Diferencias y Funciones del ARN
- Diferencia con el ADN por la presencia del grupo hidroxilo en posición 2′ y la sustitución de timina (T) por uracilo (U).
- Las moléculas de ARN pueden portar y expresar información genética, además de actuar como catalizadores.
ARN: Posee funciones tanto informativas como catalíticas.
Transcripción: Síntesis de ARN a partir de ADN
Transcripción: Proceso enzimático que convierte la información genética de un segmento de ADN en una cadena de ARN con una secuencia de bases complementaria a una de las cadenas de ADN.
Tipos de ARN
ARN mensajero (ARNm): Portador de las secuencias que codifican la secuencia de aminoácidos de uno o más polipéptidos en crecimiento durante la síntesis proteica.
ARN de transferencia (ARNt): Lee la información codificada en el ARNm y transfiere los aminoácidos adecuados a la cadena polipeptídica en crecimiento durante la síntesis proteica.
ARN ribosómico (ARNr): Se asocia con proteínas formando la intrincada maquinaria para la síntesis de proteínas, el ribosoma.
- Replicación: Copia el cromosoma entero dando lugar a ADN.
- Transcripción: Es selectiva, transcribe solo un gen determinado o un grupo de genes. La transcripción del ADN solo transcribe la información genética necesaria.
Síntesis de ARN dependiente de ADN
- La síntesis de ARN es comparable a la replicación del ADN.
La transcripción es muy similar a la replicación, no requiere cebador, solo afecta generalmente a cortos segmentos de una molécula de ADN y, dentro de estos, solo una de las dos cadenas de ADN actúa como molde.
ARN sintetizado por ARN polimerasa
- La ARN polimerasa dirigida por ADN requiere un molde de ADN, los 4 ribonucleósidos 5′ trifosfatos (ATP, GTP, UTP y CTP).
- La ARN polimerasa elonga una cadena de ARN por adición de unidades de ribonucleótidos al extremo 3′ hidroxilo de la cadena de ARN, construye cadenas de ARN en dirección 5′ a 3′. El grupo 3′ hidroxilo actúa como nucleófilo atacando el fosfato alfa del ribonucleótido trifosfato entrante y liberando pirofosfato.
- La ARN polimerasa requiere ADN para su actividad, siendo más activa con un molde de ADN bicatenario. Solo utiliza una de las dos hebras de ADN como molde, copiada en dirección 3′ a 5′ (antiparalela a la nueva cadena de ARN).
- A diferencia de la ADN polimerasa, la ARN polimerasa no requiere un cebador para iniciar la síntesis. El inicio de la síntesis de ARN solo tiene lugar en secuencias específicas denominadas promotores.
- La síntesis de ARN empieza normalmente con un residuo GTP o ATP, cuyo grupo 5′ trifosfato no es cortado para liberar PPi, se mantiene intacto durante toda la transcripción.
- La ARN polimerasa, tanto de E. coli como de otros organismos, carece de actividad exonucleasa 3′ a 5′ correctora de pruebas.
- Un error ocasional en una molécula de ARN tiene menos consecuencias para la célula que un error en la información permanente almacenada en el ADN.
- La hebra que sirve de molde para la síntesis de ARN se denomina hebra molde o hebra menos (-).
- La hebra de ADN complementaria al molde se denomina hebra no molde o hebra más (+).
- La hebra codificante no tiene función directa ni en la transcripción ni en la síntesis de proteínas.
Inicio de la Síntesis de ARN en Promotores
La ARN polimerasa se une a secuencias específicas del ADN denominadas promotores, que dirigen la transcripción de segmentos adyacentes de ADN (genes). La holoenzima se fija primeramente al ADN y migra a la región -35 formando un complejo cerrado. La ARN polimerasa se fija fuertemente a la región desenrollada formando un complejo abierto. Seguidamente empieza la síntesis de ARN. La unión de la ARN polimerasa a los promotores se facilita por el superenrollamiento del ADN, lo que puede constituir una de las razones por las que el ADN celular se mantiene en estado superenrollado positivo o negativo.
