuentes publicadas en los comentarios.

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Errores en el video:

1. En el minuto 11:41 el último aminoácido codificado por el codón CAG del ARNm debió ser glutamina (Gln) y no valina (Val).

Preguntas frecuentes (FAQ)

Estas son las preguntas más frecuentes que he encontrado en los comentarios del video.

• ¿Qué programas o aplicaciones utilizaste para producir el video?

Usé una combinación de aplicaciones: para la animación principal (como la de la entrada y la foto del rostro animada) utilicé principalmente el Crazy Talk Animator Pro; el texto escrito animado lo hice con Vittle; y para la edición del video usé iMovie.

• ¿Por qué el ADN necesita ser transcrito en ARNm?

Aquí trataré de exponer una razón que llamaré de «conveniencia celular o molecular» aunque es posible que existan otras.

Por «conveniencia celular o molecular» no quiero decir que las células o las moléculas decidan por ellas mismas lo que mejor les conviene, sino que evolutivamente han desarrollado mecanismos “convenientes”.

Por ejemplo, en las células eucariotas el ADN se encuentra protegido del citoplasma por la envoltura nuclear compuesta por dos membranas. Esto previene que el ADN se dañe, es decir, que su información se corrompa. 

Por otro lado, si cada vez que la célula sintietiza proteínas, la enorme y compleja molécula en doble hélice del ADN tuviera que pasar múltiples veces a través de la envoltura nuclear, del núcleo al citoplasma y de vuelta al núcleo, esto aumentaría el riesgo de que la información genética (o alguna o varias partes de esta macromolécula) se pudiera corromper o dañar.

Imagina que diriges el Museo del Louvre donde se encuentra la pintura de la Gioconda o Mona Lisa, difícilmente permitirías que el retrato salga de allí para que cualquier artista o interesado pueda estudiarla, manipularla, reproducirla o crear derivados a partir de ella. Es decir, para eso existen ya copias o reproducciones, ¿cierto? 

En el caso de una célula es todavía más importante que el ADN, que funciona como un “plano maestro” con la información para construir un organismo, se encuentre íntegro y protegido. Aunque la realidad es más complicada, para comprender la importancia de proteger la integridad de este “plano maestro”, digamos que normalmente las células solo poseen una copia de él.

Sin embargo, la célula muchas veces necesita sintetizar una gran cantidad de la misma proteína. Por ello es evolutivamente conveniente que el ADN, con los genes requeridos, se pueda transcribir en veinte fragmentos de ARNm, si –por ejemplo– la célula necesita sintetizar veinte copias de la misma proteína. Además con esto también se acelera la velocidad de la síntesis de proteínas. De lo contrario, con una sola copia de ADN la célula tendría que sintetizar 1 cantidad (1x) de proteína por vez, mientras que en este ejemplo puede hacerlo 20 veces (20x) al mismo tiempo sin poner en riesgo el ADN del núcleo. 

En las células procariotas, como las bacterias, también se realiza el proceso de transcripción del ADN en ARNm. Esto es así a pesar de que las células procariotas carecen de un núcleo definido por una membrana nuclear que separe el ADN de los ribosomas. Esto provoca que en las bacterias, el ARNm se traduzca o sintetice en proteínas incluso antes de que termine de transcribirse completamente. 

El hecho anterior, quizá nos indica que la trascripción es un mecanismo evolutivo y sucede o debe suceder a pesar de que no exista un núcleo bien definido –como en las bacterias– de donde el ADN no puede salir o no conviene que salga. ¿Por qué es así? (¿por qué? ¿por qué?) No puedo brindarte esta respuesta. Es así porque así es. Punto. Comúnmente, al hecho de que –en relación al flujo o transferencia de la información genética– los siguientes procesos se sucedan en este orden: 1) replicación, 2) transcripción y 3) traducción o síntesis, se le ha llamado el Dogma Central de la Biología Molecular. Si más adelante leo o encuentro más razones sobre el porqué de la transcripción, o alguien en los comentarios me las comparte, las incluiré aquí.

• ¿Por qué en una célula eucariota el ADN del núcleo no puede pasar directamente al citoplasma?

Una de las razones tiene que ver con la “conveniencia celular o molecular”, descrita en la respuesta anterior. Y es probable que podamos enumerar varias razones. No obstante, aquí voy a exponer una razón que lo explica y puede ser más clara bioquímicamente hablando.

