ARN

Publicado el 8 junio, 20225 min de lectura

Los ácidos nucleicos son moléculas complejas que contienen la información genética de una célula y las instrucciones para llevar a cabo procesos celulares. En las células eucariotas, los dos ácidos nucleicos, el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico ( ADN ), trabajan juntos para dirigir la síntesis de proteínas.. Aunque es el ADN el que contiene las instrucciones para dirigir la síntesis de proteínas estructurales y enzimáticas específicas, varios tipos de ARN realmente llevan a cabo los procesos necesarios para producir estas proteínas. Estos incluyen ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt). Otro tipo de ARN llamado ARN nuclear pequeño (snRNA) lleva a cabo un procesamiento adicional de los diversos ARN. La estructura del ARN es muy similar a la del ADN, sin embargo, en lugar de la base timina, el ARN contiene la base uracilo. Además, a la pentosa azúcar ribosa le falta un átomo de oxígeno en la posición dos del ADN, de ahí el nombre desoxi.

Los ácidos nucleicos son moléculas de cadena larga que unen nucleótidos individuales que están compuestos por un azúcar pentosa, una base nitrogenada y uno o más grupos fosfato.

Los nucleótidos, los componentes básicos de los ácidos nucleicos, en el ácido ribonucleico son el ácido adenílico, el ácido citidílico, el ácido guanílico y el ácido uridílico. Cada uno de los nucleótidos de la subunidad de ARN lleva una base nitrogenada: el ácido adenílico contiene adenina (A), el ácido citidílico contiene citosina (C), el ácido guanílico contiene guanina (G) y el ácido uridílico contiene uracilo.

En los seres humanos, la molécula de ADN está formada por cadenas de nucleótidos de fosfato-base-azúcar, y su forma tridimensional afecta su función genética. En los seres humanos y otros organismos superiores, el ADN se forma en una hélice espiral de dos hebras organizada en estructuras llamadas cromosomas . Por el contrario, la mayoría de las moléculas de ARN son monocatenarias y adoptan diversas formas.

Los ácidos nucleicos se identificó por primera vez por el suizo Johann bioquímico Miescher (1844 1895). Miescher aisló una sustancia celular que contenía nitrógeno y fósforo. Pensando que era una proteína nuclear rica en fósforo, Miescher la llamó nucleína.

La sustancia identificada por Miescher era en realidad una proteína más ácido nucleico, como descubrió el bioquímico alemán Albrecht Kossel en la década de 1880. Kossel también aisló dos purinas de ácidos nucleicos (adenina y guanina) y tres pirimidinas (timina, citosina y uracilo), así como carbohidratos.

El bioquímico estadounidense Phoebus Levene, que una vez había estudiado con Kossel, identificó dos azúcares de ácido nucleico. Levene identificó la ribosa en 1909 y la desoxirribosa (una molécula con menos oxígeno que la ribosa) en 1929. Levene también definió la unidad principal de un ácido nucleico como un nucleótido fosfato-base-azúcar. La conexión exacta de los nucleótidos en una cadena de polímero lineal fue descubierta en la década de 1940 por el químico orgánico británico Alexander Todd.

En 1951, el biólogo molecular estadounidense James Watson y los biólogos moleculares británicos Francis Crick y Maurice Wilkins desarrollaron un modelo de ADN que proponía su forma helicoidal de dos hebras ahora aceptada en la que la adenina siempre se empareja con timina y la guanina siempre se empareja con la citosina. En el ARN, el uracilo reemplaza a la timina.

Durante la década de 1960, los científicos descubrieron que tres bases consecutivas de ADN o ARN (un codón) comprenden el código genético o la instrucción para la producción de una proteína. Un gen se transcribe en ARN mensajero (ARNm), que se mueve desde el núcleo a estructuras en el citoplasma llamadas ribosomas . Los codones del ARNm ordenan la inserción de un aminoácido específico en la cadena de aminoácidos que forman parte de cada proteína. Los codones también pueden ordenar que se detenga el proceso de traducción . Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) que ya se encuentran en el citoplasma leen las instrucciones del codón y llevan los aminoácidos necesarios a un ribosoma para su ensamblaje.

Algunas proteínas llevan a cabo funciones celulares mientras que otras controlan el funcionamiento de otros genes. Hasta la década de 1970, se pensaba que el ARN celular era solo un portador pasivo de instrucciones de ADN. Ahora se sabe que realiza varias funciones enzimáticas dentro de las células, incluida la transcripción de ADN en ARN mensajero y la producción de proteínas. En ciertos virus llamados retrovirus , el ARN en sí mismo es la información genética. Esto, y el conocimiento cada vez mayor del papel dinámico del ARN en las células del ADN, ha llevado a algunos científicos a argumentar que el ARN fue la base de las formas de vida más antiguas de la Tierra, un entorno denominado Mundo ARN.