Regulación del Inicio de la Transcripción
Diversas proteínas se unen a secuencias dentro y alrededor del promotor activando la transcripción, facilitando la unión de la ARN polimerasa o reprimiendo la transcripción bloqueando la actividad de la polimerasa.
Represores: Tipificados por el represor Lac, son proteínas que bloquean la síntesis de ARN en genes específicos.
- En el caso de los represores Lac, la síntesis de ARN está bloqueada en los genes de las enzimas que intervienen en el metabolismo de la lactosa.
Tipos de ARN polimerasa en Células Eucariotas
Existen tres polimerasas distintas denominadas I, II y III:
ARN polimerasa I: Responsable de la síntesis de un tipo de ARN transcrito de ARN prerribosómico, que contiene el precursor del ARNr.
ARN polimerasa II: Tiene la función central de sintetizar ARN como un ARN con función especial, reconoce miles de promotores. Las secuencias generalmente son sitios de unión de proteínas denominadas factores de transcripción, que modulan la fijación de la ARN polimerasa al promotor.
ARN polimerasa III: Produce ARNt, ARNr 5S y algunos ARN pequeños especializados. El promotor reconocido por la ARN polimerasa III está bien caracterizado.
Terminación de la Síntesis de ARN
- La síntesis de ARN transcurre hasta que la ARN polimerasa encuentra una secuencia que provoca su disociación.
- La formación de una horquilla destruye parte del híbrido ARN-ADN en el complejo de transcripción.
- La ARN polimerasa se detiene en estas secuencias y se disocia en presencia de la proteína p, que tiene una actividad ARN-ADN helicasa dependiente de ATP y probablemente destruye el híbrido ARN-ADN formado en la transcripción.
Inhibidores Selectivos de la ARN polimerasa dirigida por ADN
- El alargamiento de las cadenas de ARN por la ARN polimerasa en bacterias y eucariotas.
- Puede ser inhibido por el antibiótico actinomicina D, que inhibe la elongación del ARN en células intactas.
- La acridina inhibe la síntesis de ARN de forma similar.
- La rifampicina es un antibiótico inhibidor de la síntesis de ARN que se une específicamente a la subunidad beta de la ARN polimerasa bacteriana impidiendo el inicio de la transcripción.
- La alfa amanitina es un inhibidor específico de la síntesis de ARN en células animales.
Maduración del ARN
- Los ARN de eucariotas son modificados en cierto grado después de la síntesis.
- La molécula de ARN recién sintetizada se denomina transcrito primario.
- Quizás la maduración más extensa de los transcritos primarios tiene lugar en el ARNm de eucariotas y en el ARNt, tanto en bacterias como en eucariotas.
- En la mayoría de los casos, la secuencia codificante está interrumpida por trechos no codificantes denominados intrones.
- Los segmentos codificantes se denominan exones.
- En los transcritos primarios, la mayoría de los ARNt se modifican mediante la eliminación de secuencias de cada extremo (corte) y, a veces, por la eliminación de intrones (corte y empalme).
- La última reacción de modificación postsintética es la degradación completa del ARN. Todos los ARN son reemplazados por ARN recién sintetizado.
Eliminación de Intrones del ARN por Corte y Empalme
- La mayoría de los exones codifican cadenas polipeptídicas de 30 a 50 aminoácidos de longitud.
- Los intrones varían en tamaño mucho más, entre 50 y 20.000 nucleótidos.
- Los genes de eucariotas superiores tienen mucho más ADN dedicado a intrones que a exones.
Tipos de Intrones
Grupo I: Los intrones están en ciertos genes nucleares, mitocondriales y de cloroplastos que codifican ARNr. La reacción de corte y empalme requiere un cofactor nucleósido o nucleótido de guanina. El grupo 3′ hidroxilo de la guanina se utiliza como nucleófilo en el primer paso de la ruta de corte y empalme.
Grupo II: Generalmente en transcritos primarios de ARNm de mitocondrias o cloroplastos. En estos intrones, el patrón es similar excepto que el nucleófilo del primer paso, en lugar de un cofactor externo, es el grupo 2′ hidroxilo de un residuo adenilato dentro del intrón. Los intrones del grupo II no experimentan autocorte y empalme.
