El Proceso de Transcripción Genética: De Procariotas a Eucariotas

El Proceso Fundamental de la Transcripción

En la transcripción se sintetizan los tres tipos principales de ARN: mensajero (ARNm), ribosomal (ARNr) y de transferencia (ARNt), utilizando el ADN como molde.

Estructura de un Gen

Un gen es una secuencia específica de nucleótidos en el ADN que codifica la información necesaria para la síntesis de una proteína funcional o un ARN (ribosomal o de transferencia). Sus componentes clave son:

• Promotor: Secuencia de ADN donde se une la enzima ARN polimerasa para iniciar la transcripción.
• Región codificante: Segmento del gen que es efectivamente copiado (transcrito) por la ARN polimerasa para generar la molécula de ARN.
• Terminador: Secuencia de nucleótidos que señala el final de la transcripción, provocando la liberación de la ARN polimerasa y del ARN recién sintetizado.

La Transcripción: Síntesis de ARN a partir de ADN

La transcripción es el proceso celular mediante el cual se sintetiza una molécula de ARN utilizando una hebra de ADN como molde. Se pueden sintetizar muchos tipos de ARN mediante este mecanismo. Es importante destacar que el proceso de transcripción, especialmente el de los ARN mensajeros, presenta diferencias significativas entre procariotas (como las bacterias) y eucariotas (como las células animales y vegetales). Estas diferencias radican fundamentalmente en la estructura y organización de los genes en ambos tipos de organismos.

Transcripción en Procariotas

En las células procariotas, la transcripción ocurre directamente en el citoplasma, ya que carecen de un núcleo definido. Poseen un único tipo principal de ARN polimerasa responsable de sintetizar los tres tipos de ARN (ARNm, ARNr y ARNt).

La ARN polimerasa procariota es una proteína compleja, de estructura oligomérica. Una subunidad clave, denominada factor sigma (σ), es crucial para el inicio del proceso, ya que reconoce una secuencia específica en el promotor llamada caja TATA (o secuencias consenso similares) y permite que el núcleo de la ARN polimerasa se una correctamente y comience la transcripción. A diferencia de la replicación del ADN, la transcripción no requiere un partidor o cebador para iniciar la síntesis de la nueva cadena de ARN.

Etapas de la Transcripción en Procariotas

1. Inicio: La ARN polimerasa, guiada por el factor sigma, se une a la secuencia promotora (reconociendo la caja TATA u otras secuencias consenso) en el ADN. El ADN se desenrolla localmente para exponer la hebra molde.
2. Elongación: La ARN polimerasa se desplaza a lo largo de la hebra molde de ADN, sintetizando una cadena complementaria de ARN en dirección 5' → 3'. Utiliza ribonucleótidos trifosfato (ATP, UTP, CTP, GTP) como sustratos.
3. Terminación: La transcripción finaliza cuando la ARN polimerasa encuentra una secuencia terminadora en el ADN. La enzima se disocia del ADN y libera la molécula de ARN recién sintetizada. Esta terminación puede ser independiente de factores proteicos (mediada por la propia secuencia de ARN que forma una horquilla) o dependiente de una proteína llamada factor Rho.

Organización Génica en Procariotas: El Operón

Un operón se define como una unidad funcional de regulación genética en bacterias, que consiste en un grupo de genes estructurales cuya expresión está coordinada y regulada por un mismo conjunto de secuencias de control (promotor y operador).

Estos sistemas se consideran policistrónicos o poligénicos, ya que un único ARNm transcrito a partir del operón puede codificar para varias proteínas distintas, generalmente relacionadas funcionalmente (por ejemplo, enzimas de una misma ruta metabólica). Esta organización genética en operones permite a las bacterias una regulación muy eficiente y coordinada de la expresión de genes necesarios para una función específica, optimizando la respuesta a cambios ambientales.

