ARN polimerasa
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 3 de diciembre de 2017; las comprobaciones requieren 10 ediciones .La ARN polimerasa es una enzima que sintetiza moléculas de ARN . En un sentido estricto, la ARN polimerasa generalmente se denomina ARN polimerasa dependiente de ADN que sintetiza moléculas de ARN en una plantilla de ADN , es decir, lleva a cabo la transcripción . Las enzimas de la clase de las ARN polimerasas son muy importantes para el funcionamiento de la célula, por lo que se encuentran en todos los organismos y en muchos virus . Químicamente, las ARN polimerasas son nucleotidil transferasas que polimerizan ribonucleótidos en el extremo 3' de una cadena de ARN.
Historia del estudio
La ARN polimerasa fue descubierta de forma independiente por Sam Weiss y Gerard Hurwitz (1928-2019) en 1960 . [1] En ese momento, el Premio Nobel de Medicina en 1959 ya había sido otorgado a Severo Ojoa y Arthur Kornberg por el descubrimiento de lo que se pensaba que era la ARN polimerasa [2] , que luego resultó ser la ribonucleasa .
El Premio Nobel de Química en 2006 fue otorgado a Roger Kornberg por obtener imágenes precisas de moléculas de ARN polimerasa en varios puntos del proceso de transcripción. [3]
Gestión de transcripciones
Controlar el proceso de transcripción de genes le permite controlar la expresión de genes y, por lo tanto, permite que la célula se adapte a las condiciones ambientales cambiantes, mantenga los procesos metabólicos en el nivel adecuado y también realice funciones específicas necesarias para la existencia del organismo. No es de extrañar que la acción de la ARN polimerasa sea muy compleja y dependa de muchos factores (por ejemplo, en Escherichia coli se han identificado más de 100 factores que afectan de una forma u otra a la ARN polimerasa [4] ).
La ARN polimerasa inicia la transcripción desde regiones específicas de ADN llamadas promotores y produce una cadena de ARN que es complementaria a la porción correspondiente de la cadena de ADN.
El proceso de construir una molécula de ARN con nucleótidos se llama elongación. En las células eucariotas, la ARN polimerasa puede ensamblar cadenas de más de 2,4 millones de elementos (por ejemplo, el gen completo de la proteína distrofina tiene esta longitud ).
La ARN polimerasa completa la formación de una cadena de ARN cuando encuentra una secuencia específica en el ADN llamada terminador .
La ARN polimerasa produce los siguientes tipos de ARN:
- El ARN mensajero (ARNm) es una plantilla para la síntesis de proteínas en los ribosomas .
- El ARN no codificante o "gen de ARN" es una gran clase de genes que codifican ARN sobre los que no se puede construir una proteína. Los representantes más conocidos de esta clase son el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr), que están involucrados en el proceso de síntesis de proteínas. Sin embargo, se han descubierto muchos otros genes de ARN desde finales de la década de 1990. Esto hizo posible sugerir que los genes de ARN desempeñan un papel más importante en la célula de lo que se pensaba anteriormente.
- ARN de transferencia (ARNt) que transporta aminoácidos a la cadena de proteína que crece en el ribosoma durante el proceso de traducción .
- el ARN ribosómico (ARNr), que forma parte del ribosoma;
- microARN que regula la actividad génica;
- ARN catalítico , que tiene las propiedades de las enzimas.
La ARN polimerasa lleva a cabo la síntesis desde cero. Esto es posible debido a que la interacción del nucleótido inicial del gen y la ARN polimerasa le permite afianzarse en la cadena y procesar los siguientes nucleótidos. Esto explica en parte por qué la ARN polimerasa generalmente comienza la transcripción con ATP, seguida de GTP, UTP y luego CTP. A diferencia de la ADN polimerasa, la ARN polimerasa también tiene actividad helicasa .
