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Todo lo que verás describe la transcripción en procariotas, específicamente Escherichia coli . Los eucariotas siguen el mismo principio, pero usan tres ARN polimerasas distintas en vez de una, necesitan factores de transcripción adicionales y procesan el ARN antes de usarlo. Cuando no se indique el organismo, asume procariota.

Antes de empezar

Las cinco fases de la transcripción, una por diapositiva: el promotor, la burbuja, la iniciación, la elongación y la terminación. Más la molécula que resulta del proceso.

En este documento

Cómo la célula lee un gen y deja el resto del genoma sin tocar. Todo el proceso en procariotas, E. coli como modelo. Del ADN al mensaje

Dogma central

Encender y apagar genes es la base de la diferenciación celular, de la respuesta al ambiente y de la adaptación metabólica. Sin regulación de la transcripción no habría tejidos ni forma de reaccionar a un cambio de nutrientes.

Por qué importa

E. coli tiene unos 4,400 genes en sus 4.6 millones de pares de bases, y bajo condiciones normales de crecimiento expresa alrededor de la mitad. Una célula humana tiene unos 20,000 genes codificantes y cada tipo celular usa una fracción distinta. Una neurona y un hepatocito llevan el mismo genoma, pero los distingue qué parte del genoma transcriben.

La escala real

La replicación copia el genoma entero, una vez por división celular, y produce ADN. La transcripción copia fragmentos concretos, muchas veces, en cualquier momento del ciclo, y produce ARN. Un gen puede transcribirse cientos de veces mientras el de al lado no llega nunca a ser un mensaje.

Qué cambia respecto a la replicación

En un momento dado la célula transcribe solo una parte de ellos. La ARN polimerasa tiene que encontrar dónde empezar . 4,400Copiar solo lo necesario genes en E. coli

El problema

La ARN polimerasa comete alrededor de un error por cada 10⁴ nucleótidos. La ADN polimerasa III, con sus sistemas de corrección, baja a uno por cada 10⁹. La diferencia responde a cuánto dura el producto: un ARN defectuoso se degrada en minutos, un error en el ADN se hereda a todas las células hijas.

La precisión

Solo una de las dos hebras se transcribe. Esa es la hebra molde, también llamada antisentido. La otra recibe el nombre de hebra codificante o sentido, porque su secuencia coincide con la del ARN resultante salvo que lleva timina donde el ARN lleva uracilo. Cuál de las dos actúa como molde depende del gen y cambia a lo largo del cromosoma.

La hebra molde

La ARN polimerasa puede iniciar una cadena desde cero. Las ADN polimerasas solo pueden extender una cadena existente, y por eso la replicación necesita que la primasa sintetice un fragmento de ARN antes de que la ADN polimerasa III se una. La primasa es, de hecho, una ARN polimerasa especializada.

Por qué no hace falta cebador

Copia un gen. Arranca sin cebador. Usa una hebra como molde. Produce ARN. Copia el genoma completo. Necesita cebador. Usa las dos hebras como molde. Produce ADN. Replicación T ranscripciónDos formas de copiar

Comparación

Una bacteria tiene varios factores sigma, cada uno especializado en promotores distintos. Cambiar de factor sigma activa un programa genético completo. E. coli usa uno distinto para la respuesta a choque térmico, y en Bacillus subtilis una cascada de factores sigma dirige la esporulación.

Los otros factores sigma

El par adenina-timina tiene solamente dos enlaces de hidrógeno, frente a los tres de guanina-citosina. Eso convierte a la caja −10 en la zona más fácil de abrir del promotor, y es justo donde se forma la burbuja de transcripción en el siguiente paso.

10 es rica en a

- TLa ARN polimerasa de E. coli tiene un núcleo enzimático que sintetiza ARN pero no reconoce dónde empezar. El factor sigma aporta esa especificidad: unido al núcleo forma la holoenzima , y la holoenzima reconoce las dos secuencias consenso del promotor. Los números −35 y −10 indican la posición respecto al sitio de inicio, que por convención se numera +1.

