Transcripció genètica

Transcripció genètica

Archiu:Caps block 0 transcription.jpg

Esquema del procés de transcripció de ARN. Es mostra l'orientació antiparalela de les cadenes d'un ADN i la producció de ARN per acció de la enzima ARN polimerasa.

La transcripció de el ADN o transcripció de gens és el primer procés de la expressió genètica, per mig del qual es transferix l'informació continguda en la seqüència de el ADN cap a la seqüència de proteïna utilisant diversos ARN com a intermediaris. Durant la transcripció genètica, les seqüències de ADN són copiades a ARN per mig d'una enzima cridada ARN polimerasa (p-ARN) la qual sintetisa un ARN mensager que manté l'informació de la seqüència present en el ADN. D'esta manera, la transcripció de el ADN també podria cridar-se "síntesis de el ARN mensager".

La transcripció es realisa en els següents passos generals:

1. La ARN polimerasa, junt en un o més factors de transcripció generals, s'unix a el ADN promotor.
2. La ARN polimerasa genera una bombeta de transcripció, que separa els dos bri de l'hèliç de el ADN. Açò es fa trencant els enllaços d'hidrogen entre nucleòtits de ADN complementaris.
3. La ARN polimerasa agrega nucleòtits de ARN (que són complementaris als nucleòtits d'un bri de ADN).
4. L'esquelet de sucre-fosfat de ARN es forma en l'ajuda de la ARN polimerasa per a formar un bri de ARN.
5. Els enllaços d'hidrogen de l'hèliç de ARN-ADN es trenquen, lliberant el bri de ARN recent sintetisada.
6. Si la cèlula té un núcleu, el ARN pot processar-se més. Açò pot incloure poliadenilación, protecció i empalme.
7. El ARN pot permanéixer en el núcleu o eixir al citoplasma a través del complex del poro nuclear.

Etapes

Clásicamente es dividix el procés de la transcripció en 3 etapes principals (iniciació, elongació i terminació), pero realment es poden diferenciar 5 etapes:

Configuració: Al contrari de la replicació de ADN, durant l'inici de la transcripció no es requerix la presència d'un cebador per a sintetisar la nova cadena de ARN, en este cas. Abans de l'inici de la transcripció es necessita toda una serie de factors de transcripció (proteïna) que eixercixen els factors d'iniciació. Estos s'unixen a seqüències específiques de ADN per a reconéixer el lloc a on la transcripció ha de començar. Esta seqüència de ADN en la que es ensamblan els complexos de transcripció es diu promotor. Els promotors es localisen en els extrems 5'-terminals dels genés, abans del començ del gen, i a ells s'unixen els factors de transcripció per mig de forces de Van der Waals i enllaces d'hidrogen. Els promotors tenen seqüències reguladores definides, molt conservades en cada espècie, a on les més conegudes són la caixa TATA (situada sobre la regió -25 en el cas d'eucariota). La formació del complex de transcripció es realisa sobre el promotor TATA, allí es forma el núcleu del complex d'iniciació. Sobre la caixa TATA es fixa una proteïna d'unió (TBP) que forma part del factor de transcripció TF_{II D} (TF prové de l'anglés: transcription factor). Despuix, a ells s'unixen atres factors de transcripció específics: TF_{II B} s'unix a TBP, TF_{II A} (opcional), que estabilisa el complex TF_{II B}-TBP; després s'unix el complex TF_{II F} i ARN polimerasa, i al final TF_{II I} i TF_{II H}. Tot això forma un complex que es diu «complex de preiniciación tancat» o PIC. Quan l'estructura s'obri per mediació del factor de transcripció TF_{II H}, dona començ l'iniciació i al «complex obert» (per la seua acció helicasa depenent de ATP).

Iniciació: Primer, una helicasa separa els bri de ADN en estes denominades caixes TATA, ya que entre adenina i timina s'establixen dos enllaços d'hidrogen, mentres que entre citosina i guanina es formen tres. Posteriorment s'unixen els factors i les proteïnes de transcripció (TBP, TF2D, TF2B) permetent, d'esta manera, l'accés de la ARN polimerasa al mòle de ADN de cadena simple, sent esta l'última en posicionar-se. Encara que la busca del promotor per la ARN polimerasa és molt ràpida, la formació de la «bombeta de transcripció» o obertura de el ADN i la síntesis del cebador és molt llenta. La bombeta de transcripció és una obertura de ADN desnaturalizado de 18 parells de bases, a on escomença a sintetisar-se el ARN cebador a partir del nucleòtit número 10 de el ADN mòle de la bombeta de transcripció. La bombeta de transcripció es diu «complex obert». La ARN polimerasa és una enzima formada per 5 subunidades: 2 subunidades α, 1 subunidadad β' i 1 subunidad ω que té com a funció l'unió de ribonucleótidos trifosfato. Quan es forma el complex obert, la ARN polimerasa comença a unir ribonucleótidos per mig d'enllaços fosfodiéster, i una volta que es forma el primer enllaç fosfodiéster, acaba l'etapa d'iniciació i comença aixina la següent.