En las células eucariotas, el ADN nunca sale del núcleo. Es en el núcleo donde la célula eucariota periódicamente transcribe ciertos genes o fragmentos del ADN en ARN mensajero, ARN ribosomal o ARN de transferencia. Esto significa que el núcleo debe “importa” del citoplasma las moléculas requeridas para los procesos de transcripción. De manera inversa, el núcleo luego “exporta” hacia el citoplasma los diferentes ARN para que estos puedan realizar sus funciones. Esto implica que sí existe un paso de moléculas y macromoléculas a través del núcleo. Pero entonces, ¿por qué diablos el ADN no puede salir? 

Bueno… el paso de las moléculas a través del núcleo, cuya envoltura está formada por dos membranas, ocurre a través de unas interrupciones que comunican su interior con el citoplasma. Estas interrupciones son estructuras bastante elaboradas que se denominan «complejos del poro nuclear» (CPN por sus siglas en español, o NPC por sus siglas en inglés). 

Un CPN es como una compuerta hecha con más de 100 proteínas diferentes. En el microscopio electrónico, un CPN aparece como una estructura cilíndrica con una marcada simetría octogonal. Hay muchas cosas que no se entienden sobre estas estructuras. Pero ellas son las encargadas de regular el transporte entre el citoplasma y el nucleoplasma o interior del núcleo. 

Los CPNs permiten la difusión libre de agua, azúcares y iones. Sin embargo, previenen o impiden el paso de macromoléculas no específicas. Lo escribiré de otra forma, los CPNs solamente permiten el paso de aquellas proteínas y ácidos nucleicos que han sido debidamente “etiquetadas”. 

De esta forma, hay moléculas etiquetadas para entrar al núcleo y moléculas etiquetadas para salir. La manera en la que se etiquetan es, por supuesto, bioquímicamente. 

En el caso del ARNm, esta “etiqueta” consiste normalmente en un nucleótido de guanina metilado conocido como caperuza, o casquete, 5′ (5-prima). A veces también lo abrevian como cap 5’.  Este nucléotido se agrega al extremo de la cadena de ARNm que se transcribió primero. Esta modificación, junto con otros eventos, se produce en el núcleo durante una subfase que se conoce como «maduración del ARNm» y que omití en este video pero probablemente la incluya en un video más avanzado o detallado.

Cuando la maduración del ARNm se completa, los complejos del poro nuclear identifican la “etiqueta” que lo “autoriza” para salir del núcleo. Por supuesto, esta “autorización” también es un proceso bioquímico, una forma de transporte activo, donde los poros consumen ATP y se ensanchan para que el ARNm pueda pasar. 

Los otros ARN, como el ARN ribosomal o de transferencia, no se etiquetan con el cap 5’. Para salir del núcleo estos deben ensamblarse con otras proteínas y formar un complejo que entonces si puede pasar a través de los CPNs.

En cuanto al ADN, esta enorme molécula nunca se modifica o se etiqueta para su transporte, y por lo tanto, nunca se le permite pasar a través de los complejos del poro nuclear.  

Espero haber respondido esya pregunta. Hay otras razones, mmm, como el tamaño del ADN y la forma en la que se encuentra organizado en el núcleo. Quizá luego las agregue aquí o alguien me las haga notar. Pero por ahora aquí tienes una razón, que por tiempo y espacio, no incluí en el video.

• ¿Qué es un «anticodón»?

Un «anticodón» es la secuencia de tres nucleótidos que forma parte de un extremo de una molécula de ARN de transferencia (ARNt) y es complementaria a una secuencia de otros tres nucleótidos (codón) que se encuentran en el ARN mensajero (ARNm)

• ¿Qué enzimas participan en la transcripción del ADN y la traducción del ARNm que no mencionaste en el video?

Las principales enzimas son las siguientes:

ADN Helicasa I – Descomprime el ADN (replicación)

ADN polimerasa I / II / III, ligasa – Completa las cadenas complementarias de ADN (replicación)

ADN polimerasa III – Corrige errores en el ADN (replicación)

ADN transcriptasa, ADN Helicasa II – Descomprime el ADN que contiene el código correcto para la proteína (transcripción)

ARN polimerasa – Transcribe la información del ADN para formar una cadena de ARNm (transcripción)

Aminoacil tRNA sintetasa – Adjunta el aminoácido correcto al ARNt (traducción)

Peptidyl Transferasa – Forma los enlaces peptídicos entre los aminoácidos (traducción)

• ¿Que sucede con el ARN mensajero al terminar la síntesis de proteínas?