El primer paso en la síntesis de proteínas es la transcripción del ADN en ARNm. El ARNm sale de la membrana nuclear a través de poros especiales y entra en el citoplasma. Luego envía su mensaje codificado a pequeñas fábricas de proteínas llamadas ribosomas que constan de dos subunidades de tamaño desigual. Algunos de estos ribosomas se encuentran flotando libres en el citosol, pero la mayoría de ellos se encuentran en una estructura llamada retículo endoplásmico rugoso (rER). Se cree que los ribosomas que flotan libremente fabrican proteínas para su uso dentro de la célula (proliferación celular), mientras que los que se encuentran en el rER producen proteínas para exportar fuera de la célula o aquellas que están asociadas con la membrana celular.

Los genes transcriben sus secuencias codificadas como una plantilla de ARN que desempeña el papel de precursor del ARN mensajero (ARNm), por lo que se denomina pre-ARNm. El ARN mensajero se forma mediante el empalme de exones de pre-ARNm en una secuencia de codones, listos para la traducción de proteínas. Por lo tanto, el ARNm también se denomina ARNm maduro, porque puede transportarse al citoplasma, donde tendrá lugar la traducción de proteínas en el complejo ribosómico.

La transcripción ocurre en el núcleo, a través de la siguiente secuencia de eventos. El proceso de transcripción de genes en ARNm en el núcleo comienza con la secuencia de bases nitrogenadas del ADN original representada en la dirección de la transcripción (por ejemplo, desde el extremo 5 ‘[cinco primos] hasta el extremo 3’ [tres primos]) como ADN 5 ‘. ..AGG TCC TAG TAA … 3 ‘a la formación de pre-mRNA (para el ADN ejemplar citado) con una secuencia de 3’ … TCC AGG ATC ATT … 5 ‘(exones transcritos a pre-mRNA plantilla) luego en una secuencia de ARNm de 5 ‘… AGG UCC UAG UAA … 3’ (codones empalmados en ARNm maduro).

El ARN mensajero es sintetizado primero por genes como ARN heterogéneo nuclear (ARNh), así llamado porque los ARNh varían enormemente en su peso molecular, así como en sus secuencias y longitudes de nucleótidos, lo que refleja las diferentes proteínas que están destinadas a codificar para la traducción. La mayoría de los ARNh de las células eucariotas son muy grandes, hasta 50.000 nucleótidos, y muestran una cola poli-A que confiere estabilidad a la molécula. Estas moléculas tienen una breve existencia, siendo procesadas durante la transcripción en pre-ARNm y luego en ARNm a través del empalme.

El peso molecular de los ARNm también varía de acuerdo con el tamaño de la proteína que codifican durante la traducción. Debido a que se necesitan tres nucleótidos para la traducción de cada aminoácido que constituirá la cadena polipeptídica durante la síntesis de proteínas, necesariamente son mucho más grandes que la propia proteína. Moléculas de ARNm procariota lo general tienen una corta existencia de alrededor de 2 3 minutos, pero la rápida rotación bacteriana mRNA permite una respuesta rápida a los cambios ambientales por estos organismos unicelulares. En los mamíferos, la vida media del ARNm va desde los 10 minutos hasta los dos días. Por lo tanto, las células eucariotas de los mamíferos tienen diferentes moléculas de ARNm que muestran una amplia gama de diferentes tasas de degradación. Por ejemplo, el ARNm de proteínas reguladoras, involucradas en el metabolismo celularo en el control del ciclo celular , generalmente tiene una vida corta de unos minutos, mientras que el ARNm de la globina tiene una vida media de 10 horas.

La enzima ARN polimerasa II es el elemento transcripcional en las células eucariotas humanas que sintetiza el ARN mensajero. La estructura química general de la mayoría de las moléculas de ARNm eucariotas contiene un grupo 7-metilguanosina unido a través de un trifosfato al extremo 5 ‘, formando un casquete. En el otro extremo (es decir, el extremo 3 ‘), suele haber una cola de hasta 150 adenililos o poli-A. Una excepción es el ARNm de histona que no tiene una cola poli-A. También se observó la existencia de una correlación entre la longitud de la cola poli-A y la vida media de una determinada molécula de ARNm.

