Ácido ribonucleico

O ácido ribonucleico ou ARN (RNA nas súas siglas en inglés) é un tipo de ácido nucleico, unha molécula polimérica lineal formada por unidades menores chamadas nucleótidos. Intervén en varias funcións biolóxicas importantes como a codificación xenética, e a descodificación durante a tradución de proteínas, regulación e expresión dos xenes. É unha das macromoléculas esenciais para a vida, xunto co ADN, as proteínas, os lípidos e os carbohidratos. Igual que o ADN, o ARN está formado por unha cadea de nucleótidos, pero a diferenza do ADN, que forma unha dobre hélice bicatenaria, a maioría dos ARNs son monocatenarios, aínda que se poden pregar sobre si mesmos. Os organismos celulares usan o ARN mensaxeiro (ARNm) para levar ao ribosoma a información xenética (utilizando a secuencia das bases G, A, U, e C que significan guanina, adenina, uracilo e citosina), onde dirixirá a síntese de proteínas específicas. A base uracilo é característica do ARN (o ADN no seu lugar ten timina). Os nucleótidos do ARN levan o azucre ribosa, o que lle dá o seu nome (ribosa > ribonucleico), a diferenza do ADN que leva desoxirribosa. O ARN transcríbese a partir do ADN pola acción de encimas chamados ARN polimerases.
Algunhas moléculas de ARN teñen un papel moi activo nas células, xa que poden catalizar reaccións biolóxicas, controlar a expresión xénica, ou percibir e comunicar respostas a sinais celulares. Un destes activos procesos é a síntese de proteínas, unha función universal fundamental na que interveñen varios tipos de ARN: o ARNm leva a información de como ten que ser a secuencia da proteína, o ARNt leva os aminoácidos necesarios, e o ARNr é parte constituínte do orgánulo onde se realiza a síntese, o ribosoma, e ten unha actividade catalítica que une os aminoácidos entre si. Os ribozimas son ARNs con función encimática. Moitos virus codifican a súa información xenética nun xenoma de ARN. Comparación co ADN
A estrutura química do ARN é moi similar á do ADN, pero diferénciase en cinco puntos principais: Número de cadeas. A diferenza do ADN, que normalmente é bicatenario, o ARN normalmente é monocatenario na maioría das súas funcións biolóxicas. Porén, o ARN pode, por apareamento de bases complementarias, formar dobres hélices nunha mesma febra, como no ARNt. Hai tamén algúns ARN bicatenarios (en virus).
Lonxitude. O ARN é unha molécula máis curta: de decenas (ARNt) a miles de pares de bases (ARNm), mentres que o ADN nuclear ten millóns.
Azucre. En vez do azucre desoxirribosa que ten o ADN, o ARN contén ribosa, a cal ten un grupo OH unido ao carbono 2', que non existe na desoxirribosa. O grupo 2'-hidroxilo da ribosa fai que o ARN sexa menos estable que o ADN porque é máis proclive á hidrólise. Bases. O ADN ten a base nitroxenada timina, que é a complementaria da adenina, pero o ARN non ten timina senón uracilo, que funciona como base complementaria da adenina. O uracilo é unha forma non metilada da timina. A síntese de uracilo é menos custosa enerxeticamente para os organismos vivos que a timina, xa que necesita unha etapa de síntese menos, que é a metilación pola timidilato sintase. A presenza de timina no ADN permite que a célula detecte as lesións espontáneas da citosina, que é sensible á oxidación. A desaminación espontánea da citosina en presenza de oxíxeno converte esta última en uracilo. A presenza de U no ADN é anormal, porque nel a base complementaria de A é T. Grazas a esta distinción entre a timina e o uracilo por medio do grupo metilo, o sistema de reparación por escisión de base pode detectar e corrixir o defecto no ADN. No ARN a desaminación das citosinas produce uracilos e non é reparada. O ARN ten unha duración moito máis curta que o ADN, xa que é degradado como media en 1 minuto e reciclado. Estrutura. O ARN non ten a estrutura en dobre hélice do ADN. Igual que o ADN, a maioría dos ARNs bioloxicamente activos, como o ARNm, ARNt, ARNr, ARN nuclear pequeno, e outros ARNs non codificantes, conteñen secuencias autocomplementarias que permiten que partes dunha mesma molécula de ARN se preguen e se