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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Facultad de Ciencias Biológicas Escuela académico profesional de Microbiología y Parasitología

TRANSCRIPCIÓN En eucariotas y procariotas

Integrantes: Rodriguez Jara, Brenda Elizabeth Saguma Moreno, Angie Paola Santos Montero, Wendy Yajhayra Curso: Genética General Ciclo:V Sección: B     2014

INTRODUCCIÓN

La transcripción es un proceso en el que la información genética del ADN pasa al ARN mensajero (ARNm). Es el primer paso de la síntesis de proteínas. El ARNm transporta la información desde el núcleo, donde está codificada en el ADN, hasta el citoplasma, donde se encuentran los ribosomas. El paso de ADN a ARNm se hace construyendo una copia complementaria nucleótido a nucleótido teniendo en cuenta que en el ARNm el uracilo es el complementario a la adenina. Esta copia la realiza la enzima ARN polimerasa II en tres etapas: iniciación, elongación y terminación. La ARN polimerasa II se une a un sitio específico del ADN llamado promotor para comenzar la transcripción. No todos los genes se expresan sino que en cada tipo celular y en cada momento funcional hay un perfil de expresión génica que proporciona a cada célula su identidad y le permite adaptarse a las funciones que debe realizar. Los procesos de regulación de la transcripción dirigen esta expresión diferencial de genes en los distintos tipos celulares y en los distintos estados funcionales. La transcripción del ADN es el primer proceso de la expresión génica, mediante el cual se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios. Durante la transcripción genética, las secuencias de ADN son copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa que sintetiza un ARN mensajero que mantiene la información de la secuencia del ADN. De esta manera, la transcripción del ADN también podría llamarse síntesis del ARN mensajero.

TRANSCRIPCIÓN

I.

TRANSCRIPCION EN EUCARIOTAS 1.1.

Pre iniciación

Al contrario de la replicación de ADN, durante el inicio de la transcripción no se requiere la presencia de un cebador para sintetizar la nueva cadena, de ARN en este caso. Antes del inicio de la transcripción se necesita toda una serie de factores de transcripción que ejercen los factores de iniciación. Estos

se

unen

a

secuencias específicas de ADN para

reconocer

el

sitio

donde

la

transcripción ha de comenzar.

Esta

secuencia de ADN en

Figura 1. Características del de transcripción

proceso

la

que

se

ensamblan

los

complejos

de

transcripción

se

llama promotor. Los promotores se localizan en los extremos 5'-terminales de los genes, antes del comienzo del gen, y a ellos se unen los factores de transcripción mediante fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno. Los promotores tienen secuencias reguladoras definidas, muy conservadas en cada especie, donde las más conocidas son la caja TATA (situada sobre la región -10), con la secuencia consenso TATA(A/T)A(A/T); y la caja TTGACA (situada en el punto -35). La formación del complejo de transcripción se realiza sobre el promotor TATA, allí se forma el núcleo del complejo de iniciación. Sobre la caja TATA se fija una proteína de unión (TBP) junto con el factor de transcripción TFII

D

(TF proviene del inglés: transcription factor).

Después, a ellos se unen otros factores de transcripción específicos: TF II B se une a TBP, TFII A (opcional), que estabiliza el complejo TF II B-TBP; luego se une el complejo TFII F y ARN polimerasa, y al final TF II E y TFII H. Todo ello forma un complejo que se llama «complejo de preiniciación cerrado» o PIC. Cuando la estructura se abre por mediación del factor de transcripción TF II

H

, da

comienzo la iniciación y al «complejo abierto» (por su acción helicasa dependiente de ATP).

