Funzioni, struttura e tipi di RNA

il RNA o RNA (acido ribonucleico) è un tipo di acido nucleico presente negli organismi eucarioti, procarioti e virus. È un polimero nucleotidico che contiene quattro tipi di basi azotate nella sua struttura: adenina, guanina, citosina e uracile.

L'RNA è generalmente trovato come una singola banda (tranne che in alcuni virus), linearmente o formando una serie di strutture complesse. In effetti, l'RNA ha un dinamismo strutturale che non si osserva nella doppia elica del DNA. I diversi tipi di RNA hanno funzioni molto varie.

Gli RNA ribosomali fanno parte dei ribosomi, le strutture responsabili della sintesi delle proteine ​​nelle cellule. Gli RNA messaggeri agiscono da intermediari e trasportano l'informazione genetica al ribosoma, che traduce il messaggio da una sequenza di nucleotidi a uno di aminoacidi.

Gli RNA di trasferimento sono responsabili dell'attivazione e del trasferimento dei diversi tipi di amminoacidi -20 in totale- ai ribosomi. Esiste una molecola di RNA di trasferimento per ciascun amminoacido che riconosce la sequenza nell'RNA messaggero.

Inoltre, ci sono altri tipi di RNA che non sono direttamente coinvolti nella sintesi proteica e sono coinvolti nella regolazione genica.

indice

• 1 struttura
  • 1.1 Nucleotidi
  • 1.2 Catena di RNA
  • 1.3 Forze che stabilizzano l'RNA
• 2 tipi di RNA e funzioni
  • 2.1 RNA messaggero
  • 2.2 RNA ribosomiale
  • 2.3 Trasferire l'RNA
  • 2.4 MicroRNA
  • 2,5 silenziamento dell'RNA
• 3 differenze tra DNA e RNA
• 4 Origine ed evoluzione
• 5 riferimenti

struttura

Le unità fondamentali di RNA sono nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da una base azotata (adenina, guanina, citosina e uracile), un pentoso e un gruppo fosfato.

nucleotide

Le basi azotate derivano da due composti fondamentali: le pirimidine e le purine.

Le basi derivate dalle purine sono l'adenina e la guanina e le basi derivate dalle pirimidine sono la citosina e l'uracile. Sebbene queste siano le basi più comuni, gli acidi nucleici possono presentare anche altri tipi di basi meno frequenti.

Per quanto riguarda il pentoso, sono unità d-ribose. Pertanto, i nucleotidi che costituiscono l'RNA sono chiamati "ribonucleotidi".

Catena di RNA

I nucleotidi sono collegati tra loro da legami chimici che coinvolgono il gruppo fosfato. Per formarli, il gruppo fosfato all'estremità 5 'di un nucleotide è attaccato al gruppo ossidrile (-OH) all'estremità 3' del prossimo nucleotide, creando così un legame di tipo fosfodiestere.

Lungo la catena degli acidi nucleici, i legami fosfodiestere hanno lo stesso orientamento. Pertanto, vi è una polarità del filo, che distingue tra il 3 'e il 5' fine.

Per convenzione, la struttura degli acidi nucleici è rappresentata con l'estremità 5 'a sinistra e l'estremità 3' a destra.

Il prodotto RNA della trascrizione del DNA è una semplice catena che gira a destra, in una conformazione elicoidale mediante l'impilamento delle basi. L'interazione tra purine è molto più grande dell'interazione tra due pirimidine, per la loro dimensione.

Nell'RNA non possiamo parlare di una struttura secondaria tradizionale e di riferimento, come la doppia elica del DNA. La struttura tridimensionale di ciascuna molecola di RNA è unica e complessa, paragonabile a quella delle proteine ​​(logicamente, non possiamo globalizzare la struttura delle proteine).

Forze che stabilizzano l'RNA

Ci sono interazioni deboli che contribuiscono alla stabilizzazione dell'RNA, in particolare l'accatastamento delle basi, dove gli anelli si trovano uno sopra l'altro. Questo fenomeno contribuisce anche alla stabilità dell'elica del DNA.

