ARN: FUNKCJE, STRUKTURA I TYPY - BIOLOGIA - 2026

RNA lub RNA (kwas rybonukleinowy) jest typu kwasu nukleinowego obecnego w eukariotów, prokariotów i wirusów. Jest to polimer nukleotydowy, który w swojej strukturze zawiera cztery rodzaje zasad azotowych: adeninę, guaninę, cytozynę i uracyl.

RNA generalnie występuje jako pojedynczy prążek (z wyjątkiem niektórych wirusów), w sposób liniowy lub w szeregu złożonych struktur. W rzeczywistości RNA ma strukturalną dynamizm, którego nie obserwuje się w podwójnej helisie DNA. Różne typy RNA mają bardzo zróżnicowane funkcje.

Rybosomalne RNA są częścią rybosomów, struktur odpowiedzialnych za syntezę białek w komórkach. Informacyjne RNA działają jako pośrednicy i przenoszą informacje genetyczne do rybosomu, co przekłada wiadomość z sekwencji nukleotydowej na sekwencję aminokwasową.

Transferowe RNA są odpowiedzialne za aktywację i przenoszenie różnych typów aminokwasów - w sumie -20 - do rybosomów. Dla każdego aminokwasu istnieje cząsteczka transferowego RNA, która rozpoznaje sekwencję w informacyjnym RNA.

Ponadto istnieją inne typy RNA, które nie są bezpośrednio zaangażowane w syntezę białek i uczestniczą w regulacji genów.

Struktura

Podstawowymi jednostkami RNA są nukleotydy. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej (adeniny, guaniny, cytozyny i uracylu), pentozy i grupy fosforanowej.

Nukleotydy

Zasady azotowe pochodzą z dwóch podstawowych związków: pirymidyn i puryn.

Podstawami pochodzącymi z puryn są adenina i guanina, a zasadami pochodzącymi z pirymidyn są cytozyna i uracyl. Chociaż są to najpowszechniejsze zasady, kwasy nukleinowe mogą mieć również inne rzadziej spotykane typy zasad.

Jeśli chodzi o pentozę, są to jednostki d-rybozy. Dlatego nukleotydy tworzące RNA nazywane są „rybonukleotydami”.

Łańcuch RNA

Nukleotydy są połączone ze sobą wiązaniami chemicznymi obejmującymi grupę fosforanową. Aby je utworzyć, grupa fosforanowa na końcu 5 'nukleotydu jest przyłączona do grupy hydroksylowej (–OH) na końcu 3' następnego nukleotydu, tworząc w ten sposób wiązanie podobne do fosfodiestru.

Wzdłuż łańcucha kwasu nukleinowego wiązania fosfodiestrowe mają tę samą orientację. Dlatego istnieje polaryzacja nici, rozróżniająca koniec 3 ′ i 5 ′.

Umownie struktura kwasów nukleinowych jest reprezentowana przez koniec 5 'po lewej stronie i koniec 3' po prawej stronie.

Produkt RNA transkrypcji DNA to jednoniciowy prążek, który skręca w prawo, w helikalnej konformacji przez ułożenie zasad. Interakcja między purynami jest znacznie większa niż interakcja między dwiema pirymidynami, ze względu na ich rozmiar.

W RNA nie można mówić o tradycyjnej strukturze drugorzędowej i odniesienia, takiej jak podwójna helisa DNA. Trójwymiarowa struktura każdej cząsteczki RNA jest wyjątkowa i złożona, porównywalna z białkami (logicznie rzecz biorąc, nie możemy globalizować struktury białek).

Siły stabilizujące RNA

Istnieją słabe interakcje, które przyczyniają się do stabilizacji RNA, w szczególności układanie zasad, gdzie pierścienie są umieszczone jeden na drugim. Zjawisko to również przyczynia się do stabilności helisy DNA.

Jeśli cząsteczka RNA znajdzie sekwencję komplementarną, może połączyć się i utworzyć dwuniciową strukturę, która obraca się w prawo. Dominującą formą jest typ A; Jeśli chodzi o formy Z, to zostały one udowodnione tylko w laboratorium, podczas gdy forma B nie została zaobserwowana.

Generalnie istnieją krótkie sekwencje (takie jak UUGG), które znajdują się na końcu RNA i charakteryzują się tym, że tworzą stabilne pętle. Sekwencja ta uczestniczy w fałdowaniu trójwymiarowej struktury RNA.

Ponadto wiązania wodorowe mogą tworzyć się w innych miejscach niż typowe pary zasad (AU i CG). Jedna z tych interakcji zachodzi między 2'-OH rybozy z innymi grupami.