1.2. Iniciación Primero, una Helicasa separa las hebras de ADN en estas denominadas cajas TATA, ya que entre adenina y timina se establecen dos enlaces de hidrógeno, mientras que entre citosina y guanina se forman tres. Posteriormente se unen los factores y las proteínas de transcripción (TBP, TF2D, TF2B) permitiendo, de esta manera, el acceso de la ARN polimerasa al molde de ADN de cadena simple, siendo esta la última en posicionarse. Aunque la búsqueda del promotor por la ARN polimerasa es muy rápida, la formación de la «burbuja de

transcripción» o apertura del ADN y la síntesis del cebador es muy lenta. La burbuja

de

transcripción apertura

es

de

una ADN

desnaturalizado de 18 pares de bases, donde empieza a sintetizarse el

ARN

partir

del

cebador

a

nucleótido

número 10 del ADN molde de la burbuja de

Figura 2. Factores específicos de transcripción

transcripción.

La

burbuja

de

transcripción se llama «complejo abierto». La

ARN polimerasa es una enzima formada por 5 subunidades: 2 subunidades α, 1 subunidad β, 1 subunidad β' y 1 subunidad ω que tiene como función la unión de ribonucleótidos trifosfato. Cuando se forma el complejo abierto, la ARN

polimerasa

comienza

a

unir

ribonucleótidos

mediante

enlaces fosfodiéster, y una vez que se forma el primer enlace fosfodiéster, acaba la etapa de iniciación y comienza así la siguiente etapa. 1.3. Disgregación del promotor Una vez sintetizado el primer enlace fosfodiéster, se debe deshacer el complejo del promotor para que quede limpio para volver a funcionar de nuevo. Durante esta fase hay una tendencia a desprenderse el transcrito inicial de ARN y producir transcritos truncados, dando lugar a una iniciación abortada, común tanto en procariontes como eucariontes. Una vez que la cadena transcrita alcanza una longitud de unos 23 nucleótidos, el complejo ya no se desliza y da lugar a la siguiente fase, la elongación. La disgregación del promotor coincide con una fosforilación de la serina 5 del dominio carboxilo terminal de la ARN polimerasa, que es fosforilado por el TF II H

(que es una proteína quinasa dependiente de ATP)

1.4.

Elongación

La ARN polimerasa cataliza la elongación de cadena del ARN. Una cadena de ARN se une por apareamiento de bases a la cadena de ADN, y para que se formen correctamente los enlaces de hidrógeno que determina el siguiente nucleótido del molde de ADN, el centro activo de la ARN polimerasa reconoce a los ribonucleótidos trifosfato entrantes. Cuando el nucleótido entrante forma los enlaces de hidrógeno idóneos, entonces la ARN polimerasa cataliza

la formación del enlace fosfodiéster que corresponde. A esto se le llama elongación, la segunda etapa de la transcripción del ARN. 1.5.

Terminación Al finalizar la síntesis de ARNm, esta molécula ya se ha separado completamente del ADN (que recupera su forma original) y también de la ARN polimerasa, terminando la transcripción. La terminación es otra etapa distinta de la transcripción, porque justo cuando el complejo de transcripción se ha ensamblado activamente debe desensamblarse una vez que la elongación se ha completado. La terminación está señalizada por la información contenida en sitios de la secuencia del ADN que se está transcribiendo, por lo que la ARN polimerasa se detiene al transcribir algunas secuencias

especiales

del

ADN.

Estas

secuencias

son

ricas

en guanina y citosina, situadas en el extremo de los genes, seguidas de secuencias ricas en timina, formando secuencias palindrómicas, que cuando se transcriben el ARN recién sintetizado adopta una «estructura en horquilla» que desestabiliza el complejo ARN-ADN, obligando a separarse de la ARN polimerasa, renaturalizándose la burbuja de transcripción. Algunas secuencias de ADN carecen de la secuencia de terminación, sino que poseen otra secuencia a la que se unen una serie de proteínas reguladoras específicas de la terminación de la transcripción como rho.

