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Transcripción (soluciones)
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Transcripción (soluciones)

 

1.- Defina transcripción. Cite los elementos que intervienen.

 

Es el proceso por el que se sintetiza ARN a partir de una cadena de ADN. La secuencia del ARN resultante es complementaria con la de la cadena de ADN utilizada como molde para la síntesis.

Mediante la transcripción la información contenida en una molécula de ADN se copia a moléculas de ARN (ADN —› ARN). Así se originan los diferentes tipos de ARN celular, principalmente, mensajero, transferente y ribosómico.

Para que en las células se lleve a cabo la transcripción del ADN se requieren los siguientes elementos:

ADN original, que servirá de molde para ser copiado.

ARN-polimerasa, que sintetiza el ARN a partir del molde del ADN.

Ribonucleósidos trifosfato, que son los monómeros necesarios para la síntesis.

 

2.- ¿Cuáles son las características principales de la transcripción? Transcriba la secuencia: 3’- GCAATT-5’.

 

Sus características son las siguientes: 

Es selectiva, pues hay zonas del ADN que no se transcriben. 

Es monocatenaria, pues de las dos cadenas de ADN que codifican un gen, sólo se transcribe una de ellas (hay genes contenidos en una de las cadenas y genes localizados en la otra). 

Es reiterativa, lo cual quiere decir que una misma región de ADN pueda transcribirse simultáneamente, resultando múltiples copias de un mismo ARN.

Al transcribir la secuencia de ADN: 3’ - G C A A T T  - 5’

               Resulta el siguiente ARN: 5’ - C G U U A A  - 3’

 

3.- ¿Cuáles son las enzimas que realizan la transcripción? ¿Qué sustrato emplean y qué reacción catalizan?

 

Son las ARN polimerasas. Para todos los transcritos de las células procarióticas se utiliza solamente un tipo de ARN polimerasa. Sin embargo, las células eucarióticas poseen en el núcleo tres tipos de ARN polimerasa, que se numeran I, II y III (también poseen una propia de las mitocondrias y otra de los cloroplastos).

La ARN polimerasa requiere ADN como molde y utiliza como sustrato los cuatro ribonucleósidos trifosfato: ATP, GTP, CTP, UTP. Cataliza la siguiente reacción:

nucleósido trifosfato + ARNn —› difosfato + ARNn+1

La ARN polimerasa no presenta actividad nucleasa, es decir, no corrige los errores y deja los nucleótidos mal insertados (la posible reparación es llevada a cabo por otras enzimas).

 

4.- ¿Qué son las figuras en pluma?

 

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Se suelen llamar así a las formaciones observadas con el microscopio electrónico mientras tiene lugar la transcripción simultánea de genes por numerosas ARN-polimerasas. En algunos libros, en lugar de figuras en pluma, las llaman frondes de helecho. Estas formaciones son características de la transcripción en el nucléolo, llevada a cabo por muchísimas moléculas de ARN polimerasa I.

Se observa que a ambos lados del ADN se hallan numerosas cadenas de ARN de longitud gradualmente decreciente, que corresponden a la síntesis en curso de los transcritos.

 

5.- ¿Por qué todos los ARN transcritos presentan un extremo 5’ trifosfato?

 

La ARN polimerasa no necesita un extremo 3’-OH como iniciador. Dado que la dirección de la transcripción es 5’—›3’, al utilizar como sustrato nucleósidos trifosfato, el primero de ellos, obviamente, no se ha unido a ningún otro anterior, por lo que todos los ARN transcritos presentan un extremo 5’ trifosfato.

 

6.- ¿A qué se llama promotor y nucleótido +1?

 

Se llama promotor a la secuencia reconocida en el ADN por la ARN-polimerasa para comenzar la transcripción.

 El nucleótido +1 es el que marca el inicio de la síntesis de ARN.

Es decir: la transcripción comienza cuando la ARN-polimerasa se une al promotor correspondiente, que está situado de modo antecedente, hacia el extremo 5’, respecto al nucleótido donde se inicia la síntesis (denominado +1).

 

7.- Busque en Internet: “EC 2.7.7.6”. Indique su nombre y un par de sinónimos, la clase y la reacción correspondiente.