Dogma Central del ADN
- Durante la transcripción, la información génica de una porción del ADN es copiada al ARN.
- La transcripción es más selectiva que la replicación.
Características del ARN
Tipos de ARN: Mensajero, Ribosomal, Transferencia.
- El ADN es mucho más estable que el ARN.
- Existen ARN especializados con funciones reguladoras o catalíticas.
- En las células, todos los ácidos nucleicos forman complejos con proteínas.
- Solo una de las dos hebras de ADN codifica proteínas.
Funciones: Almacenamiento y transmisión de información genética (ARNr – ARNt).
Mecanismo de la Síntesis de ARN dependiente de ADN
- La transcripción, al igual que la replicación, utiliza un molde y tiene polaridad (dirección de síntesis).
- Presenta síntesis, iniciación (unión al ADN e inicio de la síntesis de ARN), elongación y terminación.
- La ARN polimerasa es más activa si usa ADN bicatenario como molde.
- No requiere cebador. El inicio de la transcripción ocurre por unión a secuencias específicas llamadas promotores.
- El trifosfato en 5′ no se libera del ARN naciente.
Durante la síntesis se forma una doble hélice híbrida (ADN-ARN) temporal (8 pb). A medida que avanza la reacción, el ARN naciente se separa del molde y el ADN se vuelve a aparear.
La transcripción debe estar regulada. Existen proteínas que activan la transcripción y proteínas represoras que inhiben a la ARN polimerasa.
- La ARN polimerasa no tiene actividad exonucleasa 3′ a 5′ de corrección.
- La ARN polimerasa procariota no se disociaría del ADN, sino que buscaría otro promotor.
Detalles del Mecanismo de Transcripción
Primero, el ADN debe desenrollarse para iniciar la transcripción. Durante la transcripción se mantienen 17 pb desenrollados (burbujas de transcripción). Se incorporan 50-90 nucleótidos por segundo (elongación). El movimiento de la burbuja de transcripción obliga al ADN a superenrollarse por delante y por detrás.
Promotores
Son secuencias de unión de la ARN polimerasa. El reconocimiento del promotor es el paso limitante en la velocidad de la transcripción. Cuanto más se parece un promotor a la secuencia consenso, más eficiente es la transcripción. Las diferencias en las secuencias de los promotores permiten regular la velocidad de transcripción. Las regiones variables de reconocimiento de la ARN polimerasa están ubicadas entre -70 y +30 pb respecto al inicio de la transcripción del gen. Las más frecuentes son dos secuencias a -35 y -10 pb. La subunidad σ se une al elemento UP.
Inicio de la Transcripción
La polimerasa (con el factor σ) se une al promotor y forma un complejo cerrado. El ADN se desenrolla formando un complejo abierto.
Comienza la síntesis, la enzima abandona el promotor y el factor σ se disocia, dando lugar a la etapa de elongación.
Elongación de la Transcripción
- La proteína NusA se une al complejo, reemplazando a la subunidad σ.
- Al terminar la transcripción, NusA se separa de la enzima, esta se disocia del ADN y vuelve a unirse a la subunidad σ.
- La utilización de distintas subunidades σ permite la unión a distintos promotores (genes y procesos metabólicos en la célula).
Terminación de la Transcripción
- Existe un mecanismo intrínseco o independiente de ρ.
- La ARN polimerasa tiene una alta procesividad, es decir, no se disocia del templado hasta no terminar la síntesis del ARN.
La terminación está indicada por dos señales: una secuencia autocomplementaria, que permite al ARN naciente formar una horquilla de 15 a 20 pb, y una secuencia de 3 residuos de A (transcrita como U) cerca del extremo de la horquilla.
- El ARN tiene una secuencia rica en CA (elemento rut) de unión a ρ.
- ρ es una helicasa dependiente de ATP, que promueve la traslocación de la proteína a lo largo de la cadena de ARN naciente.
ARN polimerasa Eucariota
Es inhibida por el antibiótico rifampicina.
La ARN polimerasa bacteriana codifica para 3 tipos de ARN (mensajero, ribosomal y de transferencia).
