Transcripción del ADN: proceso y mecanismo de la transcripción del ADN

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El proceso de copiar información genética de una cadena antisentido o de plantilla del ADN en el ARN se denomina transcripción. Está destinado a llevar la información codificada del ADN al sitio donde se requiere para la síntesis de proteínas. Los principios de complementariedad se utilizan incluso en la transcripción.

La excepción es que (i) Uracil se incorpora en lugar de timina opuesta a la adenina de la plantilla, (ii) Sólo se transcribe la cadena de la plantilla del ADN. Ambas cadenas de ADN no se pueden copiar en la transcripción porque eso producirá dos tipos de proteínas, una con la secuencia correcta de aminoácidos y la otra con la secuencia inversa de aminoácidos.

Además, si dos ARN complementarios se producen simultáneamente, tendrían una tendencia a formar ARN de doble cadena que resultaría en la no traducción de la información codificada en proteínas. Todo el ejercicio de la transcripción entonces parecería inútil.

Unidad de transcripción:

El segmento de ADN que toma parte en la transcripción se llama unidad de transcripción (Fig. 6.16). Tiene tres componentes (i) un promotor, (ii) el gen estructural y (iii) un terminador. Además de un promotor, los eucariotas también requieren un potenciador. El promotor se encuentra aguas arriba del gen estructural. Por convención, se denomina extremo 5 '(de la cadena de codificación que es el extremo 3' de la cadena de plantilla). La región terminadora está presente corriente abajo de un gen estructural en el extremo 3 '(de la cadena codificadora que en realidad es el extremo 5' de la cadena plantilla). El promotor tiene diferentes partes para adjuntar a varios factores de transcripción.

En muchos casos, el promotor tiene una región rica en AT llamada caja TATA. El área tiene un surco al que se pueden combinar componentes específicos de proteínas. La región que contiene TATA también se llama cuadro Pribnow después del nombre de su descubridor.

El gen estructural es componente de esa hebra de ADN que tiene una polaridad de 3 '→ 5' (ya que la transcripción puede ocurrir solo en la dirección 5 '→ 3'). Esta hebra de ADN se denomina hebra modelo o hebra maestra o antisentido, o hebra (-). La otra hebra que tiene una polaridad de 5 '→ 3' se desplaza durante la transcripción. Esta cadena no plantar que no participa en la transcripción también se denomina cadena con sentido o codificante o cadena positiva (+) porque el código genético presente en esta cadena es similar al código genético (basado en el ARNm), excepto que el uracilo se reemplaza por la timina.

Mecanismo de Transcripción:

En los eucariotas, la transcripción se produce a lo largo de la fase I en células diferenciadas, pero más aún en las fases G ₁ y G ₂ del ciclo celular dentro del núcleo. Dependiendo del requisito, un gen estructural puede transcribir una a numerosas moléculas de ARN. Los productos de transcripción se mueven hacia el citoplasma para la traducción.

En procariotas, la transcripción ocurre en contacto con el citoplasma ya que su ADN se encuentra en el citoplasma. La transcripción requiere una ARN polimerasa dependiente de ADN. Los eucariotas tienen tres polimerasas de ARN, Pol I (Pol A) (para ribosomal o ARNr, excepto el ARNr 5S), Pol II (para ARNm, snRNS) y Pol III (para transferencia o ARNt, ARNr 5S y algunos snRNA). Las ARN polimerasas eucariotas también requieren factores de transcripción para la iniciación.

Diferentes partes del ADN están involucradas en la transcripción de varios ácidos ribonucleicos. Los procariotas solo tienen una ARN polimerasa que sintetiza todos los tipos de ARN. La polimerasa de ARN de Escherichia coli tiene cinco cadenas polipeptídicas β, β ', α, α' y un factor σ (sigma). La holoenzima tiene un peso molecular de 4, 50, 000. Sigma o un factor reconoce la señal de inicio o la región promotora (caja TATA) del ADN.

