TRANSFERENCIA DE LA INFORMACIN GENTICA: TRANSCRIPCIN

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TRANSFERENCIA DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
TRANSCRIPCIÓN

• Se denomina transcripción al proceso de trasvase
  de información, contenida en el ADN, a una
  molécula de ARN. Constituye el primer paso en la
  expresión de los genes y mediante esta ruta se
  sintetizan todos los tipos de ARN que existen en
  las células.
• A primera vista, las cadenas de ARN y ADN pueden
  parecer similares, con un grupo OH en la posición
  2de la pentosa y la sustitución de la T por U
  como únicas diferencias. Sin embargo, al
  contrario del ADN, la mayoría de los ARN son de
  cadena sencilla. Estas cadenas se pliegan sobre
  sí mismas, dando lugar a una diversidad
  estructural mucho más amplia que la observada en
  el ADN, gracias a la cual el ARN es capaz de
  asumir una amplia variedad de funciones celulares.

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA TRANSCIPCIÓN

• Desde el punto de vista del mecanismo, la
  transcripción es semejante a la replicación del
  ADN. Es una reacción de polimerización, se
  utilizan sustratos activados (nucleósidos
  trifosfato), se necesita un molde (de ahí el
  nombre de síntesis de ARN dependiente de ADN), la
  dirección de síntesis es también 5? 3 y
  transcurre en 3 etapas iniciación, elongación y
  terminación.
• Existen también una serie de características que
  diferencian ambos procesos
• La transcripción es un proceso monocatenario. Con
  pocas excepciones, sólo se transcribe una de las
  cadenas del ADN. La situación de los genes a
  copiar puede localizarse en cualquiera de las dos
  cadenas del ADN. Por convenio, a la cadena
  utilizada como molde se la llama hebra molde,
  antisentido, no codificante o hebra (-) y a la
  cadena complementaria se la denomina hebra no
  molde, con sentido, codificadora o hebra (). La
  doble cadena se escribe de izquierda a derecha en
  el sentido 5? 3 de la hebra codificadora. La
  hebra codificadora del ADN tiene la misma
  secuencia que la cadena de ARN transcrito excepto
  que la timina sustituye al uracilo (Figura 1).

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• Es un proceso selectivo. La transcripción se
  limita a una porción del ADN. En una célula
  eucariota diferenciada, la parte del ADN total
  que se transcribe es muy pequeña. Incluso en los
  organismos unicelulares, en los que prácticamente
  todas las secuencias del ADN pueden
  transcribirse, en un momento dado se transcribe
  mucho menos de la mitad de los genes. En
  consecuencia, gran parte del interés por la
  transcripción se centra en los mecanismos
  utilizados para seleccionar determinados genes y
  cadenas molde, puesto que esta selección es la
  que gobierna en gran medida las capacidades
  metabólicas de una célula.
• La transcripción es un proceso reiterativo, puede
  repetirse infinidad de veces durante la vida
  celular. A este respecto, existe una gran
  variabilidad en cuanto a la frecuencia de
  transcripción de distintas regiones del ADN.
• Es un proceso conservador. No afecta a la
  estructura del ADN.
• No requiere cebador.

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ARN POLIMERASAS

• El descubrimiento de la ADNp y su dependencia de
  un molde de ADN fue un estímulo para la búsqueda
  de una enzima que sintetizase ARN complementario
  de un molde de ADN. Hacia 1960, cuatro grupos de
  investigación independientes habían detectado una
  enzima en extractos celulares capaz de formar un
  polímero de ARN a partir de ribonucleótidos
  5-trifosfato. Investigaciones posteriores con la
  ARN polimerasa (ARNp) purificada de E. coli
  contribuyeron a definir las propiedades
  fundamentales de la transcripción.
• La ARNp realiza múltiples funciones en la
  transcripción
• Busca en el ADN los puntos de iniciación, también
  llamados secuencias promotoras o, simplemente,
  promotores.
• Desenrolla una parte de la doble hélice del ADN
  para producir un molde de ADN de una sola hebra.
• Selecciona el ribonucleótido trifosfato correcto
  y cataliza la formación del enlace fosfodiéster.
  Este proceso se repite tantas veces como la
  enzima se desplace unidireccionalmente a lo largo
  del molde de ADN. A este respecto, la ARNp es
  totalmente procesiva una única molécula de ARNp
  realiza la transcripción desde el inicio hasta el
  final.
• Detecta las señales de terminación que indican
  dónde finaliza la transcripción.
• Interacciona con las proteínas activadoras y
  represoras (factores de transcripción) que
  modulan en un amplio intervalo la velocidad de
  transcripción.