apareen entre elas para formar tramos de dobre hélice. As análises destes ARNs revelaron que están moi estruturados. A diferenza do ADN, as súas estruturas non consisten en longas dobres hélices, senón en conxuntos de hélices curtas empaquetadas xuntas en estruturas que lembran ás das proteínas. Desta maneira o ARN pode conseguir realizar catálises químicas, similares ás dos encimas proteicos. Por exemplo, a determinación da estrutura do ribosoma, un complexo con actividades encimáticas que cataliza a formación de enlaces peptídicos, revelou que o seu sitio activo está composto enteiramente por ARN, a pesar de que no ribosoma hai tamén moitas proteínas asociadas. Compoñentes químicos
Cada nucleótido do ARN contén un azucre ribosa, no que os carbonos se numeran do 1' ao 5', unha base unida á posición 1', en xeral, adenina (A), citosina (C), guanina (G), ou uracilo (U) (ás veces aparecen bases especiais), e un fosfato. A adenina e a guanina son purinas, e a citosina e o uracilo son pirimidinas. Complétase o ribonucleótido cun grupo fosfato unido á psoición 3' dunha ribosa e á posición 5' da seguinte, establecendo un enlace fosfodiéster. Os grupos fosfato teñen unha carga negativa a pH fisiolóxico, facendo que o ARN sexa unha molécula cargada (polianión). As bases forman enlaces de hidróxeno entre as bases enfrontadas citosina e guanina, e entre a adenina e o uracilo, e ás veces o apareamento cambaleante entre a guanina e o uracilo. Porén, son posibles outras interaccións, como que un grupo de bases adeninas se unan entre si nunha protuberancia,
ou o tetrabucle GNRA, que ten o apareamento guanina–adenina. Unha importante característica estrutural do ARN que o distingue do ADN é a presenza dun grupo hidroxilo na posición 2' do azucre ribosa. A presenza deste grupo funcional causa que a hélice adopte a xeometría da forma A en vez da da forma B, que é a que normalmente se observa no ADN. Isto orixina a formación dun suco maior moi profundo e estreito e un suco menor largo e pouco profundo. Unha segunda consecuencia da presenza do grupo 2'-hidroxilo é que en rexións flexibles conformacionalmente dunha molécula de ARN (é dicir, non implicadas na formación da dobre hélice), este pode atacar quimicamente o enlace fosfodiéster adxacente e cortar a molécula. Para transcribir o ARN utilízanse só catro bases (adenina, citosina, guanina e uracilo), pero estas bases e os azucres unidos a elas poden ser modificados de numerosas maneiras durante a maduración dos ARNs. A pseudouridina (Ψ), na cal o enlace entre o uracilo e a ribosa cambia dun enlace C–N a un enlace C–C, e a ribotimidina (T, unha timina unida a ribosa) poden encontrarse en varios sitios nos ARNs (o máis notable é o bucle TΨC dos ARNts). Outra base modificada importante é a hipoxantina, que é unha adenina desaminada cuxo nucleósido se chama inosina (I). A inosina xoga un papel clave na hipótese do cambaleo do código xenético.
Hai máis de 100 nucleósidos modificados que aparecen na natureza, A maior diversidade estrutural de modificacións atópase no ARNt, mentres que a pseudouridina e os nucleósidos con 2'-O-metilribosa están a miúdo presentes no ARNr. As funcións específicas de moitas destas modificacións do ARN non se comprenden totalmente. Con todo, é importante que, no ARN ribosómico, moitas das modificacións postranscricionais ocorren en rexións altamente funcionais, como no centro da peptidil transferase e a interface entre as subunidades, o que implica que son importantes para o funcionamento normal.
Estereoquímica
A presenza do OH no carbono 2' da ribosa orixina diferenzas estereoquímics con respecto ao ARN. Poden formarse dous confórmeros principais do azucre, chamados C2′-endo e C3′-endo. No ARN, ao levar un átomo de oxíxeno no carbono 2', a posición privilexiada é a 3'-endo, , o que modifica profundamente a estrutura das dobres hélices entre febras de ARN nos casos en que estas se forman. Estes dúplex de ARN forman unha hélice de tipo A, diferente da observada normalmente no ADN, que é de tipo B, na que a desoxirribosa está en conformación C2′-endo.