A nivel bioquímico, las moléculas de ARN son polímeros lineales que comparten una estructura básica común compuesta por una columna vertebral formada por un polímero alterno de grupos fosfato y ribosa (un azúcar que contiene cinco átomos de carbono). Las bases orgánicas nitrogenadas, es decir, las purinas, adenina y guanina, y las pirimidinas, citosina y uracilo, están unidas entre sí a través de puentes fosfodiéster. Estas cuatro bases nitrogenadas también se denominan bases heterocíclicas y cada una de ellas se combina con una de las ribosas del esqueleto para formar un nucleósido, como adenosina, guanosina, citidina y uridina. La combinación de una ribosa, un fosfato y una base nitrogenada dada a su vez da como resultado un nucleótido, como adenilato, guanilato, citidilato, uridilato. Cada puente fosfodiéster une el carbono 3 ‘en la ribosa de un nucleótido al 5’ carbono en la ribosa del nucleótido subsiguiente, y así sucesivamente. Las moléculas de ARN se pliegan sobre sí mismas y forman estructuras denominadas bucles en horquilla, porque tienen regiones extensas de pares complementarios de guanina-citosina (GC) o adenina-uracilo (AU). Sin embargo, son cadenas de polinucleótidos simples.

Las moléculas de ARNm contienen en el extremo 5 ‘una secuencia líder que no se traduce, conocida como UTR (región no traducida) y un codón de iniciación (AUG), que precede a la región codificante formada por los exones empalmados, que se denominan codones en la fase madura. ARNm. Al final de la región de codificación, están presentes tres codones de terminación (UAG, UAA, UGA), seguidos de una secuencia de cola que constituye otra UTR, que es a su vez seguida por la cola poli-A. La estabilidad de la molécula de ARNm es crucial para la traducción adecuada del transcrito en proteína. La cola poli-A es responsable de tal estabilidad porque previene la degradación precoz del ARNm por una exonucleasa 3 ‘a 5’ (una enzima citoplasmática que digiere el ARNm a partir del extremo 3 ‘cuando la molécula abandona el núcleo celular). El ARNm de las histonas, las proteínas nucleares que forman los nucleosomas, no tienen colas poli-A, por lo que constituyen una excepción a esta regla. La cola poli-A también protege la otra extremidad de la molécula de ARNm girando alrededor y tocando la tapa de 7-metilguanosina unida a la extremidad 5 ‘. Esto previene el desencadenamiento de la molécula de ARNm por otra exonucleasa. La eliminación de la 7-metilguanosina expone el extremo 5 ‘del ARNm a la digestión por la exonucleasa 5’ a 3 ‘(una enzima citoplasmática que digiere el ARNm comenzando desde el extremo 5’). Cuando se completa la traducción de la proteína, se activa el proceso enzimático de desadenilación (es decir, la digestión enzimática de la cola poli-A), lo que permite la posterior degradación del ARNm por las dos exonucleasas mencionadas anteriormente, cada una trabajando en uno de los extremos de la molécula.

El ARN de transferencia (ARNt) a menudo se conoce como la “piedra de Rosetta” de la genética, ya que traduce las instrucciones codificadas por el ADN, por medio del ARN mensajero (ARNm), en secuencias específicas de aminoácidos que forman proteínas y polipéptidos. Esta clase de ARN globular pequeño tiene solo 75 a 90 nucleótidos de longitud y hay al menos un ARNt por cada aminoácido. El trabajo del tRNA es transportar aminoácidos libres dentro de la célula y unirlos a la cadena polipeptídica en crecimiento. Primero, una molécula de aminoácido se une a su ARNt particular. Este proceso es catalizado por una enzima llamada aminoacil ARNt sintetasa que se une al interior de la molécula de ARNt. La molécula ahora está cargada. El siguiente paso, unir el aminoácido a la cadena polipeptídica, se lleva a cabo dentro del ribosoma. Cada aminoácido está especificado por una secuencia particular de tres bases de nucleótidos llamadas codones. Hay cuatro tipos diferentes de nucleótidos en el ARNm. Esto hace posible 64 codones diferentes (4 3). Dos de estos codones se denominan codones STOP; uno de ellos es el codón START (AUG). Con solo 20 aminoácidos diferentes, está claro que algunos aminoácidos tienen más de un codón. Esto se conoce como la degeneración del código genético. En el otro extremo de la molécula de ARNt hay tres bases de nucleótidos especiales llamadas anticodón. Estos interactúan con tres bases de codones complementarios en el ARNm por medio de enlaces de hidrógeno. Estos enlaces direccionales débiles también son la fuerza que mantiene unidas las dobles hebras de ADN.

