Tipos y Estructura del ARN

Características Generales del ARN

Estructura

El ácido ribonucleico (ARN) es un polímero monocatenario de nucleótidos que se unen a través de enlaces fosfodiéster 3’–5‘.

Los nucleótidos son la unidad básica de cualquier ácido nucleico. Los nucleótidos en el ARN están formados por las siguientes partes:

1. Ribosa (azúcar): el carbono 2′ está unido al hidroxilo (OH).
   Nota: en el ácido desoxirribonucleico (ADN), la palabra desoxirribosa significa que no hay oxígeno (O) unido al carbono 2′.
2. Grupo fosfato: unido al carbono 5′ de la ribosa; se une al OH del carbono 3′ del siguiente nucleótido, formando un enlace fosfodiéster
3. Base nitrogenada: unida al carbono 1′ de la ribosa
   • Bases de purina:
     • Adenina
     • Guanina
   • Bases de pirimidina:
     • Citosina
     • Uracilo (Nota: el uracilo no se encuentra en el ADN, en su lugar hay timina).

Componentes de ácido nucleico:

• Nucleobase: base nitrogenada (adenina)
• Nucleósido: base nitrogenada + azúcar (adenosina)
• Nucleótido: base nitrogenada + azúcar + fosfato (adenosina monofosfato)
• Ácido nucleico: polímero de nucleótido (ARN)

Función

• Síntesis de proteínas (ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosomal (ARNr))
• Regulación de la expresión génica (micro ARN (miARN), ARN regulador pequeño, ARN pequeño de interferencia)
• Procesamiento de otros ARN (ARN nuclear pequeño (ARNnp), ARN nucleolar pequeño)
• Catálisis o función metabólica (ribozimas)
• Material genético en algunos virus
• Defensa del genoma (ARN de interferencia, ARN que interactúa con PIWI en eucariotas, CRISPR en procariotas)

ARN codificante versus no codificante

• ARN codificante (traducido a proteína) como:
  • ARNm
  • ARN del genoma viral
• ARN no codificante (otras funciones en la célula) como:
  • ARNt
  • ARNr
  • miARN
  • ARN nucleolar pequeño
  • ARNnp

ARN Mensajero (ARNm)

Estructura

• Secuencia codificante de ADN:
  • Dividida en 3 secuencias de bases conocidas como codones (véase la mnemotecnia); corresponden a aminoácidos específicos
  • Empieza con un codón de inicio (AUG)
  • Finaliza con un codón de terminación (UGA, UAA y UAG)
• Región no traducida o secuencias no codificantes (véanse las diferencias a continuación):
  • Caperuza 5′
  • Cola poli-A 3′
  • Secuencia Shine-Dalgarno (en procariotas)

Mnemotecnia

Para recordar los codones de inicio del ARNm, use la mnemotecnia AUG:

• InAUGura la síntesis de proteínas

Para recordar los codones de terminación del ARNm, use las mnemotecnias UGA, UAA y UAG:

• U Go Away (tú vete, en inglés)
• U Are Away (tú estás lejos, en inglés)
• U Are Gone (tú te fuiste, en inglés)

Función

El ARN mensajero (ARNm) sirve como molde de aminoácidos para la síntesis de proteínas.

• Durante la transcripción, el ARNm tiene las siguientes características:
  • Complementario a la hebra antisentido o molde (facilitado por la enzima ARN polimerasa)
  • Se convierte en una copia de la hebra codificante (hebra sentido)
• El ARN mensajero se sintetiza desde el extremo 5′ hasta el extremo 3′ (porque la ARN polimerasa solo puede agregar nucleótidos al extremo 3′ de la cadena de ARNm).
• La transcripción inicial se conoce como ARN nuclear heterogéneo (ARNnh).
• El ARNnh procesado, que tiene la adición de la caperuza 5′ y la cola poli-A 3′ seguida del corte y empalme, se convierte en ARNm.

ARNm procariótico versus eucariótico

ARNm procariótico

• Policistrónico:
  • Un ARNm = varios polipéptidos
  • En las bacterias, los grupos de genes u operones relacionados se transcriben juntos en un solo ARNm.
• La secuencia codificante de ADN se traduce en proteínas inmediatamente después de ser sintetizada (sin modificaciones postranscripcionales).
• La secuencia no traducida o no codificante 5′ contiene la secuencia de Shine-Dalgarno que ayuda a unir el ribosoma al ARNm para la síntesis de proteínas.