 

ARN-polimerasa dependiente de ADN. Otros nombres: transcriptasa, ARN nucleotidiltransferasa. Pertenece a la clase 2 (Transferasas). Cataliza la siguiente reacción:

nucleósido trifosfato + ARNn—› difosfato + ARNn+1

La hidrólisis del difosfato (o pirofosfato) por una pirofosfatasa desplaza el equilibrio en el sentido de la síntesis de ARN.

 

8.- Busque alguna ilustración de la reacción catalizada por  la ARN-polimerasa y añada un breve comentario. 

 

Trans_sol_8a

Biología 2 McGraw-Hill (2001)

 

La ARN polimerasa no utiliza ninguna molécula cebadora, aunque requiere ADN como molde. Su función es separar del sustrato un difosfato y transferir el nucleótido resultante a la cadena de ARN que está sintetizando, estableciendo el correspondiente enlace fosfodiéster. El ARN se sintetiza en dirección 5’—› 3’.

 

 9.- ¿Qué fidelidad presenta la ARN-polimerasa? ¿Por qué las células pueden soportar muchos errores de la ARN-polimerasa y tan pocos de la ADN-polimerasa?

 

 La fidelidad de la ARN polimerasa está comprendida entre 10-4 y 10-5, es decir, que introduce un error por cada diez mil o cien mil nucleótidos que procesa.

Estos errores son muchísimos comparados con la ADN polimerasa, que comete un error por cada cien millones o mil millones de nucleótidos procesados (fidelidad entre 10-8 y 10-9), gracias a su actividad nucleasa como correctora de errores.

La ARN polimerasa resulta bastante menos fiable por carecer de actividad nucleasa. Pero dado que el ARN no traslada información genética de una generación a la siguiente, tampoco es absolutamente necesario un mecanismo de gran fidelidad. En otras palabras (si se nos permite el símil de las fotocopias): lo importante es que el documento original (ADN) esté bien, aunque algunas de las numerosas copias realizadas (ARN) se hayan estropeado.

 

10.- En algunos textos se lee que casi todas las ARN-polimerasas son muy procesivas. ¿Puede aclarar el significado?

 

Ser muy procesiva significa que cuando la ARN-polimerasa se ha unido al promotor para iniciar la transcripción, rara vez la deja inacabada antes de llegar a la señal de terminación e  independientemente de la longitud del gen.

 

11.- Desde el punto de vista estructural, ¿cómo son las ARN-polimerasas bacterianas?

 

El tipo de ARN-polimerasa propio de las bacterias (procariotas) presenta variantes muy similares relativas al  tamaño y a la composición de las subunidades.

La ARN-polimerasa está integrada por un conjunto de 4 subunidades distintas principales, que constituyen la “polimerasa central”, asociadas a otras accesorias (según autores, hasta 5), una de las cuales, llamada sigma (σ), es la encargada de reconocer los promotores y seleccionar la cadena de ADN que se va a transcribir, siendo luego  preceptivo que dicha subunidad se disocie del complejo para que se pueda desplazar la “polimerasa central” y realizar la síntesis de ARN.

 

12.- ¿Cómo son, estructuralmente, las ARN-polimerasas de algunos virus?

 

Estructuralmente son muy diferentes de las bacterianas, puesto que, generalmente, una sola cadena polipeptídica es suficiente para actuar como ARN-polimerasa, la cual, por añadidura, reconoce secuencias promotoras muy diferentes.

La ARN-polimerasa del fago T7 se emplea mucho en sistemas de expresión controlada (ingeniería biomolecular).

 

13.- Observe el esquema adjunto y describa todo el proceso en los  procariontes.

 

 

Se trata de la transcripción. Se suele tomar como modelo la bacteria Escherichia coli, que es la más estudiada y resulta válida para generalizar el proceso a otros organismos.

Se consideran tres etapas: iniciación, elongación y terminación. Las señales o secuencias de iniciación y terminación son las que determinan la longitud y la orientación del segmento de ADN que se va a transcribir. La dirección de la síntesis del ARN es 5’—›3’.

