15.2: Transcripción procariota

Habilidades para Desarrollar

• Enumerar los diferentes pasos en la transcripción procariota
• Discutir el papel de los promotores en la transcripción procariota
• Describir cómo y cuándo termina la transcripción

Los procariotas, que incluyen bacterias y arqueas, son en su mayoría organismos unicelulares que, por definición, carecen de núcleos unidos a membrana y otros orgánulos. Un cromosoma bacteriano es un círculo covalentemente cerrado que, a diferencia de los cromosomas eucariotas, no está organizado alrededor de proteínas histonas. La región central de la célula en la que reside el ADN procariota se denomina nucleoide. Además, los procariotas suelen tener abundantes plásmidos, que son moléculas de ADN circulares más cortas que pueden contener solo uno o unos pocos genes. Los plásmidos pueden transferirse independientemente del cromosoma bacteriano durante la división celular y a menudo portan rasgos como la resistencia a antibióticos.

La transcripción en procariotas (y en eucariotas) 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 transcripción siempre procede de la misma cadena de ADN para cada gen, 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. La única diferencia es que en el ARNm, todos los nucleótidos T son reemplazados por nucleótidos U. En una doble hélice de ARN, A puede unirse a U a través de dos enlaces de hidrógeno, al igual que en el emparejamiento A—T en una doble hélice de ADN.

El par de nucleótidos en la doble hélice de ADN que corresponde al sitio desde el que se transcribe el primer nucleótido de ARNm 5' se denomina sitio +1, o sitio de iniciación. Los nucleótidos que preceden al sitio de iniciación reciben números negativos y se designan aguas arriba. Por el contrario, los nucleótidos que siguen al sitio de inicio se indican con numeración “+” y se denominan nucleótidos aguas abajo.

Inicio de la Transcripción en Procariotas

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

Nuestra discusión aquí ejemplificará la transcripción describiendo 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.

ARN polimerasa procariota

Los procariotas utilizan la misma ARN polimerasa para transcribir todos sus genes. En E. coli, la polimerasa está compuesta por cinco subunidades polipeptídicas, dos de las cuales son idénticas. Cuatro de estas subunidades, denotadas α, α, β y β' comprenden la enzima del núcleo de la polimerasa. Estas subunidades se ensamblan cada vez que se transcribe un gen, y se desensamblan 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 pasará a formar parte de la naciente molécula de ARNm “recién nacida”; y la β' se une a la cadena molde de ADN. La quinta subunidad, σ, está involucrada únicamente en el inicio de la transcripción. Confiere especificidad transcripcional de tal manera que la polimerasa comienza a sintetizar ARNm a partir de un sitio de inicio apropiado. Sin σ, la enzima central se transcribiría a partir de sitios aleatorios y produciría moléculas de ARNm que especificaban galimatías proteicas. La polimerasa compuesta por las cinco subunidades se llama holoenzima.

Promotores procariotas

Un promotor es una secuencia de ADN a la que se une la maquinaria de transcripción 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 procariotas, se conservan algunos elementos. En las regiones -10 y -35 aguas arriba del sitio de inicio, hay dos secuencias consenso promotoras, o regiones que son similares en todos los promotores y en diversas especies bacterianas (Figura\(\PageIndex{1}\)). La secuencia consenso -10, llamada región -10, es TATAAT. La secuencia -35, TTGACA, es reconocida y unida por σ. Una vez realizada esta interacción, las subunidades de la enzima central se unen al sitio. La región -10 rica en A-T facilita el desenrollado del molde de ADN, y se hacen varios enlaces fosfodiéster. La fase de iniciación de la transcripción termina con la producción de transcritos abortivos, los cuales son polímeros de aproximadamente 10 nucleótidos que se elaboran y liberan.

Figura\(\PageIndex{1}\): La subunidad σ de la ARN polimerasa procariota reconoce secuencias consenso encontradas en la región promotora aguas arriba de la vista de inicio de la transcripción. La subunidad σ se disocia de la polimerasa una vez iniciada la transcripción.

Enlace al aprendizaje

Vea esta animación MolecularMovies para ver la primera parte de la transcripción y la repetición de la secuencia base de la caja TATA.

Alargamiento y Terminación en Procariotas

La fase de elongación de la 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 del molde de ADN, sintetizando ARNm en la dirección 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 detrás de ella (Figura\(\PageIndex{2}\)). El emparejamiento de bases entre ADN y ARN no es lo suficientemente estable como para mantener la estabilidad de los componentes de la síntesis de ARNm. En cambio, la ARN polimerasa actúa como un enlazador estable entre el molde de ADN y las cadenas de ARN nacientes para asegurar que la elongación no se interrumpa prematuramente.