ARN polimerasas en Eucariotas
Los eucariotas tienen 3 polimerasas, que son inhibidas diferencialmente por la α-amanitina:
1° ARNt: Resistente. / 2° ARNm: A bajas concentraciones. / 3° ARNr: A altas concentraciones.
ARN polimerasa II (2°)
- Reconoce múltiples sitios promotores.
- Necesita varios factores de transcripción.
- El más conocido en eucariotas es la caja TATA, aunque es poco frecuente.
- Tiene 12 subunidades. La mayor subunidad, RBP1, tiene una cola carboxilo terminal (CTD) que contiene una secuencia de 7 aminoácidos (YSPTSPS) repetidos (27 en levaduras y 52 en humanos).
Unión de la ARN polimerasa II y Factores de Transcripción en el Promotor
- La proteína de unión a TATA (TBP) se une al ADN formando un complejo cerrado.
- TFIIB y TFIIA se unen al complejo TBP-ADN, luego se unen TFIIE y TFIIH.
- TFIIH tiene actividad helicasa, lo que permite desenrollar el ADN y formar un complejo abierto.
- Hay más de 30 factores (TF) involucrados.
Etapas de la Transcripción
- TFIIH tiene actividad quinasa y fosforila residuos S del CTD.
- El grado de fosforilación del CTD cambia mientras avanza la transcripción, dando lugar a la elongación.
- Al terminar, el CTD se desfosforila.
Etapa de Elongación
El complejo de transcripción deja el sitio de inicio, varios factores quedan unidos al promotor.
- La actinomicina D inhibe la etapa de elongación, se intercala entre las bases.
Maduración del ARN
- El ARN se copia como un transcrito primario, que contiene exones e intrones.
- Mediante el proceso de corte y empalme (splicing) se eliminan los intrones del ARN formando una secuencia continua que codifica un polipéptido funcional.
- El ARNm de los eucariotas se modifica en ambos extremos: en el extremo 5′ se agrega un casquete y en el extremo 3′ se agrega una cola de poliA.
- Los procesos de maduración suceden mientras el transcrito primario se sintetiza.
- El Capping (casquete 5′) ocurre durante la transcripción.
- El Splicing (ensamblado) ocurre durante la síntesis o después de la liberación.
Adición del Casquete en 5′ (Capping)
- Un residuo de 7-metil-guanosina se une al extremo 5′ del ARN por un enlace 5′,5′-trifosfato.
- El casquete protege de las ribonucleasas.
- Participa en la unión al ribosoma, iniciando la síntesis proteica.
- La adición del casquete ocurre luego de que se genera un transcrito de 20-30 residuos.
El complejo de formación del casquete se une al CTD de la ARN polimerasa II. Una vez agregado el casquete, el complejo deja el CTD y se une a la proteína de unión del casquete (CBP), que lo mantiene unido al CTD.
- 7-metil-guanosina: Es una base nitrogenada.
Exones e Intrones
- Los exones tienen una longitud de menos de 1.000 nucleótidos (la mayor parte entre 100 y 200), codificando intervalos de 30 a 60 aminoácidos.
- El tamaño de los intrones varía entre 50 y 20.000 nucleótidos.
- Hay 4 tipos de intrones: los de tipo I y II realizan autocorte y empalme (self-splicing).
Eliminación de Intrones
Mecanismo, tipo I: La guanosina actúa como nucleófilo sobre el enlace fosfodiéster. El exón 3′ habitualmente comienza con G. El intrón eliminado se degrada. Está catalizado por ribozimas (mecanismo de procariotas y orgánulos).
Mecanismo, tipo II: Una adenina en la secuencia intrónica actúa como nucleófilo sobre la G terminal (extremo 3′ del exón 5′). Luego, la U terminal del exón 5′ actúa como nucleófilo completando la reacción (mecanismo de procariotas y orgánulos).
Mecanismo, tipo III. Espliceosoma: Los intrones de espliceosoma tienen secuencias identificatorias de 2 nucleótidos y cada snRNP tiene ARN de 100-200 nucleótidos.
- Espliceosoma: Conjunto especializado de complejos ARN-proteínas (pequeñas ribonucleoproteínas nucleares – snRNP).