Iniciación. Consiste en la unión de la ARN-polimerasa a la región promotora del ADN, que suele abarcar los 50 pares de bases anteriores al nucleótido que inicia la síntesis (denominado +1), y se caracteriza por las llamadas secuencias TATA. La propia ARN- polimerasa desenrolla casi dos vueltas de hélice y separa las  cadenas de ADN, conformando la característica “burbuja de transcripción”.

Elongación o síntesis. La ARN-polimerasa se desplaza por el ADN y sintetiza ARN, según la complementariedad de las bases de la cadena de ADN que usa como molde. Se observa un híbrido o heterodúplex de ARN-ADN de 8-9 nucleótidos, estando libre la parte restante del ARN desde el extremo inicial 5’. La disociación de la subunidad σ (sigma) es absolutamente necesaria para que se  pueda  desplazar la “polimerasa central” y realizar la síntesis.

Terminación. Cuando la ARN-polimerasa llega a la secuencia de terminación tiene lugar un proceso bastante complejo, que posibilita la separación de los componentes, quedando libre todo el ARN recién sintetizado. El mecanismo de terminación requiere la intervención de otra subunidad accesoria, que se une al mismo sitio que la σ (liberada al comenzar la elongación).

 

14.- Cuando la ARN-polimerasa bacteriana abre la doble hélice para iniciar la transcripción, ¿cómo se soluciona el tensionado?

 

Para compensar el tensionado subsiguiente a la apertura de la doble hélice, conformando la “burbuja de transcripción”, así como el rebobinado posterior, se necesitan las topoisomerasas I y II (de modo similar a lo que ocurre en la replicación).

 

15.- ¿Hay maduración del ARN transcrito en los procariotas? ¿Y en los eucariotas?

 

En los procariotas, el ARN mensajero transcrito no experimenta ninguna transformación previa a su traducción por los ribosomas, dándose en general la circunstancia de comenzar la traducción antes de finalizar la transcripción. Por el contrario, los transcritos primarios de ARN ribosómico y transferente sufren cortes y una serie de modificaciones en virtud de las cuales adoptan la configuración espacial requerida para ser funcionales.

En el caso de los eucariotas, absolutamente todos los transcritos primarios sufren dentro del núcleo algún tipo de transformación post-transcripcional, o sea, maduración, antes de ser funcionales.

 

16.- ¿Cuáles son las características principales de las ARN-polimerasas de los eucariotas?

 

Las ARN-polimerasas eucarióticas nucleares se numeran I, II y III (según el orden de elución en análisis de cromatografía en columna).

Desde el punto de vista estructural las tres están compuestas por dos subunidades grandes y distintas, que constituyen la “polimerasa central” (como en procariotas), y entre 10 y 14 subunidades adicionales pequeñas, de las que 5 tienen carácter esencial y son comunes a las tres polimerasas.

Funcionalmente, la ARN-polimerasa I se localiza en el nucléolo y los  transcritos primarios son ARN pre-ribosómicos. La ARN-polimerasa II es la más representativa y se alude a ella cuando no hay especificación, siendo la que transcribe todos los genes que codifican proteínas, es decir, los transcritos primarios son ARN pre-mensajeros. La ARN-polimerasa III se localiza en el nucleoplasma (igual que la II) y los transcritos primarios principales son todos los ARN pre-transferentes.

Nota.- Las ARN-polimerasas de los orgánulos están formadas por una única cadena polipeptídica (codificada por un gen nuclear) y no hay maduración de los transcritos. Algunos autores apuntan una cierta analogía con las polimerasas fágicas (la de mitocondria) o de cianobacterias (la de cloroplasto).

 

17.- Cite las etapas propias de la transcripción de los eucariotas. ¿Cuál de ellas considera más compleja?

 

La transcripción en los eucariotas es un proceso muy similar al de los procariotas, distinguiéndose las tres etapas características: iniciación, elongación y terminación. Son necesarios numerosos factores de transcripción (TF).

La iniciación es la etapa más compleja de la transcripción y sobre la que se ejercen la mayoría de las actividades reguladoras. En la iniciación tiene lugar el reconocimiento del promotor y la asociación de la ARN-polimerasa, pero debido al gran tamaño del genoma se considera que los factores de transcripción y la polimerasa tienen gran dificultad para reconocer sus sitios específicos.

