Introducción El flujo de información genética sigue el siguiente camino : DNA RNA Prot replicación transcripción traducción Los ARN existentes en eucariontes son : ARNm : ARN mensajero ARNt : ARN transferencia ARNr : ARN ribosómico ARNhn : ARN heterogéneo nuclear (precursor del ARNm) ARNsn : ARN nuclear pequeño ARNsc : ARN citosólico pequeño (caso del PRS) En procariontes sólo existen los tres primeros. La transcripción del ADN en ARN es mediada por acción de las enzimas ARN polimerasas, que en procariontes es una sola y en eucariontes son tres. Prof. Iván Rebolledo Transcripción procariótica El ARNm sintetizado a partir del ADN es de corta vida (unos 2 minutos). Ellos son cadenas largas, con varios codones de iniciación (AUG); por tanto, pueden sintetizar varias proteínas al mismo tiempo, es decir, son policistrónicos (poli: muchos, cistron: unidad de transcripción). En procariontes, los 3 tipos de ARN (ARNm, ARNt y ARNr) son sintetizados por la misma ARN polimerasa. Para ello, utiliza una cadena de ADN, es decir, es una transcripción asimétrica. La ARN polimerasa es una enzima compleja y de grandes dimensiones, formada por 5 cadenas polipeptídicas (2 α, 2 β y el factor sigma σ). Pueden distinguirse 3 etapas en la transcripción: iniciación, alargamiento y terminación. En la iniciación, la ARN polimerasa, mediante el factor sigma, reconoce un sitio inicial en la cadena del ADN llamado promotor, el cual es rico en A y T (TATAATG o variaciones de éste, por esto se le llama caja TATA). Es probable que esta región sea favorable para una separación local de las cadenas del ADN, para que así la ARN polimerasa pueda tener acceso a 103
las bases de una de las cadenas del ADN, la que tiene la información para producir determinado ARN. ADN Durante el alargamiento, la ARN polimerasa copia de una manera exacta la secuencia del ADN, avanzando rápidamente por la cadena (30 nucleótidos por segundo). Sólo se transcribe una cadena del ADN, siguiendo la dirección 5 a 3, igual a la replicación del ADN. Recordemos que se está formando una cadena de ARN a partir del ADN, por tanto, la complementación de las bases debe seguir la regla de A U. Por ejemplo: si las bases del ADN son G A T A C A las de ARN serán C U A U G U. La terminación se produce cuando la ARN polimerasa llega a producir una secuencia rica en residuos U consecutivos en la ARN (4 a 8 U). Un factor de terminación, llamado factor rho ρ, es una proteína con actividad ATPásica, que produce la liberación de las moléculas de ARN completas. Transcripción eucariótica Aunque el proceso es similar al de procariontes, se presentan dos diferencias muy claras. En procariontes actúa una sola molécula de ARN polimerasa mientras que en eucariontes intervienen varias (ver cuadro abajo) y luego, el sitio promotor es reconocido en eucariontes por una variedad de proteínas. Tipos de ARN ARNm ARNt ARNr (5.8 S, 18 S y 28 S) ARNr (5 S) ARNsn, ARNsc ARN polime II III I III II y III Cada unidad de las ARN polimerasas mencionadas están conformadas por 8 a 14 cadenas polipeptídicas. Además, las 2 subunidades más grandes de las 3 ARN polimerasas son similares a las subunidades β de la ARN polimerasa de procarionte. Por último, 5 subunidades son comunes en las tres ARN polimerasas. Se muestra, en la página siguiente, una figura de una ARN polimerasa eucariótica para considerar su complejidad. 104
ADN ARN mensajero La ARN polimerasa II es responsable de la síntesis del ARNm. Esta ARN polimerasa II requiere de unas proteínas llamadas factores de transcripción para iniciar el proceso. Estos factores mostrados en la figura como TBP, B, F, E y H van asociándose secuencialmente sobre la polimerasa para que al final esté activada para producir el ARNm. A diferencia de los procariontes, este ARNm no puede ser utilizado inmediatamente por los ribosomas, es producido como un pre ARNm dentro del núcleo. Los productos iniciales de la transcripción de un ARNm son modificados antes de ser exportados desde el núcleo hacia el citosol. El proceso incluye modificación de ambos extremos de la molécula (extremo 5 y 3 ) y la remoción de los intrones. En cuanto se sintetiza la molécula del pre-arnm, se le añade al extremo 5 una molécula llamada casquete de metil-guanosina (llamada 5 cap). La utilidad de este 5 cap es triple: (a) alinear el ARNm sobre el ribosoma durante la traducción en el citosol; (b) evitar que el extremo 5 del ARNm sea digerido por nucleasas; y (c) ayudar a transportar el ARNm hacia fuera del núcleo. Muchos genes eucarióticos contienen segmentos de secuencias codificantes llamados exones alternados con secuencias no codificantes llamados intrones Tanto los intrones como los exones son transcriptos al pre ARNm. Los intrones son luego removidos por cortes para formar el ARNm maduro que saldrá al citosol. El extremo 3 está definido por un corte de la molécula de pre ARNm y la adición de una cola poli-a, llamado también poliadenilación. La señal para ubicar esta cola es la presencia de una secuencia de 6 nucleótidos A A U A A A. Esta señal sirve también para que un complejo de proteínas (endonucleasas) corte la molécula de pre ARNm y una polimerasa poli A añada unos 200 nucléotidos de A. Esta cola permite estabilidad en la molécula de ARNm a la vez que ayuda con la traducción. 105