O enantiómero que aparece na natureza do ARN é o D-ARN composto de D-ribonucleótidos. Todos os centros quirais están localizados na D-ribosa. Non obstante, pode sintetizarse L-ARN utilizando L-ribosa ou máis ben L-ribonucleótidos. O L-ARN é moito máis estable ante a degradación por RNase. Estrutura
Estrutura secundaria
A estrutura secundaria dun ARN é a descrición do conxunto de apareamentos de bases internos dentro dunha mesma molécula monocatenaria de ARN. . Este conxunto de apareamentos inducido por unha topoloxía particular, está composto de rexións en hélice (talos) e rexións non apareadas (bucles). Por extensión, a estrutura secundaria comprende tamén a descrición desta topoloxía.
A formación de estruturas secundarias nun ARN monocatenario orixínase pola existencia de rexións que conteñen secuencias palindrómicas, que poden aparearse para formar localmente unha estrutura en dobre hélice. Por exemplo, se o ARN contén as dúas secuencias seguintes: --GUGCCACG------CGUGGCAC--, estas forman unha secuencia palindrómica, porque os nucleótidos do segundo segmento son complementarios dos do primeiro, despois da inversión do seu sentido de lectura; estes dous segmentos poden entón aparearse de maneira antiparalela para formar unha rexión localmente en dúplex. A rexión entre os dous segmentos forma un bucle que une as dúas febras apareadas, e a zona apareada forma un talo. Fálase entón de estrutura en forquita ou en talo-bucle. Nos ARNs de maior lonxitude, poden existir estruturas máis complexas que se orixinan polo apareamento de varaias rexións complementarias ou secuencias palindrómicas. En función do xeito no que son "encaixadas" estas diferentes rexións, obtéñense elementos topolóxicos variados, con talos de rexións apareadas e diversos tipos de bucles, como son: bucles terminais, situados no extremo dun talo;
bucles internos, que conectan dous talos;
bucles múltiples, que conectan tres talos ou máis e constitúen os puntos de ramificación da estrutura;
protuberancias ou bucles laterais, que están situados sobre unha soa das febras da hélice. A continuidade da hélice en xeral non está afectada e as bases quedan colocadas unha enriba da outra de maneira coaxial, a un lado e outro da protuberancia.
Non sempre existe unha estrutura estable única para unha secuencia dada e ocorre que certos ARN poden adoptar varias conformacións alternativas en función da unión dun ligando (proteico ou pequena molécula) ou das condicións físico-químicas (forza iónica, pH). En xeral pódese seguir a evolución da formación ou a "fusión" (separación das febras) da estrutura secundaria dun ARN por medicións espectroscópicas. Por exemplo, a absorción ultravioleta das bases do ARN é maior no estado "fundido" que en dobre hélice (hipercromatismo).
Estrutura terciaria
A forma funcional das moléculas de ARN monocatenario, igual que ocorre coas proteínas, con frecuencia require que adopten unha estrutura terciaria específica. O armazón para esta estrutura proporciónano elementos da estrutura secundaria que son os enlaces de hidróxeno dentro da molécula. Isto orixina varios "dominios" estruturais recoñecibles de estrutura secundaria como bucles en forquita, protuberancias, e bucles internos. Como o ARN é unha molécula cargada, son necesarios ións metálicos como o Mg2+ para estabilizar moitas estruturas secundarias e terciarias.
Os apareamentos canónicos ou non canónicos poden intervir entre rexións distantes da estrutura secundaria, localizadas a miúdo nos bucles, o que permite estabilizar un pregsamento compacto da estrutura. Ademais dos apareamentos de Watson e Crick canónicos, poden atoparse tamén apareamentos de Hoogsteen e outros. .
Entre as interaccións non canónicas a gran distancia están: pseudonós, estruturas formadas pola interacción dun bucle cunha rexión situada no exterior do talo que a delimita;
tríplex (de tres febras), que se orixinan cando unha rexión de febra simple se nsire no suco maior dunha rexión en hélice;
interaccións tetrabucle-receptor: interaccións entre bucles hiperestables de catro nucleótidos (tetrabucles) e estruturas en dúplex ou quasi-dúplex.