- El mecanismo III puede ocurrir asociado a la transcripción: el espliceosoma puede unirse al CTD de la ARN polimerasa II.
- El mecanismo IV es para el ARN de transferencia: corte y unión directa de 2 segmentos de ARN por acción de una endonucleasa.
- Los mecanismos I y II se asocian a organismos inferiores (procariotas) y orgánulos derivados de ellos.
Maduración Diferencial del ARN
Distinto patrón de poliadenilación: Permite la diversidad de dominios variables de las cadenas pesadas de las inmunoglobulinas.
Splicing alternativo: La mayor parte de los genes de mamíferos son susceptibles de ensamblado alternativo, lo que permite un mayor número de proteínas codificadas por los genes.
ARN Ribosomal
Bacterias: El ARNr se genera a partir de un precursor, el ARN prerribosómico.
Eucariotas: El transcrito primario (45S) se incorpora a un complejo nucleolar 90. 100 de los 1.400 nucleótidos del 45S son metilados, ocurriendo varias modificaciones. Las reacciones de corte requieren de snoRNA (ARN pequeños nucleolares) que forman complejos con proteínas snoRNPs.
- El ARN5S se sintetiza por la ARN polimerasa III.
ARN Pequeños Nucleolares (snoRNA)
- Los snoRNAs asisten en las modificaciones postranscripcionales del ARN ribosomal.
- Los snoRNA de cajas C/D guían la metilación.
- Los snoRNA de caja H/ACA guían la pseudouridilación.
ARN de Transferencia
- La mayor parte de las células tiene entre 40 y 50 ARNt distintos.
- Las células eucariotas tienen varias copias de genes para ARNt.
- Se procesan los extremos y se modifican algunas bases específicas.
- El preARNt de eucariotas tiene un intrón, que se elimina en el último paso.
Micro ARN (miARN)
- Son ARN no codificantes que intervienen en la regulación génica.
- Tienen una secuencia de 22 nucleótidos, complementaria de determinadas regiones de ARNm.
- Regulan la función del mensajero cortándolo o inhibiendo su traducción.
- Existen miARN para 1/3 de los ARNm.
Ribozimas: Enzimas de ARN
Catalizan reacciones de hidrólisis (corte) y transesterificación (empalme). Están codificadas en secuencias intrónicas. Tienen un tamaño de entre 40 y 400 nucleótidos. Su sustrato habitual es el ARN.
Degradación del ARN Mensajero
- Uno de los niveles de control de la expresión de los genes es la concentración celular de su ARNm, por lo que importan la velocidad de síntesis y la de degradación.
- Vida media del ARNm: en eucariotas es de 3 horas, mientras que en bacterias es de 1,5 minutos.
- La degradación en bacterias es por endorribonucleasas seguidas por exorribonucleasas 3′ a 5′.
- En eucariotas, primero se acorta la cola de poliA, se remueve el casquete en 5′ permitiendo la degradación desde 5′.
- En eucariotas superiores, la vía más importante es de 3′ a 5′.
Exosoma: Complejo de 10 exorribonucleasas implicado en la degradación desde el extremo 3′ del ARNr, ARNt y algunos ARN pequeños.
Polinucleótido Fosforilasa
- Es independiente del molde.
- Cataliza la síntesis de un polinucleótido a partir de dinucleótidos fosfato (no NTPs).
- La función probable de la enzima es la degradación del ARNm.
Síntesis de ADN y ARN (dependiente de ARN)
- Es característica de los retrovirus, que poseen una enzima denominada transcriptasa inversa.
- La transcriptasa inversa cataliza 3 reacciones: síntesis de ADN dependiente de ARN, degradación de ARN y síntesis de ADN dependiente de ADN.
- Requiere un cebador, que es un ARNt.
- No tiene actividad correctora 3′ a 5′.
Síntesis de ARN dependiente de ARN (replicación de ARN)
- Algunos virus (eucariotas y fagos) tienen genomas de ARN monocatenario que funcionan como ARN mensajero.
- Se replican en el huésped mediante una ARN polimerasa dependiente de ARN (replicasa).