Se la molecola di RNA trova una sequenza complementare, possono essere accoppiati e formare una struttura a doppia catena che ruota a destra. La forma predominante è di tipo A; come per le forme Z, sono state evidenziate solo in laboratorio, mentre la forma B non è stata osservata.

Generalmente, ci sono brevi sequenze (come UUGG) che si trovano alla fine dell'RNA e hanno la particolarità di formare loop stabile. Questa sequenza partecipa al ripiegamento della struttura tridimensionale dell'RNA.

Inoltre, i legami idrogeno possono essere formati in altri siti che non sono i tipici accoppiamenti di base (AU e CG). Una di queste interazioni avviene tra il 2'-OH del ribosio con altri gruppi.

La diluizione delle varie strutture trovate nell'RNA è servita a dimostrare le molteplici funzioni di questo acido nucleico.

Tipi di RNA e funzioni

Esistono due tipi di RNA: l'informativo e il funzionale. Il primo gruppo comprende gli RNA che partecipano alla sintesi delle proteine ​​e funzionano come intermediari di processo; gli RNA informativi sono gli RNA messaggeri.

Al contrario, gli RNA appartenenti alla seconda classe, quelli funzionali, non danno origine a una nuova molecola proteica e l'RNA stesso è il prodotto finale. Questi sono gli RNA di trasferimento e gli RNA ribosomali.

Nelle cellule di mammifero, l'80% dell'RNA è l'RNA ribosomiale, il 15% è l'RNA di trasferimento e solo una piccola porzione corrisponde all'RNA messaggero.Questi tre tipi funzionano in modo cooperativo per ottenere la biosintesi delle proteine.

Ci sono anche piccoli RNA nucleari, piccoli RNA citoplasmatici e microRNA, tra gli altri. Successivamente, ciascuno dei tipi più importanti sarà descritto in dettaglio:

Messenger RNA

Negli eucarioti il ​​DNA è confinato nel nucleo, mentre la sintesi proteica avviene nel citoplasma della cellula, dove si trovano i ribosomi. Per questa separazione spaziale deve esserci un mediatore che trasporta il messaggio dal nucleo al citoplasma e quella molecola è l'RNA messaggero.

L'RNA messaggero, mRNA abbreviato, è una molecola intermedia che contiene le informazioni codificate nel DNA e che specifica una sequenza di amminoacidi che daranno origine a una proteina funzionale.

Il termine messaggero RNA fu proposto nel 1961 da François Jacob e Jacques Monod per descrivere la porzione di RNA che trasmetteva il messaggio dal DNA ai ribosomi.

Il processo di sintesi di un mRNA dal filamento di DNA è noto come trascrizione e si verifica in modo differenziale tra procarioti ed eucarioti.

L'espressione genica è governata da diversi fattori e dipende dai bisogni di ciascuna cellula. La trascrizione è divisa in tre fasi: iniziazione, allungamento e conclusione.

trascrizione

Il processo di replicazione del DNA, che si verifica in ogni divisione cellulare, copia l'intero cromosoma. Tuttavia, il processo di trascrizione è molto più selettivo, riguarda solo l'elaborazione di segmenti specifici del filamento di DNA e non richiede un primer.

in Escherichia coli -i batteri più studiati nelle scienze biologiche - la trascrizione inizia con lo svolgimento della doppia elica del DNA e si forma il ciclo di trascrizione. L'enzima RNA polimerasi è responsabile della sintesi dell'RNA e, mentre la trascrizione continua, il filamento di DNA ritorna alla sua forma originale.

Iniziazione, allungamento e cessazione

La trascrizione non è iniziata in siti casuali nella molecola del DNA; ci sono siti specializzati per questo fenomeno, chiamati promotori. in E. coli la RNA polimerasi è accoppiata con alcune coppie di basi sopra la regione bersaglio.

Le sequenze in cui i fattori di trascrizione sono accoppiati sono abbastanza conservate tra le diverse specie. Una delle sequenze di promotori più conosciute è la scatola TATA.

