ARN: FUNCȚII, STRUCTURĂ ȘI TIPURI - BIOLOGIE - 2025

ARN sau ARN (acid ribonucleic) este un tip de acid nucleic prezent în Eukariotele, procariote și viruși. Este un polimer nucleotid care conține patru tipuri de baze azotate în structura sa: adenină, guanină, citozină și uracil.

ARN-ul se găsește în general ca o singură bandă (cu excepția unor virusuri), în mod liniar sau într-o serie de structuri complexe. De fapt, ARN are un dinamism structural care nu este observat în dubla helix ADN. Diferitele tipuri de ARN au funcții foarte variate.

ARN-urile ribozomale fac parte din ribozomi, structurile responsabile de sinteza proteinelor din celule. ARN-urile de mesagerie funcționează ca intermediari și transportă informații genetice către ribozom, ceea ce traduce mesajul dintr-o secvență de nucleotide într-o secvență de aminoacizi.

ARN-urile de transfer sunt responsabile de activarea și transferul diferitelor tipuri de aminoacizi - 20 în total - la ribozomi. Există o moleculă de ARN de transfer pentru fiecare aminoacid care recunoaște secvența în ARN-ul mesager.

În plus, există și alte tipuri de ARN care nu sunt implicate direct în sinteza proteinelor și participă la reglarea genelor.

Structura

Unitățile fundamentale ale ARN sunt nucleotidele. Fiecare nucleotid este format dintr-o bază azotată (adenină, guanină, citozină și uracil), o pentoză și o grupare fosfat.

nucleotidele

Bazele azotate sunt derivate din doi compuși fundamentali: pirimidine și purine.

Bazele derivate din purine sunt adenina și guanina iar bazele derivate din pirimidine sunt citosina și uracilul. Deși acestea sunt cele mai frecvente baze, acizii nucleici pot avea și alte tipuri de baze mai puțin frecvente.

Cât despre pentoză, ele sunt unități de d-riboză. Prin urmare, nucleotidele care alcătuiesc ARN se numesc „ribonucleotide”.

Lanț ARN

Nucleotidele sunt legate între ele prin legături chimice care implică gruparea fosfaților. Pentru a le forma, gruparea fosfatului la capătul 5 'al unui nucleotid este atașată la grupa hidroxil (-OH) la capătul 3' al următoarei nucleotide, creând astfel o legătură asemănătoare a fosfodiesterului.

De-a lungul lanțului de acid nucleic, legăturile fosfodiester au aceeași orientare. Prin urmare, există o polaritate a catenei, distingând capătul 3 ′ și capătul 5 ′.

Prin convenție, structura acizilor nucleici este reprezentată de capătul 5 ′ la stânga și capătul 3 ′ la dreapta.

Produsul ARN al transcrierii ADN-ului este o bandă unică, care se întoarce spre dreapta, într-o conformație elicoidală prin stivuirea bazelor. Interacțiunea dintre purine este mult mai mare decât interacțiunea dintre două pirimidine, datorită mărimii acestora.

În ARN, nu se poate vorbi de o structură tradițională secundară și de referință, cum ar fi dubla helixă a ADN-ului. Structura tridimensională a fiecărei molecule de ARN este unică și complexă, comparabilă cu cea a proteinelor (logic, nu putem globaliza structura proteinelor).

Forțe care stabilizează ARN

Există interacțiuni slabe care contribuie la stabilizarea ARN, în special la stivuirea bazelor, unde inelele sunt situate unul deasupra celuilalt. Acest fenomen contribuie, de asemenea, la stabilitatea helixului ADN.

Dacă molecula de ARN găsește o secvență complementară, acestea se pot cupla și forma o structură cu două fire, care se întoarce la dreapta. Forma predominantă este tipul A; În ceea ce privește formele Z, acestea au fost evidențiate doar în laborator, în timp ce forma B nu a fost observată.

În general, există secvențe scurte (cum ar fi UUGG), care sunt situate la capătul ARN și au particularitatea formării de bucle stabile. Această secvență participă la plierea structurii tridimensionale a ARN.

În plus, legăturile de hidrogen se pot forma pe alte site-uri decât perechile de baze tipice (AU și CG). Una dintre aceste interacțiuni are loc între 2'-OH de riboză cu alte grupuri.

