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9.3: Transcripción

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    54045
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    Tanto en procariotas como eucariotas, la segunda función del ADN (la primera fue la replicación) es proporcionar la información necesaria para construir las proteínas necesarias para que la célula pueda realizar todas sus funciones. Para ello, el ADN es “leído” o transcrito en una molécula de ARNm. El ARNm proporciona entonces el código para formar una proteína mediante un proceso llamado traducción. A través de los procesos de transcripción y traducción, se construye una proteína con una secuencia específica de aminoácidos que originalmente fue codificada en el ADN. Este módulo discute los detalles de la transcripción.

    El Dogma Central: ADN Codifica ARN; ARN Codifica Proteína

    El flujo de información genética en las células del ADN al ARNm a la proteína es descrito por el dogma central (Figura\(\PageIndex{1}\)), que establece que los genes especifican las secuencias de los ARNm, que a su vez especifican las secuencias de las proteínas.

    Un diagrama de flujo muestra el ADN, con una flecha al ARN, que tiene una flecha a la proteína.
    Figura\(\PageIndex{1}\): El dogma central afirma que el ADN codifica ARN, que a su vez codifica proteína.

    La copia de ADN a ARNm es relativamente sencilla, añadiéndose un nucleótido a la cadena de ARNm por cada lectura de nucleótido complementario en la cadena de ADN. La traducción a proteína es más compleja debido a que grupos de tres nucleótidos de ARNm corresponden a un aminoácido de la secuencia de la proteína. No obstante, como veremos en el siguiente módulo, la traducción a proteína sigue siendo sistemática, de tal manera que los nucleótidos 1 a 3 corresponden al aminoácido 1, los nucleótidos 4 al 6 corresponden al aminoácido 2, y así sucesivamente.

    Transcripción: de ADN a ARNm

    Tanto los procariotas como los eucariotas realizan fundamentalmente el mismo proceso de transcripción, con la diferencia importante del núcleo unido a la membrana en eucariotas. Con los genes unidos en el núcleo, la transcripción ocurre en el núcleo de la célula y el transcrito de ARNm debe transportarse al citoplasma. Los procariotas, que incluyen bacterias y arqueas, carecen de núcleos unidos a la membrana y otros orgánulos, y la transcripción ocurre en el citoplasma de la célula. Tanto en procariotas como en eucariotas, la transcripción ocurre en tres etapas principales: iniciación, elongación y terminación.

    Iniciación

    La transcripción requiere que la doble hélice de ADN se desenrolle parcialmente en la región de la síntesis de ARNm. La región de desenrollamiento se llama burbuja de transcripción. La secuencia de ADN a la que se unen las proteínas y enzimas implicadas en la transcripción para iniciar el proceso se denomina promotor. 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 apenas en absoluto (Figura\(\PageIndex{2}\)).

    La ilustración muestra una cadena molde y una cadena no molde de ADN, con una sección promotora en rojo en la cadena molde. Aguas abajo del promotor se encuentra una ARN polimerasa donde se está sintetizando ARN.
    Figura\(\PageIndex{2}\): El inicio de la transcripción comienza cuando el ADN se desenrolla, formando una burbuja de transcripción. Las enzimas y otras proteínas involucradas en la transcripción se unen al promotor.

    Alargamiento

    La transcripción siempre procede de una de las dos cadenas de ADN, que se llama cadena molde. El producto de ARNm es complementario a la cadena molde y es casi idéntico a la otra cadena de ADN, llamada cadena no molde, con la excepción de que el ARN contiene un uracilo (U) en lugar de la timina (T) que se encuentra en el ADN. Durante la elongación, una enzima llamada ARN polimerasa procede a lo largo del molde de ADN añadiendo nucleótidos por emparejamiento de bases con el molde de ADN de una manera similar a la replicación del ADN, con la diferencia de que se está sintetizando una cadena de ARN que no permanece unida al molde de ADN. A medida que avanza la elongación, el ADN se desenrolla continuamente por delante de la enzima central y se rebobina detrás de ella (Figura\(\PageIndex{3}\)).

    La ilustración muestra la síntesis de ARN por ARN polimerasa. La cadena de ARN se sintetiza en la dirección 5' a 3'.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Durante la elongación, la ARN polimerasa rastrea a lo largo del molde de ADN, sintetiza el ARNm en la dirección 5' a 3', y se desenrolla luego reenrolla el ADN a medida que se lee.

    Terminación

    Una vez que se transcribe un gen, la polimerasa procariota necesita ser instruida para disociarse del molde de ADN y liberar el ARNm recién hecho. Dependiendo del gen que se transcriba, hay dos tipos de señales de terminación, pero ambas implican secuencias de nucleótidos repetidas en el molde de ADN que dan como resultado el estancamiento de la ARN polimerasa, dejando el molde de ADN y liberando el transcrito de ARNm.