Por otra parte, el inicio de la transcripción implica que se pueda acceder a la región promotora, que habrá de encontrarse descondensada y desprovista de nucleosomas.

 

18.- Indique diferencias entre la transcripción de los organismos procarióticos y los eucarióticos.

 

En los procariotas se transcribe, prácticamente, la totalidad del genoma, mientras que casi la mitad del ADN de los eucariotas no se transcribe nunca.

Casi todos los genes procariotas son policistrónicos, es decir, el  ARN mensajero resultante de la correspondiente transcripción codifica varias cadenas peptídicas diferentes, pues contiene varias señales de inicio y de terminación. Por el contrario, los genes eucariotas son monocistrónicos, esto es, cuando se transcriben dan lugar a ARN mensajeros con información para originar una única cadena peptídica.

En los procariotas hay un único tipo de ARN-polimerasa, mientras que en los eucariotas hay 3 polimerasas nucleares distintas, más una propia de las mitocondrias y una quinta para los cloroplastos. Además, las polimerasas eucariotas necesitan muchos factores de transcripción para funcionar, la mayoría de los cuales son activadores.

En los procariotas, generalmente, tiene lugar un acoplamiento entre los dos  procesos, pues la traducción suele comenzar antes de que termine la transcripción. Sin embargo, en los eucariotas (excluyendo mitocondrias y cloroplastos), la transcripción y la traducción tienen lugar en compartimentos diferentes (núcleo y citosol), lo cual implica una regulación específica para cada proceso.

Los eucariotas producen más tipos de transcritos distintos, que, necesariamente, han de madurarse en el núcleo, mientras que, en el caso de los procariotas, el ARN mensajero no requiere ningún procesamiento para ser funcional.

 

19.- ¿A qué se refieren los libros cuando expresan que los genes eucariotas son transcritos por la ARN-polimerasa? ¿Cuándo se detiene la transcripción?

 

Cuando no hay especificación hay que interpretar que se trata de la ARN-polimerasa II. Los genes transcritos por la ARN-polimerasa II darán lugar a todos los ARNm responsables de las proteínas de la célula.

La transcripción cesa en la etapa de terminación. Las secuencias terminadoras provocan dos efectos: en primer lugar, la detención en el avance de la ARN-polimerasa al pasar por ellas, y en segundo, la  desestabilización del híbrido ARN-ADN. El resultado final es la separación de todos los componentes, quedando libre el ARN sintetizado.

 

20.- Cite las clases de secuencias reguladoras de la transcripción en eucariotas. ¿Qué problema plantea la presencia de nucleosomas?

 

Existen 3 clases de secuencias reguladoras: promotoras, potenciadoras y silenciadoras, que se activan mediante factores de transcripción.

La presencia de nucleosomas entorpece la transcripción de los genes. El octámero de histonas que constituye cada nucleosoma debe quedar desagregado para no obstaculizar el paso de la ARN-polimerasa. Algunos autores apuntan que los factores de transcripción son los que promueven la liberación de los nucleosomas situados en las proximidades de la secuencia que reconocen.

 

21.- ¿Dónde tiene lugar la maduración del ARN (eucariotas)? Cite los procesos que experimenta el ARNm.

 

Los procesos de maduración tienen lugar en el núcleo y son los que transforman a los transcritos primarios en transcritos maduros.

Tomando como modelo el ARNm se considera, principalmente: adición de un casquete o caperuza, eliminación de intrones y poliadenilación. En  casos muy concretos tiene lugar, además, una riboedición (corrección del ARNm).

 

22.- Interprete el siguiente esquema:

 

 

Este esquema representa la formación de ARNm en eucariotas, pero omite la transcripción, pues no figura el transcrito primario.

El ADN o gen considerado tiene 3 exones y 2 intrones, que en la transcripción originaría un ARN transcrito o premensajero, equivalente a la copia del gen.

El ARN transcrito primario experimenta una transformación post-transcripcional o maduración. Se observa que el ARNm ya maduro no posee intrones y que presenta un casquete o caperuza (Cap) y una cola de poli-A (poliadenilato).

La enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn) interviene eliminando los intrones A y B del ARN premensajero (no del ADN), quedando los exones libres para ser unidos por una ARN-ligasa.

 

23.- ¿Cuáles son las probables funciones de la caperuza?

 

Generalmente, cuando se han sintetizado una veintena de nucleótidos se adiciona al extremo 5’ del ARN premensajero una caperuza de “7-metil guanosina trifosfato”. Las funciones son:

Proteger al ARN transcrito de las exonucleasas inespecíficas.

Favorecer la separación de los factores de iniciación de la transcripción que no se necesitan en la elongación.

Marcar el ARNhn (ARNpm) como sustrato de otras reacciones de procesamiento en el núcleo.

Ayudar a procesar el primer intrón del transcrito.

Facilitar el reconocimiento del ARNm por parte de los ribosomas para iniciar la traducción y marcar como señal de inicio al triplete AUG más próximo.

 

24.- ¿Qué funciones parecen estar relacionadas con la poliadenilación del ARNm?

 

Conforme termina la transcripción, la enzima poliadenilato-polimerasa (PAP), que no requiere molde y que sólo acepta ATP como sustrato, va adicionando nucleótidos de adenina en el extremo 3’ del ARN premensajero, hasta formar una larga cola (entre 50 y 250 A).

Aunque la poliadenilación fue descubierta en 1970, su función sigue sin estar bien definida. Algunos autores apuntan las siguientes funciones:

Señalizar los ARN premensajeros que van a completar la maduración (si no están poliadenilados se degradan y no maduran).

Facilitar la eliminación del último intrón del transcrito (de forma similar a lo que, se supone, hace la caperuza con el primero).

Intervenir en el transporte del ARNm fuera del núcleo y posibilitar su correcta traducción.

Regular la duración de la actividad del ARNm, protegiendo al ARNm para que no sea destruido demasiado pronto por las nucleasas celulares.

 

25.- En relación con la maduración del ARNm, ¿puede variar la expresión génica?

 

Al transcribirse todo el gen, el ARN transcrito primario contiene tanto los  exones, secuencias que generalmente serán traducidas, como los intrones, no codificantes, que serán eliminadas. Es decir: durante el procesamiento o maduración del ARNm se eliminan los intrones y se unen los exones. Son excepciones los genes eucariotas que carecen de intrones, como los codificantes para histonas e interferones.

La eliminación de los intrones se denomina  “corte y empalme” (splicing), dado que se eliminan secuencias internas del propio transcrito y esto permite la unión de los exones.

A veces, partiendo del mismo ARN transcrito o premensajero, mediante variantes de splicing, se originan secuencias distintas de ARNm que darán lugar a proteínas diferentes. Por ejemplo, el transcrito primario de un gen formado por 4 exones y 3 intrones, tras mecanismos alternativos de splicing, puede originar diversos mensajeros, constituyendo una amplificación de la expresión génica, por ejemplo:

E1I1E2I2E3I3E4 —› E1E2E3E4

E1I1E2I2E3I3E4 —› E1E2E3

E1I1E2I2E3I3E4 —› E1E2E4

Esta recombinación de exones permite aumentar la diversidad genética de las células, así como economizargenes, pues  se pueden conseguir diferentes proteínas con un único gen.

 

26.- ¿Son más largos los exones o los intrones?

 

Lo general es que en cada gen la longitud total de los intrones sea mucho mayor que la suma de los exones. Los exones rara vez están constituidos por más de 1 kpb, mientras que los intrones tienen un tamaño hasta de 20 kpb (1 kpb = 1000 pares de bases).

Se pueden encontrar hasta 40 intrones por gen eucariota.

Nota.- También se han hallado intrones en algunas bacterias, fagos (T4) y arqueas.

 

27.- ¿A qué se refiere el término riboedición?

 

Constituye un principio fundamental de la biología molecular considerar que la secuencia del ARNm representa únicamente a otra inscrita en el ADN.

No obstante lo anterior, se ha detectado que en los ARNm de mitocondrias y cloroplastos de muchos organismos se producen algunos cambios en la secuencia de tales mensajeros con respecto a la información contenida en el ADN. Estos cambios, consistentes en la modificación o la inserción de bases, suponen una corrección del ARNm transcrito denominada riboedición.