ARNm eucariótico

• Monocistrónico:
  • Un ARNm = polipéptido único
  • Un codón de inicio y de terminación que producen una cadena polipeptídica
• Modificado ampliamente antes de ser traducido a proteínas:
  • Adición de la caperuza del extremo 5′: enlace de 7-metilguanosina
    • Ayuda en el reconocimiento por parte de la maquinaria de síntesis de proteínas
    • Protege de la degradación por exonucleasas
  • La secuencia codificante de ADN sufre una modificación o corte y empalme de intrones (segmentos no codificantes).
  • Adición de la cola poli-A 3′: cadena de moléculas de adenilato (mantiene la estabilidad del ARNm a medida que sale del núcleo hacia el citosol)

Existe una creencia arraigada de que los procariotas carecen de la caperuza 5′. Recientemente, sin embargo, se ha descubierto que algunas bacterias tienen una caperuza de nicotinamida adenina dinucleótido (NAD):

• Parece proteger al ARN bacteriano de la degradación
• La caperuza de NAD 5′ que se encuentra en algunos eucariotas en realidad promueve la descomposición en lugar de brindar protección.
• Caperuza de 7-metilguanosina 5′ en eucariotas: añadida después de la transcripción
• Caperuza de NAD 5′ en procariotas y eucariotas: agregada al inicio de la transcripción

ARN de Transferencia (ARNt)

Estructura

• El ARN de transferencia es un polinucleótido único compuesto por un promedio de 75 nucleótidos.
• Tiene bases modificadas como inosina, dihidrouridina y pseudouridina
• Su pliegue distintivo crea una forma bidimensional que se asemeja a una hoja de trébol.
• Su estructura tridimensional o terciaria tiene en realidad forma de L.
• Las partes del ARNt son:
  • Brazo aceptor:
    • Contiene la secuencia CCA (citosina-citosina-adenina) 3′:
      • Sitio de unión de aminoácidos
      • Forma un enlace covalente con un aminoácido específico a través de la aminoacil-ARNt sintetasa
    • El brazo aceptor también contiene partes del extremo 5′ del ARNt.
  • Bucle anticodón:
    • La secuencia de 3 bases es complementaria al código del triplete de ARNm para el aminoácido específico.
  • Brazo en D (contiene dihidrouridina) y brazo en T (bucle de pseudouridina) o brazo TΨC (timidina-pseudouridina-citidina):
    • Se cree que el brazo en D es un sitio de reconocimiento para la aminoacil-ARNt sintetasa.
    • El brazo en T ayuda en la unión ribosomal.
  • Bucle variable:
    • Puede o no estar presente; permite una mayor clasificación del ARNt

Función

El ARN de transferencia transporta aminoácidos a los ribosomas para ensamblarlos en proteínas. Este proceso se lleva a cabo mediante estas 2 acciones principales:

• Se une químicamente a un aminoácido específico:
  • La especificidad se debe a la enzima aminoacil-ARNt sintetasa:
    • Cada enzima reconoce solo un aminoácido y el ARNt correspondiente.
    • 20 enzimas aminoacil-ARNt sintetasa corresponden a cada uno de los 20 aminoácidos.
    • ARNt sin carga: sin aminoácido unido
    • ARNt con carga: aminoácido unido
  • La aminoacil-ARNt sintetasa une el aminoácido al terminal 3′ del brazo aceptor de ARNt.
• Forma pares de bases con el codón en el ARNm:
  • A través del bucle anticodón de ARNt
  • Determina el aminoácido a llevar al ribosoma para el ensamblaje de proteínas
  • Un ARNt lleva un aminoácido específico, pero un ARNt puede leer más de un codón.
  • Más de un solo codón pueden codificar para un aminoácido (degeneración de codones):
    • Ejemplo: 1 ARNt = 1 aminoácido (Phe) = diferentes codones, pero las mismas primeras 2 bases: UUU, UUC
  • Las 2 primeras bases de codones: principales bases determinantes de los aminoácidos
  • Entre la base del 3er codón y la base complementaria del 1er anticodón del ARNt, es posible tener más de un par de bases:
    • Puede seguir un apareamiento de bases atípico (tambaleo)
    • Ejemplo: la inosina (I), una base modificada que se encuentra en el ARNt, se empareja con el uracilo (U), la adenina (A) y la citosina (C).