En prácticamente todas las células de los seres vivos donde se ha observado en laboratorio qué pasa con el ARN mensajero al final de su vida útil, este suele degradarse siguiendo alguna de diversas rutas de degradación con la participación de enzimas y cofactores. Entre las enzimas, por ejemplo, las «helicasas» juegan un papel importante en la degradación del ARN mensajero

• ¿Qué pasa cuando hay errores en el proceso de traducción del ARNm?

Para esta pregunta ofreceré una respuesta más bien general, pues la cantidad de errores, las causas o las consecuencias de los errores en la traducción del ARN mensajero pueden ser diferentes de acuerdo al tipo de célula o al tipo de organismo.

Durante la síntesis de proteínas, usualmente se previenen los errores al agregar aminoácidos a la cadena polipeptídica creciente. Cuando no pueden prevenirse, un mecanismo de control de calidad se asegura de terminar prematuramente las secuencias erróneas, es decir las secuencias de aminoácidos con errores: secuencias de aminoácidos que no se corresponden con los codones del ARN mensajero. 

El emparejamiento de los codones y anticodones que realiza el ribosoma es un proceso difícil, pero que involucra una cierta cantidad de libertad de acción para permitir la lectura de todos los 64 codones que conforman el código genético estándar. Así que, a pesar de los mecanismos que los previenen, a veces suceden emparejamientos equivocados, errores. 

Sin entrar en demasiados detalles aquí, digamos que los errores suceden por la enorme cantidad de codones que el ribosoma debe leer y por la enorme cantidad de traducciones que se realizan para sintetizar las proteínas requeridas para el funcionamiento de un organismo o de una célula. 

En estudios de laboratorio con bacterias, durante la síntesis de proteínas, se estima que los errores normalmente ocurren a razón de aproximadamente un error en cada 20,000 aminoácidos, sin embargo esto puede ser mayor o menor dependiendo de las condiciones. 

Estos errores resultan en proteínas mal plegadas o no funcionales que deben ser plegadas de manera correcta o destruidas después de que la traducción ha terminado. Digamos que la célula en los miles de procesos de traducción que practica también desecha cientos de proteínas mal plegadas o no funcionales, entonces normalmente hay un rango admisible de errores sin que esto signifique o tenga una consecuencia mayor para la célula o el organismo.

Un ejemplo sobre en qué consisten este tipo de errores, que ya he mencionado que se trata de malos emparejamientos entre los codones y anticodones con la consecuencia de sustituir aminoácidos, pero también por ejemplo a la sustitución de una base nitrogenada durante la transcripción de ADN en ARNm. Una base distinta en el ARNm, producirá obviamente que más tarde en la síntesis de proteínas el codón donde se encuentra la base nitrogenada codifiqué para un aminoácido diferente. De esta forma estos errores son mutaciones.

En ocasiones, algunas mutaciones en estos procesos pueden tener un impacto negativo y hasta provocar alguna enfermedad. Muchas otras veces, por ejemplo cuando sólo un aminoácido de una cadena polipéptido cambia sin afectar la función de la proteína, no provocan un impacto significativo. Además, una mutación puede ser de hecho algo positivo. Las mutaciones son necesarias para tener variación en una población, y la variación es aquello sobre lo cual actúa la selección natural para propiciar la evolución. 

• ¿De dónde sale el ARN de transferencia?

En el video no mencioné de donde proviene, o como se sintetiza el ARN de transferencia o ARNt. Responder a esta pregunta requiere un video o, más bien, una serie de videos aparte. Para no entrar en demasiados detalles, aquí solamente mencionaré que el Ácido ribonucleico de transferencia (ARNt) se transcribe principalmente de ciertos genes con ayuda de una ARN-polimerasa. Dicho de otra forma, el ARNt está codificado por un conjunto de genes en el ADN llamados simplemente «grupo genético de los ARNs» y es transcrito a partir de estos genes del ADN por una polimerasa especial. De manera muy general, podemos decir que hay dos tipos de ARN de transferencia: 1) citoplasmático y 2) mitocondrial. El ARN de transferencia citoplasmático, que es al que se refiere en específico el video, se encuentra en el fluido dentro de las células osea en el «citoplasma». Está disponible allí al igual que los aminoácidos. ¿Por qué o cómo? Bueno, insisto, ese sería el tema de otro video. 

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Si tienes alguna observación o pregunta relacionada directamente con el tema del video puedes escribirla en los comentarios de esta entrada. Estaré atento para agregar o responder a tu pregunta en este post.