Disgregació del promotor: Una volta sintetisat el primer enllaç fosfodiéster, es deu desfer el complex del promotor per a que quede net i puga tornar a funcionar. Durant esta fase hi ha una tendència a desprendre's el transcrito inicial de ARN i produir transcritos truncats, donant lloc a una iniciació abortada, comuna tant en procarionte com a eucarionte. Una volta que la cadena transcrita alcança una llongitut d'uns 23 nucleòtits, el complex ya no s'esgola i dona lloc a la següent fase, l'elongació.

La disgregació del promotor coincidix en una fosforilación de la serina 5 del domini carboxilo terminal de la ARN polimerasa, que és fosforilado per el TF_{II H} (que és una proteïna quinasa depenent de ATP)

Elongació: La ARN polimerasa cataliza la elongació de cadena de el ARN. Una cadena de ARN s'unix per apareamiento de bases a la cadena de ADN, i per a que es formen correctament els enllaços d'hidrogen que determina el següent nucleòtit del mòle de ADN, el centre actiu de la ARN polimerasa reconeix als ribonucleótidos trifosfato entrantes. Quan el nucleòtit entrante forma els enllaços d'hidrogen idòneus, llavors la ARN polimerasa cataliza la formació del enllaç fosfodiéster que correspon. A açò se li crida elongació, la segona etapa de la transcripció de el ARN. Un bri de ADN, el bri mòle (o bri no codificante), s'utilisa com a mòle per a la síntesis de ARN. A mida que alvança la transcripció, la ARN polimerasa travessa el bri plantilla i utilisa la complementarietat de emparejamiento de bases en la plantilla de ADN per a crear una còpia de ARN (que s'allarga durant el recorregut). Encara que la ARN polimerasa travessa el bri plantilla des de 3' → 5', el bri codificante (no plantilla) i el ARN recent format també es poden usar com a punts de referència, per lo que la transcripció es pot descriure com que ocorre 5' → 3'. Açò produïx una molècula de ARN de 5' → 3', una còpia exacta del bri codificante (excepto que les timinas es reemplacen en uracilos)., i els nucleòtits estan composts d'un sucre de ribosa (5 carbono) a on el ADN té desoxirribosa (un àtom d'oxigen menys) en la seua columna vertebral de sucre-fosfat). La transcripció de ARNm pot involucrar múltiples polimerasa de ARN en una sola plantilla de ADN i múltiples rondes de transcripció (amplificament de ARNm particular), per lo que es poden produir ràpidament moltes molècules de ARNm a partir d'una sola còpia d'un gen. Les taxes d'elongació característiques són d'al voltant de 10-100 nts/s

Terminació: En finalisar la síntesis de ARNm, esta molècula ya s'ha separat completament de el ADN (que recupera la seua forma original) i també de la ARN polimerasa, terminant la transcripció. La terminació és una atra etapa distinta de la transcripció, perque just quan el complex de transcripció s'ha ensamblado activament deu desensamblarse una volta que l'elongació s'ha completat. La terminació està senyalisada per l'informació continguda en llocs de la seqüència de el ADN que s'està transcribiendo, per lo que la ARN polimerasa es deté al transcribir algunes seqüències especials de el ADN. Estes seqüències són riques en guanina i citosina, situades en l'extrem dels gens, seguides de seqüències riques en adenina, formant seqüències palindrómicas, que quan es transcriben el ARN recent sintetisat adopta una «estructura en forqueta» que desestabilisa el complex ARN-ADN, obligant a separar-se de la ARN polimerasa, renaturalizándose la bombeta de transcripció, i generant una seqüència repetitiva de uracilo al final de la cadena de ARNm. Algunes seqüències de ADN carixen de la seqüència de terminació, per lo que posseïxen una atra seqüència a la que s'unixen una série de proteïnes reguladores específiques de la terminació de la transcripció com factor rho.