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• La química de la síntesis del ARN tiene mucho en
  común con la síntesis de ADN. La ARNp elonga una
  cadena de ARN por adición de ribonucleótidos al
  extremo 3-OH de la cadena y sintetiza el ARN en
  dirección 5?3. El 3-OH actúa como nucleófilo,
  atacando el fosfato ? del ribonucleótido
  trifosfato entrante y liberando pirofosfato
  (Figura 2). La reacción global es
• (NMP)n NTP ? (NMP)n1 PPi
• 
  ARN ARN alargado

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• La ARNp requiere ADN para su actividad, siendo
  más activa con un molde de ADN bicatenario. La
  hebra molde es copiada en la dirección 3?5
  (antiparalela a la nueva cadena de ARN) al igual
  que en al replicación. Cada nucleótido en el ARN
  recién formado es seleccionado según las
  interacciones de apareamiento de bases de Watson
  y Crick en este caso los residuos de uridilato
  se insertan en el ARN para aparearse con residuos
  adenilato del ADN molde. La geometría de los
  pares de bases también puede jugar un papel en la
  selección de las bases, tal y como hemos visto en
  la replicación.
• A diferencia de la ADNp, la ARNp no necesita un
  cebador para iniciar la síntesis. El grupo
  5-trifosfato del primer residuo de una cadena de
  nueva síntesis no es cortado para liberar PPi,
  sino que se mantiene intacto durante toda la
  transcripción.
• La ARNp dependiente de ADN de E. coli es una
  enzima compleja y de gran tamaño formada por 6
  subunidades de 5 tipos distintos (?2????). El
  núcleo de la enzima está constituido por ?2??? y
  presenta la actividad catalítica. La subunidad ?
  se une transitoriamente al núcleo y dirige a la
  enzima hacia sitios específicos de unión en el
  ADN (promotores), participa en la iniciación de
  la síntesis y luego se disocia del resto de la
  enzima. Estas 6 subunidades contituyen la
  holoenzima ARNp. (Figura 3 y Tabla 1)

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• Las ARNp carecen de actividad exonucleasa
  3?5correctora de pruebas. En consecuencia,
  durante la transcripción se produce un error por
  cada 104 o 105 ribonucleótidos incorporados en el
  ARN. Dado que de un solo gen se producen muchas
  copias de ARN y que todos los ARN son finalmente
  degradados y reemplazados, un error en una
  molécula de ARN tiene menos consecuencias para la
  célula que un error en la información permanente
  almacenada en el ADN.

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ETAPAS DE LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS
INICIACIÓN, ELONGACIÓN Y TERMINACIÓN

• 1) INICIACIÓN
• La fase de iniciación comienza en los promotores
  del molde de ADN. Los promotores son secuencias
  de ADN que dirigen a la ARNp hacia secuencias
  específicas adyacentes para iniciar la
  transcripción.
• Cuando se comparan las secuencias de muchos
  promotores de procariotas se pone en evidencia un
  patrón llamativo (Figura 4). Existen dos tramos
  de secuencias consensos situados a 10 y 35 pb
  antes del inicio de la transcripción.
• Estas denominaciones hacen referencia a la hebra
  codificadora de ADN, aunque la hebra molde o no
  codificadora de ADN es la que se transcribe en
  ARN. Por convenio, se da el número 1 al par de
  bases en el que comienza la síntesis de ARN, y n
  será el último par de bases donde acaba la
  síntesis. Este último par de bases estará hacia
  el extremo 3 de la cadena codificadora, por lo
  que se dice que el movimiento de la ARNp en esta
  zona es aguas abajo. La secuencia promotora,
  situada hacia el extremo 5 de la cadena
  codificadora, se dice que está aguas arriba, y
  se expresa -1 a n.
• Las secuencias promotoras consenso están a
  situadas a -10 (caja TATA o de Pribnow) y -35, ya
  que se localizan hacia los nucleótidos 10 y 35
  antes del punto de iniciación. Cada una de estas
  secuencias tiene una longitud de 6 pares de
  bases. A partir del análisis de muchos promotores
  se han deducido sus secuencias consenso
  (promedio), estas son
• -35 -10
  1
• 5'-TTGACA-------------TATAAT-----Punto de
  partida para la transcripción

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Figura 4. Típicos promotores de E. coli
reconocidos por el holoenzima de la ARN
polimerasa que contiene ?70. Se muestran las
secuencias de la hebra no molde que son leídas en
la dirección 3'? 5', como se acostumbra en
representaciones de este tipo. Las secuencias
varían de un promotor a otro, pero la comparación
de muchos promotores pone de manifiesto
similitudes, particularmente en las regiones -10
y -35. La secuencia consenso de los promotores
reconocidos por ?70 es la segunda por arriba. Las
regiones espaciadoras contienen un número
variable de nucleótidos (N). Sólo se muestra el
primer nucleótido que codifica el transcrito de
ARN (en la posición 1).
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INICIACIÓN