El mecanismo

El genoma no tiene índice. El factor sigma reconoce dos secuencias que marcan el inicio de un gen: la caja −35 y la caja −10 , o caja de Pribnow. Factor SigmaEncontrar dónde empezar

Paso 1 de 5

La burbuja se desplaza junto con la ARN polimerasa. El ADN se abre por delante y se vuelve a enrollar por detrás, de modo que solo queda expuesta una fracción mínima del cromosoma. Eso permite transcribir sin que se desestabilice el genoma.

La burbuja móvil

Abrir la hélice en replicación exige una helicasa dedicada que consume ATP en cada ciclo. Aquí la ARN polimerasa abre, lee y vuelve a cerrar por sí sola. La diferencia está en cómo es el trabajo: abrir 15 pares de bases a la vez no es lo mismo que abrir un genoma completo.

La comparación con la replicación

En el complejo cerrado la holoenzima está posada sobre el ADN y la doble hélice sigue intacta. El paso a complejo abierto separa las hebras localmente a partir de la caja −10. Lo impulsa el factor sigma sin gasto de ATP, porque la energía viene de la propia unión al ADN. La burbuja mide entre 12 y 15 pares de bases y conserva ese tamaño durante todo el proceso.

El mecanismo

La unión al promotor forma un complejo cerrado . Al separarse las hebras pasa a complejo abierto : una burbuja de transcripción de 12 a 15 pares de bases. HoloenzimaAbrir la burbuja

Paso 2 de 5

Tras unos diez nucleótidos el factor sigma se desprende. Su función era localizar el promotor y abrir la hélice, y a partir de ahí no participa. El núcleo enzimático continúa solo, y el factor sigma queda libre para asociarse con otro núcleo y buscar otro promotor.

La salida del factor sigma

Antes de comprometerse, la ARN polimerasa sintetiza transcritos de dos a diez nucleótidos y los suelta, repitiendo el intento varias veces. Solo cuando supera esa longitud crítica se libera del promotor y entra en elongación estable.

Iniciación abortiva

Las ADN polimerasas solo extienden una cadena existente. Las ARN polimerasas la inician. Esa diferencia estructural explica por qué la replicación necesita cebadores y la transcripción no. El primer nucleótido del transcrito se coloca frente al sitio +1 y conserva sus tres fosfatos, algo que ningún otro nucleótido de la cadena hace.

El mecanismo

Con el sitio +1 expuesto, la ARN polimerasa coloca el primer ribonucleótido. No necesita cebador : puede iniciar la cadena desde cero. ARN polimerasaLa iniciación

Paso 3 de 5

La ARN polimerasa retrocede cuando incorpora un nucleótido equivocado, corta el fragmento mal sintetizado y vuelve a intentarlo. El mecanismo existe, pero es mucho menos exhaustivo que el de la ADN polimerasa III, y la tasa de error final se queda en uno por cada 10⁴ nucleótidos.

Corrección

La citosina se desamina de forma espontánea y se convierte en uracilo. Si el ADN llevara uracilo como base normal, los sistemas de reparación no podrían distinguir un uracilo legítimo de una citosina dañada. La timina, que es uracilo con un grupo metilo, resuelve el problema: cualquier uracilo que aparezca en el ADN es un error y la uracilo-ADN glicosilasa lo retira. El ARN dura minutos y no necesita esa protección, así que conserva el uracilo.

Por qué uracilo

La ARN polimerasa avanza a unos 50 nucleótidos por segundo, veinte veces más lento que la ADN polimerasa III. Por delante de la burbuja se acumulan superenrollamientos positivos y por detrás negativos. La girasa resuelve los positivos, igual que en replicación, y la topoisomerasa I relaja los negativos.

El mecanismo

Lee el molde en dirección 3'→5' y sintetiza el ARN en 5'→3', incorporando adenina, uracilo , citosina y guanina. Por delante, la girasa libera la torsión. Núcleo EnzimáticoLeer y escribir

Paso 4 de 5

Ambos mecanismos coexisten en el mismo organismo y cada gen usa el que su secuencia determina. El intrínseco no consume energía. El dependiente de rho añade un punto de control, porque la célula puede regular la cantidad de factor rho disponible y con ella el punto donde se detiene la transcripción.