Transcripció en procariota

ARN polimerasa

La ARN polimerasa està composta per un núcleu i una estructura d'holoenzima. Les enzimes centrals contenen les propietats catalítiques de la ARN polimerasa i estan formades per subunidades ββ′α2ω. Esta seqüència es conserva en totes les espècies procariota. La holoenzima està composta per un component específic conegut com a factor sigma. El factor sigma funciona ajudant en el reconeiximent del promotor, l'ubicació correcta de la ARN polimerasa i el començ del desenrollado en el lloc d'inici. En acabant de que el factor sigma realisa la seua funció requerida, es disocia, mentres que la porció catalítica permaneix en el ADN i continua la transcripció. Ademés, la ARN polimerasa conté un ion central Mg+ que ajuda a l'enzima en les seues propietats catalítiques. La ARN polimerasa funciona catalizando l'atac nucleofílico del 3' OH de el ARN al fosfat alfa d'una molècula NTP complementària per a crear un bri creixent de ARN a partir del bri mòle de ADN. Ademés, la ARN polimerasa també mostra activitats de exonucleasa, lo que significa que si es detecta un emparejamiento de bases incorrecte, pot eliminar les bases incorrectes i reemplaçar-les per les correctes.

Iniciació

L'inici de la transcripció requerix regions promotores, que són seqüències consens de nucleòtits específiques que li indiquen al factor σ de la ARN polimerasa on unir-se a el ADN. Els promotors generalment s'ubiquen en una separació de 15 a 19 bases i es troben més comunament aigües dalt dels gens que controlen. La ARN polimerasa està formada per 4 subunidades, que inclouen dos alfes, una beta i una beta principal (α, α, β i β'). Una quinta subunidad, sigma (cridada factor σ), solament està present durant l'iniciació i se separa abans de l'elongació. Cada subunidad juga un paper en l'inici de la transcripció i el factor σ deu estar present per a que ocórrega l'inici. Quan tot el factor σ està present, la ARN polimerasa està en la seua forma activa i es denomina holoenzima. Quan el factor σ es desprén, es troba en forma d'polimerasa central. El factor σ reconeix seqüències promotores en les regions -35 i -10 i la transcripció comença en el lloc d'inici (+1). La seqüència de la regió -10 és TATAAT i la seqüència de la regió -35 és TTGACA.

• El factor σ s'unix a la regió promotora -35. En este punt, la holoenzima es coneix com el complex tancat perque el ADN encara és de doble cadena (conectat per enllaços d'hidrogen).

• Una volta que s'unix el factor σ, les subunidades restants de la polimerasa s'unixen al lloc. L'alta concentració d'enllaços adenina-timina en la regió -10 facilita el desenrollado de el ADN. En este punt, la holoenzima es denomina complex obert.

Este complex obert també es denomina bombeta de transcripció. Solament es transcribe un bri de ADN, cridada bri mòle (també cridada bri no codificante o bri sense sentit/antisentido).

• Comença la transcripció i es produïxen seqüències de nucleòtits "abortivas" curtes d'aproximadament 10 parells de bases de llarc. Estes seqüències curtes són peces no funcionals de ARN que es produïxen i després es lliberen. Generalment, esta seqüència de nucleòtits consta d'al voltant de dotze parells de bases i ajuda a contribuir a l'estabilitat de la ARN polimerasa per a que puga continuar a lo llarc de la cadena de ADN.
• El factor σ és necessari per a iniciar la transcripció, pero no per a continuar en la transcripció de el ADN. El factor σ es disocia de l'enzima central i continua l'elongació. Açò senyala el final de la fase d'iniciació i la holoenzima ara està en forma d'polimerasa central.

La regió promotora és un regulador principal de la transcripció. Les regions promotores regulen la transcripció de tots els gens dins de les bactèries. Com a resultat de la seua participació, la seqüència de parells de bases dins de la regió promotora és significativa; quant més similar siga la regió promotora a la seqüència consens, més fort podrà unir-se la ARN polimerasa. Esta unió contribuïx a l'estabilitat de l'etapa d'elongació de la transcripció i, en general, dona com resultat un funcionament més eficient. Ademés, la ARN polimerasa i els factors σ tenen un suministrament llimitat dins de qualsevol cèlula bacteriana donada. En conseqüència, l'unió del factor σ al promotor es veu afectada per estes llimitacions. Totes les regions promotores contenen seqüències que es consideren no consensuades i açò ajuda a distribuir els factors σ en la totalitat del genoma..