    Al finalizar, el proceso de transcripción está completo. En una célula procariota, en el momento en que se produce la terminación, el transcrito ya habría sido utilizado para sintetizar parcialmente numerosas copias de la proteína codificada debido a que estos procesos pueden ocurrir simultáneamente usando múltiples ribosomas (poliribosomas) (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por el contrario, la presencia de un núcleo en las células eucariotas impide la transcripción y traducción simultáneas.

    La ilustración muestra múltiples ARNm transcritos de un gen. Los ribosomas se unen al ARNm antes de que se realice la transcripción y comienzan a producir proteínas.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Múltiples polimerasas pueden transcribir un solo gen bacteriano, mientras que numerosos ribosomas traducen simultáneamente los transcritos de ARNm en polipéptidos. De esta manera, una proteína específica puede alcanzar rápidamente una alta concentración en la célula bacteriana.

    Procesamiento de ARN eucariota

    Los ARNm eucariotas recién transcritos deben someterse a varias etapas de procesamiento antes de que puedan transferirse del núcleo al citoplasma y traducirse en una proteína. Los pasos adicionales involucrados en la maduración del ARNm eucariota crean una molécula que es mucho más estable que un ARNm procariota. Por ejemplo, los ARNm eucariotas duran varias horas, mientras que el ARNm procariota típico no dura más de cinco segundos.

    El transcrito de ARNm se recubre primero con proteínas estabilizadoras de ARN para evitar que se degrada mientras se procesa y exporta fuera del núcleo. Esto ocurre mientras el pre-ARNm aún se está sintetizando agregando un nucleótido especial “cap” al extremo 5' del transcrito en crecimiento. Además de prevenir la degradación, los factores involucrados en la síntesis de proteínas reconocen la tapa para ayudar a iniciar la traducción por los ribosomas.

    Una vez que se completa la elongación, una enzima agrega una cadena de aproximadamente 200 residuos de adenina al extremo 3', llamada cola poli-A. Esta modificación protege además al pre-ARNm de la degradación y señala a factores celulares que el transcrito necesita ser exportado al citoplasma.

    Los genes eucariotas están compuestos por secuencias codificadoras de proteínas llamadas exones (ex- on significa que están expresionadas) e int ervening secuencias llamadas intrones (int- ron denota su papel int ervening). Los intrones se eliminan del pre-ARNm durante el procesamiento. Las secuencias de intrones en ARNm no codifican proteínas funcionales. Es esencial que todos los intrones de un pre-ARNm se eliminen completa y precisamente antes de la síntesis de proteínas para que los exones se unan para codificar los aminoácidos correctos. Si el proceso falla incluso por un solo nucleótido, la secuencia de los exones reunidos se desplazaría, y la proteína resultante sería no funcional. El proceso de eliminación de intrones y reconexión de exones se denomina empalme (Figura\(\PageIndex{5}\)). Los intrones se eliminan y degradan mientras el pre-ARNm aún se encuentra en el núcleo.

    La ilustración muestra un transcrito de ARN primario con tres exones y dos intrones. En el transcrito empalmado, los intrones se eliminan y los exones se fusionan entre sí. También se han agregado una tapa de 5' y una cola de poli-A.
    Figura\(\PageIndex{5}\): El ARNm eucariota contiene intrones que deben ser empalmados. También se agregan una tapa de 5' y una cola de 3'.

    Resumen

    En procariotas, la síntesis de ARNm se inicia en una secuencia promotora en el molde de ADN. La elongación sintetiza nuevo ARNm. La terminación libera el ARNm y se produce por mecanismos que detienen la ARN polimerasa y hacen que se caiga del molde de ADN. Los ARNm eucariotas recién transcritos se modifican con una caperuza y una cola poli-A. Estas estructuras protegen el ARNm maduro de la degradación y ayudan a exportarlo desde el núcleo. Los ARNm eucariotas también se someten a corte y empalme, en el que se eliminan los intrones y se reconectan los exones con precisión de un solo nucleótido. Solo los ARNm terminados se exportan del núcleo al citoplasma.

    Glosario

    exón
    una secuencia presente en el ARNm codificante de proteínas después de completar el corte y empalme previo al ARNm
    intrón
    Secuencias intervinientes no codificantes de proteínas que se empalman a partir de ARNm durante el procesamiento
    mRNA
    ARN mensajero; una forma de ARN que lleva el código de secuencia de nucleótidos para una secuencia de proteína que se traduce en una secuencia polipeptídica
    hebra sin plantilla
    la cadena de ADN que no se usa para transcribir ARNm; esta cadena es idéntica al ARNm excepto que los nucleótidos T en el ADN se reemplazan por U nucleótidos en el ARNm
    promotor
    una secuencia en el ADN a la que la ARN polimerasa y los factores asociados se unen e inician la transcripción
    ARN polimerasa
    una enzima que sintetiza una cadena de ARN a partir de una cadena molde de ADN
    empalmar
    el proceso de eliminación de intrones y reconexión de exones en un pre-ARNm
    plantilla, hebra
    la cadena de ADN que especifica la molécula de ARNm complementaria
    burbuja de transcripción
    la región de ADN desenrollado localmente que permite la transcripción de ARNm

    Colaboradores y Atribuciones


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