ARN polimerasa: estructura, funciones, procariotas, eucariotas
La ARN polimerasa es un complejo enzimático que se encarga de mediar la polimerización de una molécula de ARN, partiendo de una secuencia de ADN que usa como molde. Este proceso es el primer paso de la expresión génica, y recibe el nombre de transcripción. La ARN polimerasa se une al ADN en una región muy particular, conocida como promotor.
Esta enzima – y el proceso de transcripción en general – es más complejo en los eucariotas que en los procariotas. Los eucariotas poseen múltiples ARN polimerasas que se especializan en ciertos tipos de genes, en contraste con los procariotas donde todos los genes son transcritos por una sola clase de polimerasa.
El incremento de complejidad dentro del linaje de los eucariotas en los elementos relacionados con la transcripción está relacionado, presumiblemente, con un sistema de regulación génica más sofisticado, típico de los organismos multicelulares.
En las arqueas, la transcripción es similar al proceso que ocurre en los eucariotas, a pesar que solo presentan una polimerasa.
Las polimerasas no actúan solas. Para que el proceso de transcripción pueda iniciar correctamente, es necesaria la presencia de complejos proteicos denominados factores de trascripción.
Índice del artículo
- 1 Estructura
- 2 Funciones
- 3 En procariotas
- 4 En eucariotas
- 5 En arqueas
- 6 Diferencias con la ADN polimerasa
- 7 Referencias
Las ARN polimerasa mejor caracterizadas son las polimerasas de las bacterias. Esta consta de cadenas polipeptídicas múltiples. La enzima posee varias subunidades, catalogadas como α, β, β′ y σ. Se ha demostrado que esta última subunidad no participa de manera directa en la catálisis, pero si está involucrada en la unión específica al ADN.
De hecho, si eliminamos a la subunidad σ la polimerasa aún puede catalizar su reacción asociada, pero lo hace en las regiones incorrectas.
La subunidad α tiene una masa de 40.000 dáltones y existen dos. De las subunidades β y β′ existe solo 1, y tienen una masa de 155.000 y 160.000 dáltones, respectivamente.
Estas tres estructuras están ubicadas en el núcleo de la enzima, mientras que la subunidad σ está más alejada, y se denomina factor sigma. La enzima completa – u holoenzima – tiene un peso total cercano a los 480.000 dáltones.
La estructura de la ARN polimerasa es ampliamente variable, y depende del grupo estudiado. Sin embargo, en todos los seres orgánicos es una enzima compleja, constituida de varias unidades.
La función de la ARN polimerasa es la polimerización de los nucleótidos de una cadena de ARN, construida a partir de un molde de ADN.
Toda la información necesaria para la construcción y el desarrollo de un organismo está escrita en su ADN. Sin embargo, la información no se traduce directamente a proteínas. Es necesario el paso intermediario a una molécula de ARN mensajero.
Esta transformación del lenguaje de ADN a ARN es mediada por la ARN polimerasa y el fenómeno se denomina transcripción. Este proceso es similar a la replicación del ADN.
Los procariotas son organismo unicelulares, sin un núcleo definido. De todos los procariotas, el organismo más estudiado ha sido Escherichia coli. Esta bacteria es un habitante normal de nuestra microbiota y ha sido el modelo ideal para los genetistas.
La ARN polimerasa se aisló por primera vez en este organismo, y la mayoría de los estudios de la transcripción han sido realizados en E. coli. En una sola célula de esta bacteria podemos encontrar hasta 7000 moléculas de polimerasas.
A diferencia de los eucariotas que presentan tres tipos de ARN polimerasas, en los procariotas todos los genes son procesados por un solo tipo de polimerasa.
Los eucariotas son los organismos que poseen un núcleo delimitado por una membrana y poseen distintas organelas. Las células eucariotas se caracterizan por presentar tres tipos de ARN polimerasas nucleares, y cada tipo se encarga de la transcripción de genes particulares.
Un “gen” no es un término fácil de definir. Usualmente, estamos acostumbrados a llamar “gen” a cualquier secuencia de ADN que se traduce finalmente en una proteína. Aunque la afirmación anterior es cierta, también existen genes cuyo producto final es un ARN (y no una proteína), o bien son genes implicados en la regulación de la expresión.
Existen tres tipos de polimerasas, denominadas como I, II y III. A continuación describiremos sus funciones:
Los genes que codifican para proteínas – e involucran un ARN mensajero – son transcritos por la ARN polimerasa II. Por su relevancia en la síntesis proteica, ha sido la polimerasa más estudiada por los investigadores.
Factores de transcripción
Estas enzimas no pueden dirigir el proceso de la transcripción por si solas, necesitan de la presencia de proteínas llamadas factores de transcripción. Se pueden distinguir dos tipos de factores de transcripción: los generales y los adicionales.