Figura 3. Etapas del proceso de Transcripción en Eucariotas

II. CIÓN

EN

TRASCRIP PROCARIOTAS

La transcripción es la síntesis de ARN tomando como molde el ADN, y significa el paso de la información contenida en el ADN hacia el ARN. Es realizada por las enzimas ARN polimerasas (ARNpol) que utilizan como molde una cadena de ADN. Las ARNpol recorren la cadena de ADN en sentido 3` 5`y añaden los nucleótidos complementarios a los de la cadena de ADN que se transcribe. La ARN polimerasa empareja A,C,G y T del ADN con A,C,G y U de la cadena de ARN que va creciendo. Así la secuencia de bases del ARN es complementaria a la

secuencia de la cadena codificadora e igual a la secuencia estabilizadora del ADN, cambiando T por U.

de la cadena

La molécula de ARN crece en sentido 5`-> 3`, pues añaden los ribonucleótidos en el extremo 3`OH libre de la cadena naciente. Cada vez que se añade un nucleótido trifosfato (NTP), el extremo 5del nucleótido se une al 3`libre de la cadena que se está formando mediante un enlace fosfodiéster y se libera un pirofosfato. La transcripción es asimétrica: solamente se trascribe para cada gen una de las dos cadenas del ADN. La cadena trascrita se llama codificadora, y la cadena de ADN que no se transcribe se denomina estabilizadora. En los organismos eucariotas, para cada gen, solamente se transcribe una cadena de ADN (la codificadora), de forma que genes distintos del mismo cromosoma pueden utilizar como codificadora una cadena diferente a la de otros genes.

En bacterias existe solamente una ARN polimerasa que sintetiza todos los tipos de ARN. La ARN polimerasa de E. coli está formada por varios polipéptidos: dos α, uno β, otro β`. Además la enzima completa u holoenzima tiene el factor ∂ (sigma) necesario para iniciar la transcripción, aunque una vez iniciada la transcripción se libera y el núcleo central prosigue con la elongación del ARN. En la Figura 4.Sub unidades de ARN transcripción se distinguen polimerasa tres etapas: iniciación, elongación y terminación.

Las bacterias, como E. coli, contienen un solo tipo de polimerasa de RNA compuesto de cinco subunidades en estrecha relación para formar un núcleo enzimático. Si el núcleo de la enzima se purifica de las células bacterianas y agrega a una solución de moléculas de DNA bacteriano y trifosfatos de ribonucleósido, la enzima une al DNA y sintetiza RNA. Sin embargo, las moléculas de RNA generadas por una polimerasa purificada no son las mismas que las halladas dentro de las células debido a que el núcleo de la enzima se une a sitios del DNA de manera aleatoria y éstos, en condiciones normales, se ignoran in vivo. No obstante, si un polipéptido accesorio purificado llamado factor sigma (σ) se agrega a la RNA polimerasa de RNA antes que ésta se una al DNA, la transcripción comienza en sitios específicos (figura 5). En el modelo tradicional ilustrado aquí, el factor σ se disocia de la enzima central, la cual es capaz de realizar la elongación transcripcional. Estudios recientes sugieren que σ podría permanecer unido a la polimerasa.