La parte de la enzima polimerasa menos el factor с se llama enzima central (Fig. 6.17). Los polipéptidos α y α 'son protectores, mientras que los β y β' son de naturaleza catalítica.

Se requiere un factor de terminación llamado factor Rho (p) para la terminación de la transcripción. También se requieren una serie de otros factores: para desenrollar el dúplex de ADN, la estabilización de la cadena de ADN desenrollada, el emparejamiento de bases, la separación y el procesamiento del ARN transcrito.

1. Activación de los ribo-nucleótidos:

Los ribonucleótidos difieren de los desoxirribonucleótidos en que tienen azúcar ribosa en lugar de azúcar desoxirribosa. El monofosfato de timidina se reemplaza por el monofosfato de uridina. Los cuatro tipos de ribonucleótidos son monofosfato de adenosina (AMP), monofosfato de guanosina (GMP), monosfosfato de uridina (UMP) y monofosfato de citidina (CMP). Ocurren libremente en el nucleoplasma. Antes de la transcripción, los nucleótidos se activan a través de la fosforilación. La enzima fosforilasa se requiere junto con la energía. Los ribonucleótidos activados o fosforilados son el trifosfato de adenosina (ATP), el trifosfato de guanosina (GTP), el trifosfato de uridina (UTP) y el trifosfato de citidina (CTP).

2. Plantilla de ADN:

En señales específicas, los segmentos de ADN correspondientes a uno o más cistrones se vuelven a reprimir y están listos para transcribir. Cada uno de dichos segmentos de transcripción de ADN tiene una región promotora, sitio de iniciación, región codificante y una región terminadora. La transcripción comienza en el sitio de inicio y finaliza en la región del terminador. Una región promotora tiene un sitio de reconocimiento de ARN polimerasa y un sitio de unión de ARN polimerasa.

La apertura de la cadena ocurre en la región ocupada por los nucleótidos TATAATG (caja TATA) en la mayoría de los procariotas. Las enzimas requeridas para la separación de cadenas son las windasas, las girasas y las proteínas de unión de cadena simple. La región terminadora tiene una secuencia de bases poli A o una secuencia palindrómica (secuencia de bases idénticas que se ejecuta en direcciones opuestas en las dos cadenas de ADN).

La ARN polimerasa (común en procariotas y específica en eucariotas) se une a la región promotora. Las dos cadenas de ADN se desenrollan progresivamente del sitio de unión de la polimerasa. Una de las dos cadenas de ADN (3'— »5 ') funciona como una plantilla para la transcripción de ARN. Se llama master, plantilla o cadena antisentido. La formación de la transcripción ocurre en la dirección 5 '-> 3'.

3. Emparejamiento de base:

Los trifosfatos de ribonucleósidos presentes en el medio circundante se encuentran opuestos a las bases nitrogenadas de la plantilla de ADN (cadena antisentido). Forman pares complementarios, U opuesto a A, A opuesto a T, С opuesto a G y G opuesto a C. Se libera pirofosfato de cada ribonucleósido trifosfato para formar ribonucleótido. El pirofosfato se hidroliza con la ayuda de la enzima pirofosfatasa. Libera energía.

4. Formación de la cadena:

Con la ayuda de la ARN polimerasa, los ribonucleótidos adyacentes mantenidos sobre la plantilla de ADN se unen para formar una cadena de ARN. En procariotas, una única polimerasa reconoce el promotor y la región de iniciación. En los eucariotas, hay factores de transcripción separados y ARN polimerasa para la activación de la transcripción. A medida que se inicia la formación de la cadena de ARN, se separa el factor sigma (a) de la ARN polimerasa procariótica. La ARN polimerasa (enzima central) se mueve a lo largo de la plantilla de ADN causando el alargamiento de la cadena de ARN a una velocidad de unos 30 nucleótidos por segundo. La síntesis de ARN se detiene tan pronto como la polimerasa alcanza la región del terminador. El factor Rho (p) es requerido para esto. La región del terminador tiene una señal de parada. También posee 4-8 A-nucleótidos.