La riboedición no se produce al azar sino específicamente gracias a los ARN guía (ARNg), que son moléculas de 60-80 nucleótidos. El mecanismo consiste en la formación de un híbrido parcial ARNm- ARNg, asociándose entonces un conjunto enzimático llamado editosoma, que permite modificar la secuencia.

Los ARNg se transcriben como genes independientes.

 

28.- ¿En qué consiste la transcripción inversa o retrotranscripción? Ponga un ejemplo.

 

Consiste en la síntesis de ADN utilizando ARN como molde. Es decir: ADN ‹— ARN. Esto constituye una excepción al dogma central de la biología molecular (ADN —› ARN —› proteína), según el cual la información genética fluye del ADN al ARN, pero no al revés.

Los retrovirus son antidogmáticos, pues  tiene capacidad para sintetizar ADN a partir de ARN vírico mediante una enzima especial.

Por ejemplo:

A partir de este ARN: 3’- C C U U A G - 5’, por transcripción inversa, resulta: (ADN) 5’- G G A A T C - 3’.

 

29.- Busque en Internet: “EC 2.7.7.49”. Indique su nombre, la clase y la función que realiza.

 

“EC 2.7.7.49” se refiere a la enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa (ADN polimerasa dependiente de ARN).

Pertenece a la clase 2 (Transferasas). Realiza la síntesis de ADN, añadiendo nucleótidos según la complementariedad de bases determinada por el ARN que requiere como molde.

Cataliza la siguiente reacción:

desoxirribonucleósido trifosfato + ADNn —› difosfato + ADNn+1

 

30.- ¿Qué representa el esquema adjunto? Identifique los procesos numerados.

 

 

Se trata de la actualización del dogma central de la biología molecular. Tal y como fue enunciado consideraba que la información genética codificada en el ADN se copia mediante la transcripción y pasa al ARN (1), sirviendo posteriormente para sintetizar un polipéptido, proceso denominado traducción (2). Se creía que la única biomolécula capaz de replicarse era el ADN (4).

Una excepción al dogma la constituyen los retrovirus, que contienen ARN y una enzima especial, llamada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, capaz de sintetizar una cadena de ADN complementaria del ARN vírico, proceso denominado transcripción inversa o retrotranscripción (3).

Otra excepción se debe a la replicación del ARN (5), proceso antidogmático que se descubrió al observar que algunos virus eran capaces de replicar su genoma de ARN, proceso que cataliza la enzima ARN replicasa (*).

(*). ARN polimerasa dependiente de ARN (EC 2.7.7.48). Sinónimos: ARN sintetasa, fago f2 replicasa, Q-β replicasa, etc. Cataliza esta reacción: nucleósido trifosfato + ARNn ‹–› difosfato + ARNn+1

 

31.-  Internet: busque “CBMSO”. ¿Qué significan estas siglas? Vea las Áreas científicas. ¿En cuál de ellas se investiga sobre la retrotranscriptasa (RT)? Copie el primer párrafo del resumen de investigación y la estructura cristalográfica de la RT.

 

CBMSO = Centro de Biología Molecular Severo Ochoa

ÁREAS CIENTÍFICAS

VIROLOGÍA Y MICROBIOLOGÍA

Retrotranscriptasa del virus de la inmunodeficiencia humana y terapia antirretroviral

Resumen de investigación

 

El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es un retrovirus que infecta preferentemente a células del sistema inmune y provoca el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Actualmente, el tratamiento de la infección por el VIH se basaen la utilización de inhibidores de enzimas del virus como la retrotranscriptasa (RT), la proteasa y la integrasa, además de dos fármacos que actúan bloqueando la entrada del VIH en la célula hospedadora. Las terapias combinadas que incluyen dos o tres inhibidores de la RT han demostrado una gran eficacia clínica. Sin embargo, la aparición de virus resistentes, la existencia de reacciones cruzadas entre distintos fármacos, además de sus efectos secundarios son factores que hipotecan su utilidad a largo plazo.

 

Estructura cristalográfica de la retrotranscriptasa del VIH-1.

 
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