Fundamentos del ARN: Estructura, Tipos y Procesos de Transcripción

El ARN: Naturaleza y Composición

El ARN (Ácido Ribonucleico) es un polímero lineal conformado por cuatro tipos de nucleótidos enlazados por medio de enlaces fosfodiéster. A diferencia del ADN, los nucleótidos del ARN son ribonucleótidos, es decir, contienen ribosa en lugar de desoxirribosa. Además, el ARN contiene uracilo (U) en lugar de timina (T).

Estructura Tridimensional del ARN

Las estructuras 3D del ARN son formadas principalmente por apareamientos canónicos (Watson-Crick) entre las bases nitrogenadas (A-U, G-C). Eventualmente, la presencia de apareamientos no canónicos también contribuye a la estabilidad de la estructura. Las secuencias palindrómicas permiten el pliegue de la molécula de ARN sobre sí misma, formando estructuras secundarias como horquillas. Con frecuencia, estas estructuras plegadas tienen actividad catalítica (ribozimas).

Componentes y Estructura Básica

El ARN consiste en una cadena de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por:

• Un azúcar: ribosa.
• Una base nitrogenada: adenina (A), guanina (G), citosina (C) o uracilo (U).
• Un grupo fosfato.

El ARN tiene un eje formado por grupos fosfato alternantes y el azúcar ribosa. En estructuras de doble hebra (o regiones de doble hebra), las hebras se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases.

Tipos de Moléculas de ARN y sus Funciones

• ARN mensajero (ARNm): Porta el código genético desde el ADN hasta los ribosomas para la síntesis de proteínas.
• ARN ribosomal (ARNr): Componente estructural principal de los ribosomas; cataliza la formación de enlaces peptídicos durante la síntesis de proteínas.
• ARN de transferencia (ARNt): Transporta aminoácidos específicos al ribosoma para incorporarlos a la cadena polipeptídica en crecimiento, según el código del ARNm.
• ARN pequeño nuclear (ARNsn): Participa en diversos procesos nucleares, incluyendo el corte y empalme (splicing) del pre-ARNm.
• ARN pequeño nucleolar (ARNsno): Ayuda a procesar y modificar químicamente al ARNr.
• Micro ARN (ARNmi o miRNA): Moléculas pequeñas que regulan la expresión génica, generalmente silenciando ARNm específicos.

La Transcripción: Del ADN al ARN

La transcripción es el proceso celular mediante el cual se copia una secuencia de ADN para sintetizar una molécula de ARN complementaria, comúnmente ARNm. En eucariotas, este proceso ocurre principalmente en el núcleo.

Etapas Generales de la Transcripción

1. Iniciación: Los factores de transcripción se ensamblan en una región específica del ADN llamada promotor, ubicada cerca del gen a transcribir. La ARN polimerasa se une a estos factores, formando el complejo de iniciación de la transcripción y desenrollando localmente el ADN.
2. Elongación: La ARN polimerasa se desplaza a lo largo del gen, leyendo la hebra molde de ADN y sintetizando una hebra complementaria de ARN en dirección 5′ a 3′.
3. Terminación: La transcripción finaliza cuando la ARN polimerasa encuentra una secuencia de terminación en el ADN. La enzima se desprende del ADN y libera la molécula de ARN recién sintetizada.

Reconocimiento del ADN

Generalidades

El ADN tiene dos cadenas que conforman una estructura helicoidal llamada doble hélice. Los nucleótidos adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C) son los cuatro elementos fundamentales. Forman pares de bases específicos (A con T y G con C) mediante enlaces de hidrógeno que unen las dos cadenas.

Proteínas de Unión a ADN y Reconocimiento

Diversas proteínas interactúan específicamente con el ADN:

• Histonas: Se unen al ADN para formar la cromatina en los cromosomas eucariotas.
• Proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins): Se unen al ADN de cadena sencilla (ssDNA), estabilizándolo.
• Factores de transcripción: Proteínas que se unen a secuencias específicas del ADN para regular la expresión génica.
• Oct-1: Un ejemplo de factor de transcripción que puede unirse a diferentes motivos de ADN.

Esquema Detallado de la Transcripción

Proceso de Transcripción en Procariotas

En procariotas, la transcripción es llevada a cabo por una única ARN polimerasa.

• La ARN polimerasa holoenzima está conformada por el núcleo de la polimerasa y la subunidad sigma (σ).
• La función de la subunidad sigma es reconocer y unirse específicamente a la región promotora del ADN.
• Esta unión provoca la separación de las hebras de ADN, formando la burbuja de transcripción.
• Los primeros ~10 nucleótidos a menudo se sintetizan en un proceso llamado iniciación abortiva, donde la polimerasa permanece unida al promotor y libera pequeños transcritos.
• Tras una iniciación exitosa, se libera la subunidad sigma y la polimerasa se desprende del promotor, entrando en la fase de elongación.
• Síntesis: Ocurre a una velocidad aproximada de 50 nucleótidos por segundo.
• Terminación: La polimerasa reconoce una región de terminación en el ADN, lo que detiene la síntesis y libera el ARN.