Wyjaśnienie różnych struktur znajdujących się w RNA posłużyło do zademonstrowania wielu funkcji tego kwasu nukleinowego.

Rodzaje i funkcje RNA

Istnieją dwie klasy RNA: informacyjna i funkcjonalna. Pierwsza grupa obejmuje RNA, które uczestniczą w syntezie białek i pełnią rolę pośredników w tym procesie; informacyjne RNA to informacyjne RNA.

Natomiast RNA należące do drugiej klasy, funkcjonalne, nie dają powstania nowej cząsteczki białka, a sam RNA jest produktem końcowym. Są to transferowe RNA i rybosomalne RNA.

W komórkach ssaków 80% RNA to rybosomalny RNA, 15% to transferowy RNA, a tylko niewielka część odpowiada informacyjnemu RNA. Te trzy typy współpracują w celu osiągnięcia biosyntezy białek.

Istnieją również, między innymi, małe jądrowe RNA, małe cytoplazmatyczne RNA i mikroRNA. Każdy z najważniejszych typów zostanie szczegółowo opisany poniżej:

Komunikator RNA

U eukariotów DNA jest ograniczone do jądra, podczas gdy synteza białek zachodzi w cytoplazmie komórki, w której znajdują się rybosomy. Z powodu tej separacji przestrzennej musi istnieć mediator, który przenosi wiadomość z jądra do cytoplazmy, a ta cząsteczka jest informacyjnym RNA.

Informacyjny RNA, w skrócie mRNA, jest cząsteczką pośrednią, która zawiera informacje zakodowane w DNA i określa sekwencję aminokwasów, która pozwoli na powstanie funkcjonalnego białka.

Termin informacyjny RNA został zaproponowany w 1961 roku przez François Jacoba i Jacquesa Monoda w celu opisania części RNA, która przekazała wiadomość z DNA do rybosomów.

Proces syntezy mRNA z nici DNA jest znany jako transkrypcja i przebiega inaczej u prokariotów i eukariontów.

Ekspresja genów zależy od kilku czynników i zależy od potrzeb każdej komórki. Transkrypcja dzieli się na trzy etapy: inicjację, wydłużenie i zakończenie.

Transkrypcja

Proces replikacji DNA, który zachodzi w każdym podziale komórki, kopiuje cały chromosom. Jednak proces transkrypcji jest znacznie bardziej selektywny, zajmuje się tylko obróbką określonych segmentów nici DNA i nie wymaga startera.

U Escherichia coli - najlepiej zbadanej bakterii w naukach przyrodniczych - transkrypcja rozpoczyna się od rozwinięcia podwójnej helisy DNA i powstania pętli transkrypcyjnej. Enzym polimeraza RNA jest odpowiedzialny za syntezę RNA, a wraz z postępem transkrypcji nić DNA wraca do swojego pierwotnego kształtu.

Inicjacja, wydłużenie i zakończenie

Transkrypcja nie jest inicjowana w przypadkowych miejscach cząsteczki DNA; istnieją wyspecjalizowane strony poświęcone temu zjawisku, zwane promotorami. W E. coli polimeraza RNA jest sprzężona kilka par zasad powyżej regionu docelowego.

Sekwencje, w których sprzężone są czynniki transkrypcyjne, są dość konserwatywne między różnymi gatunkami. Jedną z najbardziej znanych sekwencji promotorowych jest kaseta TATA.

Podczas wydłużania enzym polimerazy RNA dodaje nowe nukleotydy do końca 3'-OH, zgodnie z kierunkiem od 5 'do 3'. Grupa hydroksylowa działa jak nukleofil, atakując alfa fosforan nukleotydu, który ma być dodany. Ta reakcja uwalnia pirofosforan.

Tylko jedna z nici DNA jest używana do syntezy informacyjnego RNA, który jest kopiowany w kierunku od 3 ′ do 5 ′ (antyrównoległa postać nowej nici RNA). Dodawany nukleotyd musi być zgodny z parowaniem zasad: pary U z A i G z C.

Polimeraza RNA zatrzymuje ten proces, gdy znajdzie regiony bogate w cytozynę i guaninę. Ostatecznie nowa cząsteczka informacyjnego RNA zostaje oddzielona od kompleksu.

Transkrypcja u prokariontów

U prokariotów cząsteczka informacyjnego RNA może kodować więcej niż jedno białko.

