ARN polimerasa

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Definición de ARN polimerasa

Una ARN polimerasa (ARNp), o ácido ribonucleico polimerasa, es una enzima de múltiples subunidades que cataliza el proceso de transcripción donde se sintetiza un polímero de ARN a partir de una plantilla de ADN. La secuencia del polímero de ARN es complementaria a la del ADN molde y se sintetiza en una orientación 5 ‘→ 3’. Esta cadena de ARN se denomina transcripción primaria y debe procesarse antes de que pueda ser funcional dentro de la célula.

Las ARN polimerasas interactúan con muchas proteínas para realizar su tarea. Estas proteínas ayudan a mejorar la especificidad de unión de la enzima, ayudan a desenrollar la estructura de doble hélice del ADN, modulan la actividad de la enzima según los requisitos de la célula y alteran la velocidad de transcripción. Algunas moléculas de ARNp pueden catalizar la formación de un polímero de más de cuatro mil bases de longitud cada minuto. Sin embargo, tienen un rango dinámico de velocidades y ocasionalmente pueden pausar o incluso detenerse en ciertas secuencias para mantener la fidelidad durante la transcripción.

Funciones de la ARN polimerasa

Tradicionalmente, el dogma central de la biología molecular ha considerado al ARN como una molécula mensajera, que exporta la información codificada en ADN fuera del núcleo para impulsar la síntesis de proteínas en el citoplasma: ADN → ARN → Proteína. Los otros ARN bien conocidos son el ARN de transferencia ( ARNt ) y el ARN ribosómico (ARNr) que también están íntimamente conectados con la maquinaria sintética de proteínas. Sin embargo, durante las últimas dos décadas, ha quedado cada vez más claro que el ARN cumple una serie de funciones, de las cuales la codificación de proteínas es solo una parte. Algunos regulan la expresión génica, otros actúan como enzimas, algunos incluso son cruciales en la formación de gametos. Estos se denominan no codificantes o ncRNA.

Dado que ARNp está involucrado en la producción de moléculas que tienen una amplia gama de funciones, una de sus funciones principales es regular el número y tipo de transcripciones de ARN formadas en respuesta a los requisitos de la célula. Varias proteínas, factores de transcripción y moléculas de señalización diferentes interactúan con la enzima, especialmente el extremo carboxi-terminal de una subunidad, para regular su actividad. Se cree que esta regulación fue crucial para el desarrollo de plantas y animales eucariotas, donde células genéticamente idénticas muestran expresión génica diferencial y especialización en organismos multicelulares.

Además, el funcionamiento óptimo de estas moléculas de ARN depende de la fidelidad de la transcripción: la secuencia en la hebra de la plantilla de ADN debe estar representada con precisión en el ARN. Incluso un solo cambio de base en algunas regiones puede conducir a un producto completamente no funcional. Por lo tanto, si bien la enzima necesita trabajar rápidamente y completar la reacción de polimerización en un período corto de tiempo, necesita mecanismos robustos para garantizar tasas de error extremadamente bajas. El sustrato de nucleótidos se criba en múltiples pasos para comprobar su complementariedad con la hebra de ADN molde. Cuando está presente el nucleótido correcto, crea un entorno propicio para la catálisis y el alargamiento de la cadena de ARN. Además, un paso de corrección permite eliminar las bases incorrectas.

Finalmente, las ARN polimerasas también están involucradas en la modificación postranscripcional de los ARN para hacerlos funcionales, facilitando su exportación desde el núcleo hacia su sitio de acción final.

Tipos de ARN polimerasa

Existe una notable similitud en las ARN polimerasas que se encuentran en procariotas, eucariotas, archea e incluso en algunos virus. Esto apunta a la posibilidad de que hayan evolucionado a partir de un ancestro común. El ARNp procariótico está compuesto por cuatro subunidades, incluido un factor sigma que se disocia del complejo enzimático después del inicio de la transcripción. Mientras que los procariotas usan el mismo ARNp para catalizar la polimerización del ARN codificante y no codificante, los eucariotas tienen cinco ARN polimerasas distintas.

