Transcripción y Síntesis del ARN

La transcripción consiste en la síntesis de una molécula de ARN a partir de una de las cadenas del ADN. Esta cadena se denomina molde, complementaria o no codificadora. La otra hebra del ADN se denomina codificadora o no complementaria.

Puntos Clave de la Transcripción

• La transcripción es el proceso en el que la secuencia de ADN de un gen se copia (transcribe) para crear una molécula de ARN.
• La ARN polimerasa es la principal enzima de la transcripción.
• La transcripción comienza cuando la ARN polimerasa se une a una secuencia llamada promotor cerca del inicio de un gen (directamente o a través de proteínas auxiliares).
• La ARN polimerasa utiliza una de las cadenas de ADN (la hebra molde) como plantilla para hacer una nueva molécula de ARN complementaria.

La ARN Polimerasa: Función y Mecanismo

Las ARN polimerasas son enzimas que transcriben el ADN en ARN. Mediante un molde de ADN, la ARN polimerasa construye una nueva molécula de ARN a través del apareamiento de bases. Por ejemplo, si hay una G (Guanina) en el molde de ADN, la ARN polimerasa agregará una C (Citosina) a la nueva cadena creciente de ARN. La ARN polimerasa siempre construye una nueva cadena de ARN en la dirección 5′ a 3′. Es decir, solo puede agregar nucleótidos (A, U, G, o C) al extremo 3′ de la cadena.

Etapas de la Transcripción del ARNm

Iniciación de la Transcripción

Para comenzar la transcripción de un gen, la ARN polimerasa se une al ADN del gen en una región llamada el promotor. Básicamente, el promotor le indica a la polimerasa dónde «sentarse» sobre el ADN y comenzar a transcribir. Cada gen tiene su propio promotor. Un promotor contiene secuencias de ADN que le permiten a la ARN polimerasa o a sus proteínas auxiliares unirse al ADN. Una vez formada la burbuja de transcripción, la polimerasa puede comenzar a transcribir.

Promotores en Bacterias (Procariotas)

El promotor típico bacteriano contiene dos secuencias de ADN importantes, los elementos -10 y -35. La ARN polimerasa reconoce y se une directamente a estas secuencias. Las secuencias posicionan a la polimerasa en el lugar correcto para iniciar la transcripción de un gen objetivo, y también aseguran que esté apuntando en la dirección correcta. Una vez que se ha unido la ARN polimerasa, la enzima puede abrir el ADN y comenzar a trabajar. La apertura del ADN ocurre en el elemento -10, donde es fácil separar las cadenas debido a la gran cantidad de Adeninas (A) y Timinas (T) (que se unen entre sí con solo dos puentes de hidrógeno, en lugar de los tres puentes de hidrógeno de Guaninas (G) y Citosinas (C)). Los elementos -10 y -35 reciben sus nombres del hecho de estar 35 y 10 nucleótidos antes del sitio de iniciación (+1 en el ADN). El signo de menos solo significa que están antes, no después, de este sitio.

Promotores en Eucariontes (Seres Humanos)

En eucariotas, como los seres humanos, la principal ARN polimerasa en las células no se une directamente a los promotores como la ARN polimerasa de bacterias, sino que proteínas auxiliares llamadas factores basales (generales) de la transcripción se unen primero al promotor y ayudan a la ARN polimerasa a sujetarse del ADN. Muchos promotores eucariotas tienen una secuencia llamada caja TATA que juega un papel muy parecido al elemento -10 en las bacterias. La caja TATA es reconocida por uno de los factores generales de transcripción, y esto permite que se unan otros factores de transcripción y finalmente la ARN polimerasa. Contiene además muchas Adeninas y Timinas, lo que facilita la separación de las hebras de ADN.

Elongación

Una vez colocada la ARN polimerasa en su posición sobre el promotor, puede comenzar el siguiente paso de la transcripción. La elongación básicamente es la etapa donde la hebra de ARN se alarga al agregar nuevos nucleótidos. Durante la elongación, la ARN polimerasa «camina» sobre una hebra del ADN, conocida como la hebra molde, en la dirección 3′ a 5′. Por cada nucleótido en el molde, la ARN polimerasa agrega un nucleótido de ARN correspondiente (complementario) al extremo 3′ de la hebra de ARN.

El transcrito de ARN tiene una secuencia casi idéntica a la hebra de ADN no molde o codificante. Sin embargo, las cadenas de ARN tienen la base uracilo (U) en lugar de timina (T), así como un azúcar ligeramente diferente en el nucleótido. Así, tal como se muestra en el diagrama anterior, cada T de la cadena codificante se sustituye con una U en el transcrito de ARN.