• Los promotores difieren ampliamente en su
  eficacia. Los genes con promotores muy activos se
  transcriben con mucha frecuencia, tan a menudo
  como cada 2 segundos en E. coli, en tanto que los
  genes con promotores poco activos pueden
  transcribirse una vez cada 10 minutos o más. Las
  secuencias -10 y -35 de los promotores activos
  tienen secuencias muy similares a las secuencias
  consenso, en tanto que los promotores poco
  activos suelen presentar múltiples sustituciones
  en estas secuencias. En efecto, la mutación de
  sólo una base tanto en la secuencia -10 como en
  la secuencia -35 puede variar la actividad del
  promotor. La separación entre estas secuencias
  consenso también es importante la distancia
  óptima es de 17 nucleótidos. Por tanto, la
  eficiencia o actividad de una secuencia promotora
  sirve para regular la transcripción. Las
  proteínas reguladoras que se unen a secuencias
  específicas próximas a los promotores y que
  interaccionan con la ARN polimerasa ejercen
  también una marcada influencia sobre la
  frecuencia de transcripción de muchos genes.
• El núcleo ?2?? de la ARNp es incapaz de iniciar
  la transcripción en las secuencias promotoras.
  Más bien, el holoenzima completo ?2??? es
  indispensable para la iniciación en el punto de
  partida correcto. La subunidad ? contribuye
  concretamente a la iniciación de dos maneras. 1º)
  Disminuye la afinidad de la ARN polimerasa por
  las regiones generales del ADN. En su ausencia,
  el núcleo del enzima se une al ADN fuerte e
  indiscriminadamente. 2º) La subunidad ? permite a
  la ARN polimerasa el reconocimiento de las
  secuencias promotoras. Se ha encontrado que un
  amplio fragmento de la subunidad ? presenta en su
  superficie una hélice ? ésta hélice se ha
  asociado con el reconocimiento de la secuencia de
  la región -10 (Figura 6). El holoenzima se une a
  la doble hélice del ADN y se desplaza a lo largo
  de ella en busca del promotor, haciendo una
  búsqueda unidimensional utilizando el ADN como si
  fuesen los raíles de un tren. La búsqueda es
  rápida ya que la ARN polimerasa se desliza a lo
  largo del ADN en vez de asociarse y disociarse.
  La subunidad ? se libera cuando la cadena
  naciente de ARN tiene una longitud de 9 ó 10
  nucleótidos. Tras esta liberación, la subunidad ?
  puede colaborar en la iniciación con otro núcleo
  enzimático. (Figura 7)

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(No Transcript)
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INICIACIÓN

• Aunque la ARN polimerasa puede localizar las
  secuencias promotoras cuando está unida a la
  doble hélice de ADN, antes de comenzar la
  síntesis se debe desenrollar un segmento de la
  hélice. Se debe desaparear una región de la doble
  cadena de ADN de tal modo que los nucleótidos de
  una de sus cadenas sean accesibles para
  emparejarse con los ribonucleósidos trifosfato
  entrantes. La cadena de del ADN molde selecciona
  al ribonucleósido trifosfato correcto mediante la
  formación de pares de bases Watson-Crick, al
  igual que en la síntesis del ADN.
• Qué longitud de la cadena de ADN molde
  desenrolla la ARNp? Cada molécula de ARNp unida
  desenrolla un segmento de ADN formado por 17
  pares de bases. La transición desde el complejo
  promotor cerrado (en el cual el ADN está como
  doble hélice) al complejo promotor abierto (en el
  cual un segmento de ADN está desenrollado) es un
  suceso esencial de la transcripción. En este
  momento todo está preparado para la formación del
  primer enlace fosfodiéster de la nueva cadena de
  ARN.
• A diferencia con la síntesis del ADN, la síntesis
  del ARN puede comenzar de novo, sin ser necesario
  un cebador. La mayoría de las cadenas nuevamente
  sintetizadas portan en un extremo 5una etiqueta
  muy diferenciadora la primera base en ese
  extremo es pppG o pppA. La presencia de un
  residuo trifosfato sugiere que la síntesis del
  ARN comienza por el extremo 5. Al igual que en
  la síntesis del ADN, la cadena de ARN crece en
  sentido 5? 3.