Gdy mRNA koduje wyłącznie białko lub polipeptyd, nazywa się je monocistronowym mRNA, ale jeśli koduje więcej niż jeden produkt białkowy, mRNA jest policistronowy (zauważ, że w tym kontekście termin cistron odnosi się do genu).

Transkrypcja u eukariontów

W organizmach eukariotycznych zdecydowana większość mRNA jest monocistronowa, a mechanizm transkrypcyjny jest znacznie bardziej złożony w tej linii organizmów. Charakteryzują się trzema polimerazami RNA, oznaczonymi I, II i III, z których każda ma określone funkcje.

I jest odpowiedzialny za syntezę pre-rRNA, II syntetyzuje informacyjne RNA i niektóre specjalne RNA. Wreszcie III zajmuje się transferem RNA, rybosomalnego 5S i innych małych RNA.

Informacyjny RNA u eukariontów

Informacyjny RNA przechodzi szereg specyficznych modyfikacji u eukariontów. Pierwsza polega na dodaniu „czapki” na końcu 5 ′. Chemicznie, czapeczka jest resztą 7-metyloguanozyny połączoną na końcu wiązaniem 5 ', 5'-trifosforanowym.

Rolą tej strefy jest ochrona RNA przed możliwą degradacją przez rybonukleazy (enzymy rozkładające RNA na mniejsze składniki).

Ponadto następuje eliminacja końca 3 'i dodaje się 80 do 250 reszt adeniny. Ta struktura jest znana jako „ogon” poliA i służy jako miejsce wiązania dla różnych białek. Kiedy prokariota nabywa ogon poliA, ma tendencję do stymulowania jego degradacji.

Z drugiej strony, ten posłaniec jest przepisywany za pomocą intronów. Introny to sekwencje DNA, które nie są częścią genu, ale „przerywają” tę sekwencję. Introny nie są tłumaczone i dlatego należy je usunąć z komunikatora.

Większość genów kręgowców ma introny, z wyjątkiem genów kodujących histony. Podobnie liczba intronów w genie może wahać się od kilku do kilkudziesięciu z nich.

Łączenie

Proces składania lub składania RNA obejmuje usuwanie intronów z informacyjnego RNA.

Niektóre introny znajdujące się w genach jądrowych lub mitochondrialnych mogą wykonywać proces splicingu bez pomocy enzymów lub ATP. Zamiast tego proces przeprowadza się przez reakcje transestryfikacji. Mechanizm ten odkryto u orzęsionego pierwotniaka Tetrahymena thermophila.

W przeciwieństwie do tego istnieje inna grupa posłańców, którzy nie są w stanie pośredniczyć we własnym splataniu, więc potrzebują dodatkowej maszyny. Do tej grupy należy dość duża liczba genów jądrowych.

W procesie splicingu pośredniczy kompleks białek zwany spliceosomem lub kompleksem splicingu. System składa się ze wyspecjalizowanych kompleksów RNA zwanych małymi nukleoproteinami jądrowymi (RNP).

Istnieje pięć typów RNP: U1, U2, U4, U5 i U6, które znajdują się w jądrze i pośredniczą w procesie splicingu.

Łączenie może wytwarzać więcej niż jeden typ białka - jest to znane jako splicing alternatywny - ponieważ egzony są ułożone w różny sposób, tworząc odmiany informacyjnego RNA.

Rybosomalny RNA

Rybosomalne RNA, w skrócie rRNA, znajduje się w rybosomach i bierze udział w biosyntezie białek. Dlatego jest niezbędnym składnikiem wszystkich komórek.

Rybosomalne RNA wiąże się z cząsteczkami białka (około 100), dając początek rybosomalnym podjednostkom. Klasyfikuje się je w zależności od ich współczynnika sedymentacji, oznaczonego literą S dla jednostek Svedberga.

Rybosom składa się z dwóch części: podjednostki głównej i podjednostki podrzędnej. Obie podjednostki różnią się między prokariotami i eukariontami pod względem współczynnika sedymentacji.

Prokarionty mają dużą podjednostkę 50S i małą podjednostkę 30S, podczas gdy u eukariontów dużą podjednostką jest 60S, a małą 40S.

Geny kodujące rybosomalne RNA znajdują się w jąderku, konkretnym obszarze jądra, który nie jest ograniczony błoną. Rybosomalne RNA są transkrybowane w tym regionie przez polimerazę RNA I.

W komórkach, które syntetyzują duże ilości białek; jąderko jest wybitną strukturą. Jednak gdy dana komórka nie wymaga dużej liczby produktów białkowych, jąderko jest strukturą prawie niezauważalną.