Acción de la ARN polimerasa
Unión e iniciación de la transcripción
La unión de la ARN polimerasa involucra la subunidad α, que reconoce el elemento de ADN que precede al gen (-40 ... -70 pasos), y el factor σ, que reconoce la región -10 ... -35. Hay un gran número de factores σ que controlan la expresión génica. Por ejemplo: σ 70 , que se sintetiza en condiciones normales y permite que la ARN polimerasa se una a los genes responsables de los procesos metabólicos de la célula; o σ 32 que bloquea la unión de la ARN polimerasa a los genes de proteínas de choque térmico .
Después de unirse al ADN, la estructura de la ARN polimerasa cambia de cerrada a abierta. Esta transformación implica la separación de las monoespiras de ADN para formar una región sin torsión de unos 13 pasos de longitud. Luego, los ribonucleótidos se ensamblan en una cadena de acuerdo con la hebra base de ADN utilizada como plantilla. El superenrollamiento de las moléculas de ADN juega un papel importante en la actividad de la ARN polimerasa: dado que la sección de ADN anterior a la ARN polimerasa no está retorcida, hay superenrollamientos compensatorios positivos en ella. Las regiones de ADN detrás de la ARN polimerasa se retuercen nuevamente y tienen superenrollamientos negativos.
Elongación
Durante la fase de elongación de la transcripción, se añaden ribonucleótidos a la cadena y tiene lugar la transición de la estructura del complejo de ARN polimerasa de abierta a transcripcional. A medida que se ensambla la molécula de ARN, la región de ADN anterior a la ARN polimerasa se desenrolla aún más y el complejo abierto de 13 pares se convierte en un complejo de transcripción de 17 pares. En este momento, el promotor (región de ADN -10...-35 pasos) se completa y el factor σ se separa de la ARN polimerasa. Esto permite que el resto del complejo de ARN polimerasa comience a avanzar, ya que el factor σ lo mantuvo en su lugar.
El complejo de transcripción de 17 pares contiene un híbrido de ADN y ARN que contiene 8 pares de bases: una región de ARN de 8 pasos conectada a una hebra de plantilla de ADN. A medida que avanza la transcripción, se agregan ribonucleótidos al extremo 3' del ARN ensamblado y el complejo de ARN polimerasa se mueve a lo largo de la cadena de ADN. Aunque la ARN polimerasa no exhibe propiedades de exonucleasa 3' similares a la actividad de detección de la ADN polimerasa, hay evidencia de que la ARN polimerasa detiene y corrige errores en casos de emparejamiento de bases ADN-ARN no coincidentes.
La adición de ribonucleótidos al ARN tiene un mecanismo muy similar a la polimerización del ADN. Se cree que las polimerasas de ADN y ARN pueden estar relacionadas evolutivamente. Los residuos de aspártico en la ARN polimerasa se unen a los iones Mg 2+ que, a su vez, alinean los grupos fosfato de los ribonucleótidos: el primer Mg 2+ retiene el α-fosfato del nucleótido trifosfato para agregarlo a la cadena. Esto permite la unión del nucleótido al grupo 3' OH del extremo de la cadena que se ensambla y, por lo tanto, agrega NTP a la cadena. El segundo Mg 2+ contiene pirofosfato de NTP. Por tanto, la ecuación general de reacción tiene la forma:
(NMF) n + NTF --> (NMF) n+1 + PF i
Terminación
La terminación de la transcripción del ARN puede ser independiente de ρ o dependiente de ρ.
La terminación independiente de ρ se lleva a cabo sin la ayuda del factor ρ . La transcripción de la región palindrómica del ADN conduce a la formación de una horquilla de ARN , enlazada y asociada consigo misma. Esta horquilla es rica en guanina y citosina , lo que la hace más estable que un híbrido ADN-ARN. Como resultado, el híbrido ADN-ARN de 8 pares en el complejo de transcripción se reduce a 4 pares. Si estos últimos 4 pares de bases están compuestos por adenina débil y uridina , la molécula de ARN se separa. [5]
ARN polimerasa bacteriana
En las bacterias , la misma enzima cataliza la síntesis de tres tipos de ARN: ARNm , ARNr y ARNt .