Figura 5. Ganancia y pérdida de la enzima que permitirá la

Figura 6. Cadena de ARN naciente y secuencias del promotor: secuencia -35 y secuencia -10, que permitirán unión específica. La RNA de E.coli tiene una serie de características que son comunes a las demás polimerasas, pero también tiene características específicas de la RNA polimerasa bacteriana. Algunas características de la RNA polimerasa son: Está formada por diversas subunidades. Su función es la de sintetizar RNA a partir de NTP, por lo que necesitarán un DNA molde. La síntesis de RNA se produce en dirección 3’ – 5’. - No necesita primer. El enzima entero, el holoenzima, consta de 5 subunidades, distribuidas así: (α2ββ’)σ. Podemos diferenciar dos partes en el enzima, el núcleo o core y la subunidad σ. Si bien el core tiene la capacidad de sintetizar nuevo RNA, sólo el enzima entero sería capaz de realizar correctamente la transcripción, ya que la subunidad σ es básica para el reconocimiento del punto de inicio, ya que sin ella, la transcripción empezaría en cualquier punto. Unidad Gen Peso α RpoA 40 KDa β RpoB 155 KDa β’ RpoC 160 KDa σ rpoD 32 – 90 KDa El conjunto de toda la RNA polimerasa pesa unos 455 KDa. La función de α es la de mantener unido el enzima y la de permitir la unión de otras proteínas reguladoras. β y β’ forman el centro catalítico, que sintetiza el RNA. Existen antibióticos que pueden actuar a nivel de estas proteínas, como la rifampicina. Estas dos subunidades tienen unidos dos átomos de Zn. σ es la parte que es capaz de reconocer específicamente y de manera estable el promotor. Su función es la de aumentar las probabilidades de que se una donde debe. Una vez se ha iniciado la transcripción, σ se desprende y continúa el core la Transcripción. La transcripción consta de 4 partes. 2.1.

Reconocimiento del promotor Se cree que la RNA polimerasa está unida al DNA y se va deslizando por encima de él, hasta encontrar un promotor. Se considera probable que el enzima tenga la capacidad de reconocer las estructuras de los

2.2.

puentes de hidrógeno de las cajas de –10 y –35. La RNA polimerasa se coloca principalmente sobre una de las dos cadenas que componen el DNA. El DNA, cuando la RNA polimerasa reconozca al promotor, deberá pasar de un complejo cerrado, con las dos cadenas unidas, a uno abierto, con las cadenas separadas, para poder realizar la transcripción. La región de DNA cuyas dos cadenas se separan va de –9 a +20. Esta es la primera función de la RNA polimerasa, separar las dos cadenas. El enzima completo cubre desde la posición –55 a la +20. Se cree que la secuencia de –35 es la de reconocmiento por el enzima, mientras que la de –10 es la que indica el punto donde se deberían separar las dos cadenas. Se trata de una región rica en T y A, por lo que será más fácil de separar. Además se forma una pequeña curva en el DNA, donde se transcribe, que es básica para el inicio de la transcripción. Iniciación El primer nucleótido puede ser cualquier purina, aunque normalmente se trata de A, en más del 50% de los casos. El inicio de la transcripción es una iniciación abortiva, en la cual la RNA polimerasa sintetiza un oligonucleótido de entre 2 y 9 bases. Después deja ir a este nucleótido e inicia la síntesis de nuevo. Este proceso se repite unas cuantas veces, momento en que se dice que la RNA polimerasa está en forma de iniciación. La subunidad σ sigue unida todavía al RNA en esta fase, hasta que consiga alcanzar la siguiente fase. Es en esta fase cuando la RNA polimerasa puede ser inhibida por la rifampicina. La fase se conoce como promotor clearance o despeje del promotor. Esta fase implica una limitación de velocidad, el tiempo que tarda en superar esta fase. Los promotores fuertes tardan menos tiempo. Pasado un cierto tiempo, se consigue superar esta fase y se entra en la siguiente fase, mucho más estable. En el ADN existen unas secuencias llamadas promotoras donde se inicia la transcripición. Para que se incicie la transcripción, el factor ∂ debe estar unido al núcleocentral de la ARN polimerasa, porque es el responsable de la enzima reconozca al promotor y se una a el. A continuación comienza a separar las dos cadenas de ADN y comienza la transcripción. La actividad de los promotores puede modificarse por la presencia de otras secuencias, que suelen estar cercad de las promotoras y pueden ser estimuladoras (aumentan la tasa de transcripción) o atenuadoras (que disminuyen la tasa de transcripción). ∂70 (factor de iniciación) reconoce las secuencias características del promotor y se une a ellas

Figura 7. Iniciación del proceso de Transcripción procariota 2.3.