Terminación

La ARN polimerasa seguirá transcribiendo hasta que reciba la señal para parar. Las secuencias llamadas terminadores indican que se ha completado el transcrito de ARN. Una vez transcritas, estas secuencias provocan que el transcrito sea liberado de la ARN polimerasa. A continuación se ejemplifica un mecanismo de terminación en el que ocurre la formación de un tallo-asa en el ARN.

Maduración del Pre-ARNm en Eucariotas

En bacterias, los transcritos de ARN pueden actuar como ARN mensajeros (ARNm) inmediatamente. En eucariotas, el transcrito de un gen codificante se llama pre-ARNm y debe experimentar un procesamiento adicional antes de que pueda dirigir la traducción.

Muchos pre-ARNm eucariotas sufren empalme (splicing). En este proceso, partes del pre-ARNm (llamadas intrones) se cortan y se eliminan, y las piezas restantes (llamadas exones) se vuelven a unir. Las modificaciones en los extremos aumentan la estabilidad del ARNm, mientras que el empalme otorga al ARNm su secuencia correcta (si no se eliminan los intrones, se traducirán junto con los exones y producirán un polipéptido «sin sentido»).

Regulación de la Expresión Génica

Todas tus células somáticas tienen el mismo genoma, pues descienden del mismo cigoto. Sin embargo, sus fenotipos pueden ser muy distintos, producto del proceso de especialización que origina los distintos tejidos. Esto es posible por la acción de los factores de transcripción, es decir, existe un grupo diverso de polipéptidos que activan o inhiben la transcripción de los genes. Algunos factores de transcripción siempre están actuando, pues se encargan de regular la expresión de los genes constitutivos, los cuales se ocupan de la síntesis de péptidos que se utilizan de manera continua en las células. En el intertanto, otros factores de transcripción regulan la expresión de genes que se necesitan solo en determinadas circunstancias, generando una respuesta adaptativa ante estímulos ambientales. Esto supone una compleja red de comunicación molecular entre la membrana celular, el citoplasma y el núcleo. La complejidad de los organismos eucariotas no se relaciona con el tamaño del genoma, sino con la regulación en la expresión de sus genes y la variabilidad de las proteínas producidas.

El Operón trp: Un Modelo de Regulación Bacteriana

Las bacterias como la Escherichia coli necesitan aminoácidos para sobrevivir, ya que, como nosotros, necesitan construir proteínas. Uno de los aminoácidos que necesita es el triptófano.

Si el triptófano está disponible en el ambiente, E. coli lo toma y lo utiliza para construir proteínas. Sin embargo, E. coli puede hacer también su propio triptófano mediante enzimas que están codificadas en cinco genes. Estos cinco genes se encuentran cerca unos de otros en lo que se llama el operón trp.

La respuesta corta es que un operón es un grupo de genes que se transcriben bajo el control de un solo promotor, lo que resulta en un ARNm largo que contiene las secuencias de codificación para genes múltiples. El operón incluye no solo los genes, sino también las secuencias de ADN reguladoras que controlan su expresión (incluyen el promotor y los sitios de unión para cualquier proteína represora o activadora).

Estructura del Operón trp

El operón trp incluye cinco genes que codifican enzimas necesarias para la biosíntesis de triptófano, junto con un promotor (sitio de unión de la ARN polimerasa) y un operador (sitio de unión de una proteína represora). Los genes del operón trp se transcriben como un ARNm policistrónico.

Mecanismo de Encendido y Apagado del Operón

¿Qué es lo que hace el operador? Este tramo de ADN es reconocido por una proteína reguladora llamada represor trp. Cuando el represor se une al ADN del operador, estorba físicamente a la ARN polimerasa, la enzima de transcripción, y evita que el operón se transcriba.

El represor trp no siempre se une al ADN; solo se une y bloquea la transcripción cuando el triptófano está presente. Cuando el triptófano está disponible, se une a las moléculas del represor y cambia su forma para que se activen. Una molécula pequeña como el triptófano, que cambia a un represor a su estado activo, se le llama correpresor.

Por el contrario, cuando hay poco triptófano en la célula, el represor trp está inactivo (porque no hay triptófano disponible para unirse y activarlo). No se adhiere al ADN ni bloquea la transcripción, y esto permite que la ARN polimerasa transcriba el operón trp. En este sistema, el represor trp actúa como un sensor y como un interruptor. Detecta si el triptófano ya está presente en niveles altos, y si es así, «apaga» al operón, para prevenir que se produzcan enzimas biosintéticas innecesarias.

Traducción: Síntesis de Polipéptidos

La traducción implica «decodificar» un mensaje del ARN mensajero (ARNm) y utilizar su información para construir un polipéptido o cadena de aminoácidos. En la mayoría de los casos, un polipéptido es una proteína (con la diferencia técnica de que algunas proteínas grandes se conforman de varias cadenas de polipéptidos).