La ARN polimerasa es una molécula bastante grande. La enzima principal contiene 5 subunidades (~400 kDa):
- α 2 : dos subunidades α se unen a los elementos restantes de la enzima y reconocen los factores reguladores. Cada subunidad consta de dos dominios: αSKD (dominio C-terminal) se une al primer elemento del promotor y αNKD (dominio N-terminal) se une a los componentes restantes de la polimerasa.
- β : Esta subunidad tiene una acción polimerasa adecuada, catalizando la síntesis de ARN. Inicia el proceso y controla el alargamiento.
- β': se une de forma no específica al ADN.
- ω: restaura la ARN polimerasa desnaturalizada a una forma viable in vitro . También se ha encontrado que tiene un efecto protector/ chaperón sobre la subunidad β' en Mycobacterium smegmatis .
Para unirse a las regiones promotoras del ADN, la enzima principal necesita una subunidad más: sigma (σ). El factor sigma reduce significativamente la afinidad de la ARN polimerasa por regiones no específicas del ADN y, al mismo tiempo, aumenta su sensibilidad a ciertos promotores, según su estructura. Con su ayuda, la transcripción comienza desde la sección deseada de ADN.
La holoenzima completa consta así de 6 subunidades: α 2 ββ'σω (~480 kDa). Un surco de 55 Å (5,5 nm ) de largo y 25 Å (2,5 nm) de ancho está presente en la estructura de la ARN polimerasa. Es en este surco donde se coloca la doble hélice del ADN, que tiene un ancho de 20 Å (2 nm). La longitud del surco es de 16 nucleótidos .
Las moléculas de ARN polimerasa no se disuelven en el citoplasma. Cuando no está en uso, la ARN polimerasa se une a regiones no específicas de ADN antes de abrir un promotor activo.
Cofactores de transcripción
Hay proteínas que se unen a la ARN polimerasa e influyen en su comportamiento. Por ejemplo , greA y greB de E. coli mejoran la capacidad de la ARN polimerasa para escindir la plantilla de ARN en el extremo creciente de la cadena. Tal escisión puede "rescatar" una molécula de ARN polimerasa atascada y probablemente también esté involucrada en la eliminación de errores en el ensamblaje de la cadena de ARN.
Un cofactor separado , Mfd , está involucrado en la reparación del ADN transcripcional . Durante este proceso, la ARN polimerasa detecta secciones dañadas de ADN y recluta otras enzimas para repararlas.
Muchos otros cofactores tienen un efecto regulador, haciendo que la ARN polimerasa exprese o no ciertos genes.
ARN polimerasa en células eucariotas
Los eucariotas poseen diferentes tipos de ARN polimerasas, clasificados por los tipos de ARN que producen:
- ARN polimerasa I , que sintetiza el precursor de ARNr 45S , que luego se convierte en ARNr 28S, 18S y 5.8S, que ya forman las principales secciones de ARN del ribosoma . [ocho]
- La ARN polimerasa II , que produce precursores del ARNm , así como de la mayoría de los ARNsn y miARN . [9] Este es el tipo de ARN polimerasa mejor estudiado. Debido a que la transcripción debe estar estrictamente controlada, la ARN polimerasa II requiere una variedad de factores de transcripción para unirse a los promotores.
- ARN polimerasa III , que sintetiza ARNt , ARNr 5S y otros ARN pequeños , presentes en el núcleo y el citosol . [diez]
También existen otros tipos de ARN polimerasa que se utilizan en las mitocondrias y los cloroplastos . El peso molecular de estas enzimas es del orden de 500 000. Difieren en su sensibilidad a la alfa-amanitina . La ARN polimerasa I es insensible a él, la ARN polimerasa III es moderadamente sensible y la ARN polimerasa II es fuertemente inhibida por él. [once]
ARN polimerasa en arqueas
Archaea utiliza un tipo de ARN polimerasa que, sin embargo, es muy similar a los tres tipos principales de ARN polimerasas de los eucariotas. Algunos científicos sugieren que la ARN polimerasa de arqueas podría ser, hasta cierto punto, el ancestro evolutivo de las polimerasas eucariotas especializadas. [12]
ARN polimerasa en virus
Muchos virus contienen ARN polimerasa. Quizás la ARN polimerasa viral mejor estudiada se encuentra en el bacteriófago T7. Esta ARN polimerasa de subunidad única es similar a la mitocondrial y al cloroplasto, así como a la ADN polimerasa. [14] Se cree que la mayoría de las polimerasas virales se originaron a partir de polimerasas de ADN en lugar de polimerasas de ARN multicomponente complejas.