Elucidarea diferitelor structuri găsite în ARN a servit pentru a demonstra funcțiile multiple ale acestui acid nucleic.

Tipuri și funcții ARN

Există două clase de ARN: informațional și funcțional. Primul grup include ARN-uri care participă la sinteza proteinelor și funcționează ca intermediari în proces; ARN-urile informaționale sunt ARN-urile de mesagerie.

În schimb, ARN-urile aparținând celei de-a doua clase, cele funcționale, nu dau naștere unei noi molecule proteice și ARN-ul în sine este produsul final. Acestea sunt ARN-urile de transfer și ARN-urile ribozomale.

În celulele de mamifer, 80% din ARN este ARN ribozomal, 15% este ARN de transfer și doar o mică porțiune corespunde ARN-ului mesager. Aceste trei tipuri lucrează în mod cooperativ pentru a realiza biosinteza proteinelor.

Există, de asemenea, ARN-uri nucleare mici, ARN-uri citoplasmatice mici și microARN. Fiecare dintre cele mai importante tipuri va fi descris în detaliu mai jos:

ARN de mesagerie

În eucariote, ADN-ul este limitat la nucleu, în timp ce sinteza de proteine ​​are loc în citoplasma celulei, unde se găsesc ribozomi. Datorită acestei separații spațiale, trebuie să existe un mediator care poartă mesajul de la nucleu către citoplasmă și molecula respectivă este ARN-ul mesager.

ARN Messenger, ARNm prescurtat, este o moleculă intermediară care conține informațiile codificate în ADN și care specifică o secvență de aminoacizi care va da naștere unei proteine ​​funcționale.

Termenul ARN mesager a fost propus în 1961 de către François Jacob și Jacques Monod pentru a descrie porțiunea de ARN care a transmis mesajul de la ADN la ribozomi.

Procesul de sinteză a mRNA din catena ADN este cunoscut sub denumirea de transcripție și are loc diferit între procariote și eucariote.

Expresia genică este guvernată de mai mulți factori și depinde de nevoile fiecărei celule. Transcrierea este împărțită în trei etape: inițierea, alungirea și încheierea.

Transcriere

Procesul de replicare a ADN-ului, care are loc în fiecare diviziune celulară, copiază întregul cromozom. Cu toate acestea, procesul de transcriere este mult mai selectiv, se ocupă doar de procesarea segmentelor specifice ale catenei ADN și nu necesită un primer.

În Escherichia coli - cea mai bine studiată bacterie în științele vieții - transcrierea începe cu dezlănțuirea dublei helixuri a ADN-ului și se formează bucla de transcripție. Enzima ARN polimeraza este responsabilă de sinteza ARN și, pe măsură ce transcrierea continuă, catena ADN revine la forma sa originală.

Inițierea, alungirea și încetarea

Transcrierea nu este inițiată pe site-uri aleatoare ale moleculei de ADN; există site-uri specializate pentru acest fenomen, numiți promotori. În E. coli ARN-polimeraza este cuplată cu câteva perechi de baze deasupra regiunii țintă.

Secvențele în care se cuplează factorii de transcripție sunt destul de conservate între diferite specii. Una dintre cele mai cunoscute secvențe promotor este caseta TATA.

La alungire, enzima ARN polimerază adaugă noi nucleotide la capătul 3'-OH, urmând direcția 5 'la 3'. Grupa hidroxil acționează ca un nucleofil, atacând fosfa alfa a nucleotidei care trebuie adăugată. Această reacție eliberează un pirofosfat.

Numai una dintre firele ADN este utilizată pentru a sintetiza ARN-ul mesager, care este copiat pe direcția 3 ′ la 5 ′ (forma antiparalelă a noii catene ARN). Nucleotidul care trebuie adăugat trebuie să respecte perechea de bază: U perechi cu A, iar G cu C.

ARN polimeraza oprește procesul atunci când găsește regiuni bogate în citosină și guanină. În cele din urmă, noua moleculă de ARN mesager este separată de complex.

Transcrierea în procariote

În procariote, o moleculă de ARN mesager poate codifica mai mult de o proteină.

Când un ARNm codează exclusiv pentru o proteină sau polipeptidă, se numește ARNm monocistronic, dar dacă codifică mai mult de un produs proteic, ARNm este policistronic (rețineți că, în acest context, termenul cistron se referă la genă).