Dobre hélice do ARN
A hélice que adopta o ARN naqueles casos en que forma un dúplex non é a de tipo B do ADN, senón unha hélice de tipo A, que ten propiedades xeométricas bastante diferentes. O número de pares de bases no paso de rosca da hélice é de 11 (no ADN B son 10). O plano dos pares de bases non é perpendicular ao eixe da hélice, senón que forma un ángulo duns 75° con este. Isto dá lugar a un desprazamento do eixe da hélice que xa non pasa polo centro do apareamento de bases, senón polo interior do suco maior. Isto induce un aumento do diámetro da hélice que pasa de ter uns 20 Å no ADN B a uns 26 Å na forma A do ARN. A xeometría dos dous sucos está profundamente afectada: o suco menor faise máis accesible, mentres que o suco maior faise máis profundo e estreito. Isto ten un impacto sobre a maneira na que o ARN dúplex pode interaccionar coas proteínas, porque a estreitura do suco maior é unha barreira á accesibilidade dos ligandos proteicos. . Fluxo da información xenética
O material xenético das células encóntrase en forma de ADN. Dentro das moléculas de ADN encóntrase a información necesaria para sintetizar as proteínas que utiliza o organismo; pero o ADN non se traduce directamente en proteínas, senón que o fai por intermediación do ARNm.
Nas células eucariotas o ADN encóntrase encerrado no núcleo. A síntese de ADN faise no núcleo, así como tamén a síntese de ARN (tamén en mitocondrias e cloroplastos), pero a síntese de proteínas acontece no citoplasma. O mecanismo polo cal a información se transvasa dende o núcleo celular ao citoplasma é mediante a trascrición do ARN a partir do ADN, a maduración do ARN no núcleo (na que sofre modificacións), o seu transporte ao citoplasma e a tradución de proteínas nos ribosomas do citoplasma a partir de ARN.
Durante este fluxo de información xenética prodúcense apareamentos complementarios de bases entre o ARN e o ADN durante a transcrición, e durante a tradución entre os codóns do ARNm e os anticodóns do ARNt. Entre dous ARNs (ou entre partes apareadas dunha mesma molécula de ARN) os apareamentos normais son A-U, G-C. No caso da transcrición a complementariedade é: Uracilo (U) do ARN con Adenina (A) do ADN
Adenina (A) do ARN con Timina (T) do ADN
Citosina (C) con Guanina (G) (en ambos) Síntese
A síntese do ARN faise case sempre na natureza a partir dun molde de ADN, catalizada por un encima ARN polimerase, que usa o ADN como molde, nun proceso denominado transcrición. A iniciación da transcrición empeza coa unión do encima á secuencia do promotor presente no ADN (xeralmente "augas arriba" do xene). A dobre hélice do ADN é desenrolada pola actividade de helicase do encima. O encima despois progresa ao longo da febra molde do ADN en dirección 3’-5’, sintetizando unha molécula de ARN complementaria que se elonga en dirección 5’-3’. Unha secuencia de ADN, o terminador, indica onde terá lugar a terminación da síntese de ARN.
O transcrito primario de ARN xeralmente debe ser ulteriormente modificado por encimas despois da transcrición (ver a seguinte sección).
Existen tamén varias ARN polimerases ARN dependentes que usan o ARN como o seu molde para a síntese dunha nova febra de ARN. Por exemplo, un número de virus de ARN (como os poliovirus) usan este tipo de encima para replicar o seu material xenético. Ademais, a ARN polimerase ARN dependente forma parte da vía de interferencia de ARN en moitos organismos.
Maduración
A maduración dos ARN comprende un conxunto de modificacións postranscricionais principalmente observadas en eucariotas que son moi importantes para obter un ARN maduro funcional. Estas modificacións sófrenas os diversos tipos de ARN. No caso dos pre-ARNm as principais modificacións son a unión dunha carapucha 5' nun dos extremos e dunha cola poliA (poliadenilación) no 3′, e o splicing ou empalme na parte central, realizado polo espliceosoma, durante o que se eliminan os intróns. Poden introducirse tamén modificacións químicas ao nivel da base ou da ribosa e pode haber unha edición do ARN.
Nas bacterias e en certas mitocondrias, a poliadenilación dos ARN é, ao contrario, un sinal para a degradación. .
Nucléotidos modificados
Despois da súa transcrición poloa ARN polimerase, certos ARN sofren modificacións químicas pola acción de encimas específicos. Os principais ARNs que sofren estas modificacións son os ARNt e os ARNr. Poderíase considerar que as metilacións que se realizan durante a formación da carapucha 5' son tamén modificacións de nucléotidos particulares. As modificacións poden producirse nas bases ou na ribosa. As principais modificacións que se producen son as seguintes: na ribosa pode haber 2'-O-metilacións na posición 2′-OH;
na base nitroxenada:
isomerización das uridinas, que se converten en pseudouridinas; ,
metilacións, en átomos de carbono (ribotimidina), ou de nitróxeno (7-metilguanosina. .. );
redución, que transforma as uridinas en dihidrouridinas;
tiolacións;
modificacións máis complexas (prenilación, treonil-carbamoilación. .. ).