In allungamento, l'enzima RNA polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi alla estremità 3'-OH, seguendo la direzione da 5 'a 3'. Il gruppo ossidrile agisce come un nucleofilo, attaccando l'alfa fosfato del nucleotide da aggiungere. Questa reazione rilascia un pirofosfato.

Solo un filamento di DNA viene utilizzato per sintetizzare l'RNA messaggero, che viene copiato nella direzione da 3 'a 5' (la forma antiparallelo del nuovo filamento di RNA). Il nucleotide da aggiungere deve essere conforme all'accoppiamento di base: U accoppiamento con A e G con C.

L'RNA polimerasi arresta il processo quando trova regioni ricche di citosina e guanina. Infine, la nuova molecola di RNA messaggero viene separata dal complesso.

Trascrizione nei procarioti

Nei procarioti, una molecola di RNA messaggero può codificare per più di una proteina.

Quando un mRNA codifica esclusivamente per una proteina o un polipeptide è chiamato mRNA monocistronico, ma se codifica per più di un prodotto proteico l'mRNA è policistronico (si noti che in questo contesto il termine cistron si riferisce al gene).

Trascrizione in eucarioti

Negli organismi eucarioti, la stragrande maggioranza degli mRNA è monocistronica e il meccanismo trascrizionale è molto più complesso in questo lignaggio di organismi. Sono caratterizzati dall'avere tre RNA polimerasi, indicate con I, II e III, ciascuna con funzioni specifiche.

L'Io è responsabile della sintesi del pre-rRNA, II sintetizza gli RNA messaggeri e alcuni RNA speciali. Infine, III è responsabile del trasferimento degli RNA, del ribosomiale 5S e di altri piccoli RNA.

RNA messaggero negli eucarioti

L'RNA messaggero subisce una serie di modifiche specifiche negli eucarioti. Il primo prevede l'aggiunta di un "cap" all'estremità 5 '. Chimicamente, il tappo è un residuo di 7-metilguanosina ancorata all'estremità da un legame del tipo 5 ', 5'-trifosfato.

La funzione di questa zona è quella di proteggere l'RNA dalla possibile degradazione da parte delle ribonucleasi (enzimi che degradano l'RNA in componenti più piccoli).

Inoltre, si verifica la rimozione dell'estremità 3 'e vengono aggiunti da 80 a 250 residui di adenina. Questa struttura è conosciuta come "coda" di poliA e funge da zona di legame per diverse proteine. Quando un procariote acquisisce una coda di poliA tende a stimolarne la degradazione.

D'altra parte, questo messenger è trascritto con gli introni. Gli introni sono sequenze di DNA che non fanno parte del gene ma "interrompono" la sequenza. Gli introni non sono tradotti e quindi devono essere rimossi dal messenger.

La maggior parte dei geni dei vertebrati ha introni, ad eccezione dei geni che codificano per gli istoni. Allo stesso modo, il numero di introni in un gene può variare da poche a dozzine di questi.

splicing di RNA

Il splicing RNA o processo di splicing comporta la rimozione di introni nell'RNA messaggero.

Alcuni introni trovati nei geni nucleari o mitocondriali possono eseguire il processo di splicing senza l'aiuto di enzimi o ATP. Invece, il processo viene eseguito da reazioni di transesterificazione. Questo meccanismo è stato scoperto nel protozoo ciliato Tetrahymena thermophila.

Al contrario, c'è un altro gruppo di messaggeri che non sono in grado di mediare il proprio splicing, quindi hanno bisogno di macchinari aggiuntivi. Un numero molto elevato di geni nucleari appartiene a questo gruppo.

Il processo di splicing è mediato da un complesso proteico chiamato spiceosoma o complesso di splicing. Il sistema è composto da complessi di RNA specializzati chiamati piccole ribonucleoproteine ​​nucleari (RNP).