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ELONGACIÓN

• La fase de elongación en la síntesis del ARN
  comienza nada más formarse el primer enlace
  fosfodiéster. Un cambio importante es la pérdida
  de ? recuérdese que el núcleo enzimático sin ?
  se une con mayor fuerza al molde de ADN. En
  efecto, la polimerasa permanece unida a su molde
  hasta que se alcanza una señal de terminación. La
  región que contiene la ARN polimerasa, ADN y la
  cadena creciente de ARN se denomina burbuja de
  transcripción. La cadena de ARN en crecimiento
  forma una hélice híbrida con la hebra molde de
  ADN. Esta hélice ARN-ADN tiene una longitud
  aproximada de 8 pares de bases, lo cual se
  corresponde, aproximadamente, con una vuelta de
  la doble hélice. En esta hélice híbrida el grupo
  3'-OH del ARN está posicionado de tal modo que
  pueda atacar al átomo de fósforo ? de un
  ribonucleósido trifosfato entrante. Al igual que
  en la fase de iniciación, durante la fase de
  elongación se desenrollan aproximadamente 17
  pares de bases del ADN. La burbuja de
  transcripción recorre unos 170 Å (17 nm) en un
  segundo, lo que equivale a una velocidad de
  elongación de aproximadamente 50 nucleótidos por
  segundo. Aunque rápida, es mucho menor que la
  velocidad de síntesis de ADN (800 nucleótidos por
  segundo). (Figura 8)

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(No Transcript)
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ELONGACIÓN

• Las longitudes del híbrido ARN-ADN y de la región
  desenrollada del ADN permanecen bastante
  constantes mientras la ARN polimerasa se desplaza
  a lo largo del molde de ADN. Este hecho indica
  que la velocidad de enrollado del ADN en la parte
  posterior de la ARNp es aproximadamente igual a
  la velocidad de desenrollado en su parte frontal.
  El híbrido ARN-ADN debe rotar también cada vez
  que se añade un nucleótido de tal modo que el
  extremo 3'-OH del ARN permanezca en el centro
  catalítico. La longitud del híbrido ARN-ADN está
  determinada por una estructura de la propia
  enzima que fuerza la separación del híbrido
  ARN-ADN, lo que permite a la cadena de ARN
  separarse de la enzima y a la cadena de ADN
  reunirse con su complementaria. La continua
  apertura por delante y cierre por detrás, de la
  burbuja de replicación, genera superenrollamientos
  positivos por delante y negativos por detrás que
  tienen que ser disipados por la acción de
  topoisomerasas.

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TERMINACIÓN

• Al igual que su iniciación, la finalización de la
  transcripción viene controlada de un modo
  preciso. En la fase de terminación de la
  transcripción, cesa la formación del enlace
  fosfodiéster, el híbrido ARN-ADN se disocia, la
  región de ADN fundido se enrolla y la ARNp se
  desprende del ADN. Qué es lo que determina dónde
  debe finalizar la transcripción? Las secuencias
  transcritas de los moldes de ADN contienen
  señales de parada. La más sencilla es una
  secuencia palindrómica rica en GC, seguida de una
  secuencia rica en AT. El ARN transcrito de esta
  secuencia palindrómica es autocomplementario. Por
  tanto, sus pares de bases pueden formar una
  estructura en horquilla con un vástago y un
  bucle, estructura favorecida por su alto
  contenido en residuos G y C. Los pares de bases
  G-C son más estables que los pares de bases A-T
  ya que tienen un puente de hidrógeno extra en
  cada par de bases. Esta horquilla estable es
  seguida por una secuencia de cuatro o más
  residuos de uracilo, los cuales son también
  cruciales para la terminación. La transcripción
  del ARN finaliza en ellos o justo detrás (Figura
  9)
• Cómo finaliza la transcripción en esta
  estructura combinada horquilla-oligo(U)? Primero,
  parece que la ARNp se detiene inmediatamente
  después de sintetizar la secuencia de ARN que se
  pliega en horquilla. Aún más, la hélice híbrida
  ARN-ADN que se forma tras la horquilla es
  inestable ya que sus pares de bases rU-dA son las
  más débiles de los cuatro tipos existentes. Por
  tanto, la parada en la transcripción causada por
  la horquilla permite al ARN en crecimiento
  débilmente enlazado disociarse del ADN y luego de
  la enzima. La hebra sencilla de ADN se reasocia a
  su complementaria para regenerar la doble hélice
  de ADN y se cierra la burbuja de transcripción.
• La ARNp no siempre precisa ayuda para finalizar
  la transcripción en una horquilla seguida de
  varios residuos U. En otros casos necesita la
  colaboración de un factor adicional para
  terminar, la proteína ro (?). Esta proteína es un
  hexámero que se une específicamente a una hebra
  sencilla de ARN en un tramo de 72 nucleótidos, de
  tal forma que el ARN pasa a través del centro de
  la estructura. La proteína ? se activa mediante
  secuencias ricas en citosina y pobres en guanina
  situadas en el ARN en crecimiento. La actividad
  ATPasa de ? le permite tirar del ARN naciente
  mientras que sigue a la ARNp. Cuando ? alcanza a
  la ARNp en la burbuja de transcripción, corta la
  hélice híbrida ARN-ADN actuando como una ARN-ADN
  helicasa. (Figura 10)W3

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Figura 10. Terminación de la transcripción
dependiente del factor ?.