Figura\(\PageIndex{2}\): Durante la elongación, la ARN polimerasa procariota rastrea a lo largo del molde de ADN, sintetiza ARNm en la dirección 5' a 3', y desenrolla y rebobina el ADN a medida que se lee.

Señales de terminación procariota

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, existen dos tipos de señales de terminación. Uno está basado en proteínas y el otro está basado en ARN. La terminación dependiente de Rho está controlada por la proteína rho, que rastrea 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 el molde de ADN y se estabiliza. Como resultado, la proteína rho colisiona 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 cadena molde 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 entre sí. El resultado es una horquilla estable que provoca que la polimerasa se detenga en cuanto comienza a transcribir una región rica en nucleótidos A—T. La región U-A complementaria del transcrito de ARNm forma solo una interacción débil con el ADN molde. Esto, junto con la polimerasa estancada, induce suficiente inestabilidad para que la enzima central se rompa y libere el nuevo transcrito de ARNm.

Al finalizar, el proceso de transcripción está completo. En el momento en que se produce la terminación, el transcrito procariota ya se habría utilizado para iniciar la síntesis de numerosas copias de la proteína codificada debido a que estos procesos pueden ocurrir simultáneamente. La unificación de la transcripción, traducción e incluso degradación del ARNm es posible porque todos estos procesos ocurren en la misma dirección 5' a 3', y porque no hay compartimentación membranosa en la célula procariota (Figura\(\PageIndex{3}\)). Por el contrario, la presencia de un núcleo en las células eucariotas impide la transcripción y traducción simultáneas.

Figura\(\PageIndex{3}\): 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.

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Visita esta animación BioStudio para ver el proceso de transcripción procariota.

Resumen

En procariotas, la síntesis de ARNm se inicia en una secuencia promotora en el molde de ADN que comprende dos secuencias consenso que reclutan ARN polimerasa. La polimerasa procariota consiste en una enzima central de cuatro subunidades proteicas y una proteína σ que ayuda solo con la iniciación. La elongación sintetiza el ARNm en la dirección 5' a 3' a una velocidad de 40 nucleótidos por segundo. La terminación libera el ARNm y ocurre ya sea por interacción rho proteína o por la formación de una horquilla de ARNm.

Glosario

consenso

Secuencia de ADN que es utilizada por muchas especies para realizar funciones iguales o similares

Enzima central

ARN polimerasa procariota que consiste en α, α, β y β' pero falta σ; este complejo realiza elongación

aguas abajo

nucleótidos que siguen al sitio de iniciación en la dirección de la transcripción del ARNm; en general, las secuencias que están hacia el extremo 3' con respecto a un sitio en el ARNm

horquilla

estructura del ARN cuando se pliega sobre sí mismo y forma enlaces de hidrógeno intramoleculares entre nucleótidos complementarios

holoenzima

ARN polimerasa procariota que consiste en α, α, β, β' y σ; este complejo es responsable del inicio de la transcripción

sitio de iniciación

nucleótido a partir del cual procede la síntesis de ARNm en la dirección 5' a 3'; denotado con un “+1”

hebra sin plantilla

cadena de ADN que no se usa para transcribir ARNm; esta cadena es idéntica al ARNm excepto que los nucleótidos T en el ADN son reemplazados por U nucleótidos en el ARNm

plásmido

molécula de ADN extracromosómica, cerrada covalentemente, circular que puede contener solo uno o unos pocos genes; común en procariotas

promotor

Secuencia de ADN a la que se unen la ARN polimerasa y factores asociados e inician la transcripción

Terminación dependiente de Rho

en procariotas, terminación de la transcripción por una interacción entre la ARN polimerasa y la proteína rho en una serie de nucleótidos G en el molde de ADN

Independiente de Rho

terminación dependiente de la secuencia de terminación de la síntesis de ARNm procariota; causada por la formación de horquilla en el ARNm que estabiliza la polimerasa

Caja TATA

secuencia promotora conservada en eucariotas y procariotas que ayuda a establecer el sitio de inicio para la transcripción

plantilla, hebra

cadena de ADN que especifica la molécula de ARNm complementaria

burbuja de transcripción

región de ADN desenrollado localmente que permite la transcripción de ARNm

aguas arriba

nucleótidos que preceden al sitio de iniciación; en general, secuencias hacia el extremo 5' con respecto a un sitio en el ARNm