Elongació

Durant l'elongació, la ARN polimerasa s'esgola per el ADN de doble cadena, lo desenrolla i transcribe (còpia) la seua seqüència de nucleòtits en ARN recent sintetisat. El moviment del complex ARN-ADN és essencial per al mecanisme catalític de la ARN polimerasa. Ademés, la ARN polimerasa aumenta l'estabilitat general d'este procés en actuar com a enllaç entre les cadenes de ARN i ADN. Els nous nucleòtits que són complementaris a la cadena mòle de ADN s'agreguen a l'extrem 3' de la cadena de ARN. La cadena de ARN recent formada és pràcticament idèntica a la cadena de codificació de ADN (cadena en sentit o cadena sense plantilla), excepto que té timina en substitució de uracilo i una columna vertebral de sucre ribosa en lloc d'una columna vertebral de sucre desoxirribosa. Perque els nucleòsits trifosfatos (NTP) necessiten unir-se a la molècula OH- en l'extrem 3' de el ARN, la transcripció sempre ocorre en la direcció 5' a 3'. Els quatre NTP són adenosina-5'-trifosfato (ATP), guanosido-5'-trifosfato (GTP), uridina-5'-trifosfato (UTP) i citidina-5'-trifosfato (CTP). L'unió dels NTP a l'extrem 3' del transcrito de ARN proporciona l'energia necessària per a esta síntesis. Els NTP també són molècules productores d'energia que proporcionen el combustible que impulsa les reaccions químiques en la cèlula.

Múltiples polimerasa de ARN poden estar actives al mateix temps, lo que significa que es poden produir moltes cadenes de ARNm molt ràpidament. La ARN polimerasa descendix per el ADN ràpidament a aproximadament 40 bases per segon. Per la naturalea ràpida d'este procés, el ADN es desenrolla contínuament abans que la ARN polimerasa i després es rebobina una volta que la ARN polimerasa alvança. La polimerasa té un mecanisme de revisió que llimita els errors a aproximadament 1 de cada 10 000 nucleòtits transcritos. La ARN polimerasa té menor fidelitat (precisió) i velocitat que la ADN polimerasa. La ADN polimerasa té un mecanisme de revisió molt diferent que inclou activitat de exonucleasa, lo que contribuïx a una major fidelitat. La conseqüència d'un error durant la síntesis de ARN sol ser inofensiva, mentres que un error en la síntesis de ADN podria ser perjudicial. La seqüència promotora determina la freqüència de transcripció del seu gen corresponent.

Terminació

Per a que es produïxca una expressió gènica adequada, la transcripció deu detindre's en llocs específics. Dos mecanismes de terminació són ben coneguts:

• Terminació intrínseca (també cridada terminació independent de Rho): les seqüències específiques de nucleòtits de ADN li indiquen a la ARN polimerasa que es detinga. La seqüència és comunament una seqüència palindrómica que fa que el bri es enrolle, lo que deté la ARN polimerasa. Generalment, este tipo de terminació seguix el mateix procediment estàndar. Es produirà una pausa per una seqüència de poliuridina que permet la formació d'un bucle en forqueta. Este bucle en forqueta ajudarà a formar un complex atrapat, que en última instància provocarà la dissociació de la ARN polimerasa del bri de ADN mòle i detindrà la transcripció.

• Terminació depenent de Rho: el factor ρ (factor rho) és una proteïna terminadora que s'unix a la cadena de ARN i seguix a la polimerasa durant l'elongació. Una volta que la polimerasa s'acosta al final del gen que està transcribiendo, es troba en una série de nucleòtits G que fa que es detinga. Este estancament permet que el factor rho alcanç a la ARN polimerasa. Després, la proteïna rho extrau la transcripció de ARN de la plantilla de ADN i es llibera el ARNm recent sintetisat, lo que finalisa la transcripció. El factor Rho és un complex proteic que també mostra helicasaactividades (és capaç de desenrollar els bri d'àcit nucleico). S'unirà a el ADN en regions riques en citosina i quan la ARN polimerasa ho trobe, es formarà un complex atrapat que provocarà la dissociació de totes les molècules involucrades i el final de la transcripció.
• La terminació de la transcripció de el ADN en bactèries pot detindre's per mig de certs mecanismes en els que la ARN polimerasa ignorarà la seqüència terminadora fins que s'alcance la següent. Este fenomen es coneix com antiterminación i és utilisat per certs bacteriófagos.