5. Separación de ARN:

La terminación o el factor rho tiene actividad ATP-ase (Roberts, 1976). Ayuda en la liberación de la cadena de ARN completada. El ARN liberado se llama transcripción primaria. Se procesa para formar ARN funcionales. En muchos procariotas, algunos de los genes estructurales de las funciones relacionadas se agrupan en operones. Un operón se transcribe como una sola unidad. Tal unidad de transcripción produce un ARNm policistrónico. En eucariotas, la unidad de transcripción produce un ARNm mono-cistrónico.

6. Formación dúplex. Después de la liberación de la transcripción primaria, las dos cadenas de ADN establecen vínculos entre pares de bases complementarias. Se liberan girasas, unwindases y proteínas SSB. En consecuencia se reanuda la forma helicoidal doble del ADN.

7. Procesamiento post-transcripción:

La transcripción primaria es a menudo más grande que los ARN funcionales. Esta transcripción primaria se llama ARN nuclear heterogéneo o ARNnhn, especialmente en el caso de ARNm. El procesamiento posterior a la transcripción es necesario para convertir la transcripción primaria de todos los tipos de ARN en ARN funcionales (Fig. 6.18). Es de cuatro tipos:

(i) Escisión:

Los precursores de ARN más grandes se escinden para formar ARN más pequeños. Transcripción primaria de ARNr es 45 S en eucariotas. Se escinde para formar lo siguiente:

La transcripción primaria también se escinde por la rfoonucleasa-P (una enzima ARN). Una transcripción primaria puede formar 5-7 precursores de ARNt.

(ii) Empalme:

Las transcripciones eucarióticas poseen segmentos adicionales llamados intrones o secuencias intermedias o secuencias no codificantes. No aparecen en el ARN maduro o procesado. Las secuencias codificantes funcionales se llaman exones. El empalme es la eliminación de intrones y la fusión de exones para formar ARN funcionales. Cada intrón comienza con el dinucleótido GU y termina con el dinucleótido AG (regla GU-AG).

Son reconocidos por los componentes del aparato de empalme de Sn-RNPs (pronunciado como snurps) o pequeñas ribonucleoproteínas nucleares (viz-Ul, U2, U4, U5, U6). Un complejo llamado spliceosome se forma entre el extremo 5 '(GU) y el extremo 3' (AG) del intrón. La energía se obtiene de ATR. Quita el intrón. Los exones adyacentes se juntan. Los extremos están sellados por la ARN ligasa (Fig. 6.18).

Los intrones no son de desarrollo reciente. Aparecieron cuando la maquinaria genética centrada en el ARN estaba en su lugar. Por lo tanto, los genes divididos y las transcripciones divididas son características antiguas del sistema genético. El empalme sigue siendo la función catalítica mediada por ARN. Muchos más de estos procesos dependientes de ARN están saliendo a la luz.

(iii) Adiciones de terminales (Capping y Tailing):

Se agregan nucleótidos adicionales a los extremos de los ARN para funciones específicas, por ejemplo, segmento CCA en ARNt, nucleótidos de tapa en el extremo 5 'del ARNm o segmentos poli-A (200-300 residuos) en el extremo 3' del ARNm. La tapa se forma mediante la modificación de GTP en 7-metil guanosina o 7mG.

(iv) Modificaciones de nucleótidos:

Son más comunes en el ARNt: metilación (p. Ej., Metilcitosina, metil guanosina), desaminación (p. Ej., Inosina de adenina), dihidrouracilo, pseudouracilo, etc.

En procariotas, el ARNm no requiere ningún procesamiento elaborado para activarse. Además, la transcripción y la traducción se producen en la misma región. Da como resultado el inicio de la traducción incluso antes de que el ARNm esté completamente formado.

La síntesis in vitro de ARN se realizó por primera vez por Ochoa (1967).