Transcripción 5 cap 3 poliadenilación Eliminación intrones La poliadenilación juega un rol importante en embriología, donde la longitud de la cola poli A controla la traducción del ARNm. Muchos ARNm almacenados en los ovocitos no fecundados son no traducibles debido a una corta cola de poli A (20 nucleótidos). La fecundación estimula el alargamiento de la cola poli A de los ARNm almacenados, los cuales inician la traducción y síntesis de proteínas necesarias para el desarrollo temprano del embrión. Análisis bioquímicos han demostrado que los cortes y eliminación de los intrones son producidos por grandes moléculas llamados espliceosomas compuestos de proteínas y ARN. El componente ARN está integrado por 5 tipos de ARNsn llamados U1, U2, U4, U5 y U6. El número de nucleótidos es variable, rangean de 50 a 200. Ellos se unen con 6 a 10 proteínas para formar pequeñas partículas de ribonucleoproteínas (RNPsn). El primer paso en este proceso es el reconocimiento que la RNPsn- U1 hace de las secuencias GU del pre-arnm. Luego se añade la RNP-U2 a secuencias con A Ahora se añade el complejo U4/U6 y finalmente lo hace el U5 el cual corta los extremos del intron. Interesante mencionar aquí que los mismos intrones son capaces en algunos casos de cortarse a sí mismos, sin necesidad de proteínas, lo que da la alternativa que estos sectores de ARN pueden actuar como ribosimas (enzima constituída por ARN). En conclusión, parece ser que las proteínas del espliceosoma tienen la función de reconocer los sitios de corte y los ARNsn realizan la función catalítica. 106
ARN transferencia Los ARN de transferencia (ARNt) son sintetizados por acción de la ARN polimerasa III, la cual produce un pre ARNt. El primer paso en el proceso de maduración es el corte en ambos extremos de la molécula: en el extremo 5 actúa la ribosima llamada RNasa P y en el extremo 3 una proteína convencional (ver Figura hoja 5). En el extremo 3 se añaden los nucleótidos C C A, es en esta secuencia donde se añaden los aminoácidos que posteriormente serán utilizados en la síntesis de proteínas. Los aminoácidos serán añadidos por acción de la enzima aminoacil ARNt sintetasa. Cortes Adición CCA Otra modificación en la molécula del ARNt es la alteración de bases específicas en posiciones precisas. Finalmente, ocurre un plegamiento de la molécula originando asas, entre las cuales la más importante es el asa anticodon, que tendrá las bases complementarias (anticodon) con las bases del ARNm (codon). Modificación bases 107
ARN ribosómico Los ARNr se encuentran en el interior de las dos subunidades de los ribosomas, junto un número característico de proteínas para cada subunidad. Recordemos que la ARN polimerasa I es la encargada de sintetizar la mayoría de los ARNr La enzima produce una molécula de 45 S la cual es procesada para producir las tres de 28 S, 5,8 S y y18 S. promotor transcripción Nota: la letra S que acompaña a las subunidades y a las moléculas de ARNr corresponde al coeficiente de sedimentación (unidad Svedberg). Cuanto mayor el número, mayor velocidad durante la centrifugación y mayor el tamaño de la molécula. En humano, la subunidad grande contiene 3 ARNr (28 S, 5,8 S y 5 S) y 45 proteínas. La subunidad pequeña contiene el ARNr 18 S junto con 30 proteínas. Tres de los ARNr mencionados derivan de un pre ARNr : 28 S, 18 S y 5,8 S. Este pre ARNr se organiza dentro del nucléolo; en tanto que el ARNr de 5 S deriva directamente desde el núcleoplasma éste se incorpora dentro del nucléolo para organizar la subunidad grande del ribosoma. procesamiento Del esquema mostrado, la subunidad pequeña contendrá el ARNr 18 S al cual se añaden unas 30 proteínas y la subunidad grande incluirá los ARNr 28 S, 5,8 S y el 5 S que proviene del nucleoplasma más unas 40 proteínas. Los nucléolos se han asociado a la actividad de síntesis de proteína celular. Células con nucléolos muy pequeños o ausentes exhiben poca síntesis proteica; en cambio, células con nucléolos grandes manifiestan una activa síntesis proteica (células acinares pancreáticas, neuronas, etc.) 108
Durante la mitosis los nucléolos se dispersan y vuelven a reconstituirse en la telofase, en regiones específicas de los cromosomas; la llamada constricción secundaria que son los organizadores nucleolares, es decir, una gran porción de ADN que contiene los genes para los ARNr (18 S, 5.8 S y 28 S). A ME se pueden distinguir 2 zonas en el nucléolo: una zona fibrilar central y una granular periférica. Mediante técnicas autorradiográficas usando uridiria-h 3 se ha comprobado la siguiente relación: ADN nucleolar región fibrilar citoplasma región granular La región fibrilar contiene los genes de ARNr que se desenrollan del cromosoma y penetran al nucléolo junto con las moléculas de ARN recién sintetizadas. En este lugar actúa la ARN polimerasa I transcribiendo el ADN en pre ARNr. La región granular contiene precursores de las subunidades en distintos estados de procesamiento. Una vez que las subunidades están maduras son liberadas del nucléolo y salen hacia el citoplasma por los complejos de poros nucleares. Nota: los dibujos de abajo se refieren a la estructura de los ribosomas en procariontes y eucariontes Procarionte (70 S) 30 S 50 S 18 S 30 prot. 28 S 5.8 S 5 S 40 prot. 16 S 21 prot. 23 S 5 S 34 prot. Eucarionte (80 S) 40 S 60 S 109
Notas 110