Biología para las Especialidades I

Los procariotas no tienen núcleos cerrados por membrana. Por lo tanto, los procesos de transcripción, traducción y degradación del ARNm pueden ocurrir simultáneamente. El nivel intracelular de una proteína bacteriana puede ser amplificado rápidamente por múltiples eventos de transcripción y traducción que ocurren simultáneamente en la misma plantilla de ADN. La transcripción procariótica a menudo cubre más de un gen y produce ARNm policistrónicos que especifican más de una proteína.

Nuestra discusión aquí ejemplificará la transcripción al describir este proceso en Escherichia coli, una especie bacteriana bien estudiada. Aunque existen algunas diferencias entre la transcripción en E. coli y la transcripción en archaea, una comprensión de la transcripción de E. coli se puede aplicar a prácticamente todas las especies bacterianas.

La ARN polimerasa procariótica

Los procariotas utilizan la misma ARN polimerasa para transcribir todos sus genes. En E. coli, la polimerasa, se compone de cinco subunidades polipeptídicas, dos de las cuales son idénticas. Cuatro de estas subunidades, denominadas α, α, β y β’, comprenden la enzima central de la polimerasa. Estas subunidades se ensamblan cada vez que se transcribe un gen, y se desmontan una vez que se completa la transcripción. Cada subunidad tiene un papel único; las dos subunidades α son necesarias para ensamblar la polimerasa en el ADN; la subunidad β se une al ribonucleósido trifosfato que se convertirá en parte de la molécula de ARNm naciente «recién nacida»; y la β’ se une a la hebra plantilla de ADN. La quinta subunidad, σ, está involucrada solo en la iniciación de la transcripción. Confiere especificidad transcripcional tal que la polimerasa comienza a sintetizar el ARNm desde un sitio de iniciación apropiado. Sin σ, la enzima central se transcribiría de sitios aleatorios y produciría moléculas de ARNm que especificaban galimatías proteicas. La polimerasa compuesta por las cinco subunidades se llama holoenzima (una holoenzima es un compuesto bioquímicamente activo compuesto por una enzima y su coenzima).

Promotores Procarióticos

Gráfico 1 La subunidad σ de la ARN polimerasa procariótica reconoce secuencias de consenso encontradas en la región promotora aguas arriba de la vista de inicio de transcripción. La subunidad σ se disocia de la polimerasa después de que se ha iniciado la transcripción.

Un promotor es una secuencia de ADN a la que la maquinaria de transcripción se une e inicia la transcripción. En la mayoría de los casos, los promotores existen aguas arriba de los genes que regulan. La secuencia específica de un promotor es muy importante porque determina si el gen correspondiente se transcribe todo el tiempo, parte del tiempo o con poca frecuencia. Aunque los promotores varían entre los genomas procarióticos, se conservan algunos elementos. En las regiones -10 y -35 aguas arriba del sitio de iniciación, hay dos secuencias de consenso de promotores, o regiones que son similares en todos los promotores y en varias especies bacterianas (Figura 1).

La secuencia de consenso -10, llamada región -10, es TATAAT. La secuencia -35, TTGACA, es reconocida y limitada por σ. Una vez que se realiza esta interacción, las subunidades de la enzima central se unen al sitio. La región rica en A–T-10 facilita el desenrollado de la plantilla de ADN, y se forman varios enlaces de fosfodiéster. La fase de iniciación de la transcripción termina con la producción de transcripciones abortivas, que son polímeros de aproximadamente 10 nucleótidos que se fabrican y liberan.

Alargamiento y terminación en Procariotas

La fase de alargamiento de transcripción comienza con la liberación de la subunidad σ de la polimerasa. La disociación de σ permite que la enzima central proceda a lo largo de la plantilla de ADN, sintetizando ARNm en la dirección de 5′ a 3′ a una velocidad de aproximadamente 40 nucleótidos por segundo. A medida que avanza la elongación, el ADN se desenrolla continuamente por delante de la enzima central y se rebobina por detrás de ella (Figura 2). El emparejamiento de bases entre el ADN y el ARN no es lo suficientemente estable como para mantener la estabilidad de los componentes de síntesis de ARNm. En cambio, la ARN polimerasa actúa como un enlazador estable entre la plantilla de ADN y las hebras nacientes de ARN para garantizar que la elongación no se interrumpa prematuramente.

Gráfico 2 Haga clic para ampliar la imagen. Durante la elongación, la ARN polimerasa procariótica rastrea a lo largo de la plantilla de ADN, sintetiza el ARNm en la dirección de 5′ a 3′, y desenrolla y rebobina el ADN a medida que se lee.

Señales de terminación procariótica

Una vez que se transcribe un gen, la polimerasa procariótica necesita ser instruida para disociarse de la plantilla de ADN y liberar el ARNm recién hecho. Dependiendo del gen que se transcribe, hay dos tipos de señales de terminación. Uno está basado en proteínas y el otro está basado en ARN. La terminación dependiente de Rho es controlada por la proteína rho, que sigue detrás de la polimerasa en la cadena de ARNm en crecimiento. Cerca del final del gen, la polimerasa encuentra una serie de nucleótidos G en la plantilla de ADN y se detiene. Como resultado, la proteína rho choca con la polimerasa. La interacción con rho libera el ARNm de la burbuja de transcripción.

La terminación independiente de Rho está controlada por secuencias específicas en la hebra de plantilla de ADN. A medida que la polimerasa se acerca al final del gen que se transcribe, se encuentra con una región rica en nucleótidos C–G. El ARNm se pliega sobre sí mismo, y los nucleótidos C–G complementarios se unen. El resultado es una estable horquilla que hace que la polimerasa puesto tan pronto como comienza a transcribir una región rica en nucleótidos. La región U–A complementaria de la transcripción del ARNm forma solo una interacción débil con el ADN de la plantilla. Esto, junto con la polimerasa estancada, induce suficiente inestabilidad para que la enzima central se desprenda y libere el nuevo transcripción de ARNm.

Al finalizar, el proceso de transcripción se completa. En el momento en que se produce la terminación, la transcripción procariótica ya se habría utilizado para comenzar la síntesis de numerosas copias de la proteína codificada porque estos procesos pueden ocurrir simultáneamente. La unificación de la transcripción, la traducción e incluso la degradación del ARNm es posible porque todos estos procesos ocurren en la misma dirección de 5′ a 3′, y porque no hay compartimentación membranosa en la célula procariótica (Figura 3). En contraste, la presencia de un núcleo en las células eucariotas impide la transcripción y traducción simultáneas.

Gráfico 3 Múltiples polimerasas pueden transcribir un solo gen bacteriano, mientras que numerosos ribosomas traducen simultáneamente las transcripciones de ARNm en polipéptidos. De esta manera, una proteína específica puede alcanzar rápidamente una alta concentración en la célula bacteriana.

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