Nos ARNt, a introdución de nucleótidos modificados contribúe a aumentar a estabilidade das moléculas.
Edición
A edición dos ARN consiste nunha modificación da secuencia do ARN posterior á transcrición. Despois da edición a secuencia do ARN é diferente da (que correspondería por complementariedade) do ADN. A edición pode consistir en insercións, delecións, e substitucións de bases de nucleótidos na molécula de ARN. Estas modificacións son efectuadas por encimas que actúan sobre o ARN. Tipos de ARN
O ARN mensaxeiro (ARNm) é o ARN que leva a información do ADN ao ribosoma, aos sitios de síntese de proteínas (tradución) da célula (ribosomas). A secuencia codificante formada polos codóns do ARNm determina a secuencia de aminoácidos da proteína que se vai producir. Porén, moitos ARNs non codifican proteínas (un 97% dos ARNs transcritos son ARN non codificante en eucariotas).
Este ARN non codificante ("ARNnc") pode estar directamente codificado polos seus propios xenes (xenes de ARN), pero pode tamén derivar de intróns que formaban parte de ARNms. Os exemplos máis importantes de ARNs non codficantes son o ARN transferente (ARNt) e o ARN ribosómico (ARNr), que están ambos implicados no proceso de tradución de proteínas. Hai tamén ARNs non codificantes implicados na regulación xénica, o procesamento do ARN e outros papeis. Certos ARNs poden catalizar reaccións químicas como cortar e ligar outras moléculas de ARN, e catalizar a formación de enlaces peptídicos no ribosoma, o que é unha actividade similar á dos encimas proteicos; estes ARN denomínanse ribozimas.
Principais tipos de ARN
ARN mensaxeiro.
ARN non codificante
ARN de transferencia.
ARN ribosómico.
ARN nuclear pequeno (snRNA).
ARN nucleolar pequeno (snoRNA).
ARN interferente:
microARN.
ARN interferente pequeno (siRNA).
ARN que interacciona con piwi (piRNA).
ARN transferente-mensaxeiro (en bacterias, mitocondrias e cloroplastos)
Na tradución
O ARN mensaxeiro (ARNm) leva información sobre a secuencia dunha proteína aos ribosomas, que son as fábricas onde se realiza a síntese proteica na célula. O ARNm está codificado de modo que cada tres nucleótidos do ARN (o que se chama codón) corresponda a un aminoácido da proteína. Nas células eucariotas, un ARNm precursor (pre-ARNm) que foi transcrito do ADN, é procesado orixinando un ARNm maduro. Durante esta maduración elimínanse os intróns, que son segmentos non codificantes que están intercalados na molécula do pre-ARNm. Durante a maduración tamén se modifican os dous extremos do ARNm (poliadenilación e adición da carapucha 5'). O ARNm é despois exportado desde o núcleo ao citoplasma, onde se une a un ribosoma e é traducido na súa proteína correspondente coa axuda do ARNt. En células procariotas, que carecen de núcleo, o ARNm pode unirse por un extremo aos ribosomas antes de que acabe a súa transcrición do ADN polo outro extremo. Despois de pasado un tempo a mensaxe (o ARN) degrádase liberando os nucleótidos que o compoñen coa axuda de encimas ribonucleases.
O ARN de transferencia (ARNt) é unha pequena cadea de ARN duns 80 nucleótidos que transporta un aminoácido específico a unha cadea polipeptídica en crecemento no sitio ribosómico de síntese proteica durante a tradución. Ten unha estrutura con catro brazos (en folla de trevo), que están pregados uns sobre os outros, e ten sitios para a unión do aminoácido e unha rexión anticodón para o recoñecemento do codón do ARN (ambos os dous son complementarios en bases e únense por enlaces de hidróxeno).
O ARN ribosómico (ARNr) forma parte do ribosoma, xunto con diversas proteínas, e é o compoñente catalítico do ribosoma. Os ribosomas eucariotas conteñen catro ARNrs distintos clasificados polo seu coeficiente de sedimentación (S): ARNr de 18S, 5, 8S, 28S e 5S. Tres destes ARNr sintetízanse no nucléolo, e un sintetízase noutras partes do núcleo. No citoplasma o ARNr e diversas proteínas combínanse para formar dous complexos ribonucleoproteicos que son as dúas subunidades do ribosoma, que se unen formando un ribosoma funcional. O ribosoma únese ao ARNm e leva a cabo a síntese de proteínas. Poden unirse varios ribosomas á vez a unha soa molécula de ARNm, formando un polisoma. A gran maioría do ARN que se encontra nunha célula eucariota típica é ARNr.