Transcrierea în eucariote

În organismele eucariote, marea majoritate a ARNm-urilor sunt monocistronice, iar utilajul transcripțional este mult mai complex în această linie de organisme. Se caracterizează prin a avea trei ARN polimeraze, notate I, II și III, fiecare cu funcții specifice.

I-ul este responsabil de sintetizarea pre-ARN-urilor, II-ul sintetizează ARN-urile de mesagerie și unele ARN-uri speciale. În cele din urmă, III are grijă de ARN-urile de transfer, ribosomal 5S și alte ARN-uri mici.

ARN de mesagerie în eucariote

ARN Messenger suferă o serie de modificări specifice în eucariote. Prima implică adăugarea unui „capac” la capătul 5 ′. Chimic, capacul este un reziduu de 7-metilguanozină atașat la capăt printr-o legătură 5 ', 5'-trifosfat.

Rolul acestei zone este de a proteja ARN de o posibilă degradare de către ribonucleaze (enzime care descompun ARN în componente mai mici).

În plus, eliminarea capătului 3 ′ are loc și se adaugă 80 până la 250 reziduuri de adenină. Această structură este cunoscută sub numele de "coadă" poliA și servește ca situs de legare pentru diferite proteine. Când un procariot capătă o coadă de poliA, acesta tinde să-și stimuleze degradarea.

Pe de altă parte, acest mesager este transcris cu introni. Intronii sunt secvențe de ADN care nu fac parte din genă, dar care „întrerup” acea secvență. Intronele nu sunt traduse și, prin urmare, trebuie eliminate din messenger.

Majoritatea genelor vertebrate au introni, cu excepția genelor care codifică histonele. În mod similar, numărul de introni dintr-o genă poate varia de la câteva la zeci dintre acestea.

Îmbinare

Procesul ARN de plizare sau splicing implică eliminarea intronilor din ARN-ul mesager.

Unele intronii găsite în genele nucleare sau mitocondriale pot efectua procesul de împletire fără ajutorul enzimelor sau ATP. În schimb, procesul este realizat prin reacții de transesterificare. Acest mecanism a fost descoperit în Tetrahymena thermophila protozoan cilizat.

În schimb, există un alt grup de mesageri care nu sunt capabili să medieze propriile despicături, așa că au nevoie de utilaje suplimentare. Un număr destul de mare de gene nucleare aparțin acestui grup.

Procesul de splicing este mediat de un complex proteic numit spliceozom sau complex de splicing. Sistemul este format din complexe ARN specializate numite mici ribonucleoproteine ​​nucleare (RNP).

Există cinci tipuri de RNP: U1, U2, U4, U5 și U6, care se găsesc în nucleu și mediază procesul de împletire.

Splicing-ul poate produce mai mult de un tip de proteine ​​- aceasta este cunoscută sub numele de splicing alternativ - deoarece exonii sunt aranjați diferit, creând soiuri de ARN mesager.

ARN ribozomal

ARN ribozomal, ARNR prescurtat, se găsește în ribozomi și participă la biosinteza proteinelor. Prin urmare, este o componentă esențială a tuturor celulelor.

ARN ribozomal se asociază cu moleculele de proteine ​​(aproximativ 100) pentru a da naștere prezubunităților ribozomale. Acestea sunt clasificate în funcție de coeficientul lor de sedimentare, notat cu litera S pentru unitățile Svedberg.

Un ribozom este format din două părți: subunitatea majoră și subunitatea minoră. Ambele subunități diferă între procariote și eucariote în ceea ce privește coeficientul de sedimentare.

Procariote au o subunitate mare 50S și o subunitate mică 30S, în timp ce la eucariote, subunitatea mare este 60S și cea mică 40S.

Genele care codifică ARN-urile ribozomale se află în nucleol, o anumită zonă a nucleului care nu este delimitată de o membrană. ARN-urile ribozomale sunt transcrise în această regiune de ARN polimeraza I.

În celulele care sintetizează cantități mari de proteine; nucleolul este o structură proeminentă. Cu toate acestea, atunci când celula în cauză nu necesită un număr mare de produse proteice, nucleolul este o structură aproape imperceptibilă.

