Formación de ARN mensajero (ARNm)

ARN polimerasas.

El ADN se traduce para formar ARN, bien ARNm, ARNt o ARNr. A partir de estos tres tipos de ARN se fabrican las proteínas (como hemos visto en entradas anteriores).

Las reacciones que catalizan las reacciones de fabricación del ARN son las ARN-polimerasas ADN-dependientes. En procariotas como Escherichia coli, solo hay un tipo de ARN-polimerasa.

En eucariotas habrá tres (que se nombran con números romanos). La ARN-polimerasa I sintetiza los ARNr 28s, 18s y 5,8s. La ARN-polimerasa II sintetiza el ARNm. La ARN plimerasa III sintetiza ARNt y ARNr 5s.

Estudiaremos la ARN-pol de Escherichia coli. Se trata de un enzima de cinco subunidades: dos subunidades α2, una subunidad β, una subunidad β’ y una subunidad θ. Las dos subunidades α2 y las β y β’ constituyen el núcleo del enzima. Y tienen distintas funciones.

Funciones de la ARN polimerasa

 Por un lado están las funciones polimerásicas. En esencia es paralela o equivalente a la de la ADN plimerasa, formando ARN a partir de las correspondientes ATP, GTP, CTP y UTP:

Necesita una molécula de ADN patrón para copiar la secuencia. Pero no necesita cebador. Y necesita que los cuatro sustratos estén a la vez, es decir, necesita que estén presentes ATP, CTP, GTP y UTP.

El pirofosfato es inmediatamente hidrolizado por la pirofosfatasa (como ocurre en la replicación del ADN), ara asegurar que el equilibrio se desplaza hacia la derecha:

El patrón es el ADN. Pero este  tiene dos hebras, una en dirección 5’→3’ y la otra en dirección 3’→5’. La hebra en dirección 5’→3’ es la hebra antisentido y la hebra en dirección 3’→5’ es la hebra molde o con sentido.

Ahora bien, cuál de las dos hebras se va a transcribir y cual es la que no se transcribe depende, varía (debemos tener en cuenta que es solo cuestión de cambiar de dirección, no hace falta cambiar de hebra).

El ARN que se forma debe ser complementario y antiparalelo a la hebra molde, pero donde hay A ahora se enfrentará a una U en vez de a una T.

Se conocen casos en los que se transcriben las dos hebras. Por ejemplo, en algunos plásmidos de bacterias. La dirección de síntesis es siempre la dirección 5’→3’ y la dirección de lectura es la de 3’→5’. Y el crecimiento en la dirección 5’→3’ es idéntico a las ADN polimerasas.

Reacción de la ARN polimerasa

Transcripción.

El proceso de transcripción suele dividirse en tres etapas: iniciación, elongación y terminación.

Para la iniciación hay una secuencia de alrededor de cuarenta pares de bases en el ADN que marcan dónde tiene que empezar. Dentro de esta secuencia, hay dos que le dan la polaridad. Esa secuencia es reconocida por la ARN polimersa y hace que se desarrollen el ARN a unas 17 pares de bases de distancia. La ARN-pol recorriendo el ADN por el surco profundo hasta que reconoce esta secuencia, estereosespecíficamente y comienza separándose de ella unas 17 pares de bases.

Aunque el ADN podría leerse en los dos sentidos, la secuencia de iniciación estará colocada de forma que el enzima, al encontrarla, ya quebrará colocado para leer en una dirección, hacia uno de los lados.

La primera base que se suele poner es una purina, bien A o G:

PPPG --- NTP + NTP → NTP-NMP

Se sintetizan unos cuantos núcleotidos, que marcan como colocarlos. En esto estaría implicada la proteína θ de la polimerasa, que ahora se separa y a partir de aquí, solo irá el núcleo del enzima.

A partir de ahora tiene lugar la segunda fase, la elongación de la cadena.

Elongación de la cadena

 Se forma una especie de burbuja que avanza por el ADN y de ahí su nombre, burbuja de transcripción. En un momento dado, solo estarán los últimos 12 nucleótidos emparejados con el ADN, formando un híbrido ADN-ARN. El resto van separándose, es decir, los que se han fabricado primero se van separando.

Se sintetizarán alrededor de 50 nucleótidos por segundo, es decir, es más lenta que las ADN polimersas. En este caso, no va a haber un proceso de corrección. Comete muchos más errores, alrededor de un factor de 10-6 errores (un error por cada millón de nucleótidos). Pero en este caso los errores son menos trascendentales. No se produce una mutación, el error es temprano y no se hereda, por eso no hay tanta necesidad de corrección.

Secuencia de terminación

La última fase es la terminación. Hay unas secuencias de terminación. Cuando la ARN-pol se encuentra con una secuencia muy rica en G-C, se autocompletaría. Se forma una especie de bucle que finaliza la transcripción. Tras la secuencia rica en G-C, hay varios uracilos seguidos. Es la señal para que la ARN-pol se separe, se desprenda.