En moitas bacterias e plastos atópase un ARN especial chamado ARN transferente-mensaxeiro (ARNtm). Este ARN etiqueta as proteínas codificadas por ARNms que carecen de codóns de parada para que sexan degradados e impide que o ribosoma quede atascado.
ARNs reguladores
Varios tipos de ARN poden regular á baixa a expresión xénica ao ser complementarios dunha parte dun ARNm ou dun xene do ADN. Os microARNs (miARN; de 21-22 nt) atópanse en eucariotas e actúan por medio de interferencia de ARN (RNAi), na que un complexo efector de miARN e encimas poden clivar un ARNm complementario, bloquear a tradución do ARNm, ou acelerar a súa degradación.
Aínda que a miúdo se producen ARNs interferentes pequenos (siRNA; de 20-25 nt) pola degradación do ARN viral, hai tamén fontes endóxenas destes siRNAs, que son producidos de forma natural normal pola célula. Os ARN interferentes pequenos actúan por medio de interferencia de ARN dun modo similar aos miARNs. Algúns miARNs e siRNAs poden causar que os seus xenes diana sexan metilados, facendo que así diminúa ou aumente a transcrición de ditos xenes. Os animais teñen tamén ARNs que interaccionan con piwi (piRNA; de 29-30 nt) que son activos nas células da liña xerminal e crese que son unha defensa contra os transposóns e xogan un papel na gametoxénese.
Moitos procariotas teñen ARNs CRISPR, un sistema regulatorio similar á interferencia de ARN. Os ARNs antisentido están moi estendidos; a maioría regulan á baixa un xene, pero uns poucos son activadores da transcrición. Un modo en que poden actuar os ARN antisentido é mediante a súa unión ao ARNm, formando un ARN de dobre cadea, que é degradado encimaticamente. Hai moitos ARNs non codificantes longos que regulan xenes en eucariotas, un deles é Xist, que recobre un dos cromosomas X nas femias de mamífero e o inactiva.
Un ARNm pode conter na propia molécula elementos regulatorios, como riboswitches, nas súas rexións non traducidas 5'UTR ou 3'UTR; estes elementos cis reguladores regulan a actividade do ARNm. As rexións non traducidas (UTR) poden conter tamén elementos que regulan outros xenes.
Procesamento do ARN
Moitos ARNs teñen a función de modificar outros ARNs.
Os ARNm eucariotas teñen intróns antes da súa maduración. Os intróns son eliminados por splicing dos pre-ARNm polos espliceosomas, que conteñen varios ARNs nucleares pequenos (snRNA), ou outras veces os intróns poden ser ribozimas que realizan o splicing eles mesmos.
O ARN pode tamén ser alterado modificando os seus nucleótidos a outros distintos dos habituais A, C, G e U.
En eucariotas, as modificacións dos nucleótidos do ARN son en xeral dirixidas por ARNs nucleolares pequenos (snoRNA; 60-300 nt), que se encontran no nucléolo e nos corpos de Cajal. Os ARNs nucleolares pequenos asócianse con encimas e guíanos a un lugar no ARN e únense por apareamento de bases con el. Estes encimas despois realizan a modificación do nucleótido. Os ARN ribosómicos e ARN transferentes son amplamente modificados, pero os ARN nucleares pequenos e os ARN mensaxeiros poden tamén sufrir este tipo de modificación de bases. O ARN tamén pode ser metilado.
Outros ARNs guías
Mencionamos no apartado anterior que varios tipos de ARN que interveñen no splicing ou na interferencia poden guiar moléculas a zonas do ADN ou doutros ARNs específicas coas que son complementarios. Ademais dos mencionados, nesta función de guía están tamén: TERC (compoñente de ARN da telomerase), que é a subunidade de ARN do encima telomerase: este ARN estruturado está asociado ao encima de tipo transcriptase inversa que sintetiza os telómeros (extremos dos cromosomas). Contén unha secuencia que serve de substrato á telomerase para sintetizar o ADN telomérico de secuencia complementaria. . Por tanto, guía a actividade do encima, e ademais serve de molde (en lugar de aparearse co substrato).