MicroRNA

MikroRNA lub miRNA to rodzaj krótkiego, jednoniciowego RNA, o długości od 21 do 23 nukleotydów, którego funkcją jest regulacja ekspresji genów. Ponieważ nie ulega translacji do białka, jest często nazywany niekodującym RNA.

Podobnie jak w przypadku innych typów RNA, przetwarzanie mikroRNA jest złożone i obejmuje szereg białek.

MikroRNA powstają z dłuższych prekursorów zwanych mi-priRNA, pochodzących z pierwszego transkryptu genu. W jądrze komórki te prekursory są modyfikowane w kompleksie mikroprocesora, w wyniku czego powstaje pre-miRNA.

Pre-miRNA to spinki do włosów o długości 70 nukleotydów, które są nadal przetwarzane w cytoplazmie przez enzym zwany Dicer, który składa kompleks wyciszający indukowany przez RNA (RISC), a na końcu miRNA jest syntetyzowany.

Te RNA są zdolne do regulowania ekspresji genów, ponieważ są komplementarne z określonymi informacyjnymi RNA. Poprzez kojarzenie się ze swoim celem miRNA są w stanie stłumić przekaźnik, a nawet go degradować. W konsekwencji rybosom nie może przetłumaczyć tego transkryptu.

Wyciszanie RNA

Jednym szczególnym typem mikroRNA są małe interferujące RNA (siRNA), zwane także wyciszającymi RNA. Są to krótkie RNA, zawierające od 20 do 25 nukleotydów, które utrudniają ekspresję niektórych genów.

Są bardzo obiecującymi instrumentami badawczymi, ponieważ umożliwiają wyciszenie interesującego genu, a tym samym zbadanie jego możliwej funkcji.

Różnice między DNA i RNA

Chociaż DNA i RNA są kwasami nukleinowymi i na pierwszy rzut oka mogą wyglądać bardzo podobnie, różnią się kilkoma właściwościami chemicznymi i strukturalnymi. DNA jest cząsteczką dwupasmową, podczas gdy RNA jest jednopasmowa.

Jako taki, RNA jest bardziej wszechstronną cząsteczką i może przybierać różnorodne trójwymiarowe kształty. Jednak niektóre wirusy mają w swoim materiale genetycznym dwupasmowe RNA.

W nukleotydach RNA cząsteczką cukru jest ryboza, aw DNA dezoksyryboza, różniąca się jedynie obecnością atomu tlenu.

Wiązanie fosfodiestrowe w szkielecie DNA i RNA jest podatne na powolny proces hydrolizy bez obecności enzymów. W warunkach alkalicznych RNA szybko hydrolizuje - dzięki dodatkowej grupie hydroksylowej - podczas gdy DNA nie.

Podobnie, zasady azotowe, które tworzą nukleotydy w DNA to guanina, adenina, tymina i cytozyna; natomiast w RNA tyminę zastąpiono uracylem. Uracyl może łączyć się z adeniną w taki sam sposób jak tymina w DNA.

Pochodzenie i ewolucja

RNA jest jedyną znaną cząsteczką zdolną do jednoczesnego przechowywania informacji i katalizowania reakcji chemicznych; Z tego powodu kilku autorów sugeruje, że cząsteczka RNA była kluczowa dla powstania życia. Co zaskakujące, substratami rybosomów są inne cząsteczki RNA.

Odkrycie rybozymów doprowadziło do biochemicznej redefinicji terminu „enzym” - ponieważ wcześniej termin ten był używany wyłącznie dla białek o aktywności katalitycznej - i pomógł w poparciu scenariusza, w którym pierwsze formy życia wykorzystywały jedynie RNA jako materiał genetyczny.

Bibliografia

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J i wsp. (2002). Biologia molekularna komórki. Wydanie 4. Nowy Jork: Garland Science. Od DNA do RNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
2. Berg, JM, Stryer, L. i Tymoczko, JL (2007). Biochemia. Odwróciłem się.
3. Campbell, NA i Reece, JB (2007). Biologia. Panamerican Medical Ed.
4. Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH i wsp. (1999). Nowoczesna analiza genetyczna. Nowy Jork: WH Freeman. Geny i RNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
5. Guyton, AC, Hall, JE i Guyton, AC (2006). Traktat o fizjologii lekarskiej. Elsevier.
6. Hall, JE (2015). Guyton and Hall podręcznik fizjologii medycznej e - Book. Elsevier Health Sciences.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL i in. (2000) Molecular Cell Biology. Wydanie 4. Nowy Jork: WH Freeman. Sekcja 11.6, Przetwarzanie rRNA i tRNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
8. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.