El ARNp I eucariota es un caballo de batalla que produce casi el cincuenta por ciento del ARN transcrito en la célula. Polimeriza exclusivamente el ARN ribosómico, que forma un gran componente de los ribosomas, las máquinas moleculares que sintetizan proteínas. La ARN polimerasa II se estudia ampliamente porque participa en la transcripción de precursores de ARNm. También cataliza la formación de pequeños ARN nucleares y micro ARN. ARNp III transcribe el ARN de transferencia, algo de ARN ribosómico y algunos otros ARN pequeños y es importante ya que muchos de sus objetivos son necesarios para el funcionamiento normal de la célula. Las ARN polimerasas IV y V se encuentran exclusivamente en plantas y juntas son cruciales para la formación de pequeños ARN interferentes y heterocromatina en el núcleo.

Proceso de transcripción

La transcripción comienza con la unión de la enzima ARNp a una parte específica del ADN, también conocida como región promotora. Esta unión requiere la presencia de algunas otras proteínas: el factor sigma en procariotas y varios factores de transcripción en eucariotas. Un conjunto de proteínas llamadas factores de transcripción general son necesarios para toda la actividad transcripcional eucariota e incluyen el factor de inicio de la transcripción II A, II B, II D, II E, II F y II H. Estos se complementan con moléculas de señalización específicas que modulan la expresión génica tramos de ADN no codificante ubicados corriente arriba. A menudo, la iniciación se aborta varias veces antes de que se polimerice un tramo de diez nucleótidos. Después de esto, la polimerasa se mueve más allá del promotor y pierde la mayoría de los factores de iniciación.

A esto le sigue el desenrollamiento del ADN bicatenario, también conocido como «fusión», para formar una especie de burbuja donde se produce la transcripción activa. Esta «burbuja» parece moverse a lo largo de la cadena de ADN a medida que el polímero de ARN se alarga. Una vez que se completa la transcripción, se termina el proceso y se procesa la cadena de ARN. El ARNp procariótico y el RNA polimerasas I y II eucariótico requieren proteínas de terminación de la transcripción adicionales. ARNpIII termina la transcripción cuando hay un tramo de bases de timina en la hebra de ADN sin molde.

Comparación entre ADN y ARN polimerasa

Si bien las polimerasas de ADN y ARN catalizan las reacciones de polimerización de nucleótidos, existen dos diferencias principales en su actividad. A diferencia de las ADN polimerasas, las enzimas ARNpno necesitan un cebador para comenzar la reacción de polimerización. También son capaces de iniciar la reacción a partir de la mitad de una hebra de ADN y leer las señales de «PARADA» que hacen que el complejo enzimático se disocie de la plantilla. Finalmente, si bien las ARN polimerasas son ligeramente más lentas que sus contrapartes, tienen la ventaja de que solo necesitan hacer una copia complementaria de una hebra de ADN.

Orientación 3 ′ -> 5 ′: direccionalidad de una sola hebra de ácido nucleico que se deriva de la numeración de átomos de carbono en el anillo de azúcar de nucleótido. Un extremo del ácido nucleico tiene un grupo hidroxilo libre en el tercer carbono y el otro extremo tiene un grupo fosfato libre unido al quinto carbono.
Heterocromatina: segmentos de un cromosoma que son transcripcionalmente silenciosos y parecen ser más densos que las regiones que transcriben activamente.
ARNi: los ARN interferentes pequeños son moléculas de ARN bicatenarias cortas que participan en la regulación génica a través de la interferencia del ARN.
Carboxi-terminal: extremo de una proteína o polipéptido que contiene un grupo carboxilo libre unido al átomo de carbono alfa del aminoácido. El otro extremo del polipéptido se denomina N-terminal o amino-terminal.