MicroRNA

MicroRNA-urile sau miRNA-urile sunt un tip de ARN-uri scurte, monocatenare, între 21 și 23 de nucleotide, a căror funcție este de a regla expresia genelor. Deoarece nu este tradus în proteine, este adesea numit ARN necodificant.

Ca și alte tipuri de ARN, procesarea microARN este complexă și implică o serie de proteine.

MicroRNA-urile provin din precursori mai lungi numiți mi-priRNA, derivate din primul transcript al genei. În nucleul celulei, acești precursori sunt modificați în complexul de microprocesoare, iar rezultatul este un pre-miRNA.

Pre-miRNA-urile sunt 70 straturi de păr nucleotide care continuă să fie procesate în citoplasmă de o enzimă numită Dicer, care asamblează complexul de silențiere indus de ARN (RISC) și, în final, este sintetizat miRNA.

Aceste ARN-uri sunt capabile să reglementeze expresia genelor, deoarece sunt complementare cu ARN-urile specifice mesageriei. Prin împerecherea cu ținta lor, miRNA-urile sunt capabile să suprime mesagerul sau chiar să-l degradeze. În consecință, ribozomul nu poate traduce transcrierea menționată.

Reducerea la tăcere a ARN-ului

Un tip particular de microARN este ARN-urile interferitoare mici (siRNAs), numite și ARN-uri de reducere a liniilor. Sunt ARN-uri scurte, între 20 și 25 de nucleotide, care împiedică exprimarea anumitor gene.

Sunt instrumente foarte promițătoare pentru cercetare, deoarece fac posibilă tăcerea unei gene de interes și, prin urmare, studierea funcției sale posibile.

Diferențele dintre ADN și ARN

Deși ADN-ul și ARN-ul sunt acizi nucleici și pot arăta foarte asemănători la prima vedere, diferă în câteva dintre proprietățile lor chimice și structurale. ADN-ul este o moleculă cu bandă dublă, în timp ce ARN-ul este cu o singură bandă.

Ca atare, ARN este o moleculă mai versatilă și poate adopta o mare varietate de forme tridimensionale. Cu toate acestea, anumiți viruși au ARN cu bandă dublă în materialul lor genetic.

În nucleotidele ARN, molecula de zahăr este o riboză, în timp ce în ADN este o dezoxiriboză, diferind doar în prezența unui atom de oxigen.

Legătura fosfodiester în coloana vertebrală a ADN-ului și ARN este predispusă la un proces lent de hidroliză fără prezența enzimelor. În condiții alcaline, ARN hidrolizează rapid - datorită grupului hidroxil suplimentar - în timp ce ADN-ul nu.

În mod similar, bazele azotate care alcătuiesc nucleotide în ADN sunt guanina, adenina, timina și citozina; în schimb, în ​​ARN, timina este înlocuită cu uracil. Uracil se poate împerechea cu adenina, în același mod ca timina în ADN.

Originea și evoluția

ARN este singura moleculă cunoscută capabilă să stocheze informații și să catalizeze reacții chimice în același timp; Din acest motiv, mai mulți autori propun că molecula de ARN a fost crucială la originea vieții. Surprinzător, substraturile ribozomilor sunt alte molecule de ARN.

Descoperirea ribozimelor a dus la redefinirea biochimică a „enzimei” - ca anterior termenul era folosit exclusiv pentru proteine ​​cu activitate catalitică - și a ajutat la susținerea unui scenariu în care primele forme de viață au folosit doar ARN ca material genetic.

Referințe

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J și colab. (2002). Biologia moleculară a celulei. Ediția a 4-a. New York: Știința Garlandului. De la ADN la ARN. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Biochimie. Am inversat.
3. Campbell, NA, & ​​Reece, JB (2007). Biologie. Editura Medicală Panamericană.
4. Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH și colab. (1999). Analiza genetică modernă. New York: WH Freeman. Genele și ARN. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, AC, Hall, JE, & Guyton, AC (2006). Tratat de fiziologie medicală. Elsevier.
6. Hall, JE (2015). Cartea de text Guyton and Hall de fiziologie medicală e - Carte. Științele sănătății Elsevier
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, și colab. (2000) Biologie moleculară celulară. Ediția a 4-a. New York: WH Freeman. Secțiunea 11.6, Prelucrarea ARNt și ARNt. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Principiile biochimiei Lehninger. Macmillan.