ARN Ribosomal (ARNr)

Estructura

Los ribosomas consisten de 2 subunidades de ARNr de tamaño desigual, y los tamaños se miden en términos de un valor «S» (Svedberg o unidad de sedimentación):

• Basado en una medida de la velocidad de sedimentación en una centrífuga (si el valor «S» es más alto = sedimentación más rápida = mayor masa)
• Por lo tanto, los valores de «S» no son aditivos.
• Ribosomas procarióticos: 70S que consta de 50S (subunidad grande) y 30S (subunidad pequeña)
• Ribosomas eucariotas: 80S que consta de 60S (subunidad grande) y 40S (subunidad pequeña)
• Tiene 3 sitios de unión al ARNt que funcionan diferentemente:
  • Sitio de aminoacil (A) (acepta el aminoacil-ARNt entrante)
  • Sitio de peptidil (P) (para el peptidil-ARNt al que se une la cadena peptídica en crecimiento)
  • Sitio de salida (E) (donde el ARNt desacilado sale del ribosoma)

Función

• La forma más abundante de ARN en las células vivas (alrededor del 80% del ARN total en una célula)
• Sirve como andamio de las subunidades ribosomales
• El ARN ribosomal se asocia con proteínas para formar ribosomas (el sitio de síntesis de proteínas).
• Cataliza reacciones químicas específicas (ribozimas: «ribo-» que actúa como en-«zimas»)
• Los ARNr 23S (procariotas) y 28S (eucariotas) son los más grandes en la subunidad grande del ribosoma:
  • La ribozima más importante
  • El ARN ribosomal es una peptidil transferasa (cataliza la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos para formar proteínas).
• Nótese las diferencias:
  • ARN ribosomal: ARNr
  • Ribosoma: ARNr + proteínas
  • Ribozima: ARNr con actividad similar a la de una enzima, que cataliza la síntesis de proteínas en los ribosomas

Otras Formas de ARN

Procesamiento de ARN

ARN nuclear pequeño:

• ARN no codificante (eucariotas)
• Se asocia con proteínas para formar ribonucleoproteínas nucleares pequeñas:
  • Ribonucleoproteínas nucleares pequeñas + proteína = espliceosoma
  • Los espliceosomas eliminan los intrones de un pre-ARNm transcrito (corte y empalme).
  • Importantes para la regulación génica y el procesamiento de ARNr y ARNm

ARN nucleolar pequeño:

• ARN no codificante (eucariotas)
• Modifica nucleótidos de ARN

Regulación génica

Micro ARN:

• ARN no codificante (eucariotas)
• Regula la degradación y la traducción del ARNm
• La expresión anormal del miARN puede contribuir al desarrollo de malignidad (funcionando como oncogenes o supresores tumorales).

ARN regulador pequeño:

• ARN no codificante (procariotas)
• Regulación génica

ARN 6s:

• Regulación de la transcripción

Defensa del genoma

ARN de interferencia pequeño:

• ARN no codificante (eucariotas)
• ARN silenciador
• Opera dentro de la vía del ARN de interferencia (ARNi) (con miARN)
• Defensa contra un ARN extraño

ARN que interactúa con PIWI:

• ARN no codificante (eucariotas)
• Regula la expresión génica y combate las infecciones virales

CRISPR (ARNcr):

• ARN no codificante (procariotas)
• Defensa contra ADN y ARN extraños

Otras ribozimas

Ribonucleasa P (ARNasa P):

• Escinde pre-ARNt para generar el extremo 5′ libre del ARNt maduro

Intrones de autoempalme:

• Los intrones en los genes actúan como ribozimas con actividad nucleasa.

Viroides:

• ARN no codificante
• ARN desnudo en plantas
• Se escinde a sí mismo durante el ciclo replicativo del viroide