Las polimerasas virales son muy numerosas. Muchos de ellos pueden usar ARN en lugar de ADN como plantilla, como, por ejemplo, en virus con ARN de doble cadena o ARN de cadena simple negativo. Algunos virus de ARN monocatenario de polaridad positiva también contienen polimerasas de ARN dependientes de ARN . [quince]
Áreas funcionales
Dominio C-terminal de la ARN polimerasa
Inicio de la transcripciónEl dominio ubicado en el extremo carbónico de la ARN polimerasa II inicia la transcripción del ADN. El dominio C-terminal generalmente consta de alrededor de 52 repeticiones de la secuencia Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser [16] . El factor de transcripción TFIIH, que es una cinasa, hiperfosforila el dominio C-terminal de la ARN polimerasa, lo que hace que el complejo de polimerasa comience a moverse desde el sitio de inicio de la transcripción.
Remate de 5'El dominio C-terminal también es el sitio de unión para el complejo de protección. En eucariotas, después de la síntesis del extremo 5' de la fosfatasa de ARNm, el fosfato terminal del extremo 5' del polirribonucleótido, la enzima guanosina transferasa, le agrega monofosfato de guanosina. Esto forma un enlace 5',5'-trifosfato. Luego, el complejo cap se disocia del ARNm, el capuchón 5' del GTP se une al complejo de unión cap, el dominio C-terminal de la ARN polimerasa. La tapa 5' en la estructura del ARNm eucariótico es de gran importancia para la unión de las moléculas de ARNm a los ribosomas y también previene la degradación del ARN.
SpliceosomaEl dominio C-terminal de la ARN polimerasa es también la región de unión a los factores de empalmesoma involucrados en el proceso de corte y empalme del ARN . Estos factores promueven el empalme y la eliminación de intrones durante la transcripción del ARN.
Mutación en el dominio C-terminalSe han realizado varios estudios sobre el comportamiento de la ARN polimerasa cuando se eliminan ciertos aminoácidos de su dominio C-terminal. Se ha demostrado que las mutaciones de truncamiento en el dominio C-terminal de la ARN polimerasa II afectan su capacidad para iniciar la transcripción de un conjunto de genes in vivo , reduciendo la sensibilidad a las secuencias de activación de estos genes.
Purificación de ARN polimerasa
La ARN polimerasa se puede aislar de las siguientes maneras:
- En una columna de fosfocelulosa . [17]
- mediante centrifugación en gradiente de glicerol . [Dieciocho]
- Utilizando una columna de ADN .
- en una columna de intercambio iónico . [19]
Así como combinaciones de los métodos anteriores.
Véase también
- ADN polimerasa
- ARN polimerasa del virus T7
- Alfa amanitina
Notas
- ↑ Gérard Hurwitz. El descubrimiento de la ARN polimerasa (inglés) // Revista de química biológica : revista. - 2005. - diciembre ( vol. 280 , no. 52 ). - Pág. 42477-42485 . doi : 10.1074 / jbc.X500006200 . — PMID 16230341 .
- ↑ Premio Nobel 1959 . Consultado el 20 de junio de 2007. Archivado desde el original el 2 de febrero de 2007.
- ↑ Premio Nobel de Química 2006 . Consultado el 20 de junio de 2007. Archivado desde el original el 26 de diciembre de 2018.
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Literatura
- Principios de bioquímica de Lehninger, 4.ª edición, David L. Nelson y Michael M. Cox
Enlaces
- DNAi - DNA Interactive: Información y videos Flash sobre la ARN polimerasa.
- animación de la transcripción de la ARN polimerasa - animación de la ARN polimerasa en acción
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