El primer grupo incluye a las proteínas que están involucradas en la transcripción de todos los promotores de las polimerasas II. Estas constituyen la maquinaria básica de la transcripción.
En los sistemas in vitro, se han caracterizado cinco factores generales que son indispensables para el inicio de la transcripción por la ARN polimerasa II. Estos promotores poseen una secuencia consenso llamada “caja TATA”.
El primer paso de la transcripción involucra la unión de un factor llamado TFIID a la caja TATA. Esta proteína es un complejo con múltiples subunidades – entre ellas, una específica de unión a la caja. También está formado por una docena de péptidos denominados TAFs (del inglés TBP-associated factors).
Un tercer factor involucrado es TFIIF. Después de que la polimerasa II es reclutada, son necesarios los factores TFIIE y TFIIH para el inicio de la trascripción.
Los ARN ribosomales son elementos estructurales de los ribosomas. Además del ARN ribosomal, los ribosomas están formados de proteínas y son los encargados de traducir una molécula de ARN mensajero a proteína.
Los ARN de transferencia también participan en este proceso de traducción, llevando al aminoácido que será incorporado en la cadena polipeptídica en formación.
Estos ARN (ribosomal y de transferencia) son transcritos por la ARN polimerasas I y III. La ARN polimerasa I es específica de la trascripción de los ARN ribosomales más grandes, conocidos como 28S, 28S y 5.8S. La S hace referencia al coeficiente de sedimentación, es decir, las tasas de sedimentación durante el proceso de centrifugación.
La ARN polimerasa III se encarga de la transcripción de los genes que codifican para los ARN ribosomales más pequeños (5S).
Además, una serie de pequeños ARN (recordemos que existen múltiples tipos de ARN, no solo los más conocidos ARN mensajero, ribosomal y de transferencia) como los ARN pequeños nucleares, son transcriptos por las ARN polimerasa III.
Factores de transcripción
La ARN polimerasa I, reservada exclusivamente para la transcripción de los genes ribosomales requiere de varios factores de transcripción para su actividad. Los genes que codifican para el ARN ribosomal tienen un promotor localizado unas 150 pares de bases “aguas arriba” del sitio de inicio de la transcripción.
El promotor es reconocido por dos factores de transcripción: UBF y SL1. Estos se unen de manera cooperativa al promotor y reclutan a la polimerasa I, formando el complejo de iniciación.
Estos factores están formados por múltiples subunidades proteicas. Del mismo modo, TBP pareciera ser un factor de transcripción compartido para las tres polimerasas en eucariotas.
Para la ARN polimerasa III, el facto de transcripción TFIIIA, TFIIIB y TFIIIC han sido identificados. Estos se unen de manera secuencial al complejo de transcripción.
Una de las características distintivas de los eucariotas son los compartimientos subcelulares llamados organelos. Las mitocondrias y los cloroplastos poseen una ARN polimerasa separada que recuerdan a dicha enzima en las bacterias. Estas polimerasas son activas, y transcriben el ADN encontrado en estas organelas.
Según la teoría endosimbiótica, los eucariotas provienen de un evento de simbiosis, donde una bacteria engulló a otra más pequeña. Este relevante hecho evolutivo explica la similitud entre las polimerasas de las mitocondrias con la polimerasa de las bacterias.
Al igual que en las bacterias, en arqueas solo existe un solo tipo de polimerasa encargada de la transcripción de todos los genes del organismo unicelular.
Sin embargo, la ARN polimerasa de las arqueas es muy similar a la estructura de la polimerasa en los eucariotas. Presentan una caja TATA y factores de transcripción, el TBP y TFIIB, específicamente.
En líneas generales, el proceso de transcripción en los eucariotas es bastante similar al que encontramos en las arqueas.
La replicación del ADN es orquestada por un complejo enzimático denominado ADN polimerasa. Aunque esta enzima suele compararse con la ARN polimerasa – ambas catalizan la polimerización de una cadena de nucleótidos en dirección 5′ a 3′ – se diferencias en varios aspectos.
La ADN polimerasa necesita de un fragmento corto de nucleótidos para poder iniciar la replicación de la molécula, llamado cebador o primer. La ARN polimerasa puede empezar la síntesis de novo, y no necesita del primer para su actividad.
La ADN polimerasa es capaz de unirse a varios sitios a los largo de un cromosoma, mientras que la polimerasa solo se une a los promotores de los genes.
En cuanto a los mecanismos de proofreading de las enzimas, los de la ADN polimerasa se conocen mucho mejor, siendo capaz de corregir los nucleótidos errados que han sido polimerizados por error.
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