Estructura Típica de un Operón

• Gen Regulador (GR): Codifica para una proteína reguladora (activadora o represora) que controla la actividad del operón, uniéndose a la región operadora. A menudo se encuentra fuera del propio operón.
• Promotor (P): Secuencia de ADN donde se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción de los genes estructurales.
• Operador (O): Secuencia de ADN, generalmente situada cerca o solapada con el promotor, que es reconocida y unida por la proteína reguladora. La unión de un represor al operador bloquea la transcripción.
• Genes Estructurales (A, B, C...): Contienen la información codificante para la síntesis de las proteínas específicas (enzimas, transportadores, etc.) reguladas por el operón.

Transcripción en Eucariotas

En las células eucariotas, la transcripción tiene lugar principalmente en el núcleo celular.

A diferencia de los procariotas, los eucariotas poseen tres tipos distintos de ARN polimerasa, cada una especializada en transcribir diferentes clases de genes:

• ARN polimerasa I: Sintetiza la mayoría de los ARNr.
• ARN polimerasa II: Sintetiza los precursores de los ARNm y algunos ARN pequeños.
• ARN polimerasa III: Sintetiza los ARNt, el ARNr 5S y otros ARN pequeños.

Para que la ARN polimerasa II (la principal encargada de los genes que codifican proteínas) pueda unirse eficazmente al promotor e iniciar la transcripción, requiere la ayuda de un conjunto de proteínas denominadas factores de transcripción basales (o generales). Estos factores reconocen y se unen a secuencias específicas del promotor, como la caja TATA, y reclutan a la ARN polimerasa II al sitio correcto.

Los genes eucariotas son típicamente monocistrónicos, lo que significa que cada gen, regulado por su propio promotor, generalmente codifica para una única proteína. El ARN mensajero transcrito en eucariotas (conocido como transcrito primario o pre-ARNm) no es funcional inmediatamente, sino que debe pasar por un proceso de maduración o procesamiento antes de ser exportado del núcleo al citoplasma para su traducción.

Factores de Transcripción Eucariotas

Los factores de transcripción son proteínas esenciales que coordinan y regulan finamente la expresión de los genes eucariontes. Actúan reconociendo y uniéndose a secuencias específicas de ADN (elementos de control) en las regiones reguladoras de los genes (promotores, potenciadores, silenciadores). Algunos se unen directamente al ADN, mientras que otros interactúan con proteínas ya unidas. Forman grandes complejos moleculares multifuncionales en el promotor, que modulan la unión y la actividad de la ARN polimerasa, permitiendo que la transcripción comience de manera controlada y eficiente. La interacción coordinada de múltiples factores de transcripción unidos al ADN y a la ARN polimerasa es clave para la regulación génica eucariota.

Etapas de la Transcripción en Eucariotas (ARN Polimerasa II)

1. Inicio: Los factores de transcripción basales se unen a la región promotora (incluyendo la caja TATA). Este complejo recluta a la ARN polimerasa II. Se forma el complejo de iniciación de la transcripción, y la doble hélice de ADN se desenrolla en el sitio de inicio.
2. Elongación: La ARN polimerasa II se mueve a lo largo de la hebra molde de ADN, sintetizando el transcrito primario de ARN en dirección 5' → 3'. Durante la elongación ocurren modificaciones co-transcripcionales del pre-ARNm (como el capping en 5').
3. Terminación: El proceso finaliza cuando la ARN polimerasa II reconoce señales específicas de terminación en el ADN. La enzima se libera, y el transcrito primario de ARN es liberado. La terminación está acoplada a procesos de procesamiento del extremo 3' del ARN (poliadenilación).

Maduración del ARN Mensajero Eucariota (Procesamiento del pre-ARNm)

El ARN recién transcrito por la ARN polimerasa II en eucariotas (el transcrito primario o pre-ARNm) debe sufrir varias modificaciones post-transcripcionales para convertirse en un ARNm maduro y funcional, listo para ser exportado del núcleo al citoplasma y ser traducido en proteína. Este proceso de maduración incluye típicamente:

• Adición de una caperuza (cap) de 7-metilguanosina en el extremo 5'.
• Eliminación de secuencias no codificantes (intrones) mediante un proceso llamado splicing o empalme.
• Adición de una cola de poliadeninas (cola poli-A) en el extremo 3'.