Algunos organismos necesitan proteínas adicionales que ayudan a la separación. En Escherichia coli se encargan las proteínas β, proteínas capa y algunas otras.

En eucariotas, pero también en bacterias y virus es frecuente que un grupo de distintos genes compartan la misma secuencia iniciadora y finalizadota, con lo que un ARN puede contener la información de distintos genes. Después de traducirse, o durante la traducción, se cortarán. Se habla de poligenes o genes policistrónicos.

Genes policistronicos

Los genes policistrónicos suelen tener una relación funcional, por ejemplo, pertenecer a una misma ruta metabólica.

En eucariotas, normalmente, los ARN son poligénicos o policistrónicos.

Procesamientos postranscripcionales.

Muchos ARN pueden pasar a realizar su función, a ser traducidos. Pero esto no ocurre siempre. Suelen ser necesarios algunos procesamientos postranscripcionales. Estos procesamientos son la mayor diferencia entre eucariotas y procariotas a la hora de fabricar ARNm.

En los procariotas el ARNm prácticamente no tiene que procesarse. Pasa directamente a ser traducido. Es muy frecuente que los ARNm se estén traduciendo aún cuando, aun sin haber terminado, sin ser trasncrito del todo, ya está siendo traducido. Este proceso se ve favorecido porque en procariotas no hay membrana nuclear. Y tras transcribirse y traducirse, se degrada (puede incluso comenzar su degradación cuando el proceso de traducción no ha acabado del todo, destruyéndose por la zona que ya ha sido traducida).

En el caso de eucariotas esto no puede tener lugar, ya que los distintos procesos se llevan a cabo en lugares diferentes. El ARNm se transcribe en el núcleo, pero es en el citoplasma, fuera del núcleo, donde tendrá lugar la traducción y fabricación del proteínas. Aldemás, antes de salir del núcleo, el aRNm suele tener un proceso de maduración, el procesamiento postranscripcional (solo hay casos puntuales en los que no se necesita este procesamiento, como en el ARN que codifica a las lisozimas del espermatozoide).

En eucariotas el ARNm es transcrito por al ARN-pol II. Serán genes estructurales, que darán lugar a poliméptidos, aunque también se usa ese enzima para fabricar algunos ARNr. Los genes estructurales son los genes determinantes del ADN.

Maduración del ARNm.

Veamos el proceso de maduración del ARNm. Al ARN que se fabrica en el núcleo se le denomina ARN heteronuclear, ARNhn.

El primer cambio es la modificación de los extremos 5’ y 3’ del ARNhn, haciéndolo más resistente a la degradación. En el extremo 5’ se le adicciona un residuo de trimetilguanina, unido por un puente o enlace trifosfato. Esto puede llevarse a cabo antes de que el ARN se acabe de traducir. Se habla de caperuza o casquete, 5’cop.

Por otro lado, posteriormente, en el extremo 3’ se le añade una cola de ácido poliadenílico (poli A). Esta reacción es catalizada por la poli-A-polimerasa (añade entre 50 y 250 adeninas consecutivas).

Maduración del ARN mensajero

 En algunos casos aislados, en procariotas, tiene lugar una especie de splicing o empalme, en el que se eliminan los segmentos de ARN no codificantes o ARN intrónico. Se da, por o tanto, en genes fragmentados o discontinuos. Aunque se trata de un proceso poco frecuente en porcariotas, es muy frecuente en eucariotas.

Genes fragmentados o discontinuos.

Un gen contínuo es aquel en el que el gen codifica una secuencia de aminoácidos continua. En el caso de genes fragmentados lo que ocurre es que la secuencia de nucleótidos, que codifican para los aminoácidos, no están de forma continua. Hay regiones de los genes que no codifican para la proteína. Y se denominan intrones. Las zonas que codifican para la proteína se denominan exones.

Tras la transcripción se genera un ARN que contine intrones y exones. Se le añade el 5’-cop y se poliadeniza. Ahora deben ser eliminados los intrones, por un proceso denominado splicing. Es llevado a cabo por un complejo denominado RNPsn (small nuclear), que tiene unos pequeños trozos de ARN, de unos 300 nucleótidos denominados ARNsn (ARN small nuclear). Este ARNsn se empareja con el ARN intrónico por los extremos, para unirlo por los extremos formando una pequeña doble hélice, por donde se realizará el corte para eliminar el intrón. Debe ser un proceso extremadamente preciso, ya que en contrario, se estropearía el ARN.

Spilicing

Al final del proceso obtenemos el ARN maduro, que puede pasar a ser traducido. Ya no tiene ARN intrónico.

Ahora se debe unir por la cola de poliadeninas (poli-A) a unas proteínas que lo saquen del núcleo al citoplasma, donde será traducido.

En muchas especies, el splicing puede producirse de varias formas, pueden tener lugar de diferentes modos para un mismo ARN original, pudiendo por lo tanto obtenerse varios tipos de ARN maduro.