Para comprender cómo sucede esto, fue necesario comprender primero la estructura tridimensional (conformación) de la molécula de ARNt. Esto se intentó por primera vez en 1965, donde el patrón de plegado bidimensional se dedujo de la secuencia de nucleótidos que se encuentran en la levadura.ARNt de alanina. Un trabajo posterior (1974), utilizando análisis de difracción de rayos X, pudo revelar la conformación del ARNt de fenilalanina de levadura. La molécula tiene la forma de una L. invertida. La porción vertical está formada por el tallo D y el tallo anti-codón, y el brazo horizontal de la L está compuesto por el tallo aceptor y el tallo T. Por tanto, la traducción depende enteramente de la estructura física. En un extremo de cada ARNt hay una estructura que reconoce el código genético, y en el otro extremo está el aminoácido particular de ese código. Sorprendentemente, esta forma inusual se conserva entre bacterias , plantas y animales.

Otra cosa inusual sobre el tRNA es que contiene algunas bases inusuales. Las otras clases de ácidos nucleicos pueden sufrir la simple modificación de agregar un grupo metilo (CH3 ). Sin embargo, el tRNA es único porque sufre una variedad de modificaciones desde la metilación hasta la reestructuración total del anillo de purina. Estas modificaciones ocurren en todas las partes de la molécula de ARNt y aumentan su integridad estructural y versatilidad.

Los ribosomas están compuestos de ARN ribosómico (hasta en un 50%) y proteínas especiales llamadas ribonucleoproteínas. En eucariotas (un organismo cuyas células tienen cromosomas con estructura nucleosómica y están separadas del citoplasma por una envoltura nuclear de dos membranas y cuyas funciones están compartimentadas en distintos orgánulos citoplasmáticos), existen en realidad cuatro tipos diferentes de ARNr. Una de estas moléculas se llama ARNr 18; junto con unos 30 además de diferentes proteínas, constituye la pequeña subunidad del ribosoma. Los otros tres tipos de ARNr se denominan ARNr 28S, 5.8S y 5S. Una de cada una de estas moléculas, junto con unas 45 proteínas diferentes, se utiliza para formar la subunidad grande del ribosoma. También hay dos ARNr exclusivos del genoma mitocondrial (una molécula circular de unos 16.569 pares de bases en el humano). Estos se denominan 12S y 16S. Una mutación en el 12SrRNA se ha relacionado con la pérdida auditiva no sindrómica. Los ARN ribosomales tienen estos nombres debido a su peso molecular. Cuando el ARNr se centrifuga mediante una ultracentrífuga, estas moléculas se sedimentan a diferentes velocidades porque tienen diferentes pesos. Cuanto mayor sea el número, mayor será la molécula.

La subunidad más grande parece estar involucrada principalmente en procesos bioquímicos tales como catalizar las reacciones de elongación de la cadena polipeptídica y tiene dos sitios de unión principales. Los sitios de unión son aquellas partes de una molécula grande que participan activamente en su combinación específica con otra molécula. Uno se llama sitio aminoacilo y el otro sitio peptidilo. Los ribosomas unen sus sitios de peptidilo a la superficie de la membrana del rER. El sitio aminoacilo se ha asociado con la unión del ARN de transferencia. La subunidad más pequeña parece estar relacionada con los procesos de reconocimiento ribosómico como el ARNm. También está involucrado con la unión de tRNA. La subunidad más pequeña se combina con el ARNm y el primer ARNt “cargado” para formar el complejo de iniciación para la traducción de la secuencia de ARN en el polipéptido final.

El precursor de las moléculas 28S, 18S y 5.83S se transcribe mediante la ARN polimerasa I (Pol I) y el ARNr 5S se transcribe mediante la ARN polimerasa III (PoIII). Pol I es la más activa de todas las polinimerasas de ARN y es una indicación de la importancia de estas estructuras para la función celular.

Los ARN ribosomales se pliegan de formas muy complejas. Su estructura es una pista importante para las relaciones evolutivas encontradas entre diferentes tipos de organismos. Las comparaciones de secuencia de los diversos ARNr de varias especies muestran que, aunque sus secuencias de bases varían ampliamente, la evolución ha conservado sus estructuras secundarias, por lo que la organización debe ser importante para su función.

Desde la década de 1970, los procesos celulares de los ácidos nucleicos se han convertido en la base de la ingeniería genética, en la que los científicos agregan o eliminan genes para alterar las características o el comportamiento de las células. Estas técnicas se utilizan en la agricultura, la fabricación de productos farmacéuticos y otros productos químicos, y en tratamientos médicos para el cáncer y otras enfermedades.

Ver también Bioquímica; Regulación genética de células eucariotas.