Esistono cinque tipi di RNP: U1, U2, U4, U5 e U6, che si trovano nel nucleo e mediano il processo di splicing.

il splicing può produrre più di un tipo di proteina - questo è noto come splicing alternativa-, poiché gli esoni sono organizzati in modo diverso, creando varietà di RNA messaggero.

RNA ribosomiale

L'RNA ribosomiale, rRNA abbreviato, si trova nei ribosomi e partecipa alla biosintesi delle proteine. Pertanto, è un componente essenziale di tutte le cellule.

L'RNA ribosomiale è associato a molecole proteiche (circa 100) per dare origine a presubolarità ribosomiale. Sono classificati in base al loro coefficiente di sedimentazione, indicato dalla lettera S delle unità di Svedberg.

Un ribosoma è costituito da due parti: la subunità maggiore e la subunità minore. Entrambe le subunità differiscono tra procarioti ed eucarioti in termini di coefficiente di sedimentazione.

I procarioti possiedono una grande subunità 50S e una piccola subunità 30S, mentre negli eucarioti la grande subunità è 60S e la piccola subunità 40S.

I geni che codificano per l'RNA ribosomale sono nel nucleolo, una particolare area del nucleo che non è delimitata da una membrana. RNA ribosomiale sono trascritti in questa regione da RNA polimerasi I.

Nelle cellule che sintetizzano grandi quantità di proteine; il nucleolo è una struttura prominente. Tuttavia, quando la cellula in questione non richiede un numero elevato di prodotti proteici, il nucleolo è una struttura quasi impercettibile.

Elaborazione dell'RNA ribosomiale

La grande subunità ribosomiale 60S è associata ai frammenti 28S e 5.8S. Per quanto riguarda la subunità piccola (40S), è associata a 18S.

Negli eucarioti superiori, il pre-rRNA è codificato in un'unità trascrizionale di 45S, che coinvolge l'RNA polimerasi I. Questo trascritto viene elaborato negli RNA ribosomali maturi 28S, 18S e 5.8S.

Mentre la sintesi continua, il pre-rRNA è associato a diverse proteine ​​e forma particelle di ribonucleoproteina. Questo subisce una serie di successive modifiche che includono la metilazione del gruppo 2'-OH di ribosio e la conversione dei residui di uridina in pseudouridina.

La regione in cui si verificano questi cambiamenti è controllata da più di 150 piccole molecole di RNA nucleolare, che hanno la capacità di legarsi al pre-rRNA.

Contrariamente al resto del pre-rRNA, 5S è trascritto dalla RNA polimerasi III nel nucleoplasma e non all'interno del nucleolo. Dopo essere stato sintetizzato, viene portato al nucleolo per assemblare con il 28S e il 5.8S, formando le unità ribosomali.

Alla fine del processo di assemblaggio, le subunità vengono trasferite al citoplasma dai pori nucleari.

poliribosomi

Può succedere che una molecola di RNA messaggero dia origine a diverse proteine ​​contemporaneamente, unendosi a più di un ribosoma. Mentre il processo di traduzione progredisce, la fine del messaggero è libera e può essere ripresa da un altro ribosoma, iniziando una nuova sintesi.

Pertanto, è comune trovare i ribosomi raggruppati (tra 3 e 10) in una singola molecola di RNA messaggero, e questo gruppo è chiamato polyribosome.

Trasferire l'RNA

L'RNA di trasferimento è responsabile del trasferimento degli amminoacidi mentre progredisce il processo di sintesi proteica. Sono composti da circa 80 nucleotidi (rispetto all'RNA messaggero, è una "piccola" molecola).

La struttura ha pieghe e croci che assomigliano a un trifoglio a tre braccia. Un anello adenilico si trova ad una estremità, dove il gruppo ossidrile del ribosio media l'unione con l'amminoacido da trasportare.

I diversi RNA di trasferimento sono combinati esclusivamente con uno dei venti amminoacidi che formano le proteine; in altre parole, è il veicolo che trasporta gli elementi costitutivi fondamentali delle proteine. Il complesso di RNA di trasferimento insieme con l'amminoacido è chiamato aminoacil-tRNA.