lincARN, que son grandes ARNs interxénicos non codificantes presentes nos mamíferos, que son transcritos (igual que o ARNm) pola ARN polimerase II. A súa gran lonxitude permítelles adoptar unha estrutura tridimensional complexa. Estas estruturas permiten a súa interacción con diferentes cofactores transcricionais como o hnRNP-K ou o PRC2 (principalmente inhibidores da transcrición). Estes complexos son despois guiados grazas aos lincARN ás secuencias reguladoras dos xenes para inhibir a súa expresión. A ligazón dos lincARN co ADN implica un apareamento de bases ARN-ADN despois de que se abra a dobre hélice do ADN. .
ARNs catalíticos (ribozimas)
Desde a década de 1980 sábese que o ARN pode ter capacidades encimáticas. Os primeiro descubríronos Thomas Cech e Sidney Altman estudando o protozoo Tetrahymena (que ten un intrón con autosplicing) e a ribonuclease P (que intervén na maduración do ARNt), respectivamente, polo que foron recompensados co premio Nobel de Química de 1989.
Nestes dous casos o ARN por si só pode catalizar unha reacción de clivaxe (corte) ou de transesterificación específica en ausencia de proteína, do mesmo modo que o faría un encima proteico. Estes ARNs catalíticos denomínanse ribozimas. En xeral, a actividade dos ribozimas depende da súa estrutura tridimensional específica, mediante a cal poden recoñecer o substrato e catalizar a reacción nunha zona da molécula. Posteriormente descubríronse outros ribozimas naturais, como: ribozimas de viroides e virus satélites (autoclivaxe), o ribosoma (na súa actividade de peptidil-transferase e de descodificación, que ocorren en zonas formadas só por ARN), o espliceosoma (cataliza o splicing do ARNm porque ten actividade riboenzimática), certos riboswitches (rexións dos ARNm con capacidade de cortar moléculas en presenza dun ligando), , e mesmo hai ribozimas sintéticos (obtidos pola técnica SELEX, chamados aptámeros, que poden realizar unha reacción determinada desexada).
Xenomas de ARN
Igual que fai o ADN, o ARN tamén pode almacenar información xenética. Os virus de ARN teñen xenomas compostos de ARN que codifica varias proteínas. Algunhas destas proteínas replican o xenoma viral, mentres que outras protexen o xenoma (cunha cápside) cando a partícula vírica se move dunha célula hóspede a outra. Os viroides son outro grupo de patóxenos de plantas parecidos a virus, pero que consisten só en ARN (carecen de cápside proteica), que non codifican ningunha proteína e son replicados por unha polimerase da célula hóspede da planta.
Reversotranscrición
Os virus con reversotranscrición replican os seus xenomas producindo copias de ADN reversotranscribindo o seu xenoma de ARN; estas copias de ADN son despois transcritas a un novo ARN. Os retrotransposóns tamén se espallan ao copiaren ADN e ARN un do outro, e a telomerase contén un ARN que se utiliza como molde para construír os extremos dos cromosomas eucariotas.
ARN bicatenario en virus
Os ARN bicatenarios (dsRNA) son ARNs con dúas febras complementarias, similares ao ADN que se encontra en todas as células. Os ARNs bicatenarios forman o material xenético dalgúns virus (virus de ARN bicatenario). O ARN bicatenario como o de certos ARNs virais ou o ARN interferente pequeno poden desencadear a interferencia de ARN en eucariotas, e a resposta ao interferón en vertebrados. Usos terapéuticos e biotecnolóxicos
O ARN é utilizado hoxe nun certo número de aplicacións en bioloxía molecular, en especial grazas ao proceso da interferencia de ARN, que consiste na introdución nas células eucariotas de curtos fragmentos de ARN bicatenario de ARN interferente pequeno, dunha lonxitude duns 20 pares de bases. Estes ARNs van ser utilizados por unha maquinaria celular que pode degradar os ARNm de maneira específica. Só serán degradados os ARNm que conteñan unha secuencia correspondente á do ARN interferente pequeno, o que fai diminuír selectivamente a expresión dunha determinada proteína (a codificada no ARNm). . Este enfoque tecnolóxico é máis simple e rápido que o establecemento de liñas de ratos con xenes inactivados (knock-out) e denomínase knock-down.