Síntesis del ARNm Procariota (Resumen)

1. La ARN polimerasa (con sigma) se une a la secuencia promotora.
2. La ARN polimerasa sintetiza el ARNm en dirección 5′ a 3′, usando la hebra molde de ADN.
3. La transcripción termina al encontrar una señal de terminación.
4. La ARN polimerasa se desprende del ADN y el ARNm es liberado (y puede ser traducido inmediatamente).

ARN Polimerasa vs. ADN Polimerasa

• Tasa de error: La ARN polimerasa tiene una mayor tasa de error (aprox. 1 en 10⁴ nucleótidos) que la ADN polimerasa (aprox. 1 en 10⁷).
• Procesividad: La ARN polimerasa es una enzima con alta procesividad; generalmente, una única enzima transcribe un gen completo.
• Cebadores: A diferencia de la ADN polimerasa, la ARN polimerasa no requiere cebadores (primers) para iniciar la síntesis.
• Energía: Utiliza la energía liberada de la hidrólisis de los enlaces de alta energía de los ribonucleósidos trifosfato (ATP, UTP, CTP, GTP).
• Corrección de errores: Posee una capacidad limitada de corrección de errores (proofreading) comparada con la ADN polimerasa.

Transcripción en Eucariotas

La transcripción en eucariotas es más compleja que en procariotas, involucrando múltiples ARN polimerasas y factores de transcripción.

Subtipos de ARN Polimerasa en Eucariotas

• ARN Pol I: Transcribe los genes del ARN ribosomal (ARNr) grandes (18S, 5.8S y 28S). Se localiza en el nucléolo.
• ARN Pol II: Transcribe todos los genes que codifican proteínas (resultando en ARNm), además de la mayoría de los ARNsn, algunos ARNsno y los ARNmi.
• ARN Pol III: Transcribe los genes para ARNt, el ARNr 5S, algunos ARNsn y otros ARN pequeños.

Factores de Transcripción Generales (para Pol II)

Son necesarios para el inicio de la transcripción por la ARN Pol II en la mayoría de los promotores.

• Factor TFIID: Complejo multiproteico compuesto por:
  • TBP (TATA-Binding Protein): Una subunidad que reconoce y se une a la caja TATA (si está presente) en el promotor.
  • TAF (TBP-Associated Factors): ~11 subunidades que regulan la unión de TBP y reconocen otras secuencias cerca del punto de inicio de la transcripción (como el elemento Inr o DPE).
• Unión de TBP al ADN:
  • Reconoce el ADN por el surco menor.
  • Induce una curvatura significativa en la estructura del ADN, que actúa como señal para el ensamblaje de otros factores.
• Factor general TFIIB: Reconoce el elemento promotor BRE (B Recognition Element). Actúa como puente, enlazando TFIID (TBP) con la ARN Pol II.
• Factor general TFIIF: Se une a la ARN Pol II y ayuda a reclutarla al promotor. Estabiliza la interacción de la polimerasa con TBP y TFIIB. Atrae a TFIIE y TFIIH. Incrementa la afinidad y la eficiencia de la polimerasa. Ayuda a evitar uniones incorrectas a regiones no promotoras.
• Factor general TFIIE: Recluta y regula a TFIIH.
• Factor general TFIIH: Tiene actividad helicasa (desenrolla el ADN en el promotor) y actividad quinasa (fosforila el dominio C-terminal de la ARN Pol II).

Complejo de Preiniciación (PIC)

Es el conjunto de factores de transcripción generales y la ARN polimerasa II ensamblados en el promotor antes del inicio de la transcripción. Sus componentes clave incluyen:

• ARN polimerasa II
• Factores de transcripción generales: TFIIA, TFIIB, TFIID (TBP + TAFs), TFIIE, TFIIF y TFIIH.
• ADN (Promotor)
• A menudo interactúa con el complejo Coactivador Mediador.

Secuencias Consenso en Promotores Eucariotas (Pol II)

Son motivos de nucleótidos conservados que se encuentran en los promotores y son reconocidos por los factores de transcripción generales. Ejemplos incluyen la caja TATA, el elemento BRE, el iniciador (Inr) y el elemento promotor downstream (DPE).

Consideraciones Finales sobre la Iniciación Eucariota

• Una vez que comienza la elongación, la polimerasa se libera de la mayoría de los factores de transcripción generales.
• Este proceso es facilitado por la fosforilación del dominio C terminal (CTD) de la subunidad mayor de la ARN Pol II, principalmente por TFIIH.
• La fosforilación del CTD también es crucial para reclutar factores involucrados en el procesamiento del ARN (capping, splicing, poliadenilación) y el control de calidad del transcrito emergente.