Inoltre, nel processo di traduzione - che avviene grazie ai ribosomi - ogni RNA di trasferimento riconosce un codone specifico nell'RNA messaggero. Quando viene riconosciuto, l'amminoacido corrispondente viene rilasciato e diventa parte del peptide sintetizzato.

Per riconoscere il tipo di amminoacido che deve essere erogato, l'RNA ha un "anticodone" situato nella regione mediana della molecola.Questo anticodone è in grado di formare legami idrogeno con le basi complementari presenti nel DNA messaggero.

MicroRNA

I microRNA o gli mRNA sono un tipo corto di RNA a filamento singolo, tra 21 e 23 nucleotidi, la cui funzione è quella di regolare l'espressione dei geni. Poiché non si traduce in proteine, viene solitamente chiamato RNA non codificante.

Come gli altri tipi di RNA, l'elaborazione dei microRNA è complessa e coinvolge una serie di proteine.

I microRNA derivano da precursori più lunghi chiamati mRNA-pri, derivati ​​dalla prima trascrizione del gene. Nel nucleo della cellula, questi precursori sono modificati nel complesso del microprocessore e il risultato è un pre-miRNA.

I pre-mRNA sono forcelle di 70 nucleotidi che continuano la loro elaborazione nel citoplasma da un enzima chiamato Dicer, che assembla il complesso di silenziamento indotto da RNA (RISC) e infine l'mRNA è sintetizzato.

Questi RNA sono in grado di regolare l'espressione dei geni, in quanto complementari a specifici RNA messaggeri. Quando sono accoppiati al suo obiettivo, i miRNA sono in grado di reprimere il messaggero o addirittura di degradarlo. Di conseguenza, il ribosoma non può tradurre detta trascrizione.

Silenziamento dell'RNA

Un particolare tipo di microRNA è un piccolo RNA interferente (siRNA), chiamato anche silenziamento dell'RNA. Sono RNA corti, tra 20 e 25 nucleotidi, che ostacolano l'espressione di determinati geni.

Sono strumenti molto promettenti per la ricerca, poiché consentono di silenziare un gene di interesse e quindi di studiarne la possibile funzione.

Differenze tra DNA e RNA

Sebbene il DNA e l'RNA siano acidi nucleici e possano sembrare molto simili a prima vista, differiscono in molte delle loro proprietà chimiche e strutturali. Il DNA è una molecola a doppia banda, mentre l'RNA è una banda semplice.

Pertanto, l'RNA è una molecola più versatile e può adottare una grande varietà di forme tridimensionali. Tuttavia, alcuni virus hanno un RNA a doppio filamento nel loro materiale genetico.

Nei nucleotidi di RNA la molecola di zucchero è un ribosio, mentre nel DNA è un desossiribosio, che differisce solo per la presenza di un atomo di ossigeno.

Il legame fosfodiestere nello scheletro di DNA e RNA è soggetto a subire un processo di lenta idrolisi e senza la presenza di enzimi. In condizioni di alcalinità, l'RNA si idrolizza rapidamente, grazie al gruppo idrossile in più, mentre il DNA no.

Allo stesso modo, le basi azotate che costituiscono i nucleotidi nel DNA sono guanina, adenina, timina e citosina; D'altra parte, la timina è sostituita da uracile in RNA. L'uracile può essere associato all'adenina, allo stesso modo della timina nel DNA.

Origine ed evoluzione

L'RNA è l'unica molecola conosciuta in grado di immagazzinare informazioni e catalizzare allo stesso tempo reazioni chimiche; Pertanto, diversi autori propongono che la molecola di RNA fosse cruciale all'origine della vita. Sorprendentemente, i substrati dei ribosomi sono altre molecole di RNA.

La scoperta dei ribozimi portò alla ridefinizione biochimica dell '"enzima" - perché il termine era usato esclusivamente per le proteine ​​con attività catalitica - e contribuì a sostenere uno scenario in cui le prime forme di vita usavano solo l'RNA come materiale genetico.

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