Componentes Clave de la Traducción: Ribosomas y ARNt

Los Ribosomas

La traducción ocurre dentro de estructuras llamadas ribosomas, que están hechos de ARN ribosomal y proteína. Los ribosomas organizan la traducción y catalizan la reacción que une los aminoácidos para hacer una cadena de proteína.

Un ribosoma se compone de dos piezas básicas: una subunidad grande y una subunidad pequeña. Durante la traducción, estas dos subunidades se ensamblan alrededor de una molécula de ARNm y forman un ribosoma completo. El ribosoma avanza por el ARNm, codón por codón, mientras es leído y traducido en un polipéptido (cadena proteica). Entonces, una vez terminada la traducción, las dos piezas se separan y se pueden volver a utilizar. El ribosoma posee tres sitios de unión para los ARNt: el sitio A, el sitio P, y el sitio E. Los ARNt avanzan a través de estos sitios (de A a P a E) conforme entregan los aminoácidos durante la traducción.

El ARN de Transferencia (ARNt)

Un ARNt es un tipo especial de molécula de ARN. Su función es hacer corresponder un codón del ARNm con el aminoácido para el cual codifica. Puedes imaginarlo como una especie de «puente» entre los dos.

Tiene dos sitios de unión:

• El anticodón: una secuencia de tres bases por la cual se une, por complementariedad de bases, a un codón específico del ARNm.
• Sitio aceptor del aminoácido: siempre posee una secuencia de nucleótidos CCA, se une con uno de los 20 aminoácidos. Cada aminoácido es unido al sitio aceptor del ARNt por una enzima específica para él; estas enzimas son llamadas aminoacil-ARNt-sintetasa.

Etapas de la Traducción

Iniciación

Para que pueda comenzar la traducción, necesitamos unos cuantos ingredientes clave:

• Un ribosoma.
• Un ARNm con las instrucciones para la proteína que vamos a construir.
• Un ARNt «de inicio» que lleva el primer aminoácido de la proteína, que casi siempre es metionina (Met).

Durante la iniciación, estas piezas deben reunirse justo de la forma correcta. Juntas, forman el complejo de iniciación, el ensamblaje molecular para comenzar a fabricar una nueva proteína.

En la iniciación, el ribosoma se ensambla alrededor del ARNm que se leerá y el primer ARNt (que lleva el aminoácido metionina y que corresponde al codón de iniciación AUG). Este conjunto, conocido como complejo de iniciación, se necesita para que comience la traducción.

Elongación

La elongación es la etapa donde la cadena de aminoácidos se extiende. En la elongación, el ARNm se lee un codón a la vez, y el aminoácido que corresponde a cada codón se agrega a la cadena creciente de proteína.

Cada vez que un codón nuevo está expuesto:

• Un ARNt correspondiente se une al codón.
• La cadena de aminoácidos existente (polipéptido) se une al aminoácido del ARNt mediante una reacción química.
• El ARNm se desplaza un codón sobre el ribosoma, lo que expone un nuevo codón para que se lea.

Durante la elongación, los ARNt pasan por los sitios A, P, y E. Este proceso se repite muchas veces conforme se leen los nuevos codones y se agregan los nuevos aminoácidos a la cadena.

Terminación

La terminación es la etapa donde la cadena polipeptídica completa es liberada. Comienza cuando un codón de terminación (UAG, UAA o UGA) entra al ribosoma, lo que dispara una serie de eventos que separa la cadena de su ARNt y le permite flotar hacia afuera.

Después de la terminación, es posible que el polipéptido todavía necesite tomar la forma tridimensional correcta, se someta a procesamiento (tal como el retiro de aminoácidos), sea enviado a la parte correcta en la célula, o se combine con otros polipéptidos antes de que pueda hacer su trabajo como una proteína funcional.

El Experimento de Pulso y Caza

El experimento que permitió identificar el rol de la molécula de ARN. Tras descubrirse el ARN (ácido ribonucleico), se convirtió en la molécula candidata a ser la intermediaria entre el ADN y los ribosomas, ya que su composición es similar a la del ADN, además de encontrarse en abundancia en células con alta síntesis proteica.

Se comprobó que el ARN es la molécula intermediaria, a través de un experimento de pulso y caza, consistente en mantener células en un medio de cultivo con nucleótidos de uracilo, base exclusiva del ARN, marcados con radiactividad. La célula los incorpora y los utiliza para producir moléculas de ARN. Como la radiación de los nucleótidos marcados se detecta con películas fotográficas, fue posible seguir la pista del movimiento de las moléculas de ARN en las células. Así, se pudo establecer que el ARN es producido en el núcleo celular y luego de un tiempo se traslada hacia el citoplasma. Se concluyó que el ARN era el responsable del traspaso de la información desde los genes a los ribosomas y se le llamó ARN mensajero o ARNm.

Tipos de ARN y sus Polimerasas Específicas

Existen cuatro tipos de ARN, cada uno sintetizado por una ARN polimerasa específica.