Por qué hay dos maneras

El factor rho es una ATPasa con actividad de helicasa. Se une al sitio rut, de rho utilization, en cuanto queda expuesto en el transcrito, y recorre el ARN en dirección 5' →3' más rápido que la ARN polimerasa. Al alcanzarla, deshace el híbrido ARN-ADN y la ARN polimerasa se desprende del molde.

Mecanismo asistido

La horquilla de guanina y citosina tira del ARN hacia atrás, y justo debajo queda la cola de uracilos apareada con adeninas del molde. El par uracilo-adenina se sostiene con dos enlaces de hidrógeno y forma el híbrido ARN-ADN menos estable posible. La tensión de la horquilla sobre un apareamiento débil basta para soltar el transcrito.

Mecanismo intrínseco

El factor rho se une a una secuencia rut del transcrito, avanza gastando ATP hasta alcanzar a la ARN polimerasa y la desprende. Rho dependiente El ARN se pliega en una horquilla rica en G-C, seguida de una cola de uracilos . El híbrido se desestabiliza sin ayuda de ninguna proteína. Rho independienteFactor Rho T erminación

Paso 5 de 5

Un ARN mensajero bacteriano tiene una vida media de pocos minutos. Esa fugacidad permite que la célula deje de producir una proteína casi de inmediato con solo dejar de transcribir su gen. Con un mensajero estable, apagar un gen no tendría efecto durante horas.

Duración

Los procariotas no tienen núcleo, así que el ARN mensajero comparte compartimento con los ribosomas desde el instante en que aparece. La traducción empieza sobre un transcrito que todavía se está sintetizando: un mismo ARN puede tener la ARN polimerasa escribiendo por un extremo y varios ribosomas leyendo por el otro. En eucariotas la membrana nuclear separa los dos procesos y ese acoplamiento no ocurre.

La transcripción acoplada

Un ARN mensajero monocatenario, complementario a la hebra molde e idéntico a la hebra codificante salvo por el uracilo. Su secuencia ya contiene, en grupos de tres bases, las instrucciones para ensamblar una proteína. Cómo se leen esos tríos es el contenido de la carpeta 4.

Qué es

Una sola hebra de ARNE

L resultado

Complementaria al molde y lista para traducirse. En procariotas, los ribosomas empiezan a leerla antes de que termine de escribirse.

- Alberts, B., Heald, R., Johnson, A., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. y Walter, P. (2022). Molecular biology of the cell (7.ª ed.). W. W. Norton & Company. - Feklístov, A., Sharon, B. D., Darst, S. A. y Gross, C. A. (2014). Bacterial sigma factors: A historical, structural, and genomic perspective. Annual Review of Microbiology, 68, 357–376. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-092412-155737 - Nelson, D. L., Cox, M. M. y Hoskins, A. A. (2021). Lehninger principles of biochemistry (8.ª ed.). W. H. Freeman. - Ray-Soni, A., Bellecourt, M. J. y Landick, R. (2016). Mechanisms of bacterial transcription termination: All good things must end. Annual Review of Biochemistry, 85, 319–347. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060815-014844 - Watson, J. D., Baker, T. A., Bell, S. P., Gann, A., Levine, M. y Losick, R. (2014). Molecular biology of the gene (7.ª ed.). Pearson.

Referencias

El minijuego interactivo del dogma central está en aequorea.net, junto con el resto de recursos descargables de la serie. El video completo desarrolla cada uno de estos pasos con animación en 3D.

Para seguir estudiando

El ARN mensajero lleva la instrucción completa, y hace falta una máquina que la lea y convierta esas bases en aminoácidos. Ese es el trabajo del ribosoma y del proceso de traducción, la carpeta 4 de esta serie.

Lo que sigue

El proceso completo, animado y explicado a fondo, en el video del Dogma Central. El mensaje ya está escrito