Prevese o uso desta técnica con fins terapéuticos, por exemplo dirixíndo os ARNs contra os xenes virais para loitar contra as infeccións, ou os oncoxenes, no caso de cancros. . Porén, cómpre que estes ARN interferentes pequenos sexan estabilizados para evitar a súa degradación polas ribonucleases e dirixir a súa acción contra as células diana concernidas. Historia
A investigación sobre o ARN levou a facer moitos importantes descubrimentos biolóxicos e mereceu varios premios Nobel. Os ácidos nucleicos foron descubertos en 1868 por Friedrich Miescher, que chamou a este material "nucleína", xa que o atopou no núcleo celular. Descubriuse despois que as células procariotas, que carecen de núcleo, tamén contiñan ácidos nucleicos. Sospeitábase que o ARN xogaba un papel na síntese de proteínas xa en 1939. Severo Ochoa gañou en 1959 o Premio Nobel de Medicina (compartido con Arthur Kornberg) polo seu descubrimento dun encima que pode sintetizar ARN no laboratorio. Porén, o encima descuberto por Ochoa (a polinucleótido fosforilase) viuse máis tarde que era responsable da degradación do ARN nas células, e non da súa síntese. En 1956 Alex Rich e David Davies hibridaron dúas febras separadas de ARN para formar o primeiro cristal obtido de ARN cuxa estrutura podía determinarse por cristalografía de raios X.
En 1965, Robert W. Holley obtivo a secuencia de 77 nucleótidos dun ARNt de lévedo, polo que recibiu en 1968 o Premio Nobel de Medicina (compartido con Har Gobind Khorana e Marshall Nirenberg).
En 1967, Carl Woese hipotetizou que o ARN podería ser catalítico e suxeriu que as formas de vida máis primordiais da Terra primitiva (moléculas autorreplicantes) poderían depender do ARN tanto para almacenar a información xenética coma para catalizar reaccións bioquímicas, o que se chama hipótese do mundo de ARN.
A inicios da década de 1970, descubríronse os retrovirus e a transcriptase inversa, demostrando por primeira vez que os encimas podían facer copias de ADN a partir dun molde de ARN (o contrario do fluxo de transmisión da información xenética normal). Por estes traballos, David Baltimore, Renato Dulbecco e Howard Temin recibiron o Premio Nobel en 1975.
En 1976, Walter Fiers e o seu equipo determinaron a primeira secuencia nucleotídica completa dun xenoma de virus de ARN, que era o do bacteriófago MS2.
En 1977, descubríronse os intróns e o splicing de ARN en virus de mamíferos e en xenes celulares, o que supuxo que en 1993 Philip Sharp e Richard Roberts fosen galardoados co Premio Nobel.
As moléculas de ARN catalíticas (ribozimas) foron descubertas a inicios da década de 1980, polo cal recibiron o Premio Nobel de 1989 Thomas Cech e Sidney Altman. En 1990, descubriuse que en Petunia xenes introducidos podían silenciar xenes similares da propia planta, o que hoxe sabemos se debía a interferencia de ARN.
A aproximadamente o mesmo tempo, atopáronse uns ARNs de 22 nt de longo, hoxe chamados microARNs, que tiñan un papel no desenvolvemento de Caenorhabditis elegans.
Os estudos sobre a interferencia de ARN supuxeron o Premio Nobel para Andrew Fire e Craig Mello en 2006, e concedeuse outro Nobel polos estudos sobre transcrición do ARN a Roger Kornberg no mesmo ano. O descubrimento de ARNs reguladores de xenes levou a intentar desenvolver fármacos feitos de ARN, como os derivados de certos ARN interferentes pequenos, para silenciar xenes. Evolución
En marzo de 2015, obtivéronse no laboratorio compostos orgánicos que forman parte do ADN e ARN básicos para a vida, como o uracilo, citosina e timina, en condicións que simulaban as do espazo exterior, usando compostos de partida como pirimidina, que se encontrou en meteoritos. A pirimidina, igual que os hidrocarburos aromáticos policíclicos, os compostos máis ricos en carbono atopados no Universo, puideron formarse nas estrelas xigantes vermellas ou no po cósmico interestelar e nubes de gas.
A hipótese do mundo de ARN é unha hipótese segundo a cal o ARN sería a primeira molécula que apareceu na Terra con capacidade de almacenar información xenética e ter actividade catalítica, funcións nas que máis tarde se especializarían o ADN e as proteínas. Esta hipótese permite unha explicación da aparición das diferentes funcións biolóxicas no estudo da orixe da vida.