Elongación Mientras aún está ligada al promotor, la ARN polimerasa genera transcritos cortos en forma repetida (2 a 6 nucleótidos de longitud) y los libera. Después de varios intentos fallidos, la polimerasa sintetiza una molécula de ARN de 9 a 12 nucleótidos de longitud que le permite avanzar hacia la de elongación. Comienzo de la elongación Al final del inicio, la ARN polimerasa sufre un cambio de conformación (morfológica) y ya no es capaz de unirse a las secuencias consenso del promotor. Esto permite escaparse del promotor y comenzar a moverse corriente abajo. La subunidad sigma suele ser liberada después del inicio Figura 8: Transcripción del ADN. aunque algunas poblaciones de ARN polimerasa pueden el factor sigma durante toda la elongación. A medida que la ARN polimerasa se mueve corriente abajo sobre el molde y desenrolla en forma progresiva el ADN en el extremo líder (downstream) de la burbuja de transcripción, ésta une nucleotidos a la molecula de ARN de acuerdo con la secuencia presente en el molde y vuelve a enrollar el ADN corriente arriba de la burbuja (upstream). La transcripción se produce dentro de un tramo de alrededor de 18 nucleótidos de ADN desenrollado: la burbuja de transcripción. Dentro de esta región el ARN se sintetiza en forma continua mediante el uso de ADN de cadena simple como molde. En cualquier momento dado, alrededor de 8 nucleótidos de ARN recién sintetizado se aparean con los nucleótidos del molde de ADN. A medida que el apartado de transcripción avanza sobre el molde de ADN, genera un superenrollamiento positivo por delante de la burbuja de transcripción y un superenrollamiento negativo por detrás de ella. Es probable que la topoisomerasas alivie la tensión asociada con el desenrollamiento del ADN y su nuevo enrollamiento durante la transcripción, como lo hace en la replicación del ADN.

A pesar de la gran precisión que posee la ARN polimerasa al incorporar nucleótidos a la cadena creciente, es frecuente que ocurran errores. La ARN es capaz de realizar algún tipo de corrección (proofreading) mientras transcribe. Cuando la ARN polimerasa incorpora un nucleótido no complementario al que se encuentra en la cadena molde de ADN, retrocede y elimina hasta dos nucleótidos de la cadena de ARN creciente (incluido el nucleótido erróneo). Después, la ARN polimerasa continúa con la transcripción del ADN molde otra vez.

2.4.

Terminación

La ARN polimerasa se mueve sobre el molde y añade nucleótidos al extremo 3’ de la cadena creciente de ARN hasta que se Figura 9: Síntesis de ARN. Puede transcribe un terminador. La polimerasa no observarse la ARN polimerasa (figura detiene abruptamente la transcripción ovoide) y la formación de una cuando llega un terminador sino que la “burbuja” en el ADN, que se desplaza transcripción finaliza una vez transcrito el conforme se separan reúnen las dos cadenas de este último. terminador. En el terminador se requieren varios eventos superpuestos para que finalice la transcripción: La ARN plorimerasa debe dejar de sintetizar ARN, la molécula de ARN debe ser liberada de la ARN polimerasa, la nueva molécula de ARN debe disociarse por completo del ADN y la ARN polimerasa debe desprenderse del molde de ADN. Las bacterias poseen dos tipos principales de terminadores. Los terminadores dependientes de rho son capaces de provocar la terminación de la transcripción sólo en presencia de una proteína auxiliar denominada factor rho. Los terminadores independientes de rho pueden provocar la finalización de la transcripción en ausencia de rho. Además, en las bacterias, generalmente se transcribe un grupo de genes en una única molécula de ARN, que es llamada ARN policistrónico. Entonces, este ARN policistrónico se produce cuando hay un solo terminador presente al final de un grupo de genes que se transcriben juntos, en lugar de que cada gen tenga su propio terminador. Por el contrario, los genes eucariontes se suelen transcribir por separado, cada uno con su terminador; por lo que es poco común encontrar ARNm policistrónico en eucariontes.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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