Las ARN-polimerasas (ARNP o ARNp y en inglés RNAP) son un conjunto de enzimas (proteínas) capaces de emplear los ribonucleótidos para sintetizar ARN a partir de una secuencia de ADN que sirve como patrón o molde. La ARN polimerasa más importante es la implicada en la síntesis del ARN mensajero o transcripción del ADN.
La ARN polimerasa es la enzima soluble conocida de mayor tamaño puesto que mide unos 100 Å de diámetro y es visible en micrografías electrónicas, donde se observa unida al promotor en la hebra del ADN.
La reacción química que cataliza la ARN polimerasa (EC 2.7.7) consiste en la unión de ribonucleótidos trifosfato, adenosín trifosfato (ATP), uridín trifosfato (UTP), guanosin trifosfato (GTP) y citidín trifosfato (CTP), liberándose los grupos fosfato y convirtiéndose estos en nucleótidos.
Además de la polimerización de los ribonucleótidos trifosfato, la ARN polimerasa tiene otras funciones como:
La ARN polimerasa cataliza consecutivamente la elongación de la cadena de ARN, al mismo tiempo que enrolla y desenrolla la doble cadena de ADN, y termina la transcripción después de copiar el gen.
Esta complejidad de funciones se manifiesta en su estructura cuaternaria, ya que al igual que la ADN polimerasa, está formada por varias subunidades que conforman la holoenzima, que en unión con proteínas accesorias forman una máquina proteica o complejo de transcripción que llevan a cabo la síntesis del ARN.
Algunas subunidades aisladas de la ARN polimerasa son catalíticamente funcionales, mientras que otras sólo pueden detectarse cuando el complejo de transcripción se encuentra totalmente ensamblado.
Los complejos de transcripción de distintos organismos presentan una composición variable, pero esencialmente todos catalizan el mismo tipo de reacciones. Debido a esta coincidencia, en el estudio del proceso de transcripción se toma como modelo la reacciones catalizadas por el complejo de transcripción de la bacteria Escherichia coli, que aunque se diferencia en el ensamblamiento de las células eucarióticas, actúan de forma análoga.
La ARN polimerasa fue descubierta al mismo tiempo que el ARN mensajero en 1960 por los investigadores Samuel Weiss y Jerard Hurwits de laboratorios diferentes.
Los procariontes tienen un solo tipo de ARNP, responsable de la síntesis de todos los tipos de ARN. La misma enzima cataliza la síntesis de ARNm, ARNr y ARNt. Las ARN polimerasa procariota funciona de forma análoga, aunque alguna subunidad de la proteína difiera en su composición.
El ARNP procariota es una gran molécula que está especialmente relacionada con el ARNP II eucariota, tanto en Archaea como en Bacteria, debido a similitudes estructurales y mecánicas.
El ARNP bacteriano está formado por subunidades en número de 4 a 5. E. coli por ejemplo tiene el ARNP con 5 subunidades (β', β, α, ω y σ) y una masa de 400 UMA.
Está formada por cinco subunidades de aproximadamente 410 kilodaltons α2ββ'ω, con dos unidades α idénticas, que se une al ADN de forma inespecífica para catalizar la síntesis de ARN. Para unirse a regiones promotoras específicas, la holoenzima requiere un factor σ con el que se reduce enormemente la afinidad con regiones de ADN inespecíficas, aumentando la especificidad por regiones promotoras para formar la holoenzima de cinco subunidades α2ββ'σω (~480 kDa). La estructura de la ARN polimerasa presenta una ranura de 55 Å de longitud y una anchura 25 Å. Esta ranura permite el paso de la doble hélice de ADN que mide 20 Å. La longitud de 55 Å puede aceptar la secuencia de 18 nucleótidos.
Todas las unidades que forman la enzima funcionan conjuntamente para llevar a cabo las reacciones de transcripción. La subunidad β' participa en la unión del ADN, la subunidad β contiene parte del centro activo y la subunidad σ está implicada principalmente en la iniciación de la transcripción, disociándose del resto de la enzima una vez iniciada la transcripción.
El ARNP arqueano está formado por subunidades en número de 8 a 14. Por ejemplo, el ARNP de Sulfolobus shibatae presenta 13 subunidades.
En las células eucariotas existen tres tipos de polimerasas nucleares de ARN (I, II y III), cada una especializada en la síntesis de un ARN determinado:
Adicionalmete a las ARNP eucariotas mencionadas, en plantas se encuentran la polimerasa IV y polimerasa V para reparación en condiciones únicas y síntesis de ARNip.
Además, dos tipos de ARNP se encuentran en el cloroplasto: uno de tipo fago y el otro de tipo procariota. Las subunidades proteicas de estas polimerasas están codificadas en los genomas nuclear y plastidial; por lo tanto, su activación y acción requieren una regulación altamente sofisticada que controla y coordina la expresión de los componentes.
Los orthopoxvirus y algunos virus nucleocitoplasmáticos de ADN de gran tamaño presentan un ARNP vírico de múltiples subunidades. Son más similares a los ARNP eucariotas, con algunas subunidades minificadas o eliminadas. Algunos virus de ADN usan una ARNP dependiente de ADN de una sola subunidad. Quizás el ARNP de subunidad única más ampliamente estudiado es la del bacteriófago T7. Los virus de ARN usan exclusivamente una ARNP dependiente de ARN.
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