Elongación de la Transcripción en Eucariotas

• Por acción de las topoisomerasas, se maneja el superenrollamiento del ADN generado por el avance del complejo de transcripción (positivo aguas arriba, negativo aguas abajo).
• El ADN aguas abajo (a transcribir) descansa en un surco dentro de la enzima, siendo sujetado por estructuras tipo ‘mandíbulas’ formadas por subunidades de la polimerasa.
• El ADN hace un giro agudo en el sitio activo de la enzima para posicionar la hebra molde adecuadamente y dejar espacio para la salida del ARN naciente.
• La reacción de polimerización se da por un ataque nucleofílico del grupo hidroxilo (OH) del extremo 3′ del ARN creciente al fosfato α del ribonucleósido trifosfato entrante.
• El pirofosfato (PPi) liberado es hidrolizado, lo que hace la reacción termodinámicamente favorable y direccional.
• La geometría de las bases en la hebra molde permite la incorporación selectiva de las bases complementarias en el ARN.

Modelos de Terminación (Pol II)

La terminación de la transcripción por la ARN Pol II está acoplada al procesamiento del extremo 3′ del ARNm (clivaje y poliadenilación).

• Modelo alostérico: La transcripción a través de la señal de poliadenilación induce cambios conformacionales en la Pol II (o factores asociados) que disminuyen su procesividad, favoreciendo su liberación del ADN.
• Modelo torpedo: Después del clivaje del ARN en el sitio de poliadenilación, una exonucleasa 5’→3′ (como Xrn2 en humanos) se une al extremo 5′ del ARN remanente unido a la Pol II. Esta exonucleasa degrada rápidamente este ARN y, al alcanzar a la polimerasa, provoca su disociación del ADN.

Regulación Postranscripcional: Del Código al Mensaje Funcional

Tras la transcripción (especialmente en eucariotas), el ARN primario sufre modificaciones para volverse funcional y estable para la traducción.

• El pre-ARNm eucariota contiene exones (secuencias codificantes) e intrones (secuencias no codificantes). Los intrones son eliminados por complejos llamados espliceosomas en un proceso llamado splicing.
• El ARNm maduro adquiere una tapa 5′ (un nucleótido de guanina modificado) y una cola poli-A 3′ (una secuencia de residuos de adenina). Estas modificaciones protegen al ARNm de la degradación, facilitan su exportación del núcleo y promueven la traducción.

Regulación Policistrónica en Procariotas

En procariotas, es común que varios genes estructurales relacionados funcionalmente se transcriban juntos en una sola molécula de ARNm (ARNm policistrónico), formando un operón. La regulación policistrónica controla la expresión coordinada de estos genes.

MicroARN (miARN) y Regulación de la Expresión Génica

Los microARN (miARN) son pequeñas moléculas de ARN no codificante (aprox. 22 nucleótidos) que juegan un papel crucial en la regulación génica postranscripcional.

• Cómo funciona: Los miARN se unen, generalmente por complementariedad imperfecta, a secuencias específicas en la región 3′ no traducida (3′ UTR) de los ARN mensajeros (ARNm) en el citoplasma.
• Esta unión provoca la represión de la traducción del ARNm o su degradación. El ARNm marcado puede ser destruido y sus componentes reciclados.
• Función: Los miARN son fundamentales para regular procesos celulares como la proliferación, diferenciación, desarrollo y apoptosis. Son actores clave en la homeostasis celular. Están presentes en abundancia en las células humanas.
• Si el nivel de un miARN particular está disminuido (subexpresado), la proteína cuya traducción normalmente reprime puede estar aumentada (sobreexpresada), lo que puede tener consecuencias funcionales o patológicas.

Péptido Señal

Un péptido señal es una secuencia corta de aminoácidos (generalmente en el extremo N-terminal) presente en algunas proteínas recién sintetizadas.

• Funciones:
• Actúa como una ‘etiqueta postal’, dirigiendo la proteína a un compartimento celular específico (ej., retículo endoplásmico, mitocondria, núcleo) o a la vía secretora.
• En procariotas, puede orientar la proteína recién sintetizada al canal conductor de proteínas (ej., SecYEG) en la membrana plasmática para su translocación.
• Guía la distribución de las proteínas a sus destinos correctos dentro o fuera de la célula.
• En eucariotas, a menudo dirige la proteína hacia el retículo endoplásmico durante la traducción (translocación cotraduccional). El péptido señal suele ser eliminado por una peptidasa señal una vez que la proteína ha llegado a su destino o ha iniciado su translocación.